Som legenden säger, när franska arbetare kände att deras försörjning hotades av automatisering i början av 1900-talet, de kastade in sina träskor som kallas sabotar i maskinerna för att stoppa dem. Därav ordet sabotage.

Istället för att slösa bort bra skor, kanske borde de ha provat blött toalettpapper.

I två nya artiklar publicerade i tidskriften Vetenskap om den totala miljön , ingenjörer från Duke University rapporterar om resultat från den första storskaliga, verkliga fältförsök av kritiska komponenter i deras off-grid sanitetssystem. Sedan 2011, Bill &Melinda Gates Foundations initiativ "Reinvent the Toilet" har investerat mer än 200 miljoner dollar för att finansiera dessa och andra ansträngningar för att skapa småskaliga sanitetssystem för att tillgodose behoven hos de 4,2 miljarder människor som saknar säkert skött sanitet världen över.

Även om deras processer för borttagning av näringsämnen behöver förbättras, forskarna säger att de blev positivt överraskade över hur länge systemets komponenter höll. De påmindes också om hur viktiga kulturella metoder kan vara för framgången för en global ingenjörsutmaning.

"Det första steget i vårt återuppfunna toalettsystem separerade det fasta och flytande avfallet genom ett transportband gjord av gummiband, sa Brian Hawkins, forskare vid Duke Center for Water, Sanering, Hygien och infektionssjukdomar (WaSH-AID). "Det fungerar utmärkt i Indien där de har en tvättkultur, men i Sydafrika, där de har en avtorkningskultur, toalettpappret kom in i blandningen och gummade upp alla kugghjulen. Det resulterade i att systemet behövde rengöras varannan dag, vilket inte är hållbart."

För att de Gates-finansierade sanitära systemen ska anses vara framgångsrika, de får inte bara ta bort patogener från mänskligt avfall och återvinna resurser som energi, rent vatten och näringsämnen, de måste göra detta "utanför nätet, " utan tillgång till externa el- eller vattenkällor. Till råga på allt, systemen måste kosta mindre än fem cent per användare, per dag – det är 200 användare för 10 USD.

Tillsammans med Jeffrey Glass och Brian Stoner, båda fakultetsmedlemmar vid Dukes Department of Electrical &Computer Engineering, Hawkins har arbetat med sitt system på RTI International och Duke Engineering i nästan ett decennium. Efter att ha testat vätskebehandlingssystemet i stor skala i verkliga miljöer, det verkar som att lagets engagemang börjar ge resultat.

"Det stora vi försökte ta reda på är hur länge vi kan köra det här systemet innan det behöver kritiskt underhåll, " sa Hawkins. "Och du vill göra det i så nära verkliga situationer som möjligt."

Under stora delar av 2018, Duke-forskarna installerade en prototyp av avfallsbehandlingssystem på två platser - en sovsal för kvinnor vid en textilfabrik i Coimbatore, Indien och en gemensam tvättstuga i utkanten av Durban, Sydafrika. Under loppet av åtta månader, båda systemen betjänade upp till 50 potentiella användare vid varje given tidpunkt, bearbetar mer än 11, 000 liter avfall under hela fältförsöken.

Även om problemet med toalettpapper var en viktig upptäckt, det primära syftet med försöken var att testa livslängden hos de kritiska komponenterna i vätskebehandlingsprocessen. Efter att fasta ämnen separerats från vätskorna, de trycks genom ett stort aktivt kolfilter.

Även om detta tar bort nästan alla biosolider, det desinficerar inte vattnet eller tar bort eventuella lösta salter. Men det är okej, eftersom forskarna kan använda sig av det ena problemet för att lösa det andra. Elektricitet går genom vattnet för att bryta ner molekylbindningarna i de återstående salterna för att producera klorhaltiga oxidanter, ett kraftfullt desinfektionsmedel.

"Elektrokemisk behandling av farligt avfall har många fördelar, " sa Glass. "Du behöver inte skicka eller hantera några kemikalier för desinfektionen, och processen kan vara mycket effektiv."

Beroende på vattnets specifika kemi, dock, de elektriska ledningarna som behövs för denna process kan snabbt korrodera. Forskarna var inte heller säkra på hur mycket användning filtren med aktivt kol kunde klara av innan de behövde bytas ut. Men fältförsöken hjälpte till att lindra dessa farhågor.

"Båda försöken pågick i åtta månader och filtren misslyckades aldrig. Jag hade det i huvudet att det skulle vara fantastiskt om de kunde hålla ett år, och än så länge ser det ut som att de kanske kan, " sa Hawkins. "Så länge vi rengör det elektriska systemet med jämna mellanrum, det varade i hundratals timmars tjänst. Det är en komponent som, om du var tvungen att byta ut den var sjätte månad, det kommer inte att gå. Men om du kan få det att hålla i tre eller fyra år, det är okej."

I allmänhet, fältförsöksresultaten var lovande med hänsyn till systemets potentiella underhållsbehov och prestanda. Dukes prototypsystem uppfyllde alla biologiska parametrar och tre av de fem kemiska standarderna för flytande avloppsvatten enligt nyligen släppta krav på fristående avloppsrening från International Organization for Standardization (ISO). Men de bröt mot normerna för återstående mängder fosfor och kväve.

"Dessa två kemikalier är särskilt oroande när du släpper ut vatten i sjöar och vattendrag eftersom för mycket av båda kan orsaka algblomning, ", sa Hawkins. "Det finns effektiva sätt att ta bort fosfor och kväve till låga kostnader för stora volymer, eller för små volymer till höga kostnader, men inte för låga volymer till låg kostnad. Det är ett pågående ämne för FoU för oss."

Dukes ingenjörer testar nu lösningar på sådana problem i deras nästa iteration av system i Indien. De nya systemen är mer kompakta och effektiva – och bara lite närmare att användas som fullskaliga arbetslösningar.

"Om du tittar på flödesdiagrammet för vårt ursprungliga system och vad vi testar nu, komponenterna är alla lika, men de nyaste prototyperna är mycket mer magra och elaka, ", sa Hawkins. "Vid denna tidpunkt itererar vi mest på samma teknik, men inte riktigt göra stora förändringar."