Nghiên cứu tổng quan hiện trạng quản lý CTRSH, so sánh với các công nghệ truyền thống, đồng thời mô phỏng quy trình xử lý 1 tấn rác điển hình bằng công nghệ tích hợp. Kết quả cho thấy, lượng chôn lấp giảm trên 90%, đồng thời tạo ra năng lượng tái tạo (khí sinh học, dầu, khí tổng hợp) và sản phẩm phụ hữu ích (than sinh học). Phân tích chuyên sâu khẳng định lợi thế về kinh tế (thu hồi năng lượng, vật liệu), môi trường (giảm phát thải, ô nhiễm) và xã hội (hỗ trợ kinh tế tuần hoàn, tạo việc làm công nghệ cao), so với các công nghệ hiện có. Bài báo cũng nêu thách thức (chi phí, kỹ thuật) và kiến nghị chính sách, lộ trình phát triển đến 2050 hướng tới quản lý chất thải bền vững.

Tổng quan nghiên cứu

Hiện trạng quản lý chất thải rắn sinh hoạt tại Việt Nam

Trong những năm gần đây, lượng CTRSH tại Việt Nam tăng nhanh chóng, tạo áp lực lớn lên hệ thống xử lý chất thải. Như đã đề cập, năm 2023 tổng lượng CTRSH phát sinh khoảng 60.000 tấn/ngày, trong đó khu vực đô thị chiếm 60% . Tỷ lệ thu gom rác thải đô thị đạt khoảng 92% nhưng ở nông thôn chỉ khoảng 66%. Phương thức xử lý CTRSH chủ yếu vẫn là chôn lấp: khoảng 71% tổng lượng chất thải được đưa vào bãi chôn lấp (bao gồm cả bãi hợp vệ sinh và bãi lộ thiên). Còn lại, 16% được xử lý tại các nhà máy compost thành phân bón hữu cơ, và khoảng 13% được xử lý bằng đốt (thiêu hủy, bao gồm một số lò phát điện từ rác) . Hiện cả nước có khoảng 1.200 bãi chôn lấp, nhưng chỉ <20% là bãi hợp vệ sinh có lót đáy và thu gom nước rỉ rác; nhiều bãi đã quá tải và gây ô nhiễm nguồn nước, không khí nghiêm trọng. Ví dụ, bãi rác Nam Sơn (Hà Nội) và Đa Phước (TP.HCM) đều trong tình trạng quá tải, phát sinh mùi hôi và rò rỉ nước rác ra môi trường xung quanh. Trong khi đó, công nghệ đốt rác phát điện (WtE) mới ở giai đoạn bắt đầu: đến 2024 chỉ có 3 nhà máy WtE quy mô lớn đi vào vận hành (Cần Thơ 400 tấn/ngày, Sóc Sơn – Hà Nội 4.000 tấn/ngày, Bắc Ninh 180 tấn/ngày) . Dự kiến đến 2030, tổng công suất các nhà máy WtE đạt ~1.500 MW, góp phần xử lý khoảng 30-50% lượng CTRSH, giảm tỷ lệ chôn lấp xuống mức tối thiểu .

Thành phần CTRSH ở Việt Nam có đặc thù là tỷ lệ hữu cơ cao và độ ẩm lớn. Nghiên cứu cho thấy chất hữu cơ dễ phân hủy chiếm 54–65% trọng lượng rác đô thị , bên cạnh ~10–15% là giấy và xác bã thực vật (cũng là hữu cơ cellulose). Như vậy tổng thành phần hữu cơ có thể >65–70%. Phần còn lại gồm nhựa, nylon (~8–12%), thủy tinh, kim loại, gạch đá, sành sứ (tổng cộng ~5–10%), và các thành phần khác. Độ ẩm trung bình của rác đô thị Việt Nam thường trên 50–60% do chứa nhiều rác thực phẩm, rau quả . Điều này ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn công nghệ xử lý: rác ẩm cao gây khó khăn cho đốt và nhiệt phân (cần tiêu tốn năng lượng sấy), nhưng lại phù hợp cho ủ sinh học (cần độ ẩm cho vi sinh vật hoạt động). Tuy nhiên, thói quen không phân loại rác tại nguồn vẫn phổ biến khiến rác hữu cơ bị lẫn nhiều tạp chất vô cơ (nhựa, kim loại). Khảo sát tại một nhà máy compost cho thấy nguyên liệu đầu vào chứa tới 40,44% tạp chất vô cơ (đất cát, nhựa nilon…), dẫn đến sản phẩm phân compost bị lẫn thủy tinh, nhựa (1,27%), giảm chất lượng và gây lo ngại về an toàn . Đây là rào cản lớn khiến nhiều nhà máy compost tại Việt Nam hoạt động không hiệu quả hoặc phải dừng hoạt động sau thời gian ngắn do phân thành phẩm khó tiêu thụ. Do đó, Chính phủ đã ban hành quy định về phân loại rác sinh hoạt tại nguồn (theo Luật BVMT 2020) nhằm cải thiện chất lượng rác đầu vào cho tái chế và xử lý . Việc phân loại dự kiến bắt buộc từ 2025, chia thành ít nhất 3 nhóm: rác tái chế, rác thực phẩm hữu cơ, rác khác. Điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi để áp dụng các công nghệ xử lý tiên tiến như ủ kỵ khí tạo khí sinh học và nhiệt phân chất thải còn lại.

Công nghệ xử lý sinh học (vi sinh vật) đối với CTRSH

Xử lý CTRSH bằng công nghệ sinh học dựa trên hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các hợp chất hữu cơ, biến đổi chúng thành các sản phẩm ổn định hơn hoặc có ích. Hai phương pháp sinh học chính thường được áp dụng là ủ hiếu khí (composting) và tiêu hủy kỵ khí (anaerobic digestion – AD).

Ủ hiếu khí (composting): Quá trình này sử dụng vi sinh vật ưa khí để phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện cung cấp đủ oxy. Nguyên liệu thường là rác hữu cơ dễ phân hủy (thực phẩm, lá cây, phân động vật…). Ủ hiếu khí diễn ra qua các giai đoạn: giai đoạn nhiệt độ tăng (do vi sinh vật phân hủy mạnh tạo nhiệt, nhiệt độ đống ủ có thể đạt 50–70 °C), tiếp đến giai đoạn phân hủy ổn định, và cuối cùng là làm chín. Sau ~6–8 tuần (tùy điều kiện), chất thải ban đầu biến thành phân mùn compost màu nâu đen, không còn mùi, dùng để bón đất. Ưu điểm của ủ hiếu khí là công nghệ đơn giản, chi phí thấp, phù hợp xử lý rác hữu cơ phân tán (quy mô hộ gia đình, trang trại). Quá trình này giúp giảm 30–50% khối lượng chất hữu cơ do nước bay hơi và cacbon chuyển hóa thành CO₂. Tuy nhiên, composting không thu hồi được năng lượng, và phát thải một lượng đáng kể khí nhà kính (CO₂ từ quá trình oxi hóa sinh học, một phần CH₄ và N₂O nếu điều kiện ủ không tối ưu) . Ở Việt Nam, do rác hữu cơ lẫn tạp chất nhiều nên phân compost đầu ra thường chất lượng thấp. Thực tế một số nhà máy (ví dụ nhà máy compost Củ Chi – TP.HCM) phải dừng hoạt động vì phân không đạt tiêu chuẩn tiêu thụ. Dù vậy, composting vẫn đóng vai trò nhất định để xử lý rác hữu cơ ở quy mô nhỏ và góp phần giảm thiểu rác thải phải chôn lấp.

