Tak fordi du besøgte Nature.com.Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse.For 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 stilarter og JavaScript.
Chelsea Wold er freelancejournalist baseret i Haag, Holland og forfatter til Daydream: An Urgent Global Quest to Change Toilets.
Specialiserede toiletsystemer udvinder nitrogen og andre næringsstoffer fra urin til brug som gødning og andre produkter.Billedkredit: MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
Gotland, Sveriges største ø, har lidt ferskvand.Samtidig kæmper beboerne med farlige niveauer af forurening fra landbrug og kloaksystemer, der forårsager skadelig algeopblomstring omkring Østersøen.De kan dræbe fisk og gøre folk syge.
For at hjælpe med at løse denne række af miljøproblemer, sætter øen sit håb til det ene usandsynlige stof, der binder dem: menneskelig urin.
Fra 2021 begyndte forskerholdet at arbejde 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 flere steder i løbet af sommerens turistsæson.Holdet kom fra det svenske landbrugsuniversitet (SLU) i Uppsala, som har udskilt et firma ved navn Sanitation360.Ved hjælp af en proces, som forskerne udviklede, tørrede de urinen til betonlignende bidder, 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 gå tilbage i kredsløbet efter indtagelse.
Prithvi Simha, kemiingeniør ved SLU og CTO for Sanitation360, sagde, at forskernes mål er at "gå ud over konceptet og implementere" genbrug af urin i stor skala.Målet er at levere en model, der kan efterlignes verden over."Vores mål er, at alle, overalt, laver denne øvelse."
I et forsøg på Gotland blev uringødet byg (til højre) sammenlignet med ugødede planter (i midten) og med mineralgødning (til 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.Denne praksis, kendt som urinafledning, bliver undersøgt af grupper i blandt andet USA, Australien, Schweiz, Etiopien og Sydafrika.Disse bestræbelser rækker langt ud over universitetslaboratorier.Vandløse urinaler er forbundet til kælderbortskaffelsessystemer på kontorer i Oregon og Holland.Paris planlægger at installere urin-dirigerende toiletter i en økozone med 1.000 beboere, der bygges i byens 14. arrondissement.Den europæiske rumfartsorganisation vil placere 80 toiletter ved sit hovedkvarter i Paris, som vil begynde sin drift senere i år.Fortalere for afledning af urin siger, at det kan finde anvendelse på steder lige fra midlertidige militære forposter til flygtningelejre, velhavende bycentre og vidtstrakte slumkvarterer.
Forskere siger, at urinafledning, hvis den anvendes i stor skala rundt om i verden, kan bringe enorme fordele for miljøet og folkesundheden.Det skyldes blandt andet, at urin er rig på næringsstoffer, der ikke forurener vandområder og kan bruges til at gøde afgrøder eller i industrielle processer.Simha vurderer, at mennesker producerer nok urin til at erstatte omkring en fjerdedel af verdens nuværende nitrogen- og fosfatgødning;det indeholder også kalium og mange sporstoffer (se "Bestanddele i urin").Det bedste af det hele er, at ved ikke at skylle urin ned i afløbet sparer du meget vand og mindsker belastningen på et aldrende og overbelastet kloaksystem.
Ifølge eksperter på området kan mange urinafledningskomponenter snart blive bredt tilgængelige takket være fremskridt inden for toiletter og urinbortskaffelsesstrategier.Men der er også store forhindringer for fundamental forandring i et af de mest fundamentale aspekter af livet.Forskere og virksomheder skal løse 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 med 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, knyttet både til de forskellige grader af kulturelle tabuer forbundet med menneskeligt affald og til dybtliggende konventioner om industrielt spildevand og fødevaresystemer.
Mens samfundet kæmper med mangel på energi, vand og råmaterialer til landbrug og industri, er urinafledning og genbrug "en stor udfordring for, hvordan vi leverer sanitet," siger biolog Lynn Broaddus, en Minneapolis-baseret bæredygtighedskonsulent..”En genre, der bliver stadig vigtigere.Minnesota, han var tidligere præsident for Aquatic Federation of Alexandria, Va., en verdensomspændende sammenslutning af vandkvalitetsprofessionelle."Det er faktisk noget af værdi."
Engang var urin en værdifuld handelsvare.Tidligere brugte nogle samfund det til at gøde afgrøder, lave læder, vaske tøj og lave krudt.Så, 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 og kulminerede med 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 private, industrielle kilder og nogle gange stormafløb.I centraliserede spildevandsrensningsanlæg bruger energikrævende processer mikroorganismer til at rense spildevand.
Afhængigt af lokale regler og forhold for 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 "Menneskeligt spildevand").
Forskere arbejder på at gøre centraliserede systemer mere bæredygtige og mindre forurenende, men fra og med Sverige i 1990'erne presser nogle forskere på for mere grundlæggende ændringer.Fremskridt i slutningen af ​​pipelinen er "bare endnu en udvikling af den samme forbandede ting," sagde Nancy Love, en miljøingeniør ved University of Michigan i Ann Arbor.Afledning 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 afleder urin og bruger genvundne næringsstoffer i stedet for syntetisk gødning.De anslår, at lokalsamfund, der bruger urinafledning, kan reducere de samlede drivhusgasemissioner med 47 %, energiforbruget med 41 %, ferskvandsforbruget med omkring halvdelen og næringsstofforurening af spildevand med 64 %.anvendt teknologi.
