Takk for at du besøker Nature.com. Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS-støtte. For best mulig opplevelse anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, vil vi gjengi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Chelsea Wold er frilansjournalist basert i Haag i Nederland og forfatter av *Daydream: An Urgent Global Quest to Change Toilets*.
Spesialiserte toalettsystemer utvinner nitrogen og andre næringsstoffer fra urin for bruk som gjødsel og andre produkter. Bildekreditt: MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
Gotland, Sveriges største øy, har lite ferskvann. Samtidig sliter innbyggerne med farlige nivåer av forurensning fra landbruk og kloakksystemer som forårsaker skadelige algeoppblomstringer rundt Østersjøen. De kan drepe fisk og gjøre folk syke.
For å løse denne rekken av miljøproblemer, setter øya sin lit til det ene usannsynlige stoffet som binder dem: menneskelig urin.
Fra og med 2021 begynte forskerteamet å samarbeide med et lokalt selskap som leier ut bærbare toaletter. Målet er å samle inn mer enn 70 000 liter urin over en treårsperiode i vannløse urinaler og dedikerte toaletter på flere steder i sommersesongen. Teamet kom fra Sveriges lantbruksuniversitet (SLU) i Uppsala, som har skilt ut et selskap kalt Sanitation360. Ved å bruke en prosess forskerne utviklet, tørket de urinen til betonglignende biter, som de deretter malte til pulver og presset til gjødselgranulat som passer til standard landbruksutstyr. Lokale bønder bruker gjødselen til å dyrke bygg, som deretter sendes til bryggerier for å produsere øl som kan gå tilbake i syklusen etter konsum.
Prithvi Simha, kjemiingeniør ved SLU og teknisk direktør i Sanitation360, sa at forskernes mål er å «gå utover konseptet og sette uringjenbruk ut i praksis» i stor skala. Målet er å tilby en modell som kan etterlignes over hele verden. «Målet vårt er at alle, overalt, skal gjøre denne øvelsen.»
I et eksperiment på Gotland ble uringjødslet bygg (høyre) sammenlignet med ugjødslede planter (midten) og med mineralgjødsel (venstre). Bildekreditt: Jenna Senecal.
Gotland-prosjektet er en del av en lignende verdensomspennende innsats for å separere urin fra annet avløpsvann og resirkulere det til produkter som gjødsel. Praksisen, kjent som urinavledning, studeres av grupper i blant annet USA, Australia, Sveits, Etiopia og Sør-Afrika. Denne innsatsen går langt utover universitetslaboratorier. Vannløse urinaler er koblet til kjelleravfallssystemer på kontorer i Oregon og Nederland. Paris planlegger å installere urinavledende toaletter i en økosone med 1000 innbyggere som bygges i byens 14. arrondissement. Den europeiske romfartsorganisasjonen vil plassere 80 toaletter ved sitt hovedkvarter i Paris, som vil starte driften senere i år. Tilhengere av urinavledning sier at det kan finne bruksområder på steder som spenner fra provisoriske militære utposter til flyktningleirer, velstående bysentre og vidstrakte slumområder.
Forskere sier at urinavledning, hvis den tas i bruk i stor skala over hele verden, kan gi store fordeler for miljøet og folkehelsen. Dette er delvis fordi urin er rik på næringsstoffer som ikke forurenser vannforekomster og kan brukes til å gjødsle avlinger eller i industrielle prosesser. Simha anslår at mennesker produserer nok urin til å erstatte omtrent en fjerdedel av verdens nåværende nitrogen- og fosfatgjødsel; den inneholder også kalium og mange sporstoffer (se «Bestanddeler i urin»). Best av alt, ved å ikke skylle urin ned i avløpet sparer du mye vann og reduserer belastningen på et aldrende og overbelastet kloakksystem.
