Thí nghiệm ở Gotland đã so sánh lúa mạch được bón phân từ nước tiểu (phải) với cây không được bón phân (giữa) và cây được bón phân khoáng (trái).

Nước tiểu từng là một "nguyên liệu" có giá trị. Trong quá khứ, một số xã hội đã sử dụng nước tiểu để bón cây, thuộc da, giặt quần áo và sản xuất thuốc súng. Sau đó, vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, mô hình quản lý nước thải tập trung hiện đại ra đời ở Anh và lan rộng ra toàn thế giới, dẫn đến tình trạng mà các chuyên gia trong ngành gọi là "mù nước tiểu" - nguyên liệu giá trị này gần như biến mất vào hỗn hợp nhiều loại chất thải khác nhau. Trong mô hình hiện đại, nhà vệ sinh xả nước để nhanh chóng đưa nước tiểu, phân và giấy vệ sinh vào hệ thống cống rãnh. Trong cống, những chất thải này lẫn với các chất lỏng khác từ các hộ gia đình và các nguồn công nghiệp. Cuối cùng, nước thải hỗn hợp đổ về các nhà máy xử lý tập trung, đi qua một quy trình sử dụng nhiều năng lượng và sử dụng vi sinh để làm sạch.

Ở Gotland, hòn đảo lớn nhất ở Thụy Điển, nước ngọt rất khan hiếm. Đồng thời, lượng ô nhiễm lớn đến mức nguy hiểm từ nông nghiệp và hệ thống cống rãnh ở Gotland gây ra hiện tượng tảo nở hoa ở vùng biển Baltic xung quanh, có thể giết chết cá và gây bệnh cho con người. Để giải quyết những thách thức về môi trường, hòn đảo này đang đặt hy vọng vào công nghệ xử lý nước tiểu.

Bắt đầu từ năm 2021, nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học Nông nghiệp Thụy Điển (SLU) ở Uppsala đã thực hiện kế hoạch thu thập hơn 70.000 lít nước tiểu ở Gotland trong vòng 3 năm bằng cách đặt các nhà vệ sinh lưu động không dùng nước tại các địa điểm du lịch. Lượng nước tiểu này được đưa vào quy trình làm khô do nhóm SLU phát triển, trở thành những khối lớn giống như bê tông. Sau đó họ nghiền nát khối "bê tông" thành bột và ép thành các viên phân bón kích cỡ tiêu chuẩn dùng trong nông nghiệp. Nông dân địa phương sử dụng phân bón để trồng lúa mạch, nguyên liệu cho một nhà máy bia. Bia sau khi được tiêu thụ có thể lại trở thành "nguyên liệu đầu vào" cho quy trình tái chế nước tiểu.

Dự án Gotland chỉ là một trong nhiều dự án trên thế giới đang tìm cách tách nước tiểu khỏi phần còn lại của nước thải nói chung và tái chế thành các sản phẩm hữu dụng như phân bón. Quy trình này, hay còn gọi là "chuyển hướng nước tiểu", đang được nghiên cứu bởi các nhóm ở Mỹ, Úc, Thụy Sĩ, Ethiopia và Nam Phi. Nhiều dự án đến nay đã vượt ra khỏi các phòng thí nghiệm và đi vào thực tế. Bồn tiểu không nước kết nối với hệ thống xử lý dưới tầng hầm được đặt trong các văn phòng ở Oregon và Hà Lan. Paris có kế hoạch lắp đặt các nhà vệ sinh chuyển hướng nước tiểu trong một khu sinh thái có 1.000 cư dân đang được xây dựng ở quận 14 của thành phố. Cơ quan Vũ trụ Châu Âu sẽ đưa 80 nhà vệ sinh chuyển hướng nước tiểu vào trụ sở chính ở Paris, bắt đầu hoạt động vào cuối năm nay. Các nhà phát triển quy trình chuyển hướng nước tiểu cho biết có thể sử dụng quy trình này ở mọi loại địa điểm, từ tiền đồn quân sự tạm thời hay trại tị nạn, các trung tâm đô thị giàu có hay các khu ổ chuột rộng lớn.

