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Chelsea Wold è una giornalista freelance che vive all'Aia, nei Paesi Bassi, e autrice di Daydream: An Urgent Global Quest to Change Toilets.
Sistemi igienici specializzati estraggono azoto e altri nutrienti dall'urina, che vengono utilizzati come fertilizzanti e altri prodotti. Crediti immagine: MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
Gotland, l'isola più grande della Svezia, ha poca acqua dolce. Allo stesso tempo, i residenti sono alle prese con pericolosi livelli di inquinamento provenienti dall'agricoltura e dagli impianti fognari, che causano una proliferazione di alghe nocive nel Mar Baltico. Possono uccidere i pesci e causare malattie.
Per contribuire a risolvere questa serie di problemi ambientali, l'isola ripone le sue speranze nell'unica improbabile sostanza che li lega: l'urina umana.
A partire dal 2021, il team di ricerca ha iniziato a collaborare con un'azienda locale che noleggia bagni chimici. L'obiettivo è raccogliere oltre 70.000 litri di urina in un periodo di 3 anni in orinatoi senza acqua e bagni dedicati in diverse località durante la stagione turistica estiva. Il team proveniva dall'Università svedese di scienze agrarie (SLU) di Uppsala, che ha fondato un'azienda chiamata Sanitation360. Utilizzando un processo sviluppato dai ricercatori, hanno essiccato l'urina in blocchi simili a cemento, che hanno poi macinato in polvere e pressato in granuli di fertilizzante adatti alle normali attrezzature agricole. Gli agricoltori locali utilizzano il fertilizzante per coltivare l'orzo, che viene poi inviato ai birrifici per produrre birra che può essere reinserita nel ciclo dopo il consumo.
Prithvi Simha, ingegnere chimico presso la SLU e CTO di Sanitation360, ha affermato che l'obiettivo dei ricercatori è "andare oltre il concetto e mettere in pratica" il riutilizzo dell'urina su larga scala. L'obiettivo è fornire un modello che possa essere emulato in tutto il mondo. "Il nostro obiettivo è che tutti, ovunque, facciano questo esercizio".
In un esperimento a Gotland, l'orzo fertilizzato con urina (a destra) è stato confrontato con piante non fertilizzate (al centro) e con fertilizzanti minerali (a sinistra). Crediti immagine: Jenna Senecal.
Il progetto Gotland fa parte di un analogo progetto mondiale per separare l'urina da altre acque reflue e riciclarla in prodotti come i fertilizzanti. La pratica, nota come "diversione dell'urina", è oggetto di studio da parte di gruppi negli Stati Uniti, in Australia, Svizzera, Etiopia e Sudafrica, tra gli altri. Questi sforzi vanno ben oltre i laboratori universitari. Gli orinatoi senza acqua sono collegati ai sistemi di smaltimento delle acque reflue negli uffici in Oregon e nei Paesi Bassi. Parigi prevede di installare servizi igienici con funzione di deviazione dell'urina in una ecozona di 1.000 residenti in costruzione nel 14° arrondissement della città. L'Agenzia Spaziale Europea installerà 80 servizi igienici presso la sua sede centrale di Parigi, che entreranno in funzione entro la fine dell'anno. I sostenitori della deviazione dell'urina affermano che potrebbe trovare impiego in luoghi che vanno dagli avamposti militari improvvisati ai campi profughi, dai centri urbani benestanti alle baraccopoli più estese.
Gli scienziati affermano che la deviazione dell'urina, se implementata su larga scala in tutto il mondo, potrebbe apportare enormi benefici all'ambiente e alla salute pubblica. Ciò è dovuto in parte al fatto che l'urina è ricca di nutrienti che non inquinano i corpi idrici e possono essere utilizzati per fertilizzare le colture o nei processi industriali. Simha stima che gli esseri umani producano urina a sufficienza per sostituire circa un quarto degli attuali fertilizzanti azotati e fosfatici nel mondo; contiene anche potassio e molti oligoelementi (vedi "Componenti presenti nell'urina"). Soprattutto, non gettando l'urina nello scarico, si risparmia molta acqua e si riduce il carico su un sistema fognario obsoleto e sovraccarico.
Secondo gli esperti del settore, molti componenti per la deviazione dell'urina potrebbero presto essere ampiamente disponibili grazie ai progressi nei servizi igienici e nelle strategie di smaltimento dell'urina. Ma ci sono anche grandi ostacoli al cambiamento radicale in uno degli aspetti più fondamentali della vita. Ricercatori e aziende devono affrontare una miriade di sfide, dal miglioramento della progettazione dei servizi igienici per la deviazione dell'urina alla semplificazione del trattamento dell'urina e della sua trasformazione in prodotti di valore. Questo può includere sistemi di trattamento chimico collegati ai singoli servizi igienici o apparecchiature del seminterrato che servono l'intero edificio e forniscono servizi per il recupero e la manutenzione del prodotto concentrato o indurito risultante (vedi "Dall'urina al prodotto"). Inoltre, ci sono questioni più ampie di cambiamento e accettazione sociale, legate sia ai diversi gradi di tabù culturali associati ai rifiuti umani, sia a convenzioni radicate sui sistemi di trattamento delle acque reflue industriali e alimentari.
Mentre la società si confronta con la carenza di energia, acqua e materie prime per l'agricoltura e l'industria, la deviazione e il riutilizzo dell'urina rappresentano "una sfida importante per il modo in cui forniamo servizi igienico-sanitari", afferma il biologo Lynn Broaddus, consulente per la sostenibilità di Minneapolis. "Un settore che diventerà sempre più importante". Broaddus, originario del Minnesota, è stato presidente dell'Aquatic Federation di Alexandria, in Virginia, un'associazione mondiale di professionisti della qualità dell'acqua. "In realtà è qualcosa di prezioso".
Un tempo, l'urina era una merce preziosa. In passato, alcune società la usavano per fertilizzare i raccolti, produrre cuoio, lavare i vestiti e polvere da sparo. Poi, tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo, il modello moderno di gestione centralizzata delle acque reflue nacque in Gran Bretagna e si diffuse in tutto il mondo, culminando nella cosiddetta cecità urinaria.
In questo modello, i servizi igienici utilizzano l'acqua per drenare rapidamente urina, feci e carta igienica nello scarico, mescolati ad altri fluidi provenienti da fonti domestiche, industriali e talvolta da scarichi pluviali. Negli impianti di trattamento delle acque reflue centralizzati, i processi ad alto consumo energetico utilizzano microrganismi per trattare le acque reflue.
A seconda delle norme locali e delle condizioni dell'impianto di trattamento, le acque reflue scaricate da questo processo possono contenere ancora quantità significative di azoto e altri nutrienti, nonché altri contaminanti. Il 57% della popolazione mondiale non è affatto collegato a un sistema fognario centralizzato (vedere "Fognature umane").
Gli scienziati stanno lavorando per rendere i sistemi centralizzati più sostenibili e meno inquinanti, ma a partire dalla Svezia negli anni '90, alcuni ricercatori stanno spingendo per cambiamenti più radicali. I progressi alla fine del processo sono "solo un'altra evoluzione della stessa dannata cosa", ha affermato Nancy Love, ingegnere ambientale presso l'Università del Michigan ad Ann Arbor. Deviare l'urina sarà "trasformativo", afferma. Nello Studio 1, che ha simulato sistemi di gestione delle acque reflue in tre stati degli Stati Uniti, lei e i suoi colleghi hanno confrontato i sistemi di trattamento delle acque reflue convenzionali con ipotetici sistemi di trattamento delle acque reflue che deviano l'urina e utilizzano nutrienti recuperati al posto di fertilizzanti sintetici. Stimano che le comunità che utilizzano la deviazione dell'urina possano ridurre le emissioni complessive di gas serra del 47%, il consumo di energia del 41%, il consumo di acqua dolce di circa la metà e l'inquinamento da nutrienti delle acque reflue del 64%. tecnologia utilizzata.
Tuttavia, il concetto rimane di nicchia e in gran parte limitato ad aree autonome come gli eco-villaggi scandinavi, le periferie rurali e gli sviluppi nelle aree a basso reddito.
Tove Larsen, ingegnere chimico presso l'Istituto Federale Svizzero per la Scienza e la Tecnologia delle Acque (Eawag) di Dübendorf, afferma che gran parte del ritardo è causato dalle toilette stesse. Introdotte sul mercato per la prima volta negli anni '90 e 2000, la maggior parte delle toilette con sistema di deviazione dell'urina ha una piccola vasca anteriore per raccogliere il liquido, un'impostazione che richiede un'attenta selezione. Altri modelli includono nastri trasportatori azionati a pedale che consentono all'urina di defluire mentre il letame viene trasportato al compost, oppure sensori che azionano valvole per convogliare l'urina verso un punto di scarico separato.
