Toalety dywersyjne jako sposób na zapewnienie zrównoważonej gospodarki sanitarnej

Na całym świecie podejmowane są próby wdrożenia najnowocześniejszych rozwiązań w zakresie gospodarki ściekowej w celu zapewnienia zrównoważonego rozwoju. Jedną ze szczególnie badanych jest możliwość poprawy poziomu sanityzacji w krajach rozwijających się [1] poprzez oczyszczanie ścieków u źródła. Inną koncepcją jest próba zamknięcia obiegu między gospodarką sanitarną a agrokulturą. Zostało to schematycznie zobrazowane na rys. 1.

Koncepcja ta opiera się na wykorzystaniu toalety dywersyjnej [8] oraz produktów metabolizmu ludzkiego (uryna, kał) u źródła [21]. Uryna charakteryzuje się większą sterylnością w porównaniu z kałem, dodatkowo jest źródłem takich substancji chemicznych, jak fosfor i azot [17]. Rozwój infrastruktury ściekowej spowodował u użytkowników powszechne przyjmowanie podejścia „spłucz i zapomnij”. Postawa ta jednak ulega zmianie, stajemy się bardziej świadomi konieczności ochrony środowiska. Coraz bardziej rygorystyczne normy dotyczące jakości ścieków w oczyszczalniach, ochrona wód i zmniejszające się zasoby fosforu wykorzystywanego do baz nawozowych pobudzają w ostatnich latach badania w zakresie separacji moczu i odzysku pierwiastków [9].

Badania prowadzone przez naukowców są szczególnie ukierunkowane na kraje rozwijające się, gdzie dostęp do wody jest ograniczony, a ponad 1,5 mld osób nie ma dostępu do prawidłowej sanityzacji [3]. Zapotrzebowanie na nawozy do produkcji żywności jest tu kluczowe, dlatego zarówno systemy odzysku wody, jak i składników odżywczych są niezbędne. Natomiast na obszarach wysoko rozwiniętych separacja i zagospodarowanie ścieków u źródła może poprawić jakość oczyszczania ścieków [17].

Oddzielenie strumieni uryny i kału pozwoli zmniejszyć wydzielanie się nieprzyjemnych odorów (które mogą powstać szczególnie po zmieszaniu moczu i kału), umożliwi szybkie suszenie kału (a później prostszą gospodarkę tym odpadem), zmniejszy wpływ na środowisko (nawet o 90% w porównaniu z oczyszczalnią ścieków [12]) i pozwoli na odzyskanie z uryny składników odżywczych. W publikacji [17] wykazano, że właśnie możliwość odzysku składników ze skoncentrowanego roztworu i ich dalsze wykorzystanie w rolnictwie jest główną zaletą oczyszczania uryny u źródła. Przy założeniu, że system toalet dywersyjnych zostałby wdrożony na poziomie miasta, odzysk fosforu z uryny mógłby pokryć zapotrzebowanie na ten pierwiastek przy produkcji nawozu na poziomie krajowym [7]. Jedną ze znaczących zalet otrzymania niezmieszanego strumienia uryny jest możliwość usunięcia z niego mikrozanieczyszczeń [6]. Nie bez znaczenia jest także możliwość zmniejszenia zużycia wody o nawet 48% [4].

Pomimo wspomnianych wyżej zalet istnieje jeszcze wiele wyzwań dla stosowania takiego systemu, opisanych szczegółowo w publikacji [17]. Uryna jest ludzkim produktem ubocznym, który na zewnątrz ciała staje się uciążliwym i niestabilnym chemicznie odpadem. Jednym z wyzwań jest dostosowanie rozwiązania do istniejącego obecnie scentralizowanego systemu kanalizacyjnego [13]. Kolejną kwestią jest transport i przechowywanie zebranej uryny. W publikacji [16] zaproponowano dwa rozwiązania tego problemu: zastosowanie technologii wielu rurociągów lub prowadzenie procesów oczyszczania in-situ. Z drugiej strony jednak w [10] zauważono, że w przypadku rurociągów transportujących brak wstępnego podczyszczenia uryny może spowodować wytrącanie się struwitu (fosforan magnezu amonowego) wewnątrz przewodów i ich zapychanie się. Inną kwestią jest odpowiednie oczyszczenie ekskrementów do zastosowania w agrokulturze. Szczególnie ważne jest tu m.in. występowanie patogenów, farmaceutyków i innych mikrozanieczyszczeń w ściekach czarnych. Kolejnym problemem jest zdobycie akceptacji społecznej. Przezwyciężenie aspektu psychologicznego i zwiększenie świadomości użytkowników pozwoli na znaczny rozwój takich systemów [15].

