Tack för att du besöker Nature.com.Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Under tiden, för att säkerställa fortsatt support, kommer vi att rendera webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Chelsea Wold är en frilansjournalist baserad i Haag, Nederländerna och författare till Daydream: An Urgent Global Quest to Change Toilets.
Specialiserade toalettsystem extraherar kväve och andra näringsämnen från urin för användning som gödningsmedel och andra produkter.Bildkredit: MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
Gotland, Sveriges största ö, har lite sötvatten.Samtidigt brottas invånarna med farliga nivåer av föroreningar från jordbruk och avloppssystem som orsakar skadliga algblomningar runt Östersjön.De kan döda fiskar och göra folk sjuka.
För att hjälpa till att lösa denna serie av miljöproblem sätter ön sitt hopp till det enda osannolika ämnet som binder dem: mänsklig urin.
Med start 2021 började forskargruppen arbeta med ett lokalt företag som hyr ut bärbara toaletter.Målet är att samla in mer än 70 000 liter urin under en 3-årsperiod i vattenfria urinaler och dedikerade toaletter på flera platser under sommarens turistsäsong.Teamet kom från Sveriges Lantbruksuniversitet (SLU) i Uppsala, som har knoppat av ett företag som heter Sanitation360.Med hjälp av en process som forskarna utvecklade torkade de urinen till betongliknande bitar, som de sedan malde till pulver och pressade till gödselgranulat som passar standard jordbruksutrustning.Lokala bönder använder gödselmedlet för att odla korn, som sedan skickas till bryggerier för att producera öl som kan gå tillbaka in i kretsloppet efter konsumtion.
Prithvi Simha, kemiingenjör vid SLU och CTO för Sanitation360, sa att forskarnas mål är att "gå bortom konceptet och omsätta i praktiken" urinåteranvändning i stor skala.Målet är att tillhandahålla en modell som kan efterliknas över hela världen."Vårt mål är att alla, överallt, ska göra den här övningen."
I ett försök på Gotland jämfördes uringödslad korn (höger) med ogödslade växter (mitten) och med mineralgödsel (till vänster).Bildkredit: Jenna Senecal.
Gotlandsprojektet är en del av en liknande världsomspännande satsning för att separera urin från annat avloppsvatten och återvinna det till produkter som gödsel.Metoden, känd som urinavledning, studeras av grupper i bland annat USA, Australien, Schweiz, Etiopien och Sydafrika.Dessa ansträngningar går långt utöver universitetslaboratorier.Vattenlösa urinaler är anslutna till källaravfallssystem på kontor i Oregon och Nederländerna.Paris planerar att installera urinavledande toaletter i en ekozon med 1 000 invånare som byggs i stadens 14:e arrondissement.European Space Agency kommer att placera 80 toaletter vid sitt huvudkontor i Paris, som kommer att börja arbeta senare i år.Förespråkare för urinavledning säger att det kan användas på platser som sträcker sig från provisoriska militära utposter till flyktingläger, rika stadscentra och vidsträckta slumkvarter.
Forskare säger att urinavledning, om den används i stor skala runt om i världen, kan ge enorma fördelar för miljön och folkhälsan.Detta beror delvis på att urin är rik på näringsämnen som inte förorenar vattendrag och kan användas för att gödsla grödor eller i industriella processer.Simha uppskattar att människor producerar tillräckligt med urin för att ersätta ungefär en fjärdedel av världens nuvarande kväve- och fosfatgödselmedel;den innehåller också kalium och många spårämnen (se "Beståndsdelar i urin").Det bästa av allt är att genom att inte spola ner urin i avloppet sparar du mycket vatten och minskar belastningen på ett åldrande och överbelastat avloppssystem.
