Tak fordi du besøger Nature.com. Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse. For at få den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer). I mellemtiden, for at sikre fortsat support, vil vi gengive webstedet uden typografier og JavaScript.
Chelsea Wold er freelancejournalist bosat i Haag, Holland, og forfatter til *Daydream: An Urgent Global Quest to Change Toilets*.
Specialiserede toiletsystemer udvinder kvælstof og andre næringsstoffer fra urin til brug som gødning og andre produkter. Billedkredit: MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
Gotland, Sveriges største ø, har kun lidt ferskvand. Samtidig kæmper beboerne med farlige niveauer af forurening fra landbrug og kloaksystemer, der forårsager skadelige algeopblomstringer omkring Østersøen. De kan dræbe fisk og gøre mennesker syge.
For at hjælpe med at løse denne række af miljøproblemer sætter øen sin lid til det ene usandsynlige stof, der binder dem: menneskelig urin.
Fra 2021 begyndte forskerholdet at arbejde sammen med en lokal virksomhed, der udlejer bærbare toiletter. Målet er at indsamle mere end 70.000 liter urin over en 3-årig periode i vandløse urinaler og dedikerede toiletter på flere steder i sommerturistsæsonen. Holdet kom fra Sveriges Landbrugsuniversitet (SLU) i Uppsala, som har udskilt et firma kaldet Sanitation360. Ved hjælp af en proces, som forskerne udviklede, tørrede de urinen til betonlignende klumper, som de derefter malede til pulver og pressede til gødningsgranulat, der passer til standard landbrugsudstyr. Lokale landmænd bruger gødningen til at dyrke byg, som derefter sendes til bryggerier for at producere øl, der kan vende tilbage til cyklussen efter forbrug.
Prithvi Simha, kemiingeniør ved SLU og teknisk direktør for Sanitation360, sagde, at forskernes mål er at "gå ud over konceptet og omsætte genbrug af urin til praksis" i stor skala. Målet er at levere en model, der kan efterlignes verden over. "Vores mål er, at alle, overalt, skal udføre denne øvelse."
I et eksperiment på Gotland blev uringødet byg (til højre) sammenlignet med ugødede planter (i midten) og med mineralgødning (venstre). Billedkredit: Jenna Senecal.
Gotland-projektet er en del af en lignende verdensomspændende indsats for at adskille urin fra andet spildevand og genbruge det til produkter som gødning. Praksissen, kendt som urinafledning, undersøges af grupper i blandt andet USA, Australien, Schweiz, Etiopien og Sydafrika. Disse bestræbelser rækker langt ud over universitetslaboratorier. Vandløse urinaler er forbundet til kælderafledningssystemer på kontorer i Oregon og Holland. Paris planlægger at installere urinafledende toiletter i en økozone med 1.000 indbyggere, der er under opførelse i byens 14. arrondissement. Den Europæiske Rumorganisation vil placere 80 toiletter på sit hovedkvarter i Paris, som vil blive taget i brug senere på året. Fortalere for urinafledning siger, at det kan finde anvendelse på steder lige fra improviserede militærposter til flygtningelejre, velhavende bycentre og vidtstrakte slumkvarterer.
Forskere siger, at urinafledning, hvis den implementeres i stor skala verden over, kan medføre enorme fordele for miljøet og folkesundheden. Dette skyldes dels, at urin er rig på næringsstoffer, der ikke forurener vandmasser og kan bruges til at gøde afgrøder eller i industrielle processer. Simha anslår, at mennesker producerer nok urin til at erstatte omkring en fjerdedel af verdens nuværende kvælstof- og fosfatgødning; den indeholder også kalium og mange sporstoffer (se "Ingredienser i urin"). Bedst af alt, ved ikke at skylle urin ud i afløbet, sparer du en masse vand og reducerer belastningen på et aldrende og overbelastet kloaksystem.