Tiêu hủy kỵ khí (AD): Đây là quá trình phân hủy sinh học trong điều kiện yếm khí, được thực hiện trong các bể phản ứng kín (hầm biogas). Các vi khuẩn kỵ khí phân giải chất hữu cơ qua nhiều bước (thủy phân, axit hóa, acetate hóa, methanogenesis) tạo ra hỗn hợp khí gọi là khí sinh học (biogas) chứa khoảng 50–70% metan (CH₄), 30–50% CO₂, và vết các khí khác (H₂S, NH₃…). Sản phẩm còn lại là bùn/dịch tiêu hủy (digestate) giàu chất dinh dưỡng (nitơ, phospho) có thể dùng làm phân bón hoặc cải tạo đất. Công nghệ AD có ưu điểm lớn là thu hồi được năng lượng từ phần chất hữu cơ dưới dạng khí metan – có thể đốt trực tiếp sinh nhiệt hoặc chạy máy phát điện. Nhiều nước đã khai thác AD như một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng: ví dụ Trung Quốc có ~14 triệu hầm biogas nhỏ, Đức có ~9.000 trang trại AD lớn nhỏ sản xuất điện từ chất thải . So với composting, AD cũng phát thải khí nhà kính ít hơn do khí CH₄ được thu giữ thay vì thoát ra môi trường. Đối với CTRSH đô thị, AD thường áp dụng cho phần rác thực phẩm ướt hoặc phối trộn với bùn thải, phân gia súc. Hiệu suất sinh khí tùy thuộc loại rác; trung bình 1 tấn rác thực phẩm có thể sinh ra 100–200 m³ biogas (tương đương ~60–120 m³ CH₄) . Hàm lượng metan càng cao (thường 55–65%) thì giá trị năng lượng của biogas càng lớn – mỗi m³ CH₄ chứa ~36 MJ (khoảng 10 kWh). Như vậy, 1 tấn rác hữu cơ có thể cho ~600–1.200 kWh điện nếu tận dụng hết khí metan. Sau quá trình AD, bùn digestate thường được tách nước; phần rắn (30–40% khối lượng ban đầu) có thể làm phân bón, nhưng cần quản lý tốt vì vẫn chứa mầm bệnh và các chất ô nhiễm tiềm ẩn . Một hạn chế khác của AD là chi phí đầu tư tương đối cao (do yêu cầu bể kín, duy trì điều kiện kỵ khí, hệ thống thu khí…), đòi hỏi quy mô đủ lớn và nguyên liệu đầu vào ổn định để kinh tế vận hành.

Tóm lại, công nghệ sinh học thích hợp để xử lý phần hữu cơ ẩm trong CTRSH, tạo phân bón và/hoặc năng lượng khí sinh học. Tuy nhiên, nó chưa giải quyết được phần rác vô cơ, nhựa còn lại. Hơn nữa, sản phẩm phụ (compost hoặc digestate) nếu không được sử dụng hiệu quả thì vẫn phải đem chôn lấp, tức là vẫn tồn tại chất thải cuối. Điều này đặt ra nhu cầu kết hợp với các công nghệ khác để xử lý triệt để hơn.

Công nghệ nhiệt phân và tích hợp vi sinh – nhiệt phân

Công nghệ nhiệt phân (pyrolysis) đã được đề cập ở trên như một giải pháp đầy hứa hẹn để xử lý rác thải thành năng lượng. Trong lĩnh vực CTRSH, nhiệt phân đặc biệt hữu ích cho việc xử lý các thành phần khó phân hủy sinh học như chất dẻo (nhựa, nylon), cao su, vải sợi tổng hợp và các chất hữu cơ đã ổn định. Nhiệt phân có thể tiến hành theo các chế độ: chậm (slow pyrolysis) kéo dài hàng chục phút đến vài giờ, ưu tiên tạo than sinh học; hoặc nhanh (fast pyrolysis) chỉ vài giây, ưu tiên tạo dầu. Nhiệt độ lò thường từ 400–600 °C đối với rác thải thông thường, có thể cao hơn (700–900 °C) nếu muốn khí hóa tối đa. Sản phẩm khí (syngas) chủ yếu gồm CO, CO₂, H₂, CH₄… có thể đốt để thu hồi nhiệt hoặc chạy máy phát điện tương tự biogas. Dầu nhiệt phân là hỗn hợp phức tạp các hydrocarbon lỏng và nước, thường có giá trị nhiệt cao (~20–30 MJ/kg); dầu này có thể dùng làm nhiên liệu lỏng đốt nồi hơi, động cơ, hoặc tiếp tục tinh chế thành xăng dầu nhẹ. Than sinh học (biochar) thu được dưới dạng rắn, giàu carbon và vô cơ (tro). Lượng biochar phụ thuộc nguyên liệu: rác thải nhựa cho rất ít char (do hầu hết chuyển thành dầu, khí), còn rác hữu cơ cellulose cho nhiều char hơn. Một thí nghiệm nhiệt phân CTRSH hỗn hợp cho thấy sản phẩm khí chiếm ~23%, char ~32% và dầu ~45% tính theo khối lượng chất khô . Biochar từ rác có thể dùng làm phụ gia đất, vật liệu hấp phụ, hoặc nhiên liệu rắn (than củi sinh học). Quan trọng hơn, việc chôn biochar vào đất giúp lưu giữ carbon lâu dài, giảm CO₂ trong khí quyển .

Trong chiến lược tích hợp công nghệ, phương án được nhiều nhà nghiên cứu đề xuất là kết hợp xử lý sinh học (AD) trước, sau đó nhiệt phân phần dư còn lại. Cụ thể, rác hữu cơ được phân hủy kỵ khí để thu khí CH₄, phần bã thải (digestate) và toàn bộ rác vô cơ, nhựa không phân hủy sẽ được sấy khô rồi đưa vào lò nhiệt phân. Cách làm này có nhiều ưu điểm: (i) Tối đa hóa thu hồi năng lượng – đầu tiên lấy năng lượng khí sinh học từ phần dễ phân hủy, sau đó lấy tiếp năng lượng dầu/khí từ phần khó phân hủy; (ii) Giảm độ ẩm của nguyên liệu trước khi nhiệt phân – bản thân quá trình AD đã chuyển phần lớn độ ẩm thành khí và nước thoát ra, bùn digestate dễ sấy hơn rác thô ban đầu; (iii) Ổn định nguyên liệu – sau AD, các hợp chất hữu cơ phức tạp đã chuyển thành mùn, phù hợp nhiệt phân tạo than sinh học chất lượng cao hơn; (iv) Giảm thiểu chất thải cuối – gần như toàn bộ rác ban đầu đều được chuyển hóa, chỉ còn tro vô cơ (từ char hoặc từ lò) là phải thải bỏ . Mô hình tích hợp này đã được nghiên cứu LCA cho thấy hiệu quả môi trường vượt trội: phương án tích hợp đạt lợi ích giảm phát thải tương đương phương án AD đơn thuần, đồng thời tạo thêm sản phẩm có ích (biochar, bio-oil) và tăng tiềm năng sinh năng lượng. So với phương án chỉ nhiệt phân, tích hợp giúp xử lý được phần ướt mà pyrolysis khó xử lý, và giảm đáng kể tác động đến nước và tài nguyên hóa thạch (do AD không cần thêm nhiên liệu sấy khô) . Một nghiên cứu ở Trung Quốc cũng kết luận kết hợp AD và pyrolysis là giải pháp tối ưu để tận dụng hiệu quả phần hữu cơ trong CTRSH về mặt kinh tế và năng lượng .

Trên thế giới đã có một số ứng dụng thí điểm cho mô hình này. Ví dụ, dự án Supergen (Anh) nghiên cứu tích hợp AD cho rác hữu cơ và pyrolysis cho phần còn lại nhằm tăng 44–49% lượng biochar thu được so với pyrolysis đơn thuần, và tận dụng char đưa vào đất nông nghiệp . Một số sáng chế cũng đăng ký về hệ thống kết hợp hai công nghệ trong một dây chuyền khép kín . Kết quả bước đầu cho thấy tính khả thi cao, nhưng cũng đòi hỏi sự phối hợp vận hành phức tạp và chi phí đầu tư lớn.

Tại Việt Nam, công nghệ nhiệt phân quy mô công nghiệp còn rất mới mẻ, nhưng tiềm năng ứng dụng tích hợp là hoàn toàn có thể. Với điều kiện cụ thể là rác hữu cơ chiếm tỷ lệ cao, việc tận dụng AD trước sẽ phù hợp. Phần còn lại (nhựa, vô cơ, digestate) đưa nhiệt phân sẽ giải quyết triệt để bài toán rác thải cuối, đồng thời thu hồi năng lượng tối đa. Trong bối cảnh nước ta đang thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và giảm chôn lấp, mô hình tích hợp này có thể là giải pháp đột phá, vừa xử lý rác an toàn, vừa sản xuất năng lượng sạch, lại tạo ra sản phẩm phụ hữu ích cho nông nghiệp (than sinh học làm phân cải tạo đất) . Các phần tiếp theo của bài báo sẽ mô tả chi tiết quy trình công nghệ đề xuất, kết quả mô phỏng và phân tích hiệu quả của giải pháp này.

Phương pháp nghiên cứu

Đối tượng và phương pháp tiếp cận

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệ thống tích hợp xử lý CTRSH gồm hai công đoạn chính: xử lý vi sinh vật (kỵ khí) và xử lý nhiệt phân, ứng dụng cho điều kiện Việt Nam. Để đánh giá hiệu quả của hệ thống, nhóm tác giả tiến hành mô phỏng xử lý 1 tấn CTRSH điển hình bằng quy trình đề xuất. Do hạn chế về thời gian và nguồn lực, nghiên cứu sử dụng dữ liệu giả định cho thành phần rác, hiệu suất quá trình và sản lượng sản phẩm, được tổng hợp từ các tài liệu khoa học hiện có. Cách tiếp cận này cho phép ước tính định lượng hiệu quả của công nghệ mới trong điều kiện giả định, từ đó rút ra những nhận định, so sánh mang tính chất gợi mở.

Quy trình mô phỏng gồm các bước: (i) Xác định thành phần rác đầu vào (dựa trên số liệu trung bình CTRSH đô thị Việt Nam); (ii) Thiết lập các thông số hoạt động cho công đoạn vi sinh (bể AD) và nhiệt phân (lò pyrolysis) dựa trên tài liệu; (iii) Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng qua từng công đoạn để tìm lượng sản phẩm (khí sinh học, dầu, khí gas, char) và chất thải cuối cùng; (iv) Tổng hợp kết quả và phân tích so sánh với trường hợp nếu 1 tấn rác đó được xử lý bằng các phương pháp truyền thống (chôn lấp hoàn toàn, đốt hoàn toàn, chỉ ủ compost…).

Thành phần và chuẩn bị chất thải đầu vào

Dựa trên các nghiên cứu về thành phần CTRSH Việt Nam đã nêu ở phần 2.1, giả định 1 tấn (1.000 kg) CTRSH tươi được mô phỏng có các thành phần chính như sau:

Chất hữu cơ dễ phân hủy (thực phẩm, rác nhà bếp): 55% khối lượng (≈550 kg). Độ ẩm trung bình 70%, chất rắn bay hơi (VS) chiếm ~80% trọng lượng khô.

Giấy, bìa carton: 10% (100 kg). Độ ẩm 15%.

Nhựa, nylon các loại: 15% (150 kg). Bao gồm nhựa PET, PE, PP… từ bao bì, túi nylon. Hầu như không chứa ẩm.

Thủy tinh, kim loại, gốm sứ: 5% (50 kg). Đây là phần trơ không cháy, không phân hủy.

Chất thải khác (cành cây, vải vụn, cao su…): 15% (150 kg). Giả định độ ẩm ~20%.

Như vậy, tổng phần hữu cơ ủ kỵ khí tiềm năng gồm rác thực phẩm 550 kg + giấy 100 kg + vải gỗ 50 kg (một phần trong nhóm “khác”) ≈ 700 kg nguyên liệu thô. Trong đó khối lượng chất khô hữu cơ khoảng 700 × (1-độ ẩm) ≈ 700 × (1-0,5) = 350 kg chất khô hữu cơ (ước tính). Tổng phần đưa vào lò nhiệt phân gồm nhựa 150 kg + thủy tinh/kim loại 50 kg + phần “khác” còn lại 100 kg + bã digestate (sau AD sẽ tính sau).

Trước khi vào các công đoạn xử lý, rác thải được giả định qua bước phân loại sơ bộ tách riêng các vật liệu tái chế được (kim loại, thủy tinh). Giả sử 50 kg thủy tinh/kim loại được thu hồi (bán phế liệu) và không đưa vào hệ thống (kim loại, thủy tinh không phân hủy sinh học cũng không cháy, nếu đưa vào lò sẽ thành tro). Do đó, 950 kg rác còn lại sẽ qua xử lý chính.

Xử lý vi sinh vật (phân hủy kỵ khí)

Bước 1: Tiêu hủy kỵ khí (AD) phần hữu cơ. Toàn bộ 550 kg rác thực phẩm + 100 kg giấy + 50 kg cành lá (tổng ~700 kg) được đưa vào bể phân hủy kỵ khí dạng khô (dry anaerobic digester). Giả định bể vận hành ở chế độ mesophilic 37 °C, thời gian lưu bùn ~20 ngày. Trong quá trình AD, các vi sinh vật methanogens chuyển hóa khoảng 60% khối lượng chất hữu cơ (theo VS) thành khí sinh học . Phần còn lại không phân hủy (~40% VS) sẽ tồn tại trong bã. Với ~350 kg chất hữu cơ khô ban đầu, lượng VS phân hủy ~210 kg, còn lại ~140 kg VS trong bã.

Lượng khí sinh học sinh ra được tính dựa trên hiệu suất metan hóa. Theo tài liệu, 1 kg chất hữu cơ (VS) có thể tạo 0,3–0,5 m³ CH₄ (tùy loại chất) . Giả sử hỗn hợp rác hữu cơ này cho hiệu suất trung bình 0,4 m³ CH₄/kg VS. Khi đó, 210 kg VS phân hủy sẽ sinh ra ≈84 m³ CH₄. Do biogas chứa 60% CH₄, tổng thể tích biogas là ~140 m³ (gồm 84 m³ CH₄ + 56 m³ CO₂). Lượng khí này nếu đốt phát điện có thể tạo ra khoảng 84 m³ × 10 kWh/m³ = 840 kWh điện năng.

