廁所革命:英國納米膜新時代廁所技術的最新進展
2021-02-13 IWA國際水協會2011年，比爾及梅琳達·蓋茨基金會發起了一個名為「廁所革命」的全球挑戰賽，本質是尋求新一代的城市汙水處理方案。經過7年的投入，越來越多人加入到了這場創新運動的浪潮。2018年底，基金會還在北京舉辦了一場廁所創新展覽會，展示了許多新型的廁所理念，其中就包括了英國Cranfield大學的創新納米膜廁所技術。2012年，英國Cranfield大學接受了蓋茨基金會廁所創新創意大賽（Reinvent the Toilet Challenge）的挑戰，在一個汙水貨櫃的空間內，結合各種創新技術，打造了新一代廁所。
7年之後，他們的團隊都取得了哪些進展呢？為此，IWA來到了Cranfield大學，採訪了「廁所革命」項目的主要負責人Alison Parker博士以及她的同事Ana Soares博士。
Alison Parker博士（左）和Ana Soares博士（右）
英國Cranfield大學設計的創新廁所原型最初有很多需要改進的地方，通過參加蓋茨基金會「廁所革命挑戰賽」，團隊對設計不斷優化。在收到蓋茨基金會撥款後的7年時間裡，Cranfield大學裡離一個完整的解決方案越來越近了。他們的技術在過去也獲得了不少行內大獎，包括被英國《金融時報》選入2017年的「50個改變世界的想法」，以及斬獲國際水協會2018年的項目創新大獎（IWA Project Innovation Awards）。
Cranfield大學該項目的設計研究團隊約有50人。團隊將該技術稱為納米膜廁所技術（Nano Membrane Toilet，簡稱NMT）。「雖然大家叫它馬桶，但實際上它是一個微型汙水處理廠，它提供了一套家庭式的、完整的人體排洩物處理系統，」Alison Parker博士說到。但Parker博士也補充道，他們的設計目標還沒完全實現，他們還在努力中，這是他們的願景和終極目標。
納米膜廁所是2011年最早入選蓋茨基金會廁所創新項目的團隊之一，其他入圍隊伍包括瑞士的EAWAG，英國的Loughborough大學，荷蘭的代爾夫特理工大學和加拿大的多倫多大學。
「讓我最興奮的是有這麼一個機會讓我們用自己設想的方式來填補人體排洩物處理方面巨大的技術鴻溝。」Parker博士說。她指的技術鴻溝的其中一邊是傳統方法，也就是集中式汙水處理。她說：「人口足夠多的情況下，傳統的集中式處理方法是沒問題的。但對世界上很多地方來講這套方法都是不可行的。」而在這個鴻溝的另一邊是原位處理，最典型就是大家熟知的化糞池。「化糞池的清理很費勁。即使用所謂的新技術，依然一塌糊塗，而且很不衛生，」Parker博士補充說，「當然還有其他原位處理方式，例如各種堆肥廁所，它們的優點當然不少，但人們往往不願意使用這些堆肥，或者當地沒有足夠的場景去使用這些堆肥。」
納米膜廁所將若干領域的突破性技術結合在了一起。它的一大亮點是不需要連接供水系統，卻可以實現馬桶衝水功能。「這提供了良好的用戶體驗，用戶不會看見和聞到排洩物。」Parker博士說。其次，通過膜等技術，這個系統可以實現固液分離。Parker博士說：「如果你對比不同的處理方法，你會發現固液分離都是其中的關鍵所在。」再次，NMT納米膜廁所的驅動能量來自排洩物本身。「另一個主要創新點在於固體在很小規模和空間下被燃燒變成灰分，能效非常高。」她補充道。上述亮點都讓NMT納米膜廁所技術顯得更像一種「高科技」技術。
然而，對於這項技術的應用前景，卻仍會經常受到人們的質疑——該技術是否能適合貧困地區的人們使用呢？「這是我們經常收到的批評。」 Parker博士說，「我覺得『窮人只應得到低技術解決方法』的想法實際上是令人擔憂的，這是種傲慢的思想。」她表示很多高科技產品在落後地區也已日益普及，包括智慧型手機和各種應用程式、太陽能板、新型熱水器等。她覺得我們一定要想出更好的解決辦法。
Parker博士的團隊在去年年初已經被蓋茨基金會選中，在南非德班開始了中試實驗。其他被選中的團隊還包括中國江蘇宜興的艾科森和瑞士的Blue Diversion Autarky。「我們首先要證明大家看，高科技(廁所)是可以在非洲成功立足的，」Parker博士說，「但是，我們也要確保系統儘可能的牢靠穩定，即使沒有高學歷的工程師也能對其進行妥善維護。」
