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专家想发挥粪便的最大价值:肥料、饲料、建筑材料

发布时间:2017-10-16 06:00:08 来源:网易科学人 责任编辑:笙火
利用下水道粪泥制造肥料或燃料是最常见的方法,但研究人员和企业家们也正在探索其他用途。有人建议利用粪泥在干化床上种植作物,或者在人工池塘中培育鲶鱼。其他人则提议将粪泥进行干燥处理,并将其与水泥和砖块等建筑材料结合起来使用。除此之外,许多公司还在研究下水道粪泥中的某些脂肪酸是否能成为生物塑料和工业化学品的重要原材料。而以粪便为食的幼虫正被用于生产工业用途的油料,将来它们还可以用作动物饲料。

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在非洲国家卢旺达基加利市(Kigali)的郊区,装满人类排泄物的化粪车正在橙色的土路上蹒跚而行,直到来到其最终目的地——Nduba垃圾掩埋场。几年前,这些卡车还会把粪便等污物洒进巨大的露天矿场中。但自2015年以来,身着绿色连体衣的工人们开始在成排的棚屋和塑料屋顶的温室外迎接它们,准备将粪便处理成干燥的粉末状燃料。

专家想发挥粪便的最大价值:肥料、饲料、建筑材料

图1:污水处理厂

这种处理设施被称为Pivot,它的创始人是卫生工程师阿什利·姆斯普拉特(Ashley Muspratt),他在加纳、肯尼亚以及卢旺达生活了7年多,去年才回到美国。姆斯普拉特坚持认为,Pivot并非是简单的下水道粪泥处理厂,而是一家企业,其产品可为当地水泥厂和砖厂提供动力。姆斯普拉特表示:“我把Pivot称为卫生公司和可再生燃料公司,我们的模式就是建立工厂和推出产品。”姆斯普拉特是许多试图解决公共卫生领域最大挑战之一的企业家中的一员,希望从处理人类废物中获利。

世界卫生组织和联合国儿童基金会今年7月发布报告称,世界上有28亿人(占全球人口的38%)没有下水道可用,只能将排泄物储存在户外或坑洞里。这种处理方式不仅需要经常清理,很多时候清理起来甚至非常危险。据估计,到2030年,使用坑洞的人数将增加到50亿,同时国际社会对水和环境卫生的援助预计也会减少。荷兰联合国教科文组织国际水教育学院(IHE Institute for Water Education)的环境工程师克莱尔·弗隆(Claire Furlong)说,诸如“千年发展目标”中许多引人注目的举措,如推广“平蹲式马桶或脚踏式马桶”都很好。但是当那些厕所都被填满后,我们还能怎么做?”

姆斯普拉特和其他人正在寻找答案。利用下水道粪泥制造肥料或燃料是最常见的方法,但研究人员和企业家们也正在探索其他用途。有人建议利用粪泥在干化床上种植作物,或者在人工池塘中培育鲶鱼。其他人则提议将粪泥进行干燥处理,并将其与水泥和砖块等建筑材料结合起来使用。除此之外,许多公司还在研究下水道粪泥中的某些脂肪酸是否能成为生物塑料和工业化学品的重要原材料。而以粪便为食的幼虫正被用于生产工业用途的油料,将来它们还可以用作动物饲料。

比尔和梅林达·盖茨基金会下属水、环境卫生和个人卫生项目负责人杜拉耶·科内(Doulaye Kone)说,这些方法反映出人们开始重新思考如何处理下水道的粪泥,从一开始就要考虑到最终产品,而不仅仅是公共卫生。卫生设施的经济模式也在发生改变,从完全的公共服务变成私企的一部分,这些私企正从粪便中发现更大价值。科内还称,在旧模式下,人们没有机会出售任何东西,政府还要为此支付处理成本。而当预算枯竭的时候,所有人都会陷入麻烦中。因此,发展中国家的许多处理厂现在都被遗弃。

弗隆警告说,资金短缺并不是“废物变资源”项目难以成功的唯一原因。许多有前途的项目都遇到了阻力,因为它们没能解决文化问题,这些因素可能会影响人们的购买意愿,无论是来自厕所的用户还是国家的政客。这可能包括人们对人类排泄物的消极态度,或者是不愿意使用新的厕所技术来获取可用的废物。姆斯普拉特和其他人则在处理已经存在于坑洞中的垃圾,他表示:“对我来说,这背后的驱动力是试图找到一种方式,让非洲大陆上再也没有白象(White elephant,即无用的垃圾)。”

有些人不需要说服就了解下水道粪泥的好处。在加纳,许多缺乏肥料的农民要求化粪车司机将他们的货物倾倒在自己的田地里,他们则使用传统方法制作堆肥,并将其推广到粟田和玉米田中。但是,这种增加作物营养的方法可能给食用和照料它们的人带来更大风险,因为这些排泄物都未经过安全处理,会增加感染伤寒、霍乱、蛔虫和其他可能引起腹泻的病原体的机会,甚至会导致贫血和营养不良。在幼儿中,重复接触也会影响身体和认知发育。

