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첼시 월드는 네덜란드 헤이그에서 활동하는 프리랜서 저널리스트이며, 《Daydream: An Urgent Global Quest to Change Toilets》의 저자입니다.
특수 변기 시스템은 소변에서 질소와 기타 영양소를 추출하여 비료 및 기타 제품으로 사용합니다. 이미지 출처: MAK/Georg Mayer/EOOS NEXT
스웨덴에서 가장 큰 섬인 고틀란드는 담수가 거의 없습니다. 동시에 주민들은 농업 및 하수 시스템에서 발생하는 위험 수준의 오염으로 발트해 주변에 유해한 녹조 현상이 발생하여 물고기를 죽이고 사람들을 병들게 하는 등 어려움을 겪고 있습니다.
이러한 일련의 환경 문제를 해결하기 위해, 이 섬은 이 문제들을 묶어두는 예상치 못한 물질, 즉 인간의 소변에 기대를 걸고 있습니다.
연구팀은 2021년부터 이동식 화장실을 대여하는 지역 회사와 협력을 시작했습니다. 목표는 여름철 관광 시즌 동안 여러 지역의 무수 소변기와 전용 화장실을 통해 3년 동안 7만 리터 이상의 소변을 수집하는 것입니다. 연구팀은 웁살라에 있는 스웨덴 농업과학대학교(SLU) 출신으로, 이 대학교에서 '새니테이션360(Sanitation360)'이라는 회사를 분사했습니다. 연구진은 자체 개발한 공정을 사용하여 소변을 콘크리트처럼 덩어리로 건조시킨 후, 이를 분쇄하여 일반 농기계에 맞는 비료 과립으로 압축했습니다. 지역 농부들은 이 비료로 보리를 재배하고, 이를 양조장으로 보내 에일 맥주를 생산합니다. 이 맥주는 소비 후 다시 순환에 사용될 수 있습니다.
SLU의 화학공학자이자 Sanitation360의 CTO인 프리트비 심하는 연구진의 목표는 소변 재사용을 "개념을 넘어 실제로 적용하는 것"이라고 말했습니다. 전 세계적으로 모방 가능한 모델을 제공하는 것이 목표입니다. "우리의 목표는 모든 사람이, 모든 곳에서 이 실험을 실천하는 것입니다."
고틀란드에서 진행된 한 실험에서 소변 비료를 준 보리(오른쪽)를 비료를 주지 않은 식물(가운데)과 미네랄 비료를 준 식물(왼쪽)과 비교했습니다. 사진 제공: 제나 세네칼
고틀란드 프로젝트는 소변을 다른 폐수에서 분리하여 비료와 같은 제품으로 재활용하려는 전 세계적인 노력의 일환입니다. 소변 전환(urine diversion)으로 알려진 이 기술은 미국, 호주, 스위스, 에티오피아, 남아프리카공화국 등 여러 나라에서 연구되고 있습니다. 이러한 노력은 대학 연구실을 훨씬 넘어섭니다. 물 없는 소변기는 오리건과 네덜란드에 있는 사무실의 지하 폐기물 처리 시스템에 연결되어 있습니다. 파리는 파리 14구에 건설 중인 1,000명 거주 생태구역에 소변 전환 변기를 설치할 계획입니다. 유럽 우주국(ESA)은 올해 말 운영을 시작할 파리 본부에 80개의 변기를 설치할 예정입니다. 소변 전환 지지자들은 임시 군사 기지부터 난민 캠프, 부유한 도심, 그리고 드넓은 빈민가에 이르기까지 다양한 곳에서 소변 전환 변기를 활용할 수 있다고 주장합니다.
과학자들은 소변 전환이 전 세계적으로 대규모로 시행된다면 환경과 공중 보건에 막대한 이점을 가져올 수 있다고 말합니다. 이는 소변에 수역을 오염시키지 않는 영양소가 풍부하여 작물 비료나 산업 공정에 사용할 수 있기 때문입니다. 심하는 인간이 현재 전 세계적으로 사용되는 질소 및 인산 비료의 약 4분의 1을 대체할 만큼 충분한 양의 소변을 생산한다고 추정합니다. 소변에는 칼륨과 다양한 미량 원소도 함유되어 있습니다("소변의 성분" 참조). 무엇보다도 소변을 하수구로 흘려보내지 않음으로써 많은 물을 절약하고 노후화되고 과부하된 하수 시스템의 부담을 줄일 수 있습니다.
