Tak fordi du besøgte Nature.com. Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS -support. For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer). I mellemtiden for at sikre fortsat støtte vil vi gengive stedet uden stilarter og JavaScript.
Chelsea Wold er freelance -journalist med base i Haag, Holland og forfatter af Daydream: En presserende global søgen efter at skifte toiletter.
Specialiserede toiletsystemer udtrækker nitrogen og andre næringsstoffer fra urin til brug som gødning og andre produkter. Billedkredit: Mak/Georg Mayer/Eoos Næste
Gotland, Sveriges største ø, har lidt frisk vand. På samme tid kæmper beboerne med farlige niveauer af forurening fra landbrug og kloaksystemer, der forårsager skadelige algeopblomstring omkring Østersøen. De kan dræbe fisk og gøre folk syge.
For at hjælpe med at løse denne række miljøproblemer fastgør øen sine håb på det ene usandsynlige stof, der binder dem: menneskelig urin.
Fra 2021 begyndte forskerteamet at samarbejde med et lokalt firma, der lejer bærbare toiletter. Målet er at samle mere end 70.000 liter urin over en 3-årig periode i vandløse urinaler og dedikerede toiletter flere steder i sommerturistsæsonen. Holdet kom fra det svenske University of Agricultural Sciences (SLU) i Uppsala, som har spundet et firma kaldet Sanitation360. Ved hjælp af en proces, som forskerne udviklede, tørrede de urinen til betonlignende bidder, som de derefter jordede i pulver og pressede ind i gødningsgranuler, der passer til standard landbrugsudstyr. Lokale landmænd bruger gødningen til at dyrke byg, som derefter sendes til bryggerier for at producere ale, der kan gå tilbage i cyklussen efter forbrug.
Prithvi Simha, kemisk ingeniør hos SLU og CTO of Sanitation360, sagde, at forskerenes mål er at "gå ud over konceptet og omsætte" urin genbrug i stor skala. Målet er at tilvejebringe en model, der kan emuleres over hele verden. ”Vores mål er for alle overalt at udføre denne øvelse.”
I et eksperiment i Gotland blev urin-befrykket byg (højre) sammenlignet med ubefrugtede planter (midterste) 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 genanvende det til produkter som gødning. Den praksis, kendt som urinafledning, studeres af grupper i USA i USA, Australien, Schweiz, Etiopien og Sydafrika. Disse bestræbelser går langt ud over universitetslaboratorier. Vandløse urinaler er forbundet med kælder bortskaffelsessystemer på kontorer i Oregon og Holland. Paris planlægger at installere toiletter med urin-tjener i en 1.000-resident ecozone, der bygges i byens 14. arrondissement. Det europæiske rumfartsagentur placerer 80 toiletter i sit hovedkvarter i Paris, som begynder operationerne senere på året. Tilhængere af urinafledning siger, at det kunne finde anvendelser på steder, der spænder fra provisoriske militære forposter til flygtningelejre, velhavende bycentre og spredte slumområder.
Forskere siger, at urinafledning, hvis den er indsat i stor skala rundt om i verden, kunne give enorme fordele for miljøet og folkesundheden. Dette skyldes delvis, at urinen er rig på næringsstoffer, der ikke forurener vandmasser og kan bruges til at befrugte afgrøder eller i industrielle processer. Simha estimerer, at mennesker producerer nok urin til at erstatte omkring en fjerdedel af verdens nuværende nitrogen- og fosfatgødning; Det indeholder også kalium og mange sporelementer (se "bestanddele i urin"). Bedst af alt, ved ikke at skylle urin ned i drænet, sparer du meget vand og reducerer byrden på et aldrende og overbelastet kloaksystem.
Ifølge eksperter på området kan mange urinafledningskomponenter snart blive bredt tilgængelige takket være fremskridt inden for toiletter og urinudmortstrategier. Men der er også store hindringer for grundlæggende ændringer i en af ​​de mest grundlæggende aspekter af livet. Forskere og virksomheder er nødt til at tackle et utal af udfordringer, fra at forbedre designet af urin-fordele toiletter til at gøre urinen lettere at behandle og blive til værdifulde produkter. Dette kan omfatte kemiske behandlingssystemer, der er forbundet til individuelle toiletter eller kælderudstyr, der betjener hele bygningen og leverer tjenester til gendannelse 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 til de forskellige grader af kulturelle tabuer forbundet med menneskeligt affald og til dybt siddende konventioner om industrielt spildevand og fødevaresystemer.
