소변 혁명: 오줌 재활용이 세상을 구할 수 있는 방법

[이매진]

소변 혁명: 오줌 재활용이 세상을 구할 수 있는 방법

https://www.nature.com/articles/d41586-022-00338-6

나머지 하수에서 소변을 분리하면 몇 가지 어려운 환경 문제를 완화할 수 있지만 삶의 가장 기본적인 측면 중 하나를 근본적으로 재설계하는 데는 큰 장애물이 있습니다.

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  특수 화장실 시스템은 비료 및 기타 제품으로 사용하기 위해 소변에서 질소 및 기타 영양소를 회수합니다. 크레딧: MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT

  스웨덴에서 가장 큰 섬인 고틀란트(Gotland)에는 담수가 부족합니다. 동시에 주민들은 주변 발트해에 해로운 조류 번성을 일으키는 농업 및 하수도 시스템으로 인한 위험한 양의 오염과 싸우고 있습니다. 이것들은 물고기를 죽이고 사람들을 아프게 할 수 있습니다.

  이 일련의 환경 문제를 해결하는 데 도움을 주기 위해 이 섬은 인간의 소변이라는 가능성이 없는 단일 물질에 희망을 걸고 있습니다.

  2021년부터 연구원 팀은 이동식 화장실을 임대하는 현지 회사와 협력하기 시작했습니다. 목표는 붐비는 여름 관광 시즌 동안 여러 위치의 물이 없는 소변기와 특수 화장실에서 3년에 걸쳐 70,000리터 이상의 소변을 수집하는 것입니다. 이 팀은 Sanitation360이라는 회사를 분사한 웁살라에 있는 스웨덴 농업 과학 대학(SLU) 출신입니다. 연구원들이 개발한 과정을 사용하여 그들은 소변을 콘크리트 같은 덩어리로 건조시켜 가루로 만들고 표준 농기구에 맞는 비료 알갱이를 누릅니다. 지역 농부는 보리를 재배하기 위해 비료를 사용하여 양조장으로 보내 에일을 제조합니다. 이 보리는 소비 후 다시 순환에 들어갈 수 있습니다.

  SLU와 Sanitation360의 최고 기술 책임자(CTO)의 화학 공정 엔지니어인 Prithvi Simha는 연구원들이 "개념을 넘어서 실제적으로" 소변 재사용을 수행하는 것을 목표로 하고 있습니다. 목표는 전 세계 지역이 따를 수 있는 모델을 제공하는 것입니다. "야망은 모든 사람이 어디서나 이 연습을 하는 것입니다."

  

  Gotland 실험은 오줌으로 수정된 보리(오른쪽)를 비료 없이 재배한 식물(가운데)과 광물질 비료로 키운 식물(왼쪽)을 비교했습니다. 크레딧: Jenna Senecal

  Gotland 프로젝트는 나머지 하수에서 오줌을 분리하고 비료와 같은 제품으로 재활용하려는 전 세계적으로 유사한 노력의 일환입니다. 소변 전환으로 알려진 그 관행은 미국, 호주, 스위스, 에티오피아, 남아프리카 등 여러 곳에서 연구되고 있습니다. 이러한 노력은 대학 연구실의 한계를 훨씬 뛰어넘습니다. 물이 없는 소변기는 오리건과 네덜란드 사무실의 지하 처리 시스템에 연결됩니다. 파리에서는 14구에 건설 중인 1,000명 거주 에코쿼터에 소변 전환식 화장실을 설치할 계획입니다. 유럽우주국(European Space Agency)은 올해 말부터 운영을 시작할 파리 본부에 80개의 소변전환식 변기를 설치할 예정이다. 소변 전환의 지지자에 따르면,

  과학자들은 소변 전환이 전 세계적으로 대규모로 배포된다면 환경 및 공중 보건에 엄청난 이점이 있을 것이라고 말합니다. 이는 부분적으로 소변에 영양분이 풍부하여 수역을 오염시키는 대신 농작물을 비옥하게 하거나 산업 공정에 공급할 수 있기 때문입니다. Simha의 추정에 따르면 인간은 전 세계적으로 현재 질소 및 인 비료의 약 4분의 1을 대체할 만큼 충분한 소변을 생산합니다. 그것은 또한 칼륨과 많은 미량 영양소를 함유하고 있습니다('소변에 무엇이 들어 있는지' 참조). 게다가 소변을 배수구로 내리지 않으면 막대한 양의 물을 절약할 수 있고 노후화된 하수도 시스템에 대한 부담을 줄일 수 있습니다.

