Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của chất thải rắn sinh hoạt đang đặt ra thách thức môi trường nghiêm trọng trên phạm vi toàn quốc. Tại tỉnh Bắc Ninh, tổng khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh đạt khoảng 870 tấn/ngày đến 900 tấn/ngày, trong đó huyện Lương Tài chiếm tỷ trọng khoảng 7%, tương đương khoảng 60 tấn/ngày. Lương Tài là huyện nằm ở phía Đông Nam tỉnh Bắc Ninh với diện tích tự nhiên 105,66 km2, bao gồm 1 thị trấn và 13 xã. Dù phát sinh lượng rác không quá lớn, nhưng trong hệ thống 3 khu xử lý rác tập trung và 10 lò đốt của toàn tỉnh, trên địa bàn huyện Lương Tài vẫn chưa có bất kỳ khu xử lý rác đạt chuẩn nào.

Thực trạng đáng báo động là lượng rác thải sinh hoạt trên địa bàn huyện đang phải lưu giữ và xử lý tạm thời tại các bãi tập kết lộ thiên bằng biện pháp phun chế phẩm vi sinh và vun đống, dẫn đến khối lượng rác tồn đọng lên tới khoảng 20.000 tấn. Phương pháp thủ công này làm phát sinh các nguồn ô nhiễm thứ cấp nghiêm trọng như nước rỉ rác thẩm thấu vào nguồn nước ngầm, mùi hôi nồng nặc và sự bùng phát của côn trùng gây hại. Với tốc độ tăng trưởng kinh tế địa phương đạt 9,7%/năm và mức tăng dân số 2,4%/năm, lượng chất thải rắn sinh hoạt dự báo sẽ tăng từ 10% đến 12% mỗi năm.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm mục tiêu xác định chính xác thành phần cơ học, tính chất lý hóa của chất thải rắn sinh hoạt tại huyện Lương Tài, từ đó xây dựng cơ sở khoa học vững chắc để đề xuất mô hình công nghệ xử lý tối ưu. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ 14 đơn vị hành chính cấp xã của huyện trong giai đoạn 2019-2020. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc giải phóng 20.000 tấn rác ứ đọng, nâng tỷ lệ xử lý hợp vệ sinh lên 100%, bảo vệ hệ sinh thái và phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết Quản lý tổng hợp chất thải rắn (Integrated Solid Waste Management - ISWM) dựa trên quan điểm chất thải là nguồn tài nguyên thứ cấp cần được thu hồi năng lượng và vật liệu. Nghiên cứu kết hợp hai mô hình chuyển hóa cơ bản: mô hình phân hủy sinh học hiếu khí/kỵ khí để chế biến mùn hữu cơ và mô hình chuyển hóa nhiệt hóa (nhiệt phân, đốt thiêu hủy) để thu hồi năng lượng.

Nghiên cứu tập trung vào các khái niệm then chốt trong kỹ thuật môi trường:

  • Chất thải rắn sinh hoạt: Các chất thải ở thể rắn phát sinh từ sinh hoạt hàng ngày của hộ gia đình, trường học, chợ và khu thương mại.
  • Nhiệt trị thấp của rác thải: Năng lượng nhiệt thực tế giải phóng khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng rác thải ẩm, được tính toán thông qua công thức kinh điển Mendeleev: $Q_t = 339C + 1030H - 109(O - S) - 25W$, trong đó các chỉ số đại diện cho tỷ lệ phần trăm của Cacbon, Hydro, Oxy, Lưu huỳnh và Độ ẩm.
  • Nhiên liệu thu hồi từ rác thải (RDF/SRF): Sản phẩm có nhiệt trị cao được phối trộn và tạo viên từ các thành phần dễ cháy như nhựa, giấy, vải sau khi tách loại hợp phần ẩm và vô cơ.
  • Phân compost: Mùn hữu cơ ổn định thu được từ quá trình lên men vi sinh vật hiếu khí ở nhiệt độ từ 55°C đến 65°C nhằm tiêu diệt mầm bệnh.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp đồng bộ các phương pháp định lượng và thực nghiệm hiện đại:

