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Separar la orina del resto de las aguas residuales podría mitigar algunos problemas ambientales difíciles, pero existen grandes obstáculos para rediseñar radicalmente uno de los aspectos más básicos de la vida.
En Gotland, la isla más grande de Suecia, el agua dulce escasea. Al mismo tiempo, los residentes luchan contra cantidades peligrosas de contaminación provenientes de la agricultura y los sistemas de alcantarillado que provocan la proliferación de algas nocivas en el Mar Báltico circundante. Estos pueden matar a los peces y enfermar a las personas. Para ayudar a resolver este conjunto de desafíos ambientales, la isla cifra sus esperanzas en una sustancia única e improbable que los conecta: la orina humana.
A partir de 2021, un equipo de investigadores comenzó a colaborar con una empresa local que alquila baños portátiles. El objetivo es recolectar más de 70.000 litros de orina durante 3 años de urinarios sin agua y baños especializados en varios lugares durante la floreciente temporada turística de verano. El equipo es de la Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas (SLU) en Uppsala, que ha creado una empresa llamada Sanitation360. Usando un proceso que desarrollaron los investigadores, están secando la orina en trozos similares al hormigón que martillan hasta convertirlos en polvo y presionan en gránulos de fertilizante que caben en el equipo agrícola estándar. Un agricultor local usa el fertilizante para cultivar cebada que irá a una cervecería para hacer cerveza, que, después del consumo, podría entrar en el ciclo nuevamente.
Los investigadores tienen como objetivo llevar la reutilización de la orina "más allá del concepto y en la práctica". El objetivo es proporcionar un modelo que las regiones de todo el mundo puedan seguir. “La ambición es que todos, en todas partes, hagan esta práctica”.
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| El experimento de Gotland comparó cebada fertilizada con orina (derecha) con plantas cultivadas sin fertilizante (centro) y con fertilizante mineral (izquierda). Fuente: Jenna Senecal |
El proyecto Gotland es parte de una ola de esfuerzos similares en todo el mundo para separar la orina del resto de las aguas residuales y reciclarla en productos como fertilizantes. Esa práctica, conocida como desviación de orina, está siendo estudiada por grupos en Estados Unidos, Australia, Suiza, Etiopía y Sudáfrica, entre otros lugares. Los esfuerzos van mucho más allá de los confines de los laboratorios universitarios. Los urinarios sin agua se conectan a los sistemas de tratamiento del sótano en las oficinas de Oregón y los Países Bajos. En París, hay planes para instalar retretes desviadores de orina en un barrio ecológico de 1.000 residentes que se está construyendo en el distrito 14 de la ciudad. La Agencia Espacial Europea instalará 80 baños con desviador de orina en su sede de París, que comenzará a operar a finales de este año.
Los científicos dicen que la desviación de orina tendría enormes beneficios para el medio ambiente y la salud pública si se implementara a gran escala en todo el mundo. Eso se debe en parte a que la orina es rica en nutrientes que, en lugar de contaminar cuerpos de agua, podrían destinarse a fertilizar cultivos o alimentar procesos industriales. Según las estimaciones de Simha, los humanos producen suficiente orina para reemplazar aproximadamente una cuarta parte de los fertilizantes de nitrógeno y fósforo actuales en todo el mundo; también contiene potasio y muchos micronutrientes. Además de eso, no tirar la orina por el desagüe podría ahorrar grandes cantidades de agua y reducir parte de la tensión en los sistemas de alcantarillado envejecidos y sobrecargados.
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| Qué compuestos hay en la orina humana. Fuente: M. Qadir et al. Nat. Resour. Forum 44, 40–51 (2020) |
Gracias a los avances en inodoros y estrategias de tratamiento de orina, muchos componentes de la desviación de orina pronto podrían estar listos para su implementación generalizada, según expertos en el campo. Pero también existen grandes obstáculos para rediseñar radicalmente uno de los aspectos más básicos de la vida. Los investigadores y las empresas deben resolver una serie de problemas, desde mejorar el diseño de los inodoros desviadores de orina hasta facilitar el tratamiento de la orina y convertirla en productos valiosos. Esto podría implicar sistemas de tratamiento químico conectados a inodoros individuales o dispositivos de sótano que sirvan a edificios completos, con servicios de recogida y mantenimiento para el producto concentrado o solidificado resultante. Luego hay cuestiones más amplias de cambio social y aceptación,
El desvío y la reutilización de la orina es el tipo de "reinvención drástica de cómo hacemos el saneamiento humano" que será cada vez más crucial a medida que las sociedades luchan contra la escasez de energía, agua y materias primas para la agricultura y la industria.
