干净的粪便可以变成“人粪”

我站在旧金山 Mission 街 1550 号的地下室里，这是一座位于旧金山黄金地段的新高层建筑，我听着过滤人体污垢的嗡嗡声。我头顶上，38 层楼的居民正在按着早晨的惯例洗澡刷牙。在我面前，错综复杂的管道将他们排出的水送入一个后院热水浴缸大小的膜生物反应器。在里面，膜和氧气泡净化水并将其导回建筑物而不是污水管道，清洁到足以冲洗马桶和小便池。“我们能够重复使用其中的₉₅ %”，设计该技术的 Epic Cleantec 公司的联合创始人兼首席执行官 Aaron Tartakovsky 说道。他的父亲 Igor 是另一位联合创始人兼总工程师，他的眼睛里闪烁着光芒，脸上带着自豪的微笑附和道。“它的工作原理真是太酷了。”

然而，真正酷炫的设备位于附近的新市场（NEMA）大楼，亚伦和伊戈尔在这里试行了他们的粪便回收作业。与 1550 Mission 的装置不同，NEMA 的装置只回收灰水（来自除厕所和厨房水槽以外的所有地方），而 NEMA 的装置则负责脏活。在这里，一台银色的机器类似于一台小型冰箱大小的巨型食品加工机，它收集人们的排泄物，拦截污水流出。当机器运转时，污泥会溅到旋转的网带上。液体会滴落下来，但粪便会留在上面。管理员会挤出更多的水，产生手掌大小的粪便，然后落入垃圾箱。

在 2019 年和 2020 年试点项目实施期间，Aaron 和他的同事每周都会更换那个 55 加仑的垃圾箱，并将其送到公司附近的粪便处理设施 Epic Hub，该设施位于一家前汽车经销店内。在那里，粪便被扔进另一个装置中，与消毒化学混合物彻底混合，杀死病原体。消毒过的粘稠物被堆肥成土壤，Aaron 和 Igor 用这些土壤将 Epic Hub 外的一块工业用地变成了一个繁花似锦的花园。“我们称之为‘旧金山人为旧金山人打造的土壤’，”Aaron 说。“我们正在与市政府商谈在公园里使用它。”我和他一样兴奋。作为一个在前苏联小农场长大的人，我的祖父用我们化粪池里的垃圾施肥，我相信我们所谓的“人粪”应该滋养我们的庄稼。

2018 年，美国生产了 5,823,000 干吨生物固体，这是污水处理厂的最终产品。从化学性质来看，这种东西就像普通的泥土一样，只是有点气味。在理想世界中，生物固体（富含氮、磷和钾的强效肥料）将被返回到蔬菜和奶牛场，以补充我们提取的养分或种植我们砍伐的树木。科学家将这一概念称为循环生态，这是 21 世纪可持续生活的关键。然而目前，只有一半的生物固体回到了农田。另一半在垃圾填埋场腐烂，释放出温室气体，或者更糟的是，被推入焚化炉，向空中喷出烟雾。这些浪费方法的原因多种多样，从财务到后勤，再到普遍的恶心因素。将污泥转化为符合 EPA 标准的无病原体肥料的新设备可能价格不菲。如果一个大都市地区每周产生几千吨生物固体，而附近没有足够的农田来吸收这些固体，那么该城市将不得不使用化石燃料将其运走。最后，人们不喜欢污水处理设施，他们认为这些设施是污秽的缩影。

这种观念在 2011 年开始转变，首先是科技创造者，然后是广大公众。当时比尔和梅琳达·盖茨基金会发起了“重塑厕所挑战”，要求专家从厕所的排泄物中回收有价值的资源，包括清洁水和营养物质。这项挑战最初旨在解决较贫穷国家的卫生问题，但它推动了污水处理的新思路。加州的历史性干旱是另一个重大催化剂。“2014 年，我们的民选官员问道：‘为什么我们仍然使用淡水来冲洗旧金山的厕所？为什么我们不能重复使用淡水？’”亚伦说。“所以我们真的专注于解决这个问题。”

旧金山公共事业委员会水资源主管 Paula Kehoe 表示，该市希望鼓励水资源再利用，特别是在大型新建筑中。该委员会为旧金山湾区的 270 万居民提供服务。“我们开始将现场水处理系统视为更多的资源回收设施，”Kehoe 说道。