Sản phẩm sau AD (digestate) gồm phần rắn và lỏng. Thông thường digestate chứa ~90–95% nước, phần rắn (hàm lượng chất khô ~5–10%). Để thuận lợi cho nhiệt phân bước sau, giả thiết hệ thống có khâu tách nước bã thải. Tách nước cơ học (ép lọc) giúp giảm 50% độ ẩm. Giả sử từ 700 kg nguyên liệu đầu, thu được 500 kg bã rắn (độ ẩm ~50%) và 200 kg nước tách (nước này chứa dinh dưỡng có thể xử lý tiếp thành phân lỏng). 500 kg bã rắn gồm khoảng 250 kg chất khô (trong đó ~140 kg VS chưa phân hủy + 110 kg tro khoáng). Bã này tương đối ổn định, ít mùi, nhưng còn chứa lignin, cellulose khó phân hủy và nhựa, xương cá… chưa tiêu hóa hết. Đây sẽ là nguyên liệu cho bước nhiệt phân kế tiếp.

Tóm lại, sau công đoạn vi sinh: từ 700 kg rác hữu cơ ướt ban đầu, thu được ~140 m³ khí biogas (năng lượng ~840 kWh) và ~500 kg bã rắn (50% ẩm). Phần rác vô cơ (nhựa 150 kg + phần “khác” chưa xử lý 100 kg) vẫn còn đó, sẽ cùng bã rắn tạo thành ~750 kg nguyên liệu cho nhiệt phân.

Xử lý nhiệt phân

Bước 2: Nhiệt phân hỗn hợp bã và rác vô cơ. Toàn bộ ~750 kg nguyên liệu sau AD và các thành phần không phân hủy sinh học (nhựa, cao su) được đưa vào hệ thống lò nhiệt phân. Trước khi cho vào lò, nguyên liệu cần được sấy sơ bộ để giảm độ ẩm. Bã rắn 500 kg (50% ẩm) sấy xuống còn 10% ẩm sẽ thu được ~300 kg nguyên liệu khô. Như vậy tổng nguyên liệu khô cho lò: 300 kg bã khô + 150 kg nhựa + 100 kg cao su/vải vụn ≈ 550 kg chất khô.

Giả định lò nhiệt phân là loại cột đứng (batch), nung ở 500 °C trong môi trường yếm khí (N₂ xả liên tục để đuổi oxy). Tốc độ gia nhiệt ~15 °C/phút, giữ ở 500 °C trong 30 phút, sau đó làm nguội. Kết thúc quá trình, sản phẩm tạo ra gồm: khí không ngưng (gas), dầu lỏng ngưng tụ, và than rắn. Dựa vào tính chất nguyên liệu: nhóm nhựa/cao su có xu hướng cho nhiều dầu, ít char; nhóm bã hữu cơ cho nhiều char hơn. Giả sử phân bố sản phẩm theo khối lượng như sau:

Khí gas: ~25% đầu vào khô ≈ 140 kg (tương đương ~120 m³ khí hỗn hợp). Thành phần khí gồm CO, CO₂, CH₄, H₂… Khí này có thể đốt cháy hoàn toàn sinh nhiệt năng.

Dầu nhiệt phân: ~40% đầu vào ≈ 220 kg dầu thô (tương đương ~250 lít). Dầu sánh, màu nâu đen, chứa ~30% nước và nhiều hợp chất hữu cơ (phenol, axit, hydrocarbon mạch dài). Giá trị nhiệt đốt khoảng 20 MJ/kg.

Than sinh học (biochar): ~35% đầu vào ≈ 190 kg. Char bao gồm carbon cố định và tro khoáng. Thành phần khoảng 47% C, 49% O (tính theo khối lượng khô) với giá trị nhiệt ~11,5 MJ/kg . Tuy nhiên, char thường không dùng làm nhiên liệu mà ưu tiên làm phụ phẩm cải tạo đất.

Sau khi thu hồi sản phẩm, khí gas có thể được dẫn tới buồng đốt cung cấp nhiệt lại cho lò (tự duy trì quá trình). Dầu lỏng được ngưng tụ và chứa trong bồn. Char được lấy ra sau khi lò nguội.

Xử lý sản phẩm và chất thải: Khí gas sinh ra (120 m³) nếu không sử dụng hết tại lò có thể dẫn sang máy phát điện khí, tương tự khí biogas, góp phần phát điện. Dầu nhiệt phân 220 kg có thể được dùng như dầu nhiên liệu đốt lò hơi, hoặc thử nghiệm chưng cất tách thành phần hữu ích (như xăng, diesel). Than sinh học 190 kg có thể đem nghiền nhỏ làm phân cải tạo đất. Biochar từ rác hữu cơ và bùn thải thường chứa nhiều dinh dưỡng khoáng (N, P, K) do các nguyên tố này không bay hơi mà tích tụ trong char . Do đó, char có thể dùng bón ruộng, cải thiện tính giữ nước và dinh dưỡng của đất, đồng thời khóa carbon lâu dài trong đất giảm phát thải CO₂ . Những thành phần vô cơ như kim loại, thủy tinh nếu còn sót lại sẽ nằm trong tro than (một phần trong char). Lượng tro này có thể sàng lọc để tái chế kim loại hoặc chôn lấp an toàn (vì khối lượng rất nhỏ, chỉ vài phần trăm ban đầu).

Kết quả mô phỏng xử lý 1 tấn CTRSH bằng quy trình vi sinh kết hợp nhiệt phân.

Theo giả định, đầu vào gồm 1.000 kg rác (70% hữu cơ, 15% nhựa, 5% chất trơ và 10% thành phần khác). Quá trình phân hủy kỵ khí tạo ra khoảng 140 m³ khí sinh học (trong đó có 84 m³ CH₄ và 56 m³ CO₂), tương đương khoảng 840 kWh năng lượng, cùng với khoảng 500 kg bã hữu cơ ẩm (sau sấy còn khoảng 300 kg chất khô).

Khối lượng này cùng với phần nhựa và chất khác (~250 kg) tạo thành khoảng 550 kg nguyên liệu cho giai đoạn nhiệt phân. Tại đây, quá trình tạo ra khoảng 120 m³ khí tổng hợp (syngas) cung cấp nhiệt cho lò, khoảng 250 lít dầu nhiệt phân (tương đương 220 kg, nhiệt trị ~20 MJ/kg, có thể dùng làm nhiên liệu), và khoảng 190 kg than sinh học chứa hàm lượng dinh dưỡng đáng kể (47% C, 4% N, 5% K, 3% P), có thể sử dụng để cải tạo đất.

Chất thải rắn cuối cùng chủ yếu là tro vô cơ (~50 kg) và tạp chất trơ (kim loại, thủy tinh khoảng 50 kg có thể tái chế). Như vậy, tỷ lệ khối lượng phải chôn lấp chỉ còn lại khoảng 5-10% tổng đầu vào, cho thấy hiệu quả vượt trội của công nghệ tích hợp vi sinh - nhiệt phân trong việc giảm thiểu rác thải.

Nhìn vào số liệu trên, có thể thấy từ 1 tấn rác ban đầu, quy trình đã thu hồi được phần lớn dưới dạng các sản phẩm có ích: ~140 m³ khí sinh học + 120 m³ syngas (có thể quy đổi thành năng lượng), 250 lít dầu và 190 kg than sinh học. Lượng chất thải trơ cuối cùng phải đem chôn lấp chỉ còn khoảng <10% khối lượng, chủ yếu là tro và tạp chất vô cơ. Điều này cho thấy tiềm năng giảm thiểu chôn lấp >90% so với phương pháp truyền thống.

