尿のリサイクルが世界を救う？
Wald C (2022)
The urine revolution: how recycling pee could help to save the world.
09 February 2022
Separating urine from the rest of sewage could mitigate some difficult environmental problems, but there are big obstacles to radically re-engineering one of the most basic aspects of life.
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スウェーデン最大の島、ゴットランド島では、真水が不足しています。同時に、農業や下水道システムによる危険な量の汚染が、周囲のバルト海に有害な藻類を発生させ、住民はこれと戦っています。その結果、魚が死んだり、人が病気になったりすることもあるのです。 このような環境問題を解決するために、この島は、環境問題をつなぐ、ある一つのありえない物質に期待をかけています。
2021年から、研究者チームは携帯トイレを貸し出している地元企業との共同研究を開始した。夏の活況を呈する観光シーズンに、数カ所に設置された水なし小便器や専用トイレから、3年間で7万リットル以上の尿を採取することが目標だ。チームはウプサラにあるスウェーデン農業科学大学（SLU）のもので、Sanitation360という会社から独立したものである。研究者たちが開発したプロセスで、尿を乾燥させてコンクリートのような塊にし、それをハンマーで叩いて粉末にし、通常の農業機械に合うようにプレスして肥料ペレットを作ります。この肥料を使って、地元の農家が大麦を栽培し、ビール工場でエールビールを造る。 SLUの化学プロセスエンジニアでSanitation360の最高技術責任者であるPrithvi Simha氏は、研究者たちは尿の再利用を「概念を超えて実践する」ことを目標としている、と語る。その目的は、世界中の地域が追随できるようなモデルを提供することです。「誰もが、どこでも、この実践を行うことができるようになることが目標です」。
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The Gotland experiment compared barley fertilized with urine (right) to plants grown without fertilizer (middle) and ones with mineral fertilizer (left).Credit: Jenna Senecal
ゴットランドのプロジェクトは、尿を他の下水から分離し、肥料などの製品にリサイクルする世界的な同様の取り組みの一環である。アメリカ、オーストラリア、スイス、エチオピア、南アフリカなどでは、「尿の転用」と呼ばれる研究が行われている。その取り組みは、大学の研究室の枠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、水なし小便器が地下の処理システムに接続されている。パリでは、14区に建設中の1,000人規模のエコ・クォーターに分尿式トイレを設置する計画もある。欧州宇宙機関では、パリ本部に80台の分尿式トイレを設置し、今年末から運用を開始する予定だ。尿の分流を推進する人たちによれば、一時的な軍事基地から難民の野営地、豊かな都市中心部、広大なスラム街まで、様々な場所で利用できる可能性があるという。 科学者によれば、尿の転用が世界中で大規模に展開されれば、環境と公衆衛生に大きな利益をもたらすという。尿には栄養分が豊富に含まれているので、水域を汚染する代わりに、作物の肥料にしたり、工業プロセスに投入したりすることができるからだ。シムハの試算によれば、人間が排出する尿は、現在の窒素肥料やリン肥料の約4分の1を代替できる量であり、カリウムや多くの微量栄養素も含んでいる（「尿に含まれるもの」参照）。さらに、尿を排水口に流さなければ、大量の水を節約でき、老朽化して負荷のかかる下水道システムの負担を軽減することができる。 https://gyazo.com/ca3578ba1e06f13ae1fefdb0c9613094
Source: M. Qadir et al. Nat. Resour. Forum 44, 40–51 (2020)
トイレや尿の処理方法の進歩により、尿の分流に関する多くの要素が、まもなく広く普及する可能性があると、この分野の専門家は述べている。しかし、生活の最も基本的な側面の一つを根本的に作り直すには、大きな障害もある。研究者や企業は、分尿式トイレの設計の改善から、尿を簡単に処理して価値ある製品に変えることまで、多くの問題を解決する必要がある。そのためには、個々のトイレに接続された化学処理システムや、建物全体を対象とした地下装置、そして濃縮・固形化された製品の回収・メンテナンスサービスなどが考えられる（「おしっこから製品まで」参照）。さらに、人間の排泄物に対する文化的タブーのレベルの違いや、産業用下水や食品システムに関する深く根付いた慣習に関連して、社会の変化と受容に関するより大きな問題がある。 ミネソタ州ミネアポリスで持続可能性コンサルタントを務める生物学者リン・ブロダスは、世界の水質専門家の団体である水環境連盟（バージニア州アレクサンドリア）の前会長であり、尿の転用と再利用は、エネルギー、水、農業・工業用原料の不足と戦う社会でますます重要になるタイプの「人間の衛生管理の方法を大幅に見直す」ことであると語る。「事実、それは貴重なものなのです」。
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混合廃棄物
かつて、尿は貴重品でした。かつては、農作物の肥料、皮革のなめし革、衣類の洗濯、火薬の製造などに利用されていた社会もあった。しかし、19世紀後半から20世紀初頭にかけて、イギリスで生まれた近代的な下水道の集中管理モデルが世界中に広まり、最終的に尿失禁と呼ばれる事態を招いた。 このモデルでは、水洗トイレは水を使い、尿、便、トイレットペーパーを素早く下水道に送り込み、家庭や産業からの他の液体、時には雨水と混ぜ合わせる。中央処理場では、エネルギー集約型のプロセスで、微生物を使って下水をきれいにします。 地域の規制や処理場の状況にもよりますが、このプロセスから排出される排水には、窒素などの栄養分が多く含まれ、その他の汚染物質も含まれていることがあります。また、世界の人口の57%は集中型下水道システムに全く接続されていません（「人間の汚水」参照）。 https://gyazo.com/ce64ab45ac6c3bcf726c2c327823fe91
Source: C. Tuholske et al. PLoS ONE 16, e0258898 (2021).