W publikacji [12] oszacowano, że dla University of Florida zastosowanie systemu z rozdziałem strumieni pozwoliłoby zaoszczędzić 24 983 m³ wody i zredukować strumień ścieków napływających do oczyszczalni o 17%.

Systemy oddzielnego zagospodarowania uryny i kału

Toaleta dywersyjna jest niezbędnym elementem systemu separacji ścieków u źródła. Przykładowa konfiguracja toalety została przedstawiona schematycznie na rys. 2. Najprostszy projekt obejmuje ustęp podzielony na dwie przestrzenie, które zapewniają separację strumieni. W ten sposób tworzone są dwie sekcje, pierwsza służąca do zbierania uryny i sekcja tylna do zbierania kału. Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje toalet dywersyjnych: UDDT (urine-diverting dry toilet), czyli sucha toaleta dywersyjna, oraz UDFT (urine-diverting flush toilet), czyli toaleta dywersyjna wyposażona w mechanizm spłukujący.

W przypadku pierwszego rodzaju ustęp pracuje w sposób „suchy”, więc nie wykorzystuje wody do spłukiwania kału. Oddzielona uryna może być gromadzona, usuwana przez system rurociągów lub poddawana procesom oczyszczania. Materiał fekalny jest gromadzony w wentylowanym zbiorniku bezpośrednio pod toaletą lub w pewnej odległości od niej. Po defekacji konieczne jest dodanie pewnej ilości materiału absorbującego, który jest stosowany w celu wchłonięcia wilgoci. W drugim typie ustępu uryna transportowana jest bez wody, ale niewielka ilość wody jest używana do przepłukania zbiornika gromadzącego urynę. 

Toaleta dywersyjna może być połączona z różnymi systemami. Wykorzystanie konkretnej technologii jest uzależnione od kilku czynników: dostępnej przestrzeni, warunków gruntowo-wodnych, ilości powstających ścieków, dostępności materiałów na rynku, oczekiwanych rezultatów zastosowania systemu, możliwości finansowych inwestora i wygody użytkowania [19]. Najbardziej podstawowym rozwiązaniem jest zbieranie uryny i kału w zbiornikach umiejscowionych pod toaletą (rys. 3).

System ten współpracuje z toaletą typu UDDT. Kluczowym elementem jest dobra wentylacja zbiornika z kałem. Gdy ekskrementy nie mieszają się z uryną i innymi płynami, szybko wysychają. Żeby zminimalizować nieprzyjemne zapachy i wspomóc proces suszenia, należy użyć niewielkiej ilości popiołu, wapna, suchej ziemi lub trocin w celu pokrycia zawartości zbiornika po każdym użyciu toalety. Jeśli stosowana jest obróbka alkaliczna, zalecane jest przechowywanie odpadów w zbiornikach przez minimum 6 miesięcy [19]. W przeciwnym razie przechowywanie powinno trwać w ciepłym klimacie (t > 20°C) co najmniej rok, a od 1,5 do 2 lat dla chłodniejszych klimatów.

Innym sposobem zagospodarowania kału jest wykorzystanie komory kompostowej. Na rys. 4 zobrazowano przykładową instalację. Kompostowanie jest procesem, w którym biodegradowalne składniki są biologicznie rozkładane przez mikroorganizmy w warunkach tlenowych. Komora kompostowa jest przeznaczona do przekształcania odchodów i substancji organicznych w kompost. Kompost jest stabilnym, nieszkodliwym produktem, który można bezpiecznie używać jako nawóz.

