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    高屋建瓴 | Nature專述:回收尿液拯救世界
    2022.03.04 行業新聞 471

    尿液分離便器,圖片來自萬若環境

    編者按:正當國人大張旗鼓倡導并實施農村污水處理的時候,國際上正處于尿液分離并加以利用的"星星之火可以燎原"態勢下。其實,糞尿返田乃我們老祖宗創造的原生態文明!不幸的是,我們正在放棄或撇棄這種古老的原生態方式。城市現代排水系統木已成舟,推倒重來的經濟代價太大!但是,處于生態環保十字路口的農村污水處理卻可以選擇性保留原生態農作方式。遺憾的是,我們的選擇再次出現失誤。如果我們完全撇棄糞尿返田的原生態方式,生態文明建設將成為空話,因為這是迄今為止所能確認的人類對生態幾乎唯一的貢獻!2022年2月9日英國Nature(自然)雜志發表了一個News Feature (新聞特寫),就尿液分離與利用全球研究與應用現狀進行了專述。我們將整理后中文稿以公眾號方式推出,以引起國人的關注,以免我們在污水處理與利用方面不斷步西方國家之后塵。

    將尿液從污水中分離出來可以緩解一些棘手的環境問題,但要重塑基本生活方式卻存在著很多障礙。

    在瑞典最大島嶼哥特蘭島(Gotland)淡水異常稀缺。同時,島上居民正在與來自農業和排水系統產生的污染作斗爭,因為這些污染已導致波羅的海附近出現有害藻華現象,這會導致魚類死亡并致人病變。

    為有助于解決島內這一系列環境問題,該島將希望已寄托于一種似乎毫無關聯的物質之上:人類尿液。

    從2021年開始,一個研究小組開始與當地一家出租移動便器的公司合作。目標是在3年內從夏季旅游旺季幾個旅游點無水小便池和專用坐便器中收集超過70 000 L尿液。該團隊來自位于烏普薩拉(Uppsala)的瑞典農業科學大學(SLU),已成立了一家名為Sanitation 360的公司。采用研究人員研發的工藝,他們正在將尿液干燥成混凝土般的厚片,后將其粉碎為粉狀,再壓制成適合標準農業設備施用的肥料顆粒。當地農民把這些肥料用于種植大麥,大麥被再用于啤酒廠釀造啤酒;啤酒被消費后再次形成可以循環利用的尿液。

    SLU化學工藝工程師與Sanitation 360首席技術官Prithvi Simha說,研究人員的目標是將尿液再利用大規模地"超越概念并付諸實踐"。其目的是提供一個世界上各地區可以效仿的模式。"我們的目標是讓每個人,在任何地方,都可踐行這種做法"。

    島嶼哥特蘭島試驗比較了用尿液施肥的大麥(右)與沒有施肥的植物(中)和施有化肥的植物(左)。圖片來源:Jenna Senecal

    尿液分離

    島嶼哥特蘭島項目是全世界類似努力的一部分,旨在將尿液與其他污水分離,并將其回收用作肥料等產品。這種作法被稱之為尿液源分離,美國、澳大利亞、瑞士、埃塞俄比亞、南非以及其他地方一些團體組織正在研究這種作法,遠遠超出大學實驗室的研究范圍。在美國俄勒岡州和荷蘭一些辦公樓,無水小便池與地下室處理系統相連。在巴黎,計劃在該市14區建造一個有1 000位居民的生態區,以安裝無水小便器。歐洲航天局將在其巴黎總部安裝80個尿液分離便器,將于今年晚些時候開始運行。據尿液分離支持者稱,它可以在臨時的軍事哨所、難民營、富裕城市中心和混亂貧民窟等場所使用。

    科學家們說,如果在世界各地大規模部署,尿液分離將產生巨大環境與公共衛生效益。部分原因是尿液中含有豐富的營養物質,這些營養物質不是去污染水體,而是可以用來給農作物施肥或用于工業生產。根據Simha估計,人類產生的尿液足以取代目前全球約1/4的氮肥和磷肥;它還含有鉀和許多微量元素(見"尿液中成分")。此外,不將尿液排入下水道還可以節省大量的水,并減輕對老化和超負荷運行的排水管網的壓力。

    資料來源:M. Qadir et al. Nat. Resour. Forum 44, 40–51 (2020)

    據該領域專家稱,因便器和尿液處理策略進步,尿液分離的許多組成部分可能很快就能廣泛推廣。但要從根本上重新設計基本生活方式也有很大障礙。研究人員和公司需要解決一些問題,從改進尿液分離便器設計,到更容易處理尿液并將其變成有價值的產品。這可能涉及到連接單個坐便器的化學處理系統或服務于整個建筑物的地下室設備,并為所產生的濃縮或凝固產品提供收集和維護服務(見"從小便到產品")。此外,還有更廣泛的社會變革和接受程度問題,這與圍繞人類排泄物不同程度文化禁忌和關于工業廢水和食品系統根深蒂固的習俗有關。

