Tack för att du besöker Nature.com. Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd. För bästa möjliga 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 rendera webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Chelsea Wold är frilansjournalist baserad i Haag, Nederländerna, och författare till *Daydream: An Urgent Global Quest to Change Toilets*.
Specialiserade toalettsystem utvinner kväve och andra näringsämnen från urin för användning som gödningsmedel och andra produkter. Bildkälla: 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 människor sjuka.
För att lösa denna serie miljöproblem sätter ön sitt hopp till det enda osannolika ämnet som binder dem: mänsklig urin.
Med början 2021 började forskargruppen arbeta med ett lokalt företag som hyr ut portabla toaletter. Målet är att samla in mer än 70 000 liter urin under en 3-årsperiod i vattenlösa urinoarer och dedikerade toaletter på flera platser under sommarturistsäsongen. Teamet kom från Sveriges lantbruksuniversitet (SLU) i Uppsala, som har avknoppat ett företag som heter Sanitation360. Med hjälp av en process som forskarna utvecklat 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 återgå till kretsloppet efter konsumtion.
Prithvi Simha, kemiingenjör vid SLU och teknisk chef för Sanitation360, sa att forskarnas mål är att "gå bortom konceptet och omsätta urinåteranvändning i praktiken" i stor skala. Målet är att tillhandahålla en modell som kan emuleras över hela världen. "Vårt mål är att alla, överallt, ska göra den här övningen."
I ett experiment på Gotland jämfördes uringödslat korn (höger) med ogödslade plantor (mitten) och med mineralgödselmedel (vänster). Bildkälla: Jenna Senecal.
Gotlandsprojektet är en del av en liknande världsomspännande insats för att separera urin från annat avloppsvatten och återvinna det till produkter som gödningsmedel. Metoden, känd som urinavledning, studeras av grupper i bland annat USA, Australien, Schweiz, Etiopien och Sydafrika. Dessa insatser går långt bortom universitetslaboratorier. Vattenlösa urinoarer 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. Europeiska rymdorganisationen (ESA) kommer att placera 80 toaletter vid sitt huvudkontor i Paris, som kommer att tas i bruk senare i år. Förespråkare för urinavledning säger att den kan hitta användningsområden på platser som sträcker sig från provisoriska militära utposter till flyktingläger, rika stadscentra och vidsträckta slumområden.
Forskare säger att urinavledning, om den används i stor skala runt om i världen, skulle kunna 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; det innehåller också kalium och många spårämnen (se ”Beståndsdelar i urin”). Bäst 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 inom området kan många komponenter för urinavledning snart bli allmänt tillgängliga tack vare framsteg inom toaletter och strategier för urinhantering. Men det finns också stora hinder för grundläggande förändringar inom en av livets mest grundläggande aspekter. Forskare och företag måste ta itu med en mängd utmaningar, från att förbättra designen av urinavledande toaletter till att göra urin lättare att bearbeta och omvandla till värdefulla produkter. Detta kan inkludera kemiska behandlingssystem kopplade till enskilda toaletter eller källarutrustning som betjänar hela byggnaden och tillhandahåller tjänster för återvinning och underhåll av den resulterande koncentrerade eller hårdnade 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 som är förknippade med mänskligt avfall och till djupt rotade konventioner om industriellt avloppsvatten och livsmedelssystem.
I takt med att 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 hållbarhetskonsult baserad i Minneapolis. ”En genre som kommer att bli allt viktigare. Minnesota, han var tidigare ordförande för Aquatic Federation of Alexandria, Virginia, en världsomspännande sammanslutning av vattenkvalitetsexperter. ”Det är faktiskt något av värde.”
En gång i tiden var urin en värdefull handelsvara. Förr i tiden använde vissa samhällen den för att gödsla grödor, tillverka läder, tvätta kläder och tillverka krut. Sedan, i slutet av 1800-talet och början av 1900-talet, uppstod den moderna modellen för centraliserad avloppshantering i Storbritannien och spred sig över hela världen, vilket kulminerade i den så kallade urinblindheten.
I den här modellen använder toaletter vatten för att snabbt tömma urin, avföring och toalettpapper i avloppet, blandat med andra vätskor från hushåll, industri och ibland dagvatten. I centraliserade avloppsreningsverk använder energiintensiva processer mikroorganismer för att behandla avloppsvatten.
Beroende på lokala regler och förhållanden vid reningsverket kan avloppsvattnet som släpps ut från denna process fortfarande innehålla betydande mängder kväve och andra näringsämnen, samt vissa andra föroreningar. 57 % av världens befolkning är inte alls ansluten till ett centraliserat avloppssystem (se ”Människans avloppsvatten”).
Forskare arbetar för att göra centraliserade system mer hållbara och mindre förorenande, men med början i Sverige på 1990-talet driver vissa forskare på för mer grundläggande förändringar. Framsteg i slutet av rörledningen är "bara ytterligare en utveckling av samma förbannade 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 avloppshanteringssystem i tre amerikanska delstater, jämförde hon och hennes kollegor konventionella avloppsreningssystem med hypotetiska avloppsreningssystem 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 näringsföroreningarna i avloppsvattnet med 64 %.
