Ở Anh quốc, mỗi trang trại nuôi lợn công nghiệp cho ra khoảng 8 - 10 triệu tấn phân lợn mỗi năm. Trong phân lợn có chứa nhiều nito và phốt pho do đó là một loại phân bón rất tốt. Mặc dù vậy, khi số lượng phân lợn được sử dụng nhiều hơn nhu cầu của cây trồng, chính sự giàu dinh dưỡng này lại gây ra ô nhiễm đất, các con sông và bầu không khí. Hệ quả là các dòng sông ở Anh có lượng nitrat cao hơn 50mg/l. Chính sự dư thừa này làm cho nước ở các dòng sông không thể sử dụng cho sinh hoạt , gây ra sự phì nhưỡng ở các dòng chảy và tạo điều kiện cho sự sinh sôi của tảo ở vùng bờ biển.
Kiểm soát sự ô nhiễm này là yêu cầu của chỉ thị 91/976/EEC, chỉ thị này chỉ cho phép lượng nito trung bình từ các chất thải của gia súc được rải trên đất trồng không quá 170kg N/ha. Để hạn chế sự ô nhiễm nguồn nước bởi nitrat, giải pháp thường được sử dụng trong 90% trường hợp là sử dụng quy trình xử lý phân hiếu khí. Vi khuẩn có mặt tự nhiên trong phân biến đổi một phần lượng nito trong phân thành dạng khí, sử dụng các thành phần hữu cơ trong đó làm thức ăn. Các vi khuẩn này cần oxy để sống nên cần phải đưa một lượng oxy vào trong phân trong quá trình xử lý phân.
Tuy nhiên, làm giảm lượng nito trong phân theo cách này làm thoát ra các khí gây ô nhiễm như nito protoxit (N2O) và amoniac (NH3). Amoniac là một trong những khí gây ra mưa axit, còn nito protoxid lại gây ra hiệu ứng nhà kính làm phá hủy tầng ozon.
Các nhà khoa học ở Cemagref tại Rennes đã tiến hành nghiên cứu trong 3 năm nhằm giải quyết vấn đề hạn chế sự phát tán các khí gây ô nhiễm môi trường đồng thời làm giảm lượng nito trong phân.
Nắm rõ đặc tính của vi khuẩn để hạn chế ô nhiễm
Quá trình xử lý phân hiếu khí giải phóng ra một lượng lớn nito, khoảng 70% tổng lượng nito có trong phân. Lượng nito này bị các vi khuẩn ưa khí làm biến chất và chuyển thành các khí sau: N­2, N2O và NH3. Thành phần khí chính được thoát ra là khí N2, hoàn toàn không có hại với môi trường bởi trước đó nó đã chiếm đến 80% bầu khí quyển của chúng ta. Tuy nhiên, dưới các điều kiện nhất định, các vi khuẩn có thể hấp thụ một số thành phần có chứa nito và giải phóng các khí có hại đến môi trường như nito protoxide N2O và amoniac NH3. Để giải quyết vấn đề này chúng ta phải hiểu rõ khi nào và trong điều kiện gì, các vi khuẩn mới có thể tạo ra các khí có hại này. Để trả lời câu hỏi này, các nhà khoa học đã tiến hành thí nghiệm trong đó có sử dụng các máy đo và một bình phản ứng dung tích 10 lít. Người ta mất 6 tháng để lắp ráp và quá trình thử nghiệm diễn ra trong 18 tháng. Các nhà nghiên cứu từ đó đã có thể nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số lên quá trình xử lý phân hiếu khí
Các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu thời gian vi khuẩn hoạt động trong phân và cơ chế của quá trình tiếp xúc với không khí. Các thông số của phân cũng được đo để kiểm soát sự thoát khí và thành phần nito. Quá trình thoát khí nito protoxide được xác định bằng phương pháp sử dụng đồng vị nito 15, một đồng vị ổn định không có tính phóng xạ. Quá trình nitrat hóa và quá trình tách nito được thưc hiện bởi một số loại vi khuẩn có trong phân. Quá trình nitrat hóa là quá trình biến đổi nito trong phân thành nitrat thông qua các vi khuẩn gọi là vi khuẩn tạo nitrat. Khi không có đủ khí oxy, khí nito protoxide có thể được giải phóng vào trong không khí. Kết quả là sự kém thông thoáng của hố phân trong giai đoạn đầu tiên có thể gây ra sự ô nhiễm khí N2­O. Amoniac cũng có thể được giải phóng trong phản ứng nitrat hóa, ví dụ như khi thời gian xử lý phân quá ngắn. Các vi khuẩn tạo nitrat không có thời gian để phát triển và các thành phần có chứa nito trong phân chưa được hấp phụ một cách đầy đủ.
Quá trình thứ 2 gây ra sự giải phóng khí N2O là phản ứng tách nito, trong đó các vi phẩn tách nito đóng một vai trò quan trọng. Chúng biến đổi các nitrat sang phân tử khí nito N­2, và khi có quá nhiều oxy, nito protoxide được tạo ra và giải phóng . Do đó cần có khoảng thời gian yếm khí thích hợp để cho không có khí N2O giải phóng ra.
Trong quá trình xử lý phân hiếu khí 30% tổng lượng nito trong phân có thể được chuyển hóa thành N2O nếu phân được tập trung ở trong các bể thoát khí. Bằng cách kiểm soát trình tự của quá trình thông thoáng và yếm khí(giảm tiếp xúc của phân với oxy), chúng ta có thể làm giảm lượng N2O thoát ra từ 30% xuống còn 0%. Kết quả tối ưu của quá trình loại bỏ các thành phần có chứa nito là loại bỏ khoảng 60% - 70% tổng lượng nito. Do đó kiểm soát một cách tuần tự quá trình thông thoáng khí ở hố phân là một phương pháp hữu hiệu để ngăn chặn sự ô nhiễm N2O và NH3 đến bầu khí quyển.
Cách thức vận hành quá trình thông thoáng khí tuần tự đã được sử dụng tại một số nhà máy xử lý phân hiếu khí. Tuy nhiên, điều cần thiết ở đây là thay đổi cách thức này cho phù hợp với đặc tính của phân và thể tích thiết bị. Một hệ thống đo lường trong các hố phân được chế tạo để xác định lượng khí thoát ra trên diện tích canh tác và điều chỉnh quá trình thoát khí cho phù hợp với yêu cầu. Quá trình biến đổi và chuyển hóa nito thành các chất khí vào trong không khí cũng tiếp tục diễn ra trong suốt quá trình lưu giữ phân trong các hố phân. Amoniac có thể bay hơi khi nó đạt đến tỷ lệ 18% - 20% tổng lượng nito có trong phân. N2O cũng được giải phóng nếu lượng carbon bị hấp thụ là thấp.
Tất cả những thí nghiệm được thực hiên trong suốt vài năm tại Cemagref đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu các thông tin quý báu nhằm tối ưu hóa phương pháp xử lý phân hiếu khí mà vẫn bảo vệ được môi trường. Các thông tin khoa học này giúp các nhà khoa học tại Cemagref đưa ra các lời khuyên và tư vấn cho các nhà máy xử lý phân. Ứng dụng của các nghiên cứu này đã được áp dụng tại một số nơi quan tâm tới việc kiểm soát ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu cũng đang được thực hiện để cải thiện các quá trình xử lý phân hiện có và phát triển thêm các công nghệ mới.