Ifølge eksperter på området kan mange komponenter til urinafledning snart blive bredt tilgængelige takket være fremskridt inden for toiletter og strategier for urinbortskaffelse. Men der er også store hindringer for fundamentale ændringer i et af de mest fundamentale aspekter af livet. Forskere og virksomheder er nødt til at håndtere et utal af udfordringer, lige fra at forbedre designet af urinafledende toiletter til at gøre urin lettere at behandle og omdanne til værdifulde produkter. Dette kan omfatte kemiske behandlingssystemer forbundet til individuelle toiletter eller kælderudstyr, der betjener hele bygningen og leverer tjenester til genvinding og vedligeholdelse af det resulterende koncentrerede eller hærdede produkt (se "Fra urin til produkt"). Derudover er der bredere spørgsmål om social forandring og accept, der er knyttet både til de varierende grader af kulturelle tabuer forbundet med menneskeligt affald og til dybtliggende konventioner om industrielt spildevand og fødevaresystemer.
I en tid hvor samfundet kæmper med mangel på energi, vand og råmaterialer til landbrug og industri, er urinafledning og genbrug "en stor udfordring for, hvordan vi sørger for sanitet," siger biolog Lynn Broaddus, en bæredygtighedskonsulent fra Minneapolis. "En genre, der vil blive stadig vigtigere. Minnesota, han var tidligere præsident for Aquatic Federation of Alexandria, Virginia, en verdensomspændende sammenslutning af fagfolk inden for vandkvalitet. "Det er faktisk noget af værdi."
Engang var urin en værdifuld vare. Tidligere brugte nogle samfund det til at gøde afgrøder, lave læder, vaske tøj og lave krudt. I slutningen af ​​det 19. og begyndelsen af ​​det 20. århundrede opstod den moderne model for centraliseret spildevandshåndtering i Storbritannien og spredte sig over hele verden, hvilket kulminerede i den såkaldte urinblindhed.
I denne model bruger toiletter vand til hurtigt at dræne urin, afføring og toiletpapir ned i afløbet, blandet med andre væsker fra husholdninger, industri og nogle gange regnvandsafløb. I centraliserede spildevandsrensningsanlæg bruger energiintensive processer mikroorganismer til at behandle spildevand.
Afhængigt af lokale regler og forhold på renseanlægget kan spildevandet, der udledes fra denne proces, stadig indeholde betydelige mængder kvælstof og andre næringsstoffer samt nogle andre forurenende stoffer. 57 % af verdens befolkning er slet ikke tilsluttet et centraliseret kloaksystem (se "Menneskets spildevand").
Forskere arbejder på at gøre centraliserede systemer mere bæredygtige og mindre forurenende, men startende med Sverige i 1990'erne presser nogle forskere på for mere fundamentale ændringer. Fremskridt i slutningen af ​​rørledningen er "bare endnu en udvikling af den samme forbandede ting," sagde Nancy Love, miljøingeniør ved University of Michigan i Ann Arbor. Omledning af urin vil være "transformativ," siger hun. I undersøgelse 1, som simulerede spildevandshåndteringssystemer i tre amerikanske stater, sammenlignede hun og hendes kolleger konventionelle spildevandsbehandlingssystemer med hypotetiske spildevandsbehandlingssystemer, der omleder urin og bruger genvundne næringsstoffer i stedet for syntetisk gødning. De anslår, at lokalsamfund, der bruger urinomledning, kan reducere de samlede drivhusgasemissioner med 47 %, energiforbruget med 41 %, ferskvandsforbruget med omkring halvdelen og næringsstofforureningen af ​​spildevand med 64 %.
Konceptet forbliver dog nichepræget og i vid udstrækning begrænset til autonome områder såsom skandinaviske økolandsbyer, landlige udhuse og udvikling i lavindkomstområder.
Tove Larsen, kemiingeniør ved det schweiziske føderale institut for akvatisk videnskab og teknologi (Eawag) i Dübendorf, siger, at en stor del af efterslæbet skyldes selve toiletterne. De fleste urinafledertoiletter, der først blev introduceret på markedet i 1990'erne og 2000'erne, har et lille bassin foran sig til at opsamle væsken, en indstilling, der kræver omhyggelig målretning. Andre designs omfatter fodbetjente transportbånd, der tillader urin at dræne, mens gødningen transporteres til kompostbeholderen, eller sensorer, der betjener ventiler for at lede urinen til et separat udløb.
