Дякуємо за відвідування Nature.com. Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS. Для найкращого досвіду рекомендуємо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer). Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відображатимемо сайт без стилів та JavaScript.
Челсі Вольд — журналістка-фрілансерка з Гааги, Нідерланди, та авторка книги «Мрія: термінові глобальні пошуки зміни туалетів».
Спеціалізовані туалетні системи видобувають азот та інші поживні речовини з сечі для використання як добрива та інші продукти. Автор зображення: MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
Готланд, найбільший острів Швеції, має мало прісної води. Водночас мешканці стикаються з небезпечним рівнем забруднення від сільського господарства та каналізаційних систем, що спричиняє шкідливе цвітіння водоростей навколо Балтійського моря. Вони можуть вбивати рибу та викликати захворювання людей.
Щоб допомогти вирішити цю серію екологічних проблем, острів покладає надії на одну несподівану речовину, яка їх зв'язує: людську сечу.
Починаючи з 2021 року, дослідницька група почала співпрацювати з місцевою компанією, яка здає в оренду переносні туалети. Мета полягає в тому, щоб зібрати понад 70 000 літрів сечі протягом 3 років у безводних пісуарах та спеціалізованих туалетах у кількох місцях протягом літнього туристичного сезону. Команда була зі Шведського університету сільськогосподарських наук (SLU) в Уппсалі, який створив компанію під назвою Sanitation360. Використовуючи розроблений дослідниками процес, вони висушили сечу до бетоноподібних шматків, які потім подрібнили на порошок та пресували в гранули добрив, що підходять для стандартного сільськогосподарського обладнання. Місцеві фермери використовують добрива для вирощування ячменю, який потім відправляється на пивоварні для виробництва елю, який можна повернути в цикл після споживання.
Прітхві Сімха, інженер-хімік з SLU та технічний директор Sanitation360, сказала, що метою дослідників є «вийти за рамки концепції та впровадити на практиці» повторне використання сечі у великих масштабах. Мета полягає в тому, щоб створити модель, яку можна наслідувати в усьому світі. «Наша мета — щоб кожен, скрізь, виконував цю вправу».
В експерименті на Готланді ячмінь, удобрений сечею (праворуч), порівнювали з неудобреними рослинами (у центрі) та з мінеральними добривами (ліворуч). Автор зображення: Дженна Сенекал.
Проєкт Готланд є частиною аналогічних світових зусиль щодо відділення сечі від інших стічних вод та її переробки у такі продукти, як добрива. Ця практика, відома як відведення сечі, вивчається групами фахівців у Сполучених Штатах, Австралії, Швейцарії, Ефіопії та Південній Африці, серед інших. Ці зусилля виходять далеко за рамки університетських лабораторій. Безводні пісуари підключені до систем утилізації стічних вод у підвалах офісів 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 воно може знайти застосування в різних місцях, від імпровізованих військових форпостів до таборів для біженців, заможних міських центрів та розлогих нетрів.
Вчені стверджують, що відведення сечі, якщо його буде розгорнуто у великих масштабах по всьому світу, може принести величезну користь для навколишнього середовища та громадського здоров'я. Частково це пояснюється тим, що сеча багата на поживні речовини, які не забруднюють водойми, і може бути використана для добрива сільськогосподарських культур або в промислових процесах. Сімха підрахував, що люди виробляють достатньо сечі, щоб замінити приблизно чверть сучасних азотних і фосфорних добрив у світі; вона також містить калій і багато мікроелементів (див. «Склад сечі»). Найкраще те, що, не змиваючи сечу в каналізацію, ви економите багато води та зменшуєте навантаження на старіючу та перевантажену каналізаційну систему.
