Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam đã thúc đẩy số lượng đô thị tăng từ 500 đô thị trong thập niên 1990 lên 795 đô thị vào năm 2016. Đi kèm với sự tăng trưởng kinh tế là áp lực khổng lồ từ chất thải rắn sinh hoạt, khi khu vực đô thị chiếm tới 50% tổng lượng rác thải cả nước và duy trì tốc độ gia tăng trung bình 10% đến 12% mỗi năm. Riêng tại Hà Nội, khối lượng rác thải sinh hoạt phát sinh đạt khoảng 6.500 tấn mỗi ngày, trong đó tỷ lệ xử lý bằng phương pháp chôn lấp hợp vệ sinh chiếm từ 73% đến 81%. Quận Đống Đa là một trong những trung tâm đô thị lõi với diện tích tự nhiên 994,7 ha và quy mô dân số trên 410.000 người, tạo ra lượng rác thải sinh hoạt rất lớn với tỷ lệ hữu cơ cao dao động từ 51,9% đến 77%.

Vấn đề đặt ra là việc chôn lấp rác thải hữu cơ tại bãi rác tập trung Nam Sơn tạo ra nguồn khí nhà kính khổng lồ, đặc biệt là khí metan (CH4) có tiềm năng gây nóng lên toàn cầu cao gấp 25 lần so với CO2. Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Khoa học Môi trường của học viên Phạm Quỳnh Thêu, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Thế Nguyên và PGS. Đỗ Quang Huy tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN, được thực hiện nhằm giải quyết bài toán cấp bách này. Nghiên cứu tập trung đánh giá chi tiết công tác thu gom rác thải sinh hoạt tại quận Đống Đa giai đoạn 2013 - 2018, đồng thời định lượng phát thải và tiềm năng thu hồi khí CH4 để phát điện. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng giúp nâng cao hiệu quả thu gom, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đóng góp vào mục tiêu an ninh năng lượng tái tạo của Thủ đô.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phân hủy kỵ khí chất thải rắn đô thị (MSW) và cơ chế phát thải khí bãi rác (LFG). Quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong bãi chôn lấp trải qua 4 giai đoạn nối tiếp: giai đoạn thích nghi hiếu khí ban đầu, giai đoạn axit hóa tạo ra axit hữu cơ và CO2, giai đoạn metan hóa và giai đoạn ổn định khi nồng độ CH4 đạt trạng thái cân bằng ở mức 50% đến 55% thể tích.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng hướng dẫn kiểm kê khí nhà kính của Ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC 2006) dựa trên lý thuyết phân rã bậc nhất (First Order Decay - FOD). Khung tính toán xác định lượng carbon hữu cơ dễ phân hủy (DOC), phần DOC phân hủy kỵ khí (DOCf mặc định bằng 0,5) và hệ số hiệu chỉnh khí metan (MCF = 1,0 đối với bãi chôn lấp được quản lý hợp vệ sinh). Để chuyển đổi thể tích khí thành năng lượng, mô hình nhiệt trị áp dụng giá trị nhiệt thấp của CH4 là 9,7 kWh/m3 và hiệu suất chuyển đổi của động cơ đốt trong đạt từ 30% đến 42%.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tổng hợp đa tầng từ số liệu thống kê giai đoạn 2013 - 2018 của Chi nhánh Đống Đa thuộc Công ty TNHH MTV Môi trường Đô thị Hà Nội (URENCO) kết hợp khảo sát thực địa trong tháng 10 năm 2018. Khảo sát thực tế được thực hiện với cỡ mẫu gồm 16 tổ trưởng phụ trách các địa bàn thu gom và 63 hộ gia đình phân bố tại 21 phường trực thuộc quận Đống Đa (mỗi phường khảo sát ngẫu nhiên 3 hộ dân đại diện). Phương pháp chọn mẫu phân tầng ngẫu nhiên được lựa chọn nhằm đảm bảo tính đại diện cho các loại hình nhà ở, ngõ ngách và mức sống dân cư trên địa bàn 73 tuyến phố với tổng chiều dài 47,76 km và hơn 172,5 km đường ngõ xóm.

