MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Nền kinh tế phát triển gây ô nhiễm môi trường, làm kiệt quệ nhiều nguồn tài nguyên thiên nhiên, khí hậu trở nên khắc nghiệt, thời tiết thay đổi bất thường, trái đất dần bị nóng lên, hệ sinh thái dần bị tàn hoại. Các hiện tượng như lũ lụt, hạn hán cháy rừng, băng đá ở Bắc cực đang dần dần tan chảy, nhiều trận bão khốc liệt, nhiều cơn sóng thần, nhiều đợt nóng gay gắt, nhiều rừng cây bị tàn phá nhanh chóng, sa mạc ngày càng lan rộng, nhiều sinh vật đang bị diệt chủng không ngừng xảy ra trong những năm gần đây. Đó là những ảnh hưởng của biến đổi khí hậu tác động mạnh mẽ đến môi trường trái đất và đời sống của con người.
Việt Nam được đánh giá là quốc gia thứ 5 trên thế giới chịu tác động xấu nặng nề nhất do biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng mang lại. Liên Hợp Quốc cảnh báo, nếu mực nước biển tăng thêm 1m thì Việt Nam sẽ đối mặt với mức thiệt hại lên tới 17 tỉ USD/năm; 1/5 dân số mất nhà cửa; 12,3% diện tích đất trồng trọt biến mất; 40.000km2 diện tích đồng bằng, 17km2 bờ biển ở khu vực các tỉnh lưu vực sông Mêkông sẽ chịu tác động của lũ ở mức độ không thể dự đoán. Nguyên nhân chính làm biến đổi khí hậu trái đất đó là do sự gia tăng các hoạt động tạo ra các chất thải khí nhà kính (KNK), trong đó, các hoạt động sinh sống và sản xuất của con người là nguồn phát thải chính. Theo Ủy ban liên Chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) các nguồn phát thải khí nhà kính gồm 4 nguồn chính: Năng lượng; Quá trình công nghiệp và sử dụng sản phẩm (IPPU); Nông nghiệp, Lâm nghiệp và sử dụng đất khác (AFOLU); và Chất thải.
Theo thông báo quốc gia lần thứ hai của Việt Nam cho Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC) vào năm 2010, tổng lượng khí nhà kính phát thải năm 2000 là 150,9 triệu tấn CO 2tđ, trong đó phát thải KNK từ nguồn nông nghiệp là 65,1 triệu tấn CO2tđ (chiếm 43% tổng lượng phát thải KNK), từ nguồn năng lượng là 52,8 triệu tấn CO2tđ (chiếm 34% tổng lượng phát thải KNK), từ nguồn sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp (LULUCF) là 15,1 triệu tấn CO2tđ (chiếm 10% tổng lượng phát thải KNK), từ nguồn các quá trình công nghiệp là 10,0 triệu tấn CO2tđ (chiếm 6,6% tổng lượng phát thải KNK) và từ nguồn chất thải là 7,9 triệu tấn CO2tđ (chiếm 5,2% tổng lượng phát thải KNK). Trong nguồn chất thải, phát thải KNK từ xử lý nước thải chiếm 30%, từ xử lý chất thải rắn chiếm 70%. Dự tính vào năm 2020, tổng phát thải KNK là 300,4 triệu tấn CO2 tđ và vào năm 2030 là 515,8 triệu tấn CO2 tđ [1]. Phát thải KNK từ nguồn chất thải gồm: Bãi chôn lấp chất thải, Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp sinh học, Lò đốt chất thải và đốt bãi rác hở, Xử lý và xả nước thải.
Các loại KNK chủ yếu phát sinh trong nguồn chất thải gồm: Khí Carbon 14 luan an dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O). Thông thường, khí CH4 phát thải từ các bãi chôn lấp chất thải rắn chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng lượng KNK của nguồn này. Khí CH4 trong xử lý nước thải cũng đóng một vai trò tương đối quan trọng. Bên cạnh đó, xử lý chất thải rắn và nước thải cũng đồng thời tạo ra các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi không methane (NMVOCs), NOx, CO và NH3.
NOx chủ yếu sinh ra khi đốt chất thải, còn khí NH3 sinh ra trong quá trình làm phân compost. NOx và NH3 có thể gián tiếp tạo ra khí N2O. Tuy nhiên, lượng khí N2O này chiếm một tỷ lệ nhỏ, không đáng kể [2]. Bãi chôn lấp chất thải tạo ra lượng đáng kể khí CH4.
Ngoài khí CH4 ra, bãi chôn lấp chất thải cũng tạo ra khí CO2, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi không methane (NMVOCs) cũng như một lượng nhỏ khí N2O, nitrogen oxides (NOx) và carbon monoxide (CO). Trong quản lý chất thải rắn, đã có nhiều biện pháp nhằm giảm thiểu lượng chất thải rắn đem chôn lấp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Biện pháp thu hồi khí tại các bãi chôn lấp cũng được sử dụng khá phổ biến nhằm giảm thiểu sự phát thải khí CH4 [3]. Làm phân compost và phân hủy yếm khí chất thải hữu cơ thường phổ biến ở các nước đã và đang phát triển.
Những ưu điểm của phương pháp này là làm giảm thể tích chất thải, ổn định chất thải, tiêu hủy mầm bệnh trong chất thải, tạo ra khí biogas cho sử dụng năng lượng. Tùy theo chất lượng, sản phẩm cuối cùng của xử lý sinh học chất rắn có thể làm phân bón cải tạo đất, hoặc được đem đi chôn lấp tại các bãi chôn lấp chất thải. Làm phân compost là quá trình hiếu khí và một lượng lớn hợp chất hữu cơ trong chất thải được chuyến hóa thành khí CO2. Khí CH4 được tạo thành ở vùng yếm khí, nhưng nó bị oxihoa ở mức độ lớn trong vùng hiếu khí.