Konceptet forbliver dog niche og stort set begrænset til autonome områder som 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 meget af efterslæbet skyldes toiletterne selv.Først introduceret på markedet i 1990'erne og 2000'erne, har de fleste urin-omdirigerende toiletter 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, når gødningen transporteres til kompostbeholderen, eller sensorer, der betjener ventiler til at lede urin til et separat udløb.
Et prototypetoilet, der separerer urin og tørrer det til et pulver, testes i hovedkvarteret for det svenske vand- og kloakselskab VA SYD i Malmø.Billedkredit: EOOS NEXT
Men i forsøgs- og demonstrationsprojekter i Europa har folk ikke taget deres anvendelse til sig, sagde Larsen og klagede over, at de er for omfangsrige, ildelugtende og upålidelige."Vi blev virkelig afskrækket af emnet toiletter."
Disse bekymringer hjemsøgte den første storstilede brug af urin-omdirigerende toiletter, 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 post-apartheid-grænser har resulteret i, at myndighederne har overtaget nogle fattige landdistrikter uden toilet- og vandinfrastruktur.
Efter koleraudbruddet i august 2000 indsatte myndighederne hurtigt adskillige sanitære faciliteter, der levede op til økonomiske og praktiske begrænsninger, herunder omkring 80.000 urinafledende tørre toiletter, hvoraf de fleste stadig er i brug i dag.Urin løber ned i jorden under toilettet, og afføring ender i et lager, som byen har tømt hvert femte år siden 2016.
Odili sagde, at projektet har skabt sikrere sanitære faciliteter i området.Men samfundsvidenskabelig forskning har identificeret mange problemer med programmet.På trods af 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 med materialer af dårlig kvalitet og er ubehagelige at bruge.Mens sådanne toiletter teoretisk set burde forhindre lugt, ender urinen i eThekwini toiletter ofte i fæceslageret, hvilket skaber en frygtelig lugt.Ifølge Odili kunne folk "ikke trække vejret normalt."Desuden bruges urin praktisk talt ikke.
I sidste ende, ifølge Odili, var beslutningen om at indføre urinafvisende tørtoiletter top-down 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 blev brugt 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 blive et gennembrud inden for urinafledning.I 2017, ledet af designer Harald Grundl, i samarbejde med Larsen og andre, udgav det østrigske designfirma EOOS (udvundet fra EOOS Next) en urinfælde.Dette eliminerer behovet for, at brugeren skal sigte, og urinafledningsfunktionen er næsten usynlig (se "Ny form for toilet").
Den bruger vandets tendens til at klæbe til overflader (kaldet kedeleffekten, fordi den virker som en akavet dryppende kedel) til at lede urin fra toilettets forside ind i et separat hul (se "Sådan genbruges urin"). Udviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet en bred vifte af forskning i toiletinnovation til lavindkomstmiljøer, kan Urine Trap inkorporeres i alt fra high-end keramiske piedestalmodeller til plastik squat pander. Udviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet en bred vifte af forskning i toiletinnovation til lavindkomstmiljøer, kan Urine Trap inkorporeres i alt fra high-end keramiske piedestalmodeller til plastik squat pander. Udviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet en bred vifte af lav-indkomst toiletinnovationsforskning, kan urinfælden indbygges i alt fra modeller med keramiske piedestaler til plastik squats.gryder. Udviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som støtter omfattende forskning i toiletinnovation med lav indkomst, kan urinopsamleren indbygges i alt fra avancerede keramik-baserede modeller til squat-bakker i plast.Den schweiziske producent LAUFEN udgiver allerede et produkt kaldet "Save!"for det europæiske marked, selvom omkostningerne er for høje for mange forbrugere.
University of KwaZulu-Natal og eThekwini City Council tester også versioner af urinfælde toiletter, der kan aflede 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 skal sætte sig ned for at tisse, hvilket er et stort kulturskifte.Men hvis toiletter "også adopteres og adopteres af højindkomstkvarterer - af mennesker fra forskellige etniske baggrunde - vil det virkelig hjælpe med at sprede," sagde han."Vi skal altid have en racelinse," tilføjede han, for at sikre, at de ikke udvikler noget, der ses som "kun sort" eller "kun fattige."
Urinseparation er kun det første skridt i at transformere sanitet.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 giver anbefalinger til denne praksis.
Men bymiljøet er mere kompliceret – det er her det meste af urinen produceres.Det ville ikke være praktisk at bygge flere separate kloakker i hele byen for at levere urin til et centralt sted.Og fordi urin er omkring 95 procent vand, er det for dyrt at opbevare og transportere.Derfor fokuserer forskerne på at tørre, koncentrere eller på anden måde udvinde næringsstoffer fra urin på niveau med et toilet eller en bygning og efterlade vand.
