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你每年制造的145公斤粪便,用处可比想象中多

时间: 2021年05月31日 | 作者: Admin | 来源: 科研圈
人类源源不断产生的排泄废物,如何妥善处理是个严肃的问题。


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图片来源:Pixabay


编译 魏潇


对每个人来说,随着时间流逝不断增加的不止是经验和成就,还有排泄物。曾有一组美国学者估算,正常成年人每天排便量平均约为 400-500 克,一个人一年就会产生约 145 千克的粪便。


对于拥有 70 亿人口的地球来说,这显然是个不小的负担。目前,人类排泄物通常会作为生活污水(污泥)进入当地的污水处理系统(露天排便是另一个问题),在经过一系列的除污和消毒处理后,走向污水处理环节的终点——生物固体。根据统计数据,美国每年会产生 700 多万吨生物固体。中国 2019 年污泥产量为 3900 万吨,如果除去其中 80% 左右的含水量,余下的生物固体则有将近 800 万吨。



便便去哪了


一般来说,生物固体通常会面临堆肥、焚烧、封存或填埋的命运。以美国为例,该国每年产生的 700 万吨生物固体中约有一半被用于农业目的,例如为作物提供营养并帮助抵抗水土流失。但最近的一些研究发现,这种看似具有环境可持续性的处理方法可能存在重大健康隐患。即便经过处理,这些固体废物仍可能包含激素、杀虫剂、药物成分以及“永远不会降解的”全氟和多氟烷基化合物(polyfluoroalkyl substances, PFAS)等污染物。这推动了美国各地将生物固体驱逐出农田的进程。而荷兰和瑞士等国,已经推行了不允许生物固体进入本国农业的禁令。亨氏(H.J. Heinz)、德尔蒙特(Del Monte)等大型食品公司,也在几年前宣布停止购入用生物固体培育的农产品。


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图片来源:Pixabay


处理生物固体的另一个手段是填埋,但这条出路也变得越来越窄。来自美国杜克大学的土木与环境工程教授 Marc A. Deshusses 表示,PFAS 是目前垃圾填埋厂最主要的顾虑。业界担心这种化学物会带来难以处理的长期影响,越来越多的人开始反对使用填埋的手段。此外,这种处理也并没有多么环保。根据一项研究估算,2019 年中国污泥处理产生的等效温室气体排放中,焚烧贡献度第一(45%),排第二的就是填埋(23%)。


或许你会想说为什么不用它来发展沼气能源——因为这么做也面临同样的温室气体排放问题。尽管沼气发电或将沼气转化为可再生天然气已经在全球多地广泛实施,以中国为代表的亚洲多国和欧洲地区都建设了不少沼气利用系统,后者 2013-2017 年利用城市和工业污水污泥制造沼气的产量增加了 40%。但沼气燃烧依然会产生与化石燃料相同的污染物。而且在污水污泥发酵成沼气的过程中,甲烷等温室气体副产物的逸出同样会增加减排难度。



用来盖房吧


尽管生物固体处理面临着诸多困境,但科学家们没有放弃寻找更安全、更具可持续性的新路径。


2019 年,来自澳大利亚皇家墨尔本理工大学(Royal Melbourne Institute of Technology,RMIT)的工程师们将这些来自人类排泄物的生物固体加进了建筑用砖里。要知道,全球每年平均生产 1.5 万亿块砖,这需要 31.3 亿立方米的粘土,相当于从地面上挖 1000 多个足球场那么大、深度超过 440 米的大坑。RMIT 副教授 Abbas Mohajerani 和同事们从两个当地的污水处理厂中获得了三种生物固体,将它们与粘土混合,制成了生物固体含量在 10%-25%  的“粪便砖块”。


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生物固体含量在 10%-25%的“粪便砖块”。图片来源:论文


研究者们测试了这些“粪便砖块”的物理、化学和机械性能,并发现了一些传统砖块不具备的特殊性能。比如,所有生物固体砖都显示出更低的热导率(thermal conductivity),这意味着它们能够带来一定程度的隔热效果。此外,由于生物固体砖的有机物含量高,因此烧制过程中耗能更少,25% 生物固体砖的生产耗能仅有普通砖块的一半。


不过,有机成分也带来了一些缺点。生物固体的可燃性会让砖块在烧制时产生气孔,这降低了它们的密度并增加了收缩率。虽然研究显示生物固体砖的抗压强度高于大多数低层建筑要求的强度,但仍然没有普通砖块那么结实。研究人员表示,虽然“粪便砖块”显示出了一些绿色环保的优势,但仍需要进行更深入和全面的研究分析,才有可能进入大规模使用的考虑范围。



变成饮用水


是的你没看错。这些来自人类的废物最终还是能变成清洁可饮用的水,回到我们体内。这项技术其实并不年轻,新加坡早在二十年前就已经开始将污水和雨水一起混合处理,在达到标准后流进各家各户的水龙头。上世纪 70 年代,美国加利福尼亚州出现了第一批将污水转化为饮用水的生产线。2018 年,这间世界最大的污水-饮用水处理厂将4 亿升污水转化成了饮用水,创下了世界纪录。


近年来,科学家们开始研发不需要大规模生产线也能将污水转化为净水的便携式设备。诞生于美国杜克大学的超临界水氧化反应器(Supercritical Water Oxidation, SCWO)就是技术进步的产物之一。SCWO 小到能被装进一个货运箱,但却能以 371℃、240 倍大气压的条件将生物固体迅速燃烧,并且不会产生常有的温室气体排放。几秒种后,它就会产出清洁水、电能,以及能够用作肥料的矿质养分。利用这项技术,杜克大学的研究人员希望将 SWCO 发展成能够应用于农业生产的商用模块。目前,他们设计出的模块每天可产生近十万升蒸馏水,如果顺利,SWCO 将进入美国和美国以外的社区,帮助人们应对卫生问题和水资源短缺的挑战。


来自美国 Sedron Technologies 公司的污水污泥处理设备 Janicki Omni Processor 的落地可能更快一些。Janicki Omni Processor 更加庞大,能占满一整个篮球场,但处理能力也更强。它除了能够将粪便污水转化为热能、电能以及接近饮用水级别的净水,还可以就近连入当地电网,直接将电力输送给社区居民。2015 年,Sedron Technologies 将这一设备引入了塞内加尔,运行第一年就处理了 700 吨粪便污水。当地一家环卫公司准备引入这套技术,让更多的地方更好地解决废物再利用的难题。


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Sedron Technologies 公司网页截图。


最重要的是,不论是 SCWO 还是 Janicki Omni Processor,它们都希望能够消除市政污水处理后仍会残留的 PFAS。据悉,二者都是通过高温燃烧手段来降解生物固体废物的,这可以破坏 PFAS 的结构,令其化学键断裂,达到消除的目的。但是,燃烧过程依然会产生污染物,这些设备运行究竟需要多少能源和人力成本也仍不清楚。人类能否妥善处理好自己的“遗留物”,仍然需要更多的探索和尝试。



参考资料:

https://www.discovermagazine.com/the-sciences/why-scientists-dont-want-our-poop-to-go-to-waste

https://www.livescience.com/61966-how-much-you-poop-in-lifetime.html

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412020320481

https://www.forbes.com/sites/lauriewinkless/2019/02/11/could-we-build-houses-with-poop-bricks/?ref=altdnt&sh=3a2f20327f95