На думку експертів у цій галузі, багато компонентів для відведення сечі можуть незабаром стати широко доступними завдяки досягненням у сфері туалетів та стратегій їх утилізації. Але також існують великі перешкоди для фундаментальних змін в одному з найважливіших аспектів життя. Дослідникам та компаніям необхідно вирішити безліч проблем, від удосконалення конструкції туалетів з відведенням сечі до спрощення обробки сечі та її перетворення на цінні продукти. Це може включати системи хімічної обробки, підключені до окремих туалетів, або обладнання підвалу, що обслуговує всю будівлю та надає послуги з відновлення та обслуговування отриманого концентрованого або затверділого продукту (див. «Від сечі до продукту»). Крім того, існують ширші питання соціальних змін та прийняття, пов'язані як з різним ступенем культурних табу, пов'язаних з відходами життєдіяльності людини, так і з глибоко вкоріненими традиціями щодо промислових стічних вод та харчових систем.
Оскільки суспільство бореться з нестачею енергії, води та сировини для сільського господарства та промисловості, відведення та повторне використання сечі є «серйозним викликом для того, як ми забезпечуємо санітарію», каже біолог Лінн Броддус, консультант з питань сталого розвитку з Міннеаполіса. «Жанр, який ставатиме дедалі важливішим. У Міннесоті він був колишнім президентом Водної федерації Александрії, штат Вірджинія, всесвітньої асоціації фахівців з якості води. «Це насправді щось цінне».
Колись давно сеча була цінним товаром. У минулому деякі суспільства використовували її для удобрення сільськогосподарських культур, виготовлення шкіри, прання одягу та пороху. Потім, наприкінці 19-го та на початку 20-го століть, у Великій Британії виникла сучасна модель централізованого управління стічними водами, яка поширилася по всьому світу, що призвело до так званої сечової сліпоти.
У цій моделі туалети використовують воду для швидкого зливу сечі, фекалій та туалетного паперу в каналізацію, змішаних з іншими рідинами з побутових, промислових джерел, а іноді й зливової каналізації. На централізованих очисних спорудах енергоємні процеси використовують мікроорганізми для очищення стічних вод.
Залежно від місцевих правил та умов очисної споруди, стічні води, що скидаються в результаті цього процесу, можуть містити значну кількість азоту та інших поживних речовин, а також деякі інші забруднювачі. 57% населення світу взагалі не підключено до централізованої каналізаційної системи (див. «Стічні води людини»).
Вчені працюють над тим, щоб зробити централізовані системи більш сталими та менш забруднюючими, але, починаючи зі Швеції в 1990-х роках, деякі дослідники наполягають на більш фундаментальних змінах. Досягнення наприкінці процесу – це «просто чергова еволюція тієї ж клятої штуки», – сказала Ненсі Лав, інженер-еколог з Мічиганського університету в Енн-Арбор. Відведення сечі буде «трансформаційним», каже вона. У Дослідженні 1, яке моделювало системи управління стічними водами у трьох штатах США, вона та її колеги порівняли традиційні 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 вдвічі та забруднення стічних вод поживними речовинами на 64% від використовуваної технології.
Однак ця концепція залишається нішевою та значною мірою обмежена автономними територіями, такими як скандинавські еко-села, сільські господарські будівлі та забудови в районах з низьким рівнем доходу.
Туве Ларсен, інженер-хімік Швейцарського федерального інституту водних наук і технологій (Eawag) у Дюбендорфі, каже, що значна частина затримок спричинена самими туалетами. Вперше представлені на ринку в 1990-х і 2000-х роках, більшість туалетів з розподілом сечі мають невеликий унітаз перед собою для збору рідини, що вимагає ретельного контролю. Інші конструкції включають конвеєрні стрічки з ножним приводом, які дозволяють сечі стікати, коли гній транспортується до компостного контейнера, або датчики, які керують клапанами, щоб направляти сечу до окремого випускного отвору.
Прототип туалету, який розділяє сечу та висушує її до порошкоподібного стану, проходить випробування в штаб-квартирі шведської водопровідно-каналізаційної компанії VA SYD у Мальме. Автор зображення: EOOS NEXT
Але в експериментальних та демонстраційних проектах у Європі люди не сприйняли їх використання, сказав Ларсен, скаржачись на те, що вони занадто громіздкі, смердючі та ненадійні. «Нас справді відлякувала тема туалетів».
