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高屋建瓴 | Nature專(zhuān)述:回收尿液拯救世界

尿液分離便器,圖片來(lái)自萬(wàn)若環(huán)境編者按:正當國人大張旗鼓倡導并實(shí)施農村污水處理的時(shí)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(tài)勢下。其實(shí),糞尿返田乃我們老祖宗創(chuàng )造的原生態(tài)文明!

尿液分離便器,圖片來(lái)自萬(wàn)若環(huán)境

編者按:正當國人大張旗鼓倡導并實(shí)施農村污水處理的時(shí)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(tài)勢下。其實(shí),糞尿返田乃我們老祖宗創(chuàng )造的原生態(tài)文明!不幸的是,我們正在放棄或撇棄這種古老的原生態(tài)方式。城市現代排水系統木已成舟,推倒重來(lái)的經(jīng)濟代價(jià)太大!但是,處于生態(tài)環(huán)保十字路口的農村污水處理卻可以選擇性保留原生態(tài)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(tài)方式,生態(tài)文明建設將成為空話(huà),因為這是迄今為止所能確認的人類(lèi)對生態(tài)幾乎唯一的貢獻!2022年2月9日英國Nature(自然)雜志發(fā)表了一個(gè)News Feature (新聞特寫(xiě)),就尿液分離與利用全球研究與應用現狀進(jìn)行了專(zhuān)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(guān)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(lái)可以緩解一些棘手的環(huán)境問(wèn)題,但要重塑基本生活方式卻存在著(zhù)很多障礙。

在瑞典最大島嶼哥特蘭島(Gotland)淡水異常稀缺。同時(shí),島上居民正在與來(lái)自農業(yè)和排水系統產(chǎn)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(huì )導致魚(yú)類(lèi)死亡并致人病變。

為有助于解決島內這一系列環(huán)境問(wèn)題,該島將希望已寄托于一種似乎毫無(wú)關(guān)聯(lián)的物質(zhì)之上:人類(lèi)尿液。

從2021年開(kāi)始,一個(gè)研究小組開(kāi)始與當地一家出租移動(dòng)便器的公司合作。目標是在3年內從夏季旅游旺季幾個(gè)旅游點(diǎn)無(wú)水小便池和專(zhuān)用坐便器中收集超過(guò)70 000 L尿液。該團隊來(lái)自位于烏普薩拉(Uppsala)的瑞典農業(yè)科學(xué)大學(xué)(SLU),已成立了一家名為Sanitation 360的公司。采用研究人員研發(fā)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(yè)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(chǎng)釀造啤酒;啤酒被消費后再次形成可以循環(huán)利用的尿液。

SLU化學(xué)工藝工程師與Sanitation 360首席技術(shù)官Prithvi Simha說(shuō),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(shí)踐"。其目的是提供一個(gè)世界上各地區可以效仿的模式。"我們的目標是讓每個(gè)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(méi)有施肥的植物(中)和施有化肥的植物(左)。圖片來(lái)源:Jenna Senecal

尿液分離

島嶼哥特蘭島項目是全世界類(lèi)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(chǎn)品。這種作法被稱(chēng)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(xué)實(shí)驗室的研究范圍。在美國俄勒岡州和荷蘭一些辦公樓,無(wú)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(gè)有1 000位居民的生態(tài)區,以安裝無(wú)水小便器。歐洲航天局將在其巴黎總部安裝80個(gè)尿液分離便器,將于今年晚些時(shí)候開(kāi)始運行。據尿液分離支持者稱(chēng),它可以在臨時(shí)的軍事哨所、難民營(yíng)、富裕城市中心和混亂貧民窟等場(chǎng)所使用。

科學(xué)家們說(shuō),如果在世界各地大規模部署,尿液分離將產(chǎn)生巨大環(huán)境與公共衛生效益。部分原因是尿液中含有豐富的營(yíng)養物質(zhì),這些營(yíng)養物質(zhì)不是去污染水體,而是可以用來(lái)給農作物施肥或用于工業(yè)生產(chǎn)。根據Simha估計,人類(lèi)產(chǎn)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(jiàn)"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(wǎng)的壓力。

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

據該領(lǐng)域專(zhuān)家稱(chēng),因便器和尿液處理策略進(jìn)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(wèn)題,從改進(jìn)尿液分離便器設計,到更容易處理尿液并將其變成有價(jià)值的產(chǎn)品。這可能涉及到連接單個(gè)坐便器的化學(xué)處理系統或服務(wù)于整個(gè)建筑物的地下室設備,并為所產(chǎn)生的濃縮或凝固產(chǎn)品提供收集和維護服務(wù)(見(jiàn)"從小便到產(chǎn)品")。此外,還有更廣泛的社會(huì )變革和接受程度問(wèn)題,這與圍繞人類(lèi)排泄物不同程度文化禁忌和關(guān)于工業(yè)廢水和食品系統根深蒂固的習俗有關(guān)。

