Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa và phát triển kinh tế nhanh chóng tại Việt Nam kéo theo sự gia tăng áp lực chất thải rắn sinh hoạt. Theo báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố tại Công văn số 3680/BTNMT-TCMT, cả nước có khoảng 660 bãi chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt nhưng chỉ có 203 bãi hợp vệ sinh (chiếm khoảng 30,8%), còn lại gần 70% là các bãi rác tạm lộ thiên không đảm bảo quy chuẩn kỹ thuật. Tại thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh – trung tâm du lịch với diện tích 1.119,36 km² và quy mô dân số trên 300.267 người, nhu cầu xử lý rác thải sinh hoạt phát sinh từ 350 đến 400 tấn mỗi ngày đã dẫn đến việc hình thành các hố chôn lấp rác tạm thời tại xã Vũ Oai.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là sự hình thành và phát tán các khí độc hại từ các bãi rác tạm không có hệ thống thu gom khí và lót đáy đạt chuẩn. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu nhằm định lượng tải lượng phát sinh khí nhà kính mêtan (CH4) và khí gây mùi hydro sunfua (H2S), đồng thời mô phỏng đánh giá quy luật lan truyền không gian - thời gian của các chất này trong môi trường không khí xung quanh. Phạm vi nghiên cứu được triển khai tại 3 hố chôn lấp rác tạm thuộc xã Vũ Oai trong giai đoạn từ năm 2016 đến năm 2021, kết hợp chuỗi dữ liệu khí tượng giai đoạn 2018 - 2020 để dự báo lan truyền cho mốc thời gian năm 2023 và năm 2027. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi cung cấp cơ sở khoa học giúp cơ quan quản lý xác định phạm vi cách ly an toàn vệ sinh tối thiểu từ 500 đến 1.000 mét, giảm thiểu rủi ro ô nhiễm khí quyển và bảo vệ sức khỏe cho hơn 1.360 người dân tại khu vực lân cận.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết phân hủy sinh học kỵ khí chất hữu cơ trong các bãi chôn lấp chất thải rắn đô thị. Quá trình này trải qua các giai đoạn hiếu khí, axit hóa và mêtan hóa, chuyển hóa cacbon và protein thành hỗn hợp khí bãi rác (LFG) chứa 45% - 60% thể tích CH4, 40% - 60% thể tích CO2 và các hợp chất chứa lưu huỳnh dạng vết như H2S (chiếm từ 0,1% đến 1,0%). Khí CH4 có tiềm năng làm nóng toàn cầu gấp 22 đến 28 lần khí CO2 và chiếm khoảng 18% tỷ trọng gây hiệu ứng nhà kính toàn cầu. Trong khi đó, H2S là khí độc có ngưỡng gây mùi cực thấp (khoảng 0,5 đến 1,0 ppb), tỷ trọng 1,19 nặng hơn không khí nên có xu hướng lắng đọng gần mặt đất, gây kích ứng mạnh hệ hô hấp và thị giác.

Để lượng hóa tải lượng phát thải, nghiên cứu ứng dụng mô hình LandGEM v3.03 (Landfill Gas Emissions Model) do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US-EPA) phát triển. Mô hình hoạt động dựa trên phương trình phân rã động học bậc nhất:

$$Q_{CH4} = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=0.1}^{1} k \cdot L_0 \left(\frac{M_i}{10}\right) e^{-k \cdot t_{ij}}$$

Trong đó, tốc độ tạo khí k được xác định ở mức 0,050 năm⁻¹ đối với vùng có lượng mưa trung bình năm đạt 1.832 mm, công suất sinh khí mêtan tiềm năng L0 được thiết lập ở mức 170 m³/tấn rác theo tiêu chuẩn kiểm kê CAA. Đối với bài toán khuếch tán không khí, nghiên cứu áp dụng mô hình AERMOD kết hợp hai bộ tiền xử lý AERMET (xử lý khí tượng lớp biên) và AERMAP (xử lý địa hình số DEM), tích hợp lý thuyết phân tán Gauss trong lớp biên khí quyển (PBL) cả ở trạng thái đối lưu ban ngày lẫn trạng thái ổn định ban đêm theo hướng dẫn tại Công văn số 3051/BTNMT-TCMT của Tổng cục Môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp kết hợp điều tra sơ cấp toàn diện từ 3 hố chôn lấp tạm thời tại xã Vũ Oai với tổng khối lượng tiếp nhận thực tế lên đến 860.000 tấn chất thải rắn sinh hoạt. Cụ thể, Hố số 1 tiếp nhận 214.454 tấn trong giai đoạn 2016 - 2017; Hố số 2 tiếp nhận 234.543 tấn trong năm 2018; Hố số 3 tiếp nhận 411.003 tấn trong giai đoạn 2019 - 2021.