Mô hình LandGEM 3.02 do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) phát triển được lựa chọn làm công cụ tính toán phát thải chính. Lý do lựa chọn LandGEM 3.02 là vì mô hình này đã được chuẩn hóa quốc tế, cho phép mô phỏng chính xác động học phát thải khí metan theo chuỗi thời gian 50 năm dựa trên tốc độ phân hủy kỵ khí, lượng mưa trung bình hàng năm và thành phần rác thải thực tế. Dữ liệu đầu ra tiếp tục được nhân với hệ số thu hồi khí chuẩn 75% của US EPA và hiệu suất chuyển hóa nhiệt điện 35% để xác định công suất phát điện khả thi.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh tại quận Đống Đa có xu hướng gia tăng liên tục từ năm 2013 đến năm 2018 theo đà tăng trưởng dân số và dịch vụ thương mại với 245 cơ quan, doanh nghiệp, 63 khách sạn và 111 siêu thị, trung tâm thương mại. Tỷ lệ thu gom rác thải trên địa bàn quận đạt mức rất cao, trên 98%, đảm bảo phần lớn rác thải được vận chuyển về bãi chôn lấp Nam Sơn với khối lượng trung bình hàng trăm tấn mỗi ngày.

Thứ hai, thành phần rác thải sinh hoạt của quận Đống Đa mang đặc trưng của đô thị lớn với tỷ lệ chất hữu cơ dễ phân hủy chiếm tỷ trọng áp đảo từ 51,9% đến 58,4%, các vật liệu tái chế như nhựa và kim loại chiếm 8% đến 18%, còn lại là tạp chất vô cơ và thành phần kích thước nhỏ dưới 10mm chiếm khoảng 32%. Lượng chất thải nguy hại lẫn trong rác sinh hoạt dao động từ 0,02% đến 0,82%.

Thứ ba, kết quả ứng dụng mô hình LandGEM 3.02 cho thấy tiềm năng sinh khí CH4 từ 1 tấn rác thải sinh hoạt quận Đống Đa chôn lấp đạt giá trị lớn trong 5 năm đầu tiên và tiếp tục duy trì dòng khí ổn định trong vòng 20 đến 25 năm. Với hiệu suất thu gom thực tế ước tính 75%, lượng khí metan thu hồi từ nguồn rác thải quận Đống Đa tại bãi rác Nam Sơn có khả năng cung cấp hàng triệu m3 khí sạch mỗi năm, đủ nhiên liệu để vận hành hệ thống máy phát điện công suất từ vài MW, đóng góp đáng kể vào việc cấp điện tự dùng cho bãi rác và hòa lưới điện quốc gia.

Thảo luận kết quả

Thành phần hữu cơ vượt trội trên 50% là yếu tố then chốt tạo ra tiềm năng sinh khí metan cao cho rác thải quận Đống Đa khi được chôn lấp tại các ô bãi rác Nam Sơn có lót màng chống thấm HDPE dày 1,5 mm. Tuy nhiên, công tác thu gom hiện nay vẫn chủ yếu sử dụng xe đẩy tay truyền thống tại các ngõ nhỏ trước khi cẩu ép lên xe chuyên dụng, dẫn đến tình trạng rác bị nén ẩm và chưa phân loại triệt để tại nguồn.

Khi so sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tính toán tại Đống Đa tương đồng với các mô hình tại Châu Á và Bắc Mỹ. Tại bãi rác Brady Road (Winnipeg, Canada), sản lượng metan ước tính đạt 111 m3/tấn rác theo mô hình Scholl Canyon, trong khi dự án Kamphaeng Saen tại Thái Lan đã thương mại hóa thành công nguồn khí LFG với công suất phát điện 8 MW. Tại Việt Nam, dự án CDM tại bãi rác Nam Sơn do URENCO và đối tác triển khai với công suất 5 MW ước tính cắt giảm khoảng 370.000 tấn CO2 tương đương mỗi năm, vượt trội so với các dự án bãi rác Đông Thạnh (147.618 tấn CO2e/năm) hay Phước Hiệp I (132.351 tấn CO2e/năm).

