เปลี่ยนฉี่ให้เป็นปุ๋ย ด้วย ‘โซลาร์เซลล์’ ลดต้นทุน แก้ปัญหาน้ำเสีย

ทุกวันนี้การทำเกษตรกรรมในหลายพื้นที่ของโลกกลายเป็นเรื่องที่ยากลำบากกว่าเดิม ไหนจะภัยแล้งที่ทำให้น้ำสะอาดหายากกว่าเดิม อากาศร้อนรุนแรงจนพืชแห้งตาย อีกทั้ง “ปุ๋ย” มีราคาแพง ระบบไฟฟ้าไม่เสถียร รวมไปถึงน้ำเสียส่วนใหญ่ไม่ได้รับการบำบัด ซึ่งนำไปสู่ปัญหาสุขภาพและสิ่งแวดล้อมที่ร้ายแรง

ในพื้นที่ที่ใช้ปุ๋ยมากเกินไป มีไนโตรเจน 50-70% ปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อม ทำให้เกิดมลพิษจากแอมโมเนียในน้ำและปล่อยไนตรัสออกไซด์ แต่ขณะเดียวกันในพื้นที่ที่ไม่ได้ใช้ปุ๋ย เช่น แอฟริกาใต้สะฮารา มีผลผลิตพืชผลต่ำ ทำให้เกิดความไม่มั่นคงทางอาหารในประชากรมากถึง 70%

เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยจึงหาวิธีเปลี่ยนของเสียอย่างเช่น “ปัสสาวะ” มาทำเป็นปุ๋ยควบคู่ไปกับการบำบัดน้ำเสียให้มีความปลอดภัยมากขึ้น ด้วยการใช้ “โซลาร์เซลล์”

จากปัสสาวะสู่ปุ๋ย

ทีมวิจัยที่นำโดยมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ได้พัฒนาระบบที่แปลงปัสสาวะของมนุษย์ให้เป็นปุ๋ย โดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ ต้นแบบนี้นำเสนอโซลูชันที่ยั่งยืนสำหรับสุขาภิบาล การเกษตร และการผลิตพลังงานในภูมิภาคที่มีทรัพยากรจำกัด

หัวใจสำคัญของระบบนี้ คือ การดึง “แอมโมเนีย” ออกจากปัสสาวะ และเปลี่ยนเป็นแอมโมเนียมซัลเฟต ซึ่งเป็นปุ๋ยชนิดหนึ่ง โดยอาศัยชุดห้องและเมมเบรนพิเศษ พลังงานแสงอาทิตย์จะขับไอออนผ่านระบบ แยกและดักจับแอมโมเนียในกระบวนการนี้

แผงโซลาร์เซลล์ไม่เพียงแต่ผลิตกระแสไฟฟ้าเท่านั้น ยังสร้างความร้อนได้อีก แต่กลับไม่ค่อยถูกนำไปใช้งาน โดยนักวิจัยนำระบบผลิตความร้อนมาใช้ในกระบวนการนี้ ด้วยการต่อท่อทองแดงเพื่อดึงความร้อนจากด้านหลังของแผงและนำไปใช้ในการอุ่นระบบ ความร้อนนี้จะช่วยเร่งกระบวนการแยกตัว ทำให้ก๊าซกลายเป็นปุ๋ยได้เร็วขึ้น ขณะเดียวกัน เมื่อแผงโซลาร์เซลล์เย็นลงระบบจะผลิตไฟฟ้าได้มากขึ้นอีกด้วย

“โครงการนี้มุ่งหวังที่จะเปลี่ยนปัญหาขยะให้กลายเป็นทรัพยากรที่มีคุณค่า ด้วยระบบนี้จะช่วยดักจับแร่ธาตุในปัสสาวะก่อนที่จะถูกชะล้างออกไปหรือก่อให้เกิดความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อม และทำให้กลายเป็นปุ๋ยสำหรับพืชผล” วิลเลียม ทาร์เพห์ ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีแห่งคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด กล่าว

ไนโตรเจนเป็นสารอาหารที่จำเป็นสำหรับการเพาะปลูกอาหาร เป็นส่วนประกอบหลักของปุ๋ยส่วนใหญ่ แต่การผลิตปุ๋ยไนโตรเจนจะใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลจำนวนมาก และมีความต้องการเพิ่มมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง ขณะเดียวกันปุ๋ยกลับมีราคาแพงทำให้ประชากรที่มีรายได้น้อยไม่สามารถซื้อหาได้