Ці побоювання переслідували перше масштабне використання туалетів з відведенням сечі, проект у південноафриканському місті Етеквіні у 2000-х роках. Ентоні Оділі, який вивчає управління охороною здоров'я в Університеті Квазулу-Натал у Дурбані, сказав, що раптове розширення кордонів міста після апартеїду призвело до того, що влада захопила деякі бідні сільські райони без туалетної та водопровідної інфраструктури.
Після спалаху холери у серпні 2000 року влада швидко розгорнула кілька санітарних споруд, які відповідали фінансовим та практичним обмеженням, зокрема близько 80 000 сухих туалетів з відведенням сечі, більшість з яких використовуються й донині. Сеча стікає в ґрунт з-під туалету, а фекалії потрапляють у сховище, яке місто спорожняє кожні п'ять років, починаючи з 2016 року.
Оділі сказав, що проєкт створив безпечніші санітарні умови в цьому районі. Однак дослідження в галузі соціальних наук виявили багато проблем із програмою. Незважаючи на думку, що туалети кращі, ніж нічого, дослідження, зокрема деякі з досліджень, у яких він брав участь, пізніше показали, що користувачам вони загалом не подобаються, сказав Оділі. Багато з них побудовані з неякісних матеріалів і незручні у використанні. Хоча такі туалети теоретично повинні запобігати появі запахів, сеча в туалетах eThekwini часто потрапляє у сховище для фекалій, створюючи жахливий запах. За словами Оділі, люди «не могли нормально дихати». Більше того, сеча практично не використовується.
Зрештою, за словами Оділі, рішення про запровадження сухих туалетів з відведенням сечі було прийнято «згори донизу» і не враховувало уподобань 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 австрійська дизайнерська фірма EOOS (що відокремилася від EOOS Next) під керівництвом дизайнера Гаральда Грундля у співпраці з Ларсеном та іншими випустила пастку для сечі. Це позбавляє користувача необхідності цілитися, а функція відведення сечі майже непомітна (див. «Новий вид туалету»).
Він використовує схильність води прилипати до поверхонь (що називається ефектом чайника, оскільки він діє як незручний чайник, з якого капає), щоб спрямувати сечу з передньої частини туалету в окремий отвір (див. «Як переробляти сечу»). Розроблена за фінансування Фонду Білла та Мелінди Гейтс у Сіетлі, штат Вашингтон, який підтримав широкий спектр досліджень інновацій туалетів для малозабезпечених верств населення, пастка для сечі може бути вбудована в усе, від високоякісних керамічних моделей на підставці до пластикових присідань. Розроблена за фінансування Фонду Білла та Мелінди Гейтс у Сіетлі, штат Вашингтон, який підтримав широкий спектр досліджень інновацій туалетів для малозабезпечених верств населення, пастка для сечі може бути вбудована в усе, від високоякісних керамічних моделей на підставці до пластикових присідань. Розроблений за фінансування Фонду Білла та Мелінди Гейтс у Сіетлі, штат Вашингтон, який підтримував широкий спектр досліджень інновацій у сфері туалетів для людей з низьким рівнем доходу, пастку для сечі можна вбудувати в усе: від моделей з керамічними підставками до пластикових присідань.горщики. Розроблений за фінансування Фонду Білла та Мелінди Гейтс у Сіетлі, штат Вашингтон, який підтримує масштабні дослідження інновацій у сфері туалетів для людей з низьким рівнем доходу, сечозбірник можна вбудувати в усе: від високоякісних керамічних моделей до пластикових лотків для присідань.Швейцарський виробник LAUFEN вже випускає для європейського ринку продукт під назвою «Save!», хоча його вартість для багатьох споживачів є занадто високою.
Університет Квазулу-Натал та міська рада еТеквіні також тестують версії туалетів-сілок, які можуть відводити сечу та змивати тверді частинки. Цього разу дослідження більше зосереджене на користувачах. Оді оптимістично налаштований щодо того, що люди віддадуть перевагу новим туалетам з відведенням сечі, оскільки вони пахнуть краще та ними легше користуватися, але він зазначає, що чоловікам доводиться сідати, щоб помочитися, що є величезним культурним зрушенням. Але якщо туалети «також будуть прийняті та прийняті в районах з високим рівнем доходу – людьми з різним етнічним походженням – це дійсно допоможе поширенню», – сказав він. «Ми завжди повинні мати расову призму», – додав він, щоб переконатися, що вони не розвиватимуть щось, що сприймається «лише для чорношкірих» або «лише для бідних».