Enligt experter på området kan många urinavledningskomponenter snart bli allmänt tillgängliga tack vare framsteg inom toaletter och strategier för bortskaffande av urin.Men det finns också stora hinder för fundamental förändring i en av livets mest grundläggande aspekter.Forskare och företag måste ta itu med en myriad av utmaningar, från att förbättra designen av urinavledande toaletter till att göra urin lättare att bearbeta och förvandla till värdefulla produkter.Detta kan innefatta kemiska behandlingssystem anslutna till individuella toaletter eller källarutrustning som betjänar hela byggnaden och tillhandahåller tjänster för återvinning och underhåll av den resulterande koncentrerade eller härdade produkten (se "Från urin till produkt").Dessutom finns det bredare frågor om social förändring och acceptans, kopplade både till de varierande graderna av kulturella tabun förknippade med mänskligt avfall och till djupt rotade konventioner om industriellt avloppsvatten och livsmedelssystem.
När samhället brottas med brist på energi, vatten och råvaror för jordbruk och industri, är urinavledning och återanvändning "en stor utmaning för hur vi tillhandahåller sanitet", säger biologen Lynn Broaddus, en Minneapolis-baserad hållbarhetskonsult..”En genre som kommer att bli allt viktigare.Minnesota, han var tidigare president för Aquatic Federation of Alexandria, Va., en världsomspännande sammanslutning av vattenkvalitetsproffs."Det är faktiskt något av värde."
En gång i tiden var urin en värdefull vara.Tidigare använde vissa samhällen det för att gödsla grödor, göra läder, tvätta kläder och göra krut.Sedan, i slutet av 1800-talet och början av 1900-talet, uppstod den moderna modellen för centraliserad avloppsvattenhantering i Storbritannien och spreds över hela världen, som kulminerade i den så kallade urinblindheten.
I denna modell använder toaletter vatten för att snabbt tömma urin, avföring och toalettpapper i avloppet, blandat med andra vätskor från hushåll, industriella källor och ibland stormavlopp.I centraliserade avloppsreningsverk använder energikrävande processer mikroorganismer för att behandla avloppsvatten.
Beroende på lokala regler och förhållanden för reningsverket kan avloppsvattnet som släpps ut från denna process fortfarande innehålla betydande mängder kväve och andra näringsämnen, såväl som vissa andra föroreningar.57 % av världens befolkning är inte alls anslutna till ett centraliserat avloppssystem (se ”Mänskligt avlopp”).
Forskare arbetar för att göra centraliserade system mer hållbara och mindre förorenande, men från och med Sverige på 1990-talet driver vissa forskare på för mer grundläggande förändringar.Framsteg i slutet av pipelinen är "bara ytterligare en utveckling av samma jäkla sak", säger Nancy Love, miljöingenjör vid University of Michigan i Ann Arbor.Att avleda urin kommer att vara "transformativt", säger hon.I studie 1, som simulerade avloppsvattenhanteringssystem i tre delstater i USA, jämförde hon och hennes kollegor konventionella avloppsvattenreningssystem med hypotetiska system för avloppsvattenrening som avleder urin och använder återvunna näringsämnen istället för syntetiska gödningsmedel.De uppskattar att samhällen som använder urinavledning kan minska de totala utsläppen av växthusgaser med 47 %, energiförbrukningen med 41 %, sötvattenförbrukningen med ungefär hälften och näringsföroreningar av avloppsvatten med 64 %.teknik som används.
Konceptet förblir dock nischat och till stor del begränsat till autonoma områden som skandinaviska ekobyar, uthus på landsbygden och utvecklingen i låginkomstområden.
Tove Larsen, kemiingenjör vid det schweiziska federala institutet för vattenvetenskap och teknik (Eawag) i Dübendorf, säger att mycket av eftersläpningen orsakas av själva toaletterna.Först introducerades på marknaden på 1990- och 2000-talen, de flesta urinavledande toaletter har en liten handfat framför sig för att samla upp vätskan, en inställning som kräver noggrann inriktning.Andra konstruktioner inkluderar fotmanövrerade transportband som låter urin rinna av när gödseln transporteras till kompostbehållaren, eller sensorer som styr ventiler för att leda urin till ett separat utlopp.