Residuos mixtos
La orina solía ser un bien valioso. En el pasado, algunas sociedades lo usaban para fertilizar cultivos, curtir cuero, lavar ropa y producir pólvora. Luego, a finales del siglo XIX y principios del XX, el modelo moderno de gestión centralizada de aguas residuales surgió en Inglaterra y se extendió por todo el mundo, lo que finalmente condujo a lo que se ha denominado ceguera de la orina.
En este modelo, los inodoros con descarga utilizan agua para enviar rápidamente la orina, las heces y el papel higiénico a las alcantarillas, donde se mezclan con otros líquidos de los hogares, fuentes industriales y, en ocasiones, escorrentías pluviales. En las plantas de tratamiento centralizadas, un proceso intensivo en energía utiliza microbios para limpiar las aguas residuales.
Según las normas locales y el estado de la planta de tratamiento, las aguas residuales descargadas del proceso aún pueden contener una gran cantidad de nitrógeno y otros nutrientes, así como algunos otros contaminantes. Y el 57% de la población mundial no está conectada a sistemas de alcantarillado centralizados.
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| Producción de aguas residuales humanas. Fuente: C. Tuholske et al. PLoS ONE 16, e0258898 (2021). |
Los científicos están trabajando en formas de hacer que los sistemas centralizados sean más sostenibles y menos contaminantes, pero, comenzando en Suecia en la década de 1990, algunos investigadores comenzaron a presionar por un cambio más fundamental. En un estudio 1que modeló los sistemas de gestión de aguas residuales en tres estados de EE.UU., los científicos compararon los sistemas de aguas residuales convencionales con los hipotéticos que desvían la orina y usan los nutrientes recuperados para reemplazar los fertilizantes sintéticos. Proyectaron que las comunidades con desvío de orina podrían reducir sus emisiones generales de gases de efecto invernadero hasta en un 47 %, el consumo de energía hasta en un 41 %, el uso de agua dulce en aproximadamente la mitad y la contaminación por nutrientes de las aguas residuales hasta en un 64 %, dependiendo de la tecnologías utilizadas.
Aún así, el concepto se ha mantenido como un nicho, principalmente limitado a lugares fuera de la red, como ecoaldeas del norte de Europa, letrinas rurales y proyectos de desarrollo en entornos de bajos ingresos.
Gran parte del retraso se debe a los propios inodoros. Vendidos por primera vez en las décadas de 1990 y 2000, la mayoría de los inodoros con desviador de orina tienen un pequeño lavabo en la parte delantera para capturar el líquido, una configuración que requiere una puntería cuidadosa. Otros diseños han incorporado cintas transportadoras accionadas con el pie que permiten que la orina se drene mientras transportan las heces a una bóveda de compostaje, o sensores que operan válvulas para dirigir la orina a salidas separadas.
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| Un inodoro prototipo que separa la orina y la seca en polvo se está probando en la oficina central de VA SYD, la empresa pública sueca de agua y aguas residuales, en Malmö. Fuente: EOOS NEXT |
Pero en los proyectos piloto y de demostración europeos, la gente no aceptó su uso, quejándose de que eran demasiado difíciles de manejar, apestosos y poco fiables.
Estas preocupaciones plagaron el primer uso a gran escala de inodoros de desviación de orina, un proyecto en la década de 2000 en el municipio de eThekwini en Sudáfrica. Después del apartheid, los límites del municipio se expandieron repentinamente, lo que provocó que las autoridades asumieran la responsabilidad de algunas áreas rurales pobres donde no había infraestructura sanitaria y escaso servicio de agua.
Después de un brote de cólera allí en agosto de 2000, las autoridades implementaron rápidamente varios tipos de saneamiento que cumplieron con las limitaciones financieras y prácticas, incluidos unos 80.000 inodoros secos con desviación de orina, la mayoría de los cuales todavía están en uso. La orina drena por debajo del inodoro al suelo y las heces caen en una bóveda que, desde 2016, el municipio vaciaba cada cinco años.
El proyecto logró establecer un saneamiento más seguro en la región. Sin embargo, la investigación en ciencias sociales ha revelado muchos problemas con el programa. Aunque la gente sentía que los inodoros eran mejor que nada, descubrieron más tarde que a los usuarios en general no les gustaban. Muchos habían sido construidos con materiales de mala calidad y eran difíciles de usar. Aunque estos inodoros deberían evitar los malos olores en teoría, la orina en los eThekwini a menudo ingresaba a las bóvedas con las heces, causando un hedor terrible. La gente no podía respirar adecuadamente. Además, la orina permanece en gran parte sin usar.
En última instancia, la decisión de optar por inodoros secos con desviación de orina, impulsada en gran medida por preocupaciones de salud pública, fue de arriba hacia abajo y no tuvo en cuenta las preferencias de las personas. Un estudio de 2017 3 encontró que más del 95 % de los encuestados en eThekwini aspiraban a los cómodos inodoros inodoros con descarga de agua que usan las personas blancas más ricas en la ciudad, y que muchos tienen la intención de instalarlos cuando sus circunstancias lo permitan. En Sudáfrica, los inodoros han servido durante mucho tiempo como símbolo de disparidad racial.
