一種專門從尿液中回收氮和其他營養物質,用作肥料和其他產品的馬桶系統
在瑞典最大的島嶼哥特蘭島(Gotland),淡水稀缺。與此同時,居民正在與農業和下水道系統造成的危險汙染作鬥爭,這些汙染導致波羅的海周圍有害藻類大量繁殖,它們可以殺死魚類並使人生病。
為了幫助解決這一系列環境挑戰,該島將希望寄託在一種單一的、不太可能的物質上:人類尿液。
從2021年開始,一組研究人員開始與當地一家出租移動馬桶的公司合作。該專案的目標是在夏季旅遊旺季期間,用3年時間從多個地點的無水小便池和專用馬桶收集7萬多升尿液。該團隊來自烏普薩拉的瑞典農業科學大學(Swedish University of Agricultural Sciences,SLU),該大學已分拆出了一家名為Sanitation360的公司。利用研究人員開發的一種工藝,他們將尿液烘乾成混凝土狀的大塊,然後錘成粉末,再壓制成肥料顆粒,再裝入標準的農業裝置中。當地農民用這些肥料種植大麥,這些大麥將被送到釀酒廠釀製啤酒。啤酒消費後,又會再次進入一個迴圈。
SLU 的化學工藝工程師和 Sanitation360 的首席技術官 Prithvi Simha 說,研究人員的目標是將“尿液再利用”大規模地應用到實踐中,而不只是停留在概念上。其目的是為世界各地提供一個可以效仿的模式。我們的目標是讓每個人,無論在哪裡,都能做到這一點(尿液再利用)。”
圖1. Gotland 實驗比較了用尿液施肥(右)、沒有施肥(中)和施有礦物肥料(左)的大麥
圖Gotland專案是世界範圍內將尿液從汙水中分離出來,並將其迴圈利用成肥料等產品的類似努力的一部分。美國、澳大利亞、瑞士、衣索比亞和南非等地的一些組織正在研究這種被稱為尿液分流(urine diversion)的做法。這些努力遠遠超出了大學實驗室的範圍。在俄勒岡州和荷蘭,無水小便池連線到辦公室的地下室處理系統。在巴黎,有一項計劃,將在該市第14區建設一個擁有1000名居民的生態區,安裝小便分流馬桶。歐洲航天局將在其巴黎總部安裝80個尿液分流馬桶,該馬桶將於今年晚些時候投入使用。尿液分流的支持者認為,尿液轉移可以用於臨時軍事哨所、難民營、富裕的城市中心和不斷擴大的貧民窟。
科學家們表示,如果在世界範圍內大規模部署尿液分流,將會對環境和公共健康產生巨大的好處。這在一定程度上是因為尿液含有豐富的營養物質,這些營養物質不僅不會汙染水體,還可以用來給農作物施肥,或用於工業生產。根據Simha的估計,人類產生的尿液足以取代目前全球約四分之一的氮和磷肥料;它還含有鉀和許多微量元素(圖2)。最重要的是,不把尿液衝進下水道可以節省大量的水,並減輕老化和超負荷的下水道系統的壓力。
據該領域的專家稱,由於馬桶和尿液處理策略的進步,尿液分流的許多組成部分可能很快就可以廣泛推廣。但是,對人類生活這一最基本的方面進行根本性的設計,還存在很大障礙。研究人員和企業需要解決一系列問題,從改善尿液分流馬桶的設計,到使尿液更容易處理並將其轉化為有價值的產品。這可能涉及到連線到各個馬桶或地下室裝置的化學處理系統,這些裝置為整個建築提供服務,並對由此產生的濃縮或固化產品進行提取和維護服務(圖3)。此外,還有更廣泛的社會變化和接受問題,這些問題既與圍繞人類排洩物的不同程度的文化禁忌有關,也與有關工業汙水和食品系統的根深蒂固的習俗有關。
明尼阿波利斯的可持續發展顧問、生物學家 Lynn Broaddus 表示,尿液的分流和再利用是“對人類衛生進行的徹底的重新構想”,隨著社會與農業和工業的能源、水和原材料短缺作鬥爭,這將變得越來越重要。他是弗吉尼亞州亞歷山德里亞市水環境聯合會的前主席,該聯合會是全球水質專業人士的協會。“事實是,這是很有價值的東西。”
