Дякуємо, що відвідали Nature.com.Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відтворюємо сайт без стилів і JavaScript.
Челсі Уолд – журналіст-фрілансер із Гааги, Нідерланди, автор книжки Daydream: An Urgent Global Quest to Change Toilets.
Спеціалізовані туалетні системи витягують із сечі азот та інші поживні речовини для використання в якості добрив та інших продуктів.Авторство зображення: MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
На найбільшому острові Швеції Готланд мало прісної води.У той же час жителі стикаються з небезпечним рівнем забруднення через сільське господарство та каналізаційні системи, які спричиняють шкідливе цвітіння водоростей навколо Балтійського моря.Вони можуть вбивати рибу і викликати захворювання людей.
Щоб допомогти вирішити цю серію екологічних проблем, острів покладає надії на одну малоймовірну речовину, яка зв’язує їх: людську сечу.
Починаючи з 2021 року дослідницька група почала співпрацювати з місцевою компанією, яка здає в оренду портативні туалети.Мета полягає в тому, щоб зібрати понад 70 000 літрів сечі протягом 3 років у безводних пісуарах і спеціальних туалетах у багатьох місцях протягом літнього туристичного сезону.Команда прибула зі Шведського університету сільськогосподарських наук (SLU) в Упсалі, який відокремив компанію під назвою Sanitation360.Використовуючи розроблений дослідниками процес, вони висушили сечу в бетонні шматки, які потім подрібнили в порошок і спресували в гранули добрива, які підходять для стандартного сільськогосподарського обладнання.Місцеві фермери використовують добриво для вирощування ячменю, який потім відправляють на пивоварні для виробництва елю, який після вживання можна повертати в цикл.
Прітхві Сімха, інженер-хімік SLU та технічний директор Sanitation360, сказав, що мета дослідників полягає в тому, щоб «вийти за рамки концепції та застосувати на практиці» повторне використання сечі у великих масштабах.Мета полягає в тому, щоб створити модель, яку можна наслідувати в усьому світі.«Наша мета полягає в тому, щоб усі і всюди виконували цю вправу».
В експерименті на Готланді ячмінь, удобрений сечею (праворуч), порівнювався з неудобреними рослинами (у центрі) та мінеральними добривами (ліворуч).Автор зображення: Дженна Сенекал.
Проект у Готланді є частиною подібних всесвітніх зусиль з відділення сечі від інших стічних вод і переробки її в продукти, як-от добрива.Практика, відома як перенаправлення сечі, вивчається серед інших груп у Сполучених Штатах, Австралії, Швейцарії, Ефіопії та Південній Африці.Ці зусилля виходять далеко за межі університетських лабораторій.Безводні пісуари підключені до підвальних систем утилізації в офісах в Орегоні та Нідерландах.Париж планує встановити туалети з відведенням сечі в екозоні на 1000 жителів, яка будується в 14-му окрузі міста.Європейське космічне агентство розмістить 80 туалетів у своїй паризькій штаб-квартирі, яка почне працювати пізніше цього року.Прихильники відведення сечі кажуть, що це може знайти застосування в різних місцях, починаючи від тимчасових військових форпостів і закінчуючи таборами біженців, заможними міськими центрами та розгалуженими нетрями.
Вчені кажуть, що відведення сечі, якщо його розгорнути у великих масштабах у всьому світі, може принести величезну користь навколишньому середовищу та здоров’ю населення.Частково це пояснюється тим, що сеча багата поживними речовинами, які не забруднюють водойми і можуть використовуватися для удобрення сільськогосподарських культур або в промислових процесах.Сімха оцінює, що люди виробляють достатньо сечі, щоб замінити приблизно чверть нинішніх у світі азотних і фосфорних добрив;він також містить калій і багато мікроелементів (див. «Складові речовини в сечі»).Найкраще те, що не змиваючи сечу в каналізацію, ви економите багато води та зменшуєте навантаження на застарілу та перевантажену каналізаційну систему.