即使这些农民没有在粮食作物上使用下水道粪泥,其本身携带的疾病仍然是个严重问题。在加纳,只有不到5%的人有下水道可用,而且几乎没有污泥处理设施,大部分垃圾最终都被扔进了沟渠或海中。

专家想发挥粪便的最大价值:肥料、饲料、建筑材料

图2:全球23亿人缺少处理排泄物的基本安全卫生措施,8.92亿人只能露天解决大小便问题

从技术上说,将下水道粪泥转化为肥料并没有太大问题,但由于市场价格低廉,从业者很难从中获利。在世界上的许多污水处理厂,处理下水道污泥过程中经常会获得固体或半固体材料,它们被称为生物固体(biosolids))为了降低处理成本,这些处理厂常常选择将生物固体扔掉了事。然而,在加纳首都阿克拉东部的城市Tema,一家新工厂刚刚出售了它的第一批50公斤重袋装肥料。国际水资源管理研究所(IWMI)的商业经济学家索罗米·格布列兹加布希尔(Solomie Gebrezgabher)说,这项业务应该在三年内实现盈利。

Tema工厂在处理粪泥的同时,也会形成堆肥。在加纳炙热太阳的帮助下,工厂消耗的能源要比使用干燥和加热设备的方法少得多。但它需要大量的空间和时间,而且气味更难闻。在最初的10天里,来自私人住宅和公共厕所的下水道粪泥需要在填满了沙子的床上晾干,这使得水分可以排出并蒸发掉。然后它与木屑或食物残渣混合起来,并被转移到有盖的棚子里。由于里面含有自然产生的微生物,工人们会定期地翻动,粪泥会在两个月的时间里分解。在这个过程中,它变得非常热,足以摧毁病原体。冷却后,就变成了成品肥料。

格布列兹加布希尔说,这种廉价的加工过程非常适合加纳的条件。她解释说:“不一定非要使用高科技。”这个团队使用笨重的土壤添加剂,帮助改善贫瘠土壤的物理品质,比如其能保持水的能力,但并不能显著增加营养的供给。当格布列兹加布希尔与农民交谈时,许多人对此都不感兴趣。因此,她和同事们将粪泥中混合硫酸铵或尿素,添加更多的营养物质,并将其压缩成容易管理的小球。对于那些对使用由粪泥制成的产品感到恶心的农民来说,这个团队得到了政府的安全认证,为此农民们也变得热心起来。格布列兹加布希尔说:“他们对此感到非常兴奋,因为它拥有所有他们正在寻找的东西。”

另一项刺激措施是,政府将这种产品称为“强化肥料”,为其提供肥料补贴。在产品和潜在买家的帮助下,IWMI团队正与当地政府以及名为Jekora Ventures的私营垃圾管理公司合作。该工厂于今年4月正式投入使用,每年将从约6.5万至10万人的排泄物中提炼出500吨化肥,所得利润由该公司与当地合作伙伴按比例分配。格布列兹加布希尔说,这个想法是利用资金来改善环境卫生。她正在与IMWI团队在其他地区合作,以复制这种模式,他们首先从斯里兰卡开始。格布列兹加布希尔表示:“通过不那么复杂的技术,这种商业模式可以在发展中国家进行重新设计,这在商业上是可行的。”

下水道粪泥中也含有能量。加拿大汉密顿的联合国大学2015年发布报告称,如果每年产生的人类粪便都转化为沼气,足可为超过1.38亿个家庭提供电力。剩下的泥浆还可以被制作成类似木炭的燃料,供13万户家庭使用。在Pivot工厂,工人们制造了一种固体燃料。通过微孔筛网,他们把粪泥中的大部分水析出,然后铺在温室里晒干。最后,他们还会在干燥的纸板上用热烘燥机进一步脱水和消毒。姆斯普拉特表示,最终的结果是产生粉末或颗粒状物质。与其他生物燃料(如锯末或咖啡外壳)相比,这种粪便燃料的能量高20%。

Pivot公司将其燃料卖给水泥厂和制砖公司,这些公司的熔炉和窑炉对Pivot制造的燃料产生持续性需求。此外,Pivot的主要客户还有国际公司,他们认为下水道粪泥是可再生能源,可以代替煤。在运营成本上,Pivot即将实现收支平衡,尽管它仍部分依赖于外界的支持。Pivot在垃圾填埋场的地皮是市政府捐赠的,基础设施也是用捐赠款兴建的。瑞士联邦水科学与技术研究所环境工程师琳达·斯特朗德(Linda Strande)说,预计从下水道粪泥中获得巨额利润是不现实的。

