Bài báo nghiên cứu mô hình xử lý CTRHC hiệu quả ngay tại nguồn phát sinh với mục tiêu vừa giảm thiểu BĐKH, vừa tạo ra các sản phẩm có giá trị, phù hợp chiến lược kinh tế tuần hoàn và hướng tới phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050. 
1. Tổng quan vê CTRHC và mối liên quan với BĐKH
Chất thải rắn toàn cầu ước tính sẽ khoảng 2,56 đến 3,33 tỷ tấn vào năm 2050. Việc thu gom, vận chuyển và xử lý CTR có thể gây ra BĐKH. Việc đốt nhiên liệu của các phương tiện thu gom, vận chuyển và xử lý CTR tạo ra KNK. KNK cũng có thể tạo ra từ quá trình đốt hoặc phân hủy CTR.
Tổng lượng KNK phát thải cơ sở xử lý CTRSH ước tính là 153,41 tấn CO2-tđ/ngày, trong đó từ quá trình ủ và tái chế chiếm lần lượt 80,02% và 11,73%. Lượng khí thải CH4 từ các bãi chôn lấp chiếm 1,7% tổng lượng khí thải ở khu vực các đảo Thái Bình Dương.
Quá trình phân hủy CTRHC giải phóng CO2 và CH4 là 2 KNK chính, trong đó CH4 chịu trách nhiệm cho khoảng 1/3 sự nóng lên của khí hậu. CH4 mạnh hơn 27-30 lần so với CO2 trong việc giữ nhiệt ở khí quyển trong 100 năm, nhưng kém bền hơn nhiều: thời gian tồn tại của nó trong khí quyển là khoảng 10,5 năm, so với 120 năm của CO2. CO2 có tác động lâu dài và cần nhiều nỗ lực hơn để khắc phục, nhưng khí CH4 có thể giảm trong thời gian ngắn hơn và tăng nhanh hiệu ứng làm mát bầu khí quyển [3,5].
Bên cạnh việc gây ra BĐKH, hệ thống thu gom, vận chuyển và xử lý CTR cũng chịu tác động của BĐKH. Mực nước biển dâng cao sẽ dẫn đến tình trạng lũ lụt và xói mòn các bãi chôn lấp ven biển, gây ra ô nhiễm nước ven biển.
Các sự kiện thời tiết khắc nghiệt như lốc xoáy, bão và gió mạnh có thể làm hỏng cơ sở hạ tầng đường bộ, các khu vực lưu trữ và cơ sở xử lý CTR, gây ra thảm họa đối với hoạt động vận chuyển và xử lý CTR.
Số ngày lạnh tăng và nhiệt độ ngày càng thấp vào mùa đông làm giảm việc xử lý chất thải sinh học (ủ và phân hủy kỵ khí). Lượng mưa tăng vào mùa đông có thể làm tăng nguy cơ lũ lụt ảnh hưởng đến các cơ sở, giảm khả năng tiếp cận và sử dụng các nhà máy quản lý rác thải di động.
Lũ lụt tạo ra một lượng lớn CTR sinh hoạt làm tăng tải trọng cho các bãi rác gần đó; bão mùa đông khiến việc tiếp cận các bãi rác và vận chuyển rác thải trở nên khó khăn; đợt nắng nóng làm tăng mùi hôi và bụi từ các bãi rác...
Để giảm tính dễ bị tổn thương của việc quản lý CTR phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng giao thông, năng lượng, nguyên nhiên vật liệu và nước, cần rút ngắn khoảng cách vận chuyển và xây dựng nhiều nhà máy xử lý CTR tại địa phương hơn, tăng hiệu quả sử dụng nước, tạo ra năng lượng tái tạo tại chỗ và tăng cường tính đa dạng của các công nghệ xử lý [3,5].
Nếu không có bất kỳ thay đổi nào trong quản lý CTR, lượng CTR trên thế giới thải khoảng 33 đến 34 tỷ tấn CO2-tđ trong khoảng thời gian từ 2020 đến 2050. Theo quy định của Hiệp định Paris, chúng ta cần tận dụng mọi cơ hội để hạn chế sự nóng lên toàn cầu do con người gây ra ở mức 1,5° hoặc 2,0°C, do đó cần phải giảm nhanh một lượng lớn phát thải KNK.