Ifølge eksperter på feltet kan mange komponenter for urinavledning snart bli allment tilgjengelige takket være fremskritt innen toaletter og strategier for urinhåndtering. Men det finnes også store hindringer for fundamentale endringer i et av de mest grunnleggende aspektene ved livet. Forskere og bedrifter må ta tak i en rekke utfordringer, fra å forbedre utformingen av urinavledende toaletter til å gjøre urin enklere å behandle og omdanne til verdifulle produkter. Dette kan omfatte kjemiske behandlingssystemer koblet til individuelle toaletter eller kjellerutstyr som betjener hele bygningen og tilbyr tjenester for gjenvinning og vedlikehold av det resulterende konsentrerte eller herdede produktet (se «Fra urin til produkt»). I tillegg er det bredere spørsmål om sosial endring og aksept, knyttet både til de varierende gradene av kulturelle tabuer knyttet til menneskelig avfall og til dyptliggende konvensjoner om industrielt avløpsvann og matsystemer.
Etter hvert som samfunnet sliter med mangel på energi, vann og råvarer til landbruk og industri, er urinavledning og gjenbruk «en stor utfordring for hvordan vi sørger for sanitæranlegg», sier biolog Lynn Broaddus, en bærekraftskonsulent basert i Minneapolis. «En sjanger som vil bli stadig viktigere. Minnesota, han var tidligere president i Aquatic Federation of Alexandria, Virginia, en verdensomspennende forening av vannkvalitetsfagfolk. «Det er faktisk noe av verdi.»
Det var en gang i tiden at urin var en verdifull vare. Tidligere brukte noen samfunn den til å gjødsle avlinger, lage lær, vaske klær og lage krutt. Så, på slutten av 1800-tallet og begynnelsen av 1900-tallet, oppsto den moderne modellen for sentralisert avløpshåndtering i Storbritannia og spredte seg over hele verden, noe som kulminerte i den såkalte urinblindheten.
I denne modellen bruker toaletter vann til raskt å drenere urin, avføring og toalettpapir ned i avløpet, blandet med andre væsker fra husholdninger, industri og noen ganger overvannsavløp. I sentraliserte avløpsrenseanlegg bruker energikrevende prosesser mikroorganismer til å behandle avløpsvann.
Avhengig av lokale regler og forholdene ved renseanlegget, kan avløpsvannet som slippes ut fra denne prosessen fortsatt inneholde betydelige mengder nitrogen og andre næringsstoffer, samt noen andre forurensninger. 57 % av verdens befolkning er ikke koblet til et sentralisert kloakksystem i det hele tatt (se «Menneskets kloakk»).
Forskere jobber med å gjøre sentraliserte systemer mer bærekraftige og mindre forurensende, men siden Sverige på 1990-tallet startet, presser noen forskere på for mer grunnleggende endringer. Fremskritt på slutten av rørledningen er «bare nok en evolusjon av den samme forbannede tingen», sa Nancy Love, miljøingeniør ved University of Michigan i Ann Arbor. Omledning av urin vil være «transformativt», sier hun. I studie 1, som simulerte avløpshåndteringssystemer i tre amerikanske stater, sammenlignet hun og kollegene hennes konvensjonelle avløpsrensesystemer med hypotetiske avløpsrensesystemer som omleder urin og bruker gjenvunnede næringsstoffer i stedet for syntetisk gjødsel. De anslår at lokalsamfunn som bruker urinomledning kan redusere de totale klimagassutslippene med 47 %, energiforbruket med 41 %, ferskvannsforbruket med omtrent halvparten og næringsforurensningen av avløpsvann med 64 %.
Konseptet forblir imidlertid nisjepreget og i stor grad begrenset til autonome områder som skandinaviske økolandsbyer, landlige uthus og utbygginger i lavinntektsområder.
Tove Larsen, kjemiingeniør ved det sveitsiske føderale instituttet for akvatisk vitenskap og teknologi (Eawag) i Dübendorf, sier at mye av etterslepet skyldes selve toalettene. De fleste urinavledende toaletter ble først introdusert på markedet på 1990- og 2000-tallet, og har et lite basseng foran seg for å samle opp væsken, en innstilling som krever nøye målretting. Andre design inkluderer fotbetjente transportbånd som lar urinen renne av mens gjødselen transporteres til kompostbingen, eller sensorer som betjener ventiler for å lede urinen til et separat utløp.
