正當(dāng)國人大張旗鼓倡導(dǎo)并實(shí)施農(nóng)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(shì)下。 編者按：正當(dāng)國人大張旗鼓倡導(dǎo)并實(shí)施農(nóng)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(shì)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(xiàn)代排水系統(tǒng)木已成舟，推倒重來的經(jīng)濟(jì)代價(jià)太大！但是，處于生態(tài)環(huán)保十字路口的農(nóng)村污水處理卻可以選擇性保留原生態(tài)農(nóng)作方式。遺憾的是，我們的選擇再次出現(xiàn)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(shè)將成為空話，因?yàn)檫@是迄今為止所能確認(rèn)的人類對(duì)生態(tài)幾乎唯一的貢獻(xiàn)！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)，就尿液分離與利用全球研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了專述。我們將整理后中文稿以公眾號(hào)方式推出，以引起國人的關(guān)注，以免我們?cè)谖鬯幚砼c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可以緩解一些棘手的環(huán)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(shí)，島上居民正在與來自農(nóng)業(yè)和排水系統(tǒng)產(chǎn)生的污染作斗爭(zhēng)，因?yàn)檫@些污染已導(dǎo)致波羅的海附近出現(xiàn)有害藻華現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致魚類死亡并致人病變。
為有助于解決島內(nèi)這一系列環(huán)境問題，該島將希望已寄托于一種似乎毫無關(guān)聯(lián)的物質(zhì)之上：人類尿液。
從2021年開始，一個(gè)研究小組開始與當(dāng)?shù)匾患页鲎庖苿?dòng)便器的公司合作。目標(biāo)是在3年內(nèi)從夏季旅游旺季幾個(gè)旅游點(diǎn)無水小便池和專用坐便器中收集超過70 000 L尿液。該團(tuán)隊(duì)來自位于烏普薩拉（Uppsala）的瑞典農(nóng)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(biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)備施用的肥料顆粒。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民把這些肥料用于種植大麥，大麥被再用于啤酒廠釀造啤酒；啤酒被消費(fèi)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，研究人員的目標(biāo)是將尿液再利用大規(guī)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(qū)可以效仿的模式?！拔覀兊哪繕?biāo)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(yàn)比較了用尿液施肥的大麥（右）與沒有施肥的植物（中）和施有化肥的植物（左）。圖片來源：Jenna Senecal
島嶼哥特蘭島項(xiàng)目是全世界類似努力的一部分，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(tuán)體組織正在研究這種作法，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究范圍。在美國俄勒岡州和荷蘭一些辦公樓，無水小便池與地下室處理系統(tǒng)相連。在巴黎，計(jì)劃在該市14區(qū)建造一個(gè)有1 000位居民的生態(tài)區(qū)，以安裝無水小便器。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)候開始運(yùn)行。據(jù)尿液分離支持者稱，它可以在臨時(shí)的軍事哨所、難民營、富裕城市中心和混亂貧民窟等場(chǎng)所使用。
科學(xué)家們說，如果在世界各地大規(guī)模部署，尿液分離將產(chǎn)生巨大環(huán)境與公共衛(wèi)生效益。部分原因是尿液中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，這些營養(yǎng)物質(zhì)不是去污染水體，而是可以用來給農(nóng)作物施肥或用于工業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)Simha估計(jì)，人類產(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“尿液中成分”）。此外，不將尿液排入下水道還可以節(jié)省大量的水，并減輕對(duì)老化和超負(fù)荷運(yùn)行的排水管網(wǎng)的壓力。
資料來源：M. Qadir et al. Nat. Resour. Forum 44, 40–51 (2020)
據(jù)該領(lǐng)域?qū)＜曳Q，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(shè)計(jì)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題，從改進(jìn)尿液分離便器設(shè)計(jì)，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(tǒng)或服務(wù)于整個(gè)建筑物的地下室設(shè)備，并為所產(chǎn)生的濃縮或凝固產(chǎn)品提供收集和維護(hù)服務(wù)（見“從小便到產(chǎn)品”）。此外，還有更廣泛的社會(huì)變革和接受程度問題，這與圍繞人類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(tǒng)根深蒂固的習(xí)俗有關(guān)。
美國明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市可持續(xù)發(fā)展顧問、生物學(xué)家Lynn Broaddus說，隨著人類社會(huì)與能源、水以及農(nóng)業(yè)和工業(yè)原材料短缺不斷作斗爭(zhēng)，尿液分離與再利用是那種“對(duì)我們?nèi)绾螌?shí)施人類衛(wèi)生的大尺度重新構(gòu)想”，這將變得越來越重要?！?span style="outline: 0px;box-sizing: border-box;overflow-wrap: break-word !important;">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
