ĐẶT VẤN ĐỀ

Vấn đề canh tác trên đất chua phèn luôn gặp trở ngại và thách thức. Mặc dù đất phèn có hàm lượng hữu cơ và ni tơ cao nhưng hàm lượng các chất độc hại cũng rất cao như Fe, Fe, Al SO1. Long An là một trong các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long với diện tích đất nhiễm phèn lớn trong đó đất phèn ở Thạnh Hóa - Long An thuộc loại phèn hoạt động nặng 2. Có thể nói vùng đất phèn nặng quanh năm là một trong các vùng có điều kiện tự nhiên khó khăn nhất về cấp nước ngọt, thoát nước, canh tác nông nghiệp cũng như các vấn đề về vệ sinh môi trường. Tác động của các chất độc trong đất phèn kìm hãm sự phát triển của cây và sinh kế của người dân cũng bị giới hạn 3. Để phát triển sinh kế địa phương cần đánh giá đầy đủ và huy động tất cả các nguồn tài nguyên sẵn có. Sự tích hợp các cấu phần sinh kế và sự quay vòng chất thải từ hệ thống sẽ góp phần khép kín các dòng nguyên vật liệu, chất thải và năng lượng gắn với hệ sinh thái vùng phèn giúp cải thiện môi trường nông trại, hợp lý về kinh tế và hiệu quả về năng lượng.

Hiện nay vẫn chưa có một nghiên cứu nào đánh giá đầy đủ khả năng tích hợp sinh kế, nói cách khác là tích hợp các nguồn tài nguyên tại chỗ tại các nông trại thuộc vùng phèn tại Long An cũng như chưa có các phân tích chi tiết tất cả các phương án tiềm năng để khép kín dòng vật chất - năng lượng giúp xử lý chất thải giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển sinh kế. Mô hình tích hợp là cấp thiết cần được triển khai cho hộ nông dân trên vùng phèn, giải quyết vấn đề quan tâm bức thiết vùng nông thôn bị nhiễm phèn ở các phương diện kinh tế, xã hội và môi trường, đặc biệt là lợi ích kinh tế mà đề tài đem lại trong việc nâng cao năng suất sản xuất và canh tác, tức là tạo ra sinh kế nhiều mặt cho nhiều đối tượng khác nhau có liên quan. Một số nghiên cứu về mô hình tích hợp trên vùng đất phèn như nghiên cứu về hệ thống nông - lâm kết hợp, nhóm tác giả Tấn và cộng sự (2010) đã tiến hành thí nghiệm trên nghiệm lúa cá, tràm địa phương (có kê líp) - cá, tràm Úc - cá, bạch đàn - cá để đánh giá tính khả thi về kỹ thuật và kinh tế của các mô hình này 4. Các mô hình canh tác trên vùng đất phèn tỉnh Kiên Giang 5 cho thấy tính hiệu quả kinh tế xã hội của mô hình lúa - khóm và lúa - khóm - tôm sú đem lại hiệu quả cao nhất. Phân tích kinh tế thông thường cho thấy việc phân bổ nguồn lực trong canh tác nông nghiệp tạo ra các vấn đề xã hội và môi trường nghiêm trọng chẳng hạn như mùi hôi, ô nhiễm đất, nước 6. Khi hiệu quả sử dụng các nguồn lực vật chất và năng lượng trong nông nghiệp và ảnh hưởng của nó đến môi trường là một vấn đề nghiêm trọng cần được quan tâm, một số xem xét cần thiết để mang lại hiệu quả tối ưu bao gồm: tối đa hóa sản lượng dưới dạng năng lượng, tối đa hóa hiệu quả từ sự chuyển đổi dòng vật chất - năng lượng, nhất là chuyển đổi dòng chất thải dưới dạng có ích. Khi tất cả các dòng vật chất được chuyển đổi sang cùng một giá trị là năng lượng sẽ giúp tính toán cân bằng cho toàn hệ thống dễ dàng hơn. Do đó, để đánh giá hiệu quả của nông trại, phân tích vật chất và năng lượng sẽ cung cấp cơ sở lựa chọn các phương án thay thế cho loại hình hiện tại 6. Kết quả là năng lượng đóng vai trò là thước đo vật lý cho các giá trị kinh tế. Các nghiên cứu về dòng năng lượng vận chuyển trong hệ thống nông nghiệp đã sử dụng một số chỉ thị để đánh giá tính bền vững. Tiêu chuẩn nông nghiệp bền vững - SAN năm 2017 được áp dụng trên toàn thế giới cho các hệ thống sản xuất cây trồng và gia súc 7. Để đánh giá tính bền vững trong nông nghiệp, các chỉ tiêu chung được thiết lập dựa trên hiệu quả của 3 nhóm sau: kinh tế, xã hội và môi trường 8. Các khía cạnh nói trên sẽ được phân tích trong phần thảo luận để lựa chọn một nông trại tối ưu cho một nông trại đặc thù của vùng nhiễm phèn ở Long An tuân theo các mục tiêu và hạn chế trên.

