Моча является отличным сырьем. Отделение ее от остальных сточных вод и ее переработка могут решить многочисленные экологические проблемы. Но готов ли мир к этому?
На Готланде, крупнейшем острове Швеции, не хватает пресной воды. В то же время жители острова борются с последствиями сточных вод от сельского хозяйства и канализационной системы. В окружающем Балтийском море они вызывают вредоносное цветение водорослей, которые, в свою очередь, могут убивать рыбу и вызывать болезни у людей. Чтобы справиться с этими проблемами, остров теперь полагается на вещество, которое объединяет все аспекты загрязнения: человеческую мочу.
С 2021 года группа исследователей сотрудничает с местной компанией, которая сдает в аренду мобильные туалеты. Цель проекта - собрать более 70 000 литров мочи из безводных писсуаров и специальных туалетов в нескольких местах в течение трех летних периодов во время активного туристического сезона. Группа ученых из Шведского университета сельскохозяйственных наук (SLU) в Уппсале создала компанию под названием Sanitation360. Используя процесс, разработанный самими учеными, они сушат мочу, создавая куски, похожие на бетон; затем их измельчают в порошок и прессуют в удобрительные гранулы, которые помещаются в имеющееся в продаже сельскохозяйственное оборудование. Местный фермер использует такое "удобрение из мочи" для выращивания ячменя. Оно, в свою очередь, используется местным пивоваренным заводом для производства пива, которое после употребления может быть возвращено в цикл через разделительные туалеты.
Теперь исследователи из Уппсалы хотят сделать повторное использование мочи практичным в больших масштабах, как объясняет Притхви Симха, инженер SLU и главный технический директор Sanitation360. Идея заключается в том, чтобы создать шаблон, которому смогут следовать другие регионы по всему миру. "Цель состоит в том, чтобы все и везде могли использовать эти процессы", - говорит Симха.
"Моча - ценное сырье"
Линн Броддус, биолог
Проект на Готланде является частью серии аналогичных работ по всему миру, направленных на отделение мочи от остальных сточных вод и переработку ее в такие продукты, как удобрения. Исследованиями по разделению мочи занимаются, в частности, группы специалистов в США, Австралии, Швейцарии, Эфиопии и Южной Африке. Усилия выходят далеко за пределы университетских лабораторий. Вот лишь несколько примеров: В офисах в Орегоне и Нидерландах безводные писсуары подключаются к септическим системам в подвале. В Париже в 14-м округе планируется установить раздельные туалеты в своеобразном эко-квартале на 1000 жителей. А Европейское космическое агентство (ESA) планирует установить и ввести в эксплуатацию 80 разделительных туалетов в своих зданиях до конца 2022 года.
Сторонники технологии утверждают, что разделение мочи можно использовать во многих других местах - от временных военных аванпостов до лагерей беженцев, от центров городов до разросшихся трущоб. По мнению многих исследователей, этот процесс имеет огромные преимущества для окружающей среды и здоровья населения, если будет использоваться в глобальном и крупном масштабе: моча богата питательными веществами, которые можно использовать для удобрения сельскохозяйственных культур или в промышленных процессах вместо того, чтобы загрязнять водоемы. По оценкам Симхи, человек производит достаточно мочи, чтобы заменить около четверти всех существующих в мире азотных и фосфорных удобрений; кроме того, моча человека содержит калий и многие микроэлементы. И если не спускать мочу в канализацию, можно сэкономить большое количество воды и разгрузить канализационные системы.
Благодаря достижениям в области проектирования и производства туалетов и переработки мочи многие компоненты для разделения мочи вскоре могут быть готовы к широкомасштабному использованию. Однако все еще существует ряд препятствий, которые необходимо преодолеть, начиная с улучшения конструкции туалетов для разделения мочи и заканчивая упрощением процесса переработки мочи и превращения ее в полезные продукты. Например, обработка может происходить либо на химических заводах, непосредственно в индивидуальных туалетах, либо в подвальных помещениях, обслуживающих целые здания, с соответствующими службами сбора и обслуживания. Кроме того, остается вопрос, примут ли люди продукты, для производства которых используется переработанная моча.
Всего 100 лет назад моча была настоящим универсалом.
