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チェルシー・ウォルドは、オランダのハーグを拠点とするフリーランスのジャーナリストであり、『Daydream: An Urgent Global Quest to Change Toilets』の著者です。
特殊なトイレシステムは、尿から窒素やその他の栄養素を抽出し、肥料などの製品として利用します。画像提供：MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
スウェーデン最大の島、ゴットランド島には淡水がほとんどありません。同時に、住民は農業や下水道からの汚染が危険なレベルに達し、バルト海周辺で有害な藻類の大量発生を引き起こしています。藻類は魚を死滅させ、人々に病気をもたらす可能性があります。
一連の環境問題を解決するために、島はそれらを結びつける意外な物質、人間の尿に希望を託している。
研究チームは2021年から、ポータブルトイレをレンタルする地元企業と協力し始めました。目標は、夏の観光シーズン中に複数の場所に設置された無水小便器と専用トイレで、3年間で7万リットル以上の尿を収集することです。研究チームは、Sanitation360という会社を設立したウプサラにあるスウェーデン農業科学大学（SLU）の出身です。研究者らが開発したプロセスを用いて、尿をコンクリートのような塊に乾燥させ、それを粉末状に粉砕し、標準的な農機具にフィットする肥料粒に圧縮しました。地元農家はこの肥料を使って大麦を栽培し、大麦は醸造所に送られてエールビールに加工されます。エールビールは消費後に循環されます。
SLUの化学エンジニアであり、Sanitation360のCTOでもあるプリトヴィ・シムハ氏は、研究者たちの目標は尿の再利用を「概念を超えて大規模に実践すること」だと述べた。目標は、世界中で模倣できるモデルを提供することだ。「私たちの目標は、誰もが、どこにいても、この取り組みを実践できるようにすることです。」
ゴットランド島で行われた実験では、尿で施肥した大麦（右）を、施肥していない植物（中央）とミネラル肥料を与えた植物（左）と比較しました。画像提供：ジェナ・セネカル
ゴットランド島のプロジェクトは、尿を他の廃水から分離し、肥料などの製品にリサイクルするという、世界規模の同様の取り組みの一環である。尿転用として知られるこの方法は、米国、オーストラリア、スイス、エチオピア、南アフリカなどのグループによって研究されている。これらの取り組みは大学の研究室をはるかに超えている。オレゴン州とオランダのオフィスでは、水を使わない小便器が地下の処理システムに接続されている。パリは、同市14区に建設中の1,000人居住のエコゾーンに尿転用トイレを設置する計画だ。欧州宇宙機関（ESA）はパリ本部に80基のトイレを設置し、今年後半に運用を開始する予定だ。尿転用推進派は、仮設の軍事拠点から難民キャンプ、裕福な都市中心部、広大なスラム街まで、さまざまな場所で活用できる可能性があると述べている。
科学者たちは、尿の転用が世界中で大規模に展開されれば、環境と公衆衛生に多大な利益をもたらす可能性があると述べています。尿は水域を汚染しない栄養素を豊富に含み、作物の肥料や工業プロセスに利用できることがその理由の一つです。シムハ氏は、人間が排出する尿の量は、現在世界で使用されている窒素肥料とリン酸肥料の約4分の1を置き換えるのに十分な量だと推定しています。また、尿にはカリウムや多くの微量元素も含まれています（「尿の成分」参照）。何よりも重要なのは、尿を排水溝に流さないことで、大量の水を節約し、老朽化し​​て過負荷になっている下水道システムの負担を軽減できることです。
専門家によると、トイレや尿処理方法の進歩により、多くの尿転向部品がまもなく広く利用できるようになるかもしれない。しかし、生活の最も基本的な側面の一つを根本的に変えるには、大きな障害もある。研究者や企業は、尿転向トイレの設計改善から、尿をより簡単に処理して価値ある製品に変えることまで、無数の課題に取り組む必要がある。これには、個々のトイレに接続された化学処理システムや、建物全体にサービスを提供する地下設備、そして結果として得られる濃縮または硬化製品の回収と維持管理サービスが含まれる可能性がある（「尿から製品へ」を参照）。さらに、人間の排泄物に関連するさまざまな程度の文化的タブーと、産業廃水および食料システムに関する根深い慣習の両方に関連する、社会の変化と受容に関するより広範な問題もある。
