Khoáng chất thiết yếu trôi đi sau mỗi lần giật nước

TTCT - Con người đã và đang “giật nước” cho trôi mất phôtpho - một trong những nguyên tố thiết yếu của sự sống và chiếm giữ vị trí không gì có thể thay thế được trong nông nghiệp như thế nào?

Khán giả xem bóng đá tranh thủ thời gian nghỉ giữa hai hiệp đấu để “quyên góp” nước tiểu của mình cho công tác chăm sóc cỏ tại sân vận động quốc gia Mỹ Đình, hay Giải Wimbledon đón nhận tình cảm của các cổ động viên bằng việc “tích trữ” nước tiểu với mục đích duy trì những sân cỏ xanh um...

Những viễn cảnh kỳ dị như trên có thể sẽ trở thành chuyện thường tình trong một vài năm nữa, góp phần giải quyết tình trạng trữ lượng phôtpho toàn cầu đang suy giảm nhanh chóng, nhờ thu lại khoáng sản này từ nước thải của chính chúng ta.

Khủng hoảng phân lân

Nhiều thế kỷ trước, khi chưa có hiểu biết về hóa học, con người lấy chất thải của mình để giúp cây trồng phát triển mạnh mẽ. Đến những năm 1800, nông dân ở nước Anh đã nhận thấy rằng xương xẩu cũng mang đến tác dụng tương tự. Điểm chung giữa chất thải của con người và xương chính là sự có mặt của phôtpho, và nhà hóa học người Đức Justus von Liebig là nhà khoa học đầu tiên trên thế giới khám phá ra vai trò của loại khoáng chất này trong trồng trọt.

Năm 1842, John Bennet Lawes - một sinh viên từ bỏ ĐH Oxford danh giá của Anh - đã nhận bằng sáng chế cho quy trình xử lý xương bằng axit, làm cho chất dinh dưỡng dễ hấp thụ hơn trong đất. Ông nhanh chóng cho bán loại phân bón nhân tạo đầu tiên trên thế giới mà người đời sau gọi là “superphosphate”; tên gọi quen thuộc ở Việt Nam là “supe phôtphat” hay “supe lân”.

Phôtpho chủ yếu hình thành từ vỏ Trái đất (lớp rắn ngoài cùng tạo nên bề mặt hành tinh) và tất cả sinh vật sống đều cần đến nó. Nó là “xương sống” của ADN, thành tế bào, protein và enzym. Nó là chữ P trong ATP - phân tử cung cấp năng lượng trong cơ thể chúng ta và mọi sinh vật sống. Cùng với canxi, nó giúp giữ cho xương và răng chắc khỏe. Thế nên, cây trồng cần phôtpho để phát triển, nuôi sống gia súc và con người. Đây là lý do nông dân từ bao đời nay, bằng cách này hay cách khác, đã không ngừng bổ sung phân lân vào ruộng đất để tăng năng suất.

Có điều con người không có dư phôtpho để lãng phí. Phần lớn phôtpho mà nông dân sử dụng ngày nay được khai thác từ một vài mỏ đá phôtphat ít ỏi tại Hoa Kỳ, Trung Quốc và Morocco. Đây là nguồn tài nguyên không thể tái tạo.

Theo tạp chí The Atlantic, Mỹ từng là quốc gia xuất khẩu phôtpho lớn nhất thế giới - nay trở thành nhà nhập khẩu ròng. Trung Quốc, hiện là nhà xuất khẩu hàng đầu, có thể sẽ cạn kiệt nguồn khoáng sản này trong vài thập niên nữa. Các dự báo hiện tại cho rằng sản lượng khai thác đá phôtphat toàn cầu có thể bắt đầu giảm mạnh trước khi thế kỷ này khép lại.

Hẳn phải còn mỏ đá nào ngoài kia chứ? Các nhà địa chất nói có, nhưng bình luận thêm rằng chúng khó tiếp cận hơn và chứa ít phôtpho hơn. Do đó, giá cả sẽ leo thang khiến nhà nông khó mua nổi phân bón và người dân khó chi trả cho thực phẩm. Điều này thôi thúc các nhà nghiên cứu tìm cách tái chế phôtpho trong nước tiểu của con người.

Kho báu bị lãng quên

Phôtpho chiếm khoảng 1% khối lượng cơ thể chúng ta, nhưng hầu hết lượng phôtpho trong thức ăn “đi vào” rồi cứ thế... “đi ra”. Tùy thuộc vào chế độ ăn uống, khoảng hai phần ba lượng chất này được đào thải theo nước tiểu và phần còn lại theo phân.

Người xưa có nghề thu gom những vật chất quý giá này - thường bắt đầu từ giữa đêm, nên cái tên “đất đêm” ra đời - và sử dụng chúng để làm giàu vụ mùa. Thời nay, nền công nghiệp hiện đại cũng bắt đầu nhập cuộc.

Ostara, một công ty Canada, đã lắp đặt hệ thống thu hồi phôtpho tại các nhà máy xử lý nước thải ở hơn 20 thành phố trên thế giới. Chất kết tủa thu được có tên là struvite (với công thức NH₄MgPO₄ • 6H₂O), hứa hẹn trở thành nguồn thay thế hiệu quả cho phân lân. Ostara đã thử nghiệm chất struvite này trong 15 năm, quảng cáo bằng tên gọi Crystal Green (xanh pha lê) và thu được nhiều kết quả tích cực. Ahren Britton, giám đốc kỹ thuật, nói với The Atlantic: “Thành thật mà nói nhu cầu dành cho sản phẩm này đã vượt xa lượng phôtpho mà chúng tôi có thể thu hồi”.

