馬桶2.0大賽，油從中來

比爾和梅琳達·蓋茨基金會（以下簡稱蓋茨基金會）于2011年啟動了“全球廁所創(chuàng)新大賽”，

如今已經(jīng)成功舉辦了兩屆，資助了非洲、亞洲、歐洲以及北美洲在內(nèi)的16個生態(tài)衛(wèi)生設(shè)施研發(fā)項目。

瘋狂的來源

據(jù)王煥升老師介紹，在此之前也有人提出過“便便變油”的概念，但只是針對污泥或畜禽糞便的，提出將人類糞便變油尚屬首次。“便便變油”的靈感歸功于“廁所大挑戰(zhàn)”的宗旨和王煥升多年的研究成果。

蓋茨基金會在對全球人類的衛(wèi)生設(shè)施調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)全球40%的人口（約25億）缺少基本的衛(wèi)生設(shè)施，仍在使用最原始的旱廁。人類糞便是病毒和寄生蟲的溫床。聯(lián)合國兒童基金會的一份報告指出，田野里每一克重的糞便就可能帶有1000萬個病毒、100萬個細菌和1000個寄生蟲囊腫。使用旱廁的最大問題就是疾病的傳播，這可能給人類的健康和環(huán)境造成災(zāi)難性后果。由于資金和水資源缺乏，在這些國家和地區(qū)傳統(tǒng)馬桶的水沖方式很難實施。于是，蓋茨基金會啟動了“廁所大挑戰(zhàn)”，想通過這種形式征集全球好的馬桶創(chuàng)意，開發(fā)創(chuàng)新的衛(wèi)生技術(shù)，使其適合發(fā)展中國家的貧困居民。通過研發(fā)新型衛(wèi)生技術(shù)以及鼓勵、支持產(chǎn)品的市場化，讓全世界人民都能夠享受安全、舒適的衛(wèi)生設(shè)施。

在“廁所大挑戰(zhàn)”中國區(qū)比賽的公告上對“馬桶2.0”提出了以下要求：現(xiàn)階段要求成本不到0.3元/人*日（5美分/人*日），最終達到0.06元/人*日（1美分/人*日）；糞便無害化，無污染物排放；實現(xiàn)物質(zhì)再利用（如生產(chǎn)清潔再生水，生產(chǎn)肥料、礦物質(zhì)，生產(chǎn)能源）；無需外接水管、下水道或供電電網(wǎng)；可持續(xù)使用5年以上；以用戶為中心，滿足用戶需求；構(gòu)建完整商業(yè)鏈，商業(yè)化廢物處理產(chǎn)品。

當接到參賽邀請時，王煥升的眼前為之一亮，“馬桶2.0”正是他下一步想實施的研究。可是光靠自己的團隊，力量還比較薄弱，于是他聯(lián)系了人大環(huán)境科學教研室主任張景來教授和一家多年從事環(huán)保廁所研究的企業(yè)，打算由三家單位共同申請此項目。

王煥升自2003年考取北京市環(huán)境科學研究院環(huán)境工程專業(yè)的研究生后，就一直跟隨導師從事廁所及糞便處理領(lǐng)域工程等方面的研究。2004年，在調(diào)研中國旱廁現(xiàn)狀時，他看到了觸目驚心的一幕，“中國廣大農(nóng)村仍然使用旱廁，這既不衛(wèi)生又污染嚴重。若全部改造成傳統(tǒng)的馬桶水沖方式，僅改造成本這一項就負擔不起。2004年我國人均GDP三千多元，而光改造馬桶的費用就要人均兩千多元，這還沒有計算運行成本。于是，在那個時候，我們就提出了生態(tài)衛(wèi)生的理念，就是不用水、不用電，直接用自然的方式來分解。”王老師說。

王煥升說，想到用高溫高壓來液化糞便“變”油，也是結(jié)合北化最擅長的化學。因為加熱的過程本身也就是消毒的過程，當溫度在100度以上就會把糞便中的病原菌殺死，于是王煥升想到了熱化學，可是，熱化學又分為焚燒、汽化等方式，在反復(fù)實驗之后，發(fā)現(xiàn)這些方法總達不到理想的狀態(tài)，“何不嘗試液化。液化相對于焚燒而言，溫度較低。”

人一次會產(chǎn)生0.1至0.3公斤糞便和1公斤的尿液，而尿液中所含的病原菌遠遠地少于糞便中的病原菌，正常人的尿液中是沒有病原菌的，是可以直接被農(nóng)業(yè)利用的。“從加熱最小化的角度出發(fā)，最好是把尿液從糞便中分離出來，直接加熱糞便。這首先解決了水沖的問題，直接加熱糞便，所需的熱耗就會少很多，這樣就可用通過太陽能板來完成加熱過程，這又解決了電的問題。整個思路一出來，王煥升的團隊就想到利用一個特殊的器皿把糞便和尿液分開，用太陽能來加熱，然后把糞便液化成生物質(zhì)油。

