Отделение мочи от остальных сточных вод могло бы смягчить некоторые серьезные экологические проблемы

Капля воды отражающая дерево. Символизирует бережное отношение к природе

Специализированные туалетные системы извлекают азот и другие питательные вещества из мочи для использования в качестве удобрений и других продуктов.

На Готланде, самом большом острове Швеции, пресной воды мало. Местные жители борются с опасными объемами загрязнения от сельского хозяйства и канализационных систем, которые вызывают вредоносное цветение водорослей, что пагубно влияет на экосистему в акватории Балтийского моря и наносит вред здоровью.

Чтобы решить набор этих экологических проблем, остров возлагает надежды на единственное, казалось бы, маловероятное вещество, которое их связывает: человеческую мочу.

Начиная с 2021 года группа исследователей начала сотрудничать с местной компанией, которая сдает в аренду переносные туалеты. Цель в том, чтобы собрать более 70000 литров «продукта» за 3 года из безводных писсуаров и специализированных туалетов в нескольких местах во время бума летнего туристического сезона. Команда из Шведского университета сельскохозяйственных наук (SLU) в Упсале, создала для этих целей компанию Sanitation360. Используя процесс, разработанный исследователями, они высушивают мочу, затем измельчают в порошок и прессуют в гранулы удобрений, стандартизованные под сельскохозяйственное оборудование. Местный фермер использует удобрение для выращивания ячменя, который пойдет на пивоварню для производства эля, который после употребления, вероятно снова пойдет в цикл.

По словам Притхви Симхи, инженера-химика из выше указанного университета и по совместительству главного технолога Sanitation360, цель состоит в том, чтобы вывести повторное использование мочи «за пределы концепции» и использовать практику повсеместно.

Испытание ячменного удобрения на Готланде, Швеция.

В эксперименте на Готланде сравнивали ячмень, удобренный мочой (справа), с этим же злаком, выращенным без удобрений (в центре) и с ячменём выращенным с добавлением в почву минеральных удобрений (слева). Фото: Дженна Сенекал

На самом деле Готландский проект является частью волны аналогичных усилий по всему миру, направленных на отделение мочи от остальных сточных вод и ее переработку в такие продукты, как удобрения. Эта практика изучается в США, Австралии, Швейцарии, Эфиопии, Южной Африке и других странах. Усилия выходят далеко за пределы университетских лабораторий. Безводные писсуары подключаются к подвальным очистным системам в офисах в Орегоне и Нидерландах. В Париже планируется установить эко-туалеты в новом квартале на 1000 жителей, в 14-м районе города. Европейское космическое агентство должно установить 80 туалетов с отведением мочи в своей парижской штаб-квартире, которая начнет работать в конце этого года. По словам сторонников проекта, он может найти применение в местах от временных военных аванпостов до лагерей беженцев, богатых городских центров и вездесущих трущоб.

Ученые говорят, что новый подход будет иметь огромные преимущества для окружающей среды и общественного здравоохранения, если будет развернуто в больших масштабах по всему миру. Отчасти это связано с тем, что она богата питательными веществами, которые вместо загрязнения водоемов могут использоваться для удобрения сельскохозяйственных культур или для промышленных процессов. По оценкам Притхви Симхи, люди «производят» достаточно биологической жидкости, чтобы заменить около четверти использующихся сегодня азотных и фосфорных удобрений во всем мире. Продукт жизнедеятельности человека также содержит калий и многие микроэлементы. Вдобавок ко всему, отказ от смывания её в канализацию может сэкономить огромное количество воды и частично снизить нагрузку на стареющие и перегруженные канализационные системы.

Что содержится в моче? Диаграмма, показывающая высокий спрос и потенциальный доход от городских отходов.

По мнению экспертов, благодаря достижениям в области биотуалетов, многие компоненты отвода мочи вскоре могут быть готовы к широкому внедрению. Но существуют также серьезные препятствия на пути радикальной перестройки одного из самых основных аспектов нашей жизни. Исследователям и компаниям необходимо решить ряд проблем, начиная с улучшения конструкции туалетов, и заканчивая упрощением обработки мочи и превращением ее в ценные компоненты для последующего применения. Это может включать системы химической обработки, подключенные к отдельным туалетам или подвальным устройствам, которые обслуживают целые здания в процессе получение концентрированного или затвердевшего биопродукта (смотрите схему ниже). Затем возникают более широкие вопросы социальных изменений и устоев, связанные как с различными уровнями культурных табу, касающихся отходов жизнедеятельности человека, так и с глубоко укоренившимися нормами в области промышленных сточных вод и пищевых систем.