За словами експертів у цій галузі, багато компонентів для відведення сечі незабаром можуть стати широко доступними завдяки прогресу в туалетах і стратегіях утилізації сечі.Але є також великі перешкоди для фундаментальних змін в одному з найбільш фундаментальних аспектів життя.Дослідникам і компаніям необхідно вирішити безліч проблем, починаючи від вдосконалення дизайну туалетів, що відводять сечу, і закінчуючи полегшенням обробки сечі та перетворення її на цінні продукти.Це може включати системи хімічної обробки, підключені до окремих туалетів або підвального обладнання, що обслуговує всю будівлю та надає послуги з відновлення та підтримки отриманого концентрованого або затверділого продукту (див. «Від сечі до продукту»).Крім того, існують ширші питання соціальних змін і прийняття, пов’язані як з різним ступенем культурних табу, пов’язаних з людськими відходами, так і з глибоко вкоріненими умовностями щодо промислових стічних вод і харчових систем.
Оскільки суспільство бореться з нестачею енергії, води та сировини для сільського господарства та промисловості, відведення та повторне використання сечі є «головною проблемою для того, як ми забезпечуємо санітарію», — каже біолог Лінн Броддус, консультант із сталого розвитку в Міннеаполісі..«Жанр, який ставатиме все більш важливим.Міннесота, він був колишнім президентом Федерації водних видів спорту Олександрії, штат Вірджинія, всесвітньої асоціації професіоналів з якості води.«Насправді це щось цінне».
Колись сеча була цінним товаром.У минулому деякі суспільства використовували його для удобрення посівів, виготовлення шкіри, прання одягу та виготовлення пороху.Потім, наприкінці 19-го та на початку 20-го століть, сучасна модель централізованого управління стічними водами виникла у Великій Британії та поширилася по всьому світу, завершившись так званою сечовою сліпотою.
У цій моделі туалети використовують воду для швидкого зливу сечі, фекалій і туалетного паперу в каналізацію, змішану з іншими рідинами з побутових, промислових джерел, а іноді й зливових стоків.На централізованих очисних спорудах енергоємні процеси використовують мікроорганізми для очищення стічних вод.
Залежно від місцевих правил і умов очисної споруди, стічні води, що скидаються з цього процесу, все ще можуть містити значну кількість азоту та інших поживних речовин, а також деякі інші забруднення.57% населення світу взагалі не підключено до централізованої системи каналізації (див. «Стічні води людини»).
Вчені працюють над тим, щоб зробити централізовані системи більш стійкими та менш забруднювальними, але, починаючи зі Швеції в 1990-х роках, деякі дослідники наполягають на більш фундаментальних змінах.Досягнення в кінці конвеєра – це «ще одна еволюція тієї самої проклятої речі», – сказала Ненсі Лав, інженер-еколог Мічиганського університету в Енн-Арборі.Відведення сечі буде «трансформаційним», каже вона.У дослідженні 1, яке моделювало системи управління стічними водами в трьох штатах США, вона та її колеги порівнювали звичайні системи очищення стічних вод з гіпотетичними системами очищення стічних вод, які відводять сечу та використовують відновлені поживні речовини замість синтетичних добрив.Вони підрахували, що громади, які використовують відведення сечі, можуть зменшити загальні викиди парникових газів на 47%, споживання енергії на 41%, споживання прісної води приблизно наполовину, а забруднення стічних вод поживними речовинами на 64%.використана технологія.
Однак ця концепція залишається нішевою і в основному обмежена автономними районами, такими як скандинавські екопоселення, сільські господарські будівлі та забудови в районах з низьким рівнем доходу.
Туве Ларсен, інженер-хімік зі Швейцарського федерального інституту водних наук і технологій (Eawag) у Дюбендорфі, каже, що велика частина відставання спричинена самими туалетами.Уперше представлені на ринку в 1990-х і 2000-х роках, більшість унітазів з відведенням сечі мають невеликий басейн перед ними для збору рідини, налаштування, яке вимагає ретельного вибору.Інші конструкції включають ножні конвеєрні стрічки, які дозволяють сечі стікати, коли гній транспортується до компостного бункера, або датчики, які керують клапанами, щоб направляти сечу в окремий випуск.
Прототип туалету, який відокремлює сечу та висушує її в порошок, тестується в штаб-квартирі шведської водопровідної та каналізаційної компанії VA SYD у Мальме.Автор зображення: EOOS NEXT
Але в експериментальних і демонстраційних проектах в Європі люди не охоче їх використовують, сказав Ларсен, скаржачись, що вони занадто громіздкі, смердючі та ненадійні.«Нас справді відлякала тема туалетів».
