Khí mêtan trong nông nghiệp và biến đổi khí hậu

Trong các năm gần đây nồng độ mêtan tăng lên đột biến thông qua các hoạt động sản xuất của con người, trong đó hoạt động sản xuất nông nghiệp là nguồn phát thải mêtan đáng kê.. Vì vậy tr

' l Ị TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NG

w—r<iBWĩir—IIT

VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ &QUẢN LÝ MÔI

TRƯỜNG

Bộ MÔN: MÔI TRƯỜNG HỌC co BẢN

TIỂU LUÂN

GVHD: Gs.TSKH Lê Huy Bá SVTH: Phạm Thị Tuấn MSSV: 0770279 i Lớp: ĐHMT3B Niên khóa: 2008-2009

TP.HỒ Chí Minh, tháng 7 năm 2009

±0

MỤC LỤC

Phần 1: PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục đích, yêu cầu 1

3 Phương pháp nghiên cún 2

4 Phạm vi nghiên cứu 2

Ph ần 2: PHẦN NỘI DUNG 3

1 Khí mêtan và biên đôi khí hậu 3

1.1 Tổng quan về biến đổi khí hậu 3

1.2 Mêtan và ảnh hướng của mêtan đên biên đôi khí hậu 4

2 Khí mêtan trong hoạt động nông nghiệp 7

2.1 Chăn nuôi 8

2.2 Hoạt động sản xuất lúa gạo 10

3 Các biện pháp khắc phục 11

Phần 3: KẾT LUẬN 13

Phần 1: PHẦN MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Như ta đã biết hiện nay vấn đề biến đôi khí hậu đang là một vấn đề nóng bỏng không chỉ của riêng quốc gia nào, mà đã là mối đc dọa chung cho cả nhân loại Biến đổi khí hậu đang diễn ra từng ngày và có ảnh hưởng trực tiếp lên đời sống, sức khỏe, tính mạng của con người cũng như sự sống của trái đất chúng ta Hiện tượng nóng lên toàn cầu xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó sự gia tăng khí thải nhà kính trong các thế kỉ gần đây chính là nguyên nhân chủ quan và cơ bản của con người Từ sau cách mạng công nghiệp, cùng với sự phát triên của các loại máy móc, động cơ, năng suât lao động đã tăng lên đột biến, tạo một bước ngoặt mới cho nền kinh tế toàn thế giới Nhưng song song với sự tăng trưởng là sức ép của các loại khí thải nhà kính lên môi trường thông qua hoạt động khai thác và tiêu thụ nguyên nhiên liệu Các khí nhà kính có ảnh hưởng lớn nhất đến khí hậu trái đất là CƠ2, mêtan, nitơ oxit, CFC

Mêtan là khí nhà kính thứ hai sau C02, có nguồn gốc từ thiên nhiên và từ các hoạt động của con người Trong các năm gần đây nồng độ mêtan tăng lên đột biến thông qua các hoạt động sản xuất của con người, trong đó hoạt động sản xuất nông nghiệp là nguồn phát thải mêtan đáng kê Vì vậy trong phần nội dung sau chúng ta sẽ đi tìm hiểu ảnh hưởng của mêtan và nguồn phát thải mêtan từ ngành sản xuất nông nghiệp đến biến đổi khí hậu trên thế giới như thế nào

2 Mục đích, yêu cầu

a Mục đích

-Tìm hiểu sự tác động của mêtan đến biến đối khí hậu trái đất

-Tìm hiểu quá trình tạo thành mêtan trong nông nghiệp và lượng mêtan

trong khí quyển

b Yêu cầu

- Nắm được nội dung cơ bản của biến đôi khí hậu

- Nêu được tầm quan trọng của mêtan trong biến đôi khí hậu toàn cầu

Môi trường học cơ bản GVHDiGSTSKH Lê Huy Bá

- Trình bày hiện trạng và số liệu cụ thể lượng khí mêtan trong khí quyền

- Nêu ra được các quá trình cơ bản trong nông nghiệp sản sinh ra khí

mêtan, và lượng mêtan sinh ra trong các hoạt động sản xuất nông nghiệp

3 Phương pháp nghiên cứu

Tập họp các tài liệu và số liệu liên quan đến đề tài, từ đó tóm tắt và chọn lọc các vấn đề chủ chốt để hoàn thành đề tài