System składa się z czterech głównych części: reaktora, urządzenia wentylacyjnego (zapewnia dostarczanie tlenu i umożliwia ucieczkę gazów), systemu zbierającego odcieki i klapy otwierającej, która umożliwia usunięcie gotowego kompostu. Istnieją cztery czynniki, które zapewniają dobre funkcjonowanie układu: wystarczająca ilość tlenu zapewniona przez aktywne lub pasywne napowietrzanie, odpowiednia wilgotność (najlepiej 45–70%), temperatura wewnętrzna sterty 40–50°C (która może być uzyskana przez właściwe wymiarowanie komory) i stosunek C do N 25:1, który można regulować, dodając materiał wypełniający jako źródło węgla. Teoretycznie obydwa układy nie powinny sprawiać problemów w użytkowaniu i przy dobrym zaprojektowaniu systemy powinny działać prawidłowo. Poniżej przedstawiono podstawowe rozwiązania i główne metody zagospodarowania uryny.

Główne metody zagospodarowania uryny

Najważniejsze metody stosowane w obróbce uryny to procesy: strącania struwitu, nitryfikacji lub częściowej nitryfikacji, anamoksu (beztlenowego utleniania amoniaku przez bakterie), nanofiltracji, elektrodializy, odwróconej osmozy, wymiany jonowej oraz technologia freeze-thaw (mrożenie) [6]. Każda z tych metod pozwala na zrealizowanie innego celu gospodarki uryną (tabela 1).

Sanacja może być uzyskana przez długotrwałe przechowywanie moczu. Efekt ten wynika ze wzrostu pH, który występuje podczas hydrolizy mocznika do azotu amonowego przez naturalnie obecny w urynie enzym – ureazę. Czynniki, które wpływają na jakość higienizacji, to: wzrost temperatury i długość przetrzymania. Mocz powinien być przechowywany w okresie od jednego miesiąca do pół roku, aby uzyskać efekt odkażenia.

Technologia freeze-thaw i proces odwróconej osmozy (RO) mają na celu redukcję objętości moczu. Metoda freeze-thaw opiera się na zamrożeniu moczu w temperaturze –14°C lub niższej [2]. Metoda ta pozwala odzyskać ok. 80% składników odżywczych w 25% pierwotnej objętości [14]. Należy zauważyć, że będzie ona możliwa do zastosowania i szczególnie opłacalna w miejscach o zimnym klimacie, gdzie dodatkowe koszty energii nie będą aż tak wysokie. Proces odwróconej osmozy z drugiej strony jest prowadzony na membranie, w której ciśnienie osmotyczne ośrodka zostaje pokonane przez zastosowane ciśnienie. Badania wskazują, że objętość roztworu może zostać zmniejszona dzięki stężeniu roztworu pięciokrotnie, przy towarzyszącym odzysku składników odżywczych w zakresie azotu: 70%, fosforu: 73%, potasu: 71%. Jednym z problemów w tym procesie jest brak możliwości oddzielania składników odżywczych i mikrozanieczyszczeń oraz ewentualne wytrącanie soli na powierzchni membrany.

Degradacja materii organicznej zawartej w urynie może powodować wydzielanie się odorów. Aby uniknąć nieprzyjemnych zapachów, wytrącania się osadów czy też utleniania NH₃, należy urynę poddać stabilizacji. Proces ten uzyskuje się przez zakwaszenie. Najprostszym sposobem stabilizacji moczu jest utrzymanie niskiego pH. Można to osiągnąć przez dodanie mocnego kwasu. Dzięki temu działaniu oprócz stabilizacji dodatkowo mogą zostać usunięte organizmy patogenne i farmaceutyki, które mogą występować w urynie. Charakterystyka procesów mikrofiltracji i ultrafiltracji sugeruje możliwość przeprowadzenia stabilizacji uryny, jednak dotychczas nie badano szczegółowo tego tematu.

Odzysk fosforu z uryny może zostać przeprowadzony przez strącanie struwitu lub wytrącanie fosforanu wapnia [18], podczas gdy odzysk azotu można uzyskać poprzez wymianę jonową i usuwanie amoniaku. Struwit jest materiałem krystalicznym znanym jako fosforan magnezu amonowego (MgNH4PO4 · 6H₂O). W niekontrolowanym systemie struwit jest niepożądany, ponieważ powoduje zapychanie się rur. Proces jest wyzwalany przez dodanie magnezu. Wytrącanie fosforanu wapnia jest spowodowane dodaniem wapna, najczęściej w formie wodorotlenku wapnia lub mleka wapiennego. W zależności od pH i składu roztworu fosforan wapnia krystalizuje w kilku odmianach. Hydroksyapatyt jest najbardziej stabilną formą, niestety niewykazującą właściwości nawozowych tak korzystnych jak struwit. W przypadku odzyskiwania azotu przez wymianę jonową (lub adsorpcję) jony NH₄ wymieniane są na np. jony Na, K, Ca₂ i _Mg2 na powierzchni adsorbentu. Najczęściej stosowanym adsorbentem jest zeolit. Załadowane zeolity można stosować bezpośrednio na polach uprawnych jako nawozy o spowolnionym uwalnianiu. Zeolit można także poddawać regeneracji.

Najpopularniejszą techniką jest regeneracja za pomocą roztworu NaCl, gdzie jon _NH4 jest desorbowany i wymieniany z jonem Na [18], co zapewnia skoncentrowany strumień jonów NH₄. Stripping amoniaku polega na jego usuwaniu z roztworu w postaci gazowej w wysokich temperaturach (osiąganego przez gorące powietrze lub parę) i odzyskiwanie w skruberze [18]. Innym możliwym zastosowaniem jest użycie systemu bioelektrochemicznego do odzyskiwania azotu. Przykładem może być mikrobiologiczne ogniwo paliwowe (MFC), gdzie materia organiczna w ściekach jest utleniana przez bakterie w anodzie, podczas gdy jony amonowe są transportowane przez membranę kationowymienną do części katodowej, gdzie wysokie pH umożliwia odzyskanie w postaci amoniaku. Jednak poziom odzysku azotu w tej metodzie nie daje jeszcze zadowalających efektów [5].

Do usuwania składników odżywczych można wykorzystać anamoks i nitryfikację. Anamoks jest częścią procesu zwanego deamonifikacją, przedstawionego na rys. 5. Anamoks został odkryty pod koniec lat 90. i obejmuje beztlenową przemianę azotu amonowego w azot cząsteczkowy z udziałem azotynów. Azotyny są wytwarzane przez bakterie utleniające amoniak (AOB). Wyniki badań przedstawione w [6] wykazują, że azot z odseparowanej u źródła uryny można usunąć w 75–85%. Nitryfikacja natomiast składa się z dwóch faz. W pierwszej fazie amon jest utleniany do azotynu przez bakterie utleniające amoniak (AOB), podczas gdy w drugiej fazie azotyn jest utleniany do azotanu przez bakterie utleniające azotyny (NOB). Końcowym produktem jest roztwór bogaty w azotany, który można zastosować np. w uprawie aeroponicznej, w której wymagana jest właśnie ta forma azotu.

Do ostatniego celu – usunięcia mikro­za­nie­czyszczeń – można zastosować proces elektrodializy, nanofiltracji, ozonowania i zaawansowanego utleniania. Jest to bardzo ważny aspekt w odniesieniu do nawozów produkowanych na bazie uryny, aby zapewnić bezpieczne nawożenie. Procesy te mogłyby zatrzymać mikrozanieczyszczenia, a szczególnie środki farmaceutyczne. Nanofiltracja jest procesem membranowym opartym na różnicy ciśnień jako jego sile napędowej, który może zapewnić usunięcie hormonów i farmaceutyków obecnych w urynie w 92%. Dobrze znaną metodą usuwania mikrozanieczyszczeń jest ozonowanie i zaawansowane utlenianie. Zanieczyszczenia mogą być utleniane np. chlorem czy dwutlenkiem chloru. Pokazano, że nawet pełne utlenienie mikrozanieczyszczenia można osiągnąć dzięki zaawansowanym procesom utleniania. W przypadku ozonowania uzyskano usunięcie ibuprofenu w 80% [6].

