專家想發揮糞便的最大價值:肥料、飼料、建築材料

　　2017-10-16 00:02:30　來源: 網易科學人

　　利用下水道糞泥製造肥料或燃料是最常見的方法，但研究人員和企業家們也正在探索其他用途。有人建議利用糞泥在干化床上種植作物，或者在人工池塘中培育鯰魚。其他人則提議將糞泥進行乾燥處理，並將其與水泥和磚塊等建築材料結合起來使用。除此之外，許多公司還在研究下水道糞泥中的某些脂肪酸是否能成為生物塑料和工業化學品的重要原材料。而以糞便為食的幼蟲正被用於生產工業用途的油料，將來它們還可以用作動物飼料。

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　　在非洲國家盧安達基加利市（Kigali）的郊區，裝滿人類排泄物的化糞車正在橙色的土路上蹣跚而行，直到來到其最終目的地——Nduba垃圾掩埋場。幾年前，這些卡車還會把糞便等污物灑進巨大的露天礦場中。但自2015年以來，身著綠色連體衣的工人們開始在成排的棚屋和塑料屋頂的溫室外迎接它們，準備將糞便處理成乾燥的粉末狀燃料。

　　

　　圖1：污水處理廠

　　這種處理設施被稱為Pivot，它的創始人是衛生工程師阿什利·姆斯普拉特（Ashley Muspratt），他在迦納、肯亞以及盧安達生活了7年多，去年才回到美國。姆斯普拉特堅持認為，Pivot並非是簡單的下水道糞泥處理廠，而是一家企業，其產品可為當地水泥廠和磚廠提供動力。姆斯普拉特表示:「我把Pivot稱為衛生公司和可再生燃料公司，我們的模式就是建立工廠和推出產品。」姆斯普拉特是許多試圖解決公共衛生領域最大挑戰之一的企業家中的一員，希望從處理人類廢物中獲利。

　　世界衛生組織和聯合國兒童基金會今年7月發布報告稱，世界上有28億人（佔全球人口的38%）沒有下水道可用，只能將排泄物儲存在戶外或坑洞里。這種處理方式不僅需要經常清理，很多時候清理起來甚至非常危險。據估計，到2030年，使用坑洞的人數將增加到50億，同時國際社會對水和環境衛生的援助預計也會減少。荷蘭聯合國教科文組織國際水教育學院(IHE Institute for Water Education)的環境工程師克萊爾·弗隆（Claire Furlong）說，諸如「千年發展目標」中許多引人注目的舉措，如推廣「平蹲式馬桶或腳踏式馬桶」都很好。但是當那些廁所都被填滿后，我們還能怎麼做?」

　　姆斯普拉特和其他人正在尋找答案。利用下水道糞泥製造肥料或燃料是最常見的方法，但研究人員和企業家們也正在探索其他用途。有人建議利用糞泥在干化床上種植作物，或者在人工池塘中培育鯰魚。其他人則提議將糞泥進行乾燥處理，並將其與水泥和磚塊等建築材料結合起來使用。除此之外，許多公司還在研究下水道糞泥中的某些脂肪酸是否能成為生物塑料和工業化學品的重要原材料。而以糞便為食的幼蟲正被用於生產工業用途的油料，將來它們還可以用作動物飼料。

　　比爾和梅林達·蓋茨基金會下屬水、環境衛生和個人衛生項目負責人杜拉耶·科內(Doulaye Kone)說，這些方法反映出人們開始重新思考如何處理下水道的糞泥，從一開始就要考慮到最終產品，而不僅僅是公共衛生。衛生設施的經濟模式也在發生改變，從完全的公共服務變成私企的一部分，這些私企正從糞便中發現更大價值。科內還稱，在舊模式下，人們沒有機會出售任何東西，政府還要為此支付處理成本。而當預算枯竭的時候，所有人都會陷入麻煩中。因此，發展中國家的許多處理廠現在都被遺棄。

　　弗隆警告說，資金短缺並不是「廢物變資源」項目難以成功的唯一原因。許多有前途的項目都遇到了阻力，因為它們沒能解決文化問題，這些因素可能會影響人們的購買意願，無論是來自廁所的用戶還是國家的政客。這可能包括人們對人類排泄物的消極態度，或者是不願意使用新的廁所技術來獲取可用的廢物。姆斯普拉特和其他人則在處理已經存在於坑洞中的垃圾，他表示：「對我來說，這背後的驅動力是試圖找到一種方式，讓非洲大陸上再也沒有白象（White elephant，即無用的垃圾）。」

　　有些人不需要說服就了解下水道糞泥的好處。在迦納，許多缺乏肥料的農民要求化糞車司機將他們的貨物傾倒在自己的田地里，他們則使用傳統方法製作堆肥，並將其推廣到粟田和玉米田中。但是，這種增加作物營養的方法可能給食用和照料它們的人帶來更大風險，因為這些排泄物都未經過安全處理，會增加感染傷寒、霍亂、蛔蟲和其他可能引起腹瀉的病原體的機會，甚至會導致貧血和營養不良。在幼兒中，重複接觸也會影響身體和認知發育。