4 Phạm vi nghiên cứu

Vì kiến thức và tài liệu hạn hẹp nên đề tài chỉ dừng lại ở việc trình bày các vấn đề cơ bản của biến đổi khí hậu toàn cầu, về ảnh hưởng của mêtan, mêtan trong nông nghiệp và các số liệu thống kê chung trên thế giới

4

Phần 2: PHẦN NỘI DƯNG

1 Khí mêtan và biến đối khí hậu

Tống quan về biến đổi khỉ hậu

a) Khái niêm

Biến đổi khí hậu là sự thay đổi của hệ thống khí hậu gồm khí quyển, thuỷ

quyên, sinh quyên, thạch quyên hiện tại và trong tương lai bởi các nguyên nhân

tự nhiên và nhân tạo

b) Nguyên nhân

Nguyên nhân chính làm biến đôi khí hậu trái đất

là do sự gia tăng các hoạt động tạo ra các chất thải

khí nhà kính, các hoạt động khai thác quá mức các bể

hấp thụ và bê chứa khí nhà kính như sinh khối, rừng,

các hệ sinh thái biển, ven bờ và đất liền khác

c) Biêu hiên

Các biếu hiện của sự biến đổi khí hậu trái đất

Hình 1: Thải khỉ nhà kỉnh vào khỉ quvên- một trong nhũng nguvên nhân cùa hiến đòi khí hâu

gồm:

- Sự nóng lên của khí quyến và trái đất nói chung

- Sự thay đổi thành phần và chất lượng khí quyển có hại cho môi trường

sống của con người và các sinh vật trên trái đất

- Sự dâng cao mực nước biển do tan băng dẫn tới sự ngập úng của các

vùng đất thấp, các đảo nhỏ trên biến

- Sự di chuyển của các đới khí hậu tồn tại hàng nghìn năm trên các vùng

khác nhau của trái đất dẫn tới nguy cơ đe doạ sự sống của các loài sinh vật, các

hệ sinh thái và hoạt động của con người

- Sự thay đổi cường độ hoạt động của quá trình hoàn lưu khí quyển, chu

trình tuần hoàn nước trong tụ’ nhiên và các chu trình sinh địa hoá khác

- Sự thay đôi năng suất sinh học của các hệ sinh thái, chất lượng và thành

phần của thuỷ quyên, sinh quyển, các địa quyển

Môi trường học cơ hản GVHDiGSTSKH Lê Huy Bá

1.2.1 Nguồn gốc của khỉ mêtan

Khí mêtan, còn được gọi là khí thiên nhiên được sinh ra từ các nguồn chủ yếu sau:

- Khí sinh ra từ các hoạt động phân hủy kị khí ở các vùng ngập nước như đầm lầy, ao hồ, trầm tích mêtan dưới đáy biền

- Chất thải chăn nuôi, từ dạ dày của các loài nhai lại

- Từ hoạt động khai thác dầu mỏ, đốt nhiên liệu hóa thạch, chưng cất than đá

1.2.2 Tỉnh chất hóa học của mêtan

Công thức cấu tạo của mêtan là CH4, là một hydrocacbon nằm trong dãy đông đăng ankan

Hình 2: cấu tạo phân tử mêtan

Ở điều kiện tiêu chuẩn, mêtan là chất khí không màu, không vị, hóa lỏng

ở nhiệt độ -162°c, hóa rắn ở nhiệt độ -183°c Tại lớp trầm tích dứơi đáy đại

dương, đặc biệt là Bắc Băng Dương, hàng triệu tấn mêtan tồn tại ở dạng rắn

qua quá trình mục rủa của xác thực vật sau hàng ngàn năm

Khí mêtan rất dễ cháy trong không khí, được dùng làm nhiên liệu đốt

cháy, thắp sáng trong sinh hoạt và trong ngành năng lượng

1.2.3 Anh hưởng của mêtan lên biến đôi khí hậu

- Mêtan là khí quan trọng thứ hai, sau cơ2, do con người gây ra tác động đến khí hậu trái đất

