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 stöd, kommer vi att göra webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Chelsea Wold är en frilansjournalist baserad i Haag, Nederländerna och författare till Daydream: En brådskande global strävan att byta toaletter.
Specialiserade toalettsystem extraherar kväve och andra näringsämnen från urin för användning som gödselmedel och andra produkter. Bildkredit: Mak/Georg Mayer/Eoos nästa
Gotland, Sveriges största ö, har lite färskt vatten. Samtidigt kämpar invånarna med farliga föroreningar från jordbruk och avloppssystem som orsakar skadliga algblomningar runt Östersjön. De kan döda fisk och göra människor sjuka.
För att hjälpa till att lösa denna serie miljöproblem är ön att fastnar sina hopp på det osannolika ämnet som binder dem: mänsklig urin.
Från och med 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 vattenlösa urinaler och dedikerade toaletter på flera platser under sommarturistsäsongen. Teamet kom från Swedish University of Agricultural Sciences (SLU) i Uppsala, som har snurrat ett företag som heter Sanitation360. Med hjälp av en process som forskarna utvecklade torkade de urinen i betongliknande bitar, som de sedan malade i pulver och pressade in i gödningsgranuler som passar standard jordbruksutrustning. Lokala jordbrukare använder gödningsmedel för att odla korn, som sedan skickas till bryggerier för att producera ALE som kan gå tillbaka in i cykeln efter konsumtion.
Prithvi Simha, kemisk ingenjör vid SLU och CTO för sanitet360, sa att forskarnas mål är att "gå utöver konceptet och genomföra" urinåteranvändning i stor skala. Målet är att tillhandahålla en modell som kan emuleras över hela världen. "Vårt mål är att alla, överallt, göra denna övning."
I ett experiment i GOTLAND jämfördes urinbefruktad korn (höger) med ofertiliserade växter (mitt) och med mineralgödselmedel (vänster). Bildkredit: Jenna Senecal.
Gotland -projektet är en del av en liknande världsomspännande ansträngning för att separera urin från annat avloppsvatten och återvinna det till produkter som gödselmedel. Övningen, känd som urinens avledning, studeras av grupper i USA, Australien, Schweiz, Etiopien och Sydafrika, bland andra. Dessa ansträngningar går långt utöver University Laboratories. Vattenlösa urinaler är anslutna till källaravfallssystem på kontor i Oregon och Nederländerna. Paris planerar att installera urinavledande toaletter i en 1000-bosatt ekozon som byggs i stadens 14: e arrondissement. Europeiska rymdbyrån kommer att placera 80 toaletter vid sitt huvudkontor i Paris, som kommer att påbörja verksamheten senare i år. Förespråkare för urinledningar säger att det kan hitta användningar på platser som sträcker sig från provisoriska militära utposter till flyktingläger, rika urbana centra och spridande slummen.
Forskare säger att urinens avledning, om de är utplacerade i stor skala runt om i världen, kan ge enorma fördelar för miljön och folkhälsan. Detta beror delvis på att urinen 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 spårelement (se "beståndsdelar i urin"). Bäst av allt, genom att inte spola urin ner i avloppet, sparar du mycket vatten och minskar bördan på ett åldrande och överbelastat avloppssystem.
Enligt experter på området kan många urinfördelningskomponenter snart bli allmänt tillgängliga tack vare framstegen inom toaletter och urinavfallsstrategier. Men det finns också stora hinder för grundläggande förändringar i en av de mest grundläggande aspekterna av livet. Forskare och företag måste ta itu med en mängd utmaningar, från att förbättra utformningen av urinavledande toaletter till att göra urin lättare att bearbeta och förvandlas till värdefulla produkter. Detta kan inkludera kemiska behandlingssystem anslutna till enskilda toaletter eller källarutrustning som betjänar hela byggnaden och tillhandahåller tjänster för återhämtning 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 i de olika graderna av kulturella tabuer förknippade med mänskligt avfall och till djupgående konventioner om industriella avloppsvatten och livsmedelssystem.