  

  출처: M. Qadir et al. Nat. 자원. 포럼 44 , 40–51 (2020)

  이 분야의 전문가에 따르면 화장실과 소변 처리 전략의 발전 덕분에 소변 전환의 많은 구성 요소가 곧 널리 보급될 준비가 될 수 있다고 합니다. 그러나 삶의 가장 기본적인 측면 중 하나를 근본적으로 재설계하는 데에는 큰 장애물도 있습니다. 연구원과 회사는 소변 전환 변기의 디자인 개선에서 소변을 더 쉽게 처리하고 가치 있는 제품으로 바꾸는 것까지 여러 문제를 해결해야 합니다. 여기에는 건물 전체에 사용되는 개별 화장실이나 지하 장치에 연결된 화학 처리 시스템이 포함될 수 있으며, 그 결과 농축되거나 응고된 제품에 대한 픽업 및 유지 관리 서비스가 포함될 수 있습니다('오줌에서 제품으로' 참조). 그런 다음 사회적 변화와 수용에 대한 더 광범위한 질문이 있습니다.

  미니애폴리스의 지속 가능성 컨설턴트인 생물학자 린 브로드더스(Lynn Broaddus)는 소변 전환 및 재사용은 사회가 농업과 산업을 위한 에너지, 물, 원자재 부족과 싸우면서 점점 더 중요해질 "인간 위생을 어떻게 하는지에 대한 과감한 재구상" 유형이라고 말합니다. 전 세계 수질 전문가 협회인 버지니아 주 알렉산드리아의 물 환경 연맹 회장을 역임한 미네소타. "사실은 소중한 물건입니다."

  

  혼합폐기물

  소변은 귀한 물건이었습니다. 과거에는 일부 사회에서 농작물 비료, 가죽 무두질, 의류 세탁 및 화약 생산에 사용했습니다. 그런 다음 19세기 후반과 20세기 초반에 현대적인 중앙 집중식 하수 관리 모델이 영국에서 발생하여 전 세계로 확산되어 궁극적으로 이른바 요실명에 이르렀습니다.

  이 모델에서 수세식 변기는 물을 사용하여 소변, 대변 및 화장지를 신속하게 하수구로 보내고 가정, 산업 공급원 및 때로는 폭풍우 유출수의 다른 액체와 혼합됩니다. 중앙 처리장에서 에너지 집약적인 프로세스는 미생물을 사용하여 하수를 청소합니다.

  현지 규정 및 처리장의 상태에 따라 공정에서 배출되는 폐수에는 여전히 많은 질소 및 기타 영양소와 기타 오염 물질이 포함될 수 있습니다. 그리고 세계 인구의 57%가 중앙 집중식 하수 시스템에 전혀 연결되어 있지 않습니다('인간 하수' 참조).

  

  출처: C. Tuholske et al. 플로스 원 16 , e0258898(2021).

  과학자들은 중앙 집중식 시스템을 더 지속 가능하고 오염을 줄이는 방법을 연구하고 있지만 1990년대 스웨덴에서 시작하여 일부 연구자들은 보다 근본적인 변화를 추진하기 시작했습니다. End-of-pipe 진보는 "똑같은 것의 또 다른 진화"라고 앤아버에 있는 미시간 대학의 환경 엔지니어인 Nancy Love는 말합니다. 그녀는 소변 전환이 "변형"이 될 것이라고 말합니다. 연구에서 1미국 3개 주에서 폐수 관리 시스템을 모델링한 그녀와 그녀의 동료들은 기존의 폐수 시스템을 소변을 전환하고 회수된 영양소를 사용하여 합성 비료를 대체하는 가상의 시스템과 비교했습니다. 그들은 소변 전환이 있는 지역 사회가 전체 온실 가스 배출량을 최대 47%, 에너지 소비를 최대 41%, 담수 사용량을 약 절반으로, 폐수에서 발생하는 영양 오염을 최대 64%까지 낮출 수 있다고 예측했습니다. 사용된 기술.

