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尿液革命：尿液的回收利用將如何拯救全世界

來(lái)源：新浪科技 2022-02-17 09:08:14

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在瑞典最大的島嶼哥特蘭島上，淡水資源相當(dāng)匱乏，而與此同時(shí)，島民們還要和大量農(nóng)業(yè)和污水系統(tǒng)造成的污染抗?fàn)?，這些污染導(dǎo)致周?chē)_的海中的藻類瘋狂生長(zhǎng)，致使魚(yú)類大量死亡，還會(huì)影響人類身體健康。

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為了解決這場(chǎng)環(huán)境挑戰(zhàn)，哥特蘭島將希望放在了一種看似與此毫不相關(guān)的物質(zhì)上——人類尿液。

自2021年起，一支研究人員團(tuán)隊(duì)開(kāi)始與當(dāng)?shù)匾患乙苿?dòng)式廁所租賃公司展開(kāi)合作，希望能在三年多的時(shí)間里，通過(guò)在夏天旅游旺季投放在各處的免沖水小便池和專用馬桶收集至少7萬(wàn)升尿液。

該團(tuán)隊(duì)由瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)的研究人員組成，他們成立了一家名叫Sanitation360的公司。

通過(guò)其自行研發(fā)的一套流程，研究人員可以使尿液干燥脫水、形成類似混凝土的塊狀物，再將其敲碎成粉末狀，壓成一顆顆適用于標(biāo)準(zhǔn)耕作設(shè)備的肥料顆粒。

當(dāng)?shù)剞r(nóng)民可以利用這種肥料種植大麥，大麥?zhǔn)崭詈髸?huì)被送往釀酒廠、制成麥芽啤酒，而啤酒被人們喝掉后，這些肥料又會(huì)進(jìn)入新一輪的循環(huán)。

這支研究團(tuán)隊(duì)旨在讓尿液回收利用不再停留在概念階段，而是真正能在大規(guī)模上變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，希望能建立一套適用于全球各地的回收模式，“無(wú)論何人、無(wú)論何地，均可進(jìn)行操作”。

特殊的馬桶系統(tǒng)可以從尿液中回收氮和其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，用于生產(chǎn)肥料等產(chǎn)品

除了哥特蘭島開(kāi)展的這一項(xiàng)目外，全球各地正在掀起一股相似的浪潮，致力于將尿液從污水中分離出來(lái)、進(jìn)行回收利用，如制成肥料等。美國(guó)、澳大利亞、瑞士、埃塞俄比亞和南非等眾多國(guó)家都在研究糞尿分離技術(shù)。

在美國(guó)俄勒岡州和荷蘭，已經(jīng)有一些寫(xiě)字樓的免沖洗小便池與位于地下室的處理系統(tǒng)相連。巴黎正計(jì)劃在十四區(qū)一座住有1000人的“生態(tài)公寓”安裝糞尿分離廁所。此外，歐空局還準(zhǔn)備在位于巴黎的總部安裝80套糞尿分離廁所，本年內(nèi)啟用。

糞尿分離技術(shù)的支持者們指出，這類裝置適用于多種場(chǎng)合，比如軍事哨所、難民營(yíng)、繁華的市中心、以及貧民窟等等。

科學(xué)家表示，若糞尿分離廁所在全球得到大規(guī)模部署，將產(chǎn)生巨大的環(huán)境與公共衛(wèi)生效益。尿液富含多種營(yíng)養(yǎng)元素，與其讓它們污染水體，不如用來(lái)給作物施肥、或者用作工業(yè)原料。

據(jù)估算，人類產(chǎn)生的尿液足以取代全球四分之一的氮肥和磷肥。尿液中還含有鉀和多種微量營(yíng)養(yǎng)元素。不僅如此，免沖水設(shè)計(jì)還能節(jié)省大量水資源，并且減少對(duì)已不堪重負(fù)的污水系統(tǒng)造成的壓力。

該領(lǐng)域?qū)＜抑赋觯S著廁所技術(shù)與尿液處理策略的進(jìn)步，糞尿分流的多種技術(shù)要素不久便可準(zhǔn)備好大規(guī)模投放。但如廁畢竟是生活最基本的方面之一，要想對(duì)此進(jìn)行大幅改造，必將面臨許多阻礙。

學(xué)界和業(yè)界都有大量問(wèn)題需要解決，比如改進(jìn)糞尿分流廁所的設(shè)計(jì)、降低尿液處理難度、將尿液轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品等等。

這些可能需要將單個(gè)馬桶、或整棟大樓的地下裝置與化學(xué)處理系統(tǒng)相連，同時(shí)還要對(duì)濃縮或固化的產(chǎn)物進(jìn)行定期收集和維養(yǎng)。另外還有社會(huì)接受度的問(wèn)題，有些文化對(duì)人類排泄物有所禁忌，人們對(duì)工業(yè)廢水和食品系統(tǒng)的傳統(tǒng)看法更是根深蒂固、難以改變。