Отвод и повторное использование мочи — это радикальное переосмысления вопроса санитарии, который будет приобретать все большее значение по мере того, как общества будут бороться с нехваткой энергии, воды и сырья для сельского хозяйства и промышленности, говорит биолог Линн Броддус, консультант по устойчивому развитию в Миннеаполисе, штат Миннесота, бывший президент Федерации водной среды в Александрии, штат Вирджиния.

Как можно использовать переработанную мочу?

От мочи к продуктам. 4 диаграммы, показывающие, как моча может быть переработана.

Сегодняшний принцип отведения продуктов жизнедеятельности

В прошлом моча была ценным товаром. Некоторые общества использовали её для удобрения сельскохозяйственных культур, дубления кожи, стирки одежды. Затем, в конце девятнадцатого и начале двадцатого века, в Англии возникла и распространилась по всему миру, современная модель централизованного управления сточными водами, что в конечном итоге привело к так называемой «слепоте к моче».

В этой модели, собственно хорошо нам известной, туалеты используют воду для быстрой отправки продуктов жизнедеятельности и туалетной бумаги в канализацию, где они смешиваются с другими жидкостями из домашних хозяйств, промышленных источников и иногда ливневых стоков. На централизованных очистных сооружениях энергоемкий процесс использует микробы для очистки сточных вод.

В зависимости от местных правил и состояния очистных сооружений сточные воды, сбрасываемые в результате технологического процесса, все еще могут содержать много азота, полезных веществ и наоборот весьма губительных для экологии компонентов. А 57% населения земного шара вообще не подключено к централизованным системам канализации.

Ученые работают над тем, чтобы сделать централизованные системы более устойчивыми и менее загрязняющими окружающую среду, но начиная со Швеции в 1990-х годах, некоторые исследователи стали настаивать на более фундаментальных изменениях. Усовершенствование технологии очистки в конце трубы — это «просто еще одна эволюция той же штуки», — говорит Нэнси Лав, инженер-эколог из Мичиганского университета в Анн-Арборе. По ее словам, локальная переработка продуктов жизнедеятельности, была бы преобразованием всей системы. В исследовании (1), которое смоделировало системы управления сточными водами в трех штатах США, она и ее коллеги сравнили обычные системы очистки сточных вод с гипотетическими, которые отводят мочу и используют извлеченные питательные вещества для замены синтетических удобрений. Ученые спрогнозировали, что общества использующий новый подход, могут снизить общие выбросы парниковых газов на 47%, потребление энергии на 41%, потребление пресной воды примерно наполовину и загрязнение питательными веществами из сточных вод на 64%, в зависимости от используемых технологий очистки.

Тем не менее, эта концепция остается нишевой, в основном ограничиваясь автономными районами, внедряясь как эко-деревни в Северной Европе, сельские надворные конструкции и проекты развития в условиях с низким доходом.

По словам Туве Ларсена, инженера-химика из Швейцарского федерального института водных наук и технологий (Eawag) в Дюбендорфе, причиной отставания во многом являются сами туалеты. Большинство унитазов с отдельным отведением мочи продаваемые в 90-х и 2000-х годах имеют небольшой резервуар спереди для сбора жидкости — установка, требующая «тщательного прицеливания». Другие конструкции включают устройства с ножным приводом, которые позволяют жидкости течь в ином направлении при перемещении твердых продуктов в отдельное хранилище для компостирования. Или модели унитазов с датчиками, управляющими клапанами для направления жидкого продукта жизнедеятельности в отдельные каналы. Ларсен говорит, что они слишком громоздки, ненадежны и зачастую неприятно пахнут.