När samhället kämpar med brist på energi, vatten och råvaror för jordbruk och industri, är urinens avledning och återanvändning "en stor utmaning för hur vi ger 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 förening av vattenkvalitetspersonal. "Det är faktiskt något av värde."
En gång i tiden var urin en värdefull handelsvara. Tidigare använde vissa samhällen det för att gödsla grödor, göra läder, tvätta kläder och göra krutt. Sedan, i slutet av 1800- och början av 1900-talet, uppstod den moderna modellen för centraliserad avloppshantering i Storbritannien och spriddes över hela världen, och kulminerade med den så kallade urinblindheten.
I denna modell använder toaletter vatten för att snabbt tömma urin, avföring och toalettpapper ner i avloppet, blandat med andra vätskor från inhemska, industriella källor och ibland stormavlopp. I centraliserade avloppsreningsverk använder energiintensiva processer mikroorganismer för att behandla avloppsvatten.
Beroende på lokala regler och förhållanden för behandlingsanläggningen kan avloppsvattnet som släpps ut från denna process fortfarande innehålla betydande mängder kväve och andra näringsämnen, liksom vissa andra föroreningar. 57% av världens befolkning är inte ansluten till ett centraliserat avloppssystem alls (se ”mänskligt avlopp”).
Forskare arbetar för att göra centraliserade system mer hållbara och mindre förorenande, men med början med Sverige på 1990 -talet pressar vissa forskare för mer grundläggande förändringar. Framsteg i slutet av rörledningen är "bara en annan utveckling av samma jävla sak", säger Nancy Love, en miljöingenjör vid University of Michigan i Ann Arbor. Att avleda urin kommer att vara "transformativt", säger hon. I studie 1, som simulerade avloppshanteringssystem i tre amerikanska stater, jämförde hon och hennes kollegor konventionella avloppsreningssystem med hypotetiska avloppsreningssystem som avleder urin och använder återvunnna näringsämnen istället för syntetiska gödselmedel. De uppskattar att samhällen som använder urinfördelning kan minska de totala utsläppen av växthusgaser med 47%, energiförbrukning med 41%, sötvattenförbrukning med ungefär hälften och näringsföroreningar av avloppsvatten med 64%. teknik som används.
Konceptet förblir emellertid nisch och till stor del begränsat till autonoma områden som skandinaviska eko-byar, landsbygdsuthus och utveckling inom låginkomstområden.
Tove Larsen, en kemisk ingenjör vid Swiss Federal Institute for Aquatic Science and Technology (EAWAG) i Dübendorf, säger att mycket av orderstocken orsakas av toaletterna själva. Först introducerades på marknaden på 1990- och 2000-talet har de flesta urinavledande toaletter en liten bassäng framför sig för att samla in vätskan, en inställning som kräver noggrann inriktning. Andra konstruktioner inkluderar fotopererade transportband som tillåter urin att dränera när gödseln transporteras till kompostfacket, eller sensorer som driver ventiler för att rikta urin till ett separat utlopp.
En prototypoalett som separerar urin och torkar den i ett pulver testas vid huvudkontoret för det svenska vatten- och avloppsföretaget VA Syd i Malmö. Bildkredit: Eoos nästa
Men i experimentella och demonstrationsprojekt i Europa har människor inte omfamnat sin användning, sade Larsen och klagade över att de är för skrymmande, illaluktande och opålitliga. "Vi blev verkligen avskräckta av ämnet toaletter."
Dessa problem spökade den första storskaliga användningen av urinavledande toaletter, ett projekt i den sydafrikanska staden Ethekwini på 2000-talet. Anthony Odili, som studerar hälsohantering vid University of KwaZulu-Natal i Durban, sa att den plötsliga utvidgningen av stadens gränser efter apartheid har resulterat i att myndigheter tar över några fattiga landsbygdsområden utan toalett och vatteninfrastruktur.
Efter kolerautbrottet i augusti 2000 distribuerade myndigheterna snabbt flera sanitetsanläggningar som uppfyllde ekonomiska och praktiska begränsningar, inklusive cirka 80 000 urinavledande torra toaletter, varav de flesta fortfarande används idag. Urin dränerar i jorden under toaletten, och avföring hamnar i en lagringsanläggning som staden har tömt vart femte år sedan 2016.
