Takk for at du besøker Nature.com. Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS -støtte. For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiver kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, vil vi gjengi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Chelsea Wold er en frilansjournalist med base i Haag, Nederland og forfatter av Daydream: en presserende global søken etter å bytte toaletter.
Spesialiserte toalettsystemer trekker ut nitrogen og andre næringsstoffer fra urin for bruk som gjødsel og andre produkter. Bildekreditt: MAK/Georg Mayer/EOOS Neste
Gotland, Sveriges største øy, har lite ferskvann. Samtidig kjemper innbyggerne med farlige forurensningsnivåer fra landbruk og avløpssystemer som forårsaker skadelige algeblomster rundt Østersjøen. De kan drepe fisk og gjøre folk syke.
For å løse denne serien med miljøproblemer, viser øya håp om det usannsynlige stoffet som binder dem: menneskelig urin.
Fra 2021 begynte forskerteamet å samarbeide med et lokalt selskap som leier ut bærbare toaletter. Målet er å samle mer enn 70 000 liter urin over en 3-års periode i vannløse urinaler og dedikerte toaletter på flere steder i sommerens turistsesong. Teamet kom fra Swedish University of Agricultural Sciences (SLU) i Uppsala, som har spunnet av et selskap som heter Sanitation360. Ved å bruke en prosess som forskerne utviklet seg, tørket de urinen i betonglignende biter, som de deretter malte i pulver og presset inn i gjødselgranuler som passer til standard gårdsutstyr. Lokale bønder bruker gjødselen for å dyrke bygg, som deretter blir sendt til bryggerier for å produsere ale som kan gå tilbake i syklusen etter forbruket.
Prithvi Simha, kjemisk ingeniør ved SLU og CTO of Sanitation360, sa at forskernes mål er å "gå utover konseptet og sette ut i praksis" urin gjenbruk i stor skala. Målet er å gi en modell som kan emuleres over hele verden. "Målet vårt er for alle overalt å gjøre denne øvelsen."
I et eksperiment i Gotland ble urinbefruktet bygg (til høyre) sammenlignet med ufruktede planter (sentrum) og med mineralgjødsel (venstre). Bildekreditt: Jenna Senecal.
Gotland -prosjektet er del av en lignende verdensomspennende innsats for å skille urin fra annet avløpsvann og resirkulere det til produkter som gjødsel. Praksisen, kjent som urinavledning, blir studert av grupper i USA, Australia, Sveits, Etiopia og Sør -Afrika, blant andre. Denne innsatsen går langt utover universitetslaboratorier. Vannløse urinaler er koblet til avfallssystemer for kjeller på kontorer i Oregon og Nederland. Paris planlegger å installere urin-diverende toaletter i en 1000-bosatt økozon som bygges i byens 14. arrondissement. Det europeiske romfartsorganet vil plassere 80 toaletter i Paris hovedkvarter, som begynner virksomheten senere i år. Talsmenn fra urinavledning sier at det kan finne bruk på steder som spenner fra provisoriske militære utposter til flyktningleire, velstående bysentre og viltvoksende slumområder.
Forskere sier at avledning av urin, hvis de er utplassert i stor skala rundt om i 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”). Det beste av alt, ved å ikke skylle urin ned i avløpet, sparer du mye vann og reduserer belastningen på et aldring og overbelastet kloakksystem.
Ifølge eksperter på området kan mange urinavledningskomponenter snart bli allment tilgjengelige takket være fremskritt innen toaletter og urinavhengsstrategier. Men det er også store hindringer for grunnleggende endringer i et av de mest grunnleggende aspektene i livet. Forskere og selskaper må takle et utall av utfordringer, fra å forbedre utformingen av urin-diverende toaletter til å gjøre urin enklere å behandle og bli til verdifulle produkter. Dette kan omfatte kjemiske behandlingssystemer koblet til individuelle toaletter eller kjellerutstyr som betjener hele bygningen og leverer tjenester for utvinning 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 forskjellige gradene av kulturelle tabuer assosiert med menneskelig avfall og til dyptliggende konvensjoner om industrielt avløpsvann og matsystemer.
Når samfunnet takler mangel på energi, vann og råvarer for landbruk og industri, er urinavledning og gjenbruk "en stor utfordring for hvordan vi gir sanitet," sier biolog Lynn Broaddus, en Minneapolis-basert bærekraftkonsulent. . ”En sjanger som vil bli stadig viktigere. Minnesota, han var den tidligere presidenten i Aquatic Federation of Alexandria, Va., En verdensomspennende forening av fagpersoner i vannkvalitet. "Det er faktisk noe av verdi."
