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人类排泄物的再利用

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海地收获用人类排泄物制成的堆肥种植的辣椒

人类排泄物的再利用 是指在采用针对预期再利用应用应用客制化的适当处理步骤和风险管理方法后，对经过处理的人类排泄物进行安全、有益的利用。经处理的排泄物的有益用途可集中于利用经处理的排泄物中所含的植物可利用的养分（主要是氮、磷和钾）。它们还可以利用排泄物中含有的有机物和能量。在较小程度上，排泄物中的水分也可能被再利用，尽管这更广为人知的是从城市污水中回收水。养分含量的预期再利用应用可能包括：农业或园艺活动中的土壤改良剂或肥料。其他再利用应用更著重于排泄物的有机物含量，包括用作燃料源或沼气形式的能源。

有大量且不断增加的处理方案可以使排泄物安全且易于管理，以实现预期的再利用。[1]选项包括尿液分流和粪便脱水（尿液分流旱厕）、堆肥（堆肥厕所或外部堆肥）、污水污泥处理技术和一系列粪便污泥处理流程。它们都实现了不同程度的病原体去除和水含量降低，以便于处理。值得关注的病原体是肠道细菌、病毒、原生动物和粪便中的寄生虫。[2]其他需要考虑的健康风险和环境污染方面包括微污染物、药物残留物和硝酸盐在环境中的扩散，这可能会导致地下水污染，这可能会影响饮用水品质标准。

有几种“人类排泄物衍生肥料”，其性质和施肥特性各不相同，例如：尿液、干粪便、堆肥粪便、粪便污泥、污水、污水污泥。

几个世纪以来，人类排泄物或生活污水中所含的营养物质和有机物一直被用于农业。然而，这种做法在发展中国家往往以不受监管和不安全的方式进行。世界卫生组织 2006 年的指导方针建立了一个框架，描述如何透过遵循“多重屏障方法”安全地进行这种再利用。[3]

术语

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人类排泄物、粪便污泥和污水通常被称为废弃物。[4]卫生处理系统的最终输出可称为“再利用产品”或“其他输出”。[4]这些再利用产品是一般肥料、土壤改良剂、生物质、水或能源。

人类排泄物的再利用关注的是人类排泄物的营养成分和有机物含量，而再生水则关注的是水份含量。

另一个术语是“人类排泄物的利用”而不是“再利用”，严格来说，这是人类排泄物的“第一次”“使用”，而不是第二次使用。[3]

技术和方法

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英国汉普郡的一个污水处理场

污水和人类排泄物中的可用资源，包括水、植物养分、有机物。旨在安全有效地回收资源的卫生系统可以在社区的整体资源管理中发挥重要作用。

回收粪便和污水中的资源（如营养物、水和能源）有助于实现永续发展目标 6 和其他永续发展目标。[5]

将污水和人类排泄物与其他可生物降解的废物（例如粪便、食物和农作物废物）结合起来可以有效地实现资源回收。[6]

处理选项

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有大量且不断增加的处理方案可以使排泄物安全且易于管理，以实现预期的再利用。[1] 从单一农村家庭到城市，各种技术和实践都可以用来获取潜在的宝贵资源，并将其用于安全、生产性用途，从而支持人类福祉和更广泛的可持续性。以下列出了一些治疗方案，但还有更多：[1]

瑞典农业科学大学的指南提供了一系列卫生资源回收处理技术：蚯蚓堆肥、黑水虻堆肥、藻类培养、微生物燃料电池、尿液硝化和蒸馏、鸟粪石沉淀、焚烧、碳化、太阳能干燥、薄膜、过滤器、尿液碱脱水、氨消毒/尿素处理和石灰消毒。[7][8] [4]进一步的研究涉及紫外线高级氧化过程，以便在再利用之前降解尿液中存在的有机污染物或使用酸使尿液脱水。[9][10]

重复利用选项

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排泄物最常见的再利用是在农业中用作肥料和土壤改良剂。这也被称为农业卫生的“闭环”方法。这是生态卫生方法的一个核心面向。

再利用选项取决于再利用的排泄物的形式：可以是排泄物本身，也可以是与一些水混合的排泄物（粪便污泥）或与大量水（生活污水）混合。[11]

最常见的排泄物再利用类型包括：[6]

  • 农业、园艺中的肥料、灌溉水：例如将再生水用于灌溉；使用堆肥的排泄物（和其他有机废弃物）或经过适当处理的生物固体作为有机肥料和土壤改良剂；使用经过处理的分源尿液作为肥料。
  • 能源：例如消化粪便和其他有机废物以产生沼气；生产可燃燃料。
  • 其他：其他新兴的排泄物再利用方案包括使用黑水虻幼虫生产牲畜蛋白质饲料，回收有机物用作建筑材料或用于造纸。