  그러나 이 개념은 여전히 ​​틈새 시장으로 남아 있으며 주로 북유럽 생태 마을, 시골 별채 및 저소득 환경의 개발 프로젝트와 같은 그리드 외 지역으로 제한됩니다.

  뒤벤도르프에 있는 스위스 연방 수산 과학 기술 연구소(Eawag)의 화학 엔지니어인 Tove Larsen은 많은 지연이 화장실 자체의 결과라고 말합니다. 1990년대와 2000년대에 처음 판매된 대부분의 소변 전환 변기 전면에는 액체를 모으기 위한 작은 세면대가 있습니다. 다른 디자인에는 배설물을 퇴비 저장소로 운반하는 동안 소변이 배출되도록 하는 발 동력 컨베이어 벨트 또는 소변을 별도의 배출구로 안내하는 밸브를 작동하는 센서가 통합되었습니다.

  

  오줌을 분리하여 가루로 만드는 변기 프로토타입이 스웨덴 말뫼에 있는 공공 상하수도 시설인 VA SYD의 본사에서 테스트되고 있습니다. 크레딧: 롯데 크리스토페리취

  그러나 유럽의 파일럿 및 시연 프로젝트에서 사람들은 너무 다루기 힘들고 냄새가 나며 신뢰할 수 없다고 불평하면서 그 사용을 수용하지 못했다고 Larsen은 말합니다. “우리는 화장실이라는 이 주제로 인해 정말 지체되었습니다.”

  이러한 우려는 2000년대 남아프리카 공화국의 eThekwini 지방 자치 단체에서 실시한 프로젝트인 소변 전환 변기의 첫 대규모 사용을 괴롭혔습니다. 아파르트헤이트 이후 지방 자치 단체의 경계가 갑자기 확장되어 당국이 화장실 기반 시설과 수도 서비스가 거의 없는 가난한 농촌 지역에 대한 책임을 떠맡게 되었다고 더반에 있는 콰줄루나탈 대학교에서 위생 관리를 연구하는 앤서니 오딜리는 말합니다.

  2000년 8월 콜레라가 발생한 후 당국은 금전적, 실제적 제약을 충족하는 여러 유형의 위생 시설을 신속하게 도입했으며, 그중 대부분은 오늘날에도 여전히 사용되고 있는 약 80,000개의 소변 전환 건식 변기입니다. 소변은 변기 아래로 흙으로 흘러 들어가고 대변은 금고로 떨어집니다. 이 금고는 2016년부터 시에서 5년마다 비워왔습니다.

  

  고대 화장실의 비밀 역사

  이 프로젝트는 이 지역에 더 안전한 위생 시설을 구축하는 데 성공적이었다고 Odili는 말합니다. 그러나 사회 과학 연구는 프로그램에 많은 문제를 드러냈습니다. 사람들은 화장실이 없는 것보다 낫다고 생각했지만, Odili는 그가 2 에 참여한 일부 연구를 포함하여 나중에 사용자가 일반적으로 화장실을 싫어한다는 것을 발견했다고 말합니다. 많은 것들이 열악한 재료로 지어졌고 사용하기가 어색했습니다. 이러한 화장실은 이론적으로 악취를 방지해야 하지만 eThekwini 화장실의 소변은 종종 대변과 함께 금고에 들어가 끔찍한 악취를 유발합니다. 사람들은 "제대로 숨을 쉴 수 없었다"고 Odili는 말합니다. 게다가 소변은 거의 사용되지 않은 채로 남아 있습니다.