- Như ta biết, khí C02, NH4, NOx, CFC trong khí quyển đóng vai trò như một nhà kính khổng lồ bao quanh trái đất Bức xạ nhiệt của mặt trời là bức

xạ có sóng ngắn nên dễ dàng xuyên qua tầng ôzôn và lóp khí nhà kính để

6

đi tới mặt đất, ngược lại bức xạ nhiệt từ trái đất là bức xạ sóng dài nên

không thê xuyên qua lớp khí nhà kính được, khí nhà kính giữ lại bức xạ nhiệt làm cho trái đất nóng lên Hiệu ứng nhà kính có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống trên trái đất, vì nếu không có hiệu ứng này,

nhiệt độ trái đất sẽ giảm xuống dưới -15°c

Hình 3: Hiệu ímg nhà kính

Tuy nhiên, nếu khí nhà kính hình thành ngày càng nhiều thì lại làm cho nhiệt

độ trái đất tăng lên Các nghiên cứu cho thấy trong khoảng thời gian từ 1885 đến 1940 do nồng độ khí nhà kính tăng từ 0,027% đến 0,035%, nhiệt độ trái đất đã tăng 0,5°c

Hình 4: Sự tăng nhiệt độ trái đất từ năm 1860 đến năm 2000

Theo dự báo, nếu không có biện pháp khắc phục, nhiệt độ trái đất sê tăng lên 1,5 - 4,5°c vào năm 2050 Nhiệt độ trái đất tăng sẽ làm tan băng và làm mực

Môi trường học cơ hản GVHDiGSTSKH Lê Huy Bá nước biển dâng cao, các đồng bằng lớn và nhiều vùng sản xuất lương thực trù phù, các vùng đông dân cư sẽ bị chìm dưới nước biến

Mêtan trong khí quyến có tác dụng làm trái đất ấm lên bàng 1/3 so với

co2.

Một phân tử mêtan có khả năng bẫy nhiệt gấp 23 lần so với CƠ2, và cứ

100 năm, mồi kilogam mêtan làm ấm trái đất gấp 23 lần so với mồi kilogam

co2.

Energy-Related Carbcn

Dloxide 5,825.5

o^er Carbcn Dioxide 108.8 (‘.5%)

m— Y '

Oxkto

378.6 (5.4%) ,HFCs FFCs, and SFj

157 tkiO Wí.\

Hình 5: Tỷ lệ mêtan trong tông các khỉ nhà kính

1.2.4 Sự gia tăng khỉ mêtan trong khỉ quyên

Nồng độ mêtan trong khí quyên đã tăng gần 3 lần kế từ thời kì tiền công nghiệp, trong đó con người đóng góp 1/5 lượng khí thài gây nóng lên toàn cầu này, cụ thể là trong thời kì tiền công nghiệp, sự tập trung khí mêtan là khoảng

700 ppb, nhưng vào cuối thế kỉ 20 nồng độ của mêtan đã tăng lên là 1740 ppb Biếu đồ sau đây the hiện mức độ gia tăng của nồng độ mêtan trong khí quyên từ năm 1984 đến năm 2004

Atmospheric Methane Concentrations

Hình 6: Nồng độ khí methane trong khí quvên từ

năm 1984 đên năm 2004

Khí thiên nhiên(natural gas) là khí thường được tìm thấy cùng với các mỏ dầu ớ trong vỏ Trái Đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho kho khoảng 25% nguồn cung năng lượng thế giới

Khí thiên nhiên chứa khoảng 80-100% mêtan, vì vậy các hoạt động khai thác dầu khí cũng là một nguồn phát thải mêtan quan trọng Các quốc gia có nền công nghiệp khai thác dầu khí mạnh như Nga, Hoa Kì, Ukraina, Iran là các quốc gia thải ra lượng mêtan lớn

Mt C0,e

180

160

140

120

100

80

60

40

l l l l l l l l l

Hình7 : Top 20 quốc gia với lượng khỉ methane( Mt co2 e)

thải nhiều nhất từ hoạt dộng khai thác dâu khỉ

2 Khí mêtan trong hoạt động nông nghiệp

Sau đây là biểu đồ thể hiện tỷ lệ các khí nhà kính thải ra thông qua các

nguồn tự nhiên, các hoạt động kinh tế của con người

Annual Greenhouse Gas Emissions by Sector

Transportation foHs

14 0%

Hình 8: Tỷ lệ lượng khí nhà kỉnh thải ra do hoạt

đỏníỉ nỏmỉ niỉhiêp

Môi trường học cơ hản GVHDiGSTSKH Lê Huy Bá Theo biêu đồ trên, ngành nông nghiệp chiếm 12,5% lượng khí thải nhà kính, và 40% lượng mêtan trong tông lưọng khí thải Trong đó, sản xuất lúa gạo và chăn nuôi gia súc là hai nguồn thải mêtan lớn nhất

2.1 Chăn nuôi

Theo báo cáo mới đây của Tổ chức Lưong thực Thế giới( FAO), nghành chăn nuôi tạo ra khí thải nhà kính tương đưong với thán khí, 18% nhiều hon cả lưọng khí thải ra tù- giao thông vận tải

Với sự gia tăng dân sổ cùng với chất lượng cuộc sống càng ngày càng được nâng cao, nhu cầu về các sản phấm tù’ thịt, bơ, sữa cũng tăng đột biến

Sản xuất thịt thế giới, dự đoán nhiều hon gấp đôi từ 229 triệu tấn vào năm

2000 đến 465 triệu tấn vào năm 2050, trong khi sản lượng sữa được dự đoán sẽ tăng từ 580 triệu tấn đến 1043 triệu tấn

2.1.1 Sự hình thành mêtan ở động vật nhai lại

Khí mêtan trong chăn nuôi được thải ra chủ yếu là thông qua hoạt động chăn nuôi gia súc, đặc biệt là các loài nhai lại như

bò, cừu, ngụa

Sở dĩ như vậy là vì trong quá trình tiêu hóa của các loài nhai lại, mêtan được sản xuất trong dạ dày của loài này nhờ sự phân hủy yếm khí của hai loại vi khuẩn là methanogenic và protozoa, quá trình này gọi là quá trình lên men enteric

Thức ăn xơ thô được phân giải một phần bởi vi sinh vật phân giải chất xơ (xenlulaza) do chúng tiết ra Quá trình phân giải các carbohydrat phức tạp sinh

ra các đường đơn Đối với gia súc dạ dày đơn thì đường đơn, như glucoza, là sản phấm cuối cùng được hấp thụ, nhưng đối với gia súc nhai lại thì đường đơn được vi sinh vật dạ cỏ tạo ra các axit béo bay hơi Phương trình lên men

Hình 9: Quả trình tiêu hóa của các toài nhai

lại thải ra một lượng lớn khỉ mêtan

10

glucoza, sản phẩm trung gian của quá trình phân giải các gluxit phức tạp, để

tạo ra các axit béo bay hơi như sau:

Axit axetic

C6H1206 + 2H2 Ơ —> 2CH3COOH + 2C02 + 4H2

Axit propionic

C6H1206 + 2H2 -> 2CH3CH2COOH + 2H2Ơ

Axit butyric

C6H1206 -> CH3-CH2CH2COOH + 2C02 + 2 H2

Khí mêtan

m4H2 + Cơ2 -> CH4 + 2H20

Phần lớn các axit béo bay hơi được hấp thụ qua vách dạ cỏ trở thành nguồn năng lượng chính cho gia súc nhai lại Còn các khí thế, mà chủ yếu là mêtan sẽ thoát ra ngoài qua phản xạ ợ hơi

Trung bình một con cừu thải ra 30 lít khí mêtan một ngày, và một con bò

sẽ thải ra tới 200 lít một ngày

Như vậy theo tính toán, nền chăn nuôi gia súc thế giới mồi năm thải ra khoảng 80 triệu tấn khí mêtan, chiếm khoảng 28% lượng mêtan được thải ra do hoạt động của con ngừơi

1850

1800

1750

1700

1650

1600

1550

1500

,<8** 4? 4? 4? 4? 4? 4? 4$' 4? ^

Y MÍ

Hình 10: Lượng gia súc thuộc động vật nhai lại và nồng độ khí mêtan

tưong ứng trên thế giới

Global large ruminant equivalence and atmospheric methane

concentratỉons

Môi trường học cơ hản GVHDiGSTSKH Lê Huy Bá

2.2 Hoạt động sản xuất lúa gạo

Hơn 90% diện tích trồng lúa trên thế giới là diện tích đất ngập nước trong điều kiện nhiệt độ nóng ẩm, đây là điều kiện tối uu cho sự sản sinh khí mêtan thông qua quá trình phân hủy kị khí

Năm 2000, tổng lượng khí mêtan phát thải do hoạt động sản xuất lúa gạo

là 625 triệu tấn, chiếm 15-20% lượng mêtan do con ngươi tạo ra

Lúa là một loại lưong thực phổ biến được trồng nhiều nơi trên thế giới, tùy vào điều kiện môi trường ở mỗi vùng mà lượng mêtan thải ra cùng khác nhau Sự khác biệt này dựa vào các điều kiện như độ sâu, nhiệt độ, thời gian canh tác Mùa khô lượng mêtan thải ra ít hơn mùa khô do chế độ nước ít ngập hơn