Lượng khí CH4 thải vào khí quyển khoảng 1% đến vài phần trăm hàm lượng carbon ban đầu trong chất thải. Quá trình làm phân compost cũng có thể tạo ra N 2O. Lượng phát thải N2O khoảng 0,5% đến 5% so với hàm lượng nito ban đầu trong chất thải [3]. Phân hủy yếm khí chất thải hữu cơ thúc đẩy sự phân hủy tự nhiên hợp chất hữu cơ không có oxi bằng cách duy trì nhiệt độ, độ ẩm và pH gần tới giá trị tối ưu của nó.
CH4 được tạo ra có thể được sử dụng để tạo nhiệt hoặc điện năng. Phát thải N2O từ quá trình này được giả thiết là không đáng kể, tuy nhiên, dữ liệu về phát thải này rất là ít [3]. Xử lý sinh học – cơ khí (MB) chất thải đang là phương pháp phổ biến ở châu âu. Phân tách chất thải bằng cơ khí sau đó chuyển hóa sinh học, làm hiệu quả xử lý tăng lên, hiệu quả thu hồi khí CH4 tăng, giảm thể tích bãi chôn lấp [3].
Lò đốt rác và đốt bãi rác hở là nguồn phát thải khí nhà kính. Các khí liên quan được tính toán là các khí Carbon dioxide (CO2), methane (CH4) và nitrous oxide (N2O). Thông thường, phát thải CO2 từ lò đốt rác nhiều hơn đáng kể so với khí CH4 15 luan an và N2O [3]. Hệ thống xử lý nước thải cũng là nguồn phát thải khí nhà kính gồm phát thải gián tiếp và trực tiếp.
Nguồn phát thải KNK gián tiếp như sản xuất điện để sử dụng trong quá trình xử lý; sản xuất và vận chuyển nhiên và nguyên liệu; chôn lấp bùn hoạt tính được tạo ra trong quá trình xử lý. Nguồn phát thải KNK trực tiếp như từ bể xử lý hiếu khí, bể xử lý yếm khí, bể phân hủy yếm khí, rò rỉ khí sinh học, quá trình đông keo tụ hóa học, đốt khí sinh học trong nồi hơi thu hồi. Việc cắt giảm phát thải khí nhà kính có vai trò quan trọng trong công tác ứng phó với Biến đổi khí hậu. Việt Nam, với tư cách là một quốc gia đang phát triển, thực hiện một số nghĩa vụ chung như thực hiện xây dựng các Thông báo quốc gia tới UNFCCC định kỳ, kiểm kê khí nhà kính; xây dựng và đánh giá phương án giảm nhẹ KNK, thích ứng với BĐKH.
Thông qua kiểm kê khí nhà kính có thể cập nhật thường xuyên lượng khí nhà kính sản sinh từ các nguồn phát thải từ đó đưa ra các phương pháp giảm thiểu phát thải khí nhà kính gây BĐKH. Qua đó cũng có thể tính trước ngưỡng phát thải khí nhà kính để chủ động nhập những công nghệ sản xuất thích hợp, vừa bảo đảm tăng trưởng kinh tế vừa kiểm soát hiệu quả lượng khí thải nhà kính. Trong nỗ lực nhằm hướng tới xây dựng một nền kinh tế “cacbon thấp”, Việt Nam đã có xây dựng Thông báo quốc gia đầu tiên của Việt Nam vào tháng 12 năm 2003, Thông báo quốc gia lần thứ hai vào năm 2010. Các kiểm kê KNK được biên soạn theo phương pháp (IPCC, 1996, 2000, 2006).
Tuy nhiên, những báo cáo kiểm kê khí nhà kính đó vẫn chưa đủ chi tiết và hoàn chỉnh vì một số những rào cản như việc thiếu một hệ thống thể chế hoàn chỉnh, nguồn lực kỹ thuật, kiến thức về các nhân tố phát thải phù hợp cũng như năng lực trong công tác kiểm soát chất lượng của dữ liệu. Hiện nay, Việt Nam đang xây dựng thông báo quốc gia lần thứ ba cho UNFCCC. Tại Việt Nam, tỷ lệ đóng góp phát thải khí nhà kính từ lĩnh vực chất thải chưa nhiều, các con số thống kê phát thải khí nhà kính từ chất thải còn thiếu nhiều, đặc biệt là từ hệ thống xử lý nước thải vẫn còn đang bỏ ngỏ trong tổng kiểm kê quốc gia về phát thải KNK. Việc đo đạc trực tiếp phát thải KNK từ hệ thống xử lý nước thải là khó khăn và tốn kém nên việc có một mô hình tính toán phát thải khí nhà kính sẽ giúp giảm thiểu chi phí đo đạc, chi phí nhân công, nhanh chóng có được bộ số liệu dự báo về lượng phát thải KNK là rất cần thiết.
Trên thế giới phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải ngày càng được quan tâm nhiều hơn, đồng hành cùng sự cần thiết phải xử lý nước thải dòng ra đạt tiêu chuẩn cho phép. Nắm bắt được tình hình đó đề tài luận án “Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam” sẽ tập trung nghiên cứu thiết lập mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp sản xuất giấy ở Việt Nam và ứng dụng mô hình thiết lập tính toán cho một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Thiết lập mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải (nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy) ở Việt Nam; - Tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải (nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy) ở Việt Nam; đề xuất một số hệ số phát thải khí nhà kính của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và hệ thống xử lý nước thải giấy ở Việt Nam.