社会が農業や産業におけるエネルギー、水、原材料の不足に苦しむ中、尿の転用と再利用は「衛生設備の提供方法における大きな課題」だと、ミネアポリスを拠点とするサステナビリティコンサルタントで生物学者のリン・ブロードダス氏は語る。「この分野は今後ますます重要になるでしょう。ミネソタ州出身の彼は、世界的な水質専門家団体であるバージニア州アレクサンドリア水生連盟の元会長です。」「実際、価値のあることなのです。」
かつて尿は貴重な資源でした。かつては、一部の社会では尿を作物の肥料、皮革の原料、衣類の洗濯、火薬の製造に利用していました。そして19世紀後半から20世紀初頭にかけて、近代的な集中型廃水管理モデルがイギリスで生まれ、世界中に広がり、いわゆる「尿失明」を引き起こしました。
このモデルでは、トイレは水を使って尿、便、トイレットペーパーを排水溝に素早く排出します。これらの排水は、家庭、産業、そして時には雨水排水路から排出される他の液体と混ざり合っています。集中型下水処理場では、微生物を用いたエネルギー集約型のプロセスによって下水が処理されます。
地域の規則や処理施設の状況によっては、このプロセスから排出される廃水に、多量の窒素やその他の栄養素、およびその他の汚染物質が依然として含まれている可能性があります。世界の人口の 57% は、集中下水道システムにまったく接続されていません (「生活排水」を参照)。
科学者たちは、集中型システムをより持続可能で汚染の少ないものにしようと取り組んでいるが、1990年代のスウェーデンを皮切りに、一部の研究者はより根本的な変化を求めている。パイプラインの末端での進歩は「同じことの単なる進化版に過ぎない」とミシガン大学アナーバー校の環境エンジニア、ナンシー・ラブは述べた。尿の転用は「変革をもたらす」だろうと彼女は言う。米国の3州の廃水管理システムをシミュレートした研究1で、彼女と同僚は、従来の廃水処理システムと、尿を転用し合成肥料の代わりに回収した栄養素を使用する架空の廃水処理システムを比較した。彼らは、尿の転用を使用しているコミュニティは、全体的な温室効果ガス排出量を47％、エネルギー消費量を41％、淡水消費量を約半分、廃水の栄養素汚染を64％削減できると推定している。
しかし、このコンセプトは依然としてニッチなものであり、主にスカンジナビアのエコビレッジ、田舎の離れ家、低所得地域での開発などの自治地域に限定されています。
デューベンドルフにあるスイス連邦水圏科学技術研究所（Eawag）の化学エンジニア、トーベ・ラーセン氏は、滞留の大部分はトイレ自体に起因していると述べています。1990年代と2000年代に初めて市場に投入された尿分離式トイレのほとんどは、便器の前に液体を集めるための小さな容器を備えており、設置には細心の注意が必要です。他の設計としては、足踏み式のコンベアベルトで糞尿を堆肥容器に運ぶ際に尿を排出するものや、センサーでバルブを操作して尿を別の排出口に導くものがあります。
尿を分離して粉末状に乾燥させる試作トイレが、スウェーデンのマルメにある上下水道会社VA SYDの本社で試験されている。画像提供：EOOS NEXT
しかし、ヨーロッパでの実験・実証プロジェクトでは、人々はトイレの使用を歓迎していないとラーセン氏は述べ、大きすぎる、臭い、信頼性が低いといった不満を訴えている。「トイレという話題には本当にうんざりしました」
こうした懸念は、2000年代に南アフリカの都市エテクウィニで行われた、尿分離型トイレの初めての大規模導入プロジェクトにもつきまとった。ダーバンにあるクワズール・ナタール大学で保健管理を研究するアンソニー・オディリ氏は、アパルトヘイト廃止後のエテクウィニ市の境界線が急激に拡大したことにより、当局はトイレや水道インフラが整っていない貧しい農村地域の一部を接収することになったと述べている。