En prototyptoalett som separerar urin och torkar den till ett pulver testas på VA SYDs huvudkontor i Malmö.Bildkredit: EOOS NEXT
Men i experiment- och demonstrationsprojekt i Europa har folk inte anammat deras användning, sa Larsen och klagade på att de är för skrymmande, illaluktande och opålitliga."Vi blev verkligen avskräckta av ämnet toaletter."
Dessa farhågor förföljde den första storskaliga användningen av urinavledande toaletter, ett projekt i den sydafrikanska staden Ethekwini på 2000-talet.Anthony Odili, som studerar hälsoledning vid University of KwaZulu-Natal i Durban, sa att den plötsliga utvidgningen av stadens gränser efter apartheid har resulterat i att myndigheter tar över vissa fattiga landsbygdsområden utan toalett- och vatteninfrastruktur.
Efter kolerautbrottet i augusti 2000 satte myndigheterna snabbt ut flera sanitetsanläggningar som uppfyllde ekonomiska och praktiska begränsningar, inklusive cirka 80 000 urinavledande torrtoaletter, av vilka de flesta fortfarande används idag.Urin rinner ner i jorden under toaletten och avföring hamnar i ett förråd som staden har tömt vart femte år sedan 2016.
Odili sa att projektet har skapat säkrare sanitetsanläggningar i området.Samhällsvetenskaplig forskning har dock identifierat många problem med programmet.Trots uppfattningen att toaletter är bättre än ingenting, visade studier, inklusive några av de studier han deltog i, senare att användare i allmänhet ogillar dem, sa Odili.Många av dem är byggda med material av dålig kvalitet och är obekväma att använda.Även om sådana toaletter teoretiskt sett ska förhindra lukt, hamnar urinen i eThekwini-toaletter ofta i avföringsförrådet, vilket skapar en fruktansvärd lukt.Enligt Odili kunde människor "inte andas normalt."Dessutom används urin praktiskt taget inte.
I slutändan, enligt Odili, var beslutet att införa urinavledande torrtoaletter uppifrån och ned och tog inte hänsyn till människors preferenser, främst av folkhälsoskäl.En studie från 20173 fann att mer än 95 % av eThekwinis svarande ville ha tillgång till de bekväma, luktfria toaletterna som används av stadens rika vita invånare, och många planerade att installera dem när förhållandena tillät det.I Sydafrika har toaletter länge varit en symbol för rasmässig ojämlikhet.
Den nya designen kan dock bli ett genombrott inom urinavledning.Under 2017, ledd av designern Harald Grundl, i samarbete med Larsen och andra, släppte det österrikiska designföretaget EOOS (utspritt från EOOS Next) en urinfälla.Detta eliminerar behovet för användaren att sikta, och urinavledningsfunktionen är nästan osynlig (se "Ny typ av toalett").
Den använder vattnets tendens att fastna på ytor (kallas vattenkokare eftersom den fungerar som en besvärlig droppande vattenkokare) för att leda urin från toalettens framsida in i ett separat hål (se "Hur man återvinner urin"). Urinfällan har utvecklats med finansiering från Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har stöttat ett brett spektrum av forskning om toalettinnovation för låginkomstmiljöer. Urinfällan kan integreras i allt från avancerade keramiska piedestalmodeller till plastknäböj. kokkärl. Urinfällan har utvecklats med finansiering från Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har stöttat ett brett spektrum av forskning om toalettinnovation för låginkomstmiljöer. Urinfällan kan integreras i allt från avancerade keramiska piedestalmodeller till plastknäböj. kokkärl. Utvecklad med finansiering från Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har stöttat ett brett utbud av låginkomstforskning inom toalettinnovation, kan urinfällan byggas in i allt från modeller med keramiska piedestaler till plastknäböj.krukor. Utvecklad med finansiering från Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som stöder omfattande forskning om låginkomsttoalettinnovation, kan urinsamlaren byggas in i allt från avancerade keramikbaserade modeller till squat-brickor i plast.Den schweiziska tillverkaren LAUFEN släpper redan en produkt som heter "Spara!"för den europeiska marknaden, även om kostnaden är för hög för många konsumenter.