Phân tích năng lượng thông thường (energy analysis) của một hệ thống chuyển đổi năng lượng về cơ bản là tính toán năng lượng đi vào và đi ra. Đối với dạng phân tích này thì hiệu suất của hệ thống chuyển đổi năng lượng không thể được đánh giá một cách hiệu quả và chính xác. Phân tích exergy bổ sung và nâng cao phân tích năng lượng thông thường. Phân tích năng lượng được gọi là “exergy analysis” là một cách tiếp cận thực tế để đánh giá giá trị của các quá trình và hệ thống chuyển đổi hoặc phân phối năng lượng, tính toán dòng vật chất dưới dạng năng lượng để đánh giá hiệu quả sử dụng tài nguyên từ các dòng vật chất và năng lượng đầu vào và đầu ra của hệ thống 9. Exergy gần đây đã được coi là một phương pháp nhiệt động lực học thực tế để đánh giá năng lượng của hệ thống 10. Nó bao gồm việc áp dụng các khái niệm, cân bằng và hiệu suất exergy để đánh giá và cải thiện năng lượng 11. Theo Taheri và cộng sự (2014), phân tích exergy nhấn mạnh việc sử dụng năng lượng không hiệu quả (sự thất thoát năng lượng) trong các quy trình thay thế 10. Năng lượng bị thất thoát trong quá trình không thể đảo lại được như ma sát, giãn nở, thủy lực ... Khái niệm exergy được sử dụng để định lượng cho các dòng vật chất trong một đơn vị chung là năng lượng (joules). Tổng năng lượng của hệ thống được tính toán và thông qua các chỉ thị để tối ưu hóa dòng vật chất cho nông nghiệp bền vững 12, 13.

Năng lượng của đầu vào và đầu ra của mỗi cấu phần sản xuất trong hệ thống (như chuồng heo và ao cá) được tính toán thông qua hệ số chuyển đổi của phân tích exergy. Nghiên cứu này chọn một số hệ số chuyển đổi năng lượng trong các đầu vào và đầu ra của các tài liệu nghiên cứu sao cho phù hợp với điều kiện nông trại. Phương pháp phân tích năng lượng và kinh tế được sử dụng nhằm tìm kiếm các phương án tích hợp các sinh kế qua việc quay vòng chất thải để khép kín dòng vật chất và năng lượng của nông trại đồng thời tạo cơ hội lựa chọn phương án tối ưu với hiệu suất năng lượng cao nhất. Nhìn chung, sự phân tích theo exergy tính đến sự bền vững của nông nghiệp thông qua hiệu quả của quá trình canh tác. Hệ số chuyển đổi hệ thống (System transformity - STr) đại diện cho tính bền vững của hệ thống, là tỷ lệ giữa tổng tài nguyên đầu vào so với sản phẩm đầu ra (bao gồm cả nông sản và chất thải). Tính bền vững của hệ thống càng cao khi Str càng thấp 12.