Global Anthropogenic Methane Einìssìons: 1860-1994

(Stern *& Kauĩmann)

Year

Dựa vào sơ đồ trên ta thấy được sự gia tăng đột biến của lượng khí thải mêtan trong các năm gần đây Trong đó lượng mêtan do hoạt động sản xuất lúa gạo là nguồn thải chiếm tỷ lệ nhiều nhất trong lượng tông khí thải ra Nhưng trong một vài thập kỉ trở lại đây, với sự phát triên của chăn nuôi, thì lượng mêtan từ hoạt động chăn nuôi đã vượt qua lượng phát thải mêtan từ sản xuất lúa gạo

Riêng ớ Việt Nam chúng ta, vốn là quốc gia đứng thứ hai trên thế giới về hoạt động sản xuất lúa gạo với sản lượng trung bình hàng năm là trên 30 triệu tấn thì lượng mêtan từ sản xuất lúa gạo là chủ yếu

12

Hình 9: Tý lệ % phát thải mêtan ở Việt Nam

Việt Nam là quốc gia có lượng phát thải mêtan đứng thứ 15 thế giới, trong

đó hoạt động sản xuất lúa gạo chiếm 58%

3 Các biện pháp khắc phục

3.1 ứng dụng công nghệ biogas trong chăn nuôi

Biogas hay còn gọi là khí sinh học, là một hồn hợp khí được sản sinh từ

sự phân hủy những chất hữu co dưới tác động của vi khuấn trong môi trường yếm khí Trong đó thành phần chủ yếu là khí mêtan( CHẠ

Nguyên liệu để sản xuất khí sinh học gồm 2 loại:

- Nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật: Chủ yếu là phân và nước tiểu gia súc, gia cầm thải ra trong quá trình chăn nuôi

- Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật: Các nguyên liệu thực vật gồm phụ phẩm cây trồng như rơm rạ, thân lá ngô, khoai, đậu và các laọi cây xanh hoang dại như bèo, cây cỏ sống dưới nước

Quá trình sản xuất khí sinh học được thực hiện trong các bể phân hủy sinh học Nguyên liệu được nạp vào bế yếm khí, qua quá trình phân hủy yếm khí nhờ các vi sinh vật, khí mêtan sinh ra được thu hồi qua thiết bị thu khí dẫn tới nơi tiêu thụ Nguyên liệu sau khi được phân hủy hoàn toàn được sử dụng để làm phân bón

ủng dụng biogas trong chăn nuôi là một biện pháp xử lý chất thải chăn nuôi được sử dụng rộng rãi trên thế giới nhờ các ưu điểm vượt trội sau:

Môi trường học cơ bản GVHDiGSTSKH Lê Huy Bá

- Xử lý lượng chất thải chăn nuôi, tránh gây ô nhiễm môi trường và ngăn chặn các bệnh truyền nhiễm cho gia súc và con người

- Tạo nguồn khí đốt rẻ tiền cho gia đình

- Tận dụng lượng phân bón cho nông nghiệp

Biogas là mô hình phù hợp cho các nước sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là các nước nhiệt đới có điều kiện khí hậu nóng ẩm và nền sản xuất nông nghiệp nhỏ lẻ

3.2 Các biện pháp cắt giảm lượng mêtan trong sản xuất nông nghiệp.

-Tăng năng suất nhàm cắt giảm diện tích đất ngập nước, luân canh tăng vụ, hạn chế để đất trống

-ứng dụng kĩ thuật trồng lúa trên đất âm, giảm diện tích đất ngập nước

- Sử dụng công nghệ biogas trong chăn nuôi và trồng trọt nhằm giảm lượng khí thải từ chất thải, đặc biệt là các chất thải nhà kính: cơ2, mêtan, nitơ oxit

-Sản xuất nông nghiệp theo mô hình VAC nhàm tuần hoàn năng lượng trong chăn nuôi, sản xuất

-Thay đổi chế độ dinh dưỡng họp lý, phát triển công nghệ sinh học vào chăn nuôi nhằm cắt giảm lượng khí mêtan do gia súc thải ra

14