Et prototypetoalett som separerer urin og tørker det til pulver testes ved hovedkvarteret til det svenske vann- og avløpsselskapet VA SYD i Malmö. Bildekreditt: EOOS NEXT
Men i eksperimentelle og demonstrasjonsprosjekter i Europa har ikke folk tatt imot bruken av dem, sa Larsen, og klaget over at de er for klumpete, illeluktende og upålitelige. «Vi ble virkelig avskrekket av temaet toaletter.»
Disse bekymringene hjemsøkte den første storstilte bruken av urinavledende toaletter, et prosjekt i den sørafrikanske byen Ethekwini på 2000-tallet. Anthony Odili, som studerer helseledelse ved University of KwaZulu-Natal i Durban, sa at den plutselige utvidelsen av byens grenser etter apartheid har ført til at myndighetene har overtatt noen fattige landlige områder uten toalett- og vanninfrastruktur.
Etter kolerautbruddet i august 2000 tok myndighetene raskt i bruk flere sanitæranlegg som møtte økonomiske og praktiske begrensninger, inkludert rundt 80 000 urinavledende tørre toaletter, hvorav de fleste fortsatt er i bruk i dag. Urin renner ned i jorden fra under toalettet, og avføring havner i et lageranlegg som byen har tømt hvert femte år siden 2016.
Odili sa at prosjektet har skapt tryggere sanitæranlegg i området. Samfunnsvitenskapelig forskning har imidlertid identifisert mange problemer med programmet. Til tross for forestillingen om at toaletter er bedre enn ingenting, viste studier, inkludert noen av studiene han deltok i, senere at brukerne generelt misliker dem, sa Odili. Mange av dem er bygget med materialer av dårlig kvalitet og er ukomfortable å bruke. Selv om slike toaletter teoretisk sett skal forhindre lukt, havner urinen i eThekwini-toaletter ofte i avføringslageret, noe som skaper en forferdelig lukt. Ifølge Odili «kunne ikke folk puste normalt». Dessuten brukes urin praktisk talt ikke.
Ifølge Odili var beslutningen om å innføre urinavledende tørre toaletter til syvende og sist ovenfra og ned, og den tok ikke hensyn til folks preferanser, hovedsakelig av folkehelsehensyn. En studie fra 20173 fant at mer enn 95 % av eThekwinis respondenter ønsket tilgang til de praktiske, luktfrie toalettene som brukes av byens velstående hvite innbyggere, og mange planla å installere dem når forholdene tillot det. I Sør-Afrika har toaletter lenge vært et symbol på rasemessig ulikhet.
Det nye designet kan imidlertid være et gjennombrudd innen urinavledning. I 2017, ledet av designer Harald Grundl, i samarbeid med Larsen og andre, lanserte det østerrikske designfirmaet EOOS (avskilt fra EOOS Next) en urinfelle. Dette eliminerer behovet for at brukeren må sikte, og urinavledningsfunksjonen er nesten usynlig (se «Ny type toalett»).
Den bruker vannets tendens til å feste seg til overflater (kalt vannkokereffekten fordi den fungerer som en klossete dryppende vannkoker) for å lede urin fra forsiden av toalettet inn i et eget hull (se «Slik resirkulerer du urin»). Urinfellen er utviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet en bred rekke forskning på toalettinnovasjon for lavinntektsgrupper, og kan integreres i alt fra eksklusive keramiske pidestallmodeller til knebøypanner i plast. Urinfellen er utviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet en bred rekke forskning på toalettinnovasjon for lavinntektsgrupper, og kan integreres i alt fra eksklusive keramiske pidestallmodeller til knebøypanner i plast. Urinfellen er utviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet et bredt spekter av forskning på innovasjon innen toaletter for lavinntektsgrupper, og kan bygges inn i alt fra modeller med keramiske pidestaller til plastknebøyer.potter. Urinoppsamleren er utviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som støtter omfattende forskning på innovasjon innen toaletter for lavinntektspersoner, og kan bygges inn i alt fra eksklusive keramikkbaserte modeller til plastbrett for knebøy.Den sveitsiske produsenten LAUFEN lanserer allerede et produkt kalt «Save!» for det europeiske markedet, selv om prisen er for høy for mange forbrukere.