  궁극적으로 공중 보건 문제에 의해 주도된 소변 전환 건식 변기를 사용하기로 한 결정은 하향식이었고 사람들의 선호도를 고려하지 못했다고 Odili는 말합니다. 2017년 연구 3 에 따르면 eThekwini 응답자의 95% 이상이 부유한 백인들이 도시에서 사용하는 편리하고 냄새가 없는 수세식 변기를 열망했으며 많은 사람들이 상황이 허락할 때 설치할 의향이 있다고 밝혔습니다. 남아프리카 공화국에서 화장실은 오랫동안 인종 차별의 상징이었습니다.

  그러나 새로운 디자인은 소변 전환에 대한 돌파구를 나타낼 수 있습니다. 디자이너 Harald Gründl이 이끄는 Larsen 등의 협업으로 2017년 오스트리아 디자인 회사 EOOS(이후 EOOS Next에서 분사)는 Urine Trap을 공개했습니다. 이렇게 하면 사용자가 조준할 필요가 없고 소변 전환 기능이 거의 보이지 않습니다('새로운 종류의 변기' 참조).

  

  출처: EOS

  그것은 표면에 달라붙는 물의 경향(불편하게 떨어지는 찻주전자와 같아서 찻주전자 효과로 알려짐)을 이용하여 소변을 변기 앞쪽 안쪽으로 별도의 구멍으로 보냅니다('오줌 재활용 방법' 참조). 저소득 환경을 위한 변기 혁신에 대한 광범위한 연구를 지원한 워싱턴주 시애틀에 있는 Bill & Melinda Gates Foundation의 자금으로 개발된 Urine Trap은 고급 세라믹 받침대 모델에서 플라스틱 스쿼트에 이르기까지 모든 것에 통합될 수 있습니다. 팬. 스위스에 본사를 둔 제조업체인 LAUFEN은 많은 소비자들에게 비용이 너무 많이 들지만 이미 유럽 시장을 위해 save!라는 제품을 생산하고 있습니다.

  KwaZulu-Natal 대학과 eThekwini 지방 자치 단체도 소변을 전환하고 고형물을 플러시하는 Urine Trap 변기 버전을 테스트했습니다. 이번에는 사용자에 대한 연구가 더 집중됩니다. Odili는 사람들이 냄새가 더 좋고 사용하기 쉽기 때문에 사람들이 새로운 소변 전환 변기를 선호할 것이라고 낙관하지만 그는 남성이 소변을 보기 위해 앉아야 할 것이라고 지적합니다. 이는 큰 문화적 변화입니다. 그러나 화장실이 "다른 인종 그룹의 사람들과 같은 고소득 지역에서도 채택되고 받아들여진다면 보급에 정말 도움이 될 것"이라고 그는 말합니다. "우리는 항상 인종적 렌즈를 착용해야 합니다."라고 그는 덧붙였습니다. 그들이 '흑인만을 위한 것'이나 '가난한 사람들을 위한 것'으로 보일 수 있는 것을 개발하지 않도록 하기 위해서입니다.

  소변의 용도

  소변을 분리하는 것은 위생을 바꾸는 첫 번째 단계일 뿐입니다. 다음 부분은 그것으로 무엇을 할 것인지를 연구하는 것입니다. 농촌 지역에서는 사람들이 통에 저장하여 병원체를 죽인 다음 밭에 적용할 수 있습니다. 세계 보건 기구는 이 관행에 대한 지침을 제공합니다.

  그러나 도시 환경은 더 까다롭습니다. 그리고 그곳에서 대부분의 소변이 생성됩니다. 소변을 중앙 위치로 이동시키기 위해 도시 전체에 별도의 하수관 세트를 추가하는 것은 실용적이지 않습니다. 그리고 소변은 약 95%가 수분이기 때문에 보관 및 운송이 너무 비쌉니다. 그래서 연구자들은 화장실이나 건물 수준에서 소변을 건조, 농축 또는 추출하는 데 집중하고 물은 뒤에 남겨둡니다.