University of KwaZulu-Natal och eThekwini City Council testar också versioner av urinfällstoaletter som kan leda bort urin och spola ut partiklar.Den här gången fokuserar studien mer på användare.Odie är optimistisk att folk kommer att föredra de nya urinavledande toaletterna eftersom de luktar bättre och är lättare att använda, men han konstaterar att män måste sätta sig ner för att kissa, vilket är en enorm kulturell förändring.Men om toaletter "också adopteras och adopteras av höginkomstkvarter - av människor med olika etnisk bakgrund - kommer det verkligen att hjälpa till att spridas", sa han."Vi måste alltid ha en rasistisk lins", tillade han, för att se till att de inte utvecklar något som ses som "endast svart" eller "endast fattigt."
Urinseparation är bara det första steget i att omvandla sanitet.Nästa del är att ta reda på vad man ska göra åt det.På landsbygden kan människor lagra det i kar för att döda eventuella patogener och sedan applicera det på jordbruksmark.Världshälsoorganisationen ger rekommendationer för denna praxis.
Men stadsmiljön är mer komplicerad – det är här det mesta av urinen produceras.Det skulle inte vara praktiskt att bygga flera separata avlopp i hela staden för att leverera urin till en central plats.Och eftersom urin är cirka 95 procent vatten, är det för dyrt att lagra och transportera.Därför fokuserar forskare på att torka, koncentrera eller på annat sätt utvinna näringsämnen från urin i nivå med en toalett eller byggnad, vilket lämnar vatten kvar.
Det kommer inte att bli lätt, sa Larson.Ur teknisk synvinkel är "piss en dålig lösning", sa hon.Utöver vatten är majoriteten urea, en kväverik förening som kroppen producerar som en biprodukt av proteinmetabolismen.Urea är användbart i sig självt: den syntetiska versionen är ett vanligt kvävegödselmedel (se kvävekrav).Men det är också knepigt: i kombination med vatten förvandlas urea till ammoniak, vilket ger urinen dess karakteristiska lukt.Om den inte är påslagen kan ammoniak lukta, förorena luften och ta bort värdefullt kväve.Katalyserad av det allestädes närvarande enzymet ureas, kan denna reaktion, som kallas ureahydrolys, ta flera mikrosekunder, vilket gör ureas till ett av de mest effektiva enzymerna som är kända.
Vissa metoder tillåter hydrolysen att fortsätta.Eawag-forskare har utvecklat en avancerad process som förvandlar hydrolyserad urin till en koncentrerad näringslösning.Först, i akvariet, omvandlar mikroorganismer flyktig ammoniak till icke-flyktigt ammoniumnitrat, ett vanligt gödselmedel.Destillatören koncentrerar sedan vätskan.Ett dotterbolag vid namn Vuna, även det baserat i Dübendorf, arbetar med att kommersialisera ett system för byggnader och en produkt som heter Aurin, som har godkänts i Schweiz för livsmedelsväxter för första gången i världen.
Andra försöker stoppa hydrolysreaktionen genom att snabbt höja eller sänka urinens pH, som vanligtvis är neutralt när det utsöndras.På campus vid University of Michigan samarbetar Love med det ideella Earth Abundance Institute i Brattleboro, Vermont, för att utveckla ett system för byggnader som tar bort flytande citronsyra från avledande toaletter och vattenfria toaletter.Vatten bryter ut från urinaler.Urinen koncentreras sedan genom upprepad frysning och upptining5.
Ett SLU-team ledd av miljöingenjör Björn Winneros på Gotland utvecklade ett sätt att torka urin till fast urea blandat med andra näringsämnen.Teamet utvärderar sin senaste prototyp, en fristående toalett med inbyggd torktumlare, vid det svenska vatten- och avloppsbolaget VA SYDs huvudkontor i Malmö.