2000年8月のコレラ流行後、当局は財政的および実務的な制約を満たす複数の衛生施設を迅速に配備しました。その中には、尿を分離する乾式トイレ約8万基も含まれており、そのほとんどは現在も使用されています。尿はトイレの下から土壌に排出され、排泄物は貯蔵施設に集められます。この貯蔵施設は、市が2016年以降5年ごとに空にしています。
オディリ氏は、このプロジェクトによって地域の衛生施設がより安全になったと述べた。しかし、社会科学研究では、このプログラムには多くの問題点が指摘されている。トイレは何も無いよりはましという考えがあるにもかかわらず、後に行われた調査（彼自身も参加した調査を含む）では、利用者は概してトイレを嫌っていることが明らかになったとオディリ氏は述べた。多くのトイレは質の悪い材料で作られており、使い心地が悪い。こうしたトイレは理論上は悪臭を防ぐはずだが、エテクウィニのトイレでは尿が便槽に流れ込み、ひどい悪臭を発生させることが多い。オディリ氏によると、人々は「正常に呼吸できない」という。しかも、尿は実際にはほとんど使われていない。
オディリ氏によると、最終的に尿を迂回させる乾式トイレの導入決定はトップダウンで行われ、主に公衆衛生上の理由から、人々の好みは考慮されなかったという。2017年の調査3によると、エテクウィニの回答者の95%以上が、市内の裕福な白人住民が使用している便利で無臭のトイレを利用したいと考えており、多くの人が状況が許せば設置する予定だという。南アフリカでは、トイレは長らく人種的不平等の象徴とされてきた。
しかし、この新しいデザインは、尿路転換​​における画期的な進歩となる可能性があります。2017年、デザイナーのハラルド・グルンドル氏が率いるオーストリアのデザイン会社EOOS（EOOS Nextからスピンオフ）は、ラーセン氏らと共同で、尿トラップを発表しました。これにより、使用者が狙いを定める必要がなくなり、尿路転換​​機能もほとんど目立ちません（「新しいタイプのトイレ」参照）。
これは、水が表面に付着する性質（やかんの水滴に似た動作をするため、やかん効果と呼ばれます）を利用して、尿をトイレの前面から別の穴に導きます（「尿のリサイクル方法」を参照）。 低所得者向けのトイレの革新に関する幅広い研究を支援してきたワシントン州シアトルのビル＆メリンダ・ゲイツ財団の資金提供を受けて開発されたこの尿トラップは、高級なセラミック台座モデルからプラスチック製のしゃがみ式便器まで、あらゆるものに組み込むことができる。 低所得者向けのトイレの革新に関する幅広い研究を支援してきたワシントン州シアトルのビル＆メリンダ・ゲイツ財団の資金提供を受けて開発されたこの尿トラップは、高級なセラミック台座モデルからプラスチック製のしゃがみ式便器まで、あらゆるものに組み込むことができる。 ワシントン州シアトルのビル＆メリンダ・ゲイツ財団の資金援助を受けて開発されたこの尿トラップは、低所得者層向けトイレの革新的研究を幅広く支援しており、セラミック製の台座付きモデルからプラスチック製のスクワットまで、あらゆるものに組み込むことができる。鍋。 低所得者層向けトイレの革新に関する広範な研究を支援するワシントン州シアトルのビル＆メリンダ・ゲイツ財団の資金提供を受けて開発されたこの尿収集器は、高級セラミックベースのモデルからプラスチック製のしゃがみ式トレイまで、あらゆるものに組み込むことができる。スイスのメーカーLAUFENはすでに「Save!」という製品を欧州市場向けに発売しているが、その価格は多くの消費者にとっては高すぎる。
クワズール・ナタール大学とエテクウィニ市議会は、尿を迂回させて粒子状物質を排出できる尿トラップトイレの試験も行っています。今回の研究は、より利用者に焦点を当てています。オディ氏は、新しい尿迂回トイレは臭いが少なく使いやすく、人々に好まれるだろうと楽観視していますが、男性は座って用を足さなければならないため、これは大きな文化的変化だと指摘しています。しかし、もしトイレが「高所得者層、つまり様々な民族的背景を持つ人々にも普及すれば、普及に大きく貢献するでしょう」と彼は述べました。「私たちは常に人種的な視点を持つ必要があります」と付け加え、「黒人専用」や「貧困層専用」と見られるようなトイレが作られないように注意する必要があります。