混合廢水
尿液曾經是一種有價值的商品。在過去,一些社會使用它來施肥、鞣革、洗衣服和生產火藥。然後,在19世紀末20世紀初,現代集中式汙水管理模式在英國興起,並在世界範圍內傳播,最終導致了所謂的"尿盲(urine blindness)"。
在這種模式下,沖水馬桶利用水迅速將尿液、糞便和廁紙送入下水道,在那裡,它們與來自家庭、工業來源的其他液體混合,有時還會有暴雨徑流。在集中式汙水處理廠,一個能源密集型的處理過程使用微生物來清潔汙水。
根據當地法規和處理廠的情況,從這個過程中排放出來的廢水仍然可能含有大量的氮和其他營養物質,以及一些其他汙染物。57%的世界人口根本沒有連線到中央下水道系統(圖4)。
科學家們正在研究如何使集中式系統更可持續、汙染更少,但從20世紀90年代的瑞典開始,一些研究人員開始推動更根本的改變。密歇根大學安娜堡分校的環境工程師Nancy Love說,管道末端的進步“不過是同一件該死的東西的另一種進化”。她說,尿液分流將是“革命性的”。
在一項模擬美國三個州廢水管理系統的研究中,她和她的同事們比較了傳統的廢水處理系統和假想的汙水處理系統。假想的汙水處理系統會分離尿液,並用回收的營養物質代替合成肥料。他們預計,根據所使用的技術不同,採用尿液分流的社群可以將溫室氣體總排放量降低47%,能源消耗降低41%,淡水使用量減少約一半,廢水中的營養物質汙染降低64%。
儘管如此,這一概念仍然是小眾的,主要侷限於北歐生態村、農村外屋和低收入環境下的開發專案等離網地區。
瑞士聯邦水生科學與技術研究所(Eawag)的化學工程師Tove Larsen在Dübendorf網站上說,很大程度上滯後是由馬桶本身造成的。在20世紀90年代和21世紀初,大多數排尿馬桶都在前面安裝了一個小盆來吸收尿液——這種設定需要仔細瞄準。其他的設計包括用腳驅動的傳送帶,在將糞便輸送到堆肥庫的同時讓尿液排出,或者用感測器控制閥門,將尿液導向獨立的出口。
圖5. 瑞典公共水和廢水公用事業公司VA SYD總部正在Malmö測試一種能將尿液分離並乾燥成粉末的馬桶原型
但在歐洲的試點和示範專案中,人們沒有接受它們的使用,Larsen說,抱怨它們太笨重,氣味難聞,不可靠。“我們真的被馬桶這個話題拖住了。”
這些擔憂困擾著南非德科維尼市在2000年首次大規模使用排尿馬桶的專案。在德班誇祖魯-納塔爾大學(University of KwaZulu-Natal)研究衛生治理的Anthony Odili說,種族隔離之後,市政當局的邊界突然擴大,導致當局接管了一些貧窮農村地區的責任,那裡沒有廁所基礎設施,也沒有供水服務。
在2000年8月霍亂爆發後,當局迅速推出了幾類滿足財政和實際限制的衛生設施,包括大約8萬個尿分流旱廁,其中大多數至今仍在使用。尿液從馬桶下方排入土壤,糞便落入一個地下室,自2016年以來,市政當局每五年清空一次。
Odili說,該專案成功地在該地區建立了更安全的衛生設施。然而,社會科學研究揭示了該計劃的許多問題。奧迪利說,儘管人們覺得有馬桶總比沒有好,但包括他所參與的一些研究在內的研究後來發現,使用者普遍不喜歡這些馬桶。許多都是用劣質材料建造的,難以使用。雖然這樣的馬桶理論上可以防止難聞的氣味,但德克維尼人的尿液經常和糞便一起進入地下室,造成可怕的臭味。奧迪利說,人們“無法正常呼吸”。更重要的是,尿液大部分沒有被使用。