粪便污泥的资源回收可以采取多种形式，包括作为燃料、土壤改良剂、建筑材料、蛋白质、动物饲料和灌溉用水。[11]

可从卫生系统回收的再利用产品包括：储存的尿液、浓缩尿液、消毒的污水、沼渣、营养液、干尿、鸟粪石、干粪、坑式厕所|坑式腐植质、脱水污泥、堆肥、灰烬。[4]

作为肥料

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与其他肥料的比较

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更多信息：肥料和有机肥料

人类排泄物中蕴藏著未开发的肥料资源。例如，在非洲，从人类排泄物中回收的营养物质的理论数量与该大陆目前使用的所有肥料相当。粮食产量，并提供化肥的替代品，而化肥往往是小农负担不起的。然而，人类排泄物的营养价值很大程度取决于饮食输入。[2]

矿物肥料由采矿活动制成，可能含有重金属。磷矿中含有镉、铀等重金属，可经由矿物磷肥进入食物链。[12]这不适用于以排泄物为基础的肥料（除非人类食物的污染一开始就超出了安全限度），这是一个优势。

有机肥料的施肥元素大部分结合在碳质还原化合物中。如果这些肥料已经部分氧化（如堆肥中），则施肥矿物质会吸附在降解产物（腐植酸）等。浸出速度较慢。[13][14]

尿

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尿液含有大量的氮（主要为尿素），以及钾。[15]尿液中的营养浓度会随饮食而改变。[16]特别是，尿液中的氮含量与饮食中的蛋白质含​​量有关：高蛋白质饮食会导致尿液中尿素含量较高。尿液中的氮含量与人类饮食中的食物总蛋白成正比，磷含量与食物总蛋白和植物性食物蛋白之和成正比。[17]尿液的八种主要离子（> 0.1 meq L−1）是阳离子、钠、钾、铵、钙和阴离子、氯、硫酸盐、磷酸盐和碳酸氢盐。[18] 尿液通常含有污水中 70% 的氮和一半以上的钾，但只占总体积的不到 1%。[15]成人每天产生的尿液量约为0.8至1.5公升。[3]

尿肥通常用水稀释后施用，因为未稀释的尿液会造成肥料烧伤，植物的叶子或根造成损伤，[19] 特别是当土壤湿度较低时。稀释也有助于减少使用后产生的气味。当用水稀释时（对于每个季节使用新鲜生长介质的容器种植一年生植物，按1:5 的比例进行稀释，或者对于更一般的用途，按1:8 的比例），它可以直接施用于土壤，如一种肥料。[20][21] 研究发现尿液的施肥效果与商业氮肥相当。[22][23] 尿液可能含有药物残留。[24]污水污泥中常见的重金属如铅、汞和镉在尿液中的浓度要低得多。[25]

随尿液排出的营养物质的典型设计值为：每人每年 4 公斤氮、每人每年 0.36 公斤磷和每人每年 1.0 公斤钾。[17] 根据每天1.5L尿液（或每年550L）的尿液量，大量营养素的浓度值如下：7.3 g/L N; .67 g/L P; 1.8 g/L K.[17][26]这些是预设值，实际值因饮食而异。[15]尿液的养分含量，以国际肥料惯例 N:P2O5:K2O 大约是 7:1.5:2.2.[26]由于与磷酸二铵等干燥制造的氮肥相比，尿液作为肥料被相当稀释，因此尿液的相对运输成本较高，因为需要运输大量的水。[26]

使用尿液作为肥料的一般限制主要取决于过量氮累积的可能性（由于该大量营养素的比例很高），[20]以及氯化钠等无机盐，它们也是肾脏系统排出废物的一部分。过度施尿或其他氮肥会导致植物吸收过多的氨。[24]用尿液施肥时需要考虑的重要参数包括植物的耐盐性、土壤成分、其他施肥化合物的添加以及降雨量或其他灌溉量。[16]1995年有报告指出，与标记硝酸铵相比，尿氮气态损失相对较高，植物吸收较低。相反，磷的使用率高于可溶性磷酸盐。[18]尿液也可以安全地用作富碳堆肥中的氮源。[21]

