Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com. Versiunea browserului pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS. Pentru o experiență optimă, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer). Între timp, pentru a asigura asistență continuă, vom reda site-ul fără stiluri și JavaScript.
Chelsea Wold este o jurnalistă independentă cu sediul în Haga, Olanda, și autoarea cărții Daydream: An Urgent Global Quest to Change Toilets.
Sistemele specializate de toalete extrag azot și alți nutrienți din urină pentru a fi utilizați ca îngrășământ și alte produse. Credit imagine: MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
Gotland, cea mai mare insulă a Suediei, are puțină apă dulce. În același timp, locuitorii se confruntă cu niveluri periculoase de poluare provenite din agricultură și sistemele de canalizare, care provoacă înflorirea algelor dăunătoare în jurul Mării Baltice. Acestea pot ucide peștii și pot îmbolnăvi oamenii.
Pentru a ajuta la rezolvarea acestei serii de probleme de mediu, insula își pune speranțele pe singura substanță improbabilă care le leagă: urina umană.
Începând cu 2021, echipa de cercetare a început să lucreze cu o companie locală care închiriază toalete portabile. Scopul este de a colecta peste 70.000 de litri de urină pe o perioadă de 3 ani în pisoare fără apă și toalete dedicate în mai multe locații în timpul sezonului turistic estival. Echipa a venit de la Universitatea Suedeză de Științe Agricole (SLU) din Uppsala, care a înființat o companie numită Sanitation360. Folosind un proces dezvoltat de cercetători, au uscat urina în bucăți asemănătoare betonului, pe care apoi le-au măcinat în pulbere și le-au presat în granule de îngrășământ care se potrivesc echipamentelor agricole standard. Fermierii locali folosesc îngrășământul pentru a cultiva orz, care este apoi trimis la fabricile de bere pentru a produce bere care poate reveni în ciclu după consum.
Prithvi Simha, inginer chimist la SLU și CTO al Sanitation360, a declarat că obiectivul cercetătorilor este „să depășească conceptul și să pună în practică” reutilizarea urinei la scară largă. Scopul este de a oferi un model care poate fi emulat la nivel mondial. „Scopul nostru este ca toată lumea, de pretutindeni, să facă acest exercițiu.”
Într-un experiment din Gotland, orzul fertilizat cu urină (dreapta) a fost comparat cu plante nefertilizate (centru) și cu îngrășăminte minerale (stânga). Credit imagine: Jenna Senecal.
Proiectul Gotland face parte dintr-un efort similar la nivel mondial de separare a urinei de alte ape uzate și de reciclare a acesteia în produse precum îngrășămintele. Practica, cunoscută sub numele de deviere a urinei, este studiată de grupuri din Statele Unite, Australia, Elveția, Etiopia și Africa de Sud, printre altele. Aceste eforturi depășesc cu mult laboratoarele universitare. Pisoarele fără apă sunt conectate la sisteme de eliminare a apei din subsolurile birourilor din Oregon și Olanda. Parisul intenționează să instaleze toalete cu deviere a urinei într-o ecozonă cu 1.000 de locuitori, construită în arondismentul 14 al orașului. Agenția Spațială Europeană va amplasa 80 de toalete la sediul său din Paris, care va începe să funcționeze la sfârșitul acestui an. Susținătorii deturnării urinei spun că aceasta ar putea găsi utilizări în locuri variind de la avanposturi militare improvizate la tabere de refugiați, centre urbane bogate și mahalale întinse.
Oamenii de știință spun că devierea urinei, dacă ar fi implementată la scară largă în întreaga lume, ar putea aduce beneficii uriașe mediului și sănătății publice. Acest lucru se datorează parțial faptului că urina este bogată în nutrienți care nu poluează apele și poate fi utilizată pentru fertilizarea culturilor sau în procesele industriale. Simha estimează că oamenii produc suficientă urină pentru a înlocui aproximativ un sfert din îngrășămintele cu azot și fosfat utilizate în prezent la nivel mondial; aceasta conține, de asemenea, potasiu și multe oligoelemente (vezi „Constituenți în urină”). Cel mai important, prin faptul că nu aruncați urina în canalizare, economisiți multă apă și reduceți povara asupra unui sistem de canalizare îmbătrânit și supraîncărcat.