Duyên số bán phân lân của Berliner Wasserbetriebe (BWB), công ty cấp thoát nước cho thủ đô Berlin của Đức, lại bắt đầu theo kiểu khác. Đau đầu bởi cặn bám cứng bên trong các ống nước thải, họ mất gần 5 năm nghiên cứu quy trình sử dụng vi sinh vật để tách các tinh thể phôtpho liên kết khỏi chu trình xử lý nước, bất ngờ thu được struvite. Theo Đài DW (Đức), BWB hiện bán ra 400 tấn phôtpho mỗi năm, dù kỹ thuật của họ chỉ mới thu được 10% lượng phôtpho trong nước thải và rõ là vẫn còn nhiều việc phải làm.

“Kiếm tiền từ nước tiểu” cũng là một kết quả bất ngờ của dự án xây nhà vệ sinh nhằm cải thiện chất lượng giáo dục ở thành phố Thiên Thủy, tỉnh Cam Túc, Trung Quốc từ năm 2008-2012. Thiết kế nhà vệ sinh khô (không cần xả nước, tách riêng nước tiểu) đã được chọn đơn giản vì địa phương này... thiếu nước. Từ dự án, Công ty “Những quả táo ngọt nhất Thiên Thủy” được thành lập, sử dụng nước tiểu qua xử lý từ 31 trường học để bón cho các cây táo. Doanh thu vào năm 2013 là 1,3 triệu nhân dân tệ, theo trang blog của dự án.

Trên khắp thế giới, các nhà khoa học đang nỗ lực tìm kiếm các giải pháp quản lý phôtpho bền vững. Từ đầu năm 2016, Thụy Sĩ đã bắt buộc việc thu hồi và tái chế phôtpho từ bùn thải sinh hoạt và chất thải của lò mổ. Năm 2017, Chính phủ Đức cũng nối gót, quy định tất cả thành phố có 100.000 dân trở lên phải thu hồi phôtpho từ nước thải vào năm 2029 và các thành phố có 50.000 dân trở lên có thêm ba năm nữa để tuân thủ.

Phong trào “không giật nước”

Daren Howarth, người điều hành Groundhouse - công ty hỗ trợ việc xây dựng nhà cửa theo lối bền vững, cũng lựa chọn kiểu toilet khô cho nhà ở của mình. Nói đúng hơn, đó là kiểu nhà vệ sinh cho phép ủ phân. Chất thải lỏng sẽ tự chảy ra khỏi nhà, đi qua luống cỏ lau (như một màng lọc) trước khi vào một cái ao - và sau đó được dùng để tưới tắm cho vườn rau của gia đình. Chất thải rắn thì được ủ. Nhà Howarth có 4 người, anh ta chỉ cần đi đổ phân ủ vài tuần một lần.

“Nếu bạn có một khu vườn, không có lý do gì mà bạn không thể sử dụng hệ thống nhà vệ sinh khô. Bạn sẽ tiết kiệm hóa đơn tiền nước và đến cuối cùng có tất cả các lợi ích - bạn sẽ không tạo ra nguồn nước ô nhiễm để phải xử lý nước” - Howarth chia sẻ với The Guardian.

The Guardian dẫn lời Abraham Noe-Hays, giám đốc nghiên cứu tại Viện Rich Earth (Mỹ): “Hiện tại, chúng ta giật nước cho trôi chất thải của mình đến những trạm xử lý bằng nước, và rất khó để thu hồi hết dưỡng chất một khi chúng ta đã trộn nó với lượng nước thải khổng lồ này”. Nếu chúng ta có thể phân loại chất thải của con người tại nguồn, chúng ta có thể lấy lại các khoáng chất có giá trị như một nguồn tài nguyên.

Quay lại những viễn cảnh ở đầu bài viết này, tương lai chẳng ở đâu xa. Gần đây, một phát minh của Thụy Sĩ mang cái tên khá ngầu là “Urine Express” (Tàu tốc hành nước giải) - một nhà máy di động có thể tái chế nước tiểu, thu hồi phôtpho và các khoáng chất giá trị khác. Với kích cỡ một chiếc xe tải, Urine Express có thể lăn bánh đến phục vụ các lễ hội hay sân thể thao, hoặc nói chung là bất kỳ cá nhân, tổ chức nào có một lượng lớn nước tiểu cần xử lý.

“Chúng ta thường sử dụng 100 lít nước chỉ để xả trôi một lít nước tiểu và chúng tôi muốn sử dụng [Urine Express] để góp phần vào việc tiết kiệm tài nguyên” - Bastian Etter, một trong những người sáng lập dự án, nói với DW.

Trong vòng hai đến ba ngày, hệ thống này có thể chiết xuất 70 lít phân bón và 930 lít nước từ 1.000 lít nước tiểu. Như vậy là đủ để tưới và bón cho 2.000m2 đất. Các bước thanh lọc tiếp theo thậm chí có thể tạo ra nước uống.■

Bồi bổ cho đất nhiệt tình bằng phân lân lại dẫn đến tình trạng ô nhiễm chất dinh dưỡng. Chỉ cần một lượng nhỏ phôtpho từ các nông trại chảy vào nguồn nước cũng đủ gây ra hiện tượng tảo nở hoa, chiếm hữu các dòng nước bằng những váng xanh nhầy nhụa và bốc mùi. Đôi khi, chúng sản sinh độc tố làm ô nhiễm nguồn nước uống và sử dụng hết oxy hòa tan trong nước, làm chết cá và các loài thủy sinh khác. Theo một nghiên cứu trên tạp chí Water Resources Research của Hội Địa - vật lý Hoa Kỳ vào năm 2017, ô nhiễm phôtpho trong các vùng nước ngọt đã xảy ra khắp năm châu từ 10 năm trước, ảnh hưởng gần 40% diện tích bề mặt Trái đất.