　　即使這些農民沒有在糧食作物上使用下水道糞泥，其本身攜帶的疾病仍然是個嚴重問題。在迦納，只有不到5%的人有下水道可用，而且幾乎沒有污泥處理設施，大部分垃圾最終都被扔進了溝渠或海中。

　　

　　圖2：全球23億人缺少處理排泄物的基本安全衛生措施，8.92億人只能露天解決大小便問題

　　從技術上說，將下水道糞泥轉化為肥料並沒有太大問題，但由於市場價格低廉，從業者很難從中獲利。在世界上的許多污水處理廠，處理下水道污泥過程中經常會獲得固體或半固體材料，它們被稱為生物固體（biosolids））為了降低處理成本，這些處理廠常常選擇將生物固體扔掉了事。然而，在迦納首都阿克拉東部的城市Tema，一家新工廠剛剛出售了它的第一批50公斤重袋裝肥料。國際水資源管理研究所(IWMI)的商業經濟學家索羅米·格布列茲加布希爾（Solomie Gebrezgabher）說，這項業務應該在三年內實現盈利。

　　Tema工廠在處理糞泥的同時，也會形成堆肥。在迦納炙熱太陽的幫助下，工廠消耗的能源要比使用乾燥和加熱設備的方法少得多。但它需要大量的空間和時間，而且氣味更難聞。在最初的10天里，來自私人住宅和公共廁所的下水道糞泥需要在填滿了沙子的床上晾乾，這使得水分可以排出並蒸發掉。然後它與木屑或食物殘渣混合起來，並被轉移到有蓋的棚子里。由於裡面含有自然產生的微生物，工人們會定期地翻動，糞泥會在兩個月的時間裡分解。在這個過程中，它變得非常熱，足以摧毀病原體。冷卻后，就變成了成品肥料。

　　格布列茲加布希爾說，這種廉價的加工過程非常適合迦納的條件。她解釋說：「不一定非要使用高科技。」這個團隊使用笨重的土壤添加劑，幫助改善貧瘠土壤的物理品質，比如其能保持水的能力，但並不能顯著增加營養的供給。當格布列茲加布希爾與農民交談時，許多人對此都不感興趣。因此，她和同事們將糞泥中混合硫酸銨或尿素，添加更多的營養物質，並將其壓縮成容易管理的小球。對於那些對使用由糞泥製成的產品感到噁心的農民來說，這個團隊得到了政府的安全認證，為此農民們也變得熱心起來。格布列茲加布希爾說:「他們對此感到非常興奮，因為它擁有所有他們正在尋找的東西。」

　　另一項刺激措施是，政府將這種產品稱為「強化肥料」，為其提供肥料補貼。在產品和潛在買家的幫助下，IWMI團隊正與當地政府以及名為Jekora Ventures的私營垃圾管理公司合作。該工廠於今年4月正式投入使用，每年將從約6.5萬至10萬人的排泄物中提煉出500噸化肥，所得利潤由該公司與當地合作夥伴按比例分配。格布列茲加布希爾說，這個想法是利用資金來改善環境衛生。她正在與IMWI團隊在其他地區合作，以複製這種模式，他們首先從斯里蘭卡開始。格布列茲加布希爾表示:「通過不那麼複雜的技術，這種商業模式可以在發展中國家進行重新設計，這在商業上是可行的。」

　　下水道糞泥中也含有能量。加拿大漢密頓的聯合國大學2015年發布報告稱，如果每年產生的人類糞便都轉化為沼氣，足可為超過1.38億個家庭提供電力。剩下的泥漿還可以被製作成類似木炭的燃料，供13萬戶家庭使用。在Pivot工廠，工人們製造了一種固體燃料。通過微孔篩網，他們把糞泥中的大部分水析出，然後鋪在溫室里晒乾。最後，他們還會在乾燥的紙板上用熱烘燥機進一步脫水和消毒。姆斯普拉特表示，最終的結果是產生粉末或顆粒狀物質。與其他生物燃料（如鋸末或咖啡外殼）相比，這種糞便燃料的能量高20%。

　　Pivot公司將其燃料賣給水泥廠和制磚公司，這些公司的熔爐和窯爐對Pivot製造的燃料產生持續性需求。此外，Pivot的主要客戶還有國際公司，他們認為下水道糞泥是可再生能源，可以代替煤。在運營成本上，Pivot即將實現收支平衡，儘管它仍部分依賴於外界的支持。Pivot在垃圾填埋場的地皮是市政府捐贈的，基礎設施也是用捐贈款興建的。瑞士聯邦水科學與技術研究所環境工程師琳達·斯特朗德（Linda Strande）說，預計從下水道糞泥中獲得巨額利潤是不現實的。