"Выделение и повторное использование мочи требует радикального переосмысления гигиены человека", - говорит Линн Броддус, биолог и консультант по вопросам устойчивого развития из Миннеаполиса, штат Миннесота. Однако такое переосмысление становится все более важным по мере того, как в сельском хозяйстве и промышленности становится все меньше энергии, воды и сырья. "Факт в том, что моча - ценное сырье", - объясняет Броддус.
Было время, когда моча считалась ценным сырьем во многих обществах. Например, ее традиционно использовали для удобрения сельскохозяйственных культур, дубления кожи, стирки одежды и изготовления пороха. Но затем, в конце 19-го - начале 20-го веков, в Англии появилась современная модель централизованного удаления сточных вод, которая быстро распространилась по всему миру. После этого во многих культурах наступила своего рода "мочевая слепота".
С тех пор моча, фекалии и туалетная бумага сбрасываются со смывными туалетами в канализацию, где они смешиваются с другими жидкостями, поступающими от домохозяйств, промышленности и иногда с дождевой водой. На центральных очистных сооружениях сточные воды очищаются в ходе энергоемкого процесса с помощью микробов. Однако, в зависимости от местных норм и состояния очистных сооружений, сточные воды после очистки могут по-прежнему содержать большое количество азота, а также другие питательные и загрязняющие вещества. Кроме того, 57 процентов населения Земли до сих пор не подключены к централизованным канализационным системам.
Исследователи работают над тем, как сделать системы центральной канализации более устойчивыми и экологичными. Но с 1990-х годов эксперты из Швеции, в частности, настаивают на более фундаментальных изменениях. В исследовании, посвященном моделированию систем управления сточными водами в трех штатах США, инженер-эколог Нэнси Лав из Мичиганского университета в Энн-Арборе и ее коллеги сравнили обычные системы с гипотетическими, которые перерабатывают мочу и используют восстановленные питательные вещества для замены синтетических удобрений. По расчетам группы, сообщества, в которых используется система разделения мочи, могли бы сократить выбросы парниковых газов на 47 процентов, потребление энергии - на 41 процент, использование пресной воды - примерно на 50 процентов, а нагрузку питательных веществ из сточных вод - на 64 процента, в зависимости от технологии. Тем не менее, концепция туалета с разделением мочи до сих пор существовала в нише и используется только в автономных местах, таких как северные европейские экодеревни, сельские районы и районы с низким уровнем дохода.
Ворсистые и неудобные в использовании: недостатки первых раздельных туалетов
"Медленные изменения во многом обусловлены самими туалетами", - говорит Тове Ларсен, инженер-химик из Швейцарского федерального института водных наук и технологий (Eawag) в Дюбендорфе, Швейцария. Большинство раздельных туалетов, появившихся на рынке в 1990-х и 2000-х годах, имеют спереди небольшую раковину для сбора жидкости, что требует определенной меткости при мочеиспускании. Другие конструкции оснащены ножным конвейером, который направляет фекалии в контейнер для компостирования, в то время как моча стекает. Еще одни оснащены датчиками, которые управляют клапанами, направляющими мочу в отдельные стоки. Однако в европейских пилотных проектах эти туалеты не понравились пользователям, сообщает Ларсен. Они слишком громоздкие, слишком душные, слишком ненадежные для людей.
Подобные опасения сопровождали и первое крупномасштабное использование раздельных туалетов в южноафриканском муниципалитете Этеквини. После окончания апартеида границы муниципалитетов в ЮАР расширились одним махом. "В результате у властей внезапно появилась ответственность за бедные сельские районы, где не было туалетной инфраструктуры, а также плохое снабжение пресной водой", - объясняет Энтони Одили, занимающийся исследованиями в области санитарии в Университете Квазулу-Натал в Дурбане. После вспышки холеры в августе 2000 года власти спешно установили различные виды санитарных сооружений, в том числе около 80 000 сухих туалетов с разделением мочи, большинство из которых используются до сих пор. В этих туалетах с первым отделением моча стекает в землю под сиденьем, а фекалии попадают в большой бак, который муниципалитет опорожняет только раз в пять лет, начиная с 2016 года.
"Некоторые люди уже не могли нормально дышать, когда ходили в туалет".