  • Phương pháp khảo sát và thu thập dữ liệu: Dữ liệu thứ cấp được kế thừa từ các báo cáo hiện trạng môi trường của Sở Tài nguyên và Môi trường Bắc Ninh, Chi cục Bảo vệ Môi trường và niên giám thống kê huyện Lương Tài.
  • Phương pháp lấy mẫu thực địa: Mẫu rác thải được thu thập tại các nguồn phát sinh đặc trưng gồm hộ gia đình, chợ trung tâm, trường học và các bãi tập kết rác cấp xã theo phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên đơn giản kết hợp kỹ thuật trộn đều và chia tư hình nón (cone-and-quartering) để thu được mẫu đại diện có khối lượng khoảng 100 kg mỗi đợt. Quá trình lấy mẫu được thực hiện thành 2 đợt khảo sát thực địa trong năm nhằm phản ánh sự biến động theo mùa.
  • Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm: Thành phần cơ học được phân loại thủ công tại hiện trường thành các nhóm hữu cơ, giấy, nhựa, kim loại, thủy tinh và chất trơ. Thành phần hóa học bao gồm độ ẩm (sấy ở 105°C), hàm lượng tro (nung ở 550°C - 800°C), và hàm lượng các nguyên tố C, H, O, N, S được phân tích bằng thiết bị phân tích nguyên tố chuyên dụng. Phương pháp phân tích này được lựa chọn vì mang lại độ chính xác cao nhất để xác định nhiệt trị thấp phục vụ đánh giá tính khả thi của công nghệ đốt.
  • Phương pháp ma trận đánh giá đa tiêu chí: Đánh giá so sánh các phương án kỹ thuật dựa trên các chỉ số định lượng về diện tích chiếm đất (công nghệ đốt chiếm 60-100 m2/tấn rác so với 500-900 m2/tấn của chôn lấp), chi phí đầu tư, độ tin cậy và khả năng kiểm soát phát thải thứ cấp theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 61:2016/BTNMT.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích thực nghiệm từ các đợt khảo sát tại huyện Lương Tài chỉ ra những đặc trưng nổi bật về tính chất chất thải rắn sinh hoạt:

  • Tỷ lệ chất thải hữu cơ dễ phân hủy chiếm ưu thế tuyệt đối: Thành phần thực phẩm, rau củ quả và rác thải vườn chiếm từ 52% đến 65% tổng khối lượng rác ướt. Con số này cao gấp 4 đến 5 lần so với tỷ lệ chất thải nhựa và tương đồng với đặc tính chất thải sinh hoạt khu vực nông thôn đồng bằng sông Hồng.
  • Hợp phần có thể tái chế và dễ cháy gia tăng: Tỷ lệ nhựa dao động từ 10,5% đến 14,2%, giấy và bìa carton chiếm khoảng 4,5% đến 7,2%, vải và cao su chiếm từ 2,0% đến 4,8%. Khối lượng chất thải nhựa có xu hướng tăng phản ánh thói quen sử dụng túi ni lông và bao bì dùng một lần của người dân nông thôn.
  • Thành phần vô cơ không cháy còn cao: Tỷ lệ tro, đất, cát, sành sứ và gạch vỡ chiếm từ 12% đến 18% tổng lượng rác do thói quen quét dọn đất vườn và hoạt động xây dựng quy mô nhỏ thải chung vào rác sinh hoạt.
  • Đặc tính hóa lý và nhiệt trị: Độ ẩm của rác thải huyện Lương Tài ở mức rất cao, dao động từ 55% đến 62%; hàm lượng tro khô đạt khoảng 15% đến 22%. Giá trị nhiệt trị thấp (LHV) của rác thải thô chưa qua phân loại dao động trong khoảng từ 4.830 kJ/kg đến 5.850 kJ/kg (tương đương 1.150 - 1.400 kcal/kg).

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm được biểu diễn trực quan qua biểu đồ cơ cấu thành phần và ma trận đối chiếu nhiệt trị. Dữ liệu thành phần cơ học thể hiện rõ sự phân hóa qua biểu đồ tròn, trong đó hợp phần hữu cơ chiếm hơn nửa diện tích biểu đồ, kế tiếp là nhóm chất trơ vô cơ và nhóm polyme nhân tạo.

Nguyên nhân chính dẫn đến độ ẩm cao (trên 55%) và nhiệt trị thấp là do rác thải sinh hoạt tại địa phương chưa được phân loại tại nguồn, chất thải thực phẩm chứa nhiều nước bị trộn lẫn với các loại rác khác trong quá trình thu gom. So sánh với các đô thị phát triển như thành phố Hồ Chí Minh (rác nhựa chiếm 13,9% - 16,4%) hay Hà Nội (rác vô cơ chiếm tới 38%), rác thải tại Lương Tài mang nét đặc trưng của vùng nông thôn đang đô thị hóa: lượng chất thải hữu cơ cao hơn nhưng thành phần nhựa bao bì đang tăng rất nhanh.

Từ góc độ công nghệ, mức nhiệt trị tự nhiên khoảng 4.830 - 5.850 kJ/kg của rác tươi chỉ vừa chạm ngưỡng tự cháy tối thiểu (khoảng 4.180 kJ/kg). Nếu đưa trực tiếp lượng rác tươi ẩm này vào các lò đốt rác thông thường mà không qua công đoạn sấy giảm ẩm hoặc phân loại, lò đốt sẽ tiêu tốn lượng lớn dầu trợ đốt, khó duy trì nhiệt độ buồng đốt trên 850°C - 1.000°C theo quy chuẩn QCVN 61:2016/BTNMT, dẫn đến nguy cơ phát sinh khí độc Dioxin/Furan. Ngược lại, nếu thực hiện phân loại tách riêng 55% chất thải hữu cơ để sản xuất phân compost, phần rác trơ còn lại chủ yếu là nhựa, giấy, vải sẽ có độ ẩm giảm xuống dưới 25% và nhiệt trị thấp tăng vọt lên mức trên 9.500 kJ/kg, tạo điều kiện hoàn hảo để sản xuất viên nhiên liệu RDF hoặc đốt phát điện hiệu quả cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thành phần và điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của địa phương, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp mang tính hành động cao:

  1. Triển khai phân loại chất thải rắn tại nguồn theo Luật Bảo vệ Môi trường: Ủy ban nhân dân huyện Lương Tài cần chỉ đạo Ủy ban nhân dân 14 xã, thị trấn phối hợp với các tổ chức đoàn thể vận động người dân phân chia rác thành 3 dòng riêng biệt: chất thải hữu cơ dễ phân hủy, chất thải có khả năng tái chế và chất thải còn lại. Mục tiêu đạt tỷ lệ 100% hộ gia đình thực hiện phân loại trước năm 2025.

  2. Đầu tư xây dựng tổ hợp công nghệ xử lý rác tích hợp: Sở Tài nguyên và Môi trường Bắc Ninh cùng Ủy ban nhân dân huyện Lương Tài ưu tiên kêu gọi đầu tư dự án khu xử lý liên hợp công suất 80 - 100 tấn/ngày trong giai đoạn 2023-2025. Quy trình công nghệ khuyến nghị gồm: dây chuyền tách lọc tự động, khu ủ sinh học compost hiếu khí để xử lý dòng hữu cơ (chiếm 55% khối lượng), dây chuyền sấy nghiền ép viên RDF từ các vật liệu cháy được (chiếm 25% khối lượng) và lò đốt thu hồi nhiệt hiện đại để tiêu hủy triệt để phần bã thải còn lại.

  3. Xử lý dứt điểm 20.000 tấn rác tồn đọng và xóa bỏ bãi tập kết tạm: Phòng Tài nguyên và Môi trường huyện Lương Tài cần chủ trì kế hoạch bốc dỡ, sàng lọc cơ học toàn bộ 20.000 tấn rác đang tồn đọng tại các điểm trung chuyển xã. Phần mùn hữu cơ đã hoai mục dùng để cải tạo đất, phần trơ đem chôn lấp hợp vệ sinh và phần nhựa còn lại đưa vào lò đốt xử lý triệt để trước năm 2024 nhằm chấm dứt hoàn toàn tình trạng phát tán mùi và nước rỉ rác.

  4. Nâng cấp hạ tầng thu gom và phương tiện vận chuyển chuyên dụng: Ủy ban nhân dân huyện Lương Tài cần đầu tư mua sắm hệ thống xe ép rác chuyên dụng có khoang chứa nước rỉ rác kín khít, phân định rõ lịch trình thu gom riêng cho từng loại rác đã phân loại, nâng tỷ lệ thu gom rác thải toàn huyện từ 85% lên trên 98% vào năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, là tài liệu tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường: Lãnh đạo Sở Tài nguyên và Môi trường Bắc Ninh, Chi cục Bảo vệ Môi trường và Ủy ban nhân dân các huyện nông thôn có thể sử dụng các số liệu thực chứng của luận văn để xây dựng quy hoạch quản lý chất thải rắn tổng thể, phân bổ ngân sách thu gom và ban hành chính sách phân loại rác tại nguồn phù hợp với điều kiện thực tế.

  2. Doanh nghiệp và nhà đầu tư công nghệ môi trường: Các công ty phát triển dự án điện rác, nhà máy sản xuất phân bón hữu cơ và viên nhiên liệu RDF có thể khai thác bộ số liệu về độ ẩm, hàm lượng tro và công thức nhiệt trị Mendeleev để tính toán cân bằng vật chất - năng lượng, từ đó lập báo cáo nghiên cứu khả thi và lựa chọn cấu hình thiết bị tối ưu khi đầu tư vào khu vực đồng bằng sông Hồng.

  3. Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên sau đại học: Các nhà nghiên cứu thuộc chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường và Quản lý Đô thị có thể sử dụng luận văn như một tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp lấy mẫu rác đống, kỹ thuật phân tích hóa lý chất thải và ứng dụng ma trận đa tiêu chí trong lựa chọn công nghệ.

