Pupuk nitrogen memainkan peran penting dalam produksi tanaman dunia. Sekitar setengah dari populasi manusia didukung oleh makanan yang ditanam dengan pupuk. Meskipun atmosfer planet terdiri dari kira-kira 78 persen nitrogen, ia tidak datang dalam bentuk reaktif yang dapat dimanfaatkan tanaman. Baru pada tahun 1908 ahli kimia mengembangkan teknik untuk mengubah nitrogen dari atmosfer menjadi nitrogen sintetis yang dapat digunakan tanaman.
Teknik ini, disebut proses Haber-Bosch, adalah bagaimana nitrogen ditangkap dari udara dan direaksikan dengan hidrogen untuk menghasilkan amonia, pupuk efektif yang dapat diserap tanaman dari tanah. Proses ini adalah prosedur industri standar untuk membuat amonia saat ini, tetapi menyumbang sekitar 1,4 persen emisi karbon dioksida global.
“Hidrogen dalam amonia bersumber dari bahan bakar fosil, seperti gas alam, dan nitrogen bersumber dari udara,” kata Saurajyoti Kar, peneliti postdoctoral di Argonne National Laboratory. “Menggunakan bahan bakar fosil sebagai bahan baku dan sumber energi untuk proses konversi meningkatkan kerugian energi dan lingkungan dalam memproduksi pupuk kaya nitrogen menggunakan [the] proses produksi konvensional.”
[Related: Pee makes for great fertilizer. But is it safe?]
Pasar amonia global diperkirakan akan mencapai $82,40 miliar pada tahun 2026. Mengingat betapa intensifnya proses Haber-Bosch, produsen harus mengambil pendekatan yang lebih ramah lingkungan untuk memenuhi permintaan pupuk yang terus meningkat. Baru-baru ini Ilmu Lingkungan Total belajar, para peneliti mengevaluasi proses menghilangkan amonia dari air limbah dan mengubahnya menjadi pupuk, yang bisa menjadi alternatif yang lebih berkelanjutan.
Air limbah kota umumnya mengandung konsentrasi nitrogen dan fosfor yang tinggi, kata Kar, yang terlibat dalam penelitian tersebut. Di fasilitas pengolahan, air limbah diolah untuk mengurangi konsentrasi ini dan menghindari masalah—seperti eutrofikasi, yang dapat menyebabkan pertumbuhan berlebih ganggang—ketika dibuang ke badan air permukaan, tambahnya.
Dengan menangkap nitrogen dari air limbah, produsen dapat menghindari produksi amonia yang intensif energi. Selain itu, ia menggunakan kembali nitrogen yang sudah terfiksasi di atmosfer. “Salah satu cara menangkap nitrogen di fasilitas pengolahan air limbah adalah dengan pengupasan udara,” kata Kar. “Pada suhu proses tertentu, kelebihan amonia dari aliran air limbah berpindah dari fase cair ke fase gas, yang selanjutnya dapat bereaksi dengan asam untuk membentuk pupuk kaya nitrogen yang stabil.”
Para penulis melakukan analisis siklus hidup dan menemukan bahwa amonia pengupasan udara dari pabrik pengolahan air limbah untuk membuat pupuk kaya nitrogen menghasilkan emisi GRK enam kali lebih sedikit daripada proses Haber-Bosch. Teknologi pengupasan udara menghasilkan antara 0,2 hingga 0,5 kilogram setara karbon dioksida per kilogram amonium sulfat, yang secara signifikan lebih rendah dari 2,5 kilogram setara karbon dioksida per kilogram amonium sulfat dari proses Haber-Bosch. Menggunakan sumber energi terbarukan untuk proses pengupasan udara dapat mengurangi emisi lebih jauh lagi.
[Related: Bees can sense a flower’s electric field—unless fertilizer messes with the buzz.]
“Menggunakan pupuk nitrogen berbasis pengupasan udara dapat mengurangi beban emisi gas rumah kaca dari pertanian dan berkontribusi terhadap tujuan dekarbonisasi untuk pertanian,” kata Kar. Sektor pertanian menyumbang 11 persen dari emisi GRK negara pada tahun 2020, termasuk penggunaan pupuk.
Selain manfaat lingkungan, fasilitas pengolahan air limbah juga memiliki keuntungan ekonomi. Jika mereka membangun infrastruktur untuk sistem pengupasan udara, biaya modal dan biaya operasi dapat dilampaui oleh pendapatan yang dihasilkan dari penjualan amonia yang diperoleh kembali, kata Kar.
Secara keseluruhan, penelitian ini menunjukkan bahwa ada alternatif yang lebih berkelanjutan untuk proses produksi nitrogen intensif energi. Meskipun pengupasan udara dapat menghasilkan pupuk dalam skala yang lebih kecil daripada proses standar Haber-Bosch, memulihkan dan menggunakan kembali nitrogen dalam jumlah berapa pun tetap membantu meminimalkan emisi GRK dan mencegah polutan mencapai sumber air.