    美國明尼蘇達州明尼阿波利斯市可持續發展顧問、生物學家Lynn Broaddus說,隨著人類社會與能源、水以及農業和工業原材料短缺不斷作斗爭,尿液分離與再利用是那種"對我們如何實施人類衛生的大尺度重新構想",這將變得越來越重要。"不可忽略的事實是,尿液是有價值的東西"。

    研究人員正在探索多種方法,將尿液變成肥料等有價值的資源

    混合垃圾

    尿液曾經是一種有價值的商品。在過去,有些社會用它來給農作物施肥、鞣制皮革、清洗衣服和生產火藥。然后,在19世紀末和20世紀初,現代集中式污水管理模式在英國興起,并蔓延至世界各地,最終導致了所謂的尿盲癥。

    在這種模式下,沖水便器使用水快速將尿液、糞便和衛生紙沖入下水道,在那里與來自家庭、工業來源的其他液體混合,有時還與暴雨徑流混合。在集中式處理廠,一個能源密集型的工藝利用微生物來清潔污水。

    根據當地法規和處理廠條件,從這個工藝中排出的出水仍可能含有大量氮和其他營養物質,以及一些其他污染物。而世界上57%的人口根本沒有連接到集中式污水處理廠(見"人類污水")。

    資料來源:C. Tuholske et al. PLoS ONE 16, e0258898 (2021).

    科學家們正在研究如何使集中式污水處理廠更具可持續性和更少的污染。但是,從20世紀90年代在瑞典開始,一些研究人員開始推動更加根本的變革。位于美國安阿伯的密歇根大學環境工程師Nancy Love說,管道末端進步"只是同樣該死的東西的另一種演變"。她說,尿液分離將是"變革性的"。在一項模擬美國三個州污水管理系統的研究中[1],她和同事們將傳統污水系統與假設的尿液分離系統進行了比較,并使用回收的營養物質來取代合成肥料。他們預計,根據所使用的技術,采用尿液分離的社區可以將其整體溫室氣體排放降低47%,能源消耗降低41%,淡水使用量降低約一半,污水中的營養物污染降低64%。

    然而,這個概念仍然是小眾的,大多局限于離網(未規劃入自來水網)地區,如,北歐的生態村、農村的便器和低收入地區的發展項目。

    位于杜本多夫的瑞士聯邦水科學與技術研究所(Eawag)化學工程師Tove Larsen說,很多滯后是便器本身造成的。在20世紀90年代和21世紀初才開始銷售尿液分離便器,大多數沖水便器前面都設有一個小漏斗來收集液體——這種設置需要定位瞄準。其他設計結合了腳踏式傳送帶,可以在將糞便運送到堆肥庫時讓尿液析出,或者使用傳感器來操作閥門,將尿液引導到單獨的出口。

    一個能分離尿液并將其烘干成粉末的坐便器原型正在馬爾默(Malm?)瑞典公共供水和污水處理公司VA SYD總部進行測試。圖片來源: EOOS NEXT

    但在歐洲的試驗點和示范項目中,人們不能接受使用它們,Larsen說,人們抱怨它們太笨重、太臭和不可靠。"我們真的被這個坐便器的話題所阻擋"。

    這些擔憂困擾著第一次大規模使用尿液分離便器——21世紀在南非eThekwini市的一個項目。德班KwaZulu-Natal大學研究環境衛生治理的Anthony Odili說,種族隔離后,該市邊界突然擴大,導致當局接管了一些貧困農村地區的責任,那里沒有便器等基礎設施,也沒有什么供水服務。

    2000年8月那里爆發霍亂后,當局迅速推出了幾種符合財政和實際限制的衛生設施,包括大約80 000個尿液分離干式坐便器,其中,大部分至今仍在使用。尿液在坐便器下方排入土壤,而糞便則落入一個拱頂,自2016年起,市政府每五年清空一次。

    Odili說,該項目成功地在該地區建立了更安全的衛生設施。然而,社會科學研究揭示了該計劃的許多問題。Odili說,雖然人們覺得便器聊勝于無,但研究——包括他參與的一些研究[2]——后來發現使用者普遍不喜歡這些便器。許多便器的材質很差,使用起來很不方便。盡管從理論上講,這樣便器應該能夠防止惡臭,但在德班的坐便器里,尿液經常和糞便一起進入拱頂,造成可怕的惡臭。人們"無法正常呼吸",Odili說。更重要的是,這些尿液在很大程度上仍未被利用。