Энтони Одили, эксперт по канализации.
По словам Одили, проект помог повысить безопасность санитарных объектов в регионе. Однако социологическое исследование выявило целый ряд проблем с этими объектами. Например, большинство людей считают, что раздельные туалеты лучше, чем вообще ничего. Но исследования, в том числе и те, в которых участвовал сам Одили, показывают, что многим не очень нравятся туалеты, отчасти потому, что они сделаны из низкокачественных материалов и громоздки в использовании. И хотя раздельные туалеты теоретически должны предотвращать появление неприятного запаха, моча продолжает попадать в резервуар, где от нее исходит ужасное зловоние. "Некоторые люди даже не могли нормально дышать, когда ходили в туалет", - говорит Одили. Более того, собранная моча оставалась практически неиспользованной".
В конечном итоге решение об использовании сухих туалетов с разделением мочи было принято с учетом интересов общественного здравоохранения, без учета предпочтений людей, резюмирует Одили. Исследование 2017 года показало, что более 95 процентов респондентов в Этеквини хотели бы иметь удобные смывные туалеты без запаха, которые есть у городских белых людей, - многие также выразили намерение установить такой стандартный тип туалета, как только позволят обстоятельства.
Поэтому, чтобы помочь унитазу со смывом совершить прорыв, может понадобиться новый дизайн. В 2017 году под руководством дизайнера Харальда Грюндля и в сотрудничестве с Ларсеном и другими исследователями австрийская дизайн-студия EOOS (сейчас она преобразована в компанию EOOS Next) представила концепцию раздельного туалета, в котором пользователям больше не нужно целиться, а отделение мочи практически незаметно.
Новая система использует так называемый эффект чайника: он основан на склонности воды прилипать к поверхностям. В разделительном туалете от EOOS он заставляет мочу стекать по передней внутренней части унитаза в отдельное отверстие. Эта "ловушка для мочи" была разработана при финансовой поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс из Сиэтла. Мочеуловитель от EOOS может быть установлен во всех типах унитазов, от высококачественных керамических моделей с пьедесталом до пластикового трона. Швейцарский производитель LAUFEN уже выпускает для европейского рынка унитаз с разделением, основанный на этой концепции. Однако маленький унитаз под названием "save!" все еще слишком дорог для массового рынка.
Университет Квазулу-Натал и муниципалитет Этеквини также начали испытания туалетов-ловушек для мочи, которые отделяют мочу и смывают твердые частицы. На этот раз исследователи также учитывают потребности пользователей. Одили оптимистичен в том, что люди предпочтут новые раздельные туалеты старым, главным образом потому, что они лучше пахнут и проще в использовании. Но он также отмечает, что мужчинам придется садиться для мочеиспускания, что станет большим культурным изменением в Южной Африке. Поэтому, конечно, было бы полезно, если бы туалеты распространились в более богатых регионах с большим разнообразием населения - чтобы избежать впечатления, что они предназначены только для чернокожих или для бедных людей.
Куда девать выделенную мочу?
Отделение мочи от других экскрементов - это только первый шаг в преобразовании санитарии. Второй - использовать ее с пользой. Например, в сельских районах мочу можно хранить в бочках, чтобы уничтожить болезнетворные бактерии, а затем использовать в качестве удобрения на полях. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) уже разработала рекомендации по такому применению. В городах ситуация сложнее. Именно там производится большая часть мочи. Прокладывать отдельные канализационные трубы для отвода мочи в центральное место было бы слишком дорого. Но и хранить и транспортировать ее было бы дорого. Поскольку моча на 95 процентов состоит из воды, ее можно, например, концентрировать. На самом деле, исследовательские группы уже работают над тем, чтобы сушить мочу уже в туалете или в здании и оставлять лишнюю воду.
"Все не так просто", - говорит Ларсен. С технической точки зрения, моча - это "очень плохая смесь". Помимо воды, она состоит в основном из мочевины, богатого азотом соединения, которое организм вырабатывает как побочный продукт белкового обмена. Мочевина полезна сама по себе: искусственно полученная, она используется в качестве удобрения уже более 100 лет. Но у нее есть и свои подводные камни. При соединении с водой она быстро превращается в газообразный аммиак, который придает моче характерный запах. Аммиак воняет, загрязняет воздух и удаляет полезный азот из мочевины. Этот процесс катализируется уреазой - одним из самых эффективных ферментов.