Ці занепокоєння переслідували перше масштабне використання туалетів із відведенням сечі, проект у південноафриканському місті Етеквіні у 2000-х роках.Ентоні Оділі, який вивчає менеджмент охорони здоров’я в Університеті Квазулу-Натал у Дурбані, сказав, що раптове розширення кордонів міста після апартеїду призвело до того, що влада зайняла деякі бідні сільські райони без туалетів та водопостачання.
Після спалаху холери в серпні 2000 року влада швидко розгорнула кілька санітарних споруд, які відповідали фінансовим і практичним обмеженням, включаючи близько 80 000 сухих туалетів з сечовиділенням, більшість з яких використовуються й сьогодні.Сеча стікає в ґрунт з-під унітазу, а фекалії потрапляють у сховище, яке місто спорожнює кожні п’ять років з 2016 року.
Оділі сказав, що проект створив безпечніші санітарні умови в цьому районі.Однак дослідження соціальних наук виявили багато проблем із програмою.Незважаючи на думку про те, що туалети краще, ніж нічого, дослідження, в тому числі деякі з досліджень, у яких він брав участь, пізніше показали, що користувачі загалом їх не люблять, сказав Оділі.Багато з них побудовані з неякісних матеріалів і незручні у використанні.Хоча теоретично такі туалети повинні запобігати запахам, сеча в туалетах eThekwini часто потрапляє в сховище фекалій, створюючи жахливий запах.За словами Оділі, люди «не могли нормально дихати».Причому сеча практично не використовується.
Зрештою, за словами Оділі, рішення про впровадження сухих туалетів із сечовиділенням було прийнято зверху вниз і не враховувало вподобань людей, головним чином з міркувань охорони здоров’я.Дослідження 2017 року3 показало, що понад 95% респондентів eThekwini хотіли мати доступ до зручних туалетів без запаху, якими користуються заможні білі жителі міста, і багато хто планував встановити їх, коли дозволять умови.У Південній Африці туалети вже давно є символом расової нерівності.
Однак новий дизайн може стати проривом у відведенні сечі.У 2017 році під керівництвом дизайнера Гаральда Грундля у співпраці з Ларсеном та іншими австрійська дизайнерська фірма EOOS (відокремилася від EOOS Next) випустила пастку для сечі.Це позбавляє користувача від необхідності цілитися, а функція відведення сечі майже непомітна (див. «Новий вид туалету»).
Він використовує тенденцію води прилипати до поверхонь (так званий ефект чайника, оскільки він діє як незграбний чайник, що капає), щоб направляти сечу з передньої частини унітазу в окремий отвір (див. «Як переробити сечу»). Розроблений за фінансової підтримки Фонду Білла та Мелінди Гейтс у Сіетлі, штат Вашингтон, який підтримав широкий спектр досліджень інновацій у туалетах для людей з низьким рівнем доходу, сечовиловлювач можна використовувати в будь-якій моделі, починаючи від високоякісних керамічних моделей п’єдесталів і закінчуючи пластиковими присадками. каструлі. Розроблений за фінансової підтримки Фонду Білла та Мелінди Гейтс у Сіетлі, штат Вашингтон, який підтримав широкий спектр досліджень інновацій у туалетах для людей з низьким рівнем доходу, сечовиловлювач можна використовувати в будь-якій моделі, починаючи від високоякісних керамічних моделей п’єдесталів і закінчуючи пластиковими присадками. каструлі. Розроблений за фінансової підтримки Фонду Білла та Мелінди Гейтс у Сіетлі, штат Вашингтон, який підтримав широкий спектр інноваційних досліджень унітазів для людей з низьким рівнем доходу, сечоуловлювач можна вбудовувати в будь-які моделі: від моделей із керамічними підставками до пластикових присідань.горщики. Розроблений за фінансової підтримки Фонду Білла та Мелінди Гейтс у Сіетлі, штат Вашингтон, який підтримує широкі дослідження інновацій у туалетах для людей із низьким рівнем доходу, сечозбірник можна вбудовувати в будь-які моделі, починаючи від високоякісних керамічних моделей і закінчуючи пластиковими лотками.Швейцарський виробник LAUFEN вже випускає продукт під назвою «Збережи!»для європейського ринку, хоча його вартість занадто висока для багатьох споживачів.