    古老坐便器

    Odili說,最終,主要出于公共衛生方面考慮,決定采用尿液分離干式便器,這個決策是自上而下的,沒有考慮到人們的喜好。2017年一項研究[3]發現,在德班,超過95%受訪者渴望使用富裕白人使用的方便、無味沖水便器——而且許多人打算在條件允許時安裝這種便器。在南非,便器長期以來一直是種族差異的象征。

    然而,一種新的設計可能代表著尿液分離的突破。在設計師Harald Gründl帶領下,與Larsen等人合作,2017年奧地利設計公司EOOS(此后又分出了EOOS Next公司)推出了尿液收集器。這使用戶不再需要定位瞄準,而且尿液分離功能幾乎是隱形的(見"一種新的坐便器")。

    一種新型尿液分離坐便器

    它利用水容易附著在表面的特點(被稱為茶壺效應,因為它就像一個不方便滴水的茶壺),將尿液從坐便器前部內側導入一個單獨孔中(見"如何回收小便")。美國華盛頓州西雅圖Bill & Melinda Gates基金會為低收入地區便器創新研究提供了強力支持,在該基金會的資助下,尿液收集器可以安裝在從高端陶瓷坐便器到塑料蹲便器所有產品中??偛吭O在瑞士的制造商LAUFEN已經在為歐洲市場生產一種名為"Save!"的產品,盡管它對許多消費者來說成本還太高。

    KwaZulu-Natal大學和eThekwini市政府也一直在測試各種版本"捕尿器"便器,這些便器可以分離尿液并沖走固體物質。這一次,研究更側重于用戶。Odili樂觀地認為,人們會更喜歡新的尿液分離便器,因為它們聞起來不臭,而且更容易使用,但他指出,男性將不得不坐下來小便,這是一個巨大的文化轉變。但是,如果這種坐便器"在高收入地區也被采用和接受——這里來自不同種族群體的人——它真的會有助于推廣"。他補充說:"我們必須始終帶著種族視角",以確保他們研發的東西不會被視為"只為黑人服務"或"只為窮人服務"。

    尿液用途

    分離尿液只是改善環境衛生的第一步。下一步是研究如何處理它。在農村地區,人們可以將其儲存在大桶中,以殺死任何病原體,然后將其返田。世界衛生組織為這種做法提供了指導方針。

    但城市環境更棘手——而這正是大多數尿液產生的地方。在整個城市增加一套單獨的污水管道,將尿液輸送到一個中心位置是不現實的。而且,由于尿液中大約95%是水,它的儲存和運輸成本太高。因此,研究人員正專注于在便器或建筑層面上干燥、濃縮或以其他方式從尿液中提取營養物質,將水保留。

    這并不容易,Larsen說。從工程角度來看,"處理尿液是一種糟糕的解決方案",她說。除了水之外,最大部分是尿素,這是一種富含氮的化合物,是人體在代謝蛋白質時產生的副產品。尿素本身是有用的:合成尿素是一種常見的氮肥(見"氮需求")。但它也很棘手:當與水結合時,尿素會轉化為氨氣,這將使尿液具有特有的氣味。如果不加以控制,氨氣會發臭,污染空氣,并將寶貴的氮帶走。在廣泛存在的尿素酶的催化下,這個被稱為尿素水解的反應可以在幾微秒內完成,使尿素酶成為已知最有效的酶之一[4]

    資料來源:FAO

    有些方法允許水解進行下去。Eawag研究人員已經開發出一種先進工藝,將水解尿液變成濃縮營養液。首先,在一個罐子里,微生物將揮發性氨轉化為非揮發性硝酸銨,這是一種常見的肥料。然后,用一個蒸餾器將液體濃縮。同樣位于杜本多夫的一家名為Vuna的衍生公司,正致力于將這種用于建筑物和名為Aurin的產品商業化,該產品在瑞士獲準用于可食用植物——這在世界上尚屬首次。

    其他研究人員則試圖通過快速提高或降低尿液pH值來阻止水解反應,因為尿液排出體外時通常是中性的。在密歇根大學校園里,Love和位于佛蒙特州Brattleboro非營利組織Rich Earth Institute合作,正在為建筑物開發一個系統,將液體檸檬酸噴入尿液分離坐便器和無水小便池管道。然后,通過反復冷凍和解凍來濃縮尿液[5]。

    在哥特蘭島做這個項目的SLU團隊在環境工程師Bj?rn Vinner?s帶領下,已經研究出如何將尿液干燥成與其他營養物質混合的固體尿素。該團隊正在馬爾默瑞典公共供水和污水處理公司VA SYD總部評估其最新原型,一個包括內置干燥器的獨立坐便器。

