分离尿液与其余污水，有可能缓解诸多棘手的环境问题。但要从根本上改造生活中的基本方面，却面临极大阻碍。本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Chelsea Wald，题图来自：视觉中国
瑞典最大的岛屿哥特兰岛（Gotland）淡水稀缺。与此同时，岛民们正在与大量危险的农业和下水道污染斗争。这些污染令周边波罗的海中的藻类大量生长，导致鱼类死亡、居民染病。
为解决这一系列环境问题，该岛将希望寄托在一种出人意料、却又将各个问题联系起来的东西上——人类尿液。
特制的厕所能从尿液中回收氮和营养物质，用来生产肥料或其他产品。来源：MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
自2021年起，一组研究人员开始同当地公司合作租售移动式便所。他们计划在三年内的夏日旅游旺季期间，通过设立于多个地点的无水便池和特制便所收集7万余升尿液。团队来自瑞典农业科学大学（SLU）。由该校脱离出来组建的一家名为Sanitation360的公司，使用研究人员开发出的工艺流程，将尿液干燥成混凝土状的大块，然后粉碎压制成适用于标准农业设备的肥料颗粒。当地农民用这些肥料种植大麦，收成后送往酿酒厂制成啤酒，而啤酒在被饮用后再次加入循环。
SLU化学工艺工程师和Sanitation360首席技术官Prithvi Simha说，研究人员的目标是将尿液再利用大规模地“从概念推及实践”，为世界各地提供效仿的模式。“我们的雄心是这个技术能惠及所有人、所有地方。”
哥特兰岛的实验对施用不同肥料的大麦进行比较：尿肥（右）、未施肥料（中）、矿物质肥料（左）。来源：Jenna Senecal
尿液分离（Urine Diversion），即从污水中分离尿液并回收制成肥料等产品的努力已在世界范围内推广，在哥特兰岛进行的项目正是其中之一。美国、澳大利亚、瑞士、埃塞俄比亚和南非等地的一些组织正在研究这种做法。
这些努力远远超出了大学实验室的范围：在俄勒冈州和荷兰，办公室的无水小便池接通地下室处理系统。在巴黎，一项计划将在该市第14区一个拥有1000名居民的生态住宅区安装尿液分离便器。欧洲航天局将在其巴黎总部安装80个尿液分离便器，于今年稍晚投入使用。支持者认为尿液分离的应用可涵盖临时军事哨所、难民营、富裕的城市中心，以及不断扩张的贫民区。
科学家表示，在全球范围内大规模部署尿液分流将会给环境和公共健康带来巨大好处。部分原因是尿液富含营养物质，可被用于农作物施肥或工业生产，而不是放任其污染水体。Simha估计，人类产生的尿液足以取代目前全球约四分之一的氮磷肥料；尿液还含钾和许多微量元素（见“尿液里有什么”）。此外，无需把尿液冲进下水道可以节约大量的水，并减少日益老化且超负荷运作的排污系统的压力。
来源：M. Qadir et al. Nat. Resour. Forum 44， 40–51 (2020)
该领域的专家称，由于便器和尿液处理策略的进步，尿液分流的许多组成部分或将很快得以推广。然而，从根本上改变这项最基本的生活“小事”还存在很大障碍。研究人员和企业需要解决一系列问题：从改善尿液分流便桶的设计，到如何使尿液更容易处理并转化为有价值的产品。这些问题将涉及到化学处理系统，它们连接单个便桶或服务于整个建筑的地下室设备，再者是对浓缩或固化的产物提供提取和维护服务（见“从尿液到产品”）。
随之而来的是更广泛的社会变革与接受的问题。这些问题既触及对于人类排泄物不同程度的文化禁忌，又有关工业污水和食物系统中根深蒂固的惯例。