美國明尼蘇達州明尼阿波利斯市可持續發(fā)展顧問(wèn)、生物學(xué)家Lynn Broaddus說(shuō),隨著(zhù)人類(lèi)社會(huì )與能源、水以及農業(yè)和工業(yè)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(shí)施人類(lèi)衛生的大尺度重新構想",這將變得越來(lái)越重要。"不可忽略的事實(shí)是,尿液是有價(jià)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(jià)值的資源

混合垃圾

尿液曾經(jīng)是一種有價(jià)值的商品。在過(guò)去,有些社會(huì )用它來(lái)給農作物施肥、鞣制皮革、清洗衣服和生產(chǎn)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(lái)自家庭、工業(yè)來(lái)源的其他液體混合,有時(shí)還與暴雨徑流混合。在集中式處理廠(chǎng),一個(gè)能源密集型的工藝利用微生物來(lái)清潔污水。

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

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

科學(xué)家們正在研究如何使集中式污水處理廠(chǎng)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(kāi)始,一些研究人員開(kāi)始推動(dòng)更加根本的變革。位于美國安阿伯的密歇根大學(xué)環(huán)境工程師Nancy Love說(shuō),管道末端進(jìn)步"只是同樣該死的東西的另一種演變"。她說(shuō),尿液分離將是"變革性的"。在一項模擬美國三個(gè)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(jìn)行了比較,并使用回收的營(yíng)養物質(zhì)來(lái)取代合成肥料。他們預計,根據所使用的技術(shù),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(yíng)養物污染降低64%。

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

位于杜本多夫的瑞士聯(lián)邦水科學(xué)與技術(shù)研究所(Eawag)化學(xué)工程師Tove Larsen說(shuō),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(kāi)始銷(xiāo)售尿液分離便器,大多數沖水便器前面都設有一個(gè)小漏斗來(lái)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(shí)讓尿液析出,或者使用傳感器來(lái)操作閥門(mén),將尿液引導到單獨的出口。

一個(gè)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(jìn)行測試。圖片來(lái)源: EOOS NEXT

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

這些擔憂(yōu)困擾著(zhù)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(gè)項目。德班KwaZulu-Natal大學(xué)研究環(huán)境衛生治理的Anthony Odili說(shuō),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(méi)有便器等基礎設施,也沒(méi)有什么供水服務(wù)。

2000年8月那里爆發(fā)霍亂后,當局迅速推出了幾種符合財政和實(shí)際限制的衛生設施,包括大約80 000個(gè)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(gè)拱頂,自2016年起,市政府每五年清空一次。

Odili說(shuō),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(huì )科學(xué)研究揭示了該計劃的許多問(wèn)題。Odili說(shuō),雖然人們覺(jué)得便器聊勝于無(wú),但研究——包括他參與的一些研究[2]——后來(lái)發(fā)現使用者普遍不喜歡這些便器。許多便器的材質(zhì)很差,使用起來(lái)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(jīng)常和糞便一起進(jìn)入拱頂,造成可怕的惡臭。人們"無(wú)法正常呼吸",Odili說(shuō)。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(shuō),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(gè)決策是自上而下的,沒(méi)有考慮到人們的喜好。2017年一項研究[3]發(fā)現,在德班,超過(guò)95%受訪(fǎng)者渴望使用富裕白人使用的方便、無(wú)味沖水便器——而且許多人打算在條件允許時(shí)安裝這種便器。在南非,便器長(cháng)期以來(lái)一直是種族差異的象征。

然而,一種新的設計可能代表著(zhù)尿液分離的突破。在設計師Harald Gründl帶領(lǐng)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(hù)不再需要定位瞄準,而且尿液分離功能幾乎是隱形的(見(jiàn)"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(zhù)在表面的特點(diǎn)(被稱(chēng)為茶壺效應,因為它就像一個(gè)不方便滴水的茶壺),將尿液從坐便器前部?jì)葌葘胍粋€(gè)單獨孔中(見(jiàn)"如何回收小便")。美國華盛頓州西雅圖Bill & Melinda Gates基金會(huì )為低收入地區便器創(chuàng )新研究提供了強力支持,在該基金會(huì )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(chǎn)品中。總部設在瑞士的制造商LAUFEN已經(jīng)在為歐洲市場(chǎng)生產(chǎn)一種名為"Save!"的產(chǎn)品,盡管它對許多消費者來(lái)說(shuō)成本還太高。

KwaZulu-Natal大學(xué)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(zhì)。這一次,研究更側重于用戶(hù)。Odili樂(lè )觀(guān)地認為,人們會(huì )更喜歡新的尿液分離便器,因為它們聞起來(lái)不臭,而且更容易使用,但他指出,男性將不得不坐下來(lái)小便,這是一個(gè)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(lái)自不同種族群體的人——它真的會(huì )有助于推廣"。他補充說(shuō):"我們必須始終帶著(zhù)種族視角",以確保他們研發(fā)的東西不會(huì )被視為"只為黑人服務(wù)"或"只為窮人服務(wù)"。