人类尿液可以透过使用小便池或尿液分流厕所的卫生系统来收集。如果要分离和收集尿液用作农业肥料，则可以透过使用无水小便池、尿液分流干式厕所 (UDDT) 或尿液分流冲水厕所的卫生系统来完成。[26]在储存过程中，尿液中的尿素被尿素酶迅速水解，产生氨。[27]可以用收集的尿液进行进一步处理，以稳定氮并浓缩肥料。[28]一种解决气味的低技术解决方案是在尿液收集容器中添加柠檬酸或醋，这样脲酶就会失去活性，并且形成的氨不挥发。除了浓缩之外，还可以使用简单的化学过程来提取纯物质：硝酸盐形式的氮（类似于中世纪的硝床）和鸟粪石形式的磷。[28]

使用尿液作为肥料来源的健康风险通常被认为可以忽略不计，特别是当尿液分散在土壤中而不是在被消耗的植物部分时。尿液可以透过埋在土壤表面下约 10 公分的穿孔软管分配到农作物之间，从而最大限度地减少异味、因挥发造成的营养损失或病原体传播的风险。[29]与直接用作污水相比，当尿液在污水处理厂中作为污水的一部分处理时，可能会出现更多的环境问题（例如，由于营养丰富的污水流入水生或海洋生态系统而导致富营养化），并且能源消耗更高。[30][31]在发展中国家，使用原污水或粪便污泥在历史上一直很常见，但到 2021 年，将纯尿液应用于农作物仍然相当罕见。[22][32]大约从 2011 年开始，比尔和梅琳达盖兹基金会就开始为涉及回收尿液中营养物质的卫生系统的研究提供资金。[33]

粪便

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According to the 2004 "proposed Swedish default values", an average Swedish adult excretes 0.55 kg nitrogen, 0.18 kg phosphorus, and 0.36 kg potassium as feces per year. The yearly mass is 51 kg wet and 11 kg dried, so that wet feces would have a NPK% value of 1.1:0.8:0.9.[17]

干燥粪便

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尿液分流旱厕的干燥人类粪便经过后处理后的再利用，可透过氮、磷、钾的施肥作用提高作物产量，并透过有机碳提高土壤肥力。[34]

堆肥粪便

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在以排泄物为基底的堆肥（左）和不使用土壤改良剂（右）中种植的卷心菜，海地的土壤。

原则上，来自堆肥厕所的堆肥（有机厨房垃圾在某些情况下也被添加到堆肥厕所中）与来自其他有机废物产品（例如污水污泥或城市有机废物）的堆肥具有相同的用途。限制因素之一可能是法律限制，因为堆肥中可能存在病原体。无论如何，使用自家花园的堆肥厕所堆肥算是安全的，是堆肥厕所堆肥的主要使用方法。所有接触堆肥的人都必须采取处理堆肥的卫生措施，例如：戴著手套和雨鞋。

有些尿液将成为堆肥的一部分，尽管有些尿液会透过渗滤液和蒸发而流失。尿液中含有人类排泄物中高达 90% 的氮、高达 50% 的磷 和高达 70% 的钾。[35]

堆肥厕所的堆肥中的营养物质比典型的尿液分流干厕所的干粪便具有更高的植物利用率。然而，这两个过程并不互相排斥：有些堆肥厕所确实会转移尿液（以避免水和氮过度饱和），而干燥的粪便仍然可以堆肥。[36]

粪便污泥

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粪便污泥被定义为“来自现场卫生技术，并且未透过下水道运输”。现场技术的例子包括坑式厕所、无下水道的公共沐浴区、化粪池和旱厕。粪便污泥可以透过多种方法处理，使其适合农业再利用。[37]

市政污水

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更多信息：再生水

再生水可重新用于灌溉、工业用途、补充天然水道、水体、含水层以及其他饮用水和非饮用水用途。然而，这些应用通常集中在水方面，而不是养分和有机物再利用方面，而这才是“排泄物再利用”的重点。

当污水在农业中再利用时，其营养物（氮和磷）含量可用于额外施肥。[38] 国际水管理研究所和其他机构的工作制定了关于如何在低收入国家安全地实施农业城市污水再利用用于灌溉和施肥的指南。[39][3]

污泥

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使用处理后的污水污泥（处理后也称为“生物固体”）作为土壤改良剂或肥料是可能的，但在一些国家（例如美国、欧洲的一些国家）这是一个有争议的话题，因为它可能含有化学污染物，例如重金属和环境持久性药物污染物。

英国诺森伯兰水务公司使用两个沼气厂来生产该公司所谓的“粪便发电”——利用污水污泥生产能源来创造收入。 沼气生产使 1996 年之前的 2,000 万英镑电力支出减少了约 20%。 Severn Trent 和 Wessex Water 也有类似的项目。[40]