但考慮到農(nóng)業(yè)與工業(yè)的能源、水源及原材料短缺問(wèn)題，糞尿分流和再利用的重要性將愈加凸顯?！笆聦?shí)上，尿液本身就是一種很有價(jià)值的物質(zhì)?！?/p>

圖為用不同肥料培植的大麥，右側(cè)的大麥?zhǔn)褂昧四蛞?，中間的大麥未使用任何肥料，最左側(cè)的大麥?zhǔn)褂昧说V物無(wú)機(jī)肥料

混合廢物

尿液曾一度是種相當(dāng)值錢(qián)的商品。在過(guò)去，有些社會(huì)會(huì)利用尿液給莊稼施肥、鞣革、洗衣、制造火藥等等。但到了19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，現(xiàn)代化的中央污水管理模式問(wèn)世，并逐漸傳播到了全世界，導(dǎo)致尿液從我們的生活中逐漸消失。

在該模式下，沖水馬桶可以將尿液、糞便和廁紙迅速?zèng)_入污水系統(tǒng)中，與其它生活污水、工業(yè)污水、以及雨水混雜在一起。集中化污水處理廠會(huì)利用微生物進(jìn)行污水凈化，這一過(guò)程耗費(fèi)的能量十分巨大。

經(jīng)過(guò)處理的廢水中，仍然含有大量氮元素、其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和各種污染物。并且全球約57%的人口都沒(méi)有使用集中式污水系統(tǒng)的條件。

科學(xué)家目前仍在尋找使集中式污水系統(tǒng)更可持續(xù)化、污染更低的方法。但從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，一些研究人員開(kāi)始追求更根本性的變革。末端治理技術(shù)再怎么進(jìn)步，也不過(guò)是在舊方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行演化而已。

相比之下，糞尿分離技術(shù)則是一場(chǎng)“巨大變革”。研究人員建立了污水管理系統(tǒng)模型，假設(shè)這些系統(tǒng)使用了糞尿分離技術(shù)，并且用從尿液中回收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代替化肥。

根據(jù)該模型的預(yù)測(cè)，在利用糞尿分離技術(shù)的社區(qū)中，溫室氣體總排放量最多可降低47%，能耗最多可減少41%，淡水使用量減少近半，廢水造成的營(yíng)養(yǎng)物污染也可降低64%，具體取決于使用了哪些技術(shù)。

這款馬桶可以將尿液與糞便分開(kāi)，再將尿液脫水處理成粉末狀

不過(guò)到目前為止，這一理念仍然很小眾化，應(yīng)用規(guī)模都很有限，比如北歐生態(tài)村、農(nóng)村戶外廁所、以及低收入地區(qū)發(fā)展項(xiàng)目等等。

糞尿分離技術(shù)之所以難以推廣，原因主要處在馬桶本身。糞尿分離馬桶最早于90年代和21世紀(jì)初開(kāi)始售賣(mài)，大多數(shù)都在馬桶前方設(shè)計(jì)了一個(gè)小尿盆，使用時(shí)需要仔細(xì)“瞄準(zhǔn)”才行。

有些使用了傳輸帶的設(shè)計(jì)，尿液可以流走，糞便則被輸送到堆肥庫(kù)中。還有一些則利用傳感器操控閥門(mén)，讓尿液與糞便從不同的出口流出。

但在試點(diǎn)項(xiàng)目中，人們并不太接受這些新式馬桶，都抱怨這些馬桶很難用、氣味很難聞、而且故障率高。

這些問(wèn)題給糞尿分離馬桶的首次大規(guī)模投用造成了許多麻煩。21世紀(jì)初，南非種族隔離政策結(jié)束后，德班市的城市規(guī)模急劇擴(kuò)大，當(dāng)局不得不對(duì)部分貧窮的農(nóng)村地區(qū)承擔(dān)起責(zé)任，這些地區(qū)沒(méi)有廁所基礎(chǔ)設(shè)施，供水也十分缺乏。

2000年8月，該地爆發(fā)了一場(chǎng)霍亂疫情。當(dāng)局迅速開(kāi)展了幾項(xiàng)滿足資金和實(shí)際要求的衛(wèi)生項(xiàng)目，包括安裝80000座糞尿分離廁所，其中大多數(shù)直至今日仍在使用。尿液可以流到廁所下方的土壤中，糞便則落入專門(mén)的儲(chǔ)糞池。自2016年以來(lái)，該市會(huì)每隔五年清理一次儲(chǔ)糞池。