正在南非測試的納米膜廁所| 版權：PedroTalaia
納米膜廁所最終能否成功，除了技術，還有其他更廣層面的因素，例如人們對它的認知和接受程度，也就是說這是不是大家想要的東西。同時這些處理單元如何維護、安裝和運營成本如何等都是要考慮的問題。目前團隊正在德班收集用戶的使用反饋，「使用我們廁所的家庭給予的反饋還是很不錯的。」Parker博士說。
在南非，項目團隊會進行各種類型的測試，包括廁紙的處理等；他們還會考察商業模式。Parker博士表示他們從一開始就已經有考慮商業模式的問題：在內部，團隊與Cranfield大學管理學院的社會學專家合作；而對外，他們則會跟Practical Action等組織的專家進行交流，聽取他們的建議。
那些針對城市非常規住宅區廢棄物處理的新技術，其實也面臨著上述的這些困難和挑戰。這些非常規居住區，一方面對市政部門來說是個很難管理的，另一方面，對想為其提供糞便清理服務的企業家來說，也很難找到合適的技術和商業模式。Parker博士說：「這些區域需要全新的技術和服務模式，所以他們也想通過納米膜廁所這個項目解決這一難題。
「要做出一個商業產品還有很長的路要走。」Parker博士說。她說的這段路起碼要一年以上，但應該會少於五年。他們的其中一個目標就是要找到合適的商業夥伴，不管是現在還是等納米膜廁所在技術上有更進一步的提升之後。總之，工作還是要繼續的。
對於Parker博士來說，NMT納米膜廁所在將來的接納度也是她衡量其成功與否的因素之一。她強調，起碼要讓大家明白NMT的管理絕不像化糞池那麼麻煩。但她更期待等到NMT的商業版面世之後，人們會渴望或樂意使用這樣一個NMT納米膜廁所。「一大批NMT廁所，只需要一個技術人員來維護，我想這就是我定義的成功吧。」
目前一個納米膜廁所的處理規模是10人口當量的單戶家庭。和尿液分離廁所不同，NMT納米膜廁所將尿液和糞便混合收集。衝洗系統有一套獨特的旋轉輸送機制，無需任何水衝，同時還從視覺上提升潔淨感，從嗅覺上阻隔臭氣。固液分離通過沉澱來實現。他們使用一種創新的中空纖維膜分離出尿液的水分。獨特的納米結構膜促進水分以蒸汽的形式，而不是液體的形式傳輸。這樣能夠有效控制病原體和其他有味的揮發性物質。收集的乾淨出水可作為家用或者灌溉。
在排除多餘的水分之後，糞便剩下的固體會通過機械螺旋帶運至燃燒室，隨即轉換成灰渣和電能。這些電能可以支持膜工藝的運行。若有剩餘電能，還可以給其他低壓物品供電。關於NMT技術更多信息，可以瀏覽他們的官網。
nanomembranetoilet.org
納米膜廁所的工作原理圖 | 圖源：nanomembranetoilet.org
納米膜廁所項目是一個龐大團隊共同努力的成果，它得到了不同領域的專業人士的幫助。這個項目最初針對的是低收入國家的衛生問題，這也是Parker博士的專業領域，但是她和團隊其他成員同時還會徵求歐美等發達國家的汙水處理專家的想法和建議。此外，他們還需要與能源領域的專家開展溝通合作以實現廁所的能量中和，另外工業設計方向的同事也會加入討論探討商業模式。
Cranfield大學的Parker博士和Ana Soares博士都認為，合作為創新提供的前進的道路。雖然Soares博士沒有直接參與NMT納米膜廁所項目，但作為一個關注資源回收的生物技術工程師，她和Parker博士的看法很相似。Soares博士表示在循環經濟的大背景下，水行業正在向交付服務、提供優質出水的方向前進。要實現這些進步，不能僅僅懂得微生物學的知識，還要了解傳感器等硬體的發展，這樣才能更好地優化工藝，降低運行成本。
Ana Soares博士認為要開展良好的合作，最好的出發點莫過於專業領域的交流和溝通。今年6月即將在英國愛丁堡舉辦IWA國際水協會第16屆前沿技術大會(IWA LET Conference)。Cranfield大學是本次大會的協辦單位，而Soares博士是組織委員會的主席。
你是否也想親臨現場，了解納米膜廁所項目在德班中試的最新進展，或者和其他水處理專家交流行業最新動態？IWA歡迎您報名參加2019年6月10-14日在英國愛丁堡舉行的LET前沿技術大會。點擊微信最下方的「閱讀原文」，訪問2019 IWA-LET官網，了解更多註冊信息。
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