Để tối ưu hóa trực quan, các kết quả tính toán phát thải dòng khí CH4 theo thời gian 50 năm có thể được minh họa sinh động qua biểu đồ đường cong phân rã hình chuông lệch theo mô hình LandGEM, kết hợp biểu đồ cột so sánh sản lượng điện tiềm năng theo từng năm chấp nhận rác.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm hoàn thiện chuỗi quản lý rác thải và khai thác tối đa tiềm năng năng lượng:

Thứ nhất, triển khai phân loại rác thải tại nguồn đồng bộ trên toàn bộ 21 phường thuộc quận Đống Đa. Ủy ban nhân dân quận Đống Đa phối hợp cùng URENCO Chi nhánh Đống Đa cần thiết lập hệ thống thu gom tách riêng rác hữu cơ dễ phân hủy và rác tái chế, đặt mục tiêu đến năm 2022 giảm ít nhất 20% lượng rác chôn lấp trực tiếp và nâng tỷ lệ thu hồi phế liệu tái chế lên 15%.

Thứ hai, hiện đại hóa phương tiện và quy trình thu gom rác trong ngõ xóm. Thay thế dần các xe đẩy tay kim loại cũ kỹ bằng các thùng rác chuyên dụng có nắp đậy kín dung tích 120L - 240L, đồng thời bố trí các trạm trung chuyển ép rác kín tạm thời tại các trục đường chính như Xã Đàn, Thái Hà, Tôn Đức Thắng để giảm thiểu rò rỉ nước rỉ rác và mùi hôi ra môi trường xung quanh.

Thứ ba, đầu tư và hoàn thiện hệ thống giếng khoan thu hồi khí bãi rác thẳng đứng kết hợp mạng lưới rãnh thu ngang tại Khu liên hiệp xử lý chất thải Nam Sơn. Đơn vị vận hành bãi rác cần áp dụng công nghệ lọc tách ẩm, khử Siloxan và H2S trước khi đưa khí metan vào tổ máy phát điện turbine hoặc động cơ đốt trong, duy trì hiệu suất thu giữ khí đạt trên 75% công suất thiết kế.

Thứ tư, xây dựng cơ chế tài chính ưu đãi và chính sách trợ giá biểu phí điện rác (Feed-in Tariff) từ cơ quan quản lý Nhà nước như Bộ Tài nguyên và Môi trường, Sở Tài chính Hà Nội. Đẩy mạnh việc đăng ký cấp chứng chỉ giảm phát thải carbon (CERs) theo cơ chế phát triển sạch (CDM) để tạo nguồn thu bù đắp chi phí vận hành cho các dự án điện bãi rác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

Cơ quan quản lý nhà nước và chính quyền đô thị: Cán bộ quản lý môi trường tại Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, UBND quận Đống Đa có thể sử dụng các số liệu hiện trạng và định mức thu gom để xây dựng quy hoạch hạ tầng môi trường và đề án phân loại rác đô thị.

Doanh nghiệp môi trường và đơn vị vận hành bãi chôn lấp: Ban lãnh đạo và kỹ sư tại URENCO Hà Nội cùng các doanh nghiệp xử lý chất thải có được bộ thông số chi tiết về tốc độ phát thải khí CH4, từ đó tối ưu hóa công tác vận hành ô chôn lấp hợp vệ sinh và thiết kế hệ thống ống thu khí LFG.