科学者たちは、集中管理システムをより持続可能で汚染の少ないものにする方法を研究していますが、1990年代にスウェーデンで始まった、より根本的な変化を求める研究者たちもいます。ミシガン大学アナーバー校の環境エンジニアであるナンシー・ラブ氏は、「パイプの先端の進歩は、同じようなことの別の展開に過ぎない」と言う。尿の転換は「革命的」である、と彼女は言う。米国の3つの州の廃水管理システムをモデル化した研究1において、ラブ氏と同僚は、従来の廃水システムと、尿を流用し、回収した栄養分を合成肥料の代わりに使用する仮想のシステムを比較した。その結果、使用する技術にもよるが、尿の転換を行うコミュニティでは、温室効果ガスの排出量を最大47%、エネルギー消費量を最大41%、淡水使用量を約半分、廃水による栄養塩汚染を最大64%削減できると予測された。
しかし、このコンセプトはニッチなもので、北欧のエコビレッジや農村部の廃屋、低所得者層の開発プロジェクトなど、非電化地域に限定されているのが現状です。
デュベンドルフにあるスイス連邦水生科学技術研究所（Eawag）の化学エンジニア、トーベ・ラーセンは、この遅れの多くはトイレそのものに起因していると言う。1990年代から2000年代にかけて販売されたほとんどの分流式トイレは、前方に小さな水受けがあり、その水受けを慎重に狙わなければならない。また、足で動くベルトコンベアーで尿を流しながら糞を堆肥化するタイプや、センサーで弁を操作して尿を別の出口に誘導するタイプもある。
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A prototype toilet that separates urine and dries it into a powder is being tested at the head office of VA SYD, the Swedish public water and wastewater utility, in Malmö.Credit: EOOS NEXT
しかし、ヨーロッパのパイロットプロジェクトや実証プロジェクトでは、扱いにくい、臭い、信頼性がないなどの理由で、人々に受け入れられなかったとラーセンは言う。「私たちは、トイレの話題で本当に行き詰ってしまいました。 このような懸念は、2000年代に南アフリカのエテクウィニ自治体で行われたプロジェクトで、初めて大規模に使用された尿流用トイレの悩みの種でした。ダーバンにあるクワズールー・ナタール大学で衛生管理を研究しているアンソニー・オディリは、「アパルトヘイト以降、自治体の境界が突然拡大し、トイレのインフラも水道もほとんどない貧しい農村部の責任を当局が担うことになりました」と話す。 2000年8月にコレラが発生した後、当局は財政的、実用的な制約を満たすために、いくつかのタイプの衛生設備を迅速に導入しました。そのうちのほとんどが現在も使用されている約8万個の尿分流式乾式トイレです。尿は便器の下の土に、糞は金庫に落ち、2016年以降、自治体は5年ごとにこれを空にすることにしている。
このプロジェクトは、地域に安全な衛生環境を確立することに成功したとオディリ氏は言う。しかし、社会科学的な調査により、このプログラムには多くの問題点があることが明らかになりました。人々はトイレがないよりはましだと感じていたようですが、彼が関わった研究2も含め、トイレの利用者は一般的にトイレを嫌っていることが後に判明しました。多くのトイレは粗悪な材料で作られており、使い勝手が悪かったのです。理論的には悪臭を防ぐはずのトイレだが、エテクウィニのトイレでは、尿が便と一緒に金庫に入り込み、ひどい悪臭を放つことがよくあった。人々は「まともに息ができない」とオディリさんは言う。しかも、その尿はほとんど使われないままである。