奧迪里指出，該項(xiàng)目為該地區(qū)創(chuàng)造了更安全的衛(wèi)生環(huán)境。然而社會(huì)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，這一項(xiàng)目存在許多問(wèn)題。雖然人們也覺(jué)得有這些廁所總比沒(méi)有好，但研究發(fā)現(xiàn)，使用者大多都不喜歡它們。許多廁所的用料欠佳，使用起來(lái)十分麻煩。

此外，雖然這些廁所理論上應(yīng)當(dāng)具有防臭功能，但尿液往往會(huì)和糞便一起流入儲(chǔ)糞池，散發(fā)出強(qiáng)烈的臭味，上廁所時(shí)簡(jiǎn)直“無(wú)法正常呼吸”。不僅如此，尿液大多都沒(méi)有得到回收利用。

說(shuō)到底，當(dāng)年的這一決策主要是出于公共衛(wèi)生考慮，并未將人們的偏好考慮在內(nèi)。2017年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，德班市95%的受訪者都更喜歡富有的白人們使用的傳統(tǒng)、無(wú)臭的抽水馬桶，并表示一旦條件允許、就會(huì)自己安裝這種馬桶。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，馬桶在南非一直是種族隔離的象征之一。

不過(guò)，一種新設(shè)計(jì)或能為糞尿分離技術(shù)帶來(lái)突破。2017年，奧地利設(shè)計(jì)公司EOOS發(fā)布了新產(chǎn)品Urine Trap，使用時(shí)無(wú)需仔細(xì)瞄準(zhǔn)，糞尿分離功能設(shè)計(jì)得也十分隱蔽。

該產(chǎn)品利用了水傾向于附著在物體表面的現(xiàn)象（又名“茶壺效應(yīng)”，因?yàn)樵诘共钑r(shí)，茶水總會(huì)沿著壺嘴下方流下來(lái)），引導(dǎo)尿液沿著馬桶內(nèi)側(cè)前方、流入一個(gè)單獨(dú)的洞中。無(wú)論是高端陶瓷馬桶還是塑料蹲便，都能用上這項(xiàng)設(shè)計(jì)。歐洲市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)這款產(chǎn)品了，取名為“save!”，不過(guò)價(jià)格可不便宜。

南方夸祖魯納塔爾大學(xué)和德班市也在測(cè)試不同版本的Urine Trap馬桶，不過(guò)這次的研究重點(diǎn)主要放在使用者身上，人們應(yīng)當(dāng)會(huì)欣然接受這種新式糞尿分離馬桶，因?yàn)樗鼈儧](méi)有難聞的氣味，使用起來(lái)也很便捷。

不過(guò)男性必須學(xué)會(huì)坐下來(lái)上廁所，這將是一項(xiàng)巨大的文化變革。但如果這種馬桶在高收入地區(qū)得到了廣泛使用和接受，將對(duì)大范圍推廣起到很大幫助，這同時(shí)需要充分考慮到種族因素，防止人們認(rèn)為這種馬桶是專為黑人或窮人研發(fā)的。

尿液的用途

糞尿分離只是革新衛(wèi)生技術(shù)的第一步。接下來(lái)，我們還要想好這些尿液的用途。在農(nóng)村地區(qū)，人們可以將尿液儲(chǔ)存起來(lái)、殺死其中的病原體，然后用來(lái)施肥。世衛(wèi)組織已經(jīng)為這種做法發(fā)布了相關(guān)指南。

但城市中就要麻煩一些，畢竟尿量巨大。我們不可能鋪設(shè)一套專門(mén)的污水管道系統(tǒng)、將尿液統(tǒng)一輸送到某個(gè)集中的地點(diǎn)，而且尿95%的成分都是水，因此儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本都很高。所以研究人員更傾向于在馬桶或建筑物中就對(duì)尿液進(jìn)行脫水、濃縮或營(yíng)養(yǎng)成分提取，直接將水分離出去。

但這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。從工程角度來(lái)看，尿液是種很麻煩的溶液。除了水之外，尿液最主要的成分是尿素。

這是一種富氮化合物，是身體代謝蛋白質(zhì)的副產(chǎn)物。尿素本身用處很大，最常見(jiàn)的氮肥之一就是合成尿素。但尿素又很棘手，一旦與水結(jié)合就會(huì)變成氨氣，尿液標(biāo)志性的氣味正是由此而來(lái)。

假如不加以處理和控制，這些氨氣便會(huì)污染空氣，還會(huì)導(dǎo)致寶貴的氮白白浪費(fèi)。在尿素酶的催化下，尿素水解反應(yīng)只需幾毫秒便可完成，因此尿素酶是目前已知效率最高的酶之一。