  이것은 쉽지 않다고 Larsen은 말합니다. 공학적 관점에서 "소변은 불쾌한 해결책"이라고 그녀는 말합니다. 물을 제외하고 가장 큰 부분은 신체가 단백질 대사의 부산물로 생성하는 질소가 풍부한 화합물인 요소입니다. 요소는 그 자체로 유용합니다. 합성 버전은 일반적인 질소 비료입니다('질소 수요' 참조). 그러나 그것은 또한 까다롭습니다. 요소는 물과 결합될 때 암모니아 가스로 변형되어 소변에 특유의 냄새를 부여하는 데 도움이 됩니다. 포함되지 않으면 암모니아는 악취가 나고 공기를 오염시키며 귀중한 질소를 멀리 운반합니다. 널리 퍼진 효소인 요소분해효소에 의해 촉매되는 요소 가수분해라고 하는 이 반응은 마이크로초가 소요될 수 있으며 요소분해효소는 알려진 가장 효율적인 효소 중 하나입니다 4 .

  

  출처: FAO

  일부 접근 방식은 가수분해가 진행되도록 합니다. Eawag의 연구원들은 가수분해된 소변을 농축된 영양 용액으로 바꾸는 고급 공정을 개발했습니다. 먼저 수조에서 미생물이 휘발성 암모니아를 일반 비료인 비휘발성 질산암모늄으로 변환합니다. 그런 다음 증류기는 액체를 농축합니다. 역시 뒤벤도르프에 있는 Vuna라는 분사 회사는 건물에 사용하기 위한 시스템과 스위스에서 식용 식물에 사용하도록 승인된 Aurin이라는 제품을 세계 최초로 상용화하기 위해 노력하고 있습니다.

  다른 사람들은 소변의 pH를 빠르게 높이거나 낮추어 가수분해 반응을 멈추려고 합니다. 이는 소변이 몸 밖으로 나올 때 일반적으로 중성입니다. 미시간 대학 캠퍼스에서 Love와 버몬트주 Brattleboro에 있는 비영리 Rich Earth Institute 간의 협력은 소변 전환 변기와 물이 없는 소변기의 파이프를 통해 액체 구연산을 분사하는 건물용 시스템을 개발하고 있습니다. 그런 다음 반복적인 냉동과 해동을 통해 소변을 농축합니다 5 .

  

  배설물의 새로운 경제

  환경 엔지니어 Björn Vinnerås가 이끄는 Gotland 섬에서 프로젝트를 수행하는 SLU 팀은 다른 영양소와 혼합된 고체 요소로 소변을 건조시키는 방법을 알아냈습니다. 팀은 말뫼에 있는 스웨덴 공공 상하수도 시설 VA SYD의 본사에서 최신 프로토타입인 내장형 건조기를 포함한 독립형 변기를 평가하고 있습니다.

  다른 방법은 소변의 개별 영양소를 대상으로 합니다. 현재 캘리포니아 스탠포드 대학에 있는 Love's의 전 박사후 연구원인 화학 엔지니어 William Tarpeh는 이것이 비료 및 산업용 화학 물질에 대한 기존 공급망에 더 쉽게 들어갈 수 있다고 말합니다.

  가수분해된 소변에서 인을 회수하는 잘 확립된 방법 중 하나는 마그네슘을 첨가하는 것인데, 이는 스트루바이트라는 비료를 침전시킵니다. 그리고 Tarpeh는 암모니아 6 형태의 질소 또는 인산염 형태의 인 을 선택적으로 뽑아내는 흡착 물질 비드를 실험하고 있습니다. 그의 시스템은 재생제라고 하는 또 다른 액체를 사용하여 구슬이 소모된 후 구슬 위로 흐르게 합니다. 재생제는 영양소를 운반하고 구슬을 다른 라운드로 갱신합니다. 저기술의 수동적 방법이지만 상업용 재생기는 환경에 해를 끼칩니다. 그의 팀은 이제 더 저렴하고 환경 친화적인 것을 만들기 위해 노력하고 있습니다('미래 오염' 참조).