PHƯƠNG PHÁP

Trên cơ sở phân tích dòng vật chất - năng lượng đầu vào và đầu ra của nông trại, các cấu phần sản xuất cũng như thành phần cụ thể tham gia vào hệ thống sản xuất của nông trại được lựa chọn và hiệu suất năng lượng của hệ thống cũng được phân tích 14. Do chất lượng tài nguyên sẽ thấp khi được chuyển đổi trong quy trình sản xuất sau đó, phân tích năng lượng exergy xem xét cả chất lượng và số lượng tài nguyên trên cùng một thang đo năng lượng. Tỷ lệ sản lượng (sản phẩm) và đầu vào nói lên hiệu suất năng lượng của quy trình 15. Các tính toán hiệu suất năng lượng và kinh tế cho hệ thống nông trại nhằm cân đối dòng ra và dòng vào sao cho giải quyết bài toán về sự năng lượng mất mát trong hệ thống, đặc biệt là xem xét các khả năng tận dụng tất cả nguồn năng lượng được thải bỏ từ hệ thống để quay vòng lại quy trình góp phần giảm thất thoát và tái bổ sung năng lượng (Figure 1).

Quyết định lựa chọn mô hình nông trại phụ thuộc vào kết quả so sánh hiệu suất năng lượng toàn vòng đời của quy trình 16:

(E tiêu thụ - E tích lũy)dt min (1.1)

Trong đó, E tích lũy đại diện cho năng lượng tiết kiệm trong toàn vòng đời. E tiêu thụ đại diện cho tổng giá trị năng lượng thâm hụt do sự kéo dài thời gian trong suốt quá trình vận hành của hệ thống. Quá trình đạt tối ưu khi sự chênh lệch giá trị năng lượng giữa E tích lũy và E tiêu thụ đạt giá trị nhỏ nhất.

Mục tiêu chính của bài báo chủ yếu tập trung vào tối ưu hóa hiệu suất năng lượng khi tích hợp các dòng vật chất và năng lượng trong hệ thống nông nghiệp. Các phương án lựa chọn hệ thống tối ưu được thiết kế bằng cách loại bỏ hoặc thêm các thành phần tương tác với hệ thống, từ đó lựa chọn phương án có thể đem lại hiệu suất năng lượng cao nhất với chi phí hợp lý nhất (Figure 2). Do đó, phương án tối ưu của mô hình nhằm khép kín các dòng nguyên vật liệu, chất thải và năng lượng tại chỗ của vùng phèn vừa giúp cải thiện môi trường nông trại vừa hợp lý về kinh tế và hiệu quả về năng lượng.

Để lựa chọn các mô hình tích hợp trên cần dựa trên các tiêu chí phù hợp. Nông trại được lựa chọn để xây dựng mô hình tích hợp đáp ứng các yêu cầu về: vị trí thuộc nông thôn vùng phèn Long An; hệ sinh thái tự nhiên đặc trưng có thể được sử dụng để xử lý chất thải; hoạt động sinh kế đa dạng và đặc trưng cho vùng nông thôn gồm trồng trọt, chăn nuôi và nuôi cá; và khả năng áp dụng vào thực tế cao sau khi đề xuất các phương án phù hợp. Đối với các giới hạn về điều kiện tự nhiên của vùng phèn, việc tận dụng điều kiện sẵn có sẽ góp phần tạo đa dạng sinh kế nhằm cải thiện kinh tế của người dân, do đó các tiêu chí được ưu tiên phân tích đánh giá theo thứ tự như sau: Tiêu chí 1: Chất thải rắn được thu gom, phân loại và xử lý theo hướng tái chế, tái sử dụng; Tiêu chí 2: Sử dụng hệ sinh vật đặc trưng tại chỗ để xử lý chất thải; Tiêu chí 3: Hiệu quả kinh tế của mô hình; Tiêu chí 4: Ngăn ngừa và xử lý ô nhiễm nước thải; Tiêu chí 5: Sử dụng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo17.