Universitetet i KwaZulu-Natal og eThekwini bystyre tester også versjoner av urinfelletoaletter som kan avlede urin og skylle ut partikler. Denne gangen fokuserer studien mer på brukerne. Odie er optimistisk med tanke på at folk vil foretrekke de nye urinavledende toalettene fordi de lukter bedre og er enklere å bruke, men han bemerker at menn må sette seg ned for å urinere, noe som er et stort kulturskifte. Men hvis toaletter «også blir tatt i bruk og tatt i bruk av høyinntektsnabolag – av folk fra ulik etnisk bakgrunn – vil det virkelig bidra til å spre seg», sa han. «Vi må alltid ha et raseperspektiv», la han til, for å sørge for at de ikke utvikler noe som blir sett på som «bare for svarte» eller «bare for fattige».
Urinseparasjon er bare det første steget i å forandre sanitærforholdene. Den neste delen er å finne ut hva man skal gjøre med det. I landlige områder kan folk lagre det i kar for å drepe eventuelle patogener og deretter bruke det på jordbruksland. Verdens helseorganisasjon kommer med anbefalinger for denne praksisen.
Men bymiljøet er mer komplisert – det er her mesteparten av urinen produseres. Det ville ikke være praktisk å bygge flere separate kloakkledninger over hele byen for å levere urin til et sentralt sted. Og fordi urin består av omtrent 95 prosent vann, er det for dyrt å lagre og transportere. Derfor fokuserer forskere på å tørke, konsentrere eller på annen måte utvinne næringsstoffer fra urin på nivå med et toalett eller en bygning, slik at vannet blir igjen.
Det blir ikke lett, sa Larson. Fra et ingeniørmessig synspunkt er «urin en dårlig løsning», sa hun. I tillegg til vann er majoriteten urea, en nitrogenrik forbindelse som kroppen produserer som et biprodukt av proteinmetabolismen. Urea er nyttig i seg selv: den syntetiske versjonen er en vanlig nitrogengjødsel (se Nitrogenkrav). Men det er også vanskelig: Når urea kombineres med vann, omdannes det til ammoniakk, som gir urinen dens karakteristiske lukt. Hvis den ikke er slått på, kan ammoniakk lukte dårlig, forurense luften og ta bort verdifullt nitrogen. Denne reaksjonen, kalt ureahydrolyse, katalyseres av det allestedsnærværende enzymet urease, og kan ta flere mikrosekunder, noe som gjør urease til et av de mest effektive enzymene som er kjent.
Noen metoder tillater hydrolysen å fortsette. Eawag-forskere har utviklet en avansert prosess som omdanner hydrolysert urin til en konsentrert næringsløsning. Først omdanner mikroorganismer flyktig ammoniakk til ikke-flyktig ammoniumnitrat, en vanlig gjødsel i akvariet. Destilleriet konsentrerer deretter væsken. Et datterselskap kalt Vuna, også basert i Dübendorf, jobber med å kommersialisere et system for bygninger og et produkt kalt Aurin, som er godkjent i Sveits for matplanter for første gang i verden.
Andre prøver å stoppe hydrolysereaksjonen ved raskt å heve eller senke pH-verdien i urinen, som vanligvis er nøytral når den skilles ut. På campusen til University of Michigan samarbeider Love med den ideelle organisasjonen Earth Abundance Institute i Brattleboro, Vermont, for å utvikle et system for bygninger som fjerner flytende sitronsyre fra avledningstoaletter og vannløse toaletter. Vann spruter ut fra urinaler. Urinen konsentreres deretter ved gjentatt frysing og tining5.
Et SLU-team ledet av miljøingeniør Bjorn Winneros på Gotland utviklet en metode for å tørke urin til fast urea blandet med andre næringsstoffer. Teamet evaluerer sin nyeste prototype, et frittstående toalett med innebygd tørketrommel, ved hovedkvarteret til det svenske vann- og avløpsselskapet VA SYD i Malmö.