Sin embargo, un nuevo diseño podría representar un gran avance para la desviación de orina. Dirigida por el diseñador Harald Gründl y en colaboración con Larsen y otros, en 2017, la firma de diseño austriaca EOOS (que desde entonces escindió la empresa EOOS Next) presentó la trampa para orina. Esto elimina la necesidad de que los usuarios apunten y la función de desvío de orina es casi invisible.
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| Fuente: EOOS |
Se aprovecha de la tendencia del agua a adherirse a las superficies (conocido como el efecto de la tetera porque es como una tetera que gotea de manera inconveniente) para dirigir la orina por el lado interior frontal del inodoro hacia un orificio separado. Desarrollada con fondos de la Fundación Bill y Melinda Gates en Seattle, Washington, que ha apoyado una amplia gama de investigaciones sobre la innovación de inodoros para entornos de bajos ingresos, la trampa para orina se puede incorporar en todo, desde modelos de pedestal de cerámica de alta gama hasta modelos en cuclillas de plástico, sartenes LAUFEN, un fabricante con sede en Suiza, ya está produciendo uno para el mercado europeo, llamado save!, aunque es demasiado costoso para muchos consumidores.
La Universidad de KwaZulu-Natal y el municipio de eThekwini también han estado probando versiones de inodoros con trampa de orina que desvían la orina y descargan los sólidos. En esta ocasión, la investigación está más centrada en el usuario. La gente preferirá los nuevos inodoros con desviación de orina porque huelen mejor y son más fáciles de usar, pero señala que los hombres tendrían que sentarse para orinar, lo cual es un gran cambio cultural. Pero si el inodoro “también es adoptado y aceptado en áreas de altos ingresos, personas de diferentes grupos raciales aquí, realmente ayudará en el despliegue”.
Usos de la orina
Separar la orina es solo el primer paso para transformar el saneamiento. La siguiente parte es averiguar qué hacer con él. En áreas rurales, la gente podría almacenarlo en tanques para matar cualquier patógeno y luego aplicarlo en los campos. La Organización Mundial de la Salud proporciona pautas para esta práctica.
Pero los entornos urbanos son más complicados, y ahí es donde se produce la mayor parte de la orina. No es práctico agregar un conjunto separado de tuberías de alcantarillado en toda la ciudad para mover la orina a una ubicación central. Y debido a que la orina tiene aproximadamente un 95 % de agua, su almacenamiento y transporte son demasiado costosos. Por lo tanto, los investigadores se están enfocando en secar, concentrar o extraer nutrientes de la orina en el inodoro o en el nivel del edificio, dejando atrás el agua.
Esto no es fácil. Desde una perspectiva de ingeniería, "la orina es una solución desagradable". Aparte del agua, la porción más grande es la urea, un compuesto rico en nitrógeno que los cuerpos producen como subproducto del metabolismo de las proteínas. La urea por sí sola es útil: una versión sintética es un fertilizante nitrogenado común. Pero también es complicado: cuando se combina con agua, la urea se transforma en gas amoníaco, lo que ayuda a dar a la orina su olor característico. Si no se contiene, el amoníaco apesta, contamina el aire y se lleva el valioso nitrógeno. Catalizada por la enzima ureasa, ampliamente difundida, esta reacción, llamada hidrólisis de la urea, puede tardar microsegundos, lo que convierte a la ureasa en una de las enzimas más eficientes que se conocen 4 .
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| Demanda de nitrógeno. Fuente: FAO |
Algunos enfoques permiten que la hidrólisis continúe. Los investigadores han desarrollado un proceso avanzado para convertir la orina hidrolizada en una solución nutritiva concentrada. Primero, en un tanque, los microorganismos transforman el amoníaco volátil en nitrato de amonio no volátil, que es un fertilizante común. Luego, un destilador concentra el líquido. Una empresa derivada llamada Vuna, está trabajando para comercializar tanto el sistema para uso en edificios como el producto, llamado Aurin, que ha sido aprobado en Suiza para su uso en plantas comestibles, una primicia mundial.
Otros intentan detener la reacción de hidrólisis subiendo o bajando rápidamente el pH de la orina, que suele ser neutro cuando sale del cuerpo. En el campus de la Universidad de Michigan, una colaboración entre Love y el Rich Earth Institute sin fines de lucro en Brattleboro, Vermont, está desarrollando un sistema para edificios que arroja ácido cítrico líquido por las tuberías de un inodoro con desviador de orina y un urinario sin agua. Luego concentra la orina a través de congelaciones y descongelaciones repetidas 5 .