Odili說,最終,主要是出於公共衛生考慮,決定採用尿液分流的乾式馬桶,這是自上而下的決定,沒有考慮到人們的偏好。2017年的一項研究發現,在德克維尼,超過95%的受訪者渴望城市中較富裕的白人使用的方便、無臭的沖水馬桶,而且許多人打算在環境允許的情況下安裝這種馬桶。在南非,馬桶長期以來一直是種族不平等的象徵。
然而,一項新的設計可能代表著尿液分流的突破。由設計師Harald Gründl領導,並與Larsen等人合作,在2017年,奧地利設計公司EOOS(後來剝離了EOOS Next公司)推出了“尿阱”。這樣使用者就不需要瞄準目標,尿液分流功能幾乎是隱形的(圖6)。
它利用水附著在物體表面的趨勢(被稱為茶壺效應,因為它就像一個不方便滴下的茶壺),將尿液從馬桶正面的內側引導到一個單獨的洞中(參見“如何回收尿液”)。“尿阱”是由位於華盛頓州西雅圖的比爾和梅林達·蓋茨基金會(Bill & Melinda Gates Foundation)資助開發的,該基金會為低收入人群的廁所創新研究提供了大量支援。從高階陶瓷底座到塑膠蹲便盆,“尿阱”可以被安裝在任何東西上。總部位於瑞士的製造商勞芬(LAUFEN)已經在為歐洲市場生產一款名為save!的尿阱,儘管對許多消費者來說還是太貴了。
誇祖魯-納塔爾省大學和德科維尼市也一直在測試尿阱馬桶,這種馬桶可以將尿液分流並沖走固體。這一次,研究更關注於使用者。Odili樂觀地認為,人們會更喜歡新的排尿馬桶,因為它們聞起來更好,使用起來更方便,但他指出,男性必須坐下來小便(???),這是一個巨大的文化轉變。但他表示,如果馬桶“在高收入地區——這裡來自不同種族的人——也被採用和接受,這真的將有助於推廣”。“我們必須始終帶著種族主義的眼光,”他補充道,以確保他們不會開發出被視為‘只為黑人’或‘只為窮人’的東西。
尿液的用途
將尿液分離只是改變衛生條件的第一步。下一部分是研究如何處理它。在農村地區,人們可以將其儲存在大桶中,以殺死任何病原體,然後將其用於田間。世界衛生組織為這種做法提供了指導方針。
但城市環境要複雜得多——而城市是產生尿液最多的地方。在整個城市中增加一套獨立的下水管道來將尿液輸送到一箇中心位置是不現實的。由於尿液中95%是水,儲存和運輸成本太高。因此,研究人員正專注於從馬桶或建築物的尿液中乾燥、濃縮或以其他方式提取營養物質,而將水分分離出來。
這並不容易,Larsen說,從工程學的角度來看,“尿液是一個令人討厭的解決方案”。尿液除了水,最大的部分是尿素,這是一種富含氮的化合物,是人體代謝蛋白質的副產品。尿素本身是有用的:合成的尿素是一種普通的氮肥(圖7)。但它也很棘手:當與水結合時,尿素轉化為氨氣,這有助於產生尿液特有的氣味。如果不加以控制,氨就會發臭,汙染空氣,並帶走寶貴的氮。這個反應被稱為尿素水解,在廣泛存在的脲酶的催化下,可以在幾微秒內完成,使脲酶成為已知的最有效的酶之一。
有些方法可以使水解繼續進行。Eawag的研究人員開發了一種先進的工藝,可以將水解尿液轉化為濃縮營養液。首先,在罐中,微生物將揮發性氨轉化為非揮發性硝酸銨,這是一種常見的肥料。然後蒸餾器將液體濃縮。一家也位於Dübendorf的名為Vuna的衍生公司,正致力於將該系統用於建築,他們的商業化產品Aurin,已在瑞士被批准用於食用植物,這是世界上第一個。
另一些人則透過快速提高或降低尿液的pH值來阻止水解反應,而尿液排出體外時pH值通常是中性的。在密歇根大學的校園裡,Love和佛蒙特州伯瑞特伯勒市的非營利組織富地研究所(Rich Earth Institute)正在合作開發一種用於建築的系統,該系統將液體檸檬酸注入排尿馬桶和無水便池的管道中。然後透過反覆地冷凍和解凍來濃縮尿液。