Theo giới khoa học, việc chuyển hướng nước tiểu sẽ mang lại nhiều lợi ích về môi trường và sức khỏe cộng đồng nếu được triển khai trên quy mô lớn. Nước tiểu giàu chất dinh dưỡng, và thay vì để nước tiểu làm ô nhiễm các nguồn nước ngọt, có thể dùng các chất dinh dưỡng này làm phân bón hoặc nguyên liệu công nghiệp. Prithvi Simha, kỹ sư quy trình hóa học tại SLU và giám đốc công nghệ của Sanitation360 - doanh nghiệp spin-off từ nhóm nghiên cứu, ước tính, con người sản xuất đủ nước tiểu để thay thế khoảng 1/4 lượng phân bón nitơ và phốt pho trên toàn thế giới; nước tiểu cũng chứa kali và nhiều vi chất dinh dưỡng khác. Bản thân việc không xả nước tiểu xuống cống có thể tiết kiệm được rất nhiều nước sạch dùng để xả, và giảm bớt áp lực cho các hệ thống cống vốn đã lão hóa và quá tải.

Một nghiên cứu ước tính lượng kali (màu cam), phốt pho (xanh) và ni tơ (xám) trong nước tiểu có thể đáp ứng lần lượt 18,6%, 6,8%, 14,4% nhu cầu cho phân bón; tái sử dụng các chất này trong nước tiểu tạo ra tổng giá trị hơn 13 tỉ USD mỗi năm.

Các cộng đồng thực hiện được quy trình chuyển hướng nước tiểu có thể giảm 47% lượng phát thải khí nhà kính tổng thể, giảm 41% tiêu thụ năng lượng, và giảm sử dụng nước ngọt khoảng một nửa, theo ước tính của nhóm Nancy Love, kỹ sư môi trường tại Đại học Michigan ở Ann Arbor, khi so sánh các hệ thống nước thải thông thường với các hệ thống giả định chuyển hướng nước tiểu và sử dụng các chất dinh dưỡng thu được để thay thế phân bón tổng hợp.

Những công nghệ "chuyển hướng" mới

Nhờ những tiến bộ về nhà vệ sinh và chiến lược xử lý nước tiểu, nhiều cấu phần trong quá trình chuyển hướng nước tiểu có thể sớm triển khai trên diện rộng. Nhưng cũng có những trở ngại cần giải quyết.

Trên thực tế quy trình này chỉ mới triển khai được ở một ít cộng đồng, chẳng hạn như làng sinh thái Bắc Âu, nhà ở nông thôn và các dự án nhà ở thu nhập thấp. Nguyên nhân khó triển khai, theo Tove Larsen, kỹ sư hóa học tại Viện Khoa học và Công nghệ Thủy sản Liên bang Thụy Sĩ (Eawag), là do hầu hết các nhà vệ sinh chuyển hướng nước tiểu hiện có, do cơ chế phân tách nước tiểu và phân, thường đòi hỏi người dùng phải chú ý hơn để “nhắm” đúng vị trí khi sử dụng và để lại mùi khó chịu do hệ thống bể chứa.

Tuy nhiên, một thiết kế mới có thể tạo ra bước đột phá. Năm 2017, nhà thiết kế Harald Gründl tại công ty thiết kế EOOS của Áo, cộng tác với Larsen và những người khác, đã cho ra mắt bồn cầu Bẫy nước tiểu, cho phép người dùng không cần phải "nhắm vào" khi đi vệ sinh, cũng như có sự tiện lợi và sạch sẽ của các hệ thống thiết bị hiện đại thông thường.

Bồn cầu này tận dụng tính chất vật lý của nước, có xu hướng bám vào các bề mặt, để dẫn nước tiểu xuống một lỗ thoát riêng. Mọi mẫu bồn cầu hiện nay đều có thể được thiết kế lại để tích hợp thêm cơ chế của Bẫy nước tiểu. LAUFEN, một nhà sản xuất có trụ sở tại Thụy Sĩ, đã sản xuất một phiên bản cho thị trường châu Âu, có tên là save!, tuy nhiên phiên bản này có giá khá cao đối với hầu hết người tiêu dùng.