KẾT QUẢ

Nghiên cứu tính toán cho một nông trại điển hình của vùng nông thôn nhiễm phèn ở Long An. Nông trại của gia đình chủ hộ Võ Văn Thăm tại ấp 4 xã Thạnh An, huyện Thạnh Hóa, tỉnh Long An. Hiện tại trại đang hoạt động chăn nuôi heo và nuôi cá kết hợp với trồng cây ăn trái. Chủ hộ nuôi heo thịt với quy mô công nghiệp 4.500 con trên diện tích chuồng là 1.800 m. Ao cá với quy mô tổng cộng là 50.000 m và vườn mít có diện tích 250.000 m. Trại sử dụng 2 máy phát điện công suất 6 lít/giờ, nước sử dụng cho sinh hoạt và chăn nuôi lấy từ giếng khoan khoảng 180 m/ngày, nước ao trước khi thả cá được khử bằng vôi bột (CaCO) để trung hòa axit sao cho pH trong khoảng 6,5 - 8.

Nguyên liệu cung cấp cho chăn nuôi gồm thức ăn và thuốc cung cấp cho các chuồng heo được mua từ bên ngoài. Lượng điện tiêu thụ hàng tháng là 12.000 kWh/tháng, sử dụng cho việc tắm rửa heo, máy quạt thông thoáng chuồng, bơm nước, sinh hoạt … Tổng tiền điện sử dụng cho nông trại là 30 triệu/tháng.

Kết quả phân tích dòng vật chất - năng lượng của tất cả các hoạt động sản xuất nông nghiệp của nông trại được tính toán và thể hiện ở Table 1 và Figure 3. Thời gian toàn vòng đời cho mỗi cấu phần sản xuất trong nông trại gồm chuồng heo, ao cá và vườn mít được xem xét theo thực tế cho mỗi lứa heo, cá và mít, cụ thể tương ứng với 4 tháng, 6 tháng và 3 năm.

Kết quả phân tích kinh tế dựa trên dòng nguyên nhiên vật liệu đầu vào cho hệ thống sản xuất của nông trại (Table 2) cho thấy khả năng thu lời cao từ hoạt động chăn nuôi và trồng mít. Riêng đối với nuôi cá, khả năng thu lời thấp hoặc có khả năng lỗ vốn bởi vì so với các hoạt động chăn nuôi heo và mít thì khối lượng thức ăn phải cung cấp khá lớn trong khi giá thức ăn cho cá khá cao bên cạnh giá cả đầu ra của nhiều loại cá nuôi nước ngọt gần đây không ổn định24. Phân tích năng lượng so sánh hiệu quả về năng lượng giữa các sản lượng so với đầu vào cho thấy hiệu suất của hoạt động nuôi heo đạt hiệu quả nhất (50%) trong khi đó hiệu suất của nuôi cá và trồng mít chưa đạt tới 10%.

THẢO LUẬN

Từ các điều kiện hiện hữu sẵn có của chủ hộ, mô hình kết hợp công nông nghiệp không phát thải (AIZES) bao gồm bổ sung các thành phần tiềm năng cho một nông trại tối ưu được đề xuất (Figure 4) 25. Các thành phần của mô hình như hệ thống xử lý nước thải, vai trò của hệ sinh thái tự nhiên hay nguồn tài nguyên sẵn có của khu vực, đất trồng cũng như con người và hoạt động của họ được thêm vào hệ thống đóng một vai trò hết sức quan quan trọng trong việc hướng đến tuần hoàn và xử lý triệt để các thành phần gây ô nhiễm môi trường cũng như tạo thêm nguồn thu nhập mới cho người nông dân từ mô hình.