    其他方法針對尿液中的個別營養物質?;瘜W工程師William Tarpeh說,這些方法可以更容易地融入現有肥料和工業化學品供應鏈,他曾是Love的博士后,現在在加州的斯坦福大學工作。

    從水解尿液中回收磷一種行之有效的方法是添加鎂,將導致一種叫做鳥糞石的肥料沉淀。而Tarpeh正在試驗使用吸附材料珠,這些材料珠可以選擇性提取氨[6]形式的氮或磷酸鹽形式的磷。他的系統使用另一種液體,稱為再生劑,在材料珠用完后流過它們。再生劑帶走了營養物質,并更新材料珠以進行另一輪。這是一種技術含量低的被動方法,但商業再生劑對環境有危害。他的團隊現在正試圖制造更便宜、更環保的再生劑(見"未來污染")。

    資料來源:P. J. T. M. van Puijenbroeket al. J. Environ. Mgmt 231, 446–456 (2019)

    其他研究人員正在研發通過將尿液放入微生物燃料電池來發電的方法。在南非開普敦,另一個團隊開發了一種方法,通過將尿液、沙子和產生尿素酶的細菌放在一個模具中來制造一種非常規的建筑磚;這些磚無需燒制就能鈣化成任何形狀。而歐洲航天局正在關注宇航員的尿液,將其作為在月球上建造棲息地的資源。

    Tarpeh說:"當我考慮到尿液回收和污水回收大前景時,我們希望能夠制造盡可能多的產品。

    "當研究人員迸發將尿液轉化為商品的一系列想法時,他們知道這是一場艱苦的戰斗,特別是與根深蒂固的行業相比?;屎褪称饭?、農民、便器制造商和監管機構在對他們的作法做出重大改變方面進展緩慢。Simha說:"有相當多的惰性"。

    例如,在加州大學伯克利分校,LAUFEN Save!坐便器的研究和教育安裝,包括通往樓下儲水箱的排水管,出乎意料地花費了近三年時間,花費超過50 000美元。環境工程師Kevin Orner說,這包括建筑師、施工和遵守市政法規的費用,他現在在摩根敦的西弗吉尼亞大學工作——而這一切仍未完成。他說,現有法規缺乏給設施管理帶來了麻煩,這就是為什么他參加了一個正在制定新法規的小組。

    這種惰性在一定程度上可能是出于對顧客抵制的擔憂,但2021年對16個國家人們進行的調查[7]表明,在法國、中國和烏干達等地,人們愿意食用尿液施肥的食物,比例接近80%(見"人們會吃嗎?")。

    資料來源:Ref. 7

    作為紐約市環境保護局的副局長,領導污水處理局的Pam Elardo說,她支持尿液分離等創新,因為進一步減少污染和回收資源是她所在單位的關鍵目標。她預計,對于像紐約這樣的城市來說,最實用和最具成本效益的尿液分離方法是為翻新或新建建筑提供離網系統,并由維護和收集業務提供支持。她說,如果創新者能夠解決這個問題,"他們就應該去嘗試"。

    鑒于這些進展,Larsen預測,尿液分離技術大規模生產和自動化可能指日可待。處理廢物的這種轉變的商業案例將更加豐富。她說,尿液分離"是正確的技術"。"這是唯一能夠在合理時間內解決家庭尿液中營養物質問題的技術。但人們必須敢于嘗試"。

    參考文獻

    [1]Hilton, S. P., Keoleian, G. A., Daigger, G. T., Zhou, B. & Love, N. G. Environ. Sci. Technol. 55, 593–603 (2021).

    [2]Sutherland, C. et al. Perceptions on Emptying of Urine Diverting Dehydration Toilets. Phase 2: Post eThekwini Municipality UDDT Emptying Programme (Univ. KwaZulu-Natal, 2018).

    [3]Mkhize, N., Taylor, M., Udert, K. M., Gounden, T. G. & Buckley, C. A. J. Water Sanit. Hyg. Dev. 7, 111–120 (2017).

    [4]Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew. Chem. Int. Edn Engl. 58, 7415–7419 (2019).

    [5]Noe-Hays, A., Homeyer, R. J., Davis, A. P. & Love, N. G. ACS EST Engg.https://doi.org/10.1021/acsestengg.1c00271 (2021).

    [6]Clark, B. & Tarpeh, W. A. Chem. Eur. J. 26, 10099–10112 (2020).

    [7]Simha, P. et al. Sci. Total Environ. 765, 144438 (2021).原文來源:Nature 602, 202-206 (2022)doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-00338-6

    原文鏈接:https://www.nature.com/articles/d41586-022-00338-6

    本期編輯:楊萬邦,郝曉地,張益寧,李季


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