Cơ chế hoạt động của Bẫy nước tiểu (màu xanh: nước; màu vàng: nước tiểu)

Tách nước tiểu chỉ là bước đầu tiên trong quá trình chuyển đổi hệ thống vệ sinh. Tiếp theo là tìm ra cách xử lý. Ở các vùng nông thôn, nước tiểu có thể được cất vào thùng để diệt mầm bệnh rồi đem bón ruộng. Tổ chức Y tế Thế giới đã cung cấp các hướng dẫn cho quy trình này.

Nhưng môi trường đô thị phức tạp hơn - và đây mới là nơi sản xuất hầu hết nước tiểu. Không thể lắp đặt thêm một bộ ống cống riêng biệt chạy khắp thành phố để chuyển nước tiểu đến một vị trí tập trung. Và vì nước tiểu có khoảng 95% là nước, nên bảo quản và vận chuyển sẽ rất tốn kém và lãng phí. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc làm khô, cô đặc hoặc chiết xuất chất dinh dưỡng từ nước tiểu ở ngay tại nhà vệ sinh hoặc tòa nhà.

Điều này không hề dễ dàng, Larsen nói, "từ góc độ kỹ thuật, nước tiểu là một chất lỏng khó xử lý". Ngoài nước, phần lớn nhất là urê, một hợp chất giàu nitơ mà cơ thể tạo ra trong quá trình chuyển hóa protein. Bản thân urê rất hữu ích: urê tổng hợp là một loại phân bón nitơ phổ biến. Nhưng chất này rất phức tạp, khi kết hợp với nước - hay thủy phân, urê chuyển hóa thành khí amoniac, tạo ra mùi đặc trưng của nước tiểu. Nếu không được lưu trữ kín, amoniac sẽ bốc mùi, làm ô nhiễm không khí và giải phóng hết nitơ.

Một nhóm nghiên cứu tại Eawag đã phát triển một quy trình tiên tiến để biến nước tiểu thành dung dịch dinh dưỡng đậm đặc. Đầu tiên, trong bể chứa, vi sinh vật biến đổi amoniac dễ bay hơi thành amoni nitrat không bay hơi - một loại phân bón phổ biến. Sau đó, một máy chưng cất sẽ cô đặc chất lỏng. Vuna, công ty spin-off của nhóm, đang tìm cách thương mại hóa cả hệ thống này để sử dụng trong các tòa nhà. Sản phẩm cuối của quy trình tái chế, phân bón, có tên Aurin, đã được Thụy Sĩ chấp thuận sử dụng trên các cây lương thực.

Nhóm SLU thực hiện dự án trên đảo Gotland, do kỹ sư môi trường Björn Vinnerås đứng đầu, đã tìm ra cách làm khô nước tiểu thành hỗn hợp urê đặc trộn với các chất dinh dưỡng khác. Nhóm đang thử nghiệm nguyên mẫu mới, một nhà vệ sinh khép kín bao gồm máy sấy khô tích hợp, tại trụ sở chính của cơ quan cấp nước và xử lý nước thải công cộng Thụy Điển.

Một nhà vệ sinh nguyên mẫu tách nước tiểu và làm khô thành bột đang được thử nghiệm tại cơ quan cấp nước và xử lý nước thải công cộng Thụy Điển, ở Malmö.

Tại Cape Town, Nam Phi, một nhóm nghiên cứu khác đã phát triển một phương pháp sản xuất gạch xây dựng độc đáo bằng cách kết hợp nước tiểu, cát và vi khuẩn sản sinh ure trong khuôn; những chất này vôi hóa thành bất kỳ hình dạng nào mà không cần nung. Và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đang xem xét sử dụng nước tiểu của phi hành gia như một nguồn tài nguyên để xây dựng môi trường sống trên Mặt trăng.

"Chuyển hướng nước tiểu là công nghệ đúng đắn để phát triển," theo Larsen, đây là công nghệ sẵn có để giải quyết nhiều vấn đề ô nhiễm và tài nguyên, "nhưng mọi người phải dám làm".

Hoàng Nam tổng hợp