在我们热衷于本地种植食物的时代，在当地加工残余物也是明智之举。大多数城市所依赖的集中处理厂在 20 世纪可能运行良好，但许多处理厂现在已经老化到不再可持续或经济的地步。典型的污水管道使用寿命为 50 至 100 年；美国的平均管道寿命约为 45 年，有些管道寿命超过一个世纪，这造成了污水溢出和污染的风险。根据《美国基础设施报告卡》 2019 年的估计，该国的公用事业公司花费了超过 30 亿美元更换了约 4,700 英里的管道——这只是该国总长 1,300,000 英里的网络的一小部分。2017 年的一份报告估计，到 2042 年，将有 5600 万人使用这些集中处理系统，每年需要大约 2710 亿美元来维持这些系统。

现场过滤和处理可能是一个至关重要的替代方案。环境工程和建筑公司 Brown and Caldwell 的高级生物固体工程师 Bill Brower 表示：“集中式废水系统肯定有优势，因为如果出现问题，你可以在一个地方获得专业知识和技术专长。”然而，在气候变化和干旱日益严重的时代，在源头净化宝贵的_水也有真正的好处。“我认为肯定有进行更多分散处理的地方，”Brower 说。但在我们开始关闭污水管道之前，我们需要弄清楚把“二号”放在哪里。

从苏联难民到粪便企业家

伊戈尔·塔塔科夫斯基 (Igor Tartakovsky) 于 20 世纪 60 年代在乌克兰敖德萨长大，当时敖德萨是苏联的一部分。他立志成为一名火箭科学家。“我想制造飞机和宇宙飞船——这是我儿时的梦想，”他说。然而，对于一个犹太孩子来说，这是一条艰难的道路。苏联帝国的反犹太主义显而易见：伊戈尔以最高荣誉从高中毕业，但被他所在城镇的工程学校拒绝。他没有轻易放弃，最终被录取到新西伯利亚的机电学院学习航空学，新西伯利亚是一座被大雪封禁的西伯利亚城市。他一瞬间就放弃了敖德萨温和的气候，转而选择无尽的冬天。

第二年，他申请了工程师的暑期工作，填了 15 份表格，提交了十几张自己的照片，但还是被拒绝了。他放弃了航天梦想，转而研究制冷和空调。

职业转换并没有起到什么作用。伊戈尔再次以班级第一名的成绩毕业，他再次被拒绝。他得到了一份在浮动渔业工厂船上的工作，这艘船每次在冰冻的远东地区航行六个月。除了冷藏海鲜，他的工程能力还派上了用场，他制造了一种从发酵的苹果汁中提炼月光酒的装置——他的船员们很喜欢这个壮举，但伊戈尔却不喜欢。他觉得自己在浪费生命。很明显，他在苏联没有未来，所以他的家人决定离开。

当时，逃离克格勃的唯一途径是收到国外亲戚的“与家人团聚”邀请。任何请求此类帮助的信件都可能被政府截获。因此，伊戈尔的亲戚写了一封所谓的“内衣信”。他们将自己的姓名和出生日期写在一条四角裤的裤腰带上；当橡胶收缩时，文字就看不见了。离开这个国家的人会随身携带内衣信，一年后，梦寐以求的邀请就来了。负责伊戈尔案件的克格勃官员称他为“白痴”，因为他“显然在这个国家有着光明的前途”，并给了他 45 天的时间离开。伊戈尔同意了。他的父母和妹妹也跟着去了。

在旧金山，伊戈尔遇到了他未来的妻子，找到了一份工作，生了孩子。后来，他创办了自己的公司，为旧金山的公寓和办公楼设计空调系统。他从未想过自己最终会制造“人粪”。

人类与粪便

在人类历史的大部分时间里，我们与排泄物的关系一直很棘手。我们无法停止产生排泄物，但又无法忍受它。粪便中未消化的营养物质（蛋白质、脂质、糖）会滋生肠道蠕虫和致命细菌，引发痢疾、胃肠炎和伤寒等疾病。为了避免传播疾病，我们必须尽快、尽可能有效地远离代谢产物。

过去 150 年，西方的工业污水处理系统完善了这一过程。随着城市的发展，污水处理厂的集中运营也随之发展。美国第一座污水处理厂建于 19 世纪 50 年代。如今，有超过 16,000 座污水处理厂 24/7 全天候排出污泥，处理市政、家庭和办公室管道中的污泥。美国拥有的此类管道加起来足以绕地球 52 圈，或往返月球近三圈。每天约有 625 亿加仑的废水流经这些管道。

对于我祖父来说，这些做法在经济和环境上都毫无意义，尤其是将粪便与垃圾一起扔掉。“你必须像养活人类一样养活地球，”他过去常说，每年秋天他都会用我们化粪池里的棕色粘稠物填满堆肥坑。然后他把堆肥坑封闭起来，让大自然来做她的工作。三年后，当他再次挖出堆肥坑时，坑里满是蓬松的黑色泥土，这些泥土营养丰富，尽管俄罗斯的夏天短暂、寒冷、多雨，我们的植物还是能结出果实。