Andre metoder er rettet mot individuelle næringsstoffer i urinen. De kan lettere integreres i eksisterende forsyningskjeder for gjødsel og industrikjemikalier, sier kjemiingeniør William Tarpeh, en tidligere postdoktor ved Love's som nå er ved Stanford University i California.
En vanlig metode for å gjenopprette fosfor fra hydrolysert urin er tilsetning av magnesium, som forårsaker utfelling av en gjødsel kalt struvitt. Tarpeh eksperimenterer med granuler av adsorberende materiale som selektivt kan fjerne nitrogen som ammoniakk6 eller fosfor som fosfat. Systemet hans bruker en annen væske kalt regenerant som strømmer gjennom ballongene etter at de er tomme. Regeneranten tar næringsstoffene og fornyer ballene til neste runde. Dette er en lavteknologisk, passiv metode, men kommersielle regenerater er dårlige for miljøet. Nå prøver teamet hans å lage billigere og mer miljøvennlige produkter (se «Fremtidens forurensning»).
Andre forskere utvikler måter å generere elektrisitet på ved å plassere urin i mikrobielle brenselceller. I Cape Town, Sør-Afrika, har et annet team utviklet en metode for å lage ukonvensjonelle byggeklosser ved å blande urin, sand og ureaseproduserende bakterier i en form. De forkalkes til en hvilken som helst form uten å fyre. Den europeiske romfartsorganisasjonen vurderer astronauters urin som en ressurs for å bygge boliger på månen.
«Når jeg tenker på den brede fremtiden for urinresirkulering og avløpsvannresirkulering, ønsker vi å kunne produsere så mange produkter som mulig», sa Tarpeh.
Etter hvert som forskere forfølger en rekke ideer for å gjøre urin til en kommersialvare, vet de at det er en oppoverbakke, spesielt for en etablert industri. Gjødsel- og matvareselskaper, bønder, toalettprodusenter og regulatorer har vært trege med å gjøre betydelige endringer i praksisen sin. «Det er mye treghet her», sa Simcha.
For eksempel ved University of California, Berkeley, forsknings- og utdanningsanlegget til LAUFEN save! Det inkluderer utgifter til arkitekter, bygging og overholdelse av kommunale forskrifter – og det er ikke gjort ennå, sa Kevin Ona, en miljøingeniør som nå jobber ved West Virginia University i Morgantown. Han sa at mangelen på eksisterende forskrifter og regler skapte problemer for forvaltningen av anleggene, så han ble med i gruppen som utviklet nye forskrifter.
Noe av tregheten kan skyldes frykt for kundemotstand, men en undersøkelse fra 2021 blant folk i 16 land7 fant at i steder som Frankrike, Kina og Uganda var villigheten til å konsumere urinberiket mat nær 80 % (se «Vil folk spise det?»).
Pam Elardo, som leder avløpsadministrasjonen som nestleder for New York City Environmental Protection Agency, sa at hun støtter innovasjoner som urinavledning, ettersom selskapets hovedmål er å redusere forurensning ytterligere og resirkulere ressurser. Hun forventer at for en by som New York vil den mest praktiske og kostnadseffektive metoden for å avlede urin være off-grid-systemer i ombygging eller nye bygninger, supplert med vedlikehold og innsamlingsoperasjoner. Hvis innovatører kan løse et problem, «bør de fungere», sa hun.
Gitt disse fremskrittene spår Larsen at masseproduksjon og automatisering av urinavledningsteknologi kanskje ikke er langt unna. Dette vil forbedre forretningsgrunnlaget for denne overgangen til avfallshåndtering. Urinavledning «er den riktige teknikken», sa hun. «Dette er den eneste teknologien som kan løse problemer med å spise hjemme på rimelig tid. Men folk må bestemme seg.»
Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. og Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. og Love, NG Environ.Hilton, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. og Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. og Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. og Love, NG Environ.Hilton, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. og Love, NG Environ.vitenskapen. teknologien. 55, 593–603 (2021).
Sutherland, K. et al. Tømming av avtrykk fra et avledningstoalett. Fase 2: Utgivelse av eThekwini City UDDT-valideringsplan (Universitetet i 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.Børsledelse 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.Kjemisk. 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.).