Університет Квазулу-Натал і міська рада eThekwini також тестують версії туалетів із сечовими пастками, які можуть відводити сечу та вимивати тверді частинки.Цього разу дослідження більше зосереджено на користувачах.Оді налаштований оптимістично, що люди віддадуть перевагу новим унітазам, які відводять сечу, тому що вони краще пахнуть і ними простіше користуватися, але він зауважує, що чоловікам доводиться сідати, щоб помочитися, що є величезною культурною зміною.Але якщо туалети «також приймуть і засвоять райони з високим рівнем доходу — люди з різного етнічного походження — це справді допоможе поширенню», — сказав він.«Ми завжди повинні мати расовий об’єктив», – додав він, щоб переконатися, що вони не розробляють щось, що розглядається як «тільки для чорношкірих» або «лише для бідних».
Відділення сечі – лише перший крок у зміні санітарії.Наступна частина — з’ясувати, що з цим робити.У сільській місцевості люди можуть зберігати його в чанах, щоб знищити будь-які патогени, а потім застосовувати його на сільськогосподарських угіддях.Всесвітня організація охорони здоров'я дає рекомендації щодо цієї практики.
Але міське середовище складніше – саме тут утворюється більша частина сечі.Було б недоцільно будувати кілька окремих каналізаційних колекторів по всьому місту, щоб доставляти сечу в центральне місце.А оскільки сеча приблизно на 95 відсотків складається з води, її зберігання та транспортування надто дороге.Тому дослідники зосереджуються на висушуванні, концентруванні або іншому вилученні поживних речовин із сечі на рівні туалету чи будівлі, залишаючи воду позаду.
Це буде непросто, сказав Ларсон.З інженерної точки зору, «моча — погане рішення», — сказала вона.Крім води, більшість становить сечовина, збагачена азотом сполука, яку організм виробляє як побічний продукт білкового обміну.Сечовина корисна сама по собі: синтетична версія є звичайним азотним добривом (див. Потреби в азоті).Але це теж складно: при з’єднанні з водою сечовина перетворюється на аміак, який надає сечі характерний запах.Якщо не ввімкнути, аміак може мати запах, забруднювати повітря та забирати цінний азот.Ця реакція, яка каталізується всюдисущим ферментом уреазою, називається гідролізом сечовини, може тривати кілька мікросекунд, що робить уреазу одним із найефективніших відомих ферментів.
Деякі методи дозволяють продовжувати гідроліз.Дослідники Eawag розробили вдосконалений процес, який перетворює гідролізовану сечу в концентрований живильний розчин.По-перше, в акваріумі мікроорганізми перетворюють леткий аміак в нелетку аміачну селітру, звичайне добриво.Потім дистилятор концентрує рідину.Дочірня компанія під назвою Vuna, також розташована в Дюбендорфі, працює над комерціалізацією системи для будівель і продукту під назвою Aurin, який вперше в світі був схвалений у Швейцарії для харчових рослин.
Інші намагаються зупинити реакцію гідролізу, швидко підвищуючи або знижуючи рН сечі, який зазвичай нейтральний при виведенні.У кампусі Мічиганського університету Лав співпрацює з некомерційною організацією Earth Abundance Institute у Бреттлборо, штат Вермонт, щоб розробити систему для будівель, яка видаляє рідку лимонну кислоту з відвідних і безводних туалетів.Вода виривається з пісуарів.Потім сечу концентрують шляхом повторного заморожування та відтавання5.
Команда SLU на чолі з інженером-екологом Бьорном Віннеросом на острові Готланд розробила спосіб висушування сечі в тверду сечовину, змішану з іншими поживними речовинами.Команда оцінює свій останній прототип, окремо стоячий туалет із вбудованою сушаркою, у штаб-квартирі шведської водопровідної та каналізаційної компанії VA SYD у Мальме.
Інші методи спрямовані на окремі поживні речовини в сечі.Їх можна було б легше інтегрувати в існуючі ланцюги поставок добрив і промислових хімікатів, каже інженер-хімік Вільям Тарпех, колишній докторант в Love's, який зараз працює в Стенфордському університеті в Каліфорнії.
Поширеним методом відновлення фосфору з гідролізованої сечі є додавання магнію, що викликає осадження добрива під назвою струвіт.Tarpeh експериментує з гранулами адсорбенту, який може вибірково видаляти азот як аміак6 або фосфор як фосфат.Його система використовує іншу рідину під назвою регенерант, яка протікає через повітряні кулі після того, як вони закінчаться.Регенерант забирає поживні речовини та оновлює кульки для наступного раунду.Це низькотехнологічний, пасивний метод, але комерційні регенерати шкідливі для навколишнього середовища.Зараз його команда намагається виробляти більш дешеві та екологічно чисті продукти (див. «Забруднення майбутнього»).