En gang i tiden var urin en verdifull vare. I det siste brukte noen samfunn det til å gjødsle avlinger, lage lær, vaske klær og lage krutt. På slutten av 1800- og begynnelsen av 1900-tallet oppsto den moderne modellen for sentralisert avløpsvannstyring i Storbritannia og spredte seg over hele verden, og kulminerte med den såkalte urinblindheten.
I denne modellen bruker toaletter vann for raskt å tømme urin, avføring og toalettpapir ned i avløpet, blandet med andre væsker fra innenlandske, industrielle kilder og noen ganger stormavløp. I sentraliserte renseanlegg bruker energiintensive prosesser mikroorganismer for å behandle avløpsvann.
Avhengig av lokale regler og betingelser for renseanlegget, kan avløpsvann som slippes ut fra denne prosessen fremdeles inneholde betydelige mengder nitrogen og andre næringsstoffer, så vel som noen andre forurensninger. 57% av verdens befolkning er ikke koblet til et sentralisert kloakksystem i det hele tatt (se “menneskelig kloakk”).
Forskere jobber for å gjøre sentraliserte systemer mer bærekraftige og mindre forurensende, men starter med Sverige på 1990 -tallet, noen forskere presser på for mer grunnleggende endringer. Fremskritt på slutten av rørledningen er "bare en annen utvikling av den samme jævla tingen," sa Nancy Love, en miljøminéneter ved University of Michigan i Ann Arbor. Å avleder urin vil være "transformativ," sier hun. I studie 1, som simulerte avløpsstyringssystemer i tre amerikanske stater, sammenlignet hun og hennes kolleger konvensjonelle renseanlegg med hypotetiske renseanlegg som avleder urin og bruker utvinnede næringsstoffer i stedet for syntetisk gjødsel. De anslår at lokalsamfunn som bruker urinavledning kan redusere samlet klimagassutslipp med 47%, energiforbruk med 41%, ferskvannsforbruk med omtrent halvparten, og næringsforurensning av avløpsvann med 64%. teknologi brukt.
Imidlertid forblir konseptet nisje og stort sett begrenset til autonome områder som skandinaviske øko-dykk, landlige uthus og utvikling i lavinntektsområder.
Tove Larsen, en kjemisk ingeniør ved Swiss Federal Institute for Aquatic Science and Technology (EAWAG) i Dübendorf, sier mye av etterslepet er forårsaket av toalettene selv. Først introdusert for markedet på 1990- og 2000-tallet, har de fleste urin-diverende toaletter et lite basseng foran seg for å samle væsken, en innstilling som krever nøye målretting. Andre design inkluderer fotdrevne transportbånd som lar urin renne ut når gjødselen blir transportert til kompostkassen, eller sensorer som bruker ventiler for å lede urin til et eget stikkontakt.
Et prototypoalett som skiller urin og tørker det til et pulver blir testet ved hovedkvarteret til det svenske vann- og kloakkselskapet Va Syd i Malmö. Bildekreditt: EOOS Neste
Men i eksperimentelle og demonstrasjonsprosjekter i Europa har ikke folk omfavnet bruken, sa Larsen og klaget over at de er for klumpete, stinkende og upålitelige. "Vi ble virkelig frastjålet med temaet toaletter."
Disse bekymringene hjemsøkte den første storskala bruken av urin-diverende toaletter, et prosjekt i den sørafrikanske byen Ethekwini på 2000-tallet. Anthony Odili, som studerer helsestyring ved University of Kwazulu-Natal i Durban, sa at den plutselige utvidelsen av byens grenser etter apartheid har resultert i at myndigheter overtok noen dårlige landlige områder uten toalett- og vanninfrastruktur.
Etter kolerautbruddet i august 2000 satte myndighetene raskt ut flere sanitæranlegg som møtte økonomiske og praktiske begrensninger, inkludert rundt 80 000 urin-diverende tørre toaletter, hvorav de fleste fremdeles er i bruk i dag. Urin drenerer inn i jorden fra under toalettet, og avføringen havner i et lagringsanlegg som byen har tømt hvert femte år siden 2016.
Odili sa at prosjektet har skapt tryggere sanitæranlegg i området. Imidlertid har samfunnsvitenskapelig forskning 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 brukere generelt ikke liker dem, sa Odili. Mange av dem er bygget med materialer av dårlig kvalitet og er ukomfortable å bruke. Mens slike toaletter teoretisk skal forhindre lukt, havner urinen i etekwini -toaletter ofte i fekal lagring, og skaper en forferdelig lukt. I følge Odili kunne ikke folk "puste normalt." Dessuten brukes urin praktisk talt ikke.