Розділення сечі – це лише перший крок у трансформації санітарії. Наступний етап – з’ясувати, що з цим робити. У сільській місцевості люди можуть зберігати сечу в чанах, щоб знищити будь-які патогени, а потім застосовувати її на сільськогосподарських угіддях. Всесвітня організація охорони здоров’я дає рекомендації щодо цієї практики.
Але міське середовище складніше – саме тут виробляється найбільше сечі. Будувати кілька окремих каналізаційних систем по всьому місту для доставки сечі до центрального місця було б недоцільно. А оскільки сеча приблизно на 95 відсотків складається з води, її зберігання та транспортування занадто дороге. Тому дослідники зосереджуються на сушінні, концентруванні або іншому вилученні поживних речовин із сечі на рівні туалету чи будівлі, залишаючи воду.
Це буде нелегко, сказала Ларсон. З інженерної точки зору, «сеча — погане рішення», — сказала вона. Окрім води, більшість становить сечовина, багата на азот сполука, яку організм виробляє як побічний продукт білкового метаболізму. Сечовина корисна сама по собі: синтетична версія є поширеним азотним добривом (див. Вимоги до азоту). Але це також складно: у поєднанні з водою сечовина перетворюється на аміак, який надає сечі характерного запаху. Якщо її не ввімкнути, аміак може мати запах, забруднювати повітря та забирати цінний азот. Каталізується повсюдним ферментом уреазою, ця реакція, яка називається гідролізом сечовини, може тривати кілька мікросекунд, що робить уреазу одним з найефективніших відомих ферментів.
Деякі методи дозволяють продовжувати гідроліз. Дослідники Eawag розробили передовий процес, який перетворює гідролізовану сечу на концентрований поживний розчин. Спочатку в акваріумі мікроорганізми перетворюють леткий аміак на нелетку аміачну селітру, поширене добриво. Потім дистилятор концентрує рідину. Дочірня компанія під назвою Vuna, також розташована в Дюбендорфі, працює над комерціалізацією системи для будівель та продукту під назвою Aurin, який вперше у світі був схвалений у Швейцарії для харчових рослин.
Інші намагаються зупинити реакцію гідролізу, швидко підвищуючи або знижуючи pH сечі, яка зазвичай нейтральна після виведення. У кампусі Мічиганського університету Лав співпрацює з некомерційною організацією «Інститут достатку Землі» в Браттлборо, штат Вермонт, щоб розробити систему для будівель, яка видаляє рідку лимонну кислоту з туалетів з відведенням та безводних туалетів. З пісуарів вивергається вода. Потім сеча концентрується шляхом багаторазового заморожування та розморожування5.
Команда SLU під керівництвом інженера-еколога Бйорна Віннероса на острові Готланд розробила спосіб сушіння сечі до твердої сечовини, змішаної з іншими поживними речовинами. Команда оцінює свій останній прототип, окремостоячий туалет із вбудованою сушаркою, у штаб-квартирі шведської водопровідно-каналізаційної компанії VA SYD у Мальме.
Інші методи спрямовані на окремі поживні речовини в сечі. Їх можна було б легше інтегрувати в існуючі ланцюги постачання добрив та промислових хімікатів, каже інженер-хімік Вільям Тарпех, колишній постдокторант Лавс, 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. Тарпех експериментує з гранулами адсорбуючого матеріалу, який може вибірково видаляти азот у вигляді аміаку6 або фосфор у вигляді фосфату. Його система використовує іншу рідину, яка називається регенерантом, і яка протікає через кульки після того, як вони закінчуються. 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 виготовляти дешевші та екологічніші продукти (див. «Забруднення майбутнього»).