Når samfundet kæmper med mangel på energi, vand og råvarer 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 forening af fagfolk i vandkvalitet. ”Det er faktisk noget af værdi.”
En gang i tiden var urin en værdifuld vare. Tidligere brugte nogle samfund det til at befrugte afgrøder, lave læder, vaske tøj og lave krutt. I slutningen af ​​det 19. og det tidlige 20. århundrede opstod den moderne model for centraliseret spildevandshåndtering i Storbritannien og spredt over hele verden, hvilket kulminerede med den såkaldte urinblindhed.
I denne model bruger toiletter vand til hurtigt at dræne urin, fæces og toiletpapir ned i drænet, blandet med andre væsker fra indenlandske, industrielle kilder og undertiden stormafløb. I centraliserede spildevandsrensningsanlæg bruger energikrævende processer mikroorganismer til behandling af spildevand.
Afhængig af lokale regler og betingelser for rensningsanlægget kan spildevandet, der udledes fra denne proces, stadig indeholde betydelige mængder nitrogen og andre næringsstoffer, såvel som nogle andre forurenende stoffer. 57% af verdens befolkning er overhovedet ikke forbundet med et centraliseret kloaksystem (se "menneskelig 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 grundlæggende ændringer. Fremskridt i slutningen af ​​rørledningen er "bare en anden udvikling af den samme forbandede ting," sagde Nancy Love, en miljøingeniør ved University of Michigan i Ann Arbor. At aflede urin vil være "transformativ", siger hun. I undersøgelse 1, som simulerede spildevandshåndteringssystemer i tre amerikanske stater, sammenlignede hun og hendes kolleger konventionelle spildevandsrensningssystemer med hypotetiske spildevandsrensningssystemer, der dirigerer urin og bruger genvundne næringsstoffer i stedet for syntetiske gødning. De estimerer, at samfund, der bruger urinafledning, kan reducere de samlede drivhusgasemissioner med 47%, energiforbrug med 41%, forbrug af ferskvand med cirka halvdelen og næringsstofforurening af spildevand med 64%. brugt teknologi.
Imidlertid forbliver konceptet niche og stort set begrænset til autonome områder såsom skandinaviske øko-landlige, landdistrikter og udviklinger i områder med lav indkomst.
Tove Larsen, en kemisk ingeniør ved Swiss Federal Institute for Aquatic Science and Technology (EAWAG) i Dübendorf, siger, at meget af efterslæb er forårsaget af selve toiletterne. Først introduceret på markedet i 1990'erne og 2000'erne har de fleste urin-fordele toiletter et lille bassin foran dem for at opsamle væsken, en indstilling, der kræver omhyggelig målretning. Andre designs inkluderer fodbetjente transportbånd, der tillader urin at dræne, når gødningen transporteres til kompostbakken, eller sensorer, der betjener ventiler til at dirigere urin til et separat afsætningsmarked.
Et prototype toilet, der adskiller urin og tørrer det i et pulver, testes i hovedkvarteret for det svenske vand- og kloakfirma VA Syd i Malmö. Billedkredit: EOOS Næste
Men i eksperimentelle og demonstrationsprojekter i Europa har folk ikke omfavnet deres anvendelse, sagde Larsen og klagede over, at de er for voluminøse, ildelugtende og upålidelige. ”Vi blev virkelig udsat af emnet toiletter.”
Disse bekymringer hjemsøgte den første store brug af urin-fordele toiletter, et projekt i den sydafrikanske by Ethekwini i 2000'erne. Anthony Odili, der studerer sundhedsstyring ved University of KwaZulu-Natal i Durban, sagde, at den pludselige udvidelse af byens grænser efter apartheid har resulteret i, at myndigheder overtager nogle dårlige landdistrikter uden toilet- og vandinfrastruktur.
Efter koleraudbruddet i august 2000 indsatte myndighederne hurtigt adskillige sanitetsfaciliteter, der opfyldte økonomiske og praktiske begrænsninger, herunder ca. 80.000 urin-fordele tørt toiletter, hvoraf de fleste stadig er i brug i dag. Urin dræner ned i jorden fra under toilettet, og fæces ender i et lagerfacilitet, som byen har tømt hvert femte år siden 2016.