污泥处理液体

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污泥处理液（厌氧消化后）可用作以鸟粪石形式回收磷以用作肥料的过程的输入源。例如，加拿大公司 Ostara Nutrient Recovery Technologies 正在行销一种基于流化床反应器中磷的受控化学沉淀的工艺，该工艺从污泥脱水流中以结晶颗粒的形式回收鸟粪石。所得结晶产品作为肥料以注册商标名“Crystal Green”出售给农业、草坪和观赏植物部门。[41]

peak phosphorus

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特别是在磷的情况下，排泄物的再利用是一种已知的回收磷的方法，以缓解经济开采的磷的迫在眉睫的短缺（也称为“peak phosphorus”）。开采的磷是一种有限的资源，正以不断增加的速度用于化肥生产，威胁著全世界的粮食安全。因此，来自排泄物的肥料中的磷是含有开采的磷矿石的肥料的有趣替代品。[42]

农业用途的健康与环境问题

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病原体

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农业安全使用的多重屏障概念

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瑞典从1990 年代开始研究如何在农业中安全地再利用尿液和粪便。[3]

排泄物肥料在安全用于农业之前所需的处理程度取决于许多因素。这主要取决于根据多重障碍概念将设置哪些其他障碍。这些障碍可能是选择合适的作物、耕作方法、施肥方法、农民的教育等等。[43]

在尿液分流干厕所的情况下，干粪便的二级处理可以在社区层面而不是家庭层面进行，并且可以包括高温堆肥，其中粪便材料在超过 50°C 的温度下堆肥，延长储存时间1.5至两年，用尿液中的氨化学处理以灭活病原体，日光卫生进一步干燥或热处理以消除病原体。[44][34]

由于其病原体含量，农场工人接触未经处理的排泄物会构成重大健康风险。粪便中可含有大量肠细菌、病毒、原虫、寄生虫卵。[2]这种风险也延伸到使用未经处理的排泄物施肥的农作物的消费者。因此，排泄物在再利用之前需要适当的处理，并且需要对所有再利用应用进行健康方面的管理，因为排泄物即使在处理后也可能含有病原体。

处理排泄物以移除病原体

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温度是一个与所有病原体组的病原体灭活都有确定关系的处理参数：温度高于50 °C（122 °F）的温度有可能灭活大多数病原体。[4]因此，热消毒被应用于多种技术中，例如高温堆肥和高温厌氧消化，以及潜在的阳光干燥。pH值10以上的碱性条件也能灭活病原体。这可以透过氨消毒或石灰处理来实现。[4]

也可以透过在厕所本身（例如，从尿液分流旱厕收集的尿液通常在家庭层面进行简单储存处理）；或半集中（例如，透过堆肥）；或在污水处理厂完全集中化。以去除病原体。

药物残留

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人类的排泄物含有荷尔蒙和药物残留，理论上它们可以透过受精作物进入食物链，但目前无论如何都不能被传统污水处理厂完全去除，并且可以透过家庭污水进入饮用水源。[26]事实上，排泄物中的药物残留在陆地土壤中比在水生系统中降解得更好.[26]

硝酸盐污染

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只有一小部分氮基肥料转化为植物物质。其馀的积聚在土壤中或作为径流流失。[45]这也适用于基于排泄物的肥料，因为它也含有氮。未被植物吸收的过量氮转化为易于浸出的硝酸盐。[46]高施用率与硝酸盐的高水溶性相结合导致地表水径流增加以及地下水渗滤。[47][48][49]地下水中硝酸盐含量超过 10 mg/L (10 ppm) 会导致“蓝婴症候群”（后天性高铁血红蛋白血症）。[50]化学肥料中的营养物质，尤其是硝酸盐，如果被冲刷到地表水中或透过土壤浸入地下水，可能会对生态系统和人类健康带来问题。

其他用途

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除了用于农业之外，排泄物还有其他可能的用途。例如，就粪便污泥而言，可以对其进行处理，然后用作蛋白质、饲料、鱼食、建筑材料和生物燃料（厌氧消化产生的沼气、干燥污泥的焚烧或共燃、粪便污泥的热解、粪便污泥的生质柴油）。[37][6]

燃料

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固体燃料、热能、电力

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乌干达和塞内加尔的中试规模研究表明，使用干燥粪便作为工业燃烧是可行的，只要其干燥固体含量至少达到 28%。[51]干燥后的污水污泥可以在污泥焚化厂中燃烧并产生热能和电力（垃圾发电过程就是一个例子）。人们发现，粪便污泥资源化作为固体燃料在撒哈拉以南非洲地区具有很高的市场潜力。[11]