結局、公衆衛生上の懸念が主な理由となった尿転用型乾式トイレの決定はトップダウンであり、人々の好みを考慮することができなかったとオディリ氏は言う。2017年の調査3では、エテクウィニ市の回答者の95％以上が、裕福な白人が使っている便利で無臭の水洗トイレに憧れ、多くの人が状況が許せば設置する意向を持っていることがわかりました。南アフリカでは、トイレは人種間格差の象徴とされてきました。 しかし、ある新しいデザインは、尿の流れを変える画期的な方法かもしれない。デザイナーのハラルド・グリュンドルが主導し、ラーセンらと共同で、2017年、オーストリアのデザイン会社EOOS（その後、EOOS Nextという会社をスピンオフ）は「Urine Trap」を発表した。これは、ユーザーが狙いを定める必要がなく、尿を分流させる機能もほとんど見えない（「新しいタイプのトイレ」参照）。 https://gyazo.com/1ee1c2012328d0a411b170366b4bdbc1
これは、水が表面に付着しやすい性質（不便に滴り落ちるティーポットのようなのでティーポット効果と呼ばれる）を利用して、尿を便器の前面内側の別の穴へと誘導します（「おしっこをリサイクルする方法」参照）。低所得者向けトイレの革新に関する広範な研究を支援してい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、高級な陶器の台座モデルからプラスチック製のスクワットパンまで、あらゆるものに組み入れることができる。スイスに本社を置くメーカーLAUFEN社は、すでにヨーロッパ市場向けに「セーブ！」と呼ばれるものを生産しているが、多くの消費者にとっては高価すぎるものである。
クワズール・ナタール大学とエテクウィニ自治体も、尿を迂回させて固形物を流すウリントラップトイレのバージョンをテストしている。今回は、より使用者にフォーカスした研究です。しかし、男性は排尿のために座らなければならず、これは大きな文化的変化であると指摘します。しかし、このトイレが「高所得者層、つまり様々な人種が住む地域でも採用され、受け入れられれば、本当に普及の助けになる」と彼は言う。黒人のためだけ」「貧しい人のためだけ」と思われるような開発をしないよう、「常に人種的なレンズをかけておく必要があります」と彼は付け加えました。
尿の用途
尿を分離することは、衛生環境を変えるための第一歩に過ぎません。次は、それをどう使うかです。農村部では、尿をタンクに貯蔵して病原菌を殺し、それを畑に撒くことができます。世界保健機関（WHO）は、そのためのガイドラインを提供しています。 しかし、都市部では、尿のほとんどが都市部で生産されているため、より困難です。尿を一カ所に集めるために、街中に別の下水管を追加することは現実的ではありません。また、尿の約95％は水であるため、保管や輸送にコストがかかりすぎる。そこで研究者たちは、トイレや建物の中で尿から栄養素を乾燥、濃縮、抽出し、水を残さないことに着目している。
これは簡単なことではないとラーセンは言う。工学的な観点から見ると、「尿は厄介なソリューションです」と彼女は言う。水以外に、タンパク質の代謝の副産物として体内で生成される窒素を多く含む化合物である尿素が最も大きな割合を占めています。尿素はそれ自体が有用であり、合成されたものは一般的な窒素肥料となる（「窒素の需要」の項を参照）。しかし、尿素は水と混ざるとアンモニアガスに変化し、尿の匂いの元となる。このアンモニアは、尿に含まれないと悪臭を放ち、空気を汚染し、貴重な窒素を持ち去る。ウレアーゼは、尿素の加水分解を触媒する酵素であり、この反応はマイクロ秒単位で行われるため、最も効率的な酵素の一つとされている。 https://gyazo.com/ad1daafa6048cd13adf1b54b78a68c22
加水分解を進められるアプローチもある。イワグの研究者は、加水分解された尿を濃縮栄養液にする先進的なプロセスを開発しました。まず、タンクの中で微生物が揮発性のアンモニアを不揮発性の硝酸アンモニウムに変え、これは一般的な肥料になる。その後、蒸留機で濃縮する。同じくデュベンドルフにあるVunaというスピンオフ企業は、建物内で使用するシステムと、スイスで世界初の食用植物への使用を認可されたAurinという製品の両方を商品化するために活動している。 また、体外に排出される際に通常は中性である尿のpHを素早く上げたり下げたりすることで、加水分解反応を止めようとするものもある。ミシガン大学では、ラブ社とバーモント州ブラトルボロにある非営利団体リッチアース研究所が共同で、液体クエン酸を尿分岐トイレと水なし小便器のパイプに噴射するビル用システムを開発している。そして、凍結と融解を繰り返すことで尿を濃縮する5。 環境エンジニアのBjörn Vinneråsが率いるゴットランド島のプロジェクトを行うSLU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にする方法を考え出した。このチームは、マルメにあるスウェーデンの公共上下水道会社VA SYDの本社で、乾燥機を内蔵した自己完結型のトイレの最新プロトタイプを評価しています。