  

  출처: PJTM van Puijenbroek et al. J. 환경. 관리 231 , 446–456 (2019)

  다른 연구자들은 미생물 연료 전지에 소변을 넣어 전기를 생산하는 방법을 개발하고 있습니다. 남아프리카 공화국의 케이프타운에서는 다른 팀이 소변, 모래 및 요소분해효소 생성 박테리아를 금형에 결합하여 틀에 박힌 벽돌을 만드는 방법을 개발했습니다. 이들은 소성할 필요 없이 어떤 형태로든 석회화됩니다. 그리고 유럽 우주국(European Space Agency)은 달에 서식지를 만들기 위한 자원으로 우주 비행사의 소변을 주시하고 있습니다.

  Tarpeh는 "소변 회수 및 폐수 회수의 큰 미래에 대해 생각할 때 가능한 한 많은 제품을 만들 수 있기를 원합니다."라고 말합니다.

  연구원들이 소변을 상품으로 만들기 위한 수많은 아이디어를 추구함에 따라, 특히 확고한 산업에서 힘든 싸움이 될 것임을 알고 있습니다. 비료 및 식품 회사, 농부, 화장실 제조업체 및 규제 기관은 관행에 큰 변화를 주는 데 느립니다. "관성이 상당히 많습니다."라고 Simha는 말합니다.

  예를 들어 University of California, Berkeley에서 LAUFEN save!의 연구 및 교육 설치! 아래 바닥에 있는 저장 탱크로 가는 배수관을 포함하여 화장실은 예기치 않게 거의 3년이 걸렸고 미화 50,000달러가 넘는 비용이 들었습니다. 여기에는 건축가, 건설 및 시 규정 준수에 대한 비용이 포함되어 있다고 현재 Morgantown에 있는 West Virginia University의 환경 엔지니어인 Kevin Orner는 말합니다. 그러나 아직 완료되지 않았습니다. 그는 기존 규정과 규정의 부재로 인해 시설 관리에 문제가 발생했다고 말합니다. 이것이 그가 새로운 규정을 개발하는 패널에 있는 이유입니다.

  관성 중 일부는 고객 저항에 대한 우려 때문일 수 있지만 16개국 7 의 사람들을 대상으로 한 2021년 조사7에 따르면 프랑스, ​​중국, 우간다와 같은 국가에서는 소변으로 수정된 식품을 섭취할 의향이 80%에 달했습니다('사람들이 먹을 것인가? 그것?').

  

  출처: Ref. 7

  뉴욕시 환경보호부 부국장으로 폐수처리국을 이끄는 Pam Elardo는 오염을 더욱 줄이고 자원을 회수하는 것이 유틸리티의 핵심 목표이기 때문에 소변 전환과 같은 혁신을 지원한다고 말했습니다. 그녀는 뉴욕과 같은 도시에서 소변 전환에 대한 가장 실용적이고 비용 효율적인 접근 방식은 유지 보수 및 수집 작업으로 지원되는 개조 또는 새 건물을 위한 독립형 시스템이 될 것이라고 예측합니다. 혁신가들이 그것을 해결할 수 있다면, 그녀는 "그들은 노력해야 합니다"라고 말합니다.

  이러한 발전을 감안할 때 Larsen은 소변 전환 기술의 대량 생산 및 자동화가 가까울 것이라고 예측합니다. 그리고 그것은 폐기물 처리에 있어 이러한 변화를 위한 비즈니스 사례를 개선할 것입니다. 그녀는 소변 전환이 "올바른 기술"이라고 말합니다. “가정의 영양 문제를 합리적인 시간에 해결할 수 있는 유일한 기술입니다. 하지만 사람들은 감히 도전해야 합니다.”

  네이처 602 , 202-206 (2022)

  도이: https://doi.org/10.1038/d41586-022-00338-6