Home About Browse Search
Svenska


Urea stabilisation and dehydration for urine-diverting toilets

system and hygiene evaluation

Senecal, Jenna (2017). Urea stabilisation and dehydration for urine-diverting toilets. Uppsala, Sweden : Sveriges lantbruksuniv. , Rapport (Institutionen för energi och teknik, SLU), 1654-9406 ; 096
ISBN 978-91-576-9523-9
eISBN 978-91-576-9524-6
[Licentiate thesis]

[img]
Preview
PDF
1MB

Abstract

Over four billion people are discharging untreated human excreta into the environment without any prior treatment, causing eutrophication and spreading disease. This eutrophication is caused by nutrients found predominantly in urine. If managed adequately, urine can be used as a fertiliser because it contains the same plant nutrients as the fertilisers used to produce the food that people eat. Currently to replace the nutrients removed from fields during harvesting, more fertilisers are being manufactured and applied and ultimately more are being leached into the environment.

The use of human urine as a fertiliser is limited by its low nutrient concentration compared with commercial fertilisers. This study sought to increase the nitrogen (N) concentration (from 0.6 % to >6 %) through dehydration to produce a dry fertiliser of monetary value and where no liquid disposal from the toilet is required. The objective of this thesis was to evaluate a treatment that could stabilise urea and concentrate the urine while retaining >80 % of the NKP. Fresh human urine was added at various intervals to wood ash or biochar to first alkalise and thus inhibit the enzyme urease which catalyses the hydrolysis of urea. The urine was then dehydrated at temperatures of between 35 and 65 °C. A hygiene assessment was undertaken to observe the inactivation of five microorganisms (three indicators: Enterococcus faecalis, MS2 bacteriophage and ΦX 174 bacteriophage; and two pathogens: Ascaris suum and Salmonella enterica sub enterica Typhimurium) at the end of the alkaline dehydration process.

Urine mass was reduced by 95 % during dehydration, while preserving up to 90 % of the N and all the P and K. Ascaris inactivation data was fitted to a non-linear regression model, which estimated that 325 days of storage would be required for a 3 log10 reduction at 20 °C and 9.2 days of storage at 42 °C. The bacteria and bacteriophages were below the detection limit within four days at 20 °C. Just collecting urine separately from faeces provides a 5.2 log10 reduction. The material is concentrated during dehydration which results in a 3.5 log10 reduction overall just from urine-diversion.

This alkaline dehydration system installed in new or already existing toilets would greatly simplify the logistics and costs of storing, transporting and applying urine as a fertiliser. The truly innovative feature is the final product, a dry powder with 7.8 % N, 2.5 % P and 10.9 % K on dry weight, i.e. equivalent to commercial fertilisers. After just four days of storage, the dehydrated medium would meet WHO (2006) and USEPA (1994) guidelines for unrestricted fertiliser use.

Authors/Creators:Senecal, Jenna
Title:Urea stabilisation and dehydration for urine-diverting toilets
Subtitle:system and hygiene evaluation
Alternative abstract:
LanguageAbstract
Swedish

Mer än fyra miljarder människor har toalettlösningar som släpper ut obehandlad latrin i miljön utan någon behandling, vilket orsakar övergödning och sjukdomsspridning. Övergödning orsakas av växtnäring som främst kommer från urinen. Om urinen hanteras på rätt sätt kan den användas som gödningsmedel eftersom den innehåller samma växtnäringsämnen som kommersiella gödselmedel som används för att producera den mat vi äter. För att ersätta de näringsämnen som tas bort från åkern med skörden måste mer gödningsmedel produceras och användas, vilka i slutändan riskerar att läcka ut i miljön.