斯特朗德解释说,大多数项目预计每年能收回运营成本的10%到20%。这已经很不错,因为至少他们赚了钱,并证明把下水道粪泥重新变成更有价值的东西可行。具有讽刺意味的是,Pivot面临的最大障碍是如何获得足够的粪泥。从理论上讲,像基加利这样至少有100万人口的城市,应该能够满足原料需求,但没有人将这些污泥从非正式的定居点送到处理厂。这里生活的2/3人口是非正式的工人,他们只能手动将坑洞中的排泄物铲出来,并把里面的东西倒进附近的沟渠或水道里。

因此,Pivot启动了一个副项目,为定居点提供安全的抽水服务。事实证明,此举非常受欢迎,但许多坑洞存在漏水情况。姆斯普拉特说,“我们从坑洞中获取的粪泥数量相对有限,所以这与我们预想的目标存在差距。”Pivot计划开始研磨其他种类的可燃废物,以与粪便燃料混合。与IWMI一样,Pivot公司也打算在整个非洲和印度进行扩张。由于当地政府采取更多举措,数以百万计以前露天排便的人正在修建茅厕。姆斯普拉达说:“我们的最终任务是成为市场上最便宜的城市粪泥处理者。”

2000年霍乱爆发后,包括南非德班在内的eThekwini Municipality在郊区安装了超过85000个粪尿分集干式厕所。使用这种厕所时,尿液会渗入地下,剩下的固体物质则被当地政府要求住户掩埋起来。但是,掩埋固体排泄物日益成为老年人的负担,而人口密度增加意味着掩埋的土地越来越少。即使粪便在地下分解时,病原体存活的时间依然比预期的长得多。

泰迪·甘登(Teddy Gounden)和他在水和卫生部门的同事们想要开始收集这类垃圾。他想:“但是我们该怎么做呢?”这种固态物质比下水道中的生物固体更难处理,它会把城市污水处理厂的管道都粘起来。由于缺乏尿液,它也没有足够的营养用来制作堆肥。此外,在处理厂处理它们成本十分高昂。

然后甘登和同事们听说,特定的飞行物种可以利用它们制造出比堆肥更有价值的产品。苍蝇通常会危及人类健康,因为它们以人类粪便和食物为食,在它们来回穿梭时会传播病原体。但是,来自热带气候的黑水虻(Hermetia illucens)与众不同:它在幼虫阶段会贪婪地进食,当它停留在某个状态而还未成年时,其对人类造成的健康威胁也会大大降低。

这种苍蝇被总部位于开普敦的公司AgriProtein用于处理食品废物,它还建立了工厂以利用黑水虻的特殊习性。该公司在笼子里饲养苍蝇,并在育婴室里孵卵,然后把幼虫转移到食物残渣中,在那里它们可以吃饱喝足。在孵化两周后,幼虫自然会从排泄物中迁移到蛹中,使它们和剩下的堆肥都很容易被单独处理。这些工厂会让幼虫脱水,以生产动物饲料或提取脂肪油。这些油有多种用途,可被用于制造化妆品和生物柴油等。剩下的有机物质变成了一种土壤调节器。去年,AgriProtein开办了首家工业规模的工厂,并计划在全球范围内进行扩张。

随着食品垃圾处理工作的顺利进行,AgriProtein启动了名为BioCycle的更复杂资源物质-人类废物项目。该公司的联合创始人兼董事大卫·威尔科·德鲁(David Wilco Drew)说,这些幼虫对待新食物的态度与腐化食物差不多。与eThekwini Municipality合作,并得到比尔和梅林达·盖茨基金会的支持,AgriProtein在2016年年底在德班开放试点工厂。

在意识到与粪泥有关的健康风险后,BioCycle已对食物-废物项目进行了调整,它对病原体和重金属加强测试。此外,该工厂不生产农产品,而是利用幼虫制作油料,剩下的有机物变成固体砖块,两者都可被用作燃料。从今年7月下旬开始,粪尿分集干式厕所开始安装。在满负荷运转的情况下,该工厂每天将可接收到40吨原材料,然后再将其与食物废料混合起来。德鲁说:“这是最接近民众的垃圾昆虫处理设施。”


通过进一步的研究,黑水虻将可以在城市下水道系统中直接处理粪泥。甘登说:“这种方法有很大的潜力。”其他国家政府基本上都在等着观看结果。为了让各地的市政当局更容易加入利用粪泥的行列,斯特朗德的团队已经开发了一份小册子和在线课程,帮助当地的工程师设计出能够生产可销售产品的系统。

为了更好地理解这些系统,由德班夸祖鲁-纳塔尔大学研究人员领导的国际研究小组正在开发一种标准方法和程序,用于描述诸如湿度、垃圾和病原体含量、营养和热量等方面的粪泥特性。德鲁表示,每个人都避免不了吃喝拉撒,他梦想着世界上的每个公民都能为他们的供应链做出贡献。(小小)

郭浩 本文来源:网易科学人 责任编辑:郭浩_NT5629

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