Należy zauważyć, że metody wymienione powyżej są procesami jednostkowymi, które należy łączyć, aby uzyskać zadowalające wyniki obróbki i stworzyć nawóz w pożądanej postaci. Większość tych procesów została przebadana w skali laboratoryjnej. Jednak w niektórych krajach (np. w Szwecji, Niemczech) systemy rozdziału u źródła i stosowanie oczyszczonej uryny jako nawozu zostały przetestowane w skali pilotażowej [4,11,2].

Wykorzystanie toalet dywersyjnych na świecie

Kompleksowy system z instalacjami dywersyjnymi w skali pilotażowej po raz pierwszy zastosowano w szwedzkim mieście Orhem na obszarze 3,2 ha położonym nad jeziorem Drevviken. Projekt powstał na terenie zbiorowego budownictwa mieszkaniowego Gebers znajdującego się na południowym przedmieściu Sztokholmu, w pobliżu rezerwatu przyrody. Promowany był przez mieszkańców, którzy chcieli zwiększać świadomość społeczną i mieli wizję wspólnego życia opartą na praktycznych i ekologicznych uwarunkowaniach. Była to też próba zamknięcia obiegu wody i pierwiastków na terenie objętym projektem.

Cały kompleks obejmuje 32 mieszkania i budynki o łącznej powierzchni 3500 m², zamieszkałe przez 80 osób. Przewidziano instalację wyposażoną w ustępy typu UDFT, w których wykorzystuje się 0,1 litra wody przepłukującej. Pod każdym z domów zamontowano zbiorniki na urynę i kał (rys. 6). Indywidualne zbiorniki na urynę są opróżniane 2–3 razy w roku, a ich zawartość jest transportowana do gospodarstwa położonego 30 km na południe od Sztokholmu, gdzie jest ona przechowywana przez pół roku w zbiorczych zbiornikach o objętości 150 m³. Oczyszczona uryna wykorzystywana jest jako nawóz w pobliskim gospodarstwie, a kał zbierany w zbiorniku umiejscowionym pod domem. Po napełnieniu zbiornika jego zawartość jest przewożona do miejsca kompostowania, gdzie pozostaje przez 5–6 lat. W przyszłości planuje się wykorzystanie kompostu w rolnictwie.

Innymi krajami wykorzystującymi technologię dywersyjną są: Haiti, Ekwador, Namibia i Boliwia. Instalacje tego typu pojawiają się także w Europie Wschodniej, na Kaukazie i w Azji Środkowej, na obszarach, na których brakuje niezawodnego zaopatrzenia w wodę i zagospodarowania powstających odpadów. Innym przykładem może być system działający na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Używana jest tam toaleta dywersyjna ciśnieniowa przedstawiona na rys. 7. Uryna i kał transportowane są dwoma oddzielnymi przewodami. Kał poddawany jest następnie odwodnieniu, przechowywany i sprowadzany z powrotem na Ziemię. Uryna natomiast transportowana jest przewodem elastycznym wyposażonym w wymienne wkłady zawierające Oxone (zastrzeżony związek monosiarczanu potasu) i kwas siarkowy. Ulega ona stabilizacji i następnie trafia do jednostki destylacyjnej, w której jest podgrzewana, a później odparowywana. Para przepływa przez membranę, gdzie zatrzymywane są zanieczyszczenia. Oczyszczony gaz, względnie czysta para wodna, zostaje następnie skroplony i trafia na złoża mikrofiltracyjne (złoża węgla aktywnego i żywic jonowymiennych). Takie zagospodarowanie uryny pozwala odzyskać ok. 80% wody.

Podsumowanie

Systemy dywersyjne mogą być w przyszłości opłacalne, a już obecnie stają się coraz bardziej popularne i biorąc pod uwagę zwiększone zapotrzebowanie na wodę i zużycie nawozów do produkcji żywności spowodowane wzrostem liczby ludności, kiedyś ich wykorzystanie może stać się konieczne. Odzyskiwanie wody i składników odżywczych ze ścieków jest w tym aspekcie znaczące. Separacja strumieni uryny i kału może być sposobem na zapewnienie zrównoważonego gospodarowania ściekami, nadal jednak nie zbadano szczegółowo ważnych aspektów tej technologii, tj. zapotrzebowania na energię czy możliwości wprowadzenia systemu na większą skalę. Przegląd literatury pokazuje, że sama technika dywersyjna jest szeroko badana, ale wciąż nie ma rozwiązania, które byłoby satysfakcjonujące w skali większej niż pojedynczy budynek.