이 분야 전문가들에 따르면, 변기와 소변 처리 전략의 발전 덕분에 많은 소변 전환 장치가 곧 널리 보급될 수 있을 것으로 예상됩니다. 하지만 삶의 가장 근본적인 측면 중 하나를 근본적으로 변화시키는 데에는 큰 장애물도 있습니다. 연구자와 기업들은 소변 전환 변기 설계 개선부터 소변을 더 쉽게 처리하고 가치 있는 제품으로 전환하는 것까지 수많은 과제를 해결해야 합니다. 여기에는 개별 변기에 연결된 화학 처리 시스템이나 건물 전체에 서비스를 제공하고 농축되거나 경화된 결과물의 회수 및 유지 관리를 위한 서비스를 제공하는 지하 장비가 포함될 수 있습니다("소변에서 제품으로" 참조). 또한, 인간의 배설물과 관련된 다양한 수준의 문화적 금기와 산업 폐수 및 식량 시스템에 대한 뿌리 깊은 관습 모두와 관련된 사회적 변화와 수용이라는 더 광범위한 문제들이 있습니다.
사회가 에너지, 물, 그리고 농업 및 산업용 원자재 부족으로 어려움을 겪고 있는 가운데, 소변 전환 및 재사용은 "위생 관리에 있어 중요한 과제"라고 미니애폴리스에 거주하는 지속가능성 컨설턴트 생물학자 린 브로더스는 말합니다. "점점 더 중요해질 분야입니다." 미네소타주 알렉산드리아 수생연맹(Aquatic Federation of Alexandria, VA)의 전 회장이기도 합니다. 그는 "이것은 실제로 가치 있는 일입니다."라고 말합니다.
옛날 옛적에 소변은 귀중한 자원이었습니다. 과거 일부 사회에서는 소변을 농작물에 비료로 주고, 가죽을 만들고, 빨래를 하고, 화약을 만드는 데 사용했습니다. 그러다 19세기 후반과 20세기 초, 영국에서 중앙집중식 폐수 관리라는 현대적 모델이 등장하여 전 세계로 퍼져 나가면서 소위 '요로 실명(urinary blindness)'이라는 현상이 나타났습니다.
이 모델에서 변기는 물을 사용하여 소변, 대변, 화장지를 배수구로 빠르게 배출하는데, 이 물은 가정, 산업 시설, 그리고 때로는 빗물 배수구에서 나오는 다른 액체와 혼합됩니다. 중앙 집중식 폐수 처리 시설에서는 에너지 집약적인 공정으로 미생물을 이용하여 폐수를 처리합니다.
지역 규정 및 처리 시설의 조건에 따라 이 과정에서 배출되는 폐수에는 여전히 상당량의 질소와 기타 영양소, 그리고 기타 오염 물질이 포함되어 있을 수 있습니다. 전 세계 인구의 57%는 중앙 하수 시스템에 전혀 연결되어 있지 않습니다("인간 하수" 참조).
과학자들은 중앙 집중식 시스템을 더 지속 가능하고 오염을 줄이기 위해 노력하고 있지만, 1990년대 스웨덴을 시작으로 일부 연구자들은 더 근본적인 변화를 추진하고 있습니다. 파이프라인의 끝에서 이루어지는 발전은 "똑같은 것의 또 다른 진화일 뿐"이라고 앤아버에 있는 미시간 대학교의 환경 공학자인 낸시 러브는 말했습니다. 그녀는 소변 전환이 "혁신적"이라고 말합니다. 미국 3개 주의 폐수 관리 시스템을 시뮬레이션한 연구 1에서 그녀와 동료들은 기존 폐수 처리 시스템과 소변을 전환하고 합성 비료 대신 회수된 영양소를 사용하는 가상의 폐수 처리 시스템을 비교했습니다. 그들은 소변 전환을 사용하는 지역 사회가 전체 온실가스 배출량을 47%, 에너지 소비량을 41%, 담수 소비량을 약 절반, 폐수의 영양소 오염을 64% 줄일 수 있다고 추정합니다. 사용된 기술.
