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。

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?！拔覀兊哪繕耸亲屆總€(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

01 尿液分離

島嶼哥特蘭島項目是全世界開(kāi)展這一工作的一部分，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1000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。

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)。

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?！安豢珊雎缘氖聦?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

02 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)。

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?！拔覀冋娴谋贿@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。

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。

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?？偛吭O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)”。

03 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。

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)?；瘜W(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。

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?！?/p>

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?；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(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%。

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)”?！斑@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

[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).

關(guān)鍵詞： 污水處理