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高屋建瓴 | Nature专述:回收尿液拯救世界

尿液分離便器,圖片來自日本职业乙级联赛環境編者按:正當國人大張旗鼓倡導並實施農村汙水處理的時候,國際上正處于尿液分離並加以利用的"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!

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尿液分離便器,圖片來自日本职业乙级联赛環境

编者按:正当国人大张旗鼓倡导并实施农村污水处理的时候,国际上正处于尿液分離并加以利用的"星星之火可以燎原"态势下。其实,粪尿返田乃我们老祖宗创造的原生态文明!不幸的是,我们正在放弃或撇弃这种古老的原生态方式。城市现代排水系统木已成舟,推倒重来的经济代价太大!但是,处于生态环保十字路口的农村污水处理却可以选择性保留原生态农作方式。遗憾的是,我们的选择再次出现失误。如果我们完全撇弃粪尿返田的原生态方式,生态文明建设将成为空话,因为这是迄今为止所能确认的人类对生态几乎唯一的贡献!2022年2月9日英国Nature(自然)杂志发表了一个News Feature (新闻特写),就尿液分離与利用全球研究与应用现状进行了专述。我们将整理后中文稿以公众号方式推出,以引起国人的关注,以免我们在污水处理与利用方面不断步西方国家之后尘。

將尿液從汙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産生的汙染作鬥爭,因爲這些汙染已導致波羅的海附近出現有害藻華現象,這會導致魚類死亡並致人病變。

爲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。

从2021年开始,一个研究小组开始与当地一家出租移动便器的公司合作。目标是在3年内从夏季旅游旺季几个旅游点无水小便池和专用坐便器中收集超过70 000 L尿液。该团队来自位于乌普萨拉(Uppsala)的瑞典农业科学大学(SLU),已成立了一家名为Sanitation 360的公司。采用研究人员研发的工艺,他们正在将尿液干燥成混凝土般的厚片,后将其粉碎为粉状,再压制成适合标准农业设备施用的肥料颗粒。当地农民把这些肥料用于种植大麦,大麦被再用于啤酒厂酿造啤酒;啤酒被消费后再次形成可以循环利用的尿液。

SLU化学工艺工程师与Sanitation 360首席技术官Prithvi Simha说,研究人员的目标是将尿液再利用大规模地"超越概念并付诸实践"。其目的是提供一个世界上各地区可以效仿的模式。"我们的目标是让每个人,在任何地方,都可践行这种做法"。

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岛屿哥特兰岛试验比较了用尿液施肥的大麦(右)与没有施肥的植物(中)和施有化肥的植物(左)。图片来源:Jenna Senecal

尿液分離

岛屿哥特兰岛项目是全世界类似努力的一部分,旨在将尿液与其他污水分离,并将其回收用作肥料等产品。这种作法被称之为尿液源分离,美国、澳大利亚、瑞士、埃塞俄比亚、南非以及其他地方一些团体组织正在研究这种作法,远远超出大学实验室的研究范围。在美国俄勒冈州和荷兰一些办公楼,无水小便池与地下室处理系统相连。在巴黎,计划在该市14区建造一个有1 000位居民的生态区,以安装无水小便器。欧洲航天局将在其巴黎总部安装80个尿液分離便器,将于今年晚些时候开始运行。据尿液分離支持者称,它可以在临时的军事哨所、难民营、富裕城市中心和混乱贫民窟等场所使用。

科学家们说,如果在世界各地大规模部署,尿液分離将产生巨大环境与公共卫生效益。部分原因是尿液中含有丰富的营养物质,这些营养物质不是去污染水体,而是可以用来给农作物施肥或用于工业生产。根据Simha估计,人类产生的尿液足以取代目前全球约1/4的氮肥和磷肥;它还含有钾和许多微量元素(见"尿液中成分")。此外,不将尿液排入下水道还可以节省大量的水,并减轻对老化和超负荷运行的排水管网的压力。

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资料来源:M. Qadir et al. Nat. Resour. Forum 44, 40–51 (2020)

据该领域专家称,因便器和尿液处理策略进步,尿液分離的许多组成部分可能很快就能广泛推广。但要从根本上重新设计基本生活方式也有很大障碍。研究人员和公司需要解决一些问题,从改进尿液分離便器设计,到更容易处理尿液并将其变成有价值的产品。这可能涉及到连接单个坐便器的化学处理系统或服务于整个建筑物的地下室设备,并为所产生的浓缩或凝固产品提供收集和维护服务(见"从小便到产品")。此外,还有更广泛的社会变革和接受程度问题,这与围绕人类排泄物不同程度文化禁忌和关于工业废水和食品系统根深蒂固的习俗有关。