Til syvende og sist, ifølge Odili, var beslutningen om å innføre urin-diverende tørre toaletter ovenfra og ned og tok ikke hensyn til folks preferanser, hovedsakelig av folkehelsemessige årsaker. En studie fra 20173 fant at mer enn 95% av etekwinis respondenter ønsket tilgang til de praktiske, luktfrie toalettene som ble brukt 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.
Imidlertid kan den nye designen være et gjennombrudd i urinavledningen. I 2017, ledet av designeren Harald Grundl, ga i samarbeid med Larsen og andre, det østerrikske designfirmaet EOOS (spunnet av fra EOOS neste) en urinfelle. Dette eliminerer behovet for at brukeren skal sikte, og urinavledningsfunksjonen er nesten usynlig (se “Ny type toalett”).
Den bruker tendensen til vann til å holde seg til overflater (kalt kjele -effekten fordi den fungerer som en vanskelig dryppekoker) for å lede urin fra fronten av toalettet til et eget hull (se “Hvordan resirkulere urin”). Utviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet en bred forskning på toalettinnovasjon for lavinntektsinnstillinger, kan urinfellen integreres i alt fra high-end keramiske sokkelmodeller til plastknevpanner. Utviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet en bred forskning på toalettinnovasjon for lavinntektsinnstillinger, kan urinfellen integreres i alt fra high-end keramiske sokkelmodeller til plastknevpanner. Urinfellen er utviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som har støttet et bredt spekter av toalettinnovasjonsforskning med lav inntekt, og kan bygges inn i alt fra modeller med keramiske sokler til plastknebøy.Pots. Urinoppsamleren er utviklet med finansiering fra Bill & Melinda Gates Foundation i Seattle, Washington, som støtter omfattende forskning på toalettinnovasjon med lav inntekt, og kan bygges inn i alt fra avanserte keramiske baserte modeller til plastknebøy.Den sveitsiske produsenten Laufen gir allerede ut et produkt som heter "Save!" For det europeiske markedet, selv om kostnadene er for høye for mange forbrukere.
University of Kwazulu-Natal og Ethekwini bystyre tester også versjoner av toaletter i urinfellen som kan avlede urin og skylle ut svevestøv. Denne gangen fokuserer studien mer på brukere. Odie er optimistisk om at folk foretrekker de nye urin-utbredte toalettene fordi de lukter bedre og er lettere å bruke, men han bemerker at menn må sette seg ned for å tisse, noe som er et stort kulturelt skifte. Men hvis toaletter "også blir adoptert og adoptert av høyinntektsområder-av mennesker med ulik etnisk bakgrunn-vil det virkelig bidra til å spre seg," sa han. "Vi må alltid ha en raselinse," la han til, for å sikre at de ikke utvikler noe som bare blir sett på som "bare svart" eller "bare dårlig."
Urinseparasjon er bare det første trinnet i å transformere sanitet. Neste del er å finne ut hva du 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 gir anbefalinger for denne praksisen.
Men det urbane miljøet er mer komplisert - det er her mesteparten av urinen produseres. Det ville ikke være praktisk å bygge flere separate kloakk i hele byen for å levere urin til et sentralt sted. Og fordi urin er omtrent 95 prosent vann, er det for dyrt å lagre og transportere. Derfor fokuserer forskere på å tørke, konsentrere eller på annen måte trekke ut næringsstoffer fra urin på nivået på et toalett eller bygning, og etterlater vann.
Det vil ikke være lett, sa Larson. Fra et ingeniørsynspunkt er "Piss en dårlig løsning," sa hun. I tillegg til vann er flertallet urea, en nitrogenrik forbindelse som kroppen produserer som et biprodukt av proteinmetabolisme. Urea er nyttig på egen hånd: Den syntetiske versjonen er en vanlig nitrogengjødsel (se nitrogenkrav). Men det er også vanskelig: når det kombineres med vann, blir urea til ammoniakk, noe som gir urin sin karakteristiske lukt. Hvis ikke slått på, kan ammoniakk lukte, forurense luften og ta bort verdifull nitrogen. Katalysert av den allestedsnærværende enzymet urease, kan denne reaksjonen, kalt urea hydrolyse, ta flere mikrosekunder, noe som gjør ureas til en av de mest effektive enzymer som er kjent.