그러나 이 개념은 여전히 ​​틈새시장에 머물러 있으며 주로 스칸디나비아 생태 마을, 농촌 별채, 저소득 지역 개발과 같은 자치 지역에 국한되어 있습니다.
뒤벤도르프에 있는 스위스 연방 수생과학기술연구소(Eawag)의 화학공학자인 토베 라르센은 변기 잔여물의 상당 부분이 변기 자체에서 발생한다고 말합니다. 1990년대와 2000년대에 처음 출시된 대부분의 소변 전환 변기는 변기 앞에 작은 수조가 있어 소변을 모으는 데 세심한 주의가 필요합니다. 다른 설계로는 분뇨가 퇴비통으로 운반될 때 소변이 배출되도록 하는 발로 작동하는 컨베이어 벨트나, 소변을 별도의 배출구로 보내는 밸브를 작동하는 센서 등이 있습니다.
소변을 분리하여 가루 형태로 건조하는 시제품 변기가 스웨덴 말뫼에 있는 상하수도 회사 VA SYD 본사에서 테스트 중입니다. 이미지 출처: EOOS NEXT
하지만 유럽의 실험 및 시범 사업에서는 사람들이 변기 사용을 꺼리고 있다고 라슨은 말했습니다. 변기가 너무 크고 냄새가 나며 신뢰할 수 없다고 불평했습니다. "우리는 변기라는 주제 때문에 정말 싫었습니다."
이러한 우려는 2000년대 남아프리카공화국 에테크위니에서 소변 전환 변기를 처음으로 대규모로 설치했을 때에도 제기되었습니다. 더반에 있는 콰줄루나탈 대학교에서 보건 관리를 연구하는 앤서니 오딜리는 아파르트헤이트 이후 도시의 경계가 급격히 확장되면서 당국이 변기와 상수도 시설이 없는 일부 빈곤한 농촌 지역을 장악하게 되었다고 말했습니다.
2000년 8월 콜레라 발생 이후, 당국은 재정적, 현실적 제약을 극복하고 여러 위생 시설을 신속하게 설치했습니다. 그중에는 약 8만 개의 소변 배출용 건식 변기가 포함되었는데, 이 중 대부분은 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다. 소변은 변기 아래에서 토양으로 배출되고, 배설물은 2016년부터 5년마다 시에서 비워온 저장 시설로 보내집니다.
오딜리는 이 프로젝트가 해당 지역에 더 안전한 위생 시설을 만들었다고 말했습니다. 그러나 사회과학 연구에서는 이 프로그램의 많은 문제점을 지적했습니다. 오딜리는 변기가 없는 것보다 낫다는 생각에도 불구하고, 그가 참여한 몇몇 연구를 포함한 이후의 연구들은 사용자들이 일반적으로 변기를 싫어한다는 것을 보여주었다고 말했습니다. 많은 변기가 품질이 좋지 않은 자재로 제작되어 사용하기 불편합니다. 이러한 변기는 이론적으로는 악취를 방지해야 하지만, 이테크위니 변기의 소변은 종종 배설물 저장소로 들어가 악취를 유발합니다. 오딜리에 따르면, 사람들은 "정상적으로 숨을 쉴 수 없었다"고 합니다. 게다가 소변은 사실상 사용되지 않습니다.
결국 오딜리에 따르면, 소변 전환 건식 변기 도입 결정은 하향식으로 이루어졌으며, 주로 공중 보건상의 이유로 사람들의 선호도를 고려하지 않았습니다. 2017년 연구3에 따르면 eThekwini 응답자의 95% 이상이 도시의 부유한 백인 주민들이 사용하는 편리하고 냄새 없는 변기를 사용하기를 원했으며, 많은 사람들이 상황이 허락하는 대로 이를 설치할 계획이었습니다. 남아프리카 공화국에서 변기는 오랫동안 인종 불평등의 상징으로 여겨져 왔습니다.