乍一聽，糞便轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)油的過程異常簡單：將糞便放入反應(yīng)釜加熱，糞便就變成了“年輕的石油”——人類糞便中豐富的有機質(zhì)，是其能變成生物質(zhì)油的基礎(chǔ)。但人類糞便平均含水量達80%，脫水后也只有三成能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)油。這意味著只有6%的轉(zhuǎn)化率。

“這個轉(zhuǎn)換率并不高，所以需要低能耗、低成本的轉(zhuǎn)化方式。”需要模擬地殼內(nèi)生成石油時的溫度、壓強，找到能用最少的花費、最短的時間提取最高純度生物質(zhì)油的實驗室臨界點。

科學不邪乎

自從接下這個項目，整個團隊的主要工作，就是在實驗室里調(diào)試設(shè)備、測試實驗條件。以期找到規(guī)律，而找規(guī)律的唯一方式，是反復(fù)實驗。

做實驗需要各類人群的“原料”，有時會要求團隊成員或者一些學生憋著，然后把“原料”送到實驗室，有時也會讓成員出去收集。當顏色、形態(tài)各異的“實驗原料”運到實驗室之后，團隊成員需要先用手將其中雜質(zhì)和“不符合要求”的去除，將“原料”重新分類，用保鮮袋裝好，放入冰箱冷凍。用手分揀也是項目組成員要過的“第一關(guān)”。

項目實驗室總是散發(fā)出一種帶著油膩的腥臭。門上掛著的幾件實驗服、一人多高的反應(yīng)儀器上、實驗器皿、一次性手套、面罩…..也滿是灰黑色的污漬。

很多時候，團隊成員都會被噴得滿頭滿臉。大家往往穿著最破的衣服到實驗室，下實驗后第一件事就是沖向澡堂，但仍然能夠在自己的枕頭上聞到隱隱的臭氣。剛剛開始接觸項目時，大多數(shù)團隊成員都曾一個月吃不下飯，但后來也就逐漸習慣了。

“事情都要有一個適應(yīng)的過程。2003年做廁所調(diào)查的時候，選定區(qū)域的每一個旱廁，我都進去過，時間長了，也就沒啥感覺了，這只是我研究的一個原料，要解決問題，就得面對，剛開始很不適應(yīng)，后來就適應(yīng)了。這和讓一個適應(yīng)城市生活的人去農(nóng)村待著上旱廁是一個道理，沒什么好說的，必須上。其實，科學沒那么神秘，聊開之后就是這個樣子，一點也不邪乎。”王煥升笑著說。

遺憾的是，曾設(shè)在中國人民大學的環(huán)境學院的實驗室，因為氣味太過難聞，在被多次投訴之后，不得不停止“偉大”的實驗另謀出路。2015年春節(jié)過后，整個團隊搬遷到北京化工大學昌平實驗基地。“實驗基地里實驗室的氣味摻雜在一起，誰也甭說誰，新的實驗室比較大，還特別通風。”

這個廁所能用嗎？

“因為糞便的氣味，讓人們忽略了潛藏在其中的巨大能量，可是從生態(tài)循環(huán)的角度來看，糞便是比寶石還珍貴的寶物。”王煥升說。

在拿到資助獎金后，團隊就啟動了“偉大的人類糞便實驗”，可是從簽合同到項目結(jié)項，蓋茨基金會僅僅給了一年時間，時間非常緊迫。

采訪的最后，王煥升提出對這個項目的最大擔憂，一是能耗問題；二是產(chǎn)業(yè)化問題。“如何把加熱的溫度盡可能地降低？比如說，目前液化糞便的溫度是300度，那么有沒有一種可能性就是加熱到200度就可以了。若能從300度降到200度，這個能耗降幅還是很大的。”

“產(chǎn)業(yè)化問題就是這個項目投入實踐的可能性。”王煥升舉了電動汽車的例子，十年前，電動汽車還僅僅是一個概念，但是目前已經(jīng)走進了人們生活中。“我今天提出用一個反應(yīng)釜把人類的糞便變成油，當在實驗室研發(fā)成功之后，在具體實施的時候能否實現(xiàn)產(chǎn)學研一體化，這是我最擔憂也是下一步需要重點關(guān)注的事情。因為在具體實踐中，你不可能在每家每戶安裝一個反應(yīng)釜，然后加熱生成油。絕對不可能有人去上這樣的廁所，這是肯定的。如何把這個小反應(yīng)釜進一步改造成人們都能接受的設(shè)施，這是關(guān)鍵。如果能耗問題和產(chǎn)業(yè)化問題都解決了，那么這個廁所還是能夠使用的。當然這有待時間去檢驗。”