Noen metoder lar hydrolyse fortsette. EAWAG -forskere har utviklet en avansert prosess som gjør hydrolysert urin til en konsentrert næringsløsning. For det første, i akvariet, konverterer mikroorganismer flyktig ammoniakk til ikke-flyktig ammoniumnitrat, en vanlig gjødsel. Destilleren konsentrerer deretter væsken. Et datterselskap kalt Vuna, også med base i Dübendorf, jobber for 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 å raskt heve eller senke pH i urinen, som vanligvis er nøytral når det skilles ut. På campus ved University of Michigan samarbeider Love med Nonprofit Earth Abundance Institute i Brattleboro, Vermont, for å utvikle et system for bygninger som fjerner flytende sitronsyre fra avleder toaletter og vannløse toaletter. Vann utbryter fra urinaler. Urinen konsentreres deretter ved gjentatt frysing og tining5.
Et SLU -team ledet av miljøingeniør Bjorn Winneros på øya Gotland utviklet en måte å tørke urin til solid urea blandet med andre næringsstoffer. Teamet evaluerer deres siste prototype, et frittstående toalett med innebygd tørketrommel, ved hovedkvarteret til svensk vann- og kloakkselskap 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 kjemisk ingeniør 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, noe som forårsaker utfelling av en gjødsel som kalles struvitt. Tarpeh eksperimenterer med granuler av adsorbent materiale som selektivt kan fjerne nitrogen som ammoniakk6 eller fosfor som fosfat. Systemet hans bruker en annen væske kalt regenerant som renner gjennom ballongene etter at de har gått tom. Regeneranten tar næringsstoffene og fornyer ballene for neste runde. Dette er en lavteknologisk, passiv metode, men kommersielle regenerater er dårlig for miljøet. Nå prøver teamet hans å lage billigere og mer miljøvennlige produkter (se “fremtidens forurensning”).
Andre forskere utvikler måter å generere strøm ved å plassere urin i mikrobielle brenselceller. I Cape Town, Sør-Afrika, har et annet team utviklet en metode for å lage ukonvensjonelle bygningsmurstein ved å blande urin, sand og urease-produserende bakterier til en form. De forkalker til noen form uten å skyte. Det europeiske romfartsorganet vurderer urinen til astronauter som en ressurs for å bygge bolig på månen.
"Når jeg tenker på den brede fremtiden for gjenvinning av urin og gjenvinning av avløpsvann, ønsker vi å kunne produsere så mange produkter som mulig," sa Tarpeh.
Når forskere forfølger en rekke ideer for commodifying urin, vet de at det er en oppoverbakke kamp, ​​spesielt for en forankret industri. Gjødsel- og matselskaper, bønder, toalettprodusenter og regulatorer har vært trege med å gjøre betydelige endringer i sin praksis. "Det er mye treghet her," sa Simcha.
For eksempel ved University of California, Berkeley, installasjonen av forskning og utdanning av Laufen Save! Det inkluderer utgifter til arkitekter, bygning og overholdelse av kommunale forskrifter - og det er ikke gjort ennå, sa Kevin Ona, en miljømessige ingeniør som nå jobber ved West Virginia University i Morgantown. Han sa at mangelen på eksisterende koder og forskrifter skapte problemer for styring av fasilitetene, så han ble med i gruppen som utviklet nye koder.
En del av tregheten kan skyldes frykt for shoppermotstand, men en undersøkelse fra 2021 av mennesker i 16 land7 fant at på steder som Frankrike, Kina og Uganda, var viljen til å konsumere urinforsterket mat nær 80% (se vil folk spise den? ').
Pam Elardo, som leder avløpsvannadministrasjonen som nestleder for New York City Environmental Protection Agency, sa at hun støtter innovasjoner som urinavledning, da selskapets viktigste mål er å redusere forurensning og resirkulere ressurser ytterligere. Hun regner med at for en by som New York, vil den mest praktiske og kostnadseffektive metoden for å avlede urin være utenfor nettet systemer i ettermontering eller nye bygninger, supplert med vedlikehold og innsamlingsoperasjoner. Hvis innovatører kan løse et problem, "skal de jobbe," sa hun.
Gitt disse fremskrittene, spår Larsen at masseproduksjon og automatisering av urinavledningsteknologi kanskje ikke er langt unna. Dette vil forbedre forretningssaken for denne overgangen til avfallshåndtering. Urinavledning "er riktig teknikk," sa hun. “Dette er den eneste teknologien som kan løse spisespissproblemer på en rimelig tid. Men folk må gjøre seg opp en mening. ”
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.vitenskapen. teknologi. 55, 593–603 (2021).
Sutherland, K. et al. Tømme inntrykk av et avledet toalett. Fase 2: Utgivelse av Ethekwini City UDDT Validation Plan (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.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.).