Potrivit experților în domeniu, multe componente pentru devierea urinei ar putea deveni în curând disponibile pe scară largă datorită progreselor înregistrate în domeniul toaletelor și al strategiilor de eliminare a urinei. Există însă și obstacole majore în calea schimbării fundamentale într-unul dintre cele mai fundamentale aspecte ale vieții. Cercetătorii și companiile trebuie să abordeze o multitudine de provocări, de la îmbunătățirea designului toaletelor cu devierea urinei până la facilitarea procesării urinei și transformarea acesteia în produse valoroase. Acestea pot include sisteme de tratare chimică conectate la toalete individuale sau la echipamente de subsol care deservesc întreaga clădire și oferă servicii pentru recuperarea și întreținerea produsului concentrat sau întărit rezultat (vezi „De la urină la produs”). În plus, există probleme mai ample de schimbare și acceptare socială, legate atât de gradele variate de tabuuri culturale asociate cu deșeurile umane, cât și de convențiile profunde despre apele uzate industriale și sistemele alimentare.
Pe măsură ce societatea se confruntă cu deficit de energie, apă și materii prime pentru agricultură și industrie, devierea și reutilizarea urinei reprezintă „o provocare majoră pentru modul în care asigurăm salubritatea”, spune biologul Lynn Broaddus, consultant în sustenabilitate cu sediul în Minneapolis. „Un gen care va deveni din ce în ce mai important. Minnesota, a fost fostul președinte al Federației Acvatice din Alexandria, Virginia, o asociație mondială a profesioniștilor în calitatea apei. „Este de fapt ceva valoros.”
A fost odată ca niciodată, urina era o resursă valoroasă. În trecut, unele societăți o foloseau pentru a fertiliza culturile, a fabrica piele, a spăla haine și a produce praf de pușcă. Apoi, la sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea, modelul modern de gestionare centralizată a apelor uzate a apărut în Marea Britanie și s-a răspândit în întreaga lume, culminând cu așa-numita cecitate urinară.
În acest model, toaletele folosesc apa pentru a scurge rapid urina, fecalele și hârtia igienică în canalizare, amestecată cu alte fluide din surse menajere, industriale și uneori din canalele de scurgere a apelor pluviale. În stațiile centralizate de epurare a apelor uzate, procesele consumatoare de energie utilizează microorganisme pentru a trata apele uzate.
În funcție de reglementările locale și de condițiile stației de epurare, apele uzate deversate în urma acestui proces pot conține în continuare cantități semnificative de azot și alți nutrienți, precum și alți contaminanți. 57% din populația lumii nu este conectată deloc la un sistem centralizat de canalizare (vezi „Canalizarea umană”).
Oamenii de știință lucrează pentru a face sistemele centralizate mai sustenabile și mai puțin poluante, dar începând cu Suedia în anii 1990, unii cercetători insistă asupra unor schimbări mai fundamentale. Progresele de la capătul conductei sunt „doar o altă evoluție a aceluiași lucru blestemat”, a spus Nancy Love, inginer de mediu la Universitatea din Michigan, Ann Arbor. Devierea urinei va fi „transformatoare”, spune ea. În Studiul 1, care a simulat sistemele de gestionare a apelor uzate din trei state americane, ea și colegii ei au comparat sistemele convenționale de tratare a apelor uzate cu sisteme ipotetice de tratare a apelor uzate care devierea urinei și utilizarea nutrienților recuperați în loc de îngrășăminte sintetice. Aceștia estimează că comunitățile care utilizează devierea urinei pot reduce emisiile totale de gaze cu efect de seră cu 47%, consumul de energie cu 41%, consumul de apă dulce cu aproximativ jumătate și poluarea cu nutrienți a apelor uzate cu 64%.