Локальная система переработки мочи

Прототип туалета, который отделяет мочу и высушивает ее в порошок, проходит испытания в головном офисе VA SYD, шведской коммунальной службы водоснабжения и водоотведения, в Мальмё.

Эти проблемы преследовали первое крупномасштабное использование туалетов с системой отвода жидкости, производимой человеком — проект в 2000-х годах в Этеквини, Южная Африка. После апартеида, границы муниципалитета расширились, в результате чего власти взяли на себя ответственность за некоторые бедные сельские районы, где не было надлежащей инфраструктуры сточных и фекальных вод и было плохое водоснабжение, говорит Энтони Одили, исследователь управления санитарией в Университете Квазулу-Натал в Дурбане.

После вспышки холеры в августе 2000 года власти быстро внедрили несколько типов инфраструктурных решений, которые соответствовали финансовым и другим на тот момент нормам, в том числе около 80000 сухих туалетов с отдельным отводом жидкого биологического продукта, большинство из которых используются до сих пор. Жидкий продукт жизнедеятельности стекает ниже унитаза в почву, а твердые отходы, попадают в хранилище, которое с 2016 года муниципалитет опорожняет каждые пять лет.

По словам Одили, проект по созданию более безопасных санитарных условий в регионе был успешным. Однако социологические исследования выявили множество проблем. Хотя люди считали, что туалеты лучше, чем ничего, говорит Одили, исследования, в том числе и те, в которых он принимал участие (2), позже показали, что местным жителям в целом они не нравились. В большинстве из них использовались некачественных материалы, а сами унитазы были не удобны в использовании. Хотя теоретически такие туалеты должны предотвращать неприятные запахи, всё было наоборот. По словам Одили, люди «не могли нормально дышать». Более того, моча практически не использовалась.

В конечном счете, решение использовать сухие туалеты с отведением мочи, в основном продиктованное соображениями общественного здравоохранения, было принято сверху и не учитывало предпочтения людей, говорит Одили. Исследование, проведенное в 2017 году (3), показало, что более 95% населения в городском округе Этеквини предпочли бы туалет со смывом, которыми пользуются более состоятельные белые люди в городе, и что многие намерены установить их, когда позволят обстоятельства. В Южной Африке туалеты долгое время служили символом расового неравенства.

Однако новый подход может стать прорывом в этой области. В 2017 году под руководством дизайнера Харальда Грюндла и в сотрудничестве с Ларсеном и другими, австрийская дизайнерская фирма EOOS представила конструкторское решение для отвода мочи. В нём нет необходимости задумываться, что куда должно попасть, а функция отвода практически незаметна.

Новая конструкция туалета с отдельным отведением мочи

Ключом к извлечению питательных веществ из мочи является отделение ее от остальной части потока продуктов жизнедеятельности. Системы разделяются на два типа: первые обрабатывают мочу и фекалии локально, вторые подключаются к более крупным системам канализации. В конструкции ловушки для мочи австрийской фирмы EOOS, последняя стекает по передней части чаши в отдельную трубу.

Новое решение использует способность воды притягиваться к поверхностям (известную как эффект чайника, так как всегда нужно стараться, чтобы вся жидкость попала в кружку, а не текла так, как ей этого хотелось бы), чтобы направить мочу вниз по передней внутренней стороне унитаза в отдельное отверстие. Разработанная при финансовой поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс в Сиэтле, штат Вашингтон, который поддержал широкий спектр исследований инноваций в области туалетов для малообеспеченных семей, ловушка для жидкости может быть встроена во все модели, от дорогих с керамическими пьедесталами, до пластиковых походных вариантов.

Университет Квазулу-Наталь и муниципалитет Этеквини также тестируют версии туалетов с ловушками для мочи, которые отводят её отдельно, а смывают только вторую часть продуктов жизнедеятельности. На этот раз исследование больше сосредоточено на пользователе устройством. Одили надеется, что люди предпочтут новые туалеты с отводом жидкости, потому что они лучше пахнут и ими проще пользоваться, но он отмечает, что мужчинам придется садиться, чтобы сходить по маленькому, что является большим культурным сдвигом.