하지만 이 새로운 디자인은 소변 전환에 있어 획기적인 발전이 될 수 있습니다. 2017년, 디자이너 하랄드 그룬들(Harald Grundl)이 이끄는 오스트리아 디자인 회사 EOOS(EOOS Next에서 분사)는 라르센(Larsen) 등과 협력하여 소변 트랩을 출시했습니다. 이 제품은 사용자가 조준할 필요가 없으며, 소변 전환 기능은 거의 눈에 띄지 않습니다("새로운 종류의 변기" 참조).
물이 표면에 달라붙는 경향(주전자가 물을 떨어뜨리는 것처럼 어색하게 작동하기 때문에 주전자 효과라고 함)을 이용하여 소변을 변기 앞쪽에서 별도의 구멍으로 흘려보냅니다("소변 재활용 방법" 참조). 저소득층을 위한 변기 혁신에 대한 광범위한 연구를 지원한 워싱턴 시애틀의 빌 & 멜린다 게이츠 재단의 자금 지원으로 개발된 소변 트랩은 고급 세라믹 받침대 모델에서 플라스틱 스쿼트 팬에 이르기까지 모든 것에 통합할 수 있습니다. 저소득층을 위한 변기 혁신에 대한 광범위한 연구를 지원한 워싱턴 시애틀의 빌 & 멜린다 게이츠 재단의 자금 지원으로 개발된 소변 트랩은 고급 세라믹 받침대 모델에서 플라스틱 스쿼트 팬에 이르기까지 모든 것에 통합할 수 있습니다. 워싱턴주 시애틀에 있는 빌 & 멜린다 게이츠 재단의 자금 지원으로 개발된 이 소변 트랩은 세라믹 받침대가 있는 모델부터 플라스틱 스쿼트까지 다양한 모델에 설치할 수 있습니다. 이 재단은 저소득층 변기 혁신 연구를 광범위하게 지원했습니다.냄비. 워싱턴주 시애틀에 있는 빌 & 멜린다 게이츠 재단의 자금 지원으로 개발된 소변 수집기는 저소득층 변기 혁신에 대한 광범위한 연구를 지원하며, 고급 세라믹 기반 모델부터 플라스틱 스쿼트 트레이까지 모든 것에 내장할 수 있습니다.스위스 제조업체인 LAUFEN은 이미 유럽 시장을 대상으로 "Save!"라는 제품을 출시했지만, 많은 소비자에게는 가격이 너무 비싼 편입니다.
콰줄루나탈 대학교와 이테크위니 시의회 또한 소변을 배출하고 미세먼지를 씻어낼 수 있는 소변 트랩 변기 버전을 시험하고 있습니다. 이번 연구는 사용자에 더 초점을 맞춥니다. 오디는 냄새가 더 좋고 사용하기 편리하기 때문에 사람들이 새로운 소변 배출 변기를 선호할 것이라고 낙관하지만, 남성들이 소변을 보기 위해 앉아서 봐야 한다는 점이 큰 문화적 변화라고 지적합니다. 하지만 변기가 "다양한 인종 배경을 가진 고소득층 지역 주민들에게도 도입된다면, 확산에 큰 도움이 될 것"이라고 그는 말했습니다. 그는 "항상 인종적 관점을 가져야 합니다."라고 덧붙이며, "흑인 전용" 또는 "빈곤층 전용"으로 인식되는 것을 막기 위해 노력해야 한다고 덧붙였습니다.
소변 분리는 위생 개선의 첫 단계일 뿐입니다. 다음 단계는 이를 어떻게 처리할지 파악하는 것입니다. 시골 지역에서는 병원균을 제거하기 위해 소변을 통에 담아 보관한 후 농지에 사용할 수 있습니다. 세계보건기구(WHO)는 이러한 관행에 대한 권고안을 제시하고 있습니다.