Cu toate acestea, conceptul rămâne de nișă și se limitează în mare măsură la zone autonome, cum ar fi eco-satele scandinave, anexele rurale și dezvoltările din zonele cu venituri mici.
Tove Larsen, inginer chimist la Institutul Federal Elvețian pentru Științe și Tehnologie Acvatică (Eawag) din Dübendorf, spune că o mare parte din întârzieri sunt cauzate de toaletele în sine. Introduse pe piață pentru prima dată în anii 1990 și 2000, majoritatea toaletelor cu deviere a urinei au un mic bazin în fața lor pentru a colecta lichidul, o configurație care necesită o direcționare atentă. Alte modele includ benzi transportoare acționate cu piciorul, care permit scurgerea urinei pe măsură ce gunoiul de grajd este transportat către recipientul de compost sau senzori care acționează valve pentru a direcționa urina către o ieșire separată.
Un prototip de toaletă care separă urina și o usucă până o transformă în pulbere este testat la sediul companiei suedeze de apă și canalizare VA SYD din Malmö. Credit imagine: EOOS NEXT
Însă, în proiectele experimentale și demonstrative din Europa, oamenii nu au îmbrățișat utilizarea lor, a spus Larsen, plângându-se că sunt prea voluminoase, urât mirositoare și nesigure. „Am fost cu adevărat descurajați de subiectul toaletelor.”
Aceste preocupări au bântuit prima utilizare la scară largă a toaletelor cu separare a urinei, un proiect în orașul sud-african Ethekwini în anii 2000. Anthony Odili, care studiază managementul sănătății la Universitatea KwaZulu-Natal din Durban, a declarat că extinderea bruscă a granițelor orașului post-apartheid a dus la preluarea de către autorități a unor zone rurale sărace, fără infrastructură de toalete și apă.
După epidemia de holeră din august 2000, autoritățile au implementat rapid mai multe instalații sanitare care îndeplineau constrângerile financiare și practice, inclusiv aproximativ 80.000 de toalete uscate cu deviere a urinei, majoritatea fiind încă în uz astăzi. Urina se scurge în sol de sub toaletă, iar fecalele ajung într-o instalație de depozitare pe care orașul o golește la fiecare cinci ani din 2016.
Odili a spus că proiectul a creat instalații sanitare mai sigure în zonă. Cu toate acestea, cercetările în științe sociale au identificat multe probleme legate de program. În ciuda ideii că toaletele sunt mai bune decât nimic, studiile, inclusiv unele dintre studiile la care a participat, au arătat ulterior că utilizatorii, în general, nu le apreciază, a spus Odili. Multe dintre ele sunt construite din materiale de calitate slabă și sunt incomode de utilizat. Deși astfel de toalete ar trebui, teoretic, să prevină mirosurile neplăcute, urina din toaletele eThekwini ajunge adesea în depozitul fecal, creând un miros îngrozitor. Potrivit lui Odili, oamenii „nu puteau respira normal”. Mai mult, urina nu este practic utilizată.
În cele din urmă, potrivit lui Odili, decizia de a introduce toalete uscate cu deviere a urinei a fost luată de sus în jos și nu a ținut cont de preferințele oamenilor, în principal din motive de sănătate publică. Un studiu din 20173 a constatat că peste 95% dintre respondenții eThekwini doreau acces la toaletele convenabile și inodore folosite de locuitorii albi bogați ai orașului și mulți plănuiau să le instaleze atunci când condițiile le vor permite. În Africa de Sud, toaletele au fost mult timp un simbol al inegalității rasiale.
Totuși, noul design ar putea reprezenta un progres în domeniul deturnării urinei. În 2017, sub conducerea designerului Harald Grundl, în colaborare cu Larsen și alții, firma austriacă de design EOOS (desprinsă din EOOS Next) a lansat un sifon pentru urină. Acest lucru elimină necesitatea ca utilizatorul să țintească, iar funcția de deviere a urinei este aproape invizibilă (vezi „Un nou tip de toaletă”).