尿液用途

分離尿液只是改善環(huán)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(huán)境更棘手——而這正是大多數尿液產(chǎn)生的地方。在整個(gè)城市增加一套單獨的污水管道,將尿液輸送到一個(gè)中心位置是不現實(shí)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(zhuān)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(yíng)養物質(zhì),將水保留。

這并不容易,Larsen說(shuō)。從工程角度來(lái)看,"處理尿液是一種糟糕的解決方案",她說(shuō)。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(zhì)時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)品。尿素本身是有用的:合成尿素是一種常見(jiàn)的氮肥(見(jiàn)"氮需求")。但它也很棘手:當與水結合時(shí),尿素會(huì )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(huì )發(fā)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(gè)被稱(chēng)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(lái)源:FAO

有些方法允許水解進(jìn)行下去。Eawag研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種先進(jìn)工藝,將水解尿液變成濃縮營(yíng)養液。首先,在一個(gè)罐子里,微生物將揮發(fā)性氨轉化為非揮發(fā)性硝酸銨,這是一種常見(jiàn)的肥料。然后,用一個(gè)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(chǎn)品商業(yè)化,該產(chǎn)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(guò)快速提高或降低尿液pH值來(lái)阻止水解反應,因為尿液排出體外時(shí)通常是中性的。在密歇根大學(xué)校園里,Love和位于佛蒙特州Brattleboro非營(yíng)利組織Rich Earth Institute合作,正在為建筑物開(kāi)發(fā)一個(gè)系統,將液體檸檬酸噴入尿液分離坐便器和無(wú)水小便池管道。然后,通過(guò)反復冷凍和解凍來(lái)濃縮尿液[5]

在哥特蘭島做這個(gè)項目的SLU團隊在環(huán)境工程師Bj?rn Vinner?s帶領(lǐng)下,已經(jīng)研究出如何將尿液干燥成與其他營(yíng)養物質(zhì)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(gè)包括內置干燥器的獨立坐便器。

其他方法針對尿液中的個(gè)別營(yíng)養物質(zhì)。化學(xué)工程師William Tarpeh說(shuō),這些方法可以更容易地融入現有肥料和工業(yè)化學(xué)品供應鏈,他曾是Love的博士后,現在在加州的斯坦福大學(xué)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(niǎo)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(chēng)為再生劑,在材料珠用完后流過(guò)它們。再生劑帶走了營(yíng)養物質(zhì),并更新材料珠以進(jìn)行另一輪。這是一種技術(shù)含量低的被動(dòng)方法,但商業(yè)再生劑對環(huán)境有危害。他的團隊現在正試圖制造更便宜、更環(huán)保的再生劑(見(jiàn)"未來(lái)污染")。

資料來(lái)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(fā)通過(guò)將尿液放入微生物燃料電池來(lái)發(fā)電的方法。在南非開(kāi)普敦,另一個(gè)團隊開(kāi)發(fā)了一種方法,通過(guò)將尿液、沙子和產(chǎn)生尿素酶的細菌放在一個(gè)模具中來(lái)制造一種非常規的建筑磚;這些磚無(wú)需燒制就能鈣化成任何形狀。而歐洲航天局正在關(guān)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(shuō):"當我考慮到尿液回收和污水回收大前景時(shí),我們希望能夠制造盡可能多的產(chǎn)品。

"當研究人員迸發(fā)將尿液轉化為商品的一系列想法時(shí),他們知道這是一場(chǎng)艱苦的戰斗,特別是與根深蒂固的行業(yè)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(jìn)展緩慢。Simha說(shuō):"有相當多的惰性"。

例如,在加州大學(xué)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(shí)間,花費超過(guò)50 000美元。環(huán)境工程師Kevin Orner說(shuō),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(xué)工作——而這一切仍未完成。他說(shuō),現有法規缺乏給設施管理帶來(lái)了麻煩,這就是為什么他參加了一個(gè)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(yōu),但2021年對16個(gè)國家人們進(jìn)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(jiàn)"人們會(huì )吃嗎?")。

資料來(lái)源:Ref. 7

作為紐約市環(huán)境保護局的副局長(cháng),領(lǐng)導污水處理局的Pam Elardo說(shuō),她支持尿液分離等創(chuàng )新,因為進(jìn)一步減少污染和回收資源是她所在單位的關(guān)鍵目標。她預計,對于像紐約這樣的城市來(lái)說(shuō),最實(shí)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(wǎng)系統,并由維護和收集業(yè)務(wù)提供支持。她說(shuō),如果創(chuàng )新者能夠解決這個(gè)問(wèn)題,"他們就應該去嘗試"。

鑒于這些進(jìn)展,Larsen預測,尿液分離技術(shù)大規模生產(chǎn)和自動(dòng)化可能指日可待。處理廢物的這種轉變的商業(yè)案例將更加豐富。她說(shuō),尿液分離"是正確的技術(shù)"。"這是唯一能夠在合理時(shí)間內解決家庭尿液中營(yíng)養物質(zhì)問(wèn)題的技術(shù)。但人們必須敢于嘗試"。

參考文獻

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[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(lái)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(wàn)邦,郝曉地,張益寧,李季