하지만 도시 환경은 훨씬 더 복잡합니다. 소변의 대부분이 도시 지역에서 생성되기 때문입니다. 도시 곳곳에 여러 개의 하수관을 건설하여 소변을 중앙으로 보내는 것은 현실적으로 불가능합니다. 게다가 소변은 약 95%가 물로 구성되어 있어 저장 및 운반 비용이 너무 많이 듭니다. 따라서 연구자들은 변기나 건물 높이에서 소변을 건조, 농축 또는 기타 방법으로 영양소를 추출하여 물을 남기는 방법에 집중하고 있습니다.
라슨은 쉽지 않을 거라고 말했습니다. 공학적인 관점에서 "소변은 나쁜 해결책입니다."라고 그녀는 말했습니다. 물 외에도 대부분은 요소입니다. 요소는 단백질 대사의 부산물로 체내에서 생성되는 질소가 풍부한 화합물입니다. 요소는 그 자체로도 유용합니다. 합성된 요소는 일반적인 질소 비료입니다(질소 요구량 참조). 하지만 까다롭기도 합니다. 물과 결합하면 요소가 암모니아로 변하고, 이것이 소변의 특징적인 냄새를 냅니다. 암모니아가 활성화되지 않으면 악취를 풍기고 공기를 오염시키며 귀중한 질소를 빼앗아 갈 수 있습니다. 어디에나 존재하는 효소인 우레아제에 의해 촉매되는 이 반응은 요소 가수분해라고 하며, 수 마이크로초가 걸릴 수 있기 때문에 우레아제는 알려진 효소 중 가장 효율적인 효소 중 하나입니다.
일부 방법은 가수분해를 계속 진행시킵니다. Eawag 연구진은 가수분해된 소변을 농축된 영양액으로 만드는 첨단 공정을 개발했습니다. 먼저, 수족관에서 미생물이 휘발성 암모니아를 비휘발성 질산암모늄(일반 비료)으로 전환합니다. 그런 다음 증류기가 액체를 농축합니다. 뒤벤도르프에 본사를 둔 Vuna라는 자회사는 건물용 시스템과 세계 최초로 스위스에서 식용 식물용으로 승인된 Aurin이라는 제품의 상용화를 위해 노력하고 있습니다.
다른 연구자들은 소변의 pH를 빠르게 높이거나 낮춤으로써 가수분해 반응을 막으려 하는데, 소변은 배출될 때 보통 중성입니다. 미시간 대학교 캠퍼스에서 러브는 버몬트주 브래틀버러에 있는 비영리 단체인 어스 어번던스 연구소(Earth Abundance Institute)와 협력하여 건물용 시스템을 개발하고 있습니다. 이 시스템은 전환 변기와 무수 변기에서 액상 구연산을 제거하는 데 사용됩니다. 소변기에서 물이 분출됩니다. 그런 다음 소변은 반복적인 동결과 해동을 통해 농축됩니다.
환경 엔지니어 비욘 위네로스(Bjorn Winneros)가 이끄는 스웨덴 고틀란드 섬의 SLU 팀은 소변을 다른 영양소와 혼합된 고체 요소로 건조하는 방법을 개발했습니다. 연구팀은 스웨덴 상하수도 회사 말뫼(Malmö)에 있는 VA SYD 본사에서 건조기가 내장된 독립형 변기인 최신 프로토타입을 평가하고 있습니다.
다른 방법들은 소변 내 개별 영양소를 표적으로 삼습니다. 러브스 연구소의 전 박사후 연구원이자 현재 캘리포니아 스탠퍼드 대학교에 재직 중인 화학공학자 윌리엄 타페는 이러한 방법들이 기존 비료 및 산업용 화학물질 공급망에 더 쉽게 통합될 수 있다고 말합니다.