Det bliver ikke nemt, sagde Larson.Fra et ingeniørmæssigt synspunkt er "pis en dårlig løsning," sagde hun.Ud over vand er hovedparten urinstof, en nitrogenrig forbindelse, som kroppen producerer som et biprodukt af proteinstofskiftet.Urea er nyttigt alene: den syntetiske version er en almindelig nitrogengødning (se Nitrogenkrav).Men det er også vanskeligt: ​​Når det kombineres med vand, bliver urinstof til ammoniak, som giver urinen dens karakteristiske lugt.Hvis den ikke er tændt, kan ammoniak lugte, forurene luften og fjerne værdifuld nitrogen.Katalyseret af det allestedsnærværende enzym urease, kan denne reaktion, kaldet ureahydrolyse, tage flere mikrosekunder, hvilket gør urease til et af de mest effektive enzymer, man kender.
Nogle metoder tillader hydrolyse at fortsætte.Eawag-forskere har udviklet en avanceret proces, der gør hydrolyseret urin til en koncentreret næringsopløsning.For det første, i akvariet, omdanner mikroorganismer flygtig ammoniak til ikke-flygtigt ammoniumnitrat, en almindelig gødning.Destilleriet 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 fødevareanlæg for første gang i verden.
Andre forsøger at stoppe hydrolysereaktionen ved hurtigt at hæve eller sænke pH i urinen, som normalt er neutral, når den udskilles.På campus ved University of Michigan samarbejder Love med nonprofitorganisationen Earth Abundance Institute i Brattleboro, Vermont, for at udvikle et system til bygninger, der fjerner flydende citronsyre fra omdirigeringstoiletter og vandløse toiletter.Vand bryder ud fra urinaler.Urinen koncentreres derefter ved gentagen frysning og optøning5.
Et SLU-hold ledet af miljøingeniør Bjorn Winneros på øen Gotland udviklede en måde at tørre urin til fast urinstof blandet med andre næringsstoffer.Holdet vurderer deres seneste prototype, et fritstående toilet med indbygget tørretumbler, i hovedkvarteret for det svenske vand- og kloakselskab VA SYD i Malmø.
Andre metoder retter sig mod individuelle næringsstoffer i urinen.De kunne lettere integreres i eksisterende forsyningskæder for gødning og industrikemikalier, siger kemiingeniør William Tarpeh, en tidligere postdoktor ved Love's, som nu er på Stanford University i Californien.
En almindelig metode til at genoprette fosfor fra hydrolyseret urin er tilsætning af magnesium, som forårsager udfældning af en gødning kaldet struvit.Tarpeh eksperimenterer med granulat 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, efter at de løber ud.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 er ved at udvikle måder at generere elektricitet ved at placere urin i mikrobielle brændselsceller.I Cape Town, Sydafrika, har et andet hold udviklet en metode til at lave ukonventionelle byggesten ved at blande urin, sand og urease-producerende bakterier i en form.De kalker til enhver form uden at brænde.Den Europæiske Rumorganisation overvejer astronauters urin som en ressource til at bygge boliger på månen.
"Når jeg tænker på den brede fremtid for uringenanvendelse og spildevandsgenanvendelse, vil vi gerne være i stand til at producere så mange produkter som muligt," sagde Tarpeh.
Efterhånden som forskere forfølger en række ideer til kommodificering af urin, ved de, at det er en kamp op ad bakke, især for en forankret 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 sparer forsknings- og uddannelsesinstallationen af ​​LAUFEN ved University of California, Berkeley!Det inkluderer udgifter til arkitekter, bygning og overholdelse af kommunale regler - 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 gruppen, der var ved at udvikle nye koder.
En del af inertien kan skyldes frygt for shoppermodstand, men en undersøgelse fra 2021 blandt mennesker i 16 lande7 viste, at i steder som Frankrig, Kina og Uganda var villigheden til at indtage urinberiget mad tæt på 80 % (se Vil folk spise det?').
Pam Elardo, der leder spildevandsadministrationen som viceadministrator for New York City Environmental Protection Agency, sagde, at hun støtter innovationer såsom urinafledning, da hendes virksomheds hovedmål er at reducere forureningen yderligere og genbruge ressourcer.Hun forventer, at for en by som New York vil den mest praktiske og omkostningseffektive metode til at omdirigere urin være off-grid-systemer i eftermontering eller nye bygninger, suppleret med vedligeholdelse og indsamlingsoperationer.Hvis innovatører kan løse et problem, "bør de arbejde," sagde hun.
I lyset af disse fremskridt forudser Larsen, at masseproduktion og automatisering af urinafledningsteknologi måske ikke er langt væk.Dette vil forbedre business casen for denne overgang til affaldshåndtering.Urinafledning "er den rigtige teknik," sagde hun."Dette er den eneste teknologi, der kan løse problemer med hjemmespisning inden for 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.teknologi.55, 593-603 (2021).
Sutherland, K. et al.Tømmende indtryk af et omdirigerende toilet.Fase 2: Frigivelse 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.Exchange Management 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.Kemisk.International Paradise engelsk.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.).