花费数十亿美元净化废水，将其排入河流和溪流，然后将其泵回水管，再次净化后供人类使用，这也是不合理的。“2015 年，旧金山强制要求任何面积超过 25 万平方英尺的新建筑都必须安装现场水处理系统，以满足厕所和灌溉需求，”Kehoe 说。“而从 2021 年起，任何面积超过 10 万平方英尺的新建筑都必须安装现场水处理系统。”

对于伊戈尔和他最小的三儿子亚伦来说，这次搬家纯属偶然。亚伦学的是政治学，但最终追随父亲的脚步从事工程学。他们刚刚涉足污水，被抽水跳进污水里。

史诗般的起源故事

2013 年，一位客户要求 Igor 为他们位于湾区的空间寻找一套覆盖整个建筑的污水回收系统。但他在市场上找不到任何一款。几个月后，在一次技术会议上，Igor 看到有人用高锰酸钾在食品加工机中搅拌狗屎来消毒。他从小就知道这种化学物质：叫做margantsovka ，是一种常见的消毒剂。他回忆说，当他的水族馆的鱼开始生病时，他会加入几滴。“细菌会死亡，而鱼会在玫瑰色的水中游一会儿，因为高锰酸钾也是一种着色剂。”这种化合物（化学式为 KMnO ₄ ）可引起氧化反应，杀死微生物，包括通常困扰人类的致病微生物。“它被广泛用于清洗伤口或给喝水的玻璃杯消毒，”马里兰大学巴尔的摩分校生物化学工程教授 Govind Rao 说。 “它是一种非常强的氧化剂，但在病原体含量低时效果最好。”对典型的污水进行消毒需要大量的 KMnO ₄ ，但塔塔科夫斯基夫妇找到了一种解决方法——从源头开始消毒。大多数人的肠道中都不会携带大量危险的病原体（否则他们会病得很重），所以他们冲洗掉的东西通常不会滋生细菌。污泥在数英里的管道中漂浮数天后，就会成为各种细菌的聚集地，这些细菌会自然地栖息在那里，生长繁殖。“当污水在管道中流淌数天甚至数周时，其病原体含量会非常巨大，”Aaron 解释说。“但如果在有人冲完马桶后立即进行冲洗，病原体含量就会低得多。”

伊戈尔和亚伦也开始用食品加工机搅拌家养狗的粪便。为了更好地消毒，他们添加了其他化学物质，研制出公司专有的杀菌混合物。现在他们需要扩大规模，于是他们说服了一家生产工业用搅拌器的意大利公司，让他们尝试在佛罗伦萨附近一家污水处理厂的化粪池污泥上采用中和方法。2015 年 3 月，他们飞来这里进行测试。当他们在后院烤架大小的机器上试验设置时，反应释放了过多的热量。搅拌器的顶部被吹掉，天花板上沾满了消毒过但仍然发臭的黏液——亚伦用视频记录了这一历史性事件。但这让父子俩了解了工业处理器的参数。回国后，他们成立了水循环解决方案公司 Epic Cleantec，并专注于制造自己的搅拌器。

他们聘请了明尼苏达州的一家工程公司来建造一台搅拌机。在万湖之国测试时，Aaron 正在往桶里灌粪便，加压后的泥浆猛烈地撞击桶底，溅得他从头到脚都是。“那天我差点儿没吃午饭，”他回忆道。后来，在寒冷的中西部冬季，粪便部分结冰，在搅拌机周围嘎嘎作响。他们从未想过放弃。“我很早就知道失败不是一种选择，”Igor 说。Aaron 的灵感来自他的家族历史。“我的祖父母是大屠杀的幸存者，”他说。“考虑到他们所经历的一切，我可以处理污水。”

明尼苏达州的演习为他们提供了搅拌机的精确尺寸——长度、直径、刀片尺寸。但最终版本是由洛杉矶的一家公司制造的。亚伦开车去试一试，给该地区的每一家狗舍打电话要狗屎。大多数人都笑了，以为这是恶作剧，但有五家狗舍还是给了一些狗屎。更多的狗屎来自 SPCA，它成为了 Epic 的第一个官方狗屎供应商。