Et prototype-toilet, der adskiller urin og tørrer det til pulver, testes på hovedkvarteret for det svenske vand- og kloakselskab VA SYD i Malmø. Billedkredit: EOOS NEXT
Men i eksperimentelle og demonstrationsprojekter i Europa har folk ikke taget dem til sig, sagde Larsen og klagede over, at de er for klodsede, ildelugtende og upålidelige. "Vi blev virkelig afskrækket af emnet toiletter."
Disse bekymringer hjemsøgte den første storstilede brug af urintoiletter, et projekt i den sydafrikanske by Ethekwini i 2000'erne. Anthony Odili, der studerer sundhedsledelse ved University of KwaZulu-Natal i Durban, sagde, at den pludselige udvidelse af byens grænser efter apartheid har resulteret i, at myndighederne har overtaget nogle fattige landdistrikter uden toilet- og vandinfrastruktur.
Efter koleraudbruddet i august 2000 implementerede myndighederne hurtigt adskillige sanitetsfaciliteter, der opfyldte økonomiske og praktiske begrænsninger, herunder omkring 80.000 urintoiletter, hvoraf de fleste stadig er i brug i dag. Urin løber ud i jorden under toilettet, og afføring ender i et opbevaringsanlæg, som byen har tømt hvert femte år siden 2016.
Odili sagde, at projektet har skabt sikrere sanitetsfaciliteter i området. Samfundsvidenskabelig forskning har dog identificeret mange problemer med programmet. Trods forestillingen om, at toiletter er bedre end ingenting, viste undersøgelser, herunder nogle af de undersøgelser, han deltog i, senere, at brugerne generelt ikke kan lide dem, sagde Odili. Mange af dem er bygget af materialer af dårlig kvalitet og er ubehagelige at bruge. Selvom sådanne toiletter teoretisk set burde forhindre lugtgener, ender urinen i eThekwini-toiletter ofte i fækalieopbevaringen, hvilket skaber en forfærdelig lugt. Ifølge Odili "kunne folk ikke trække vejret normalt". Desuden bruges urin praktisk talt ikke.
Ifølge Odili var beslutningen om at indføre urinafledende tørretoiletter i sidste ende en topstyret beslutning og tog ikke hensyn til folks præferencer, primært af folkesundhedsmæssige årsager. En undersøgelse fra 20173 viste, at mere end 95 % af eThekwinis respondenter ønskede adgang til de bekvemme, lugtfri toiletter, der bruges af byens velhavende hvide indbyggere, og mange planlagde at installere dem, når forholdene tillod det. I Sydafrika har toiletter længe været et symbol på racemæssig ulighed.
Det nye design kan dog være et gennembrud inden for urinafledning. I 2017, anført af designer Harald Grundl, lancerede det østrigske designfirma EOOS (udskilt fra EOOS Next) i samarbejde med Larsen og andre en urinfælde. Dette eliminerer behovet for, at brugeren skal sigte, og urinafledningsfunktionen er næsten usynlig (se “Ny type toilet”).
Den udnytter vands tendens til at klæbe til overflader (kaldet kedeleffekten, fordi den fungerer som en akavet dryppende kedel) til at lede urin fra toilettets forside ned i et separat hul (se “Sådan genbruger du urin”). Urinfælden er udviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet en bred vifte af forskning i toiletinnovation til lavindkomstfamilier, og den kan integreres i alt fra eksklusive keramiske piedestalmodeller til plastiksquat pans. Urinfælden er udviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet en bred vifte af forskning i toiletinnovation til lavindkomstfamilier, og den kan integreres i alt fra eksklusive keramiske piedestalmodeller til plastiksquat pans. Urinfælden, der er udviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet en bred vifte af forskning i innovation inden for toiletter for lavindkomstfamilier, kan indbygges i alt fra modeller med keramiske piedestaler til plastiksquats.potter. Urinopsamleren er udviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som støtter omfattende forskning i innovation på toiletter for lavindkomstfamilier, og kan indbygges i alt fra eksklusive keramikbaserede modeller til plastik-squatbakker.Den schweiziske producent LAUFEN lancerer allerede et produkt kaldet “Save!” til det europæiske marked, selvom prisen er for høj for mange forbrugere.