Інші дослідники розробляють способи виробництва електроенергії шляхом розміщення сечі в мікробних паливних елементах.У Кейптауні, Південна Африка, інша команда розробила метод виготовлення нетрадиційної будівельної цегли шляхом змішування сечі, піску та бактерій, що виробляють уреазу, у формі.Вони набувають будь-якої форми без випалювання.Європейське космічне агентство розглядає сечу астронавтів як ресурс для будівництва житла на Місяці.
«Коли я думаю про широке майбутнє переробки сечі та переробки стічних вод, ми хочемо мати можливість виробляти якомога більше продуктів», — сказав Тарпе.
Оскільки дослідники шукають низку ідей щодо перетворення сечі на товар, вони знають, що це важка боротьба, особливо для вкоріненої галузі.Компанії з виробництва добрив і продуктів харчування, фермери, виробники туалетів і регулятори не поспішають вносити істотні зміни у свою практику."Тут багато інерції", - сказав Сімча.
Наприклад, в Каліфорнійському університеті в Берклі науково-освітня установка LAUFEN save!Це включає витрати на архітекторів, будівництво та дотримання муніципальних правил — і це ще не зроблено, сказав Кевін Она, інженер-еколог, який зараз працює в Університеті Західної Вірджинії в Моргантауні.Він сказав, що відсутність існуючих кодексів і правил створює проблеми для управління об'єктами, тому він приєднався до групи, яка розробляла нові кодекси.
Частково ця інерція може бути спричинена страхом спротиву покупців, але опитування 2021 року серед людей у ​​16 ​​країнах7 показало, що в таких місцях, як Франція, Китай та Уганда, готовність споживати їжу, збагачену сечею, була близько 80% ( див. Чи будуть люди їсти це?').
Пам Елардо, яка очолює управління стічних вод як заступник адміністратора Управління охорони навколишнього середовища Нью-Йорка, сказала, що підтримує такі інновації, як відведення сечі, оскільки ключовими цілями її компанії є подальше зменшення забруднення та переробка ресурсів.Вона очікує, що для такого міста, як Нью-Йорк, найбільш практичним і економічно ефективним методом відведення сечі будуть автономні системи в модернізованих або нових будівлях, доповнені операціями з технічного обслуговування та збору.Якщо інноватори можуть вирішити проблему, «вони повинні працювати», сказала вона.
Враховуючи ці досягнення, Ларсен прогнозує, що масове виробництво та автоматизація технології відведення сечі не за горами.Це покращить економічне обґрунтування цього переходу до управління відходами.Відведення сечі «є правильною технікою», сказала вона.«Це єдина технологія, яка може вирішити проблеми домашнього харчування за розумний проміжок часу.Але люди мають прийняти рішення».
Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ.Хілтон, С. П., Кеолеян, Джорджія, Дігер, Г. Т., Чжоу, Б. і Лав, Н. Г. Енвайрон. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ.Хілтон, С. П., Кеолеян, Джорджія, Дігер, Г. Т., Чжоу, Б. і Лав, Н. Г. Енвайрон.наука.технології.55, 593–603 (2021).
Сазерленд К. та ін.Спорожнення враження від відвідного туалету.Фаза 2: Випуск плану перевірки UDDT eThekwini City (Університет Квазулу-Натал, 2018).
Mkhize, N., Taylor, M., Udert, KM, Gounden, TG & Buckley, CAJ Water Sanit. Mkhize, N., Taylor, M., Udert, KM, Gounden, TG & Buckley, CAJ Water Sanit.Mkhize N, Taylor M, Udert KM, Gounden TG.і Баклі, CAJ Water Sanit. Mkhize, N., Taylor, M., Udert, KM, Gounden, TG & Buckley, CAJ Water Sanit。 Mkhize, N., Taylor, M., Udert, KM, Gounden, TG & Buckley, CAJ Water Sanit.Mkhize N, Taylor M, Udert KM, Gounden TG.і Баклі, CAJ Water Sanit.Біржовий менеджмент 7, 111–120 (2017).
Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Churli, S. Angue. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Churli, S. Angue.хімічний.International Paradise English.58, 7415–7419 (2019).
Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg。 Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg.https://doi.org/10.1021/access.1c00271 (2021 р.).