Folosește tendința apei de a se lipi de suprafețe (numit efectul de ibric, deoarece acționează ca un ibric stângaci care picură) pentru a direcționa urina din partea din față a toaletei într-un orificiu separat (vezi „Cum se reciclează urina”). Dezvoltat cu finanțare de la Fundația Bill & Melinda Gates din Seattle, Washington, care a sprijinit o gamă largă de cercetări privind inovarea în domeniul toaletelor pentru mediile cu venituri mici, sifonul de urină poate fi încorporat în orice, de la modele ceramice de înaltă calitate cu piedestal până la toalete din plastic tip ghemuit. Dezvoltat cu finanțare de la Fundația Bill & Melinda Gates din Seattle, Washington, care a sprijinit o gamă largă de cercetări privind inovarea în domeniul toaletelor pentru mediile cu venituri mici, sifonul de urină poate fi încorporat în orice, de la modele ceramice de înaltă calitate cu piedestal până la toalete din plastic tip ghemuit. Dezvoltat cu finanțare de la Fundația Bill & Melinda Gates din Seattle, Washington, care a sprijinit o gamă largă de cercetări în domeniul inovației în toalete pentru persoane cu venituri mici, sifonul de urină poate fi încorporat în orice model, de la modele cu piedestaluri ceramice până la ghemuite din plastic.vase. Dezvoltat cu finanțare de la Fundația Bill & Melinda Gates din Seattle, Washington, care susține cercetări ample în domeniul inovației în domeniul toaletelor pentru persoane cu venituri mici, colectorul de urină poate fi încorporat în orice, de la modele ceramice de înaltă calitate până la tăvi din plastic.Producătorul elvețian LAUFEN lansează deja un produs numit „Save!” pentru piața europeană, deși costul său este prea mare pentru mulți consumatori.
Universitatea din KwaZulu-Natal și Consiliul Local eThekwini testează, de asemenea, versiuni de toalete cu sifon pentru urină, care pot devia urina și elimina particulele în suspensie. De data aceasta, studiul se concentrează mai mult pe utilizatori. Odie este optimist că oamenii vor prefera noile toalete cu deviație a urinei, deoarece miros mai bine și sunt mai ușor de utilizat, dar observă că bărbații trebuie să se așeze pentru a urina, ceea ce reprezintă o schimbare culturală uriașă. Dar dacă toaletele „sunt adoptate și de cartierele cu venituri mari - de către persoane din diferite medii etnice - acest lucru va ajuta cu adevărat la răspândire”, a spus el. „Trebuie să avem întotdeauna o perspectivă rasială”, a adăugat el, pentru a ne asigura că nu dezvoltă ceva ce este văzut ca fiind „doar pentru negri” sau „doar pentru săraci”.
Separarea urinei este doar primul pas în transformarea salubrității. Următoarea parte este să ne dăm seama ce să facem în această privință. În zonele rurale, oamenii o pot depozita în rezervoare pentru a elimina orice agenți patogeni și apoi o pot aplica pe terenurile agricole. Organizația Mondială a Sănătății face recomandări pentru această practică.
Însă mediul urban este mai complicat – aici se produce cea mai mare parte a urinei. Nu ar fi practic să se construiască mai multe canale separate în tot orașul pentru a livra urina către o locație centrală. Și pentru că urina este formată în proporție de aproximativ 95% din apă, este prea scumpă de stocat și transportat. Prin urmare, cercetătorii se concentrează pe uscarea, concentrarea sau extragerea nutrienților din urină la nivelul unei toalete sau al unei clădiri, lăsând apa în urmă.
„Nu va fi ușor”, a spus Larson. Din punct de vedere ingineresc, „urina este o soluție proastă”, a spus ea. Pe lângă apă, majoritatea este uree, un compus bogat în azot pe care organismul îl produce ca produs secundar al metabolismului proteinelor. Ureea este utilă și singură: versiunea sintetică este un îngrășământ cu azot obișnuit (vezi Necesarul de azot). Dar este și dificil: atunci când este combinată cu apa, ureea se transformă în amoniac, care conferă urinei mirosul caracteristic. Dacă nu este activat, amoniacul poate mirosi, polua aerul și poate prelua azot valoros. Catalizată de enzima omniprezentă urează, această reacție, numită hidroliză a ureei, poate dura câteva microsecunde, ceea ce face ca urează să fie una dintre cele mai eficiente enzime cunoscute.