Literatura

1. Etter B., Tilley E., Khadka R., Udert K.M., Low-cost struvite production using source-separated urine in Nepal, „Water Research” 45, 2011, p. 852–862.
2. Ganrot Z., Urine processing for efficient nutrient recovery and reuse in agriculture, Göteborg University, 2005.
3. Cosgrove W.J., Rijsberman F.R., World water vision: making water everybody’s business, Routledge, 2014.
4. Jönsson H., Stenström T.A., Svensson J., Sundin A., Source separated urine-nutrient and heavy metal content, water saving and faecal contamination, „Water Science and Technology” 35, 1997, p. 145–152.
5. Kuntke P., Śmiech K.M., Bruning H., Zeeman G., Saakes M., Sleutels T.H.J.A., Hamelers H.V.M., Buisman C.J.N., Ammonium recovery and energy production from urine by a microbial fuel cell, „Water Research” 46, 2012, p. 2627–2636.
6. Maurer M., Pronk W., Larsen T.A., Treatment processes for source-separated urine, „Water Research” 40, 2006, p. 3151–3166.
7. Mbaya A.M., Dai J., Chen G.H., Potential benefits and environmental life cycle assessment of equipping buildings in dense cities for struvite production from source-separated human urine, „Journal of Cleaner Production” 143, 2017, p. 288–302.
8. Medilanski E., Chuan L., Mosler H.J., Schertenleib R., Larsen T.A., Wastewater management in Kunming, China: a stakeholder perspective on measures at the source, „Environment and Urbanization” 18, 2006, p. 353–368.
9. Mitchell C., Fam D., Abeysuriya K., Transitioning to sustainable sanitation – A transdisciplinary project of urine diversion, Institute for Sustainable Futures, University of Technology Sydney, Australia, 2013.
10. von Münch E., Winker M., Technology review of urine diversion components. Overview on urine diversion components such as waterless urinals, urine diversion toilets, urine storage and reuse systems, Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH, 2011.
11. Otterpohl R., Braun U., Oldenburg M., Innovative technologies for decentralised wastewater management in urban and peri-urban areas, „Berichte-Wassergute und Abfallwirtschaft”, Technische Universitat Munchen Berichtsheft, 173, 2002, p. 109–126.
12. Landry K.A., Boyer T.H., Life cycle assessment and costing of urine source separation: Focus on nonsteroidal anti-inflammatory drug removal, „Water Research” 105, 2016, p. 487–495.
13. Larsen T.A., Lienert J., Societal implications of re-engineering the toilet, „Water Intelligence Online”, March 2003.
14. Lind B.B., Ban Z., Byden S., Volume reduction and concentration of nutrients in human urine, „Ecological Engineering” 16, 2001, p. 561–566.
15. Lopes A., Fam D.M., Williams J., Designing sustainable sanitation: involving design in innovative, transdisciplinary research, „Design Studies”, 33, 2012, p. 298–317.
16. Peter-Fröhlich A., Pawlowski L., Bonhomme A., Oldenburg M., EU demonstration project for separate discharge and treatment of urine, faeces and greywater – part I: results, „Water Science & Technology” 56, 2007, p. 239–249.
17. Pronk W., Kone D., Options for urine treatment in developing countries, „Desalination” 248, 2009, p. 360–368.
18. Sengupta S., Nawaz T., Beaudry J., Nitrogen and phosphorus recovery from wastewater, „Current Pollution Reports” 1, 2015, p. 155–166.
19. Tilley E., Compendium of sanitation systems and technologies, Eawag, 2014, http://doc.rero.ch/record/309484/files/12-13._Compendium_2nd_Ed_Lowres_EN.pdf (dostęp: 3.08.2018).
20. Winblad U., Development of eco-san systems, „­Eco­san – closing the loop in wastewater management and sanitation”, Proceedings of the International Symposium, 30–31 October 2000, Bonn, Germany.
21. World Health Organization, Guidelines for the safe use of wastewater, excreta and greywater, Vol. 1, 2006.
22. www.eawag.ch/en.