伊戈尔和亚伦还在组装管理污水流的设备，该设备会将污泥通过旋转网带，然后通过搅拌器将其压缩成手掌大小的团块，然后送入消毒搅拌器。将网带和搅拌器串在一起相当简单，但父子俩需要大量污水来从头到尾测试整个过程。2017 年，Epic 开始从斯坦福大学的 Codiga 资源回收中心购买污泥，该中心有一个微型污水站，以继续校准他们的系统。Codiga 的执行董事塞巴斯蒂安·蒂尔曼斯回忆道：“每磅成本为 40 美分。”

当这条小溪被证明微不足道时，Epic 开始用卡车运走污泥——真的。那时，Epic Hub 位于一家前汽车经销店内，因此，正在清空湾区化粪池系统的污水车会驶进来，将货物倾倒出来。“我们会将卡车上的软管伸入我们的系统，让它从头到尾运行，”Aaron 说。“其中一些卡车运的是 Facebook 自助餐厅卫生间的污水，”他解释道。“我们的一些土壤是 Facebook 制造的。”

在 Epic Hub 中测试了混合处理器后，塔塔科夫斯基夫妇联系了 NEMA 的所有者（伊戈尔认识他们），希望在现实生活中测试它。建筑工程师德温·纳瓦埃斯的第一反应是极度厌恶。“你要做什么？”他记得自己问过。亲眼看到这项技术的实际应用后，他信服了。“最终产品只是黑色的泥土！”

亚伦站在定制搅拌机旁边，它看起来像一个巨大的绞肉机，亚伦演示了试点期间如何生产黑色泥土。从 NEMA 地下室的污泥挤压机中收集的粪便块被从收集箱中摇晃出来，机器会用 Epic 的消毒混合物研磨它们约 20 分钟。然后，亚伦会对新制成的泥土进行一系列测试，检查病原体和重金属，然后将其放在 Epic Hub 花园附近的室外晾干。“我一直想知道附近摩天大楼里的人怎么想我们在做什么，”他说。“但没有人抱怨，”因为没有臭味。

他刮掉搅拌机内部的一些污垢残渣，递给我。犹豫了一会儿后，我把这种黑色粉末拿在手里，胆怯地闻了闻。它看起来和闻起来都像我祖父坑里的花园泥土。但是，虽然他的后院农场方法在小范围内奏效，但 Epic 的方法可能会改变我们处理整个高层建筑污水的方式，这一点至关重要，因为到 2050 年，全球每三人中就有两人可能生活在城市地区。

其他公司正在以自己独特的方式重新设计我们与排泄物的关系。佛蒙特州的一群尿液循环者成立了 Rich Earth Institute，这是一家非营利组织，用容器收集居民的尿液并将其分发给农民，但对许多人来说，这种手工过程是一个缺点。总部位于以色列的初创公司 HomeBiogas 率先推出了一种有助于生产肥料和甲烷的厕所，后者可用于烹饪燃料——这是一种自给自足的方法，适用于私人住宅和小型建筑，但不适用于高层建筑。南非公司 LiquidGold Africa 开发了一种从尿液中提取肥料化合物的方法，尿液可以从建筑物的管道中大量收集，但它还不能回收固体。在俄勒冈州波特兰市，一个大型公寓大楼 Hassalo on Eighth 建造了一整套室外废水处理设施，但这需要大量的周围空间。总部位于澳大利亚的 Aquacell 公司在湾区运营着几个建筑级水回收系统；据 Kehoe 称，还有一些正在筹备中，但 Aquacell 并未涉足固体业务。相比之下，Epic 的端到端技术尤其适合人口密集城市的办公室和住宅，而这类城市的数量将不断增长。“这家公司似乎拥有一项可靠的创新技术，”专门从事水解决方案的 BlueTech Research 公司的可持续发展策略师 William Toffey 表示。“旧金山的 1550 住宅就是其最闪亮的例子。”

会有更多摩天大楼加入这一行列吗？纳尔瓦埃斯现在是这一计划的坚定支持者，他认为会的。“建筑物应该采用这种方法，而不是限量供水，”他说。“对我来说，这是所有新建筑的未来。建筑物将节省大量用水，社会也是如此。这是一个双赢的局面。”

未来几年，Epic 的下一代 OneWater 系统将安装在圣地亚哥和圣何塞的另外四栋建筑中，在那里它将作为一个成熟的微型处理厂发挥作用。网带处理器将从污泥中挤出水。膜生物反应器将对其进行清洁并将其重新循环。搅拌器将把泥土变成花园表土，最终为城市公园提供养分，这是塔塔科夫斯基夫妇希望的。“我们将使用同样的座右铭，”亚伦说。“‘圣地亚哥人为圣地亚哥人打造的土壤。’等等。”

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