尿の分離は、衛生環境の改善に向けた第一歩に過ぎません。次のステップは、尿の分離をどう進めるかを考えることです。農村部では、尿をタンクに貯めて病原菌を殺菌し、農地に散布することができます。世界保健機関（WHO）もこの方法を推奨しています。
しかし、都市環境はより複雑です。尿のほとんどは都市で生産されているからです。都市全体に複数の下水道を建設し、尿を中央の場所に送るのは現実的ではありません。また、尿は約95%が水分であるため、保管・輸送コストが高すぎます。そのため、研究者たちは、トイレや建物のレベルで尿を乾燥、濃縮、あるいはその他の方法で栄養素を抽出し、水分だけを残す方法に注力しています。
「簡単ではないだろう」とラーソン氏は言う。「工学的見地から言えば、尿は悪い解決策だ」と彼女は言った。水に加えて、大部分は尿素である。尿素は、タンパク質代謝の副産物として体が生成する窒素を豊富に含む化合物である。尿素はそれ自体で有用であり、合成版は一般的な窒素肥料である（窒素要件を参照）。しかし、扱いが難しい。水と混ざると尿素はアンモニアに変化し、尿に独特の臭いを与える。もし反応が起こらなければ、アンモニアは臭いを放ち、空気を汚染し、貴重な窒素を奪ってしまう可能性がある。遍在する酵素ウレアーゼによって触媒される尿素加水分解と呼ばれるこの反応は、数マイクロ秒しかかからないため、ウレアーゼは最も効率的な酵素の1つとして知られている。
いくつかの方法では、加水分解を継続することができます。Eawagの研究者たちは、加水分解された尿を濃縮栄養液に変える高度なプロセスを開発しました。まず、水槽内で微生物が揮発性のアンモニアを、一般的な肥料である不揮発性硝酸アンモニウムに変換します。その後、蒸留器で液体を濃縮します。同じくデューベンドルフに拠点を置く子会社のVunaは、建物向けのシステムと、スイスで世界で初めて食用植物への使用が承認された「Aurin」という製品の商業化に取り組んでいます。
尿のpHを急速に上げたり下げたりすることで加水分解反応を阻止しようとする人もいます。尿は通常、排泄時には中性です。ミシガン大学のキャンパスでは、ラブ氏はバーモント州ブラトルボロにある非営利団体アース・アバンダンス・インスティテュートと提携し、分流式トイレや無水トイレから液体クエン酸を除去する建物用システムを開発しています。小便器から水が噴出します。その後、尿は凍結と解凍を繰り返すことで濃縮されます5。
ゴットランド島の環境エンジニア、ビョルン・ウィネロス率いるスウェーデン・ルクセンブルク大学（SLU）のチームは、尿を乾燥させて他の栄養素と混合した固形尿素を生成する方法を開発しました。チームは、マルメにあるスウェーデン上下水道公社VA SYDの本社で、最新のプロトタイプである乾燥機内蔵の自立型トイレの評価を行っています。
他の方法は、尿中の個々の栄養素をターゲットにしています。ラブズ研究所の元ポスドク研究員で、現在はカリフォルニア州スタンフォード大学に所属する化学エンジニアのウィリアム・ターペ氏は、これらの方法は肥料や工業用化学物質の既存のサプライチェーンに容易に組み込める可能性があると述べています。
加水分解された尿からリンを回復させる一般的な方法は、マグネシウムを添加することです。マグネシウムはストルバイトと呼ばれる肥料の沈殿を引き起こします。ターペ氏は、窒素をアンモニア6として、またはリンをリン酸として選択的に除去できる吸着剤の顆粒の実験を行っています。彼のシステムでは、再生剤と呼ばれる別の液体を風船の空になった後に流します。再生剤は栄養分を吸収し、次のラウンドに備えてボールを再生します。これはローテクで受動的な方法ですが、市販の再生剤は環境に悪影響を及ぼします。現在、彼のチームはより安価で環境に優しい製品の開発に取り組んでいます（「未来の汚染」参照）。
他の研究者たちは、微生物燃料電池に尿を入れて発電する方法を開発しています。南アフリカのケープタウンでは、別のチームが、尿、砂、尿素分解酵素を産生する細菌を型に入れて混ぜることで、従来とは異なる建築用レンガを作る方法を開発しました。このレンガは焼成することなく、あらゆる形状に石灰化します。欧州宇宙機関（ESA）は、宇宙飛行士の尿を月面住宅建設の資源として検討しています。
「尿リサイクルと廃水リサイクルの幅広い将来を考えると、できるだけ多くの製品を生産できるようにしたいと考えています」とターペ氏は語った。