Odili sa att projektet har skapat säkrare sanitetsanläggningar i området. Men samhällsvetenskaplig forskning har 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, sade Odili. Många av dem är byggda med material av dålig kvalitet och är obekväma att använda. Medan sådana toaletter teoretiskt bör förhindra lukt, hamnar urinen i Ethekwini -toaletter ofta i fekalförvaringen, 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 torra toaletter top-down och tog inte hänsyn till människors preferenser, främst av folkhälsoskäl. En studie från 2017 fann att mer än 95% av Ethekwinis respondenter ville ha tillgång till de praktiska, luktfria toaletter som används av stadens rika vita invånare, och många planerade att installera dem när tillåtna villkor. I Sydafrika har toaletter länge varit en symbol för rasjämlikhet.
Den nya designen kan emellertid vara ett genombrott i urinavledningen. 2017, ledd av designern Harald Grundl, i samarbete med Larsen och andra, släppte österrikiska designföretaget EOOS (Spun Off From Eoos Next) en urinfälla. Detta eliminerar behovet av att användaren ska sikta, och urinens avledningsfunktion är nästan osynlig (se "ny typ av toalett").
Den använder tendensen hos vatten att hålla sig till ytor (kallad vattenkokare -effekten eftersom den fungerar som en besvärlig droppande vattenkokare) för att rikta urin från framsidan av toaletten i ett separat hål (se "Hur man återvinner urin"). Utvecklad med finansiering från Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har stött en bred forskning om forskning om toalettinnovation för låginkomstinställningar. Utvecklad med finansiering från Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har stött en bred forskning om forskning om toalettinnovation för låginkomstinställningar. Utvecklad med finansiering från Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har stött ett brett utbud av låginkomsttoalettinnovationsforskning.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 keramiska baserade modeller till plastfack.Den schweiziska tillverkaren Laufen släpper redan en produkt som heter "Save!" för den europeiska marknaden, även om kostnaden är för hög för många konsumenter.
University of KwaZulu-Natal och Ethekwini kommunfullmäktige testar också versioner av urinfälltoaletter som kan avleda urin och spola ut partiklar. Den här gången fokuserar studien mer på användare. Odie är optimistisk för att människor föredrar de nya urinavledande toaletterna eftersom de luktar bättre och är lättare att använda, men han konstaterar att män måste sitta ner för att urinera, vilket är en enorm kulturell förändring. Men om toaletter "också adopteras och adopteras av höginkomstdelar-av människor med olika etniska bakgrunder-kommer det verkligen att hjälpa till att spridas," sade han. "Vi måste alltid ha en raslins," tillade han för att se till att de inte utvecklar något som ses som "bara svart" eller "fattiga."
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 fat för att döda alla patogener och sedan applicera den 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 ett centralt läge. Och eftersom urinen är cirka 95 procent vatten är det för dyrt att lagra och transportera. Därför fokuserar forskare på att torka, koncentrera eller på annat sätt extrahera näringsämnen från urin på en toalett eller byggnad och lämna vatten bakom sig.
Det kommer inte att vara lätt, sa Larson. Ur ingenjörssynpunkt är "Piss en dålig lösning", sa hon. Förutom vatten är majoriteten urea, en kväve-rik förening som kroppen producerar som en biprodukt av proteinmetabolism. Urea är användbar på egen hand: den syntetiska versionen är en vanlig kvävegödsel (se kvävekrav). Men det är också knepigt: när det kombineras med vatten förvandlas urea till ammoniak, vilket ger urin sin karakteristiska lukt. Om den inte är på, kan ammoniak lukta, förorena luften och ta bort värdefullt kväve. Katalyserad av det allestädes närvarande enzymet Ureas, kan denna reaktion, kallad ureyhydrolys, ta flera mikrosekunder, vilket gör Urease till en av de mest effektiva enzymerna kända.