Un prototipo di toilette che separa l'urina e la essicca in polvere è in fase di test presso la sede centrale dell'azienda svedese di servizi idrici e fognari VA SYD a Malmö. Crediti immagine: EOOS NEXT
Ma nei progetti sperimentali e dimostrativi in ​​Europa, la gente non ne ha accolto l'uso, ha detto Larsen, lamentandosi che sono troppo ingombranti, maleodoranti e inaffidabili. "Siamo rimasti davvero scoraggiati dall'argomento dei servizi igienici".
Queste preoccupazioni hanno caratterizzato il primo utilizzo su larga scala di servizi igienici con sistema di deviazione dell'urina, un progetto nella città sudafricana di Ethekwini negli anni 2000. Anthony Odili, che studia gestione sanitaria presso l'Università del KwaZulu-Natal a Durban, ha affermato che l'improvvisa espansione dei confini post-apartheid della città ha portato le autorità a prendere il controllo di alcune aree rurali povere, prive di infrastrutture igieniche e idriche.
Dopo l'epidemia di colera dell'agosto 2000, le autorità hanno rapidamente installato diverse strutture igienico-sanitarie che soddisfacevano i vincoli finanziari e pratici, tra cui circa 80.000 latrine a secco con sistema di deviazione dell'urina, la maggior parte delle quali sono ancora in uso oggi. L'urina defluisce nel terreno da sotto la latrina e le feci finiscono in un deposito che la città svuota ogni cinque anni dal 2016.
Odili ha affermato che il progetto ha creato servizi igienici più sicuri nella zona. Tuttavia, la ricerca in scienze sociali ha individuato molti problemi con il programma. Nonostante l'idea che i bagni siano meglio di niente, studi, inclusi alcuni di quelli a cui ha partecipato, hanno poi dimostrato che gli utenti generalmente non li gradiscono, ha affermato Odili. Molti di essi sono costruiti con materiali di scarsa qualità e sono scomodi da usare. Sebbene tali bagni dovrebbero teoricamente prevenire i cattivi odori, l'urina nei bagni di eThekwini finisce spesso nel deposito fecale, creando un odore terribile. Secondo Odili, le persone "non riuscivano a respirare normalmente". Inoltre, l'urina non viene praticamente utilizzata.
In definitiva, secondo Odili, la decisione di introdurre servizi igienici a secco con sistema di deviazione dell'urina è stata presa dall'alto e non ha tenuto conto delle preferenze delle persone, principalmente per motivi di salute pubblica. Uno studio del 20173 ha rilevato che oltre il 95% degli intervistati di eThekwini desiderava avere accesso ai servizi igienici comodi e inodori utilizzati dai ricchi residenti bianchi della città, e molti avevano in programma di installarli quando le condizioni lo avrebbero consentito. In Sudafrica, i servizi igienici sono da tempo un simbolo di disuguaglianza razziale.
Tuttavia, il nuovo design potrebbe rappresentare una svolta nella deviazione urinaria. Nel 2017, sotto la guida del designer Harald Grundl, in collaborazione con Larsen e altri, lo studio di design austriaco EOOS (derivato da EOOS Next) ha lanciato un sifone per urina. Questo elimina la necessità di mirare e la funzione di deviazione dell'urina è quasi invisibile (vedi "Un nuovo tipo di WC").
Sfrutta la tendenza dell'acqua ad attaccarsi alle superfici (chiamato effetto bollitore perché si comporta come un gocciolatore scomodo) per convogliare l'urina dalla parte anteriore del water in un foro separato (vedere "Come riciclare l'urina"). Sviluppato con finanziamenti della Bill & Melinda Gates Foundation di Seattle, Washington, che ha sostenuto un'ampia gamma di ricerche sull'innovazione dei servizi igienici per i contesti a basso reddito, il sistema Urine Trap può essere integrato in qualsiasi cosa, dai modelli con piedistallo in ceramica di fascia alta ai water in plastica. Sviluppato con finanziamenti della Bill & Melinda Gates Foundation di Seattle, Washington, che ha sostenuto un'ampia gamma di ricerche sull'innovazione dei servizi igienici per i contesti a basso reddito, il sistema Urine Trap può essere integrato in qualsiasi cosa, dai modelli con piedistallo in ceramica di fascia alta ai water in plastica. Sviluppato con finanziamenti della Bill & Melinda Gates Foundation di Seattle, Washington, che ha sostenuto un'ampia gamma di ricerche innovative nel campo dei servizi igienici per le fasce a basso reddito, il sifone per l'urina può essere installato in qualsiasi modello, dai modelli con piedistalli in ceramica ai modelli con seduta in plastica.pentole. Sviluppato con finanziamenti della Bill & Melinda Gates Foundation di Seattle, Washington, che sostiene un'ampia ricerca sull'innovazione dei servizi igienici per le fasce di popolazione povera, il raccoglitore di urina può essere integrato in qualsiasi cosa, dai modelli di fascia alta in ceramica ai vassoi per WC in plastica.Il produttore svizzero LAUFEN ha già lanciato sul mercato europeo un prodotto chiamato "Save!", ma il suo costo è troppo elevato per molti consumatori.