가수분해된 소변에서 인을 복원하는 일반적인 방법은 마그네슘을 첨가하는 것인데, 이는 스트루바이트라는 비료의 침전을 유발합니다. 타르페는 질소를 암모니아 형태로, 인을 인산염 형태로 선택적으로 제거할 수 있는 흡착제 과립을 실험하고 있습니다. 그의 시스템은 풍선이 고갈된 후 풍선을 통해 흐르는 재생제라는 다른 유체를 사용합니다. 재생제는 영양분을 흡수하여 다음 라운드를 위해 풍선을 재생합니다. 이는 저기술 수동 방식이지만, 상업용 재생제는 환경에 해롭습니다. 현재 그의 팀은 더 저렴하고 환경 친화적인 제품을 만들기 위해 노력하고 있습니다("미래의 오염" 참조).
다른 연구자들은 소변을 미생물 연료 전지에 넣어 전기를 생산하는 방법을 개발하고 있습니다. 남아프리카공화국 케이프타운의 또 다른 연구팀은 소변, 모래, 요소분해효소를 생성하는 박테리아를 주형에 섞어 독특한 건축용 벽돌을 만드는 방법을 개발했습니다. 이 벽돌은 가열하지 않고도 어떤 모양으로든 석회화될 수 있습니다. 유럽 우주국(ESA)은 우주비행사의 소변을 달에 집을 짓는 자원으로 고려하고 있습니다.
타르페는 "소변 재활용과 폐수 재활용의 광범위한 미래를 생각해 볼 때, 우리는 가능한 한 많은 제품을 생산할 수 있기를 바랍니다."라고 말했습니다.
연구자들은 소변 상품화를 위한 다양한 아이디어를 모색하고 있지만, 특히 이미 자리 잡은 산업의 경우, 이는 쉽지 않은 싸움임을 잘 알고 있습니다. 비료 및 식품 회사, 농부, 변기 제조업체, 그리고 규제 기관들은 관행에 큰 변화를 가져오는 데 소극적이었습니다. 심차는 "여기에는 많은 관성이 있습니다."라고 말했습니다.
예를 들어, 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 LAUFEN 연구 및 교육 시설은 비용을 절감합니다! 여기에는 건축가, 건축 및 지방 자치 단체 규정 준수에 대한 지출이 포함됩니다. 현재 모건타운에 있는 웨스트버지니아 대학교에서 근무하는 환경 엔지니어 케빈 오나는 "아직 끝나지 않았습니다"라고 말했습니다. 그는 기존 규정 및 규제의 부재로 시설 관리에 문제가 발생하여 새로운 규정을 개발하는 그룹에 합류했다고 밝혔습니다.
이러한 무기력함의 일부는 구매자의 저항에 대한 두려움 때문일 수 있지만, 2021년에 16개국을 대상으로 실시한 설문 조사에 따르면 프랑스, ​​중국, 우간다와 같은 곳에서는 소변 강화 식품을 섭취할 의향이 80%에 가까웠습니다('사람들이 먹을까요?' 참조).
뉴욕시 환경보호청 부국장으로서 폐수처리국을 이끌고 있는 팸 엘라르도는 회사의 주요 목표가 오염을 더욱 줄이고 자원을 재활용하는 것이기에 소변 전환과 같은 혁신을 지지한다고 말했습니다. 그녀는 뉴욕과 같은 도시에서 소변 전환을 위한 가장 실용적이고 비용 효율적인 방법은 개보수 건물이나 신축 건물에 오프그리드 시스템을 구축하고, 여기에 유지관리 및 수거 작업을 병행하는 것이라고 예상합니다. 그녀는 혁신가들이 문제를 해결할 수 있다면 "그들은 노력해야 한다"고 말했습니다.
이러한 발전을 고려할 때, 라슨은 소변 전환 기술의 대량 생산 및 자동화가 머지않아 실현될 것이라고 예측합니다. 이를 통해 폐기물 관리로의 전환에 대한 사업적 타당성이 높아질 것입니다. 그녀는 소변 전환이 "올바른 기술"이라고 말했습니다. "이 기술은 합리적인 시간 안에 가정 내 식생활 문제를 해결할 수 있는 유일한 기술입니다. 하지만 사람들은 결정을 내려야 합니다."
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