美国明尼苏达州明尼阿波利斯市可持续发展顾问、生物学家Lynn Broaddus说,随着人类社会与能源、水以及农业和工业原材料短缺不断作斗争,尿液分離与再利用是那种"对我们如何实施人类卫生的大尺度重新构想",这将变得越来越重要。"不可忽略的事实是,尿液是有价值的东西"。

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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、清洗衣服和生産火藥。然後,在19世紀末和20世紀初,現代集中式汙水管理模式在英國興起,並蔓延至世界各地,最終導致了所謂的尿盲症。

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,在那裏與來自家庭、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汙水。

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,以及一些其他汙染物。而世界上57%的人口根本沒有連接到集中式汙水處理廠(見"人類汙水")。

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资料来源:C. Tuholske et al. PLoS ONE 16, e0258898 (2021).

科学家们正在研究如何使集中式污水处理厂更具可持续性和更少的污染。但是,从20世纪90年代在瑞典开始,一些研究人员开始推动更加根本的变革。位于美国安阿伯的密歇根大学环境工程师Nancy Love说,管道末端进步"只是同样该死的东西的另一种演变"。她说,尿液分離将是"变革性的"。在一项模拟美国三个州污水管理系统的研究中[1],她和同事们将传统污水系统与假设的尿液分離系统进行了比较,并使用回收的营养物质来取代合成肥料。他们预计,根据所使用的技术,采用尿液分離的社区可以将其整体温室气体排放降低47%,能源消耗降低41%,淡水使用量降低约一半,污水中的营养物污染降低64%。

然而,這個概念仍然是小衆的,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联邦水科学与技术研究所(Eawag)化学工程师Tove Larsen说,很多滞后是便器本身造成的。在20世纪90年代和21世纪初才开始销售尿液分離便器,大多数冲水便器前面都设有一个小漏斗来收集液体——这种设置需要定位瞄准。其他设计结合了脚踏式传送带,可以在将粪便运送到堆肥库时让尿液析出,或者使用传感器来操作阀门,将尿液引导到单独的出口。

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一个能分离尿液并将其烘干成粉末的坐便器原型正在马尔默(Malm?)瑞典公共供水和污水处理公司VA SYD总部进行测试。图片来源: EOOS NEXT

但在歐洲的試驗點和示範項目中,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"。

这些担忧困扰着第一次大规模使用尿液分離便器——21世纪在南非eThekwini市的一个项目。德班KwaZulu-Natal大学研究环境卫生治理的Anthony Odili说,种族隔离后,该市边界突然扩大,导致当局接管了一些贫困农村地区的责任,那里没有便器等基础设施,也没有什么供水服务。

2000年8月那里爆发霍乱后,当局迅速推出了几种符合财政和实际限制的卫生设施,包括大约80 000个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,而粪便则落入一个拱顶,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]——後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,但在德班的坐便器裏,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。

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古老坐便器

Odili说,最终,主要出于公共卫生方面考虑,决定采用尿液分離干式便器,这个决策是自上而下的,没有考虑到人们的喜好。2017年一项研究[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,一种新的设计可能代表着尿液分離的突破。在设计师Harald Gründl带领下,与Larsen等人合作,2017年奥地利设计公司EOOS(此后又分出了EOOS Next公司)推出了尿液收集器。这使用户不再需要定位瞄准,而且尿液分離功能几乎是隐形的(见"一种新的坐便器")。

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一种新型尿液分離坐便器

它利用水容易附着在表面的特点(被称为茶壶效应,因为它就像一个不方便滴水的茶壶),将尿液从坐便器前部内侧导入一个单独孔中(见"如何回收小便")。美国华盛顿州西雅图Bill & Melinda Gates基金会为低收入地区便器创新研究提供了强力支持,在该基金会的资助下,尿液收集器可以安装在从高端陶瓷坐便器到塑料蹲便器所有产品中。总部设在瑞士的制造商LAUFEN已经在为欧洲市场生产一种名为"Save!"的产品,尽管它对许多消费者来说成本还太高。