Andra metoder riktar sig mot enskilda näringsämnen i urinen.De skulle lättare kunna integreras i befintliga leveranskedjor för gödningsmedel och industrikemikalier, säger kemiingenjör William Tarpeh, tidigare postdoktor vid Love's som nu är vid Stanford University i Kalifornien.
En vanlig metod för att återställa fosfor från hydrolyserad urin är tillsats av magnesium, vilket orsakar utfällning av ett gödselmedel som kallas struvit.Tarpeh experimenterar med granulat av adsorberande material som selektivt kan ta bort kväve som ammoniak6 eller fosfor som fosfat.Hans system använder en annan vätska som kallas regenereringsmedel som strömmar genom ballongerna när de tar slut.Regenereringsmedlet tar upp näringsämnena och förnyar bollarna till nästa omgång.Detta är en lågteknologisk, passiv metod, men kommersiella regenerater är dåliga för miljön.Nu försöker hans team göra billigare och mer miljövänliga produkter (se "Framtidens förorening").
Andra forskare utvecklar sätt att generera elektricitet genom att placera urin i mikrobiella bränsleceller.I Kapstaden, Sydafrika, har ett annat team utvecklat en metod för att tillverka okonventionella byggstenar genom att blanda urin, sand och ureasproducerande bakterier i en mögel.De kalkar till vilken form som helst utan att brännas.European Space Agency överväger urin från astronauter som en resurs för att bygga bostäder på månen.
"När jag tänker på den breda framtiden för urinåtervinning och avloppsvattenåtervinning, vill vi kunna producera så många produkter som möjligt," sa Tarpeh.
När forskare eftersträvar en rad idéer för att commodifiera urin vet de att det är en kamp i uppförsbacke, särskilt för en förankrad industri.Gödsel- och livsmedelsföretag, bönder, toaletttillverkare och tillsynsmyndigheter har varit långsamma med att göra betydande förändringar i sina rutiner."Det finns mycket tröghet här," sa Simcha.
Till exempel, vid University of California, Berkeley, sparar forsknings- och utbildningsinstallationen av LAUFEN!Det inkluderar utgifter för arkitekter, byggande och efterlevnad av kommunala föreskrifter - och det är inte gjort ännu, säger Kevin Ona, en miljöingenjör som nu arbetar vid West Virginia University i Morgantown.Han sa att avsaknaden av befintliga koder och föreskrifter skapade problem för förvaltningen av anläggningarna, så han gick med i gruppen som utvecklade nya koder.
En del av trögheten kan bero på rädsla för konsumentmotstånd, men en undersökning från 2021 bland människor i 16 länder7 fann att på platser som Frankrike, Kina och Uganda var viljan att konsumera urinberikad mat nära 80 % (se Kommer folk att äta Det?').
Pam Elardo, som leder Wastewater Administration som biträdande administratör för New York City Environmental Protection Agency, sa att hon stöder innovationer som urinavledning eftersom hennes företags huvudmål är att ytterligare minska föroreningar och återvinna resurser.Hon förväntar sig att för en stad som New York kommer den mest praktiska och kostnadseffektiva metoden att avleda urin vara off-grid system i eftermontering eller nya byggnader, kompletterat med underhåll och insamlingsverksamhet.Om innovatörer kan lösa ett problem, "bör de fungera", sa hon.
Med tanke på dessa framsteg förutspår Larsen att massproduktion och automatisering av teknik för urinavledning kanske inte är långt borta.Detta kommer att förbättra affärsmässigheten för denna övergång till avfallshantering.Urinavledning "är rätt teknik", sa hon."Detta är den enda tekniken som kan lösa problem med mat i hemmet på rimlig tid.Men folk måste bestämma 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. och 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. och Love, NG Environ.vetenskapen.teknologi.55, 593–603 (2021).
Sutherland, K. et al.Tömmande avtryck av en avledande toalett.Fas 2: Frigivning av 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.och 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.och 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.Internationellt paradis engelska.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.).