บทความ: ไม้กระถินเหลือใช้.....มวลชีวภาพสำหรับการฟื้นฟูดินปนเปื้อน
ประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรมที่ส่วนใหญ่มีการประกอบอาชีพเชิงเดี่ยวเพื่อผลิตเป็นการค้า เช่น การปลูกข้าว อ้อย มันสำปะหลัง ยางพารา ปาล์มน้ำมัน และสวนผลไม้ เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีเกษตรกรที่ดำเนินชีวิตตามหลักปรัชญาเศรษฐกิจพอเพียง ด้วยการปลูกพืชผัก ไม้ผล พืชไร่ และไม้ยืนต้นชนิดต่าง ๆ แบบผสมผสานไว้ใช้ประโยชน์ ซึ่งในแต่ละปีจะมีวัสดุเหลือทิ้งที่เป็นมวลชีวภาพจำนวนมากและถูกกำจัดทิ้งโดยเปล่าประโยชน์ ดังนั้น แนวทางการนำมวลชีวภาพมาเปลี่ยนสภาพและใส่กลับลงดินจึงเป็นการเพิ่มความอุดมสมบูรณ์ของดิน ซึ่งมวลชีวภาพหล่านี้สามารถนำมาปรับปรุงดินได้ เช่น การนำมวลชีวภาพมาผ่านกระบวนการแยกสลายด้วยความร้อนแบบช้าและแบบเร็วที่มีการจำกัดออกซิเจน จะได้ผลผลิตที่เป็นของแข็งสีดำเรียกว่า “ถ่านชีวภาพหรือ Biochar” ใช้เป็นวัสดุปรับปรุงดิน ทำหน้าที่กักเก็บน้ำ เป็นแหล่งสำรองธาตุอาหาร ใช้เป็นแหล่งอาศัยของจุลินทรีย์ ปรับสภาพดินและช่วยเพิ่มการแลกเปลี่ยนไอออนบวก ทำให้พืชมีการเจริญเติบโตดีและให้ผลผลิตสูงขึ้น ตลอดจนยังช่วยกักเก็บคาร์บอนในดิน (พินิจภณ ปิตุยะ และอนัญญา โพธิ์ประดิษฐ์, 2560) นอกจากนี้ ถ่านชีวภาพยังสามารถนำมาใช้ประโยชน์ในด้านการบำบัดและฟื้นฟูพื้นที่ปนเปื้อนโลหะหนักได้ โดยการใช้ถ่านชีวภาพร่วมกับดินที่ปนเปื้อนโลหะหนัก ซึ่งอาจเป็นวิธีที่สามารถช่วยลดความเสี่ยงของการกระจายตัวของโลหะหนักสู่สิ่งแวดล้อมได้
เนื่องจากกระถินเป็นพืชที่มีการเจริญเติบโตรวดเร็วและเติบโตได้ดีในทุกสภาพพื้นที่ แม้ในพื้นที่ที่มีความอุดมสมบูรณ์ต่ำ เช่น ในพื้นที่ที่มีความแห้งแล้งหรือพื้นที่ที่มีน้ำท่วมเป็นระยะ และเป็นวัตถุดิบที่สามารถหาได้ในแต่ละท้องถิ่น ประชาชนนิยมปลูกตามหัวไร่ปลายนา เพื่อไว้ใช้ประโยชน์ เช่น การนำส่วนของใบไปเป็นอาหารเลี้ยงสัตว์ หรือนำส่วนของเนื้อไม้ไปใช้แปรรูปเป็นเครื่องมือเครื่องใช้ในครัวเรือน หรือในทางอุตสาหกรรมนิยมนำไปเผาเพื่อให้พลังงาน ซึ่งภายหลังจากการนำไปใช้ประโยชน์แล้วนั้นทำให้มีเศษไม้กระถินเหลือทิ้งเป็นจำนวนมาก รวมทั้งเมื่อถึงระยะเวลาหนึ่งเมื่อต้นไม้มีการเจริญเติบโตเต็มที่ ต้องมีการตัดแต่งกิ่งไม้เพื่อให้เกิดความสวยงามของพื้นที่ หรือรูปทรงของต้นไม้เหล่านั้น โดยประชาชนส่วนใหญ่จะนำไปทิ้งหรือไม่ก็เผาไฟทิ้ง ซึ่งไม่ก่อให้เกิดประโยชน์กับพื้นที่และยังทำให้เกิดมลพิษทางอากาศ ดังนั้น จึงได้เกิดแนวคิดในการนำมวลชีวภาพจากไม้กระถินเหลือทิ้งมาใช้ให้เกิดประโยชน์มากที่สุด
กระถินยักษ์ มีชื่อวิทยาศาสตร์ว่า Leucaena leucocephala อยู่ในวงศ์ LEGUMINOSAE เป็นพืชตระกูลถั่ว มีถิ่นกำเนิดในอเมริกากลางทางตอนใต้ของประเทศเม็กซิโก และเริ่มแพร่เข้ามาในประเทศแถบเอเชียครั้งแรกเมื่อสมัยที่สเปนปกครองฟิลิปปินส์ (ค.ศ. 1565-1825) และถูกนำเข้ามาปลูกในประเทศไทยในช่วงสมัยอยุธยา (กรมป่าไม้, 2556) ปัจจุบันมีการปลูกอย่างกว้างขวางในประเทศไทย มีมากกว่า 100 สายพันธุ์ บางสายพันธุ์เป็นไม้ยืนต้น บางสายพันธุ์เป็นไม้พุ่ม เนื่องจากกระถินยักษ์สามารถกระจายพันธุ์ได้กว้างขวาง จึงมีความแตกต่างกันอย่างมากในเรื่องขนาดและรูปร่าง ทั้งนี้สามารถจำแนกพันธุ์กระถินยักษ์ได้ 3 กลุ่ม (ดังรูปที่ 1) คือ 1) พันธุ์ฮาวาย (Hawaiian type) จัดเป็นพันธุ์ไม้พุ่มเตี้ย สูงประมาณ 5 เมตร ออกดอกขณะที่ต้นยังอ่อนและออกดอกตลอดปี 2) พันธุ์ซัลวาเดอร์ (Salvador type หรือ Giant type) อาจเรียกว่า พันธุ์กัวเตมาลาหรือกระถินยักษ์ฮาวาย จัดเป็นไม้ยืนต้น สูงประมาณ 20 เมตร มีใบ ฝักและเมล็ดใหญ่ ไม่มีกิ่งก้าน ออกดอกไม่สม่ำเสมอและไม่มีฤดูที่แน่นอน โดยจะให้ดอกนาน ๆ ครั้ง และ 3) พันธุ์เปรู (Peruvian type หรือ Peru type) จัดเป็นไม้ยืนต้นสูง 15 เมตร คล้ายพันธุ์ซัลวาเดอร์ แต่มีกิ่งก้านใหญ่ และแตกกิ่งก้านมากบริเวณโคนลําต้น ปริมาณใบต่อต้นมาก สามารถนํามาใช้เป็นพืชอาหารสัตว์ได้ดี และจะให้ดอกนาน ๆ ครั้ง
ที่มา: https://agroforestry.org/free-publications/traditional-tree-profiles
กระถินยักษ์สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ในรูปแบบที่แตกต่างกัน เช่น สามารถใช้เป็นอาหารสัตว์และนิยมใช้ยอดอ่อนและฝักอ่อนมารับประทาน เมล็ดใช้ปรุงอาหาร ลำต้นใช้ทำไม้แปรรูปและเยื่อกระดาษ เนื่องจากมีลิกนินต่ำ แต่มีไฟเบอร์สั้นกว่าไม้สน กระดาษที่ทำจากกระถินยักษ์จึงมีความแข็งแรงต่อการฉีดขาด หรือนำไปทำไม้เพื่อพลังงาน เนื่องจากมีการเจริญเติบโตเร็ว ให้ผลผลิตสูง และสามารถตัดแตกหน่อได้ง่าย โดยสามารถตัดเพื่อนำไปใช้เป็นพลังงานชีวมวลเมื่ออายุ 1-2 ปี นอกจากนี้ ยังช่วยปรับปรุงดิน เนื่องจากเป็นพืชตระกูลถั่ว และมีแบคทีเรียจำพวกไรโซเบียมอาศัยอยู่ที่บริเวณรากจึงสามารถช่วยเพิ่มไนโตรเจนในดิน
2.2 การแปรรูปเป็นถ่านชีวภาพจากไม้กระถิน
ประเทศไทยมีวิถีชีวิตผูกพันกับการใช้ถ่านเพื่อการหุงต้มมาตั้งแต่สมัยอดีต แต่ถูกนำมาใช้เป็นสารปรับปรุงดินน้อยมาก ยกเว้นการใช้ขี้เถ้าถ่านนำไปใช้ใส่ดินเพื่อเพิ่มความอุดมสมบูรณ์ของดินเท่านั้น ดังนั้น แนวคิดการผลิตถ่านชีวภาพที่มีคุณสมบัติช่วยปรับปรุงบำรุงดินและฟื้นฟูพื้นที่ปนเปื้อนโลหะหนัก จึงคาดว่าจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของการใช้ประโยชน์จากถ่านชีวภาพได้มากขึ้น ซึ่งกระบวนการผลิตถ่านชีวภาพนั้น ใช้อุปกรณ์ (รูปที่ 2) และมีแผนผังขั้นตอนการเผาที่ไม่ยุ่งยาก (รูปที่ 3) ดังนี้
ภาพโดย: อโณทัย โกวิทย์วิวัฒน์
ถ่านชีวภาพ (Biochar) คือ ถ่านที่ผลิตจากมวลชีวภาพหรือสารอินทรีย์ที่ย่อยสลายได้จากธรรมชาติเช่น เศษไม้ใบไม้ หรือเศษวัสดุทางการเกษตร ไม่ว่าจะเป็นตอซัง ซังข้าวโพด เปลือกถั่ว เปลือกผลไม้ ชานอ้อย หญ้าเนเปียร์ ไม้กระถิน แม้กระทั่งมูลสัตว์นำมาผ่านกระบวนการเผาไหม้ที่มีการควบคุมอุณหภูมิและอากาศหรือจำกัดอากาศให้เข้าไปเผาไหม้น้อยที่สุด (ดังรูปที่ 4) ซึ่งกระบวนการเผาไหม้นี้ เรียกว่า “การแยกสลายด้วยความร้อน (Pyrolysis)” มีการดำเนินการอยู่ 2 วิธี คือ 1) การแยกสลายด้วยความร้อนแบบช้า (Slow Pyrolysis) และ 2) การแยกสลายด้วยความร้อนแบบเร็ว (Fast Pyrolysis) โดยการผลิตถ่านชีวภาพด้วยวิธีการแยกสลายแบบช้าที่อุณหภูมิเฉลี่ย 500 องศาเซลเซียส จะได้ผลผลิตของถ่านชีวภาพมากกว่า 50% แต่จะใช้เวลาเป็นชั่วโมง ซึ่งต่างจากวิธีการแยกสลายอย่างเร็วที่อุณหภูมิเฉลี่ย 700 องศาเซลเซียส ซึ่งใช้เวลาเป็นวินาที ผลผลิตที่ได้จะเป็นน้ำมันชีวภาพ (Bio-Oil) 60% แก๊สสังเคราะห์ (Syngas) ได้แก่ H2, CO และ CH4 รวมกัน 20% และถ่านชีวภาพ 20% (Fischer และคณะ, 2005)
ภาพโดย: อโณทัย โกวิทย์วิวัฒน์
วัสดุที่เป็นสารอินทรีย์เมื่อนำมาผ่านกระบวนการแยกสลายด้วยความร้อน หรือผ่านกระบวนการเผาไหม้แล้ว จะได้ถ่านชีวภาพที่มีองค์ประกอบของคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน ซัลเฟอร์ และขี้เถ้า แต่จะเปลี่ยนแปลงได้ตามชนิดของวัตถุดิบที่นำมาทำถ่านชีวภาพ เมื่อนำมาใช้ในพื้นที่เกษตรกรรม ถ่านชีวภาพจะช่วยปรับสภาพดิน มีสถานะเป็นประจุลบสามารถดูดซับหรือจับธาตุอาหารที่เป็นประจุบวกได้ดี ช่วยทำให้ดินมีธาตุอาหารที่อุดมสมบูรณ์ เมื่อทำการเพาะปลูกพืชจะช่วยให้พืชเจริญเติบโตได้ดี
ถ่านชีวภาพมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบโดยน้ำหนักสูงกว่าธาตุชนิดอื่น ๆ และไม่เกิดการแปรสภาพเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ เนื่องจากไม่ได้ผ่านการสัมผัสกับออกซิเจนขณะให้ความร้อน อีกทั้งคาร์บอนเป็นสารอะโรมาติกที่มีลักษณะเป็นวงแหวนคาร์บอน 6 อะตอม ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนส์ โดยไม่มีออกซิเจนและไฮโดรเจนที่ส่งผลต่อการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและทำให้เกิดหมู่ฟังชันต่าง ๆ ด้วยลักษณะดังกล่าว ทำให้คาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบในถ่านชีวภาพมีความเสถียรสูง จึงสามารถเก็บกักไว้ในดินได้เป็นระยะเวลายาวนาน มีโครงสร้างที่เหมาะสมต่อการนำมาใช้ในการปรับปรุงคุณภาพของดิน เป็นที่อยู่อาศัยของจุลินทรีย์ และเป็นแหล่งกักเก็บอาหารและความชื้น อีกทั้งลักษณะโครงสร้างที่มีผิวสัมผัสมาก มีลักษณะเป็นประจุลบบริเวณผิวสัมผัส ส่งผลให้ช่วยเพิ่มค่าการแลกเปลี่ยนประจุบวกภายในดิน (Cation Exchange Capacity; CEC) กับธาตุอาหารที่มีลักษณะเป็นประจุบวก จึงเป็นอีกหนึ่งช่องทางของการสะสมธาตุอาหารให้กับพืช ด้วยสมบัติของถ่านชีวภาพที่มีค่าความเป็นกรด-ด่างสูง จึงช่วยลดค่าความเป็นกรดของดินได้ โดยเฉพาะดินที่เสื่อมสภาพ และมีการสะสมของสารเคมีเป็นระยะเวลานาน (กันยาพร ไชยวงศ์ และสิทธิบูรณ์ ศิริพรอัครชัย, 2016)
การพัฒนาทางด้านเศรษฐกิจและอุตสาหกรรม รวมถึงกิจกรรมต่างๆ ของมนุษย์ในปัจจุบันมักก่อให้เกิดปัญหาการปนเปื้อนสารโลหะหนักในตัวกลางทางสิ่งแวดล้อม อาทิ ดิน ตะกอนท้องน้ำ น้ำผิวดิน และน้ำใต้ดิน อันส่งผลกระทบทั้งทางตรง และทางอ้อมต่อมนุษย์ พืช และสัตว์ โดยเฉพาะกิจกรรมการทำเหมืองแร่ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญของการปนเปื้อนสารมลพิษสู่สิ่งแวดล้อม (พันธวัศ สัมพันธ์พานิช, 2558) และเมื่อมีการขุดสินแร่ออกมาใช้ประโยชน์ จึงเป็นสาเหตุหนึ่งในการกระตุ้นให้สารโลหะหนักดังกล่าวออกสู่สิ่งแวดล้อม ประกอบกับเกิดการชะล้างจากน้ำฝนและ/หรือการรั่วซึมจากบ่อกักเก็บกากโลหกรรม ส่งผลให้มีการปนเปื้อนโลหะหนักในพื้นที่เหมืองแร่และบริเวณโดยรอบ ก่อให้เกิดปัญหาดินและบ่อกักเก็บกากโลหกรรมมีการปนเปื้อนโลหะหนักหลายชนิด อาทิ สารหนู แมงกานีส ตะกั่ว และแคดเมียม เป็นต้น หากโลหะหนักดังกล่าวเกิดการปนเปื้อนและเข้าสู่ร่างกายอาจทำให้เกิดอันตรายต่อมนุษย์ได้ (ธัญญาภรณ์ สุรภักดี, 2553; สิตาวีร์ ธีรวิรุฬห์, 2560)
ปี 2016 Brendova และคณะ ได้ทำการศึกษาผลของถ่านชีวภาพในการช่วยลดการเคลื่อนที่ดินที่ปนเปื้อนแคดเมียม 43 มิลลิกรัมต่อกิโลกรัม และสังกะสี 4,340 มิลลิกรัมต่อกิโลกรัมโดยปลูกต้นหลิว (Salix babylonica L.) และเติมถ่านชีวภาพที่ทำจากกะลามะพร้าวในอัตราที่ต่างกัน คือ 0, 5, 10 และ 15 เปอร์เซ็นต์ต่อน้ำหนักของดิน พบว่า ถ่านชีวภาพสามารถตรึงแคดเมียมและสังกะสีได้สูงและพืชมีการดูดดึงลดลง จึงสามารถสรุปได้ว่า ถ่านชีวภาพสามารถช่วยปรับปรุงผลผลิตพืช และเพิ่มประสิทธิภาพในการฟื้นฟูดินปนเปื้อนได้
แนวคิดของการประยุกต์ใช้ถ่านชีวภาพจากไม้กระถินยักษ์ที่เหลือใช้เป็นจำนวนมาก สามารถนำมาสร้างเป็นมูลค่าและประโยชน์ในด้านการบำบัดและฟื้นฟูพื้นที่ปนเปื้อนโลหะหนักได้ อีกทั้งยังเป็นวิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม สามารถช่วยปรับปรุงคุณสมบัติและโครงสร้างของดิน ช่วยให้ดินมีรูพรุน และเพิ่มอากาศในดินให้มากขึ้น โดยถ่านชีวภาพจะทำหน้าที่ในการกักเก็บธาตุอาหารและความชื้นของดินได้นานขึ้น ทำให้ดินมีความอุดมสมบูรณ์ ช่วยเพิ่มผลผลิต และลดการปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจกสู่บรรยากาศ อีกทั้งช่วยลดการใช้สารเคมีทางการเกษตร ทำให้เกษตรกรและผู้บริโภคมีอาหารที่ปลอดภัยต่อสุขภาพ และเป็นวิธีการที่สามารถใช้แก้ปัญหาพื้นที่ปนเปื้อนโลหะหนักได้อย่างเป็นรูปธรรม มีประสิทธิภาพและยั่งยืน