KwaZulu-Natal大学和eThekwini市政府也一直在测试各种版本"捕尿器"便器,这些便器可以分离尿液并冲走固体物质。这一次,研究更侧重于用户。Odili乐观地认为,人们会更喜欢新的尿液分離便器,因为它们闻起来不臭,而且更容易使用,但他指出,男性将不得不坐下来小便,这是一个巨大的文化转变。但是,如果这种坐便器"在高收入地区也被采用和接受——这里来自不同种族群体的人——它真的会有助于推广"。他补充说:"我们必须始终带着种族视角",以确保他们研发的东西不会被视为"只为黑人服务"或"只为穷人服务"。

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,然後將其返田。世界衛生組織爲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産生的地方。在整個城市增加一套單獨的汙水管道,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築層面上幹燥、濃縮或以其他方式從尿液中提取營養物質,將水保留。

這並不容易,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産生的副産品。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,尿素會轉化爲氨氣,這將使尿液具有特有的氣味。如果不加以控制,氨氣會發臭,汙染空氣,並將寶貴的氮帶走。在廣泛存在的尿素酶的催化下,這個被稱爲尿素水解的反應可以在幾微秒內完成,使尿素酶成爲已知最有效的酶之一[4]

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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,在一個罐子裏,微生物將揮發性氨轉化爲非揮發性硝酸铵,這是一種常見的肥料。然後,用一個蒸餾器將液體濃縮。同樣位于杜本多夫的一家名爲Vuna的衍生公司,正致力于將這種用于建築物和名爲Aurin的産品商業化,該産品在瑞士獲准用于可食用植物——這在世界上尚屬首次。

其他研究人员则试图通过快速提高或降低尿液pH值来阻止水解反应,因为尿液排出体外时通常是中性的。在密歇根大学校园里,Love和位于佛蒙特州Brattleboro非营利组织Rich Earth Institute合作,正在为建筑物开发一个系统,将液体柠檬酸喷入尿液分離坐便器和无水小便池管道。然后,通过反复冷冻和解冻来浓缩尿液[5]

在哥特兰岛做这个项目的SLU团队在环境工程师Bj?rn Vinner?s带领下,已经研究出如何将尿液干燥成与其他营养物质混合的固体尿素。该团队正在马尔默瑞典公共供水和污水处理公司VA SYD总部评估其最新原型,一个包括内置干燥器的独立坐便器。

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其他方法针对尿液中的个别营养物质。化学工程师William Tarpeh说,这些方法可以更容易地融入现有肥料和工业化学品供应链,他曾是Love的博士后,现在在加州的斯坦福大学工作。

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沈澱。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,稱爲再生劑,在材料珠用完後流過它們。再生劑帶走了營養物質,並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"未來汙染")。

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资料来源: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、沙子和産生尿素酶的細菌放在一個模具中來制造一種非常規的建築磚;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,將其作爲在月球上建造棲息地的資源。

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

"當研究人員迸發將尿液轉化爲商品的一系列想法時,他們知道這是一場艱苦的戰鬥,特別是與根深蒂固的行業相比。化肥和食品公司、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,在加州大学伯克利分校,LAUFEN Save!坐便器的研究和教育安装,包括通往楼下储水箱的排水管,出乎意料地花费了近三年时间,花费超过50 000美元。环境工程师Kevin Orner说,这包括建筑师、施工和遵守市政法规的费用,他现在在摩根敦的西弗吉尼亚大学工作——而这一切仍未完成。他说,现有法规缺乏给设施管理带来了麻烦,这就是为什么他参加了一个正在制定新法规的小组。

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、中國和烏幹達等地,人們願意食用尿液施肥的食物,比例接近80%(見"人們會吃嗎?")。

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资料来源:Ref. 7

作为纽约市环境保护局的副局长,领导污水处理局的Pam Elardo说,她支持尿液分離等创新,因为进一步减少污染和回收资源是她所在单位的关键目标。她预计,对于像纽约这样的城市来说,最实用和最具成本效益的尿液分離方法是为翻新或新建建筑提供离网系统,并由维护和收集业务提供支持。她说,如果创新者能够解决这个问题,"他们就应该去尝试"。

鉴于这些进展,Larsen预测,尿液分離技术大规模生产和自动化可能指日可待。处理废物的这种转变的商业案例将更加丰富。她说,尿液分離"是正确的技术"。"这是唯一能够在合理时间内解决家庭尿液中营养物质问题的技术。但人们必须敢于尝试"。

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).原文来源: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,張益甯,李季

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