有些處理方法會(huì)任由尿素水解反應(yīng)發(fā)生。瑞士聯(lián)邦水科學(xué)與技術(shù)研究所發(fā)明了一套先進(jìn)的處理流程，可以將經(jīng)過(guò)水解的尿液轉(zhuǎn)化為濃度很高的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶液。首先，反應(yīng)池中的微生物會(huì)將具有揮發(fā)性的氨轉(zhuǎn)化為無(wú)揮發(fā)性的硝酸銨（這也是一種常見(jiàn)氮肥），然后利用蒸餾器將液體濃縮。該研究所子公司Vuna正在推動(dòng)這套處理系統(tǒng)的商業(yè)化。此外，該方法的產(chǎn)物“Aurin”已經(jīng)通過(guò)了瑞士政府的批準(zhǔn)，可用于培育農(nóng)作物，在全球尚屬首例。

其它方法則試圖通過(guò)快速提高或降低尿液酸堿度來(lái)制止水解反應(yīng)（尿液排出體外時(shí)一般為中性）。非營(yíng)利組織Rich Earth Institute合作研發(fā)一套適用于樓宇的處理系統(tǒng)，通過(guò)管道將液態(tài)檸檬酸輸送到糞尿分離馬桶和免沖洗小便池中，然后通過(guò)反復(fù)冷凍和解凍將尿液濃縮，設(shè)法將尿液脫水，形成固態(tài)尿素與其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的混合物。該團(tuán)隊(duì)的最新版設(shè)計(jì)是一款裝有內(nèi)置干燥機(jī)的馬桶，目前正在接受評(píng)估。

還有其它方法以尿液中的不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為重點(diǎn)，這些方法很容易與現(xiàn)有的化肥和工業(yè)化學(xué)品供應(yīng)鏈相整合。

例如，通過(guò)添加鎂從經(jīng)過(guò)水解反應(yīng)的尿液中提取磷已經(jīng)是一種相當(dāng)成熟的做法，可以析出一種名叫鳥(niǎo)糞石的化肥，現(xiàn)在可以以氨或磷酸鹽的形式、選擇性地提取出尿液中的氮和磷。接著再用一種名叫再生劑的液體沖洗這些顆粒，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)溶解在再生劑中，顆粒則可恢復(fù)如初、可以再次使用。這種方法科技含量并不高，但其中使用的商業(yè)化再生劑會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，因此研究團(tuán)隊(duì)正在嘗試制備成本更低、更加環(huán)保的再生劑。

還有一些研究人員試圖用尿液和微生物燃料電池來(lái)發(fā)電。此外，南非開(kāi)普敦的一支團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種顛覆傳統(tǒng)的制磚方法，將尿液與砂子和可產(chǎn)生尿素酶的細(xì)菌在模具中結(jié)合，無(wú)需燒制便可鈣化形成各種形狀的建筑磚塊。歐空局已經(jīng)瞄上了宇航員的尿液，認(rèn)為這種“資源”或可用來(lái)在月球上建造棲息地。

研究人員在嘗試各種將尿液轉(zhuǎn)化為商品的方法時(shí)，都深知前方充滿了艱難險(xiǎn)阻。畢竟這涉及到多個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)，化肥與食品企業(yè)、農(nóng)民、馬桶制造商和監(jiān)管部門(mén)都不大愿意改變自己做事的方式。

例如，加州大學(xué)伯克利分校以科研和宣教為目的，試圖安裝一臺(tái)勞芬save!馬桶，沒(méi)想到這一裝就是將近三年，總花費(fèi)高達(dá)5萬(wàn)多美元，其中包括建筑改造、施工和報(bào)規(guī)費(fèi)用，而且安裝工作至今還沒(méi)有完成。此外，相關(guān)規(guī)范和法律法規(guī)的缺乏也給設(shè)施管理帶來(lái)了一定麻煩。

來(lái)自消費(fèi)者的阻力也是相關(guān)行業(yè)不愿做出變革的原因之一。但2021年在16個(gè)國(guó)家開(kāi)展的一項(xiàng)調(diào)查顯示，在法國(guó)、中國(guó)和烏干達(dá)，將近80%的受訪者都表示愿意食用以尿液為肥料的食物。

要想在大城市中實(shí)現(xiàn)糞尿分離，最實(shí)際、性價(jià)比最高的做法應(yīng)當(dāng)是在翻新或新建大樓中安裝局部離網(wǎng)系統(tǒng)，并進(jìn)行定期維護(hù)和糞便收集。

考慮到糞尿分離技術(shù)的各種優(yōu)勢(shì)，這類技術(shù)的大規(guī)模生產(chǎn)和自動(dòng)化應(yīng)當(dāng)很快便可實(shí)現(xiàn)。糞尿分離技術(shù)正是我們需要的技術(shù)，也是近期唯一能解決生活污水產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物污染問(wèn)題的技術(shù)。但人們要有勇氣邁出這一步才行。

關(guān)鍵詞：視點(diǎn)·觀察尿液革命：尿液的回收利用將如何拯救全世界