在Gotland進行這個專案的SLU團隊,由環境工程師Björn Vinnerås領導,已經研究出如何將尿液乾燥成固體尿素與其他營養物質混合。該團隊正在瑞典公共水和廢水公用事業公司VA SYD總部(Malmö)評估其最新的馬桶原型——包括內建烘乾機的自給式馬桶。
其他方法則針對尿液中的個別營養素。化學工程師William Tarpeh表示,這些產品可以更容易地進入現有的化肥和工業化學品供應鏈。塔普曾是Love的博士後,目前在加州斯坦福大學(Stanford University)工作。
從水解尿液中回收磷的一種公認的方法是加入鎂,鎂會導致一種叫做鳥糞石的肥料沉澱。Tarpeh正在用吸附材料的珠子進行實驗,這些珠子可以選擇性地從氨的形態中提取出氮,也可以從磷酸鹽的形態中提取出磷。他的系統使用另一種叫做再生劑的液體,在珠子耗盡後流過珠子。再生劑帶走營養物質,併為下一輪更新珠子。這是一種低技術,被動的方法,但商業再生劑會破壞環境。他的團隊現在正試圖製造更便宜、更環保的汙染(圖8)。
其他研究人員正在研究透過將尿液注入微生物燃料電池來發電的方法。在南非的開普敦,另一個團隊開發了一種方法,透過將尿液、沙子和產生尿素酶的細菌在一個模具中結合,製造出一種非傳統的建築磚。它們可以鈣化成任何形狀,無需燃燒。歐洲航天局(European Space Agency)也在考慮將宇航員的尿液作為在月球上建造棲息地的資源。
“當我想到尿液回收和廢水回收的廣闊未來時,我們希望能夠生產儘可能多的產品,”Tarpeh 說。
隨著研究人員尋求一系列將尿液轉化為商品的想法,他們知道這是一場艱苦的戰鬥,尤其是對那些根深蒂固的行業。化肥和食品公司、農民、馬桶製造商和監管機構在對他們的做法做出重大改變方面進展緩慢。Simha表示:“慣性非常大。
例如,在加州大學伯克利分校,LAUFEN save! 馬桶的研究和教育設施,包括通向地下儲水箱的排水管,出人意料地花費了近三年時間,耗資超過5萬美元。西弗吉尼亞大學環境工程師Kevin Orner說,花費包括建築師、建築和遵守市政法規的費用,專案到現在還沒有完成。他說,現有法規的缺乏給設施管理帶來了麻煩,這也是他為什麼參加了一個正在制定相關新法規的小組。
這種慣性在一定程度上可能是出於對顧客抵制的擔憂,但2021年對16個國家的人進行的一項調查顯示,在法國、中國和烏干達等地,有近80%的人願意消費尿液施肥的食物(圖9)。
Pam Elardo是紐約市環境保護署的副局長,領導著廢水處理局。她說,她支援尿液分流等創新,因為進一步減少汙染和回收資源是她工作的主要目標。她預計,對於像紐約這樣的城市來說,最實用、最經濟的尿液分流方法是,在維護和收集操作的支援下,為翻新或新建的建築提供離網系統。她說,如果創新者能夠解決這個問題,“他們就應該去嘗試”。
鑑於這些進步,Larsen預測大規模生產和尿分流技術的自動化可能很快就會實現。這將改善這種處理廢物的轉變的商業案例。她說,尿液分流“是正確的技術”。“這是唯一能在合理時間內解決家庭營養問題的技術。人們必須勇於嘗試。
原文以The urine revolution: how recycling pee could help to save the world為標題,2022-2-9發表於Nature的NEWS FEATURE板塊
作者丨Chelsea Wald
編譯丨EcoTrends