Tuy nhiên, để đạt được Thỏa thuận Paris để duy trì nhiệt độ trung bình Trái đất trong giới hạn nóng lên 1,5 hoặc 2,0°C, toàn bộ hệ thống quản lý CTR đô thị chỉ có thể thải ra 11 đến 27 tỷ tấn CO2-tđ [7].
Hình 1 (A): Lượng thải KNK được biểu thị theo thang màu xanh lá cây-đỏ, trong đó các quốc gia có màu đỏ hơn biểu thị các quốc gia phát thải KNK cao hơn và ngược lại. 5 quốc gia phát thải KNK nhiều nhất trong số 43 quốc gia được nghiên cứu theo thứ tự giảm dần là Trung Quốc 220Mt, Ấn Độ 216Mt, Hoa Kỳ 162Mt, Brazil 64Mt và Mexico 56Mt.
Hình 1(B): Tỷ lệ các cơ sở xử lý và tiêu hủy CTRSH được phân loại dựa trên tổng số bốn nhóm thu nhập: HICs là các quốc gia có thu nhập cao, UMICs là các quốc gia có thu nhập trung bình cao, LMICs là các quốc gia có thu nhập trung bình thấp và LICs là các quốc gia có thu nhập thấp.
Các nhà nghiên cứu đã đánh giá các cơ sở xử lý và tiêu hủy ở 43 quốc gia tạo ra hơn 85% lượng CTR đô thị trên toàn cầu. Họ đã xem xét ba phương pháp xử lý CTR khác nhau: chôn lấp, ủ phân và phân hủy kỵ khí cũng như tính toán lượng phát thải KNK từ năm 1990 đến năm 2020.
Phát thải khí CH4 từ các khu xử lý CTR tạo ra một lượng CH4 đáng kể và là mục tiêu quan trọng để giảm thiểu vì khả năng giữ nhiệt của nó rất mạnh, cao hơn CO2 khoảng 30 lần. Nghiên cứu này là phân tích toàn cầu đầu tiên về việc giảm lượng thải CH4 thông qua quản lý tốt hơn CTR đô thị nhằm góp phần đạt được các mục tiêu giảm BĐKH.
Các nhà nghiên cứu đã đánh giá các cơ sở xử lý và tiêu hủy ở 43 quốc gia tạo ra hơn 85% lượng CTR đô thị trên toàn cầu. Họ đã xem xét ba phương pháp xử lý CTR khác nhau: chôn lấp, ủ phân và phân hủy kỵ khí cũng như tính toán lượng phát thải KNK từ năm 1990 đến năm 2020. Họ cũng lập mô hình lượng CTR mà các quốc gia này có khả năng tạo ra và lượng phát thải KNK tương ứng, từ năm 2020 đến năm 2050 (Hình 1) [6,7].
Các nhà nghiên cứu đã cảnh báo rằng lĩnh vực CTR toàn cầu không đi đúng hướng để đạt được các mục tiêu về khí hậu - theo Thỏa thuận Paris cũng như Cam kết Methane toàn cầu, một lời hứa giảm 30% lượng khí thải mêtan từ năm 2020 đến năm 2030 mà hơn 100 quốc gia đã ký kết.
Tiếp theo, họ phân tích bốn chiến lược khác nhau để giảm tác động đến khí hậu của chất thải rắn đô thị: phân hủy chất thải hữu cơ trong các thiết bị phân hủy kỵ khí và sử dụng khí sinh học thu được (sẽ giảm lượng khí thải gần 3/4), giảm một nửa lượng chất thải phát sinh (sẽ làm giảm khoảng 2/3 lượng khí thải); ủ chất thải hữu cơ (có khả năng giảm gần 3/5); và trang bị thêm các hệ thống thu giữ khí mê-tan cho các bãi chôn lấp (giảm khoảng 1/3 lượng khí thải) (Hình 2) [6,7].
Dân số Việt Nam năm 2021 khoảng 98,5 triệu người và đang gia tăng nhanh chóng, đồng nghĩa với việc gia tăng chất thải, nhất là CTR sinh hoạt. Cả nước có 904 bãi chôn lấp CTR, hầu hết đều quá tải, gần 80% bãi chôn lấp không hợp vệ sinh; 381 lò đốt, 37 dây chuyền sản xuất phân compost.