En huvudsaklig begränsningen för användandet av urin som gödningsmedel är den låga näringskoncentrationen jämfört med konstgödsel. I denna studie avsågs att öka kvävekoncentrationen i urin (från 0,6 % till > 6 %) genom torkning. Målet med denna process är att producera ett torrt gödningsmedel som har ett ekonomiskt värde. Fördelen med en torr produkt är att man inte behöver transportera och lagra vatten. Syftet med denna avhandling var att utvärdera en behandling för att stabilisera urea och därmed kunna koncentrera urinen bevarande >80% av näringen i den torra fraktionen. Färsk urin tillsattes till en torkbädd bestående av träaska eller biokol med högt pH vilket hämmar enzymet ureas från atthydrolysera av urea. Torkningsprocessen genomfördes sedan vid temperaturer mellan 35 och 65 °C. Inaktiveringen av fem mikroorganismer (tre indikatorer: Enterococcus faecalis, MS2 bakteriofag och ΦX 174 bakteriofag och två patogener: Ascaris suum och Salmonella enterica sub enterica Typhimurium) i slutet av torkningsprocessen studerades för att bedöma den hygieniska slutkvaliteten.

Under torkningen reducerades urinevolymen med 95 % samtidigt som upp till 90 % av kvävet behölls i torkbädden. Ascarisinaktiveringen anpassades till en icke-linjär regressionsmodell, med vilken det uppskattades att 325 och 9,2 dagars lagring krävs för en 3 log10 reduktion vid 20 °C respective 42 °C. Bakterierna och bakteriofagerna reducerades till under detektionsgränsen inom fyra dagar vid 20 °C.

Torksystemet som utvecklats i denna studie skulle i hög grad förenkla logistik och kostnader för lagring, transport och applicering av urin som gödningsmedel. Innovationen är slutprodukten, ett torrt pulver med 7,8 % N, 2,5 % P och 10,9 % K på torrvikts basis, dvs. motsvarande kommersiella gödningsmedel. Efter bara fyra dagars förvaring skulle den torkade produkten uppfylla WHO (2006) och USEPAs (1994) riktlinjer för obegränsad användning som gödselmedel.

Series/Journal:Rapport (Institutionen för energi och teknik, SLU) (1654-9406)
Year of publishing :3 October 2017
Depositing date:3 October 2017
Volume:096
Number of Pages:57
Papers/manuscripts:
NumberReferences
ISenecal, J.* and Vinnerås, B. (2017). Urea stabilisation and concentration for urine-diverting dry toilets: Urine dehydration in ash. Science of The Total Environment 586: 650–657
IISimha, P.*, Senecal, J. and Vinnerås, B. (2017). Alkaline dehydration of anion-exchanged human urine: Volume minimisation, nutrient recovery & process optimisation (manuscript).
IIISenecal, J.*, Nordin, A., Simha, P. and Vinnerås, B. (2017). Hygiene aspect of treating human urine by alkaline dehydration (manuscript).
Place of Publication:Uppsala, Sweden
Publisher:Department of Energy and Technology, Swedish University of Agricultural Sciences
ISBN for printed version:978-91-576-9523-9
ISBN for electronic version:978-91-576-9524-6
ISSN:1654-9406
Language:English
Publication Type:Licentiate thesis
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:F Plant production > F04 Fertilizing
T Pollution > T01 Pollution
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 105 Earth and Related Environmental Sciences > Environmental Sciences (social aspects to be 507)
(A) Swedish standard research categories 2011 > 2 Engineering and Technology > 207 Environmental Engineering > Other Environmental Engineering
Agrovoc terms:urine, eutrophication, hygiene, urea, drying, fertilizers, waste disposal
Keywords:Alkaline disinfection, ash, dehydration, hygiene, pathogen, source separation, urea stabilisation
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-4390
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-4390
ID Code:14601
Faculty:NJ - Fakulteten för naturresurser och jordbruksvetenskap
Department:(NL, NJ) > Dept. of Energy and Technology
External funders:Swedish Research Council
Deposited By: Jenna Senecal
Deposited On:04 Oct 2017 12:33
Metadata Last Modified:05 Oct 2017 14:15

Repository Staff Only: item control page

Downloads

Downloads per year (since September 2012)

View more statistics

Downloads
Hits