Torrt gödselmedel från urin

Att säga ”vi är vad vi äter” är bara en del av sanningen. Vad vi utsöndrar vad vi äter är den andra delen av sanningen när det gäller växtnäringsämnen. Mänsklig avföring innehåller samma kväve, fosfor och kalium (N-P-K) som vi finner i gödningsmedel som används för att producera den mat som vi sedan äter (Winker et al., 2009). Mänsklig avföring ses oftast som ett oönskat avfall världen över, vilket skapar humanitära och miljömässiga problem (Baum et al., 2013). För att ersätta näringsämnena som tagits bort med skörden från fälten tillverkas gödningsmedel i industriella processer som bidrar till miljöförändringar på global nivå (Rockström et al., 2009). Återvinning av mänsklig avföring tillbaka till lantbruket skulle minska det nuvarande beroendet av gödselmedel från fossila källor (Ramírez & Worrell, 2006).

Återföringen skulle dessutom förbättra avkastningen i t.ex. Afrika söder om Sahara, där gödselanvändningen är låg (FAO, 2015) och skydda marina ekosystem i Östersjön genom att begränsa flödet av överskott av näringsämnen till ytvatten (Rockström et al., 2009).

Begränsningen av mänsklig urin som gödningsmedel är dess låga näringsämneskoncentration jämfört med kommersiella gödselmedel. Urin är huvudsakligen vatten (97%), vilket innebär att näringsämneskoncentrationen är låg. Exempelvis är kvävekoncentrationen i urin 0,6% (Vinnerås et al., 2006), medan ureagödselmedel innehåller 46% kväve. Lägre näringsämneskoncentrationer kräver större volym urin som appliceras per hektar, vilket skapar logistikproblem när det gäller lagring (eftersom cirka 550 liter urin produceras per person och år) och ökar kostnaderna för transport och applicering. Därför är urin inte ett konkurrenskraftigt gödningsmedel. För att bättre kunna utnyttja näringsämnena måste det överskottsvattnet i urinen avlägsnas.

Att koncentrera näringsämnena i urinen utan att förlora kvävet är utmanande. Cirka 85% av urinkvävet finns urea (CO (NH2) 2). Efter insamlingen av urinen i toaletten hydrolyseras urean snabbt till, ammoniak (NH3), i en reaktion som katalyseras av ureasenzymer. Ammoniaken är jämfört med vatten lättare att förånga, vilket leder till att urin inte helt enkelt kan avvattnas genom torkning. Att stoppa nedbrytningen av urean under insamlingen är också en utmaning eftersom enzymet ureas som bryter ned urean är ett väldigt stabilt enzym.

Denna studie utvecklade en teknik för att begränsa ureasenzymerna med högt pH och därefter torka urinen. Torkningen ökade kvävekoncentrationen från 0,6% till > 6%. Genom torkningen produceras ett torrt gödningsmedel av monetärt värde och man undviker transport och lagring av stora vattenvolymer. Tekniken är avsedd för ett kassettbaserat sanitetssystem som samlar, behandlar och minskar volymen urin i behandlingskassetten. I försök tillsattes färsk humanurin till träaska (initialt pH> 12) vid 35 ° C och vid 65 ° C. höjningen av pH gjordes för att alkalisera och därmed inhibera enzymet ureas från att katalysera hydrolys av urea till ammoniak. Massbalansberäkningar visade 95% minskning av massan under uttorkning, samtidigt som upp till 90% av kvävet behölls i den fasta fasen. Ett sådant system skulle i hög grad förenkla logistik och kostnader för lagring, transport och applicering av urin som gödningsmedel i lantbruket. Den verkligt innovativa är slutprodukten: ett torrt pulver med 7,8% N, 2,5% P och 10,9% K, dvs ekvivalent med kommersiellt gödselmedel.

Välkommen att titta på vår senare publicering i tidskriften Science of the Total Environment.

Senecal, J., Vinnerås, B. 2017. Urea stabilisation and concentration for urine-diverting dry toilets: Urine dehydration in ash. Science of The Total Environment, 586, 650-657.

English version below.


Dry fertiliser from urine

The saying ‘we are what we eat’ is only part of the story. What we eat is what we excrete, and this means plant nutrients. Human excreta contain the same nitrogen, phosphorus and potassium (N-P-K) as the fertilisers used to produce the food consumed (Winker et al., 2009). However, human excreta are considered unwanted waste throughout the world, creating humanitarian and environmental problems (Baum et al., 2013). In order to replace the nutrients removed from the fields during harvesting, more fertilisers are manufactured in industrial processes that are contributing to environmental changes at global level (Rockström et al., 2009). Recycling human excreta back to agricultural fields would reduce the current dependence on fossil fuel-derived fertilisers (Ramírez & Worrell, 2006). It would also improve crop yields in e.g. sub-Saharan Africa, where fertiliser application is low (FAO, 2015), and protect marine ecosystems in the Baltic Sea by limiting the flow of excess nutrients to surface waters (Rockström et al., 2009).

The limitation of human urine as a fertiliser is its low nutrient concentration compared with commercial fertilisers. Urine is mostly water (97%), meaning that the concentration of nutrients is low. For example, the N concentration in urine is 0.6% (Vinnerås et al., 2006), whereas that of the manufactured fertiliser urea is 46%. Lower nutrient concentrations require larger quantities of urine to be applied per hectare as fertiliser, which creates logistics problems in terms of storage (as approx. 550 L of urine are produced per person and year) and increases the costs of transportation and application. Hence urine, as excreted, is not a competitive fertiliser. To better utilise the nutrients, the excess water in urine needs to be removed.

Concentrating the nutrients in urine while retaining N is challenging. Approximately 85% of the N in urine is initially present in non-volatile form, as urea (CO(NH2)2). Once excreted, the urea is quickly hydrolysed to volatile form, ammonia (NH3), in a reaction that is catalysed by urease enzymes. The volatility of NH3 means that urine cannot simply be dehydrated, but stopping the urease enzyme is also a challenge.

This study developed a technique to limit the urease enzymes by applying high pH and, through dehydration, increase the N concentration, from 0.6% to > 6%, to produce a dry fertiliser of monetary value and avoid the need for liquid disposal from the toilet. The technique is intended for a container-based sanitation system that collects, contains, treats and reduces the volume of urine within the container. In tests, fresh human urine was added at various intervals to wood ash (initial pH >12) at 35 °C and 65 °C, to alkalise and thus inhibit the enzyme urease from catalysing hydrolysis of urea to ammonia. Mass balance calculations demonstrated a 95% reduction during dehydration, while preserving up to 90% of the N. Such a system would greatly simplify the logistics and costs of storage, transportation and application of urine as a fertiliser. The truly innovative feature is the final product: a dry powder with 7.8% N, 2.5% P and 10.9% K by weight, i.e. equivalent to commercial fertiliser.

Welcome to check out our latest publication on the subject in the journal Science of The Total Environment.

Senecal, J., Vinnerås, B. 2017. Urea stabilisation and concentration for urine-diverting dry toilets: Urine dehydration in ash. Science of The Total Environment, 586, 650-657.


Contact
Jenna Senecal-Smith

Posted by Evgheni Ermolaev

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *