0
Methane là một khí nhà kính có tác động mạnh, và trong chuỗi sản xuất thịt heo, methane chiếm khoảng 25% tổng lượng phát thải khí nhà kính. Thời gian tồn tại của methane trong khí quyển ngắn hơn so với CO₂, do đó việc giảm phát thải methane tại trang trại có thể đóng góp đáng kể vào việc hạn chế biến đổi khí hậu trong ngắn hạn.
Tại các trang trại chăn nuôi heo, hoạt động lưu trữ phân chiếm đến 85% lượng phát thải methane, vì vậy quản lý phân chính là mục tiêu trọng tâm của các biện pháp giảm nhẹ. Trong số các chiến lược xử lý đang được nghiên cứu hiện nay, phương pháp axit hóa phân lỏng liều thấp là một hướng tiếp cận mới, hứa hẹn là một công nghệ linh hoạt và tiết kiệm chi phí cho các hoạt động ứng phó biến đổi khí hậu.
Cơ chế hình thành và ức chế khí methane
Khí methane được tạo ra bởi một nhóm vi sinh vật chuyên biệt gọi là vi khuẩn sinh methane (methanogens). Nhóm này phối hợp với nhiều vi sinh vật khác để phân hủy các chất hữu cơ có trong phân. Các vi khuẩn sinh methane hoạt động trong chất thải lỏng khác với nhóm tồn tại trong hệ tiêu hóa của vật nuôi. Phương pháp axit hóa phân lỏng giúp làm chậm quá trình thích nghi và tăng triển của các vi khuẩn sinh methane "mới” có khả năng hoạt động trong môi trường bất lợi này.
Khi bổ sung axit sulfuric vào chất thải, các cân bằng hóa học sẽ thay đổi theo hướng ức chế hoạt động của vi khuẩn sinh methane. Đồng thời, một nhóm vi khuẩn khác có thể sử dụng sulfate từ axit này, cạnh tranh trực tiếp với vi khuẩn sinh methane và tạo ra khí hydrogen sulfide, giúp tăng cường hiệu quả ức chế. Nhờ vậy, tác động giảm sinh methane có thể được duy trì trong thời gian dài.
Axit hóa phân lỏng là gì?
Phương pháp axit hóa phân lỏng bằng axit sulfuric đậm đặc (96%) được phát triển khoảng 25 năm trước tại Đan Mạch, ban đầu nhằm mục đích ngăn chặn sự thất thoát amoniac từ phân lỏng. Sau đó, các nhà khoa học phát hiện ra rằng quá trình xử lý này cũng giúp giảm thiểu hiệu quả phát thải methane; thực tế, nhiều hợp chất chứa lưu huỳnh khác cũng cho thấy khả năng ức chế nhất định (Petersen và cs., 2012).
Các nghiên cứu tại nhiều quốc gia sau đó đã xác nhận những quan sát này và khẳng định axit sulfuric là tác nhân mạnh mẽ nhất trong việc ức chế phát thải methane. Điều này dẫn đến một hướng nghiên cứu mới: liệu việc giảm liều lượng axit sulfuric sẽ tác động thế nào đến lượng phát thải methane và amoniac? Lợi ích khí hậu khi dùng liều axit thấp hơn là gì, và sự đánh đổi giữa thất thoát nitơ và tiết kiệm chi phí sẽ ra sao?
Một nghiên cứu quy mô thí điểm được thực hiện vào năm 2021 cho thấy: phương pháp axit hóa liều thấp với 2 kg axit sulfuric trên mỗi tấn phân lỏng heo (tương đương 1/3 liều lượng quy định để giảm amoniac) mang lại hiệu quả kinh tế rất cao trong việc giảm thiểu methane, mặc dù khả năng tiết chế phát thải amoniac có phần hạn chế hơn (Ma, C. và cs., 2022).
Áp dụng axit hóa phân lỏng tại các trang trại thực tế
Axit sulfuric đậm đặc là chất nguy hiểm, do đó cần có các giải pháp kỹ thuật cụ thể để đảm bảo an toàn sức khỏe cho cả nhân viên và vật nuôi. Hiện nay, công nghệ thương mại tự động hóa hoàn toàn để axit hóa phân lỏng ngay trong chuồng heo đã có sẵn, nhưng chi phí đầu tư rất cao. Một giải pháp khác là axit hóa phân lỏng tại các bể lưu trữ ngoài trời bằng cách thêm axit trong quá trình phối trộn mạnh. Công việc này phải được thực hiện bởi nhân viên đã qua đào tạo, sử dụng các thiết bị và quy trình an toàn bắt buộc, và thường do các nhà thầu chuyên nghiệp đảm nhiệm.
Tại Đan Mạch, việc axit hóa trong các bể lưu trữ ngoài trời đang được áp dụng tại nhiều trang trại, nhưng thường chỉ được thực hiện ngay trước khi bón phân ra đồng ruộng nhằm mục đích giảm thất thoát amoniac trong quá trình tưới. Tuy nhiên, để giảm phát thải methane trong suốt quá trình lưu trữ, cần phải tiến hành axit hóa phân lỏng ngay tại bể trong thời gian lưu kho.
Phát thải methane đặc biệt cao vào mùa hè và đầu mùa thu; vì vậy, việc axit hóa nên được thực hiện vào tháng 6 và lặp lại vào khoảng ngày 1 tháng 9. Do phân tươi từ chuồng sẽ được bơm vào bể lưu trữ định kỳ, cần tính toán lượng axit thêm vào trong tháng 6 và tháng 9 sao cho sau khi bị pha loãng, nồng độ cuối cùng vẫn đạt mức 2 kg axit sulfuric trên mỗi m3 phân lỏng vào cuối giai đoạn lưu trữ.
Việc chuyển phân thường xuyên từ chuồng sang bể lưu trữ có thể tăng cường hiệu quả giảm phát thải methane tổng thể bằng cách tạo điều kiện cho việc axit hóa hoặc áp dụng các công nghệ xử lý khác bên ngoài chuồng nuôi. Tuy nhiên, nhiều chuồng heo hiện nay vẫn sử dụng hệ thống hố phân sâu hoặc hố nông có nắp xả, vốn không thể làm sạch thường xuyên. Do đó, cần phát triển và áp dụng các thiết kế nhà chuồng mới để cải thiện công tác quản lý phân.
Kiểm chứng hiệu quả của phương pháp axit hóa liều thấp
Dựa trên những kết quả triển vọng ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô thí điểm, công nghệ axit hóa liều thấp hiện đang được đánh giá ở quy mô thực tế. Nghiên cứu này được thực hiện trên 16 bể chứa phân lỏng, trong đó có 8 bể tại các trang trại heo và 8 bể tại các trang trại bò. Trong số đó, có 6 bể tại mỗi loại trang trại được tiến hành axit hóa. Các mẫu phân lỏng đã được thu thập nhiều lần trong quá trình lưu trữ tại các vị trí và độ sâu khác nhau để phân tích thành phần cũng như tốc độ sản sinh methane.
Để thực hiện, cần có sẵn một lượng phân lỏng nhất định trong bể khi thêm axit sulfuric; do đó, phân lỏng heo được axit hóa vào khoảng ngày 1 tháng 7 và lặp lại vào tháng 9. Hầu hết các bể đều tiếp nhận phân tươi từ chuồng bơm vào định kỳ.
Kết quả từ năm đầu tiên của nghiên cứu đã xác nhận rằng quá trình sản sinh methane có thể bị ức chế một cách hiệu quả. Tuy nhiên, tại các bể chứa phân heo (vốn đều sử dụng cơ chế nạp liệu từ đáy), chúng tôi thường quan sát thấy các "túi" phân gần đầu vào có tốc độ sản sinh methane cao, ngay cả khi phân lỏng ban đầu đã được acid hóa. Do đó, cần có thêm các nghiên cứu để tối ưu hóa công nghệ xử lý và chứng minh hiệu quả giảm thiểu methane tổng thể. Các đợt đo lường trực tiếp tại trang trại sẽ được triển khai trong giai đoạn tiếp theo của dự án.
Trong một diễn biến mới, một công ty Đan Mạch đã phát triển hệ thống châm axit ngay trong quá trình bơm phân từ chuồng ra bể chứa ngoài trời. Hệ thống này sẽ được đánh giá vào năm 2025 tại một trang trại heo và một trang trại bò. Giải pháp này giúp giảm thiểu việc phải xử lý axit trực tiếp tại trại, đồng thời đảm bảo ức chế vi khuẩn sinh methane ngay lập tức.
Hiệu quả kinh tế của các chiến lược axit hóa liều thấp sẽ được xác định vào mùa xuân năm 2026. Một đánh giá sơ bộ về tính hiệu quả đã được thực hiện dựa trên kết quả từ nghiên cứu thí điểm. Chi phí giảm thiểu khí nhà kính (tính theo Euro trên mỗi tấn CO2 tương đương) được tính toán dựa trên liều lượng axit và chiến lược áp dụng (xử lý axit 1, 3 hoặc 10 lần) (Hình 2). Các chi phí được xem xét bao gồm: chi phí thuê nhà thầu, giá trị lượng Nitơ tiết kiệm được nhờ tránh thất thoát amoniac, hiệu quả giảm thiểu methane và việc ngăn chặn phát thải nitrous oxide (N2O) có nguồn gốc từ amoniac.
Giá tín chỉ các-bon của Liên minh Châu Âu (EU Carbon Permits) hiện đang ở mức 75€ trên mỗi tấn CO2 tương đương. Tùy thuộc vào nhu cầu phối trộn trong quá trình lưu trữ, phương pháp axit hóa liều thấp có thể là một giải pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Việc axit hóa phân lỏng heo trong các bể lưu trữ từ một đến ba lần mỗi năm có thể là một chiến lược tiết kiệm chi phí để giảm thiểu phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp. Hiệu quả kinh tế có thể được nâng cao hơn nữa bằng cách thường xuyên chuyển phân lỏng từ chuồng nuôi sang các bể lưu trữ ngoài trời, cho phép quá trình axit hóa tác động đến phần lớn tổng lượng phát thải methane từ công tác quản lý phân.
Ngoài ra, vì phần lớn lượng phát thải CH4 xảy ra trong mùa hè và đầu mùa thu, việc áp dụng toàn bộ liều lượng axit — ví dụ: 2,1 kg axit sulfuric/m3 phân lỏng heo tính trên thể tích cuối cùng — trước khi mùa hè bắt đầu có thể tối đa hóa khả năng giảm thiểu trong giai đoạn phát thải cao điểm. Đồng thời, cách làm này cũng giúp ngăn ngừa việc đưa quá nhiều lưu huỳnh vào đất khi phân lỏng được bón ra đồng ruộng.