Anche l'Università del KwaZulu-Natal e il Consiglio Comunale di eThekwini stanno testando versioni di servizi igienici con sifone per l'urina in grado di deviare l'urina e rimuovere il particolato. Questa volta, lo studio si concentra maggiormente sugli utenti. Odie è ottimista sul fatto che le persone preferiranno i nuovi servizi igienici con sifone per l'urina perché hanno un odore migliore e sono più facili da usare, ma osserva che gli uomini devono sedersi per urinare, il che rappresenta un enorme cambiamento culturale. Tuttavia, se i servizi igienici "vengono adottati e adottati anche dai quartieri ad alto reddito – da persone di diverse etnie – questo contribuirà davvero alla diffusione", ha affermato. "Dobbiamo sempre avere una prospettiva razziale", ha aggiunto, per assicurarci che non sviluppino qualcosa che sia visto come "solo per neri" o "solo per poveri".
La separazione dell'urina è solo il primo passo per trasformare i servizi igienico-sanitari. Il passo successivo è capire come intervenire. Nelle zone rurali, è possibile conservarla in tini per eliminare eventuali agenti patogeni e poi distribuirla sui terreni agricoli. L'Organizzazione Mondiale della Sanità raccomanda questa pratica.
Ma l'ambiente urbano è più complesso: è qui che viene prodotta la maggior parte dell'urina. Non sarebbe pratico costruire diverse fognature separate in tutta la città per convogliare l'urina in un unico punto centrale. E poiché l'urina è composta per circa il 95% da acqua, è troppo costosa da conservare e trasportare. Pertanto, i ricercatori si stanno concentrando sull'essiccazione, la concentrazione o l'estrazione dei nutrienti dall'urina a livello di un WC o di un edificio, lasciando acqua a disposizione.
Non sarà facile, ha detto Larson. Da un punto di vista ingegneristico, "l'urina è una pessima soluzione", ha detto. Oltre all'acqua, la maggior parte è urea, un composto ricco di azoto che l'organismo produce come sottoprodotto del metabolismo proteico. L'ureasi è utile da sola: la versione sintetica è un comune fertilizzante azotato (vedi Fabbisogno di Azoto). Ma è anche insidiosa: quando si combina con l'acqua, l'urea si trasforma in ammoniaca, che conferisce all'urina il suo odore caratteristico. Se non attivata, l'ammoniaca può emanare cattivo odore, inquinare l'aria e sottrarre prezioso azoto. Catalizzata dall'onnipresente enzima ureasi, questa reazione, chiamata idrolisi dell'urea, può durare diversi microsecondi, rendendo l'ureasi uno degli enzimi più efficienti conosciuti.
Alcuni metodi consentono all'idrolisi di continuare. I ricercatori dell'Eawag hanno sviluppato un processo avanzato che trasforma l'urina idrolizzata in una soluzione nutritiva concentrata. Innanzitutto, nell'acquario, i microrganismi convertono l'ammoniaca volatile in nitrato di ammonio non volatile, un fertilizzante comune. Il distillatore concentra quindi il liquido. Una filiale chiamata Vuna, anch'essa con sede a Dübendorf, sta lavorando alla commercializzazione di un sistema per edifici e di un prodotto chiamato Aurin, approvato in Svizzera per le piante alimentari per la prima volta al mondo.
Altri cercano di interrompere la reazione di idrolisi aumentando o diminuendo rapidamente il pH dell'urina, che di solito è neutro al momento dell'escrezione. Nel campus dell'Università del Michigan, Love collabora con l'organizzazione no-profit Earth Abundance Institute di Brattleboro, nel Vermont, per sviluppare un sistema per edifici che rimuova l'acido citrico liquido dai servizi igienici deviati e dai servizi igienici senza acqua. L'acqua fuoriesce dagli orinatoi. L'urina viene quindi concentrata mediante ripetuti cicli di congelamento e scongelamento.