　　斯特朗德解釋說，大多數項目預計每年能收回運營成本的10%到20%。這已經很不錯，因為至少他們賺了錢，並證明把下水道糞泥重新變成更有價值的東西可行。具有諷刺意味的是，Pivot面臨的最大障礙是如何獲得足夠的糞泥。從理論上講，像基加利這樣至少有100萬人口的城市，應該能夠滿足原料需求，但沒有人將這些污泥從非正式的定居點送到處理廠。這裡生活的2/3人口是非正式的工人，他們只能手動將坑洞中的排泄物剷出來，並把裡面的東西倒進附近的溝渠或水道里。

　　因此，Pivot啟動了一個副項目，為定居點提供安全的抽水服務。事實證明，此舉非常受歡迎，但許多坑洞存在漏水情況。姆斯普拉特說，「我們從坑洞中獲取的糞泥數量相對有限，所以這與我們預想的目標存在差距。」Pivot計劃開始研磨其他種類的可燃廢物，以與糞便燃料混合。與IWMI一樣，Pivot公司也打算在整個非洲和印度進行擴張。由於當地政府採取更多舉措，數以百萬計以前露天排便的人正在修建茅廁。姆斯普拉達說:「我們的最終任務是成為市場上最便宜的城市糞泥處理者。」

　　2000年霍亂爆發后，包括南非德班在內的eThekwini Municipality在郊區安裝了超過85000個糞尿分集乾式廁所。使用這種廁所時，尿液會滲入地下，剩下的固體物質則被當地政府要求住戶掩埋起來。但是，掩埋固體排泄物日益成為老年人的負擔，而人口密度增加意味著掩埋的土地越來越少。即使糞便在地下分解時，病原體存活的時間依然比預期的長得多。

　　泰迪·甘登（Teddy Gounden）和他在水和衛生部門的同事們想要開始收集這類垃圾。他想：「但是我們該怎麼做呢？」這種固態物質比下水道中的生物固體更難處理，它會把城市污水處理廠的管道都粘起來。由於缺乏尿液，它也沒有足夠的營養用來製作堆肥。此外，在處理廠處理它們成本十分高昂。

　　然後甘登和同事們聽說，特定的飛行物種可以利用它們製造出比堆肥更有價值的產品。蒼蠅通常會危及人類健康，因為它們以人類糞便和食物為食，在它們來回穿梭時會傳播病原體。但是，來自熱帶氣候的黑水虻(Hermetia illucens)與眾不同：它在幼蟲階段會貪婪地進食，當它停留在某個狀態而還未成年時，其對人類造成的健康威脅也會大大降低。

　　這種蒼蠅被總部位於開普敦的公司AgriProtein用於處理食品廢物，它還建立了工廠以利用黑水虻的特殊習性。該公司在籠子里飼養蒼蠅，並在育嬰室里孵卵，然後把幼蟲轉移到食物殘渣中，在那裡它們可以吃飽喝足。在孵化兩周后，幼蟲自然會從排泄物中遷移到蛹中，使它們和剩下的堆肥都很容易被單獨處理。這些工廠會讓幼蟲脫水，以生產動物飼料或提取脂肪油。這些油有多種用途，可被用於製造化妝品和生物柴油等。剩下的有機物質變成了一種土壤調節器。去年，AgriProtein開辦了首家工業規模的工廠，並計劃在全球範圍內進行擴張。

　　隨著食品垃圾處理工作的順利進行，AgriProtein啟動了名為BioCycle的更複雜資源物質-人類廢物項目。該公司的聯合創始人兼董事大衛·威爾科·德魯（David Wilco Drew）說，這些幼蟲對待新食物的態度與腐化食物差不多。與eThekwini Municipality合作，並得到比爾和梅林達·蓋茨基金會的支持，AgriProtein在2016年年底在德班開放試點工廠。

　　在意識到與糞泥有關的健康風險后，BioCycle已對食物-廢物項目進行了調整，它對病原體和重金屬加強測試。此外，該工廠不生產農產品，而是利用幼蟲製作油料，剩下的有機物變成固體磚塊，兩者都可被用作燃料。從今年7月下旬開始，糞尿分集乾式廁所開始安裝。在滿負荷運轉的情況下，該工廠每天將可接收到40噸原材料，然後再將其與食物廢料混合起來。德魯說:「這是最接近民眾的垃圾昆蟲處理設施。」

　　通過進一步的研究，黑水虻將可以在城市下水道系統中直接處理糞泥。甘登說:「這種方法有很大的潛力。」其他國家政府基本上都在等著觀看結果。為了讓各地的市政當局更容易加入利用糞泥的行列，斯特朗德的團隊已經開發了一份小冊子和在線課程，幫助當地的工程師設計出能夠生產可銷售產品的系統。

　　為了更好地理解這些系統，由德班誇祖魯-納塔爾大學研究人員領導的國際研究小組正在開發一種標準方法和程序，用於描述諸如濕度、垃圾和病原體含量、營養和熱量等方面的糞泥特性。德魯表示，每個人都避免不了吃喝拉撒，他夢想著世界上的每個公民都能為他們的供應鏈做出貢獻。（小小）