Tại nhiều bãi rác lộ thiên diễn ra hoạt động đốt rác thải, phát sinh NOx, CO, SOx, HCl, HF, tro và một số chất độc hại khác, gây ảnh hưởng đến chất lượng môi trường không khí tại những thời điểm nhất định.
Bên cạnh đó, dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm và các vi sinh vật, CTRHC bị phân hủy và sản sinh ra các chất khí gây mùi khó chịu như NH3, H2S, mercaptan… [2].
Phương pháp ủ sinh học rất phù hợp để xử lý CTRHC của Việt Nam vì thành phần hữu cơ trong CTRSH cao, nhiệt độ và độ ẩm tự nhiên trong không khí phù hợp cho vi sinh vật phân hủy phát triển, nhu cầu phân bón hữu cơ và khí sinh học cao. Xử lý CTRHC bẳng ủ sinh học vừa giảm được ô nhiễm môi trường, hạn chế biến đổi khí hậu, vừa thu hồi được các sản phẩm có giá trị như phân bón hữu cơ, khí sinh học.
2. Cơ sở khoa học trong xử lý CTRHC tại nguồn
Quá trình ủ hiếu khí CTRHC thường cần bổ sung nước tạo độ ẩm cho khối ủ do hơi nước tạo ra bị bay hơi, sản phẩm chính cuối cùng sẽ thu được phân mùn hữu cơ và khí CO2. Quá trình phân hủy kị khí CTRHC diễn ra các bước: thủy phân, axit hóa, axetat hóa và metan hóa. Sản phẩm chính cuối cùng của quá trình phân hủy kị khí CTRHC là phân mùn hữu cơ, nước rác và khí CH4.
Các nghiên cứu theo mẻ quy mô phòng thí nghiệm đã được tiến hành trên chất thải nhà bếp bằng cách sử dụng ba loại máy ủ kị khí khô khô khác nhau có tổng thể tích 4 lít hoạt động theo chế độ ưa ấm trong thời gian 32 ngày.
Các lò phản ứng được vận hành đồng thời với thời gian lưu giữ lần lượt là 1 ngày, 2 ngày và 4 ngày. Hiệu suất so sánh của quá trình tạo nước rỉ rác trong quá trình thủy phân cho thấy lò phản ứng có thời gian lưu giữ 1 ngày tạo ra nước rỉ rác tối đa với COD cao là 244 g/l và VFA là 12,99 g/l. Hằng số tốc độ riêng để thủy phân chất thải nhà bếp thông qua quá trình ủ kị khí khô với thời gian lưu giữ là 1 ngày, 2 ngày, 4 ngày lần lượt là 0,063, 0,054 và 0,027 ngày− 1 [1].
Theo nghiên cứu của tác giả thu được từ phân tích tài liệu và thực nghiệm khi nghiên cứu sinh, quá trình ủ kị khí 2 giai đoạn sẽ thu được hiệu quả tốt hơn 1 giai đoạn. Khi tách quá trình thủy phân và axit hóa CTRHC thành 1 giai đoạn phân hủy chủ đạo riêng sẽ không ảnh hưởng đến quá trình phân hủy của giai đoạn sau do amino axit và axit hữu cơ tạo thành từ quá trình axit hóa làm pH giảm ảnh hưởng đến vi sinh vật sinh Metan [4].
Từ các nghiên cứu trên tác giả để xuất quá trình ủ CTRHC chia làm 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1 nên ủ kị khí trong khoảng 6-10 ngày để thu hồi được lượng nước rác từ quá trình thủy phân và axit hóa có hàm lượng dinh dưỡng cao, tốt cho cây trồng, trong đó với trường hợp nạp liệu liên tục thì trước khi kết thúc ủ kị khí giai đoạn 1 nên dừng nạp liệu 1-2 ngày để thời gian cho lượng CTRHC cuối thủy phân.
- Giai đoạn 2: tùy thuộc vào mục đích có thu hồi khí sinh học hay không mà lựa chọn quá trình ủ hiếu khí hay ủ kị khí.
+ Nếu không thu hồi lượng khí sinh ra thì nên ủ hiếu khí để tránh phát sinh mùi và khí CH4 (CH4 có khả năng gây biến đổi khí hậu mạnh hơn CO2 khoảng 30 lần).