Unele metode permit continuarea hidrolizei. Cercetătorii Eawag au dezvoltat un proces avansat care transformă urina hidrolizată într-o soluție nutritivă concentrată. Mai întâi, în acvariu, microorganismele transformă amoniacul volatil în nitrat de amoniu nevolatil, un îngrășământ comun. Distilerul concentrează apoi lichidul. O filială numită Vuna, cu sediul tot în Dübendorf, lucrează la comercializarea unui sistem pentru clădiri și a unui produs numit Aurin, care a fost aprobat în Elveția pentru plantele alimentare pentru prima dată în lume.
Alții încearcă să oprească reacția de hidroliză prin creșterea sau scăderea rapidă a pH-ului urinei, care este de obicei neutru atunci când este excretată. Pe campusul Universității din Michigan, Love colaborează cu organizația non-profit Earth Abundance Institute din Brattleboro, Vermont, pentru a dezvolta un sistem pentru clădiri care elimină acidul citric lichid din toaletele cu deviere și toaletele fără apă. Apa erupe din pisoare. Urina este apoi concentrată prin congelare și decongelare repetate.
O echipă SLU, condusă de inginerul de mediu Bjorn Winneros, din insula Gotland, a dezvoltat o metodă de a usca urina în uree solidă amestecată cu alți nutrienți. Echipa evaluează cel mai recent prototip al lor, o toaletă independentă cu uscător încorporat, la sediul companiei suedeze de apă și canalizare VA SYD din Malmö.
Alte metode vizează nutrienții individuali din urină. Acestea ar putea fi integrate mai ușor în lanțurile de aprovizionare existente pentru îngrășăminte și substanțe chimice industriale, spune inginerul chimist William Tarpeh, fost cercetător postdoctoral la Love's, care lucrează acum la Universitatea Stanford din California.
O metodă obișnuită de restaurare a fosforului din urina hidrolizată este adăugarea de magneziu, care provoacă precipitarea unui îngrășământ numit struvit. Tarpeh experimentează cu granule de material adsorbant care pot elimina selectiv azotul sub formă de amoniac6 sau fosforul sub formă de fosfat. Sistemul său folosește un fluid diferit numit regenerant, care curge prin baloane după ce acestea se termină. Regenerantul preia nutrienții și reînnoiește bilele pentru runda următoare. Aceasta este o metodă pasivă, cu tehnologie redusă, dar regeneratele comerciale sunt dăunătoare pentru mediu. Acum, echipa sa încearcă să fabrice produse mai ieftine și mai ecologice (vezi „Poluarea viitorului”).
Alți cercetători dezvoltă modalități de generare a energiei electrice prin plasarea urinei în pile de combustie microbiene. În Cape Town, Africa de Sud, o altă echipă a dezvoltat o metodă de fabricare a cărămizilor de construcție neconvenționale prin amestecarea urinei, nisipului și bacteriilor producătoare de urează într-o matriță. Acestea se calcifică în orice formă fără ardere. Agenția Spațială Europeană ia în considerare urina astronauților ca resursă pentru construirea de locuințe pe Lună.
„Când mă gândesc la viitorul larg al reciclării urinei și al reciclării apelor uzate, vrem să putem produce cât mai multe produse posibil”, a spus Tarpeh.
Pe măsură ce cercetătorii urmăresc o serie de idei pentru comercializarea urinei, știu că este o luptă dificilă, mai ales pentru o industrie înrădăcinată. Companiile de îngrășăminte și alimente, fermierii, producătorii de toalete și autoritățile de reglementare au fost lente în a face schimbări semnificative în practicile lor. „Există multă inerție aici”, a spus Simcha.