Phương pháp mô hình hóa được lựa chọn vì tính ưu việt vượt trội so với phương pháp đo đạc cục bộ truyền thống. Chuỗi số liệu khí tượng bề mặt và cao không được thu thập liên tục 3 năm (từ tháng 1/2018 đến tháng 12/2020) bao gồm các thông số: nhiệt độ trung bình năm 23,7°C (mùa đông 16,7°C, mùa hè 28,6°C), tốc độ gió trung bình 2,8 m/s, hướng gió chủ đạo là Tây Nam vào mùa hè và Đông Bắc vào mùa đông. Dữ liệu địa hình được trích xuất từ bản đồ số độ cao SRTM với độ phân giải cao. Miền tính toán khuếch tán được thiết kế với lưới môi trường thụ cảm (receptor grids) gồm 10.201 điểm tính toán phân bố đều trên diện tích nghiên cứu với tỷ lệ 1:150.000, đảm bảo độ bao phủ bán kính lan truyền từ tâm bãi rác ra đến 5.000 mét.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô phỏng từ mô hình LandGEM và AERMOD đã cung cấp các phát hiện định lượng quan trọng về diễn biến phát thải và lan truyền ô nhiễm:

  • Thứ nhất, tải lượng phát sinh khí CH4 và H2S từ 3 hố chôn lấp đạt cực đại ngay sau thời điểm đóng bãi từ 1 đến 2 năm, sau đó suy giảm dần theo đường cong phân rã bậc nhất. Tổng lượng khí CH4 phát thải tích lũy từ 3 hố bãi rác đạt hàng chục triệu mét khối mỗi năm trong giai đoạn vận hành cao điểm và tiếp tục duy trì mức phát thải kéo dài sau khi ngừng tiếp nhận rác.
  • Thứ hai, tại thời điểm kịch bản năm 2023, nồng độ H2S trung bình 1 giờ cao nhất (Rank 1) ghi nhận tại khu vực nguồn phát thải đạt tới 83,0 µg/m³; nồng độ H2S trung bình 24 giờ cao nhất đạt 19,8 µg/m³. Ở phân vị thứ 99 (99th percentile), nồng độ H2S trung bình 1 giờ đạt 26,5 µg/m³ và trung bình 24 giờ đạt 8,68 µg/m³, vượt ngưỡng quy chuẩn giới hạn phát hiện mùi tại các vị trí sát ranh giới bãi rác.
  • Thứ ba, kết quả dự báo kịch bản năm 2027 cho thấy mặc dù lượng phát thải tại nguồn có xu hướng giảm nhẹ do rác đã phân hủy một phần, nồng độ H2S trung bình 1 giờ cực đại vẫn ở mức 83,0 µg/m³, nồng độ trung bình 24 giờ lớn nhất đạt 15,8 µg/m³ và giá trị trung bình 24 giờ ở phân vị thứ 99 đạt 9,677 µg/m³. Nồng độ phát tán trung bình năm của H2S duy trì ở mức 2,51 µg/m³.
  • Thứ tư, vùng có nồng độ ô nhiễm tập trung cao nhất nằm trong bán kính từ 300 đến 800 mét tính từ biên các hố rác tạm. Sự khuếch tán ô nhiễm thể hiện rõ tính định hướng theo mùa: vệt ô nhiễm trải rộng về phía Đông Bắc vào mùa hè và lan mạnh về phía Tây Nam vào mùa đông theo hoàn lưu gió mùa khu vực ven biển.

Thảo luận kết quả

Diễn biến nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí chịu tác động đồng thời của động học phân hủy kỵ khí và cấu trúc lớp biên khí quyển. Khí CH4 có phân tử lượng nhẹ hơn không khí (tỷ khối khoảng 0,55) nên có xu hướng bốc thẳng đứng lên cao và khuếch tán nhanh khi có gió đối lưu mạnh, dẫn đến nồng độ sát mặt đất giảm nhanh sau khoảng cách 700 đến 1.000 mét. Ngược lại, H2S là khí có tỷ trọng nặng hơn không khí nên dễ bị giữ lại ở tầng sát mặt đất, đặc biệt trong các khoảng thời gian nghịch nhiệt ban đêm hoặc những ngày thời tiết tĩnh gió (tốc độ gió dưới 1,0 m/s), hình thành các dải nồng độ cục bộ gây mùi khó chịu cho khu dân cư.