El equipo de SLU que realiza el proyecto en la isla de Gotland, dirigido por el ingeniero ambiental Björn Vinnerås, ha descubierto cómo secar la orina en una urea sólida mezclada con otros nutrientes. El equipo está evaluando su último prototipo, un inodoro autónomo que incluye una secadora incorporada, en la oficina central de la empresa pública sueca de agua y aguas residuales VA SYD en Malmö.
Otros métodos tienen como objetivo los nutrientes individuales de la orina. Estos podrían encajar más fácilmente en las cadenas de suministro existentes para fertilizantes y productos químicos industriales.
Una forma bien establecida de recuperar el fósforo de la orina hidrolizada es agregar magnesio, lo que provoca la precipitación de un fertilizante llamado estruvita. Se está experimentando con perlas de materiales de adsorción que extraen de forma selectiva nitrógeno en forma de amoníaco 6 o fósforo en forma de fosfato. Este sistema usa otro líquido, llamado regenerante, para fluir sobre las perlas después de que se gastan. El regenerante se lleva los nutrientes y renueva las perlas para otra ronda. Es un método pasivo de baja tecnología, pero los regenerantes comerciales son dañinos para el medio ambiente. Ahora se está tratando de hacer unos que sean más baratos y más respetuosos con el medio ambiente.
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| Contaminación esperada por nitrógeno y fósforo en aguas superficiales. Fuente: P. J. T. M. van Puijenbroek et al. J. Environ. Mgmt 231, 446–456 (2019) |
Otros investigadores están desarrollando formas de producir electricidad poniendo orina en celdas de combustible microbianas. En Ciudad del Cabo, Sudáfrica, otro equipo ha desarrollado un método para fabricar un ladrillo de construcción no convencional mediante la combinación de orina, arena y bacterias productoras de ureasa en un molde; estos se calcifican en cualquier forma sin necesidad de cocción. Y la Agencia Espacial Europea está considerando la orina de los astronautas como un recurso para construir hábitats en la Luna.
A medida que los investigadores persiguen una gran cantidad de ideas para convertir la orina en productos básicos, saben que es una batalla cuesta arriba, particularmente con industrias arraigadas. Las empresas de fertilizantes y alimentos, los agricultores, los fabricantes de inodoros y los reguladores tardan en hacer grandes cambios en sus prácticas.
En la Universidad de California, Berkeley, por ejemplo, una instalación de investigación y educación de LAUFEN save! inodoro, incluido un tubo de drenaje a un tanque de almacenamiento en el piso de abajo, inesperadamente tomó casi tres años y costó más de US $ 50,000. Eso incluye los honorarios de los arquitectos, la construcción y el cumplimiento de los códigos municipales. La falta de códigos y regulaciones existentes ha causado problemas con la gestión de las instalaciones, razón por la cual un panel está desarrollando nuevos códigos.
Parte de la inercia puede deberse a preocupaciones sobre la resistencia de los clientes, pero una encuesta de 2021 de personas en 16 países 7 indicó que la disposición a consumir alimentos fertilizados con orina se acercó al 80 % en lugares como Francia, China y Uganda.
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| ¿Comerá la gente alimentos fertilizados con la orina?. Fuente: ref. 7 |
Dados los avances, los investigadores creen que la producción en masa y la automatización de las tecnologías de desviación de orina podrían estar a la vuelta de la esquina. Y eso mejoraría los casos de negocio para esta transformación en el tratamiento de los residuos. La desviación de orina “es la tecnología adecuada”, opinan. “Es la única tecnología que puede resolver el problema de los nutrientes de los hogares en un tiempo razonable. Pero la gente tiene que atreverse”.
Fuentes:
1. Hilton, S. P., Keoleian, G. A., Daigger, G. T., Zhou, B. & Love, N. G. Environ. Sci. Technol. 55, 593–603 (2021).
2. Sutherland, C. et al. Perceptions on Emptying of Urine Diverting Dehydration Toilets. Phase 2: Post eThekwini Municipality UDDT Emptying Programme (Univ. KwaZulu-Natal, 2018).
3. Mkhize, N., Taylor, M., Udert, K. M., Gounden, T. G. & Buckley, C. A. J. Water Sanit. Hyg. Dev. 7, 111–120 (2017).
4. Mazzei, L., Cianci, M., Benini, S. & Ciurli, S. Angew. Chem. Int. Edn Engl. 58, 7415–7419 (2019).
5. Noe-Hays, A., Homeyer, R. J., Davis, A. P. & Love, N. G. ACS EST Engg. https://doi.org/10.1021/acsestengg.1c00271 (2021).
6. Clark, B. & Tarpeh, W. A. Chem. Eur. J. 26, 10099–10112 (2020).
7. Simha, P. et al. Sci. Total Environ. 765, 144438 (2021).
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