Odili sagde, at projektet har skabt mere sikre sanitetsfaciliteter i området. Imidlertid har samfundsvidenskabelig forskning identificeret mange problemer med programmet. På trods af forestillingen om, at toiletter er bedre end intet, viste undersøgelser, herunder nogle af de undersøgelser, han deltog i, senere, at brugere 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 skal forhindre lugt, ender urinen i Ethekwini -toiletter ofte i den fækale opbevaring, 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 introducere urin-fordele tørt toiletter top-down og tog ikke højde for folks præferencer, hovedsageligt af folkesundhedsmæssige årsager. En undersøgelse3 i 2017 fandt, at mere end 95% af Ethekwinis respondenter ville have adgang til de praktiske, lugtfrie toiletter, der blev brugt af byens velhavende hvide beboere, og mange planlagde at installere dem, når forholdene tilladte. I Sydafrika har toiletter længe været et symbol på racemæssig ulighed.
Imidlertid kan det nye design være et gennembrud i urinafledning. I 2017, ledet af designeren Harald Grundl, i samarbejde med Larsen og andre, frigav det østrigske designfirma Eoos (spundet fra Eoos næste) en urinfælde. Dette eliminerer behovet for, at brugeren sigter, og urinafledningsfunktionen er næsten usynlig (se "Ny slags toilet").
Den bruger vandtenden til at klæbe til overflader (kaldet kedeleffekten, fordi den fungerer som en akavet dryppende kedel) til at dirigere urin fra fronten af ​​toilettet ind i et separat hul (se "Sådan genanvendes urin"). Udviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet en bred række af forskning i toiletinnovation til indstillinger med lav indkomst, kan urinfælden indarbejdes 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 række af forskning i toiletinnovation til indstillinger med lav indkomst, kan urinfælden indarbejdes i alt fra high-end keramiske piedestalmodeller til plastik squat pander. Urinfælden er udviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet en lang række toiletinnovationsundersøgelser med lav indkomst, og kan indbygges i alt fra modeller med keramiske piedestaler til plastik squats.gryder. Urine Collector kan udviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som understøtter omfattende forskning i toiletinnovation med lav indkomst, og kan indbygges i alt fra avancerede keramiske baserede modeller til plastikbakker.Den schweiziske producent Laufen frigiver allerede et produkt kaldet “Save!” For det europæiske marked, selvom omkostningerne er for høje for mange forbrugere.
University of KwaZulu-Natal og Ethekwini byråd tester også versioner af urinfælde toiletter, der kan aflede urinen og skylle partikler ud. Denne gang fokuserer undersøgelsen mere på brugere. Odie er optimistisk over, at folk foretrækker de nye urin-fordele toiletter, fordi de lugter bedre og er lettere at bruge, men han bemærker, at mænd er nødt til at sætte sig ned for at urinere, hvilket er et enormt kulturelt skift. Men hvis toiletter "også er vedtaget og vedtaget af kvarter med høj indkomst-af mennesker med forskellige etniske baggrunde-vil det virkelig hjælpe med at sprede sig," sagde han. ”Vi er altid nødt til at 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 trin i transformation af sanitet. Den næste del er at finde ud af, hvad man skal gøre ved det. I landdistrikter kan folk opbevare det i VATS for at dræbe alle patogener og derefter anvende det på landbrugsjord. Verdenssundhedsorganisationen fremsætter henstillinger til denne praksis.
Men bymiljøet er mere kompliceret - det er her de fleste 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 forskere på tørring, koncentrerer sig eller på anden måde ekstraherer næringsstoffer fra urin på niveau med et toilet eller bygning, hvilket efterlader vand.
Det vil ikke være let, sagde Larson. Fra et teknisk synspunkt er "Piss en dårlig løsning," sagde hun. Foruden vand er størstedelen urinstof, en nitrogenrig forbindelse, som kroppen producerer som et biprodukt af proteinmetabolisme. Urea er nyttigt på egen hånd: den syntetiske version er en almindelig nitrogengødning (se nitrogenkrav). Men det er også vanskeligt: ​​Når det kombineres med vand, bliver urinstof til ammoniak, hvilket giver urin sin karakteristiske lugt. Hvis det ikke er tændt, kan ammoniak lugte, forurene luften og fjerne værdifuldt nitrogen. Katalyseret af den allestedsnærværende enzym urease, kan denne reaktion, kaldet urinstofhydrolyse, tage flere mikrosekunder, hvilket gør urease til en af ​​de mest effektive enzymer, der er kendt.