Konceptet förblir dock nischat och i stort sett begränsat till autonoma områden som skandinaviska ekobyar, lantliga uthus och utveckling i låginkomstområden.
Tove Larsen, kemiingenjör vid Swiss Federal Institute for Aquatic Science and Technology (Eawag) i Dübendorf, säger att mycket av eftersläpningen orsakas av själva toaletterna. De flesta urinavledande toaletter introducerades först på marknaden på 1990- och 2000-talen och har en liten bassäng framför sig för att samla upp vätskan, en inställning som kräver noggrann målinriktning. Andra konstruktioner inkluderar fotmanövrerade transportband som låter urinen rinna av medan gödseln transporteras till kompostbehållaren, eller sensorer som styr ventiler för att leda urinen till ett separat utlopp.
En prototyptoalett som separerar urin och torkar den till ett pulver testas på huvudkontoret för det svenska vatten- och avloppsbolaget VA SYD i Malmö. Bildkälla: EOOS NEXT
Men i experiment- och demonstrationsprojekt i Europa har folk inte anammat användningen av dem, sa Larsen och klagade på att de är för skrymmande, illaluktande och opålitliga. ”Vi blev verkligen avskräckta av ämnet toaletter.”
Dessa bekymmer hemsökte den första storskaliga användningen av urinavledande toaletter, ett projekt i den sydafrikanska staden Ethekwini på 2000-talet. Anthony Odili, som studerar hälsovård vid University of KwaZulu-Natal i Durban, sade att den plötsliga utvidgningen av stadens gränser efter apartheid har resulterat i att myndigheterna tar över vissa fattiga landsbygdsområden utan toalett- och vatteninfrastruktur.
Efter kolerautbrottet i augusti 2000 satte myndigheterna snabbt igång flera sanitetsanläggningar som uppfyllde ekonomiska och praktiska begränsningar, inklusive cirka 80 000 urinavledande torrtoaletter, varav de flesta fortfarande används idag. Urin rinner ner i marken 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. 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 användarna i allmänhet ogillar dem, sa Odili. Många av dem är byggda av material av dålig kvalitet och är obekväma att använda. Även om sådana toaletter teoretiskt sett borde förhindra lukt, hamnar urinen i eThekwini-toaletter ofta i avföringsförrådet, vilket skapar en hemsk lukt. Enligt Odili "kunde människor inte andas normalt". Dessutom används urin praktiskt taget inte.
Enligt Odili var beslutet att införa urinavledande torrtoaletter i slutändan ett top-down-grepp och tog inte hänsyn till människors preferenser, främst av folkhälsoskäl. En studie från 20173 visade att mer än 95 % av eThekwinis respondenter ville ha tillgång till de bekväma, luktfria toaletter 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 raslig ojämlikhet.
Den nya designen skulle dock kunna vara ett genombrott inom urinavledning. År 2017, lett av designern Harald Grundl, i samarbete med Larsen och andra, lanserade det österrikiska designföretaget EOOS (avknoppat från EOOS Next) en urinfälla. Detta eliminerar behovet för användaren att sikta, och urinavledningsfunktionen är nästan osynlig (se ”Ny sorts toalett”).
Den utnyttjar vattnets tendens att fastna på ytor (kallas vattenkokareffekten eftersom den fungerar som en otymplig droppande vattenkokare) för att leda urin från toalettens framsida till ett separat hål (se ”Hur man återvinner urin”). Urinfällan, som utvecklats med finansiering från Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har stöttat en bred forskning om toalettinnovation för låginkomsttagare, kan integreras i allt från exklusiva keramiska piedestalmodeller till knäböjstomtar i plast. Urinfällan, som utvecklats med finansiering från Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har stöttat en bred forskning om toalettinnovation för låginkomsttagare, kan integreras i allt från exklusiva keramiska piedestalmodeller till knäböjstomtar i plast. Urinfällan, som utvecklats med finansiering från Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har stöttat en mängd olika forskningar om innovationer inom toaletter för låginkomsttagare, kan byggas in i allt från modeller med keramiska piedestaler till plastknäböj.krukor. Urinuppsamlaren, som utvecklats med finansiering från Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som stöder omfattande forskning om innovation på toaletter för låginkomsttagare, kan byggas in i allt från exklusiva keramikbaserade modeller till plastbrickor.Den schweiziska tillverkaren LAUFEN släpper redan en produkt som heter ”Save!” för den europeiska marknaden, även om kostnaden är för hög för många konsumenter.
KwaZulu-Natals universitet och eThekwinis stadsfullmäktige testar också versioner av urinfälltoaletter som kan leda bort urin och spola ut partiklar. Den här gången fokuserar studien mer på användarna. Odie är optimistisk och tror att folk kommer att föredra de nya urinavledande toaletterna eftersom de luktar bättre och är lättare att använda, men han noterar att män måste sitta ner för att urinera, vilket är ett enormt kulturellt skifte. Men om toaletter "också antas och antas av höginkomstområden – av människor från olika etniska bakgrunder – kommer det verkligen att bidra till spridningen", sa han. "Vi måste alltid ha ett rasperspektiv", tillade han, för att se till att de inte utvecklar något som ses som "endast svarta" eller "endast fattiga".