Một số phương án tiềm năng trên cơ sở bổ sung và quay vòng dòng thải nhằm xem xét sự phù hợp các tiêu chí nói trên được thể hiện trong Table 3. Do các chất thải cần phải được xử lý trước khi cho quay vòng lại hệ thống sản xuất, chất thải trực tiếp từ ao và chuồng phải qua các quá trình xử lý, chẳng hạn như phân heo phải qua bể chứa biogas và nước ao hay bùn ao thủy sinh chứa thực vật địa phương như lục bình, rau muống. Một nghiên cứu xử lý chất dinh dưỡng trong nước thải đối với lục bình và ngổ trâu cho thấy với thời gian lưu 4 tuần, lục bình và ngổ trâu có khả năng xử lý NH với hiệu suất lên tới 88%, và PO tới 99% 26. Xử lý bằng bể lục bình – bể tảo – bể lục bình với thới gian lưu tổng cộng 29 ngày hiệu suất xử lý BOD tới 96,9%, P là 89,2%, COD là 79% 27. Ao thủy sinh được xem như trạm xử lý chất thải. Nước thải từ bể chứa biogas và ao cá được cho vào ao chứa lục bình. Dưới tác dụng của kết hợp giữa chất hữu cơ trong nước thải khả năng xử lý chất thải của lục bình sẽ góp phần cải thiện chất lượng nước ao. Nước sau khi qua ao thủy sinh sẽ được sử dụng để tưới cây. Với độ pH thấp trong đất chứa phèn, các nguồn tài nguyên trong hệ thống cần được sử dụng tối đa để cải thiện cả chất lượng đất và nước, đồng thời giảm chi phí cho nông trại.

Từ kết quả ở Table 4, sự cân đối giữa năng lượng tích lũy và năng lượng tiêu thụ từ các phương án chỉ ra rằng phương án 6, phương án 9, phương án 16 và phương án 20 là mang tính khả thi cao, hiệu quả tối ưu thuộc về phương án 6. Tính khả thi thấp nhất gồm các phương án 5, phương án 11 và phương án 18. Ngoài ra, phương án theo vòng đời 3 năm có hiệu suất năng lượng tốt hơn so với phương án 1 năm. Table 5 cho thấy hiệu suất năng lượng tốt nhất trong hệ thống tích hợp khi sử dụng khí và bùn trong bể biogas và làm phân compost. Thời gian chung cho mô hình tiềm năng là 3 năm (theo vòng đời của cây ăn trái), vòng đời của các cấu phần tham gia dao động từ 4 tháng (nuôi heo) đến 6 tháng (nuôi cá). Do vòng đời của heo và cá chênh lệch vài tháng nên tác giả lựa chọn phân tích năng lượng cho các cấu phần này là một năm. Hiệu suất năng lượng của phương án một năm khá thấp so với vòng đời 3 năm. Trường hợp nếu mô hình trồng loại cây khác với vòng đời ngắn hơn cây mít, ví dụ như chuối thay thế cho cây mít vì cây chuối có thể sống tốt ở khu vực nhiễm phèn, vòng đời của cây chuối khoảng 1 năm nhưng về sản lượng tính theo khối lượng và năng lượng đầu ra tương đương với cây mít. Bài báo cũng cân nhắc khía cạnh kinh tế của các thành phần bổ sung cho các mô hình tối ưu. Vì bể chứa biogas có thể được thiết kế bằng nhiều loại vật liệu khác nhau, chủ yếu là bằng gạch và nhựa PE nhưng chi phí cho bể gạch cao gấp hai lần túi nhựa PE nên vấn đề lựa chọn mô hình và lắp đặt các hạng mục phù hợp sẽ tùy thuộc vào khả năng của từng hộ nông dân. Bên cạnh đó, việc lựa chọn bể chứa biogas thiết kế bằng gạch và nhựa cần cân nhắc thêm độ bền của bể và túi nhựa. Mặc dù bể chứa biogas thiết kế bằng gạch có giá thành đầu tư ban đầu mắc gấp đôi bể chứa biogas thiết kế bằng nhựa, nhưng độ bền của bể sẽ cao hơn.

Đặc biệt là nguồn đất đai vốn có của hộ đóng góp vào hiệu suất năng lượng của mô hình vì các bể chứa biogas, nơi chứa chất thải làm phân compost và ao thủy sinh cần một diện tích phù hợp với quy mô sản xuất của hộ nông dân.