+ Nếu có thu hồi khí sinh học thì bắt buộc giai đoạn 2 phải ủ kị khí trong các thiết bị có bộ phận thu hồi và lọc khí sinh học tạo ra từ quá trình phân hủy kị khí CTRHC. Thiết bị phải đảm bảo kín hoàn toàn, có thể kiểm soát được nhiệt độ, áp suất và pH (yếu tố ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của vi sinh vật sinh metan)
3. Đề xuất mô hình xử lý CTRHC tại nguồn
Từ các nghiên cứu về quá trình phân hủy CTRHC, tác giả đề xuất mô hình xử lý CTRHC tại nguồn như sau (Hình 3):
CTRHC sau khi được sau khi được sơ chế (đồng đều kích thước, tỉ lệ C/N phù hợp) cho vào các thùng/hộp kín để ủ kị khí giai đoạn 1 trong khoảng 5-8 ngày. Tùy lượng CTRHC phát sinh mà tính toán kích thước thùng/hộp thích hợp, đặt ngay tại nơi phát sinh CTRHC.
Đối với hộ gia đình 3-5 người có thể đựng trong hộp nhựa có nắp đậy hoặc hộp xốp dung tích khoảng 5-15 lít. Hàng ngày lượng CTRHC phát sinh được bỏ vào hộp và thêm chế phẩm vi sinh. Sau khoảng 5-8 ngày thì ngừng nạp CTRHC khoảng 1-2 ngày rồi chuyển sang quá trình tiếp theo (Hình 4).
Sau khi ủ kị khí giai đoạn 1, CTRHC được chuyển sang các thiết bị ủ khác nhau phụ thuộc vào mục đích có thu hay không thu hồi lượng khí sinh học tạo ra từ quá trình ủ.
Trường hợp 1: Không thu hồi khí sinh học
Chuyển CTRHC từ hộp ủ giai đoạn 1 sang thùng ủ hiếu khí có vòi, nắp đậy và ngăn thu nước rác. Hàng này lấy nước rác pha loàng 10-20 lần để tưới cây. Sau khoảng 15-20 ngày thì mở nắp đậy hoặc đổ phân mùn ra đất để khô tự nhiên khoảng 2-3 ngày thì bón cho cây (Hình 5).
Trường hợp 2: Có thu hồi khí sinh học CH4
Nếu xử lý lượng CTRHC đầu vào đủ lớn cho một nhóm hộ gia đình hoặc kết hợp xử lý CTR sinh hoạt với phế thải nông nghiệp hoặc phế thải của công nghiệp chế biến thực phẩm thì nên đầu tư các thiết bị ủ có thu hồi khí sinh học tạo ra từ quá trình ủ. Việc này vừa hạn chế lượng khí nhà kính phát thải vào khí quyển, vừa tạo được sản phẩm khí sinh học có giá trị kinh tế.
Chuyển CTRHC từ hộp ủ giai đoạn 1 sang thùng ủ kị khí giai đoạn 2 (Hình 6). Trong quá trình ủ cần kiểm soát chặt chẽ các thông số nhiệt độ, áp suất và pH, lượng và thành phần khí sinh học thu hồi được. Sau khoảng 10-15 ngày sẽ thu được sản phẩm gồm phân mùn và khí sinh học. Khí sinh học sau khi loại bỏ tạp chất, hơi nước và CO2 thì thu được khí nhiên liệu CH4 có giá trị cao, có thể sử dụng để đun nấu hoặc phát điện.
Bảng 1: Một số loại thiết bị ủ kị khí CTRHC có thu hồi khí sinh học
Tác giả đã triển khai mô hình ủ CTRHC tại nguồn không thu hồi khí cho một số hộ gia đình tại khu đô thị mới Hạ Đình, Hà Nội. Thực tế cho thấy nước rác và sản phẩm phân mùn thu được sau khi ủ CTRHC rất tốt cho cây trồng.
Sau một thời gian thử nghiệm, cây trồng trên chậu đất mẫu 1 (có bón phân ủ hữu cơ và tưới nước rác pha loãng hàng ngày) tốt hơn so với mẫu 2 (chỉ tưới nước rác pha loãng hàng ngày) và mẫu 3 (chỉ bón phân ủ hữu cơ).
Cây trồng trên chậu đất mẫu đối chứng (không bón phân ủ hữu cơ và không tưới nước rác pha loãng hàng ngày) kém phát triển hơn hẳn 3 mẫu 1, 2, 3. Các hộ gia đình tiến hành thử nghiệm mô hình này đều thấy rất tiện lợi và hiệu quả, không phát sinh mùi và đất không bị thoái hóa như khi bón các loại phân vô cơ.