Kết quả nghiên cứu

Hiệu quả chuyển hóa chất thải thành năng lượng và vật liệu

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình công nghệ kết hợp vi sinh – nhiệt phân có khả năng chuyển hóa phần lớn chất thải thành các dạng năng lượng và vật liệu hữu ích. Cụ thể, với mỗi 1 tấn CTRSH đầu vào, hệ thống đã sản xuất được một hỗn hợp năng lượng tương đương tổng cộng khoảng 2.000–2.500 kWh (bao gồm khí sinh học và nhiên liệu từ nhiệt phân). Con số này đáng chú ý nếu so sánh với việc đốt rác phát điện thông thường, vốn chỉ thu hồi được ~500–700 kWh điện mỗi tấn rác (do hiệu suất lò đốt ~20% và tổn thất nhiệt lớn).

Năng lượng thu hồi từ khí sinh học: Khoảng 840 kWh dưới dạng điện (hoặc nhiệt) đã được tính toán từ ~140 m³ khí sinh học sinh ra . Đây là năng lượng khai thác từ phần rác thực phẩm, giấy – những thành phần mà nếu chôn lấp sẽ tạo ra CH₄ gây hiệu ứng nhà kính mạnh gấp 28 lần CO₂ . Do đó, thu hồi và sử dụng khí CH₄ không chỉ cung cấp năng lượng mà còn mang lại lợi ích giảm phát thải khí nhà kính rất lớn. Bên cạnh điện năng, quá trình AD toả ra nhiệt lượng (từ hoạt động vi sinh), có thể thu hồi qua hệ thống trao đổi nhiệt để sưởi ấm hoặc duy trì nhiệt độ bể, tăng hiệu quả năng lượng toàn hệ thống.

Năng lượng thu hồi từ nhiệt phân: Sản phẩm dầu và khí nhiệt phân chứa năng lượng hóa học đáng kể. Ở điều kiện giả định, ~220 kg dầu có tổng nhiệt trị khoảng 4.400 MJ (tương đương ~1.220 kWh). Nếu dầu này được sử dụng (ví dụ làm nhiên liệu cho lò hơi hoặc máy phát điện), nó có thể đóng góp thêm ~300–400 kWh điện (giả sử hiệu suất chuyển đổi ~30%). Khí syngas (~120 m³) cũng có thể tận dụng đốt để phát ~100 kWh điện. Như vậy tổng tiềm năng điện từ khâu nhiệt phân vào khoảng 400–500 kWh. Cộng với phần biogas, hệ thống có thể phát hơn 1.200 kWh điện, hoặc cung cấp dạng năng lượng khác tương đương. Với mức này, nếu áp dụng cho 1.000 tấn rác/ngày (quy mô TP.HCM), có thể phát công suất ~5 MW điện – một con số đáng kể cho lưới điện địa phương.

Vật liệu thu hồi (than sinh học): Sản phẩm đáng chú ý là 190 kg than sinh học. Thành phần char chứa tỷ lệ carbon cố định cao (~47%) và dưỡng chất (N, P, K) được cô đặc từ rác hữu cơ ban đầu . Điều này cho thấy char có giá trị làm phân bón hoặc cải tạo đất. Với liều lượng khuyến cáo ~5–10 tấn/ha, lượng char từ 1 tấn rác đủ bón cho ~20–40 m² đất canh tác, cải thiện chất lượng đất và tăng khả năng giữ nước, phân bón. Hơn nữa, 190 kg char tương đương ~90 kg carbon được lưu trữ ổn định trong đất thay vì thải thành CO₂ khí quyển – đóng góp cho mục tiêu sequestration carbon giảm biến đổi khí hậu .

Giảm thiểu chất thải cuối: Sau xử lý, chất thải cuối cùng chỉ còn tro vô cơ và tạp chất không tái chế khoảng 5–10% khối lượng ban đầu. Điều này đồng nghĩa với việc giảm mạnh nhu cầu diện tích bãi chôn lấp, giảm nguy cơ ô nhiễm lâu dài từ bãi rác. Tro xỉ từ lò pyrolysis (khoảng 50 kg chứa chủ yếu là silic, kim loại oxit) có thể dùng làm phụ gia xây dựng (làm gạch, xi măng) hoặc đem chôn lấp an toàn do khối lượng rất nhỏ. Các vật liệu trơ như sành sứ, kim loại nặng có thể được thu hồi và tái chế/phế liệu. So sánh với phương án chôn lấp 1 tấn rác – phải cần ~1 m³ đất bãi rác và phát sinh >100 m³ khí bãi rác (chứa ~50 m³ CH₄) – thì phương án tích hợp gần như loại bỏ hoàn toàn các tác động tiêu cực đó.

So sánh với các phương pháp xử lý truyền thống

Để đánh giá rõ hơn hiệu quả của công nghệ tích hợp vi sinh – nhiệt phân, nghiên cứu đã so sánh với một số phương pháp xử lý CTRSH hiện nay. Kết quả cho thấy, phương pháp chôn lấp gần như không thu hồi được sản phẩm nào (lượng khí CH₄ phát sinh ít được tận dụng), trong khi toàn bộ gần 1 tấn rác ban đầu cộng với đất phủ đều phải chôn lấp. Với công nghệ đốt rác (waste-to-energy), có thể thu được 500–700 kWh điện và một phần tro xỉ dùng trong xây dựng, nhưng vẫn còn khoảng 200–250 kg tro xỉ (tương đương 20–25% khối lượng ban đầu) phải xử lý tiếp.

Trong khi đó, ủ compost chỉ tạo ra khoảng 300–400 kg phân hữu cơ (30–40% đầu vào), nhưng để lại tới 600–700 kg bã thải không thể compost, buộc phải chôn lấp hoặc đốt. Công nghệ phân hủy kỵ khí (AD) hiệu quả hơn khi thu hồi được 100–200 m³ biogas (tương đương 600–1200 kWh năng lượng) cùng sản phẩm phụ là phân bón lỏng hoặc rắn, nhưng vẫn còn 300–400 kg bã thải cần tiếp tục xử lý.

So với các phương pháp này, mô hình tích hợp AD + nhiệt phân cho kết quả vượt trội: từ 1 tấn CTRSH có thể thu được khoảng 140 m³ biogas, 250 lít dầu nhiệt phân và 190 kg than sinh học (biochar), tổng năng lượng quy đổi trên 1200 kWh. Lượng chất thải phải chôn lấp chỉ còn lại 50–100 kg tro, tương đương 5–10% khối lượng ban đầu. So sánh cụ thể cho thấy, so với đốt rác, hệ tích hợp cho mức năng lượng tương đương nhưng lượng tro ít hơn nhiều và có thể tận dụng. So với ủ compost, hệ tích hợp không chỉ tạo phân bón (char) mà còn thu hồi được năng lượng từ biogas và dầu. So với AD đơn thuần, công nghệ tích hợp xử lý triệt để cả phần bã thải còn lại, không để dư lượng tồn đọng.

Điều này cũng phù hợp với các nghiên cứu đánh giá vòng đời (LCA) quốc tế, khi tích hợp AD và nhiệt phân thường mang lại lợi ích môi trường tương đương hoặc cao hơn AD thuần túy, đồng thời bổ sung các sản phẩm hữu ích như dầu và biochar.