Khi so sánh với các công bố khoa học tại các bãi chôn lấp lớn ở Việt Nam như bãi rác Đa Phước và Phước Hiệp (Thành phố Hồ Chí Minh) với hệ số phát thải H2S dao động từ 55,86 đến 61,02 mg/m²/giờ, hoặc bãi rác Jerubaiciai (Litva) có phạm vi lan truyền H2S vượt chuẩn lên tới 2.500 mét vào mùa hè và 800 mét vào mùa đông, kết quả nghiên cứu tại xã Vũ Oai phản ánh đúng quy luật phân tán chất ô nhiễm tại các bãi chôn lấp hở quy mô vừa ở vùng duyên hải. Các dữ liệu này được trực quan hóa sinh động trên bản đồ phân bố trường nồng độ 2D và mô hình phối cảnh 3D kết hợp ảnh vệ tinh viễn thám, minh chứng rõ rệt ranh giới an toàn môi trường cần được thiết lập tối thiểu là 800 mét.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả dự báo tải lượng và mô hình hóa lan truyền ô nhiễm đến năm 2027, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý môi trường đồng bộ:

  • Lắp đặt hệ thống thu gom và xử lý khí bãi rác tích cực (active landfill gas extraction) kết hợp đầu đốt đuốc sinh học: Chủ đầu tư và Ban quản lý bãi rác cần thi công hệ thống giếng thu khí thẳng đứng và mạng lưới ống dẫn khí nhánh tại cả 3 hố rác tạm, nhằm thu gom và triệt tiêu tối thiểu 70% lượng CH4 và H2S phát sinh tự do, hoàn thành trong giai đoạn 2024 - 2025.
  • Tăng cường biện pháp che phủ bề mặt kỹ thuật và lớp phủ sinh học (biocover): Đơn vị vận hành cần khẩn trương phủ bổ sung lớp đất sét đầm chặt có độ dày tối thiểu 0,5 mét kết hợp trải bạt chống thấm HDPE 1,5 mm trên toàn bộ diện tích 3 hố rác. Định kỳ hàng tháng tiến hành phun chế phẩm sinh học khử mùi và vi sinh vật oxy hóa mêtan (methanotrophic bacteria) nhằm giảm từ 60% đến 80% lưu lượng phát tán khí mùi ra môi trường xung quanh.
  • Quy hoạch và thiết lập hành lang cây xanh cách ly vệ sinh môi trường: Ủy ban nhân dân thành phố Hạ Long cần phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh rà soát quy hoạch sử dụng đất, thiết lập vành đai cây xanh cách ly với chiều rộng tối thiểu 800 mét xung quanh khu vực bãi rác tạm Vũ Oai, trồng các dải cây có tán lá dày, khả năng chịu gió và hấp thụ khí độc tốt như phi lao, keo tai tượng trong thời gian 2024 - 2026.
  • Xây dựng mạng lưới quan trắc chất lượng không khí tự động và liên tục: Cơ quan quản lý nhà nước cần lắp đặt 2 trạm quan trắc tự động tại đầu hướng và cuối hướng gió chủ đạo của bãi rác, giám sát định kỳ các chỉ tiêu CH4, H2S, VOCs và các thông số vi khí hậu với tần suất truyền dữ liệu 1 giờ/lần về trung tâm điều hành môi trường tỉnh Quảng Ninh đến năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cán bộ quản lý nhà nước về môi trường: Chuyên viên tại Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh, Phòng Tài nguyên và Môi trường thành phố Hạ Long và Chi cục Bảo vệ Môi trường sử dụng số liệu làm căn cứ khoa học để thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM), cấp giấy phép môi trường và giám sát bãi rác tạm.
  • Các đơn vị quản lý, vận hành hạ tầng xử lý chất thải: Doanh nghiệp môi trường đô thị, các công ty đầu tư xử lý chất thải rắn áp dụng quy trình kiểm kê phát thải LandGEM để tính toán tải lượng khí nhà kính và thiết kế hệ thống khử mùi, thu gom khí bãi rác.
  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Môi trường: Người nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường tham khảo khung phương pháp luận kết hợp mô hình LandGEM và AERMOD trong mô phỏng ô nhiễm không khí nguồn diện.
  • Đơn vị tư vấn và chuyên gia phân tích chất lượng không khí: Các kỹ sư mô hình hóa môi trường khai thác bộ thông số vi khí hậu, hệ số nhám bề mặt, suất phản chiếu Albedo và kinh nghiệm thiết lập lưới receptor trong điều kiện địa hình đồi núi ven biển phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