Un team della SLU, guidato dall'ingegnere ambientale Bjorn Winneros, ha sviluppato sull'isola di Gotland un metodo per essiccare l'urina trasformandola in urea solida mescolata ad altri nutrienti. Il team sta valutando il suo ultimo prototipo, un water indipendente con asciugatrice integrata, presso la sede centrale dell'azienda svedese di servizi idrici e fognari VA SYD a Malmö.
Altri metodi prendono di mira i singoli nutrienti presenti nelle urine. Potrebbero essere integrati più facilmente nelle catene di approvvigionamento esistenti di fertilizzanti e prodotti chimici industriali, afferma l'ingegnere chimico William Tarpeh, ex borsista post-dottorato presso Love's e ora alla Stanford University in California.
Un metodo comune per ripristinare il fosforo dall'urina idrolizzata è l'aggiunta di magnesio, che causa la precipitazione di un fertilizzante chiamato struvite. Tarpeh sta sperimentando granuli di materiale assorbente in grado di rimuovere selettivamente l'azoto come ammoniaca6 o il fosforo come fosfato. Il suo sistema utilizza un fluido diverso, chiamato rigenerante, che scorre attraverso i palloncini una volta esauriti. Il rigenerante assorbe i nutrienti e rinnova i palloncini per il round successivo. Si tratta di un metodo passivo a bassa tecnologia, ma i rigenerati commerciali sono dannosi per l'ambiente. Ora il suo team sta cercando di realizzare prodotti più economici ed ecocompatibili (vedi "Inquinamento del futuro").
Altri ricercatori stanno sviluppando metodi per generare elettricità inserendo l'urina in celle a combustibile microbiche. A Città del Capo, in Sudafrica, un altro team ha sviluppato un metodo per realizzare mattoni da costruzione non convenzionali mescolando urina, sabbia e batteri produttori di ureasi in uno stampo. Questi mattoni si calcificano in qualsiasi forma senza cottura. L'Agenzia Spaziale Europea sta considerando l'urina degli astronauti come risorsa per la costruzione di abitazioni sulla Luna.
"Quando penso al futuro del riciclaggio dell'urina e delle acque reflue, vogliamo essere in grado di produrre quanti più prodotti possibile", ha affermato Tarpeh.
Mentre i ricercatori perseguono una serie di idee per la mercificazione dell'urina, sanno che si tratta di una battaglia in salita, soprattutto per un settore radicato. Aziende di fertilizzanti e alimenti, agricoltori, produttori di servizi igienici e autorità di regolamentazione sono stati lenti ad apportare modifiche significative alle loro pratiche. "C'è molta inerzia qui", ha detto Simcha.
Ad esempio, presso l'Università della California, Berkeley, l'impianto di ricerca e formazione LAUFEN save! include le spese per architetti, edifici e conformità alle normative comunali – e questo non è ancora stato fatto, ha affermato Kevin Ona, un ingegnere ambientale che ora lavora alla West Virginia University di Morgantown. Ha affermato che la mancanza di codici e regolamenti esistenti creava problemi alla gestione delle strutture, quindi si è unito al gruppo che stava sviluppando nuovi codici.
Parte dell'inerzia potrebbe essere dovuta alla paura della resistenza degli acquirenti, ma un sondaggio del 2021 condotto su persone in 16 paesi7 ha rilevato che in luoghi come Francia, Cina e Uganda la propensione a consumare cibo arricchito con urina era vicina all'80% (vedi 'La gente lo mangerà?').
Pam Elardo, a capo della Wastewater Administration in qualità di vicedirettore dell'Agenzia per la Protezione Ambientale della Città di New York, ha affermato di sostenere innovazioni come la deviazione dell'urina, poiché gli obiettivi principali della sua azienda sono ridurre ulteriormente l'inquinamento e riciclare le risorse. Si aspetta che per una città come New York, il metodo più pratico ed economico per deviare l'urina siano sistemi off-grid in edifici ristrutturati o di nuova costruzione, integrati da operazioni di manutenzione e raccolta. Se gli innovatori riescono a risolvere un problema, "dovrebbero impegnarsi", ha affermato.
Alla luce di questi progressi, Larsen prevede che la produzione di massa e l'automazione della tecnologia di deviazione dell'urina potrebbero non essere lontane. Ciò migliorerà le prospettive economiche per questa transizione verso la gestione dei rifiuti. La deviazione dell'urina "è la tecnica giusta", ha affermato. "Questa è l'unica tecnologia in grado di risolvere i problemi di alimentazione domestica in tempi ragionevoli. Ma le persone devono decidere".
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