Đánh giá các thông số vận hành quan trọng

Kết quả mô phỏng cũng cho phép rút ra một số đánh giá về hiệu suất và thông số vận hành của hệ thống tích hợp:

Hiệu suất phân hủy AD: Với giả định 60% VS chuyển hóa thành khí, hiệu suất này nằm trong khoảng trung bình so với thực tế (50–80% tùy loại rác, thời gian lưu). Hiệu suất càng cao thì biogas càng nhiều, bã càng ít. Có thể tăng hiệu suất bằng cách kéo dài thời gian lưu lên 30–40 ngày hoặc dùng men vi sinh bổ trợ. Tuy nhiên, hiệu suất cao quá sẽ giảm lượng char (vì ít bã cho pyrolysis). Nghiên cứu cho thấy vẫn cần một tỷ lệ bã nhất định để tạo char có chất lượng tốt (có đủ carbon cố định).

Thành phần và nhiệt trị biogas: Ở đây giả thiết CH₄ 60%. Nếu rác nhiều mỡ thịt, CH₄ có thể tới 65–70%; nếu nhiều rau lá, CH₄ ~50–55%. Khí có nhiều CH₄ thì giá trị nhiệt tăng (ưu tiên phát điện). Thành phần H₂S trong biogas từ rác thực phẩm có thể cao (do protein phân hủy tạo H₂S), cần xử lý H₂S (lọc qua đá vôi hoặc than hoạt tính) trước khi dùng để tránh ăn mòn động cơ.

Hiệu suất nhiệt phân: Giả định phân chia 25% khí – 40% dầu – 35% char chỉ là tương đối. Nếu nhiệt độ tăng lên 600 °C, tỷ lệ khí có thể tăng (đến 30–35%), dầu giảm. Nếu làm pyrolysis nhanh, dầu có thể tăng tới 50–55%. Ở đây chọn phương án trung gian để có cả dầu và char. Với mục tiêu năng lượng có thể ưu tiên tăng dầu/khí, còn mục tiêu biochar có thể chạy chế độ chậm để char cao hơn 40%. Nhiệt độ và thời gian lưu là thông số quan trọng có thể tối ưu hóa tùy mục tiêu sản phẩm. 

Chất lượng dầu nhiệt phân: Dầu thu được từ rác có độ ẩm và tạp chất cao (dầu thô màu đen, pH ~2–3 do có acid hữu cơ). Trị số toluene của dầu thấp, không thể dùng ngay cho động cơ như diesel. Cần có bước nâng cấp dầu: ví dụ chưng cất tách phân đoạn nhẹ (xăng, dầu hỏa), hoặc catalytic upgrading để hydrodeoxy loại bỏ oxy, tăng chỉ số. Đây là khía cạnh cần nghiên cứu sâu nếu muốn thương mại hóa dầu từ rác.
Đặc tính than sinh học: Char từ bùn rác thường tơi xốp, diện tích bề mặt cao (có thể >100 m²/g). Ngoài làm phân, char này có thể làm vật liệu hấp phụ xử lý nước (như hấp phụ kim loại nặng, màu). Tuy nhiên cần kiểm tra hàm lượng chất độc trong char: ví dụ kim loại nặng (Pb, Cd) nếu có trong rác sẽ nằm hết trong char. Nếu vượt ngưỡng, char chỉ nên dùng cải tạo đất phi nông nghiệp (trồng cây lâm nghiệp) hoặc làm than nhiên liệu (đốt phát điện). Việc kiểm soát đầu vào rác (loại bỏ pin, ắc quy trước) sẽ giúp char an toàn hơn.

Tổng thể, các kết quả mô phỏng đã khẳng định tính khả thi và hiệu quả của hệ thống tích hợp đề xuất. Tất nhiên, cần nhấn mạnh rằng đây mới là tính toán giả định. Để triển khai thực tế, cần tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm tối ưu hóa các thông số, cũng như đánh giá chi phí - lợi ích chi tiết. Phần thảo luận tiếp theo sẽ đi sâu hơn vào việc cân nhắc những lợi ích và thách thức của công nghệ này trong bối cảnh Việt Nam.

Bàn luận

Lợi ích so với công nghệ truyền thống

Kết quả nghiên cứu khẳng định những ưu thế vượt trội của công nghệ tích hợp vi sinh – nhiệt phân so với các phương pháp xử lý CTRSH truyền thống như chôn lấp và đốt rác.

Về môi trường, công nghệ mới gần như loại bỏ nhu cầu chôn lấp – nguồn gây ô nhiễm đất, nước ngầm và phát thải khí nhà kính lớn. Trong khi chôn lấp toàn bộ 1 tấn rác sẽ phát sinh tự nhiên khí mêtan (chiếm khoảng 11% phát thải khí nhà kính toàn cầu từ rác), thì ở quy trình tích hợp, lượng mêtan được thu hồi và sử dụng làm năng lượng, còn phần chất thải cuối cùng phải chôn lấp chỉ chiếm dưới 10%. Nhờ đó, nguy cơ rò rỉ nước rỉ rác, cháy nổ khí bãi rác và áp lực quỹ đất được giảm đáng kể. So với công nghệ đốt, nhiệt phân có lợi thế ít phát sinh khí độc hại: quá trình yếm khí gần như không tạo NOₓ, SOₓ – những chất gây mưa axit và khói bụi. Khí tổng hợp sinh ra cũng cháy sạch hơn, giàu CO và H₂, ít tạp chất nitơ. Đặc biệt, lượng CO₂ phát thải được cắt giảm mạnh: thay vì giải phóng toàn bộ carbon thành CO₂ như khi đốt, công nghệ này giữ lại khoảng 25–30% carbon trong biochar, góp phần cô lập carbon lâu dài. Ngoài ra, việc thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng năng lượng thu được (biogas, dầu) càng giúp giảm phát thải. Các nghiên cứu LCA quốc tế cũng chỉ ra rằng hệ tích hợp AD + pyrolysis đạt hiệu quả cao nhất về giảm phát thải khí nhà kính so với từng công nghệ riêng lẻ.

Về kinh tế, công nghệ tích hợp tạo ra nhiều sản phẩm có giá trị thương mại như điện năng, dầu nhiệt phân và than sinh học. Điện có thể bán lên lưới với giá ưu đãi cho năng lượng tái tạo (hiện khoảng 0,1 USD/kWh ở Việt Nam). Dầu nhiệt phân có thể tiêu thụ như nhiên liệu lỏng hoặc nguyên liệu lọc hóa dầu – nhiều doanh nghiệp quốc tế đã thu mua để tái chế nhựa thải. Biochar có thị trường mở rộng trong nông nghiệp (cải tạo đất) và xử lý nước (hấp phụ). Hơn nữa, việc chôn lấp biochar còn có thể nhận tín chỉ carbon nhờ loại bỏ CO₂ khỏi chu trình. Ước tính, từ 1 tấn rác có thể thu ~1.200 kWh điện (tương đương ~120 USD), 220 kg dầu (~66 USD) và 190 kg biochar (~19 USD), tổng cộng khoảng 200 USD/tấn. Trong khi đó, chi phí xử lý bằng chôn lấp hoặc đốt hiện dao động 15–25 USD/tấn. Như vậy, nếu tối ưu hóa, công nghệ này không chỉ tự chủ tài chính mà còn có khả năng sinh lợi, tạo động lực hấp dẫn cho đầu tư tư nhân và nước ngoài.