Nhà đầu tư và phát triển năng lượng tái tạo: Các tổ chức tài chính và doanh nghiệp quan tâm đến lĩnh vực điện rác (Waste-to-Energy) có thể sử dụng phương pháp tính toán công suất phát điện và phân tích kinh tế - môi trường để lập báo cáo khả thi cho các dự án CDM tại Việt Nam.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Môi trường: Tài liệu là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp luận ứng dụng mô hình toán học LandGEM 3.02, kỹ thuật khảo sát xã hội học môi trường và phân tích động học phân hủy chất thải rắn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc thu hồi khí metan từ bãi rác chôn lấp lại quan trọng đối với môi trường?
Khí metan phát sinh từ quá trình phân hủy kỵ khí rác hữu cơ có khả năng gây hiệu ứng nhà kính mạnh gấp 25 lần CO2. Thu hồi khí CH4 để phát điện không chỉ giảm hàng trăm nghìn tấn khí thải gây nóng lên toàn cầu mỗi năm mà còn triệt tiêu nguy cơ cháy nổ và mùi hôi tại bãi rác.

Mô hình LandGEM 3.02 hoạt động như thế nào trong việc ước tính lượng khí thải?
Mô hình dựa trên phương trình động học phân rã bậc nhất, sử dụng khối lượng rác chôn lấp hàng năm kết hợp với hai thông số quan trọng: tốc độ sinh khí k (xác định từ lượng mưa) và khả năng sinh khí tiềm năng L0 (tính từ hàm lượng carbon hữu cơ DOC của rác).

Rác thải sinh hoạt quận Đống Đa có đặc tính gì nổi bật cho việc phát điện?
Rác thải quận Đống Đa có hàm lượng hữu cơ cao vượt trội, đạt từ 51,9% đến 58,4%, với độ ẩm thuận lợi cho quá trình lên men kỵ khí. Lượng chất hữu cơ phong phú này là nguồn cung cấp dồi dào để vi sinh vật chuyển hóa thành khí metan giàu nhiệt năng (9,7 kWh/m3).

Hiệu suất thu hồi khí bãi rác thực tế thường đạt bao nhiêu phần trăm?
Theo tiêu chuẩn của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) và dữ liệu thực tế tại các bãi chôn lấp được che phủ hợp vệ sinh bằng màng HDPE, hiệu suất thu hồi khí trung bình đạt khoảng 75%, với dải dao động thực nghiệm từ 50% đến 95%.

Giải pháp nào cấp thiết nhất để nâng cao hiệu quả công tác thu gom rác tại Đống Đa?
Giải pháp cấp thiết nhất là triển khai đồng bộ việc phân loại rác hữu cơ và vô cơ tại nguồn ở cấp hộ gia đình, đồng thời chuyển đổi từ hệ thống thu gom bằng xe đẩy tay thô sơ sang các thùng rác tiêu chuẩn kết hợp xe ép rác chuyên dụng trong các ngõ nhỏ.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện hiện trạng phát sinh và thu gom rác thải sinh hoạt tại 21 phường thuộc quận Đống Đa giai đoạn 2013 - 2018 với tỷ lệ thu gom ấn tượng đạt trên 98%.
  • Xác định rõ đặc trưng rác thải sinh hoạt quận Đống Đa có tỷ lệ chất hữu cơ dễ phân hủy cao (51,9% - 77%), tạo điều kiện lý tưởng cho quá trình phân hủy kỵ khí sinh khí metan.
  • Ứng dụng thành công mô hình LandGEM 3.02 để định lượng dòng khí CH4 phát sinh và khẳng định tiềm năng phát điện khả thi từ nguồn rác thải đưa về bãi chôn lấp Nam Sơn.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp kỹ thuật, hạ tầng và chính sách tài chính CDM giúp nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng sạch và giảm phát thải khí nhà kính.
  • Đóng góp nguồn tư liệu khoa học thực chứng quý giá cho công tác quy hoạch quản lý chất thải rắn đô thị và chuyển dịch năng lượng xanh tại Thủ đô Hà Nội.