Nogle metoder tillader hydrolyse at fortsætte. EAWAG -forskere har udviklet en avanceret proces, der gør hydrolyseret urin til en koncentreret næringsopløsning. Først i akvariet omdanner mikroorganismer flygtig ammoniak til ikke-flygtig ammoniumnitrat, en almindelig gødning. Destilleren koncentrerer derefter væsken. Et datterselskab kaldet Vuna, også med base i Dübendorf, arbejder på at kommercialisere et system til bygninger og et produkt kaldet Aurin, som er godkendt i Schweiz for madplanter 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 på University of Michigan samarbejder Love med nonprofit Earth Abundance Institute i Brattleboro, Vermont, for at udvikle et system til bygninger, der fjerner flydende citronsyre fra afledende toiletter og vandløse toiletter. Vand bryder ud fra urinaler. Urinen koncentreres derefter ved gentagen frysning og optøning5.
Et SLU -team ledet af miljøingeniør Bjorn -vinderos på øen Gotland udviklede en måde at tørre urin til fast urinstof blandet med andre næringsstoffer. Holdet evaluerer deres seneste prototype, et fritstående toilet med indbygget tørretumbler, på hovedkvarteret for det svenske vand- og kloakfirma VA Syd i Malmö.
Andre metoder er målrettet mod individuelle næringsstoffer i urinen. De kunne lettere integreres i eksisterende forsyningskæder til gødning og industrikemikalier, siger kemisk ingeniør William Tarpeh, en tidligere postdoktor hos Love's, der nu er på Stanford University i Californien.
En almindelig metode til gendannelse af fosfor fra hydrolyseret urin er tilsætning af magnesium, hvilket forårsager udfældning af en gødning kaldet struvite. Tarpeh eksperimenterer med granuler af adsorbentmateriale, 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 tør. Regeneranten tager næringsstofferne og fornyer kuglerne til næste runde. Dette er en lavteknologisk, passiv metode, men kommercielle regenererer er dårlige for miljøet. Nu forsøger hans team at fremstille billigere og mere miljøvenlige produkter (se “Forurening af fremtiden”).
Andre forskere udvikler måder at generere elektricitet ved at placere urin i mikrobielle brændselsceller. I Cape Town, Sydafrika, har et andet team udviklet en metode til at fremstille ukonventionelle bygningsmursten ved at blande urin, sand og ureaseproducerende bakterier til en form. De forkalker i enhver form uden fyring. Det europæiske rumfartsagentur overvejer astronauternes urin som en ressource til bygning af boliger på månen.
”Når jeg tænker på den brede fremtid med genanvendelse af urin og genanvendelse af spildevand, vil vi være i stand til at producere så mange produkter som muligt,” sagde Tarpeh.
Når forskere forfølger en række ideer til commodifying urin, ved de, at det er en op ad bakke, især for en forankret industri. Gødning og fødevarevirksomheder, landmænd, toiletproducenter og regulatorer har været langsomme med at foretage betydelige ændringer i deres praksis. ”Der er en masse inerti her,” sagde Simcha.
For eksempel på University of California, Berkeley, installation af forskning og uddannelse af Laufen Save! Det inkluderer udgifter til arkitekter, opbygning og overholdelse af kommunale regler - og det er ikke gjort endnu, sagde Kevin Ona, en miljøtekniker, der nu arbejder på West Virginia University i Morgantown. Han sagde, at manglen på eksisterende koder og forskrifter skabte problemer til styring af faciliteterne, så han tiltrådte gruppen, der udviklede nye koder.
En del af inertien kan skyldes frygt for shopper-modstand, men en undersøgelse fra 2021 af mennesker i 16 lande7 fandt, at i steder som Frankrig, Kina og Uganda, var vilje til at forbruge urinforstærket mad tæt på 80% (se vil folk spise det? ').
Pam Elardo, der leder affaldsadministrationen som vicegenerator for New York City Miljøstyrelsen, sagde, at hun støtter innovationer som urinafledning, da hendes virksomheds vigtigste mål er at reducere forurening og genanvendelsesressourcer yderligere. Hun forventer, at for en by som New York vil den mest praktiske og omkostningseffektive metode til afledning af urin være off-grid-systemer i eftermontering eller nye bygninger, suppleret med vedligeholdelses- og indsamlingsoperationer. Hvis innovatører kan løse et problem, ”skulle de arbejde,” sagde hun.
I betragtning af disse fremskridt forudsiger Larsen, at masseproduktion og automatisering af urinafledningsteknologi muligvis ikke er langt væk. Dette vil forbedre forretningssagen for denne overgang til affaldshåndtering. Urinedigering "er den rigtige teknik," sagde hun. ”Dette er den eneste teknologi, der kan løse problemer med at spise hjemme på en rimelig tidsperiode. Men folk er nødt til at sammensætte deres sind. ”
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. Tømning af indtryk af et afledende 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 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.).