美国明尼阿波利斯市的可持续发展顾问和生物学家 Lynn Broaddus表示，许多社会正在应对能源、水和工农业原材料的短缺，尿液分流和再利用将会日益重要，成为一种“对人类卫生的重新构想”。Lynn曾任弗吉尼亚州亚历山大市水环境联合会（Water Environment Federation）主席，该会聚集了全球的水质专业人士。“这其实是件很好的事。”她说。
混合废物
尿液在过去是一种有价值的商品。一些社会曾用它来给庄稼施肥、制革、洗衣和生产火药。19世纪末至20世纪初，现代集中式污水管理模式在英国兴起并传播到世界各地，最终导致“尿盲区（urine blindness）”现象。
在此模式中，抽水马桶用水将尿液、粪便和厕纸快速排入下水道，与其他来源（家庭、工业，有时是风暴径流）的液体混合。在中心处理厂，一项能源密集型的工艺利用微生物清洁污水。
根据当地法规和处理厂的条件，由这种工艺排放的废水可能仍含有大量的氮和其他营养物质，以及一些其他污染物。此外，世界上57%的人口根本没有连接到集中式下水道系统（见“人类污水”）。
来源：C. Tuholske 等人 PLoS ONE 16， e0258898 (2021)
科学家们正在努力提高集中系统的可持续性，同时减少其污染。然而从1990年代的瑞典开始，一些研究人员开始推动更彻底的变革。密歇根大学安娜堡分校的环境工程师Nancy Love说，管道末端处理的进步“不过是同一个破玩意儿的另一种演变”。她说，尿液分流将是“革命性的”。
在一项[1]模拟美国三个州的废水管理系统的研究中，她与同事将传统废水系统与使用尿液分流并回收营养物质来代替合成肥料的假设系统进行了比较。他们预计，具体取决于使用的技术，采用尿液分流的社区可降低多达47%的总温室气体排放量，降低能源消耗多达41%，降低约一半的淡水用量，降低废水营养物污染多达64%。
尿液分流的概念仍然还是小众的，大多受限于离网地区：如北欧的生态村、农村外屋和低收入环境下的开发项目。
杜本多夫的瑞士联邦水产科学与技术研究所（Aquatic Science and Technology，Eawag）的化学工程师Tove Larsen说，尿液分流技术滞后的大部分原因是便器自身造成的。90年代和00年代首次销售的大多数尿液分流便桶前都设有一个收集液体的小盆——这是个需要小心瞄准的设计。其他设计引入了脚踏式传送带，可在将粪便运至堆肥库的同时排出尿液，或使用传感器来操作阀门以将尿液引向单独的出口。
在瑞典公共水和废水公用事业公司VA SYD位于Malmö的总部，一台分离尿液并将其干燥成粉的马桶样机正在测试运行中。来源：EOOS NEXT
Larsen说，但在欧洲的先行示范项目中，人们没能接受这些产品，抱怨它们太笨重、难闻且不可靠。“这类马桶确实拖慢了进程。”
这些担忧持续困扰着尿液分流便所的第一次大规模使用——2000年在南非特科维尼的一个项目。德班夸祖鲁-纳塔尔大学研究卫生治理的Anthony Odili说，种族隔离结束后该市的边界突然扩大，当局因而接管了一些贫困农村地区。这些地区没有任何厕所设施且仅有少量供水服务。
2000年8月当地爆发霍乱后，当局迅速推出了几种符合财政和实际限制的卫生设施，包括大约8万个尿液分流干式便所，其大部分仍沿用至今。尿液从马桶下方排入土壤，粪便落入一个地窖，由该市自2016年以来每五年清空一次。
Odili说，该项目成功地在该地区建立了更安全的卫生设施。但社会科学研究却揭露出项目带来的诸多问题。尽管人们觉得这些厕所总比没有好，奥迪利说，多项研究——包括一些他参与的[2]——后来发现用户普遍不喜欢它们。许多便所都是用劣质材料建造的，使用起来很不方便。理论上此类便所应该防止异味，但特科维尼市厕所中的尿液常常与粪便一起进入地窖，臭气熏天。Odili说人们“无法正常呼吸”。除此之外，大部分尿液也没有得到利用。