Использование мочи в промышленных масштабах

Отделение мочи — это только первый шаг к преобразованию всей системы. Следующая часть — решить, что с этим делать. В сельской местности люди могли бы хранить её в ёмкостях, чтобы избавится от любых патогенов, а затем применять как удобрение на полях. Всемирная организация здравоохранения дает рекомендации по этой практике.

Но городские условия сложнее, а именно там производится большая часть продукта жизнедеятельности. Нецелесообразно добавлять отдельный набор канализационных труб по всему городу для перемещения биологической жидкости в какое-то место. А поскольку она примерно на 95% состоит из воды, ее хранение и транспортировка слишком дороги. Поэтому исследователи сосредоточены на выпаривание, концентрировании или ином извлечении питательных веществ из мочи на уровне туалета или здания.

Это непросто, говорит Ларсен. С инженерной точки зрения, моча — не обычный продукт, где можно обойтись тривиальным подходом, — говорит она. Помимо воды, наибольшую часть составляет мочевина, богатое азотом соединение, которое организм вырабатывает как побочный продукт метаболизма белков. Мочевина полезна сама по себе: синтетическая версия является обычным азотным удобрением. Но в сочетании с водой мочевина превращается в газообразный аммиак, который придаёт моче ее характерный запах. Если реакцию не сдерживать, аммиак загрязняет воздух, забирая с собой ценный азот. Катализируемая широко распространенным ферментом уреазой, эта реакция, называемая гидролизом мочевины, может занять микросекунды, что делает уреазу одним из наиболее эффективных известных ферментов (4).

Как используют азот в сельском хозяйстве?

Потребность в азоте. Диаграмма, показывающая увеличение использования удобрений в сельском хозяйстве.

Некоторые подходы позволяют проводить гидролиз In vitro (биологический процесс воссозданный вне организма). Исследователи из Eawag разработали усовершенствованный процесс превращения гидролизованной мочи в концентрированный питательный раствор. Во-первых, в резервуаре микроорганизмы превращают летучий аммиак в нелетучий нитрат аммония, который является обычным удобрением. Затем дистиллятор концентрирует жидкость. Дочерняя компания под названием Vuna, также расположенная в Дюбендорфе, работает над коммерциализацией, как системы для использования в зданиях, так и конечного продукта под названием Aurin, который впервые в мире был одобрен в Швейцарии для использования при выращивании съедобных растений.

Другие пытаются остановить реакцию гидролиза, быстро повышая или понижая рН мочи, которая обычно бывает нейтральной при выходе из организма. В кампусе Мичиганского университета Нэнси Лав совместно с некоммерческим институтом «Богатой Земли» в Брэттлборо, штат Вермонт, разрабатывает систему для зданий, которая подаёт жидкую лимонную кислоту в трубы туалета с отводом жидкого продукта жизнедеятельности и безводного писсуара. Затем продукт концентрируется путем многократного замораживания и оттаивания (5).

Ученые из Шведского университета сельскохозяйственных наук, выполняющая проект на острове Готланд, во главе с инженером-экологом Бьорном Виннеросом, разработала способ высушивания мочи в твердую мочевину, смешанную с другими питательными веществами. Они тестируют свой последний прототип, автономный туалет со встроенной «сушилкой», в головном офисе шведской коммунальной службы водоснабжения и водоотведения VA SYD в Мальмё.

Другие методы нацелены на отделение питательных веществ из мочи. По словам инженера-химика Уильяма Тарпе, бывшего постдока Нэнси Лав, работающего в Стэнфордском университете в Калифорнии, при осуществлении перехода на новую систему им будет легко встроиться в существующие цепочки поставок удобрений и промышленных химикатов.

Одним из хорошо зарекомендовавших себя способов извлечения фосфора из гидролизованной мочи, является добавление магния, который вызывает осаждение струвита, фосфатного минерала. И Тарпе экспериментирует с гранулами адсорбционных веществ, которые избирательно извлекают азот в форме безводного аммиака (6) или фосфор в виде фосфата. В его системе используется другая жидкость, называемая регенерантом, которая омывает гранулы после того, как они израсходованы. Регенерант уносит питательные вещества и обновляет капсулы для следующего цикла. Это низкотехнологичный пассивный метод, но коммерческие регенеранты наносят ущерб окружающей среде. Сейчас его команда пытается сделать их более дешевыми и экологически безопасными.