Тем не менее, некоторые подходы позволяют гидролизу идти своим чередом. Например, исследователи из Eawag разработали новый процесс получения концентрированного питательного раствора из гидролизованной мочи. Сначала микроорганизмы в резервуаре превращают летучий аммиак в нелетучий нитрат аммония - еще одно распространенное удобрение. Затем жидкость концентрируется в дистилляторе. Компания Vuna из Дюбендорфа работает над коммерциализацией системы для использования в зданиях и продвигает полученный продукт под названием Aurin. В Швейцарии Aurin уже одобрен для использования в выращивании продуктов питания - это первый случай в мире.
Другие группы пытаются остановить реакцию гидролиза. Этого можно достичь, например, путем повышения или понижения рН мочи сразу после мочеиспускания. В кампусе Мичиганского университета разрабатывается система для зданий, в которых лимонная кислота впрыскивается в трубы разделительного туалета и безводного писсуара. Затем моча концентрируется путем многократного замораживания и оттаивания.
Команда SLU из Готланда под руководством инженера-эколога Бьорна Виннероса, напротив, разработала процесс, который высушивает мочу до состояния твердой мочевины, которую можно смешивать с другими питательными веществами. В настоящее время команда тестирует свой последний прототип: туалет со встроенной сушилкой. Этот туалет с сушилкой установлен в штаб-квартире шведской компании по водоснабжению и водоотведению VA SYD в Мальме.
Электричество и кирпичи из мочи
Существуют также процессы, направленные на получение отдельных питательных веществ из мочи. После извлечения они могут легче вписаться в существующие цепочки поставок удобрений и промышленных химикатов, говорит инженер-химик Уильям Тарпех из Стэнфордского университета в Калифорнии. Тарпе экспериментирует с адсорбционными бусинами, которые избирательно поглощают азот в форме аммиака или фосфор в форме фосфата. После насыщения его система использует регенерат - жидкость, которая течет по бусинам, вымывая поглощенные питательные вещества. Однако имеющиеся в настоящее время в продаже регенераты вредны для окружающей среды. Поэтому команда Тарпе пытается создать более дешевые и экологичные регенераты.
Другие исследовательские группы хотят использовать мочу для выработки электроэнергии, помещая вещество в микробные топливные элементы. В Кейптауне, Южная Африка, группа исследователей даже разработала метод изготовления кирпича из мочи. Для этого ее смешивают с песком и бактериями, вырабатывающими уреазу, чтобы получить вещество, которому можно придать любую форму без обжига. А ЕКА рассматривает мочу астронавтов как возможный ресурс для строительства среды обитания на Луне.
Несмотря на множество вариантов использования мочи, промышленность вряд ли согласится на эти изменения без сопротивления. Компании, производящие удобрения и продукты питания, фермеры, производители туалетов и регулирующие органы не спешат менять свои подходы. "Существует довольно большая инерция", - говорит Симха. В Калифорнийском университете в Беркли, например, установка туалета LAUFEN-save! для исследовательских и образовательных целей, включая сливную трубу в накопительный бак на этаже ниже, заняла почти три года и обошлась более чем в 50 000 долларов США. В эту сумму входит оплата услуг архитекторов, самих строительных работ и проверки городских норм, говорит инженер-эколог Кевин Орнер, который сейчас работает в Университете Западной Вирджинии в Моргантауне. Но туалет все еще не закончен - отсутствие адекватных правил и норм привело к проблемам со строительной администрацией, говорит Орнер.
Да и конечные потребители могут скептически относиться к использованию удобрений, сделанных из человеческой мочи. Однако, по крайней мере, в некоторых странах, таких как Франция, Китай и Уганда, готовность потреблять продукты, удобренные мочой, приближается к 80 процентам, согласно исследованию 2021 года.
Ларсен считает, что массовое производство технологий разделения мочи неизбежно в свете последних достижений. Это значительно улучшит обработку сточных вод. "Отделение мочи - это правильная технология", - говорит Ларсен. Людям просто нужно принять ее".