Đánh giá: Theo quy định của Luật BVMT năm 2020, các hộ gia đình và cá nhân bắt buộc phải phân loại CTR tại nguồn từ 01/01/2025. Đây là căn cứ pháp lý rất thuận lợi cho việc triển khai các mô hình xử lý CTRHC ngay tại nguồn phát sinh, không chỉ ở các khu vực nông thôn mà ngay cả ở khu vực đô thị nơi lượng CTRHC phát sinh lớn và nhu cầu trồng cây xanh ngày càng nhiều.
Các thiết bị trồng cây rất đa dạng (chậu, bình thùng với các kích cỡ và chất liệu khác nhau, có thể đặt trên mặt đất hoặc treo, hay gắn tường), các sản phẩm cung cấp cho việc trồng cây rất phổ biến (có nhiều giống cây mới do lai tạo hoặc nhập ngoại vừa đẹp lại có thể sống ở các điều kiện ít đất ở cả trong nhà hoặc ngoài trời, đất trồng giàu dinh dưỡng, đất vi sinh, phân bón hữu cơ, các loại phân bón kích thích cho từng quá trình sinh trưởng, thuốc trừ các loại bệnh cho cây…) và công nghệ trồng cây xanh rất phát triển (tưới tự động, điều khiển từ xa, kiểm soát các yếu tố thuận lợi cho sự phát triển của cây,…). Tất cả những điều này tạo thuận lợi cho các hộ gia đình có nhu cầu trồng cây xanh trong nhà tạo cảnh quan sinh thái hay trồng rau sạch có thể tự phân loại CTRHC rồi ủ để trồng cây ngay tại ban công, trên nóc nhà hay trong phòng ở mà không cần yêu cầu diện tích quá lớn.
4. Kết luận
Xử lý CTRHC ngay tại nguồn (nơi) phát sinh sẽ giảm được chi phí, giảm phát thải KNK gây biến đổi khí hậu do không cần phải thu gom, lưu giữ, vận chuyển tới nơi xử lý. Đồng thời, lợi ích của mô hình xử lý CTRHC tại nguồn vừa tạo ra sản phẩm bón trở lại cho cây trồng, vừa giảm thiểu phát thải khí CO2 và hơi nước vào khí quyển.
Ngoài ra, tùy thuộc vào mục đích có hay không thu hồi khí sinh học tạo thành từ quá trình phân hủy CTRHC mà lựa chọn mô hình ủ hiếu khí hay kỵ khí ở giai đoạn 2.
Kết quả nghiên cứu của mô hình là hướng tới đáp ứng yêu cầu chiến lược Quốc gia về tăng trưởng xanh, thực hiện kinh tế tuần hoàn và hướng tời mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.
Tuy nhiên, đây mới chỉ là nghiên cứu bước đầu, cần có thêm những nghiên cứu tiếp theo, những tính toán sâu hơn vào thực tế ứng dụng để hoàn thiện mô hình này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Akanksha Agrawal, Parmesh Kumar Chaudhari, Prabir Ghosh (2021), “Hydrolysis of the Kitchen Waste through Dry Anaerobic Digestion - A Sustainable Environmental Practice for its Effective Management”, Research Square, https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-770690/v1
2. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2022), Báo cáo hiện trạng môi trường năm 2021.
3. Gichamo T, Gökçekuş H (2019) “Interrelation between Climate Change and Solid Waste”. Journal of Environmental Pollution and Control, ISSN: 2639-9288, Volume 2(1): 104
4. Nguyễn Thị Thu Hà (2022), Luận án Tiến sĩ “Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí trong điều kiện Việt Nam”, Đại học Xây dựng Hà Nội.
5. Tagesse Gichamo, Hüseyin Gökçekuş (2019), “Interrelation between Climate Change and Solid Waste”. Journal of Environmental Sciences 2(1):400-407
6. Yee Van Fan (2023) “Using waste in the fight against climate change”, https://www.eci.ox.ac.uk/news/using-waste-fight-against-climate-change
7. Zheng Xuan Hoy, Kok Sin Woon, Wen Cheong Chin, Yee Van Fan, and Seung Jick Yoo (2023) ”Curbing global solid waste emissions toward net-zero warming futures”, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3177