尿液曾經(jīng)是一種有價(jià)值的商品。在過去，有些社會(huì)用它來給農(nóng)作物施肥、鞣制皮革、清洗衣服和生產(chǎn)火藥。然后，在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，現(xiàn)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(dǎo)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(wèi)生紙沖入下水道，在那里與來自家庭、工業(yè)來源的其他液體混合，有時(shí)還與暴雨徑流混合。在集中式處理廠，一個(gè)能源密集型的工藝利用微生物來清潔污水。
根據(jù)當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)和處理廠條件，從這個(gè)工藝中排出的出水仍可能含有大量氮和其他營養(yǎng)物質(zhì)，以及一些其他污染物。而世界上57%的人口根本沒有連接到集中式污水處理廠（見“人類污水”）。
資料來源：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更具可持續(xù)性和更少的污染。但是，從20世紀(jì)90年代在瑞典開始，一些研究人員開始推動(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，管道末端進(jìn)步“只是同樣該死的東西的另一種演變”。她說，尿液分離將是“變革性的”。在一項(xiàng)模擬美國三個(gè)州污水管理系統(tǒng)的研究中[1]，她和同事們將傳統(tǒng)污水系統(tǒng)與假設(shè)的尿液分離系統(tǒng)進(jìn)行了比較，并使用回收的營養(yǎng)物質(zhì)來取代合成肥料。他們預(yù)計(jì)，根據(jù)所使用的技術(shù)，采用尿液分離的社區(qū)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，污水中的營養(yǎng)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(guī)劃入自來水網(wǎng)）地區(qū)，如，北歐的生態(tài)村、農(nóng)村的便器和低收入地區(qū)的發(fā)展項(xiàng)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，很多滯后是便器本身造成的。在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初才開始銷售尿液分離便器，大多數(shù)沖水便器前面都設(shè)有一個(gè)小漏斗來收集液體——這種設(shè)置需要定位瞄準(zhǔn)。其他設(shè)計(jì)結(jié)合了腳踏式傳送帶，可以在將糞便運(yùn)送到堆肥庫時(shí)讓尿液析出，或者使用傳感器來操作閥門，將尿液引導(dǎo)到單獨(dú)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(cè)試。圖片來源: EOOS NEXT
但在歐洲的試驗(yàn)點(diǎn)和示范項(xiàng)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(gè)坐便器的話題所阻擋”。
這些擔(dān)憂困擾著第一次大規(guī)模使用尿液分離便器——21世紀(jì)在南非eThekwini市的一個(gè)項(xiàng)目。德班KwaZulu-Natal大學(xué)研究環(huán)境衛(wèi)生治理的Anthony Odili說，種族隔離后，該市邊界突然擴(kuò)大，導(dǎo)致當(dāng)局接管了一些貧困農(nóng)村地區(qū)的責(zé)任，那里沒有便器等基礎(chǔ)設(shè)施，也沒有什么供水服務(wù)。
2000年8月那里爆發(fā)霍亂后，當(dāng)局迅速推出了幾種符合財(cái)政和實(shí)際限制的衛(wèi)生設(shè)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，該項(xiàng)目成功地在該地區(qū)建立了更安全的衛(wèi)生設(shè)施。然而，社會(huì)科學(xué)研究揭示了該計(jì)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]——后來發(fā)現(xiàn)使用者普遍不喜歡這些便器。許多便器的材質(zhì)很差，使用起來很不方便。盡管從理論上講，這樣便器應(yīng)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。
Odili說，最終，主要出于公共衛(wèi)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，沒有考慮到人們的喜好。2017年一項(xiàng)研究[3]發(fā)現(xiàn)，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(shí)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，一種新的設(shè)計(jì)可能代表著尿液分離的突破。在設(shè)計(jì)師Harald Gründl帶領(lǐng)下，與Larsen等人合作，2017年奧地利設(shè)計(jì)公司EOOS（此后又分出了EOOS Next公司）推出了尿液收集器。這使用戶不再需要定位瞄準(zhǔn)，而且尿液分離功能幾乎是隱形的（見“一種新的坐便器”）。
它利用水容易附著在表面的特點(diǎn)（被稱為茶壺效應(yīng)，因?yàn)樗拖褚粋€(gè)不方便滴水的茶壺），將尿液從坐便器前部內(nèi)側(cè)導(dǎo)入一個(gè)單獨(dú)孔中（見“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(qū)便器創(chuàng)新研究提供了強(qiáng)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(shè)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(duì)許多消費(fèi)者來說成本還太高。
KwaZulu-Natal大學(xué)和eThekwini市政府也一直在測(cè)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(cè)重于用戶。Odili樂觀地認(rèn)為，人們會(huì)更喜歡新的尿液分離便器，因?yàn)樗鼈兟勂饋聿怀簦腋菀资褂?，但他指出?span style="outline: 0px;box-sizing: border-box;overflow-wrap: break-word !important;">男性將不得不坐下來小便，這是一個(gè)巨大的文化轉(zhuǎn)變。但是，如果這種坐便器“在高收入地區(qū)也被采用和接受——這里來自不同種族群體的人——它真的會(huì)有助于推廣”。他補(bǔ)充說：“我們必須始終帶著種族視角”，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)”。
分離尿液只是改善環(huán)境衛(wèi)生的第一步。下一步是研究如何處理它。在農(nóng)村地區(qū)，人們可以將其儲(chǔ)存在大桶中，以殺死任何病原體，然后將其返田。世界衛(wèi)生組織為這種做法提供了指導(dǎo)方針。