ในขณะเดียวกัน ปัสสาวะของมนุษย์มีไนโตรเจนเพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการปุ๋ยทั่วโลกประมาณ 14% แต่กลับไม่ได้ใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่

“อันที่จริงมนุษย์แต่ละคนผลิตไนโตรเจนในปัสสาวะได้มากพอที่จะใส่ปุ๋ยในสวน แต่คนส่วนใหญ่ในโลกกลับต้องพึ่งพาปุ๋ยนำเข้าราคาแพงแทน” โอริซา คูมส์ หัวหน้าทีมวิจัยและนักศึกษาปริญญาเอกสาขาวิศวกรรมเครื่องกล กล่าว

คูมส์ระบุว่าวิธีนี้สามารถทำได้ง่าย ๆ ไม่จำเป็นต้องมีโรงงานเคมีขนาดใหญ่ ขอแค่มีแสงแดดเพียงพอ เท่านี้ก็ผลิตปุ๋ยได้ในที่ที่ต้องการ และอาจเก็บหรือขายไฟฟ้าส่วนเกินที่ผลิตได้จากแผงโซลาร์เซลล์ได้อีกด้วย

ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นจากความร้อนจากแสงอาทิตย์

ในการทดสอบ ต้นแบบที่ปรับปรุงใหม่แสดงให้เห็นถึงการพัฒนาที่สำคัญเมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า การผสมผสานพลังงานแสงอาทิตย์และความร้อนทิ้งทำให้การผลิตพลังงานเพิ่มขึ้นเกือบ 60% การกู้คืนแอมโมเนียก็มีประสิทธิภาพมากขึ้นเช่นกัน เพิ่มขึ้นมากกว่า 20%

นั่นเป็นเพราะพลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบแผงโซลาร์เซลล์ประมาณ 80% มักจะถูกสูญเสียไปในรูปของความร้อน แต่ระบบนี้ใช้ประโยชน์จากความร้อน พร้อมป้องกันไม่ให้แผงโซลาร์เซลล์ร้อนเกินไป และเปลี่ยนสิ่งที่เคยเป็นข้อเสียเปรียบให้กลายเป็นส่วนหนึ่งของการแก้ปัญหา

นักวิทยาศาสตร์ยังได้สร้างแบบจำลอง เพื่อสังเกตการทำงานของระบบในสภาวะต่าง ๆ เช่น แสงแดด อุณหภูมิ และโครงสร้างไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไป ในขั้นตอนต่อไป นักวิจัยจะสร้างต้นแบบที่มีขนาดใหญ่ขึ้นที่มีกำลังการผลิตเพิ่มขึ้นสามเท่า ซึ่งจะประมวลผลปัสสาวะได้มากขึ้น ผลิตปุ๋ยได้เร็วขึ้น และทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นภายใต้แสงแดดจัด

เทคโนโลยีนี้อาจเป็นก้าวสำคัญด้านสุขอนามัย เพราะในปัจจุบันน้ำเสียมากกว่า 80% ของโลกยังไม่ได้รับการบำบัด ซึ่งหมายความว่าไนโตรเจนและของเสียอื่น ๆ จะถูกทิ้งในแม่น้ำ ทะเลสาบ และน้ำใต้ดิน ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของประชาชน

อุปกรณ์นี้กำจัดไนโตรเจนออกจากปัสสาวะก่อนที่จะเข้าสู่ระบบน้ำ ทำให้น้ำทิ้งปลอดภัยมากยิ่งขึ้น และสามารถนำกลับมาใช้ใหม่สำหรับการชลประทานได้ อีกทั้งยังใช้งานได้ง่าย ไม่ต้องใช้ไฟฟ้า เหมาะสำหรับชุมชนที่ไม่สามารถเข้าถึงระบบบำบัดน้ำเสียหรือไฟฟ้าที่เสถียร

“เรามักคิดว่าน้ำ อาหาร และพลังงานเป็นระบบที่แยกจากกันโดยสิ้นเชิง แต่นี่เป็นกรณีศึกษาที่หาได้ยากที่นวัตกรรมทางวิศวกรรมสามารถช่วยแก้ปัญหาหลายอย่างได้พร้อมกัน มันสะอาด ปรับขนาดได้ และใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์อย่างแท้จริง” คูมส์กล่าว

ขณะเดียวกัน ผลวิจัยนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับโรงงานอุตสาหกรรม เช่น โรงบำบัดน้ำเสีย ที่สามารถดักจับความร้อนเหลือทิ้งเพื่อนำไปใช้ประโยชน์อื่น ๆ ได้

ที่มา: Cosmos Magazine, Earth, Interesting Engineering