University of KwaZulu-Natal og eThekwini byråd tester også versioner af urinfældetoiletter, der kan omdirigere urin og skylle partikler ud. Denne gang fokuserer undersøgelsen mere på brugerne. Odie er optimistisk med hensyn til, at folk vil foretrække de nye urinafledende toiletter, fordi de lugter bedre og er nemmere at bruge, men han bemærker, at mænd er nødt til at sidde ned for at urinere, hvilket er et enormt kulturskifte. Men hvis toiletter "også bliver taget i brug og taget i brug af højindkomstkvarterer – af folk fra forskellige etniske baggrunde – vil det virkelig hjælpe med at sprede sig," sagde han. "Vi skal altid have et racemæssigt perspektiv," tilføjede han, for at sikre, at de ikke udvikler noget, der ses som "kun for sorte" eller "kun for fattige".
Urinseparation er kun det første skridt i at transformere sanitetssystemet. Den næste del er at finde ud af, hvad man skal gøre ved det. I landdistrikter kan folk opbevare det i kar for at dræbe eventuelle patogener og derefter anvende det på landbrugsjord. Verdenssundhedsorganisationen (WHO) fremsætter anbefalinger til denne praksis.
Men bymiljøet er mere kompliceret – det er her, det meste af urinen produceres. Det ville ikke være praktisk muligt at bygge flere separate kloakker i hele byen for at levere urin til et centralt sted. Og fordi urin består af omkring 95 procent vand, er det for dyrt at opbevare og transportere. Derfor fokuserer forskere på at tørre, koncentrere eller på anden måde udvinde næringsstoffer fra urin på niveau med et toilet eller en bygning, hvilket efterlader vand.
Det bliver ikke let, sagde Larson. Fra et ingeniørmæssigt synspunkt er "urin en dårlig løsning," sagde hun. Ud over vand er størstedelen urinstof, en nitrogenrig forbindelse, som kroppen producerer som et biprodukt af proteinmetabolismen. Urea er nyttig i sig selv: den syntetiske version er en almindelig nitrogengødning (se Kvælstofkrav). Men det er også vanskeligt: ​​Når urinstof kombineres med vand, omdannes det til ammoniak, som giver urinen sin karakteristiske lugt. Hvis den ikke er tændt, kan ammoniak lugte, forurene luften og fjerne værdifuldt nitrogen. Denne reaktion, der katalyseres af det allestedsnærværende enzym urease, kaldes urinstofhydrolyse, og kan tage flere mikrosekunder, hvilket gør urease til et af de mest effektive enzymer, der kendes.
Nogle metoder tillader hydrolysen at fortsætte. Eawag-forskere har udviklet en avanceret proces, der omdanner hydrolyseret urin til en koncentreret næringsopløsning. Først omdanner mikroorganismer i akvariet flygtig ammoniak til ikke-flygtig ammoniumnitrat, en almindelig gødning. Destillatøren koncentrerer derefter væsken. Et datterselskab kaldet Vuna, også baseret i Dübendorf, arbejder på at kommercialisere et system til bygninger og et produkt kaldet Aurin, som er blevet godkendt i Schweiz til fødevareplanter for første gang i verden.
Andre forsøger at stoppe hydrolysereaktionen ved hurtigt at hæve eller sænke urinens pH-værdi, som normalt er neutral, når den udskilles. På University of Michigans campus samarbejder Love med den nonprofitorganisation Earth Abundance Institute i Brattleboro, Vermont, om at udvikle et system til bygninger, der fjerner flydende citronsyre fra afledningstoiletter og vandløse toiletter. Vand trænger ud fra urinaler. Urinen koncentreres derefter ved gentagen frysning og optøning5.
Et SLU-team ledet af miljøingeniør Bjorn Winneros på øen Gotland udviklede en metode til at tørre urin til fast urinstof blandet med andre næringsstoffer. Teamet evaluerer deres seneste prototype, et fritstående toilet med indbygget tørretumbler, på hovedkvarteret for det svenske vand- og kloakselskab VA SYD i Malmø.