Ngoài ra, yếu tố bền vững trong nông nghiệp không chỉ thể hiện ở vấn đề kinh tế mà còn ở hệ số chuyển đổi Str đề cập đến tính bền vững của hệ thống. So với hệ số Str của hệ thống hiện tại là 7, 14 thì các phương án tốt nhất (gồm 6, 9, 16, 20) đều có hệ số Str thấp hơn (Table 6).

Do nhu cầu canh tác trên đất phèn là tất yếu và các hộ nằm trong cùng một vùng sinh thái như vùng phèn đều có điều kiện tự nhiên tương tự nhau như hệ thực vật, chất lượng nguồn nước, chất lượng đất và vi khí hậu ... nên tiềm năng kết hợp tất cả các thành phần sẵn có của khu vực để phát triển sinh kế là rất cao. Nhờ vào sự tương đồng về tự nhiên và các hoạt động sinh kế chính nên việc tính toán lựa chọn các phương án tích hợp sinh kế trong hộ dân sẽ giúp cho việc đánh giá, so sánh hiệu quả của mô hình được thuận lợi hơn và dễ triển khai nhân rộng sau này. Nhìn chung, các giải pháp tận dụng và chuyển hóa các loại chất thải trong các phương án tốt nhất góp phần cho một hệ thống chăn nuôi hướng tới không phát thải và tạo sinh kế bền vững hộ nông dân 28. Các loại chất thải xung quanh có thể được tái sử dụng và chuyển hóa thành các sản phẩm có giá trị như: năng lượng cho sinh hoạt, phân bón hữu cơ cho cây trồng. Nước thải từ bể biogas có thể được xử lý bằng hệ sinh thái tự nhiên của khu vực. Dòng chất thải từ gia súc làm chất dinh dưỡng để nuôi cây.

KẾT LUẬN

Bài báo này trình bày các khía cạnh cần thiết để xem xét tiềm năng trao đổi các dòng vật chất và năng lượng trong nông trại nhằm tối ưu về hiệu quả năng lượng lẫn kinh tế. Bài báo cũng thảo luận về một số khía cạnh quan trọng cho mô hình tích hợp hướng đến không chất thải dựa trên phân tích năng lượng, kinh tế nhằm lựa chọn phương án tối ưu. Phân tích kinh tế của bất kỳ hoạt động nào bao gồm cả sản xuất nông nghiệp đều phải xem xét đầy đủ các tác động dài hạn. Quan điểm dài hạn rất cần thiết cho hoạt động nông nghiệp với hiệu quả cao nhất trong sử dụng vật liệu - năng lượng và tác động đến sinh thái được xác định rõ ở mức độ chấp nhận được. Để đạt được những mục tiêu này, nghiên cứu đã thiết kế các cấu phần trong sản xuất nông nghiệp như một hệ thống tích hợp để điều tiết dòng năng lượng. Sự phân tích dòng năng lượng ảnh hưởng đến chiến lược kinh tế cho việc lập kế hoạch sản xuất nông nghiệp 6.

LỜI CẢM ƠN

Tập thể tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Đại Học Quốc Gia TP.HCM, Viện Môi Trường và Tài Nguyên đã tài trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng tôi có thể hoàn thành nghiên cứu này trong khuôn khổ đề tài KC.08.19/16-20. Xin cảm ơn hộ dân Võ Văn Thăm đã hỗ trợ cung cấp số liệu, tạo điều kiện khảo sát thực tế tại nông trại cũng như khu vực xung quanh nông trại.

XUNG ĐỘT LỢI ÍCH

Nhóm tác giả cam đoan rằng không có xung đột lợi ích trong công bố bài báo “Xây dựng mô hình khép kín đáp ứng nông nghiệp bền vững cho hộ nông dân khu vực bị nhiễm phèn”.

ĐÓNG GÓP CỦA TÁC GIẢ

Tác giả Nguyễn Thị Thu Thảo, Lê Quốc Vĩ, Trà Văn Tung, Trần Trung Kiên, Nguyễn Thị Phương Thảo cùng đóng góp vào các nội dung và xây dựng kết quả của nghiên cứu này.