その他の方法としては、尿に含まれる個々の栄養素を対象とするものがあります。化学エンジニアのウィリアム・ターペは、ラブ博士の元研究員で、現在はカリフォルニアのスタンフォード大学に在籍している。
加水分解した尿からリンを回収する方法として確立されているのは、マグネシウムを加えることである。マグネシウムはストルバイトという肥料を沈殿させる。ターペーは、アンモニア6という形で窒素を、リン酸塩という形でリンを選択的に取り出すビーズ状の吸着材を使った実験を行っている。彼のシステムでは、使用後のビーズの上に再生液と呼ばれる別の液体を流している。この再生液が栄養分を運び出し、ビーズを新しく生まれ変わらせる。ローテクでパッシブな方法ですが、市販の再生液は環境を破壊してしまいます。彼のチームは現在、より安価で、より環境に優しいものを作ろうとしている（「未来の汚染」参照）。
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また、微生物燃料電池に尿を入れて電気を作る方法を開発している研究者もいる。南アフリカのケープタウンでは、尿と砂とウレアーゼを産生するバクテリアを組み合わせて型に入れ、焼成せずにどんな形にも石灰化する、従来にない建設用レンガの製造方法を開発したチームもある。また、欧州宇宙機関では、宇宙飛行士の尿を月面の居住施設建設の資源として注目している。 「尿の回収や排水の回収の大きな将来を考えたとき、できるだけ多くの製品を作れるようにしたいのです」とターペーは言う。
研究者たちは、尿を商品化するためのさまざまなアイデアを追求しているが、特に既得権益を持つ業界に対しては、困難な戦いであることもわかっている。肥料会社や食品会社、農家、トイレメーカー、規制当局などは、自分たちのやり方を大きく変えようとはしない。「惰性でやっていることが多いのです」とシムハは言う。
例えば、カリフォルニア大学バークレー校では、研究・教育用に「ラウフェン・セーブ！」トイレを設置しましたが、下の階の貯蔵タンクへの排水管も含め、予想外に3年近くかかり、費用も5万ドル以上かかりました。これには建築家への依頼料、工事費、自治体の条例への対応などが含まれると、現在モーガンタウンのウエ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・オーナー氏は言う--そしてまだ完成していないのだ。オーナーは、既存の規範や規制がないために施設管理に支障をきたしているという。だからこそ彼は、新しい規範を策定する委員会に参加しているのだ。
顧客の抵抗を懸念しての惰性もあるかもしれないが、2021年に16カ国の人々を対象に行われた調査7では、フランス、中国、ウガンダなどで、尿を使った食品の摂取に対する意欲が80％に近づいたという（「人は食べるか？） https://gyazo.com/5f679c786aab4bd9f12df2e4b44c35a3
ニューヨーク市環境保護局の副局長として廃水処理局を率いるパム・エラルド氏は、「汚染のさらなる削減と資源の回収は、彼女の事業にとって重要な目標なので、尿の転用などのイノベーションを支持します」と語る。ニューヨークのような都市で尿を転用する最も現実的で費用対効果の高い方法は、改築または新築の建物にオフグリッドシステムを設置し、メンテナンスと回収作業をサポートすることだと彼女は考えています。もし、それを実現できるのであれば、「やるしかない」と彼女は言う。 このような技術革新が進めば、尿を排出する技術の大量生産と自動化は近い将来実現するだろう、とラーセンは予想している。そうなれば、廃棄物処理に関わるこの変革のためのビジネスケースも改善される。尿の転換は、「正しい技術です」と彼女は言う。「家庭から出る栄養物の問題を合理的な時間で解決できる唯一の技術です。しかし、人々はあえてそうしなければならないのです。"