Odili说，基于对公共健康考量而采用尿液分流干式厕所的决定终究是自上而下的，未能考虑人们的喜好。一项2017年的研究[3]发现，特科维尼逾 95%的受访者希望能用上城中富裕白人所用的方便、无味的抽水马桶——而且许多人打算要是条件允许就装。在南非，厕所长期以来是种族差异的一个象征。
一种新的设计可能为尿液分流带来突破。2017 年，在设计师Harald Gründl的带领下，奥地利设计公司EOOS（分拆自EOOS Next）与Larsen 等人合作推出了“尿阱”（Urine Trap）。这项设计无需用户瞄准，而且尿液分流功能几乎看不见（见“新式马桶”）。
来源：EOOS
它利用水倾向于附着在表面的特性（也称茶壶效应，就像茶水会顺着壶边滴下来），将尿液从便桶正面内侧引导到一个单独孔洞里。华盛顿州西雅图的比尔和梅琳达·盖茨基金会（Bill & Melinda Gates Foundation）资助开发“尿阱”，该基金会为低收入人群的厕所革新研究提供了大量支持。从高端陶瓷底座到塑料蹲便盆，“尿阱”可以被安装在任何便器上。总部位于瑞士的制造商LAUFEN已为欧洲市场生产一款名为“save!”的尿阱，不过对许多消费者来说这个产品还是太贵了。
夸祖鲁-纳塔尔省大学和特科维尼也一直在测试各式尿阱马桶，这些马桶将尿液分流并冲走固体。此次研究更关注于用户。Odili有信心人们会更喜欢新式尿液分流马桶，因为改善了气味问题，并且也更方便使用。他指出，男性因而不得不蹲下小便，这是一个巨大的文化转变。但他表示，如果这些便桶“在高收入地区——这里有来自不同种族的人——也被采用和接受，这将对推广有很大帮助”。“我们必须时常以种族视角检视。”他补充道，以防开发出的东西被视为“只为黑人”或“只为穷人”。
尿液的利用
分离尿液只是改变卫生状况的第一步，下一步是制定处理方法。在农村地区，人们会将尿液储存在大桶中以杀灭病原体，随后再将其用于田间。世界卫生组织已为这种做法提供了指南。
但城市的环境复杂得多——同时又是绝大部分尿液的来源。在城市中增加一套独立的下水管道以集中输送尿液是不现实的。而且由于尿液95%是水，储存和运输成本太高。因此，研究人员正专注于将来自马桶或整栋建筑物的尿液干燥、浓缩，或以其他方式提取营养物质，抛弃多余的水分。
Larsen说这很不容易。从工程学的角度来看，“尿液是一种惹人生厌的溶液”。除水之外最大的组分是尿素——一种富含氮的化合物，作为蛋白质代谢的副产物。尿素本身是有用的：合成尿素是常用的氮肥（见“氮需求”）。但棘手之处在于，尿素与水结合时会转化为氨气，产生尿液的特殊气味。若不加控制，臭烘烘的氨气会污染空气，并带走宝贵的氮。这个反应被称为尿素水解，在广泛存在的脲酶催化下仅需几微秒，脲酶因而成为已知的最高效的酶之一[4]。
来源：FAO
有些方法能让水解再往前走。Eawag的研究人员开发出一种先进工艺，能将水解的尿液转化为浓缩营养液。首先，在一个罐子里，让微生物将挥发性氨转化为非挥发的硝酸铵——一种常用肥料；再通过蒸馏器将液体浓缩。同样位于杜本多夫的一家叫Vuna的衍生公司，正努力实现用于建筑的系统及其产物的商业化。其产品Aurin已在瑞士被批准用于食用作物，成为世界首例。
另一些人则通过快速提高或降低尿液的pH值来阻止水解反应，排出体外的尿液一般是中性的。在密歇根大学的校园里，Love和佛蒙特州的非营利组织富地研究所（Rich Earth Institute）正在合作开发一种用于建筑的系统，该将柠檬酸液注入尿液分流马桶和无水便池的管道中，随后通过反复冻融来浓缩尿液[5]。