  4. Ban chỉ đạo chương trình Nông thôn mới các cấp: Các cán bộ phụ trách tiêu chí môi trường cấp xã có thể tham khảo mô hình tổ chức thu gom, xử lý bãi rác tạm và giải pháp tuyên truyền phân loại rác thải tại nguồn để hoàn thiện các chỉ tiêu môi trường nông thôn mới nâng cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh hàng ngày tại huyện Lương Tài là bao nhiêu? Theo số liệu điều tra của luận văn và Đề án bảo vệ môi trường tỉnh Bắc Ninh, khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh trên địa bàn huyện Lương Tài đạt khoảng 60 tấn/ngày, chiếm khoảng 7% tổng lượng rác sinh hoạt phát sinh toàn tỉnh (khoảng 870 tấn/ngày).

  2. Vì sao phương pháp vun đống và phun vi sinh tại các bãi tập kết của huyện Lương Tài không còn phù hợp? Phương pháp vun đống hiện khiến 20.000 tấn rác bị ứ đọng, làm quá tải các bãi chứa tạm. Biện pháp này không xử lý triệt để được rác vô cơ và nhựa, đồng thời làm phát sinh lượng lớn nước rỉ rác ngấm vào đất, gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và phát tán mùi hôi ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống người dân.

  3. Rác thải sinh hoạt thô tại Lương Tài có thể đốt trực tiếp để phát điện được không? Rác thải sinh hoạt thô tại Lương Tài có độ ẩm rất cao (từ 55% đến 62%) và nhiệt trị thấp chỉ đạt khoảng 4.830 - 5.850 kJ/kg. Nếu không qua phân loại hoặc sấy sơ bộ để giảm ẩm, việc đốt trực tiếp sẽ không duy trì được nhiệt độ trên 850°C, tiêu tốn nhiều nhiên liệu đốt kèm và không đạt hiệu quả kinh tế.

  4. Công nghệ nào được đánh giá là tối ưu nhất cho huyện Lương Tài? Giải pháp công nghệ tối ưu là mô hình tích hợp: Phân loại rác tại nguồn kết hợp xử lý sinh học làm phân compost cho dòng hữu cơ (chiếm khoảng 55%), tái chế và sản xuất nhiên liệu RDF từ dòng rác cháy được (chiếm 25%), và sử dụng lò đốt nhiệt độ cao thu hồi năng lượng để tiêu hủy phần bã thải còn lại.

  5. Luật Bảo vệ Môi trường tác động như thế nào đến việc lựa chọn hình thức xử lý rác tại Lương Tài? Luật quy định bắt buộc phân loại rác tại nguồn thành 3 dòng chính. Việc phân loại này giúp hạ độ ẩm của dòng rác trơ xuống dưới 25%, tăng nhiệt trị thấp lên trên 9.500 kJ/kg, tạo điều kiện thuận lợi để ứng dụng công nghệ đốt thu hồi nhiệt hoặc sản xuất RDF với chi phí vận hành thấp nhất.

Kết luận

  • Luận văn đã xác lập hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện về chất thải rắn sinh hoạt tại huyện Lương Tài với tỷ lệ hữu cơ chiếm 52% - 65%, rác nhựa chiếm 10,5% - 14,2%, độ ẩm dao động 55% - 62% và nhiệt trị thấp đạt 4.830 - 5.850 kJ/kg.
  • Đóng góp khoa học cốt lõi của nghiên cứu là chứng minh tính không khả thi của phương pháp đốt trực tiếp rác tươi chưa qua xử lý, đồng thời khẳng định vai trò quyết định của việc phân loại tại nguồn nhằm nâng cao nhiệt trị rác thải lên trên 9.500 kJ/kg.
  • Đề xuất hoàn chỉnh mô hình công nghệ tích hợp gồm ủ phân compost kết hợp sản xuất viên đốt RDF và đốt tiêu hủy thu hồi nhiệt, phù hợp với quy mô phát sinh 60 tấn/ngày của huyện Lương Tài.
  • Lộ trình thực hiện khuyến nghị chia làm 2 giai đoạn: Giai đoạn 2023-2024 tập trung xử lý 20.000 tấn rác tồn đọng và xóa bỏ bãi tập kết tạm; giai đoạn 2024-2025 đưa vào vận hành nhà máy xử lý tích hợp tập trung và hoàn thiện mạng lưới thu gom đạt tỷ lệ 98%.
  • Công trình là lời kêu gọi hành động gửi tới các nhà hoạch định chính sách, doanh nghiệp và cộng đồng dân cư cùng chung tay chuyển đổi mô hình quản lý chất thải rắn theo hướng kinh tế tuần hoàn, góp phần xây dựng huyện Lương Tài và tỉnh Bắc Ninh xanh, sạch, phát triển bền vững.