Phát thải (II): Cách giảm thiểu phát thải khí nhà kính và amoniac ở trang trại heo

Vận tốc truyền khí từ pha lỏng vào khí quyển tỷ lệ thuận với sự chênh lệch giữa nồng độ trong pha lỏng và nồng độ của nó nếu ở trạng thái cân bằng với pha khí. Nồng độ cân bằng là nồng độ tại đó không có sự chuyển đổi từ pha lỏng sang pha khí, tức là không có phát thải. Một chất khí ít hòa tan (nồng độ cân bằng thấp, như trong trường hợp CH₄) sẽ có xu hướng thoát nhanh sang pha khí, ngược lại (như trong trường hợp NH₃) nó có thể duy trì nồng độ cao trong pha lỏng mà không phát thải.

Không phải toàn bộ nitơ amoniac đều ở dạng NH₃ mà chủ yếu ở dạng NH₄⁺ không bay hơi. Khi độ pH hoặc nhiệt độ giảm, nhiều nitơ sẽ tồn tại ở dạng NH₄⁺ và nhiều nitơ amoniac (của cả NH₃ và NH₄⁺) sẽ tồn tại trong môi trường lỏng. Nếu nồng độ NH3 trong pha khí phía trên nước phân tăng vượt quá giá trị thông thường trong khí quyển thì nồng độ cân bằng trong chất lỏng cũng tăng theo. Như vậy, ở pH 7, nhiệt độ 20°C và nồng độ NH₃ 50 ppm trong pha khí phía trên nước phân, nồng độ cân bằng của nitơ amoniac trong chất lỏng là 5.260 mg N/L, trong khi ở pH 8 nồng độ này là 540 mg N/L. Để ngăn chặn phát thải và duy trì nồng độ cao hơn trong pha lỏng, mức pH 7 sẽ tốt hơn so với pH 8 và nếu độ pH thấp hơn 7 thì càng tốt hơn nữa. Nồng độ NH₃ trong lớp không khí phía trên bề mặt nước phân càng thấp (nồng độ trung bình trong khí quyển trái đất từ 1 - 5 ppb) thì nồng độ cân bằng càng thấp và tốc độ phát thải càng nhanh. Điều này xảy ra trong trường hợp có gió hoặc bất kỳ hiện tượng phân tán khí nào khác. Phủ bề mặt hố nước phân, dù chỉ với một lớp nhẹ, để bảo vệ nó khỏi sự phân tán hoặc giảm diện tích tiếp xúc giữa chất lỏng/khí sẽ có tác động giảm phát thải NH₃. CH₄ thì không như vậy, chất này sẽ thoát ra khí quyển trong bất kỳ trường hợp nào, trừ khi bề mặt hồ chứa nước phân được phủ hoàn toàn kín khí.

Lượng phát thải CH₄ phụ thuộc vào thời gian các vi sinh vật kỵ khí phân hủy chất hữu cơ, hoạt động của chúng tăng theo nhiệt độ. Hình vẽ thể hiện hệ số phát thải CH₄ theo hướng dẫn của IPCC (Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu) năm 2019 đối với vùng khí hậu ôn đới và khí hậu ấm nóng, ẩm hoặc khô hạn. Khí hậu ôn đới tương ứng với nhiệt độ trung bình hàng năm từ 15°C đến 25°C, và khí hậu ấm nóng tương ứng với nhiệt độ cao hơn. Sổ tay hướng dẫn của IPCC chỉ ra rằng để ước tính lượng khí thải trong các hố chứa phân dưới sàn chuồng, cần xem xét các điều kiện môi trường trong chuồng nuôi động vật - môi trường nóng, ẩm - chứ không phải các điều kiện bên ngoài. Điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Chỉ cần chuyển chất thải từ trong chuồng ra hồ chứa nước phân ngoài trời càng sớm càng tốt là có thể giảm lượng phát thải, ví dụ: từ 57% xuống 24% trong trường hợp chứa trong 3 tháng (xem hình).

Để ngăn ngừa phát thải NH3, có thể áp dụng các kỹ thuật khác nhau theo thứ tự ưu tiên:

1. Cải thiện khẩu phần ăn và khả năng tiêu hóa protein và axit amin. Hiệu quả sử dụng thức ăn càng cao thì nồng độ nitơ trong nước phân càng thấp và tốc độ chuyển đổi càng chậm.
2. Dọn sạch phân ra khỏi hầm chứa dưới sàn chuồng càng thường xuyên càng tốt, hàng ngày thay vì hàng tuần và mỗi 6 giờ thay vì 24 giờ. Mặc dù hướng dẫn của IPCC ước tính giá trị phát thải nitơ trung bình là 25% (trong khoảng 15% - 30%) của lượng nitơ bài thải đối với các hố phân dưới sàn chuồng và 48% (15% - 60%) đối với các hồ chứa phân ngoài trời không có lớp phủ tự nhiên, nhưng hồ chứa cho phép che phủ và ngăn chặn phát thải (giảm xuống còn 3% - 12% theo hướng dẫn của IPCC), điều này không thể làm được trong các hầm chứa. Việc này cũng giúp ngăn ngừa động vật hít phải amoniac, điều có lợi cho sức khỏe và năng suất vật nuôi.
3. Che phủ các hồ chứa phân ngoài trời bằng vật liệu làm giảm diện tích tiếp xúc giữa bề mặt nước phân chứa trong hồ và không khí. Ví dụ, sử dụng các miếng hình khối khớp với nhau để che phủ hoàn toàn trên bề mặt của hồ chứa nước phân. Che phủ hồ chứa bằng bạt không thấm nước cũng sẽ ngăn chặn sự phát thải CH₄, loại khí này sẽ tích tụ dưới bạt và phải được đốt định kỳ trong bếp lửa hoặc lò hơi, hoặc để sử dụng làm năng lượng, nhằm ngăn bạt phủ bị vỡ do áp suất quá cao. Áp suất dư thừa này sẽ không bao giờ do NH₃ gây ra, vì khi đạt đến nồng độ cân bằng giữa pha lỏng và pha khí, sự phát thải sẽ dừng lại.
4. Giảm độ pH của hồ chứa nước phân xuống dưới 7 bằng cách thêm axit và sử dụng thiết bị được thiết kế chuyên dụng cho mục đích này. Ngoài ra còn có thiết bị axit hóa trong bồn vận chuyển và bón nước phân trong nông nghiệp để ngăn ngừa thất thoát NH3 trong quá trình sử dụng.

Để ngăn ngừa phát thải CH₄, có thể áp dụng các kỹ thuật sau:

1. Cải thiện khả năng tiêu hóa của khẩu phần ăn và ngăn ngừa thất thoát thức ăn xuống hố phân. Mặc dù vẫn chưa có thông tin dựa trên bằng chứng, nhưng hiệu quả sử dụng thức ăn ở vật nuôi cao hơn nghĩa là năng lượng tiềm tàng của chất rắn dễ bay hơi (VS) trong nước phân thấp hơn và do đó, giá trị khả năng phát thải B_o thấp hơn.
2. Loại bỏ nước phân khỏi hố dưới sàn càng sớm càng tốt. Như thể hiện trong hình, biện pháp này có tác dụng đáng kể trong việc giảm phát thải CH₄.
3. Tiến hành phân tách chất rắn/lỏng càng sớm càng tốt sau khi nước phân được lấy ra khỏi chuồng. Phần chất rắn chất chồng lên nhau có lượng phát thải khoảng 4% - 5% Bo theo IPCC dựa trên lượng chất rắn dễ bay hơi chứa trond đó. Phần chất lỏng sẽ phát thải theo giá trị tương ứng trong Hình trên, nhưng với nồng độ chất rắn bay hơi thấp hơn thì dẫn tới lượng phát thải thấp hơn.
4. Che phủ hoàn toàn bề mặt hồ chứa phân bằng bạt chống thấm để ngăn phát thải vào khí quyển. Một hồ chứa phải được thiết kế sao cho nó không bao giờ cạn hoàn toàn, không có không khí lọt vào và phải có cơ chế an toàn để tránh áp suất quá mức cũng như đốt định kỳ lượng khí tích tụ. Một giải pháp thay thế tốt hơn là sử dụng khí đốt làm nhiên liệu cho lò hơi.
5. Lập kế hoạch xây dựng nhà máy biogas, dù là của cá nhân hay hợp tác xã, sử dụng khí sinh học làm nguồn năng lượng. Nước phân nên được đưa vào nhà máy càng sớm càng tốt để tận dụng tối đa tiềm năng năng lượng của nó. Hồ chứa nước phân phải được che phủ để ngăn chặn phát thải NH3, vì nồng độ nitơ amoniac cao hơn so với nước phân ban đầu do sự phân hủy protein.