De exemplu, la Universitatea din California, Berkeley, instalația de cercetare și educație a LAUFEN economisește! Aceasta include cheltuieli pentru arhitecți, construcții și respectarea reglementărilor municipale - iar acest lucru nu s-a încheiat încă, a declarat Kevin Ona, inginer de mediu care lucrează acum la Universitatea West Virginia din Morgantown. El a spus că lipsa codurilor și reglementărilor existente a creat probleme pentru gestionarea instalațiilor, așa că s-a alăturat grupului care elabora noi coduri.
O parte din inerție se poate datora fricii de rezistența cumpărătorilor, dar un sondaj din 2021 realizat pe 16 țări7 a constatat că în locuri precum Franța, China și Uganda, disponibilitatea de a consuma alimente fortificate cu urină era aproape de 80% (vezi „Oare oamenii le vor mânca?”).
Pam Elardo, care conduce Administrația Apelor Uzate în calitate de administrator adjunct al Agenției pentru Protecția Mediului din New York, a declarat că susține inovații precum devierea urinei, deoarece obiectivele cheie ale companiei sale sunt reducerea poluării și reciclarea resurselor. Ea se așteaptă ca, pentru un oraș precum New York, cea mai practică și rentabilă metodă de deviere a urinei să fie sistemele independente de rețea în clădirile modernizate sau noi, completate de operațiuni de întreținere și colectare. Dacă inovatorii pot rezolva o problemă, „ar trebui să funcționeze”, a spus ea.
Având în vedere aceste progrese, Larsen prezice că producția în masă și automatizarea tehnologiei de deviere a urinei ar putea fi aproape. Acest lucru va îmbunătăți argumentele comerciale pentru această tranziție către gestionarea deșeurilor. Devierea urinei „este tehnica corectă”, a spus ea. „Aceasta este singura tehnologie care poate rezolva problemele legate de alimentația acasă într-un timp rezonabil. Dar oamenii trebuie să se decidă.”
Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. și Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. și Love, NG Environ.Hilton, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. și Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. și Love, NG Environ. Hilton, SP, Keoleian, GA, Daigger, GT, Zhou, B. și Love, NG Environ.Hilton, SP, Keoleyan, GA, Digger, GT, Zhou, B. și Love, NG Environ.știința. tehnologia. 55, 593–603 (2021).
Sutherland, K. și colab. Golirea amprentelor unei toalete cu deviere. Faza 2: Lansarea Planului de validare UDDT al orașului eThekwini (Universitatea din KwaZulu-Natal, 2018).
Mkhize, N., Taylor, M., Udert, KM, Gounden, TG & Buckley, CAJ Water Sanit. Mkhize, N., Taylor, M., Udert, KM, Gounden, TG & Buckley, CAJ Water Sanit.Mkhize N, Taylor M, Udert KM, Gounden TG. și Buckley, CAJ Water Sanit. Mkhize, N., Taylor, M., Udert, KM, Gounden, TG & Buckley, CAJ Water Sanit. Mkhize, N., Taylor, M., Udert, KM, Gounden, TG & Buckley, CAJ Water Sanit.Mkhize N, Taylor M, Udert KM, Gounden TG. și Buckley, CAJ Water Sanit.Managementul Schimburilor 7, 111–120 (2017).
Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Churli, S. Angue. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew。 Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew。 Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Churli, S. Angue.Chimic. International Paradise English. 58, 7415–7419 (2019).
Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Ing. Noe-Hays , A. , Homeyer , RJ , Davis , AP & Love , NG ACS EST Engg . Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Ing. Noe-Hays , A. , Homeyer , RJ , Davis , AP & Love , NG ACS EST Engg . Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Engg. Noe-Hays , A. , Homeyer , RJ , Davis , AP & Love , NG ACS EST Engg . Noe-Hays, A., Homeyer, RJ, Davis, AP & Love, NG ACS EST Ing. Noe-Hays , A. , Homeyer , RJ , Davis , AP & Love , NG ACS EST Engg .https://doi.org/10.1021/access.1c00271 (2021 г.).