Về xã hội, công nghệ hiện đại này phù hợp với định hướng phát triển bền vững và đô thị thông minh. Việc triển khai các nhà máy tích hợp không chỉ tạo thêm việc làm kỹ thuật chất lượng cao mà còn góp phần nâng cao năng lực nguồn nhân lực địa phương. Người dân được hưởng lợi từ môi trường sạch hơn, sức khỏe cộng đồng cải thiện, đồng thời có thể tham gia trực tiếp vào quá trình phân loại và tái chế rác tại nguồn. Khi thấy rác hữu cơ có thể biến thành điện hoặc phân bón (biochar), ý thức cộng đồng về giảm thiểu và phân loại rác sẽ được củng cố, tạo vòng tuần hoàn tích cực trong quản lý chất thải. Ngoài ra, thành công của mô hình này sẽ nâng cao hình ảnh địa phương là điểm đến đi đầu về công nghệ môi trường, qua đó thu hút thêm vốn đầu tư xanh và phát triển du lịch bền vững.

Thách thức và điều kiện triển khai

Bên cạnh những lợi ích, việc hiện thực hóa công nghệ tích hợp vi sinh – nhiệt phân ở Việt Nam cũng đối mặt với nhiều thách thức cần được giải quyết.

Chi phí đầu tư và vận hành cao. Một hệ thống hoàn chỉnh đòi hỏi đầu tư cho cả hai dây chuyền: bể phân hủy kỵ khí dung tích lớn với hệ thống gia nhiệt, lưu trữ khí, và lò nhiệt phân kèm thiết bị ngưng tụ, lọc khí. Chi phí cho một nhà máy xử lý khoảng 500 tấn rác/ngày có thể lên tới hàng chục triệu USD – con số lớn so với ngân sách nhiều đô thị. Chi phí vận hành cũng đáng kể, đặc biệt ở khâu sấy rác và duy trì nhiệt độ lò. Nếu không tối ưu, phần lớn năng lượng thu được có thể phải dùng lại cho chính hệ thống. Do đó, thiết kế tích hợp năng lượng là yêu cầu bắt buộc, chẳng hạn dùng khí tổng hợp để sấy rác, hay tận dụng nhiệt dư từ động cơ phát điện để gia nhiệt bể AD. Các nghiên cứu cho thấy, nếu tối ưu tốt, hệ thống có thể tự cung cấp trên 70% năng lượng vận hành. Về vốn, mô hình hợp tác công – tư (PPP) là khả thi nhất, với sự hỗ trợ ban đầu từ Nhà nước về đất, thuế hoặc tín dụng. Thực tế từ các dự án pyrolysis quy mô nhỏ, như dự án UNIDO tài trợ tại Đồng Tháp biến vỏ trấu thành biochar, cho thấy sự hỗ trợ ban đầu rất quan trọng để công nghệ mới trụ vững.

Yếu tố con người và kỹ thuật vận hành. Hệ thống tích hợp gồm nhiều công đoạn phức tạp, đòi hỏi nhân lực có trình độ. Thực tế, ngay cả lò đốt rác hiện nay đôi khi vẫn gặp sự cố do rác ẩm, thì vận hành lò nhiệt phân còn khó hơn vì cần kiểm soát môi trường yếm khí chặt chẽ. Quá trình AD cũng đòi hỏi hiểu biết về vi sinh để tránh hiện tượng “sốc tải” làm chết vi sinh vật. Nếu vận hành không chuẩn, sản lượng khí và dầu có thể thấp hơn lý thuyết nhiều. Vì vậy, cần chương trình đào tạo kỹ sư, chuyên gia chuyên sâu, có thể thông qua hợp tác với các trường đại học và viện nghiên cứu trong và ngoài nước. Đồng thời, khâu bảo trì – bảo dưỡng phải được chú trọng để tránh tình trạng “đắp chiếu” như đã từng xảy ra ở một số nhà máy compost.

Chất lượng rác đầu vào. Dù hệ thống có thể xử lý rác lẫn tạp, hiệu suất cao nhất chỉ đạt được khi rác được phân loại tốt. Nếu rác hữu cơ lẫn nhiều tạp chất vô cơ, bể AD sẽ sinh nhiều cặn, làm giảm hiệu quả phân hủy. Do đó, phân loại rác tại nguồn là điều kiện bắt buộc. Đây không chỉ là vấn đề kỹ thuật mà còn là vấn đề hành vi xã hội, cần đi kèm tuyên truyền, hướng dẫn và chế tài. Khi rác được phân loại, hiệu suất hệ thống sẽ đúng như mô phỏng, đồng thời quy mô nhà máy có thể giảm do lượng rác tái chế đã được loại bỏ từ đầu. Thành bại của mô hình vì vậy gắn chặt với ý thức cộng đồng.

Khung pháp lý và chính sách. Hiện Việt Nam chưa có quy định rõ ràng cho các sản phẩm từ pyrolysis. Ví dụ, dầu nhiệt phân từ rác sẽ được xếp vào loại nhiên liệu nào, có tiêu chuẩn an toàn ra sao để lưu thông? Biochar có được công nhận là phân bón hay không, nếu có thì theo chuẩn nào? Các bộ ngành như Bộ TN&MT, Bộ NN&PTNT cần sớm ban hành tiêu chuẩn và hướng dẫn tương ứng. Chính sách giá điện rác và giá mua năng lượng tái tạo cũng cần đủ hấp dẫn và ổn định lâu dài để tạo niềm tin cho nhà đầu tư, tránh tình trạng thay đổi đột ngột như với điện mặt trời. Ngoài ra, cơ chế tín chỉ carbon có thể được áp dụng: nếu chứng minh giảm phát thải CO₂ so với chôn lấp, doanh nghiệp vận hành sẽ được cấp tín chỉ carbon, có thể bán ra thị trường quốc tế theo Thỏa thuận Paris. Đây sẽ là động lực mạnh mẽ thúc đẩy triển khai công nghệ mới.

Tóm lại, dù còn nhiều thách thức về vốn, kỹ thuật, xã hội và chính sách, chúng đều có thể vượt qua nếu có quyết tâm và hỗ trợ phù hợp. Với định hướng phát triển bền vững, Việt Nam hoàn toàn có thể huy động nguồn lực để thử nghiệm, cải tiến và nhân rộng mô hình này trong tương lai.

Kết luận và khuyến nghị

Kết luận: Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của công nghệ xử lý CTRSH tích hợp vi sinh kết hợp nhiệt phân như một giải pháp bền vững cho Việt Nam trong kỷ nguyên kinh tế tuần hoàn. Qua phân tích tài liệu và mô phỏng định lượng, có thể rút ra một số kết luận chính như sau:

Thứ nhất, công nghệ tích hợp cho phép tận dụng tối đa tài nguyên từ rác thải, chuyển hóa phần lớn chất thải thành các dạng năng lượng (khí sinh học, dầu nhiệt phân, khí gas) và vật liệu hữu ích (than sinh học, phân bón), qua đó giảm thiểu triệt để lượng chất thải phải chôn lấp. Mô phỏng cho thấy >90% khối lượng rác có thể được thu hồi hoặc tái sử dụng, chỉ còn <10% là tro và chất trơ cần chôn lấp . Đây là bước tiến vượt bậc so với phương thức xử lý truyền thống (chôn lấp >70% rác ).
Thứ hai, về hiệu quả năng lượng và môi trường, hệ thống tích hợp đạt hiệu suất cao và thân thiện môi trường. Mỗi tấn rác xử lý theo công nghệ này có thể sinh ra hàng ngàn MJ năng lượng (tương đương >1.200 kWh điện) từ khí CH₄ và nhiên liệu lỏng, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính đáng kể so với chôn lấp và đốt . Sản phẩm than sinh học không chỉ cô lập carbon dài hạn mà còn cải tạo đất, đóng góp vào mục tiêu nông nghiệp bền vững và giảm biến đổi khí hậu .
Thứ ba, so sánh với các công nghệ đơn lẻ, phương án tích hợp vượt trội về nhiều mặt. So với chỉ phân hủy kỵ khí, nó xử lý luôn phần bã thải; so với chỉ nhiệt phân, nó xử lý được rác ướt hữu cơ và nâng hiệu suất năng lượng; so với đốt rác, nó giảm phát thải độc hại và tạo sản phẩm phụ có ích; so với ủ compost, nó thu hồi được năng lượng và xử lý cả phần không compost được. Những ưu điểm này phù hợp với định hướng phát triển hệ thống quản lý chất thải theo mô hình IMWR (Integrated Municipal Waste Management) hiện đại.