Інші дослідники розробляють способи виробництва електроенергії, поміщаючи сечу в мікробні паливні елементи. У Кейптауні, Південна Африка, інша команда розробила метод виготовлення нетрадиційної будівельної цегли шляхом змішування сечі, піску та бактерій, що виробляють уреазу, у форму. Вони кальцифікуються в будь-яку форму без випалювання. Європейське космічне агентство розглядає сечу астронавтів як ресурс для будівництва житла на Місяці.
«Коли я думаю про широке майбутнє переробки сечі та стічних вод, ми хочемо мати можливість виробляти якомога більше продуктів», – сказав Тарпех.
Дослідники, які досліджують низку ідей щодо комерціалізації сечі, знають, що це важка битва, особливо для усталеної галузі. Компанії з виробництва добрив та харчових продуктів, фермери, виробники туалетів та регуляторні органи повільно вносять суттєві зміни у свою практику. «Тут панує велика інерція», – сказав Сімча.
Наприклад, у Каліфорнійському університеті в Берклі дослідницька та освітня установка LAUFEN економить! Це включає витрати на архітекторів, будівництво та дотримання муніципальних норм — і це ще не зроблено, — сказав Кевін Она, інженер-еколог, який зараз працює в Університеті Західної Вірджинії в Моргантауні. Він сказав, що відсутність існуючих норм і правил створює проблеми для управління об'єктами, тому він приєднався до групи, яка розробляла нові норми.
Частково ця інерція може бути пов’язана зі страхом перед опором покупців, але опитування людей у ​​16 ​​країнах, проведене у 2021 році7, показало, що в таких місцях, як Франція, Китай та Уганда, готовність споживати їжу, збагачену сечею, становила близько 80% (див. «Чи їстимуть люди це?»).
Пам Елардо, яка очолює Адміністрацію стічних вод як заступниця адміністратора Агентства з охорони навколишнього середовища міста Нью-Йорк, 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, найпрактичнішим та економічно ефективним методом відведення сечі будуть автономні системи в модернізованих або нових будівлях, доповнені операціями з технічного обслуговування та збору. Якщо новатори можуть вирішити проблему, «вони повинні працювати», сказала вона.
З огляду на ці досягнення, Ларсен прогнозує, що масове виробництво та автоматизація технології відведення сечі можуть бути недалекими. Це покращить економічне обґрунтування переходу до управління відходами. Відведення сечі «є правильним методом», сказала вона. «Це єдина технологія, яка може вирішити проблеми з харчуванням вдома за розумний проміжок часу. Але люди повинні прийняти рішення».
Хілтон, С.П., Кеолеян, Джорджія, Дайггер, Г.Т., Чжоу, Б. та Лав, Н.Г. Еквірон. Хілтон, С.П., Кеолеян, Джорджія, Дайггер, Г.Т., Чжоу, Б. та Лав, Н.Г. Еквірон.Хілтон, С.П., Кеолян, Г.А., Діггер, Г.Т., Чжоу, Б. та Лав, Н.Г. Еквірон. Хілтон, СП, Кеолеян, ГА, Дайґґер, Г.Т., Чжоу, Б. та Лав, Н.Г. Енвірон. Хілтон, СП, Кеолеян, ГА, Дайґґер, Г.Т., Чжоу, Б. та Лав, Н.Г. Енвірон.Хілтон, С.П., Кеолян, Г.А., Діггер, Г.Т., Чжоу, Б. та Лав, Н.Г. Еквірон.наука. технологія. 55, 593–603 (2021).
Сазерленд, К. та ін. Зняття відбитків відводного туалету. Фаза 2: Випуск плану валідації UDDT міста eThekwini (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.Управління біржами 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.Хімічна. Міжнародний рай англійською мовою. 58, 7415–7419 (2019).
Ное-Хейс, А., Хомер, Р. Дж., Девіс, А. П. і Лав, NG ACS EST Engg. Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Ное-Хейс, А., Хомер, Р. Дж., Девіс, А. П. і Лав, 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. Ное-Хейс, А., Хомер, Р. Дж., Девіс, А. П. і Лав, 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.).