研究者たちは尿の商品化に向けた様々なアイデアを模索していますが、特に既存の業界にとっては困難な道のりであることは承知しています。肥料・食品会社、農家、トイレメーカー、そして規制当局は、これまでの慣行に大きな変化を起こすのに消極的です。「ここには大きな惰性がある」とシムチャ氏は言います。
例えば、カリフォルニア大学バークレー校では、研究・教育施設としてLAUFENを導入することで節約できます！これには建築家、建設、そして自治体の規制遵守にかかる費用が含まれますが、これらはまだ完了していないと、現在モーガンタウンのウェストバージニア大学に勤務する環境エンジニアのケビン・オナ氏は述べています。彼は、既存の基準や規制の欠如が施設の管理に問題を引き起こしていたため、新たな基準を策定するグループに参加したと述べています。
こうした消極的な姿勢の一部は、買い物客の抵抗を恐れているからかもしれないが、2021年に16か国の人々を対象に行われた調査では、フランス、中国、ウガンダなどの国では、尿強化食品を消費する意思が80%近くあることがわかった（「人々はそれを食べるだろうか？」を参照）。
ニューヨーク市環境保護局の副局長として下水道局を率いるパム・エラルド氏は、同社の主要目標が汚染のさらなる削減と資源のリサイクルにあるため、尿の転用といったイノベーションを支持すると述べた。エラルド氏は、ニューヨークのような都市では、尿を転用する最も実用的かつ費用対効果の高い方法は、改修または新築の建物にオフグリッドシステムを導入し、メンテナンスと収集業務を補完することだと予想している。イノベーターが問題を解決できるのであれば、「彼らは働くべきだ」と彼女は述べた。
こうした進歩を踏まえ、ラーセン氏は尿路転換技術の大量生産と自動化はそう遠くない未来に実現するだろうと予測しています。これにより、廃棄物管理への移行のビジネスケースが向上するでしょう。「尿路転換は適切な技術です」とラーセン氏は述べました。「これは、家庭での食事の問題を妥当な時間で解決できる唯一の技術です。しかし、人々が決断を下す必要があります。」
Hilton, SP、Keoleian, GA、Daigger, GT、Zhou, B. & Love, NG Environ. Hilton, SP、Keoleian, GA、Daigger, GT、Zhou, B. & Love, NG Environ.Hilton, SP、Keoleyan, GA、Digger, GT、Zhou, B.、Love, NG Environ. ヒルトン、SP、ケオリアン、GA、ダイガー、GT、周、B. & ラブ、NG Environ。 ヒルトン、SP、ケオリアン、GA、ダイガー、GT、周、B. & ラブ、NG Environ。Hilton, SP、Keoleyan, GA、Digger, GT、Zhou, B.、Love, NG Environ.科学技術55, 593–603 (2021)。
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Noe-Hays、A.、Homeyer、RJ、Davis、AP & Love、NG ACS EST Engg。 Noe-Hays、A.、Homeyer、RJ、Davis、AP & Love、NG ACS EST Engg。 Noe-Hays、A.、Homeyer、RJ、Davis、AP & Love、NG ACS EST Engg。 Noe-Hays、A.、Homeyer、RJ、Davis、AP & Love、NG ACS EST Engg。 Noe-Hays、A.、Homeyer、RJ、Davis、AP & Love、NG ACS EST Engg。 Noe-Hays、A.、Homeyer、RJ、Davis、AP & Love、NG ACS EST Engg。 Noe-Hays、A.、Homeyer、RJ、Davis、AP & Love、NG ACS EST Engg。 Noe-Hays、A.、Homeyer、RJ、Davis、AP & Love、NG ACS EST Engg。https://doi.org/10.1021/access.1c00271 (2021年)。