Thứ tư, việc áp dụng công nghệ mới tại Việt Nam là khả thi nếu có sự chuẩn bị kỹ lưỡng về phân loại rác tại nguồn, đào tạo nhân lực và hỗ trợ đầu tư ban đầu. Các thách thức về kỹ thuật và tài chính hoàn toàn có thể được khắc phục thông qua chính sách phù hợp và hợp tác công tư. Với cơ chế khuyến khích đúng đắn, công nghệ này thậm chí có thể tự vận hành bền vững về tài chính (thu từ bán điện, phân bón và tín chỉ carbon).

Tựu trung, nghiên cứu này khẳng định công nghệ vi sinh kết hợp nhiệt phân là một giải pháp triển vọng, hội tụ các tiêu chí của một công nghệ “xanh”, “sạch” và “tuần hoàn”: xử lý chất thải triệt để, không gây ô nhiễm thứ cấp, thu hồi tài nguyên và năng lượng, đồng thời đóng góp cho các mục tiêu phát triển bền vững (SDGs) về năng lượng sạch, hành động vì khí hậu, thành phố bền vững. Đây có thể xem là hướng đi chiến lược cho Việt Nam để giải quyết đồng thời bài toán rác thải đô thị và nhu cầu năng lượng tái tạo trong tương lai.

Khuyến nghị: Để tiến tới triển khai thực tế công nghệ này, nhóm tác giả đưa ra một số khuyến nghị như sau:

(1) Nghiên cứu thí điểm và chuyển giao công nghệ: Cần sớm thực hiện các dự án thí điểm quy mô nhỏ (ví dụ 5–20 tấn/ngày) tại một số địa phương, nhằm kiểm chứng hiệu quả trong điều kiện thực tế của rác Việt Nam. Các dự án này nên có sự tham gia của viện nghiên cứu, trường đại học trong nước phối hợp với đối tác có kinh nghiệm quốc tế, qua đó chuyển giao công nghệ và đào tạo đội ngũ kỹ thuật. Kết quả thí điểm sẽ là cơ sở để hoàn thiện thiết kế kỹ thuật, định mức chi phí và lợi ích.

(2) Hoàn thiện cơ chế chính sách hỗ trợ: Nhà nước cần ban hành các chính sách ưu đãi cho lĩnh vực xử lý chất thải tiên tiến này, chẳng hạn: ưu đãi thuế nhập khẩu thiết bị, hỗ trợ vay vốn lãi suất thấp, trợ giá mua điện ở mức cao để đảm bảo tính hấp dẫn đầu tư. Song song, xây dựng khung pháp lý cho sản phẩm đầu ra: công nhận dầu nhiệt phân và than sinh học như các hàng hóa hợp pháp (có tiêu chuẩn chất lượng, an toàn). Bổ sung quy định về tín chỉ carbon cho các dự án giảm phát thải từ xử lý chất thải, tạo nguồn thu bổ sung.

(3) Thúc đẩy phân loại rác tại nguồn và huy động cộng đồng: Triển khai đồng bộ chương trình phân loại rác tại nguồn trên toàn quốc, coi đây là điều kiện tiên quyết để công nghệ mới vận hành hiệu quả. Cần mạnh dạn áp dụng chế tài đối với cá nhân, doanh nghiệp không thực hiện phân loại từ 2025 theo Luật BVMT . Mặt khác, tuyên dương, khen thưởng các mô hình cộng đồng làm tốt, đồng thời nâng cao nhận thức người dân về lợi ích của kinh tế tuần hoàn, biến rác thành tài nguyên. Chỉ khi người dân đồng thuận và tham gia tích cực, công nghệ mới mới phát huy hết hiệu quả.

(4) Lộ trình nhân rộng hợp lý: Sau giai đoạn thí điểm (~5 năm), cần đánh giá và xây dựng lộ trình nhân rộng. Không nhất thiết tỉnh nào cũng làm ngay, mà ưu tiên những đô thị lớn, khu công nghiệp có lượng rác tập trung >300 tấn/ngày – nơi hiệu ứng kinh tế quy mô rõ rệt. Có thể cân nhắc mô hình cụm xử lý vùng liên tỉnh: xây 1 nhà máy lớn phục vụ 2–3 tỉnh lân cận, để tối ưu vốn đầu tư. Lộ trình đến 2030, mục tiêu mỗi vùng kinh tế trọng điểm có ít nhất 1 nhà máy tích hợp vi sinh – nhiệt phân quy mô công nghiệp. Đến 2050, công nghệ này (cùng các công nghệ WtE khác) sẽ xử lý phần lớn CTRSH, tiến tới chấm dứt chôn lấp như chiến lược quốc gia đề ra .

(5) Tiếp tục nghiên cứu nâng cao: Mặc dù khái niệm tích hợp đã rõ lợi ích, nhưng vẫn cần nghiên cứu sâu các khía cạnh: tối ưu hóa điều kiện nhiệt phân cho từng loại rác; nâng cấp dầu nhiệt phân thành xăng dầu đạt chuẩn; sử dụng xúc tác trong lò pyrolysis để tăng hiệu suất; ứng dụng char trong nhiều lĩnh vực (ví dụ sản xuất điện cực pin, vật liệu xây dựng…). Việc này cần sự vào cuộc của các nhà khoa học, quỹ nghiên cứu và hợp tác quốc tế. Đầu tư cho R&D hôm nay sẽ đem lại giải pháp hoàn thiện hơn ngày mai.

Kết luận lại, công nghệ xử lý CTRSH bằng vi sinh kết hợp nhiệt phân hứa hẹn đem đến một bước ngoặt trong quản lý chất thải rắn tại Việt Nam, biến những thách thức về môi trường thành cơ hội phát triển kinh tế tuần hoàn. Để biến tiềm năng thành hiện thực, đòi hỏi sự chung tay của nhà nước, nhà khoa học, doanh nghiệp và toàn xã hội. Với định hướng đúng đắn và quyết tâm cao, chúng ta tin tưởng rằng trong tương lai không xa, những bãi rác khổng lồ gây ô nhiễm sẽ được thay thế bằng các nhà máy xanh sản xuất năng lượng và vật liệu từ rác - hiện thực hóa mục tiêu “rác thải bằng 0” và phát triển bền vững cho Việt Nam.

GS. Dương Văn Sinh

Viện nghiên cứu Thiên tai và Môi trường