Andre metoder er rettet mod individuelle næringsstoffer i urinen. De kunne lettere integreres i eksisterende forsyningskæder for gødning og industrikemikalier, siger kemiingeniør William Tarpeh, en tidligere postdoc ved Love's, der nu er på Stanford University i Californien.
En almindelig metode til at gendanne fosfor fra hydrolyseret urin er tilsætning af magnesium, hvilket forårsager udfældning af en gødning kaldet struvit. Tarpeh eksperimenterer med granuler af adsorberende materiale, der selektivt kan fjerne nitrogen som ammoniak6 eller fosfor som fosfat. Hans system bruger en anden væske kaldet regenerant, der strømmer gennem ballonerne, når de er løbet tør. Regeneranten tager næringsstofferne og fornyer kuglerne til næste runde. Dette er en lavteknologisk, passiv metode, men kommercielle regenerater er dårlige for miljøet. Nu forsøger hans team at lave billigere og mere miljøvenlige produkter (se "Fremtidens forurening").
Andre forskere udvikler måder at generere elektricitet ved at placere urin i mikrobielle brændselsceller. I Cape Town, Sydafrika, har et andet hold udviklet en metode til at fremstille ukonventionelle byggeklodser ved at blande urin, sand og ureaseproducerende bakterier i en form. De forkalker sig til enhver form uden at brænde. Den Europæiske Rumorganisation (ESA) overvejer astronauters urin som en ressource til at bygge boliger på månen.
"Når jeg tænker på den brede fremtid for uringenbrug og spildevandsgenbrug, ønsker vi at være i stand til at producere så mange produkter som muligt," sagde Tarpeh.
I takt med at forskere forfølger en række ideer til at kommercialisere urin, ved de, at det er en opadgående kamp, ​​især for en etableret industri. Gødnings- og fødevarevirksomheder, landmænd, toiletproducenter og regulatorer har været langsomme til at foretage væsentlige ændringer i deres praksis. "Der er meget inerti her," sagde Simcha.
For eksempel på University of California, Berkeley, forsknings- og uddannelsesinstallationen af ​​LAUFEN-projektet, der sparer penge! Det inkluderer udgifter til arkitekter, byggeri og overholdelse af kommunale bestemmelser – og det er ikke gjort endnu, sagde Kevin Ona, en miljøingeniør, der nu arbejder på West Virginia University i Morgantown. Han sagde, at manglen på eksisterende koder og regler skabte problemer for forvaltningen af ​​faciliteterne, så han sluttede sig til den gruppe, der udviklede nye koder.
En del af inertien kan skyldes frygt for modstand fra kunderne, men en undersøgelse fra 2021 af mennesker i 16 lande7 viste, at i steder som Frankrig, Kina og Uganda var villigheden til at forbruge urinberiget mad tæt på 80 % (se Vil folk spise det?).
Pam Elardo, der leder spildevandsforvaltningen som viceadministrator for New York City Environmental Protection Agency, sagde, at hun støtter innovationer som urinafledning, da hendes virksomheds hovedmål er yderligere at reducere forurening og genbruge ressourcer. Hun forventer, at for en by som New York vil den mest praktiske og omkostningseffektive metode til at aflede urin være off-grid-systemer i renoveringer eller nye bygninger, suppleret med vedligeholdelse og indsamlingsaktiviteter. Hvis innovatorer kan løse et problem, "burde de virke," sagde hun.
I betragtning af disse fremskridt forudsiger Larsen, at masseproduktion og automatisering af urinafledningsteknologi muligvis ikke er langt væk. Dette vil forbedre forretningsgrundlaget for denne overgang til affaldshåndtering. Urinafledning "er den rigtige teknik," sagde hun. "Dette er den eneste teknologi, der kan løse problemer med at spise hjemme på en rimelig tid. Men folk er nødt til at beslutte sig."
Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ.Hilton, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. og Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. & Love, NG Environ.Hilton, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. og Love, NG Environ.videnskaben. teknologien. 55, 593–603 (2021).
Sutherland, K. et al. Tømning af aftryk fra et afledningstoilet. Fase 2: Udgivelse af eThekwini City UDDT-valideringsplan (University of KwaZulu-Natal, 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. og Buckley, 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. og Buckley, CAJ Water Sanit.Børsstyring 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.Chemical. 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 г.).