但城市環(huán)境更棘手——而這正是大多數(shù)尿液產(chǎn)生的地方。在整個(gè)城市增加一套單獨(dú)的污水管道，將尿液輸送到一個(gè)中心位置是不現(xiàn)實(shí)的。而且，由于尿液中大約95%是水，它的儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本太高。因此，研究人員正專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養(yǎng)物質(zhì)，將水保留。
這并不容易，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(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的氮肥（見“氮需求”）。但它也很棘手：當(dāng)與水結(jié)合時(shí)，尿素會(huì)轉(zhuǎn)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)被稱為尿素水解的反應(yīng)可以在幾微秒內(nèi)完成，使尿素酶成為已知最有效的酶之一[4]。
有些方法允許水解進(jìn)行下去。Eawag研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種先進(jìn)工藝，將水解尿液變成濃縮營養(yǎng)液。首先，在一個(gè)罐子里，微生物將揮發(fā)性氨轉(zhuǎn)化為非揮發(fā)性硝酸銨，這是一種常見的肥料。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(zhǔn)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快速提高或降低尿液pH值來阻止水解反應(yīng)，因?yàn)槟蛞号懦鲶w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非營利組織Rich Earth Institute合作，正在為建筑物開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)，將液體檸檬酸噴入尿液分離坐便器和無水小便池管道。然后，通過反復(fù)冷凍和解凍來濃縮尿液[5]。
在哥特蘭島做這個(gè)項(xiàng)目的SLU團(tuán)隊(duì)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養(yǎng)物質(zhì)混合的固體尿素。該團(tuán)隊(duì)正在馬爾默瑞典公共供水和污水處理公司VA SYD總部評(píng)估其最新原型，一個(gè)包括內(nèi)置干燥器的獨(dú)立坐便器。
其他方法針對(duì)尿液中的個(gè)別營養(yǎng)物質(zhì)。化學(xué)工程師William Tarpeh說，這些方法可以更容易地融入現(xiàn)有肥料和工業(yè)化學(xué)品供應(yīng)鏈，他曾是Love的博士后，現(xiàn)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(dǎo)致一種叫做鳥糞石的肥料沉淀。而Tarpeh正在試驗(yàn)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(tǒng)使用另一種液體，稱為再生劑，在材料珠用完后流過它們。再生劑帶走了營養(yǎng)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(duì)環(huán)境有危害。他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正試圖制造更便宜、更環(huán)保的再生劑（見“未來污染”）。
資料來源：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)通過將尿液放入微生物燃料電池來發(fā)電的方法。在南非開普敦，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種方法，通過將尿液、沙子和產(chǎn)生尿素酶的細(xì)菌放在一個(gè)模具中來制造一種非常規(guī)的建筑磚；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(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：“當(dāng)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?！?/span>
當(dāng)研究人員迸發(fā)將尿液轉(zhuǎn)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(zhàn)斗，特別是與根深蒂固的行業(yè)相比?；屎褪称饭尽⑥r(nóng)民、便器制造商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)在對(duì)他們的作法做出重大改變方面進(jìn)展緩慢。Simha說：“有相當(dāng)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(chǔ)水箱的排水管，出乎意料地花費(fèi)了近三年時(shí)間，花費(fèi)超過50 000美元。環(huán)境工程師Kevin Orner說，這包括建筑師、施工和遵守市政法規(guī)的費(fèi)用，他現(xiàn)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，現(xiàn)有法規(guī)缺乏給設(shè)施管理帶來了麻煩，這就是為什么他參加了一個(gè)正在制定新法規(guī)的小組。
這種惰性在一定程度上可能是出于對(duì)顧客抵制的擔(dān)憂，但2021年對(duì)16個(gè)國家人們進(jìn)行的調(diào)查[7]表明，在法國、中國和烏干達(dá)等地，人們?cè)敢馐秤媚蛞菏┓实氖澄铮壤咏?0%（見“人們會(huì)吃嗎？”）。
作為紐約市環(huán)境保護(hù)局的副局長，領(lǐng)導(dǎo)污水處理局的Pam Elardo說，她支持尿液分離等創(chuàng)新，因?yàn)檫M(jìn)一步減少污染和回收資源是她所在單位的關(guān)鍵目標(biāo)。她預(yù)計(jì)，對(duì)于像紐約這樣的城市來說，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(tǒng)，并由維護(hù)和收集業(yè)務(wù)提供支持。她說，如果創(chuàng)新者能夠解決這個(gè)問題，“他們就應(yīng)該去嘗試”。
鑒于這些進(jìn)展，Larsen預(yù)測(cè)，尿液分離技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)和自動(dòng)化可能指日可待。處理廢物的這種轉(zhuǎn)變的商業(yè)案例將更加豐富。她說，尿液分離“是正確的技術(shù)”?！斑@是唯一能夠在合理時(shí)間內(nèi)解決家庭尿液中營養(yǎng)物質(zhì)問題的技術(shù)。但人們必須敢于嘗試”。
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原文來源：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