Urinseparation är bara det första steget i att omvandla saniteten. Nästa del är att lista ut vad man ska göra åt det. På landsbygden kan man förvara det i behållare 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 som det mesta av urinen produceras. Det skulle inte vara praktiskt att bygga flera separata avlopp i staden för att leverera urin till en central plats. Och eftersom urin består av 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 urinen på nivån med en toalett eller byggnad, vilket lämnar vatten kvar.
Det kommer inte att bli lätt, sa Larson. Ur ett tekniskt perspektiv är "urs en dålig lösning", sa hon. Förutom vatten är majoriteten urea, en kväverik förening som kroppen producerar som en biprodukt av proteinmetabolismen. Urea är användbar i sig själv: den syntetiska versionen är ett vanligt kvävegödselmedel (se Kvävebehov). Men det är också knepigt: när urea kombineras med vatten omvandlas den till ammoniak, vilket ger urinen dess karakteristiska lukt. Om den inte är påslagen kan ammoniak lukta illa, förorena luften och ta bort värdefullt kväve. Denna reaktion, som katalyseras av det allestädes närvarande enzymet ureas, kan 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 omvandlar hydrolyserad urin till en koncentrerad näringslösning. Först omvandlar mikroorganismer i akvariet flyktig ammoniak till icke-flyktig ammoniumnitrat, ett vanligt gödningsmedel. Destillatören koncentrerar sedan vätskan. Ett dotterbolag som heter Vuna, också baserat i Dübendorf, arbetar med att kommersialisera ett system för byggnader och en produkt som heter Aurin, som har godkänts i Schweiz för livsmedelsanläggningar för första gången i världen.
Andra försöker stoppa hydrolysreaktionen genom att snabbt höja eller sänka urinens pH-värde, vilket vanligtvis är neutralt när det utsöndras. På University of Michigans campus samarbetar Love med den ideella organisationen Earth Abundance Institute i Brattleboro, Vermont, för att utveckla ett system för byggnader som avlägsnar flytande citronsyra från avledningstoaletter och vattenlösa toaletter. Vatten sprutar ut från urinoarer. Urinen koncentreras sedan genom upprepad frysning och upptining5.
Ett SLU-team lett av miljöingenjör Björn Winneros på Gotland utvecklade ett sätt att torka urin till fast urea blandad med andra näringsämnen. Teamet utvärderar sin senaste prototyp, en fristående toalett med inbyggd torktumlare, på VA SYD:s 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 kemiingenjören 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 tillsats av magnesium, vilket orsakar utfällning av ett gödningsmedel som kallas struvit. Tarpeh experimenterar med granuler av adsorberande material som selektivt kan avlägsna kväve som ammoniak6 eller fosfor som fosfat. Hans system använder en annan vätska som kallas regenerant som flödar genom ballongerna efter att de tagit slut. Regeneranten tar näringsämnena och förnyar bollarna för nästa omgång. Detta är en lågteknologisk, passiv metod, men kommersiella regenerater är dåliga för miljön. Nu försöker hans team tillverka billigare och mer miljövänliga produkter (se "Framtidens 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 tillverka okonventionella byggstenar genom att blanda urin, sand och ureasproducerande bakterier i en form. De förkalkar till vilken form som helst utan att avfyras. Europeiska rymdorganisationen (ESA) överväger astronauternas urin 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.
I takt med att forskare utforskar en rad olika idéer för att kommersialisera urin, vet de att det är en uppförsbacke, särskilt för en etablerad industri. Gödselmedels- och livsmedelsföretag, jordbrukare, toaletttillverkare och tillsynsmyndigheter har varit långsamma med att göra betydande förändringar i sina metoder. "Det finns mycket tröghet här", sa Simcha.
Till exempel vid University of California, Berkeley, forsknings- och utbildningsanläggningen LAUFEN save! Det inkluderar utgifter för arkitekter, byggnation och efterlevnad av kommunala föreskrifter – och det är inte klart än, säger Kevin Ona, en miljöingenjör som nu arbetar vid West Virginia University i Morgantown. Han sa att bristen på 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 kundmotstånd, men en undersökning från 2021 av människor i 16 länder7 visade att i platser som Frankrike, Kina och Uganda var villigheten att konsumera urinberikad mat nära 80 % (se Kommer folk att äta det?).
Pam Elardo, som leder avloppsverket i egenskap av 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 för att avleda urin att vara off-grid-system vid renovering eller nya byggnader, kompletterat med underhåll och insamlingsverksamhet. Om innovatörer kan lösa ett problem, "borde de fungera", sa hon.
Med tanke på dessa framsteg förutspår Larsen att massproduktion och automatisering av urinavledningsteknik 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 hemmaätning inom en 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. teknologin. 55, 593–603 (2021).
Sutherland, K. et al. Tömning av avtryck från en avledande toalett. Fas 2: Lansering 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.Börshantering 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.).