氢燃料

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更多信息：氢燃料

尿液也被研究作为氢燃料的潜在来源。[52][53]尿液被发现是适合在微生物电解池（MEC）中高速产氢的废水。[52]

沼气

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更多信息：生物燃气

许多国家都在使用小型沼气厂，包括加纳、越南，以及许多其他人。[54][55][56]更大的集中系统正在规划中，将动物和人类的粪便混合起来以生产沼气。[51]污水污泥处理过程中经由厌氧消化也会产生沼气。在这里，它可以用于加热硝化池和发电。[57]

沼气是一种重要的垃圾发电资源，在减少环境污染方面发挥巨大作用，最重要的是在减少垃圾造成的温室气体效应方面发挥巨大作用。利用人类排泄物等原料来产生沼气被认为是有益的，因为它不需要额外的发酵剂（例如用于生产甲烷的微生物种子），并且在原料的供应过程中连续发生微生物的供应。[58]

牲畜的食物来源

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参见：猪厕

自古以来，一些国家就使用外屋/饲槽组合。它们通常正在被逐步淘汰。

生产动物饲料蛋白质的食物来源

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正在开发用粪便喂养黑水虻幼虫的试点设施。成熟的苍蝇将成为南非鸡饲料生产的蛋白质来源。[51]

黑水虻（BSF）生物废弃物处理是一种相对较新的处理技术，在过去几十年中受到越来越多的关注。在生物废物上生长的幼虫可以成为动物饲料生产的必要原料，因此可以为经济上适用的废物管理系统提供收入。此外，当用生物废物生产时，昆虫饲料比传统饲料更具永续性。[59]

建筑材料

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众所周知，在黏土砖中添加高达干重 20% 的粪便物质不会对砖块产生显著的功能差异。[51]

贵金属回收

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日本污水处理设施从污水污泥中提取贵金属，“诹访设施中发现的高比例黄金可能是由于附近有大量使用黄金的精密设备制造商。该设施最近据记录，从焚烧污泥中每吨灰烬中发现了1,890 克黄金，这比世界顶级金矿之一日本菱徕矿的黄金含量要高得多，该金矿每吨灰烬中含有20-40 克贵金属。”[60]这个想法也经过了美国地质调查局（USGS）的测试，发现100万人每年产生的污水污泥中含有价值1,300万美元的贵金属。[60]

其他材料

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透过热解，尿液变成一种预先掺杂的、高度多孔的碳材料，称为“尿液碳”(URC)。 URC 比目前的燃料电池催化剂更便宜，同时性能更好。[61]

社会文化

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经济

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关于排泄物的再利用是否具有成本效益的争论仍在继续。[62]“卫生经济”和“厕所资源”等术语被引入来描述销售由人类粪便或尿液制成的产品的潜力。[62][63]

堆肥销售

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2006 年，海地的非政府组织 SOIL 开始建造尿液分流旱厕，并对产生的农业废物进行堆肥。[64]SOIL 的两个堆肥废弃物处理设施目前每月将超过 20,000 加仑（75,708 公升）的人类排泄物转化为有机农业级堆肥。[65] 这些设施产生的堆肥出售给全国各地的农民、组织、企业和机构，以帮助资助 SOIL 的废弃物处理业务。[66]使用这种土壤改良剂种植的作物包括菠菜、辣椒、高粱、玉米等。每批生产的堆肥均经过指示微生物“大肠杆菌”测试，以确保在高温堆肥过程中彻底杀死病原体。[67]

政策

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仍然缺乏将重用方面完全纳入政策和宣传的实施政策的例子。[68]在考虑这方面政策变化的驱动因素时，应考虑以下经验教训： 修订立法并不一定会导致再利用系统发挥作用；描述“制度环境”并让所有参与者参与非常重要；各级政府（即国家、区域和地方各级）应启动并行进程；需要针对具体国家的策略和方法；并需要制定支持新制定政策的策略）。[68]

法规考虑

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全球良好农业规范等法规可能会阻碍使用人类排泄物肥料种植的农产品的进出口。[69][70]

欧洲有机农业的尿液使用

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欧盟仅允许在欧盟境内的传统农业中使用源分离尿液，但尚未在有机农业中使用。许多农业专家，尤其是瑞典的农业专家希望看到这种情况改变。[25] 如果其他国家希望将产品出口到欧盟，这项禁令也可能减少其他国家使用尿液作为肥料的选择。[69]

美国尿液分流旱厕的干粪便

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在美国，美国环保署的法规管辖污水污泥的管理，但对尿液分流干式厕所的副产品没有管辖权。这些资料的监​​督权由各州负责。[71][72]

参见

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参考资料

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