Vissa metoder gör att hydrolys kan 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 gödningsmedel. Distilleren koncentrerar sedan vätskan. Ett dotterbolag som heter Vuna, även baserat i Dübendorf, arbetar för 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, vilket vanligtvis är neutralt när det utsöndras. På campus vid University of Michigan samarbetar Love med ideella jordens överflödsinstitut i Brattleboro, Vermont, för att utveckla ett system för byggnader som tar bort flytande citronsyra från att avleda toaletter och vattenlösa toaletter. Vatten utbrott från urinaler. Urinen koncentreras sedan av upprepad frysning och tining5.
Ett SLU -team under ledning av miljöingenjör Björn Winneros på ön 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 huvudkontoret för svenska vatten och avloppsföretag VA Syd i Malmö.
Andra metoder riktar sig till enskilda näringsämnen i urinen. De kan lättare integreras i befintliga försörjningskedjor för gödselmedel och industrikemikalier, säger kemikalieingenjör William Tarpeh, en tidigare postdoktor vid Love's som nu är vid Stanford University i Kalifornien.
En vanlig metod för att återställa fosfor från hydrolyserad urin är tillsatsen av magnesium, vilket orsakar utfällning av en gödningsmedel som kallas struvite. Tarpeh experimenterar med granuler av adsorbentmaterial som selektivt kan ta bort kväve som ammoniak6 eller fosfor som fosfat. Hans system använder en annan vätska som kallas regenerant som flyter genom ballongerna efter att de har slut. Regeneranten tar näringsämnen och förnyar bollarna för nästa omgång. Detta är en lågteknologisk, passiv metod, men kommersiella regenerater är dåliga för miljön. Nu försöker hans team att göra billigare och mer miljövänliga produkter (se ”Future föroreningar”).
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 göra okonventionella byggnads tegelstenar genom att blanda urin, sand och ureas-producerande bakterier till en form. De förkalkas till vilken form som helst utan att skjuta. Europeiska rymdbyrån överväger astronauternas urin som en resurs för att bygga bostäder på månen.
"När jag tänker på den breda framtiden för urinåtervinning och återvinning av avloppsvatten, vill vi kunna producera så många produkter som möjligt," sa Tarpeh.
När forskare strävar efter en rad idéer för att förhandla urin, vet de att det är en uppåtgående kamp, ​​särskilt för en förankrad industri. Gödningsmedel och livsmedelsföretag, jordbrukare, toaletttillverkare och tillsynsmyndigheter har varit långsamma för att göra betydande förändringar i deras praxis. "Det finns mycket tröghet här," sade Simcha.
Till exempel vid University of California, Berkeley, forsknings- och utbildningsinstallationen av Laufen Save! Det inkluderar utgifter för arkitekter, bygga och följa kommunala förordningar - och det görs ännu inte, säger Kevin Ona, en miljöingenjör som nu arbetar vid West Virginia University i Morgantown. Han sa att bristen på befintliga koder och förordningar skapade problem för hanteringen av anläggningarna, så han gick med i gruppen som utvecklade nya koder.
En del av trögheten kan bero på rädsla för shopparresistens, men en undersökning 2021 i 16 länder7 fann att på platser som Frankrike, Kina och Uganda var villigheten att konsumera urinförstärkt mat nära 80% (se kommer människor att äta det? ').
Pam Elardo, som leder avloppsadministrationen som vice administratör för New York City Environmental Protection Agency, sa att hon stöder innovationer som urinavledning som hennes företags viktigaste mål 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 att vara utanför nätet i eftermontering eller nya byggnader, kompletterat med underhålls- och insamlingsoperationer. Om innovatörer kan lösa ett problem, "de borde arbeta", sa hon.
Med tanke på dessa framsteg förutspår Larsen att massproduktion och automatisering av urinutledningsteknologi kanske inte är långt borta. Detta kommer att förbättra affärssaken för denna övergång till avfallshantering. Urin Diversion "är rätt teknik", sa hon. ”Detta är den enda tekniken som kan lösa problem med hemmet på hem på rimlig tid. Men människor 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. Tömma intryck av en avledande toalett. Fas 2: Släpp 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. 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.).