  • Mô hình LandGEM tính toán lượng phát sinh khí bãi rác dựa trên nguyên lý cốt lõi nào? Mô hình LandGEM sử dụng phương trình phân hủy kỵ khí bậc nhất với hai thông số quan trọng là tốc độ sinh khí k = 0,050 năm⁻¹ và công suất sinh khí tiềm năng L0 = 170 m³/tấn. Mô hình tính toán lượng khí CH4 sinh ra từ lượng rác tiếp nhận thực tế 860.000 tấn và ngoại suy nồng độ các chất ô nhiễm đi kèm như H2S và NMVOCs.

  • Vì sao cần kết hợp đồng thời mô hình LandGEM và mô hình AERMOD? Mô hình LandGEM đóng vai trò định lượng tải lượng phát thải từ nguồn diện bãi rác theo thời gian (tấn/năm hoặc m³/năm), sau đó số liệu này được chuyển giao làm dữ liệu đầu vào cho AERMOD nhằm tính toán quá trình khuếch tán động học trong không gian theo trường gió, nhiệt độ và địa hình thực tế.

  • Nồng độ H2S từ các hố rác tạm tại xã Vũ Oai có vượt ngưỡng quy chuẩn môi trường không? Theo kết quả mô phỏng, nồng độ H2S trung bình 1 giờ cực đại đạt 83,0 µg/m³ và trung bình 24 giờ đạt 19,8 µg/m³ trong phạm vi 300 mét quanh bãi rác, vượt ngưỡng phát hiện mùi khó chịu của con người, gây ảnh hưởng cục bộ đến sức khỏe và sinh hoạt của người dân nếu không có giải pháp che phủ kín.

  • Yếu tố khí tượng nào chi phối mạnh nhất đến hướng lan truyền ô nhiễm tại khu vực nghiên cứu? Hướng gió và tốc độ gió là hai yếu tố chi phối mạnh nhất. Với tốc độ gió trung bình 2,8 m/s, hướng gió Tây Nam vào mùa hè đẩy dải ô nhiễm về phía Đông Bắc, trong khi gió mùa Đông Bắc vào mùa khô dịch chuyển luồng ô nhiễm về hướng Tây Nam hướng ra vùng lân cận.

  • Sau khi đóng cửa bãi rác tạm, khí CH4 và H2S có tiếp tục phát sinh không? Quá trình phân hủy kỵ khí vẫn tiếp tục diễn ra từ 20 đến 30 năm sau khi ngừng tiếp nhận rác. Tại xã Vũ Oai, dự báo đến năm 2027 lượng khí CH4 và H2S vẫn phát sinh đáng kể với nồng độ H2S trung bình 1 giờ lớn nhất ghi nhận ở mức 83,0 µg/m³, đòi hỏi phải duy trì quan trắc liên tục.

Kết luận

  • Luận văn đã định lượng chính xác tải lượng phát sinh khí CH4 và H2S từ hơn 860.000 tấn chất thải rắn tại 3 hố chôn lấp rác tạm xã Vũ Oai bằng mô hình LandGEM v3.03.
  • Thiết lập thành công lưới tính toán 10.201 điểm tiếp nhận trên mô hình AERMOD, mô phỏng chi tiết trường nồng độ ô nhiễm không khí theo không gian và thời gian.
  • Xác định nồng độ H2S trung bình 1 giờ lớn nhất đạt mức 83,0 µg/m³ và nồng độ 24 giờ đạt 19,8 µg/m³, khoanh vùng bán kính ảnh hưởng nhạy cảm trong phạm vi 500 đến 800 mét.
  • Cung cấp bức tranh dự báo khoa học cho kịch bản năm 2027, chứng minh sự cần thiết phải duy trì các giải pháp xử lý khí bãi rác sau đóng cửa.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp toàn diện bao gồm hút khí chủ động, che phủ màng chống thấm HDPE và lập vành đai cây xanh cách ly bảo vệ môi trường thành phố Hạ Long.

Các cơ quan quản lý đô thị và doanh nghiệp xử lý môi trường cần nhanh chóng áp dụng kết quả mô hình hóa này để triển khai ngay các hạng mục đóng bãi hợp vệ sinh và lắp đặt hệ thống kiểm soát khí thải trong giai đoạn 2024 - 2025 nhằm bảo đảm chất lượng không khí khu vực duyên hải Quảng Ninh.