Загрязнение фосфором окружающей среды

Будущее загрязнение. Диаграммы, показывающие смоделированное загрязнение азотом и фосфором до 2050 года.

Другие исследователи разрабатывают способы производства электричества, помещая мочу в микробные топливные элементы. В Кейптауне, другая команда разработала метод изготовления строительного кирпича путем смешивания биологической жидкости, песка и бактерий, продуцирующих уреазу. Соединение кальцинируются в любую форму без необходимости обжига. А Европейское космическое агентство присматривается к моче астронавтов как к ресурсу для строительства жилья на Луне.

Поскольку исследователи разрабатывают множество идей, в которых продукт жизнедеятельности трансформируется в товар, все понимают, что это сложная задача. Компании по производству удобрений и продуктов питания, фермеры, производители туалетов и регулирующие органы не спешат вносить кардинальные изменения в свою практику. Здесь довольно много инерции, — говорит Симха.

В Калифорнийском университете в Беркли, например, установка научно-образовательной системы Лауфен — туалет, включая коммуникации к накопительному баку этажом ниже, неожиданно заняла почти три года и обошлась более 50000 долларов США. «Это включает в себя плату за архитекторов, изготовление, монтаж с соблюдением муниципальных норм», — говорит инженер-эколог Кевин Орнер, который сейчас работает в Университете Западной Вирджинии в Моргантауне. И проект еще не сдан. По его словам, отсутствие в существующих нормативных актах правил, вызвало проблемы, поэтому он входит в группу, разрабатывающую новые нормы.

Отношение людей к переработанной моче (опрос)

Некоторая инерция может быть связана с опасениями по поводу потребительского спроса, но опрос людей в 2021 году в 16 странах (7) показал, что готовность людей использовать конечный продукт в качестве удобрения, приближается к 80% в таких местах, как Франция, Китай и Уганда.

Диаграмма, показывающая, как использование продукта, производного от мочи, воспринимается во всем мире.

Пэм Элардо, возглавляющая Бюро по очистке сточных вод в качестве заместителя комиссара Департамента охраны окружающей среды города Нью-Йорка, говорит, что поддерживает такие инновации, потому что дальнейшее сокращение загрязнения и восстановление ресурсов являются ключевыми целями ее предприятия. Она предвидит, что наиболее практичным и экономически эффективным подходом для такого города, как Нью-Йорк, будут автономные системы переработки мочи для отремонтированных или новых зданий.

Учитывая достижения, Ларсен предсказывает, что массовое производство и автоматизация технологий разделения продуктов жизнедеятельности могут быть не за горами. Отвод мочи — это правильная технология, — говорит она. Это единственная технология, которая может решить проблему нехватки удобрений в сельских хозяйствах в разумные сроки. Но люди должны решиться.

Используемая литература и ссылки на исследования:

  1. Хилтон, С. П., Кеолеян, Г. А., Дайггер, Г. Т., Чжоу, Б. и Лав, Н.Г. Environmental Science & Technology 55, 593–603 (2021) Article Google Scholar
  2. Сазерленд, С. и др. Представления об опорожнении туалетов для отвода мочи с процессом гидратации. Программа UDDT (сухой туалет) муниципалитета Этеквини, Квазулу-Натал, 2018) Google Scholar
  3. Мхизе, Н., Тейлор, М., Удерт, К. М., Гаунден, Т. Г. и Бакли, К. А. Дж.J. Water Sanit. Hyg. Dev. 7, 111–120 (2017) PubMed
  4. Маццеи, Л., Чианчи, М., Бенини, С. и Чюрли, С. Ангью Chem. Int. Edn Engl. 58, 7415–7419 (2019) Article
  5. Ной-Хейс А., Хоумайер Р. Дж., Дэвис А. П. и Лав Н. ACS EST Engg. (2021) Article
  6. Кларк Б. и Тарпе В. А. Chem. Eur. J. 26, 10099–10112 (2020) PubMed Article Google Scholar
  7. Притхви Симхи et al. Sci. Total Environ. 765, 144438 (2021) PubMed Article Google Scholar

Читайте также: