Thiết kế chuồng nuôi heo. Điểm chiến lược cho tương lai (3/3): Biến đổi khí hậu

Gần đây, biến đổi khí hậu đã buộc các chính phủ trên thế giới phải thực thi luật pháp nhằm giảm lượng khí thải carbon từ mọi lĩnh vực trong xã hội, bao gồm cả ngành chăn nuôi heo. Nhiều công nghệ mới hỗ trợ những nhu cầu này đã phát triển.

Khí nhà kính

Phát thải khí nhà kính (GHG) ngày càng trở thành mối quan tâm trong những thập kỷ qua vì những tác động có hại tiềm ẩn của chúng đối với khí hậu toàn cầu. Phát thải khí từ hoạt động chăn nuôi, bao gồm carbon dioxide (CO₂), metan (CH₄) và oxit nitơ (N₂O hoặc N₂X), là một trong những nguyên nhân chính tạo ra GHG. Ngoài ra, phát thải amoniac (NH₃) cũng là vấn đề đáng lo ngại.

Trong chăn nuôi heo, quản lý phân là nguồn phát thải cả hai loại khí CH₄ và N₂O. Hệ thống phân lỏng chiếm đa số trong khi hệ thống phân khô và rơm lót chuồng hiện diện nhiều hơn trong chăn nuôi heo hữu cơ và thả vườn. Hầu hết phát thải khí nhà kính từ việc quản lý phân lỏng đều ở dạng CH₄ trong khi N₂O ít hiện diện hơn ở hệ thống phân lỏng nhưng phát thải nhiều hơn trong các hệ thống phân khô. Ở đây, chúng ta tập trung vào chăn nuôi heo quy mô lớn và do đó hệ thống phân lỏng là chủ yếu.

Bảng 1. Phân bổ lượng phát thải quy đổi CO₂ (CO2-e) trên mỗi con heo từ khi sinh ra đến khi xuất chuồng ở trọng lượng 115 kg (SEGES, 2021).

	Kg CO2-e				Phân bổ %
	Heo con*	Heo cai sữa-30 kg	30-115 kg	Tổng
Thức ăn ăn vào	26	40	119	185	67
Khí metan, phân	6	6	35	47	17
Khí metan, khí đường ruột	2	2	11	15	6
N2O, phân	3	2	12	17	6
Sử dụng năng lượng	3	4	5	12	5
Tổng cộng	40	54	182	276	100

*Bao gồm cả sự đóng góp của heo nái.

Trong nỗ lực giảm phát thải khí nhà kính, điều quan trọng là phải biết làm thế nào để có thể đạt được mức giảm thiểu cao nhất với chi phí thấp nhất. Từ bảng trên, rõ ràng thức ăn là yếu tố đóng góp lớn nhất vào lượng phát thải khí nhà kính và khí metan từ phân là nguyên nhân lớn thứ hai. Rõ ràng, việc giảm lượng khí nhà kính từ thức ăn chỉ có thể chỉ đạt được bằng cách nâng cao hiệu quả sử dụng thức ăn, chủ yếu là nhờ di truyền tốt hơn. Vì vậy, trọng tâm của việc giảm phát thải chủ yếu tập trung vào việc giảm lượng khí metan, N₂O và sử dụng nhiều công nghệ tiết kiệm năng lượng hơn. Các công nghệ quan trọng nhất được trình bày dưới đây.

Làm mát nước phân

Nhiệt độ của nước phân thường ở khoảng 20-24 ^oC, tương tự như nhiệt độ trong chuồng heo. Khi nhiệt độ giảm, sự phát triển của vi sinh vật sẽ thấp hơn và lượng CH₄, CO₂, NH₃ sinh ra sẽ giảm theo cấp số nhân khi nhiệt độ giảm.

Bảng 2. Ưu điểm và nhược điểm của việc làm mát nước phân.

Ưu điểm
Giảm phát thải khí nhà kính.
Có thể thu hồi năng lượng dùng để sưởi ấm khu đẻ và cai sữa cũng như khu vực dành cho nhân viên bằng hệ thống sưởi ấm sàn và phòng.
Lượng nitơ (N) được giữ lại từ việc giảm phát thải amoniac có thể làm tăng giá trị của nước phân khi dùng làm phân bón.
Nhược điểm
Nếu lượng nhiệt dư thừa tạo ra từ quá trình làm mát nước phân không được tận dụng hết thì trong hầu hết mọi trường hợp, chi phí sẽ quá cao.

Hệ thống làm mát nước phân được lắp đặt bằng cách lắp các ống PEL 25-30 mm vào nền bê tông của hố nước phân. Các ống được đặt cách nhau 30-40 cm và được gắn vào tấm thép để giữ cố định. Hệ thống các ống khép kín này được kết nối với một hoặc nhiều máy bơm nhiệt sẽ đưa nước lạnh qua đáy hố nước phân, làm giảm nhiệt độ nước phân trong khi làm nóng nước bên trong ống. Máy bơm nhiệt hoạt động giống như một tủ lạnh và làm mát nước trong khi truyền nhiệt thu hồi được đến hệ thống ống dẫn nước nóng được sử dụng để sưởi ấm các khu vực cần nhiệt, thường là các khu chuồng đẻ và cai sữa. Máy bơm nhiệt được vận hành bằng điện và nhiệt lượng đầu ra thường cao hơn gấp 4 lần so với năng lượng đầu vào tính bằng kW. Nếu nhiệt lượng thu hồi được tận dụng hết thì hiệu ứng GHG là 1, 0,8 và 3,4 kg CO₂-e trên mỗi heo con đã bao gồm cả đóng góp từ heo nái mẹ, heo có trọng lượng 7-30 kg và heo có trọng lượng 30-115 kg, tương ứng với hiệu ứng làm mát là 10 W/m².

Bảng 3. Làm mát nước phân – tác động và chi phí đầu tư.

Làm mát nước phân – làm mát và phát thải
Làm mát, W/m2	Giảm phát thải, %			Đầu tư, EUR/không gian cho mỗi heo
	NH3	CH4	Mùi hôi
10	8-14	10-15	8	7-10
20	15-25	20-25	15	10-13
30	22-32	30-35	20	11-14

Thường xuyên loại bỏ nước phân

Nước phân là hỗn hợp của nước tiểu, phân và nước, và khi không được xử lý, nó có thể phân hủy và tạo ra CH₄. Bằng cách loại bỏ nước phân thường xuyên và bón cho cây trồng như một loại phân bón sẽ giúp quá trình phân hủy có thể được kiểm soát. Tần suất loại bỏ nước phân thường là 7 ngày một lần.

Bảng 4. Ưu điểm và nhược điểm của việc loại bỏ nước phân thường xuyên.

Ưu điểm
Giảm phát thải CH4 và NH3.
Duy trì hàm lượng N trong phân lỏng trước khi nó bốc hơi vì ước tính việc loại bỏ nước phân thường xuyên sẽ giúp giảm 6-12 kg CO2-e cho mỗi heo xuất chuồng (SEGES, 2021).
Không đòi hỏi chi phí đầu tư thêm cho mô hình trang trại đã có hệ thống này.
Nước phân tươi có tiềm năng tạo biogas tốt hơn so với phân cũ. Do đó, tác động lên GHG thậm chí còn cao hơn nếu nước phân được sử dụng để sản xuất biogas. Hệ thống này chủ yếu áp dụng trong chuồng nuôi vỗ béo và chuồng nái trong khi không thể sử dụng trong chuồng cai sữa do lượng nước phân quá ít.
Nhược điểm
Chi phí nhân công tăng nhẹ do phải thường xuyên làm sạch hố nước phân hơn. Ở Đan Mạch, chi phí bổ sung là 0,4 EUR/heo thịt để loại bỏ nước phân hàng tuần. Ở các chuồng trại mới có hệ thống loại bỏ nước phân tự động, chi phí là 0,3 EUR/heo thịt đã bao gồm chi phí đầu tư. Ở Đan Mạch, chi phí bổ sung 1,1 EUR/heo thịt được coi là mức tối đa để sử dụng các công nghệ môi trường.

Trong các hệ thống nước phân thông thường, các nút bịt được kéo bằng một cần kéo, để phân xả qua lỗ thoát. Điều quan trọng là phải bắt đầu với nút bịt nước phân ở phần xa nhất so với bể tiếp nhận để loại bỏ tất cả chất thải. Nước phân được chuyển trong một đường ống từ khu vực nuôi heo đến đường ống chính dẫn nước phân vào bể tiếp nhận. Hệ thống có thể được tự động hóa bao gồm các van được đặt một cách có chiến lược trong đường ống vận hành thông qua một công tắc điện.

Bảng 5. Việc loại bỏ nước phân thường xuyên – ảnh hưởng đến phát thải.

Loại bỏ nước phân hàng tuần, giảm phát thải, %
NH3	CH4	Mùi hôi
0	90	20

Axit hóa

Axit được thêm vào và trộn với nước phân để giảm độ pH.

Ưu điểm
Axit hóa giúp kiểm soát việc giải phóng NH3. Việc bổ sung axit, chẳng hạn như axit sunfuric hoặc axit clohydric giúp thúc đẩy quá trình chuyển đổi amoni thành amoni-sunfat hoặc amoni-clorua, làm giảm độ bay hơi của NH3.
Tác động đến khí hậu được ước tính là 39 kg CO2-e trên một tấn nước phân.
Axit hóa ức chế sự phát triển của vi sinh vật gây bệnh, cải thiện vệ sinh tổng thể.
Giá trị của nước phân dùng làm phân bón được tăng lên do hàm lượng nitơ và lưu huỳnh cao hơn.
Nhược điểm
Quá trình axit hóa nước phân có tác động đáng kể đến GHG nhưng không ảnh hưởng đến mùi trừ khi áp dụng công nghệ giảm mùi.
Việc sử dụng hệ thống này gây tốn kém và tính phù hợp của nó phụ thuộc rất nhiều vào yêu cầu về môi trường của chính quyền địa phương. Đầu tư bao gồm axit, bồn xử lý và hệ thống điều khiển. Công suất của một hệ thống axit hóa có thể xử lý chuồng nuôi khoảng 10.000 heo thịt. Chi phí sử dụng công nghệ này ước tính là 2,4 EUR/heo thịt theo điều kiện của Đan Mạch. Các khoản chi phí chính là axit, điện và bảo trì. Hệ thống này phù hợp với mọi vùng khí hậu nơi nước phân được sử dụng làm phân bón.

Công nghệ này bao gồm một hệ thống nước phân thông thường bên trong chuồng heo nhưng không có nút chặn. Nước phân được xả ra khỏi chuồng hàng ngày và được lưu trữ trong một bể xử lý. Sau đó, một loại axit, thường là axit sunfuric (nồng độ 93-96%), được thêm cẩn thận vào nước phân. Axit được thêm vào từ một thùng chứa đặt trên các cân cảm biến để kiểm soát lượng tiêu thụ. Khoảng 11-13 kg axit được sử dụng cho mỗi tấn nước phân. Các cảm biến đo độ pH tạo cơ sở chính để kiểm soát. Khi mức pH trong hỗn hợp nước phân-axit đạt 5,5, phần lớn hỗn hợp được bơm trở lại hố phân trong chuồng heo trong khi phần còn lại được bơm vào bể chứa. Diện tích hố phân của chuồng heo được chia thành các đơn vị 1.000-1.500 m² được làm trống và bơm đầy nước phân đã xử lý.

Có thể giảm phát thải mùi bằng cách thêm bộ thùng lọc tách chất rắn khỏi chất lỏng. Hệ thống kết hợp này được chứng nhận là kỹ thuật hiện có tốt nhất (BAT) và có thể giảm mùi tới 61%.

Một nghiên cứu gần đây tại trường đại học Aarhus chỉ ra rằng có thể giảm lượng axit xuống còn 2-3 kg/tấn nước phân trong khi vẫn đạt được hiệu quả cao trong việc giảm phát thải CH₄ và NH₃. Do đó, axit hóa liều thấp có thể là một chiến lược khả thi để giảm thiểu GHG. Hơn nữa, các nghiên cứu mới sử dụng axit axetic (CH₃COOH) thay vì axit sunfuric có thể giảm chi phí vận hành và giúp hệ thống có thể áp dụng nhiều hơn ở những quốc gia không sẵn có axit sunfuric. Hơn nữa, các rủi ro khi sử dụng hợp chất yếu hơn như axit axetic cũng thấp hơn.

Bảng 6. Axit hóa nước phân – ảnh hưởng đến phát thải.

Axit hóa nước phân, giảm phát thải, %
NH3	CH4	Mùi hôi*
65	40-65	61

*Giảm nếu kết hợp với bộ thùng lọc.