在环境工程师Björn Vinnerås的领导下，进行哥特兰岛项目的SLU团队已经成功将尿液干燥成混有其他营养物质的固体尿素。该团队正在瑞典公共水和废水公用事业公司VA SYD位于Malmö的总部评估其最新的马桶样机——一架内置烘干机的自给式马桶。
其他方法则着眼尿液中的个别营养素。化学工程师William Tarpeh表示，这些产品更容易加入现有的化肥和工业化学品供应链。Tarpeh曾是Love的博士后，目前在加州斯坦福大学工作。
从水解尿液中回收磷的一个已完善方法是添加镁，沉淀出一种叫做鸟粪石的肥料。Tarpeh正在由吸附材料构成的小球进行实验，选择性地以氨的形式提取出氮[6]，或以磷酸盐的形式提取出磷。他的系统使用另一种叫做“再生剂”的液体，在小球耗尽后流过小球，带走营养物质的同时还原珠子以用于下一轮吸收。这是一种技术要求低、被动式的方法，但商业再生剂会损害环境。他的团队正尝试制作成本更低、更环保的再生剂（见“未来的污染”）。
来源：P. J. T. M. van Puijenbroek et al. J. Environ. Mgmt 231， 446–456 (2019)
其他研究人员正在研发能利用尿液产生电能的微生物燃料电池。南非开普敦的另一支团队将尿液、沙子和生产尿素酶的细菌一并加入模具中，制造出一种非传统的建筑用砖，无需火烤就可将其可以钙化成任何形状。欧洲空间局（European Space Agency）也在关注将宇航员的尿液作为资源，用于在月球上建造居住区。
“当我思考尿液回收和废水回收的远大未来时，希望我们能够制造的产品越多越好。”Tarpeh说。
在探寻将尿液转化为商品的一系列想法的过程中，研究人员知道这是一场艰苦的战斗，尤其是要那些根深蒂固的行业转型。化肥和食品公司、农民、马桶制造商和监管方在改变他们的做法上步调缓慢。“存在着巨大的行业惯性”，Simha说。
例如，在加州大学伯克利分校，铺设用于研究和教育的LAUFEN save!马桶，包括通向地下储水箱的排水管，竟耗时近三年，耗资超过5万美元。西弗吉尼亚大学环境工程师Kevin Orner说，花费包含建筑师、建造和遵照市政法规的费用，而且项目至今还没有完成。他说，现有法规的缺失给设施管理带来麻烦，因此他正在参与制定相关新法规。
守旧的部分原因或许是担心顾客会抵制，但2021年对来自16个国家的受访者进行的一项调查[7]显示，在法国、中国和乌干达，有近80%的人愿意消费尿液施肥的食物。
领导废水处理局的纽约市环境保护署副局长Pam Elardo说，她支持尿液分流等创新，因为深入减少污染与回收资源是她职责的关键目标。她预计，对于纽约这类城市来说，最实用、成效最高的尿液分流方法是为翻新或新建建筑提供离网系统，辅以维护和收集工作。她说，如果创新者能解决这个问题，“他们就该放手去做。”
在这些进步的基础上，Larsen预测尿分流技术的大规模生产和自动化可能近在眼前。这将改进有关废物处理方式转变的商业案例。她说，尿液分流是“对的技术，且是唯一能在合理时间内处理产自家庭的营养物质的技术。但人们必须勇于尝试。”
参考文献：
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).
原文以The urine revolution: how recycling pee could help to save the world为标题发表在2022年2月9日《自然》的新闻特写版块上，© nature，doi: 10.1038/d41586-022-00338-6
本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Chelsea Wald