Khí nhà kính (Greenhouse gas) là những chất khí có khả năng hấp thụ các bức xạ sóng hồng ngoại, được phản xạ từ bề mặt trái đất, lớp khí này giữ và phân tán nhiệt trở lại và làm cho trái đất nóng lên và đây là nguyên nhân gây ra hiện tượng biến đổi khí hậu. Các chất khí nhà kính bao gồm mêtan (CH4), carbon dioxide (CO2), nitơ oxit (N2O), khí ga máy điều hòa (CFC) và một số loại khí khác. Trong đó, CH4 là một chất khí nhà kính mạnh hơn tới 28 lần so với CO2 làm trái đất nóng lên, tính cho 100 năm trở lại đây (Borunda. NatGeo 2019). Nguồn phát thải của các loại khí này là từ các hoạt động kinh tế như khai thác năng lượng, công nghiệp hóa chất, chăn nuôi, khai hoang, trồng trọt và công trình hạ tầng kỹ thuật, trong đó có các hệ thống thu gom, xử lý chất thải và hệ thống thoát nước. Thống kê của OurWorldData cho thấy khí phát thải từ lĩnh vực quản lý chất thải, nước thải chiếm khoảng 3% tổng lượng khí nhà kính trên toàn cầu.

Quản lý nước thải ở Việt Nam hiện nay đang tập trung vào các biện pháp thực hiện các quy định về thu gom, bảo đảm chất lượng xả ra nguồn tiếp nhận và tiếp theo đó là vấn đề tiết kiệm năng lượng. Tác động tích cực của các dự án đầu tư cho nước thải để cải thiện môi trường là rất rõ ràng, tuy nhiên vấn đề khí nhà kính từ hệ thống nước thải cũng là một vấn đề cần quan tâm trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu. Hiện tại các Nhà tài trợ quốc tế khi cho vay vốn đầu tư cho các dự án nước thải tại cũng rất chú ý đến vấn đề phát thải khí nhà kính trong vòng đời của dự án để bảo đảm mục tiêu môi trường bền vững. 

Khí nhà kính có thể phát thải từ tất cả khâu trên một hệ thống thoát nước, kể cả khi chưa có hoặc đã có mạng lưới thu gom, hoặc chưa có hoặc đã có công trình xử lý. Vấn đề khí thải từ nước thải được xem xét một cách toàn diện là quan điểm trong Hướng dẫn kiểm toán khí nhà kính cho các quốc gia, là tài liệu do Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu IPC (Intergovernmental Panel on Climate Change) ban hành, trong đó có một Chương dành riêng cho phát thải khí từ nước và bùn thải.  

Sơ đồ dưới đây mô tả các nguồn phát thải trực tiếp (từ việc tiêu thụ năng lượng để vận hành thiết bị) và phát thải gián tiếp (từ quá trình phân hủy sinh học) từ nước thải sinh hoạt. 

Trong nước thải, bằng quá trình sinh học kỵ khí-yếm khí, các chất thải hữu cơ được phân hủy với sự hoạt động của các vi sinh vật không cần ô xy. Khí phát thải ở đây chủ yếu là CH4, chiếm tới 56%, còn lại là CO2 và các khí khác. Nhiệt độ cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến phát thải CH4 vì khi nhiệt độ môi trường nước thải >15oC thì các vi sinh vật yếm khí mới có thể hoạt động. Các công trình điển hình là nơi xảy ra quá trình xử lý sinh học kỵ khí – yếm khí là các bể chứa, kênh mương thoát nước bẩn, bể biogaz, bể tự hoại, bể lọc sinh học, UASB, v.v…Đối với bùn thải là bể nén bùn trọng lực, bể phân hủy bùn và máy ép kiệt nước. 

Các bể tự hoại gia đình được coi là công trình xử lý bậc 1 / xử lý tại chỗ, phát thải chủ yếu khí CH4. Hiện tại có khoảng 55% các hộ gia đình ở đô thị Việt Nam vẫn sử dụng bể tự hoại. Thống kê của Cục bảo vệ môi trường Hoa kỳ (EPA) còn cho thấy, 76% lượng khí CH4 phát thải từ nước thải là từ các bể tự hoại. 

Trong nước thải, bằng quá trình sinh học hiếu khí, các hợp chất chứa nitơ bị phân hủy như amoni, nitơrat và protein có sự tham gia của các vi khuẩn hiếu khí. Các công trình điển hình của nhà máy XLNT bằng công nghệ sinh học hiếu khí là các hồ sinh học hiếu khí, bể aerotank, bể MBBR, mương ô xy hóa tuần hoàn, bể lọc sinh học hiếu khí, v.v…Nitrat hóa là quá trình hiếu khí chuyển đổi amoni và các hợp chất nitơ khác thành nitrat (NO3-), còn quá trình khử nitrat xảy ra trong điều kiện chuyển đổi sinh học nhưng không có oxy tự do thành khí nitơ (N2). Nitơ oxit (N2O) là sản phẩm trung gian của cả hai quá trình này. Tuy nhiên chỉ tại các nhà máy XLNT hiện đại với tiêu chuẩn xử lý đầu ra cao, nơi có cả hai quá trình khử nitơ và khử nitrat hóa thì mới phát thải ra N2O. Nếu không có cả hai quá trình này thì lượng N2O phát thải là không đáng kể, chủ yếu chỉ xảy ra trên đường mương xả sau xử lý, hoặc tại nguồn tiếp nhận là các sông hồ.   

Trong quá trình sử dụng điện năng hoặc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch để chạy máy, các thiết bị trong hệ thống phải hoạt động để sinh công, bị nóng lên do ma sát và sẽ phát thải ra CO2, ví dụ như các bơm chuyển tiếp trên mạng, máy trộn hóa chất, bơm kỹ thuật, bơm bùn tuần hoàn, máy ép băng tải, hệ thống điều khiển, máy phát điện, xe chở bùn thải, v.v…Tuy nhiên, CO2 phát thải theo cách này không có nguồn gốc sinh học, vì vậy không thuộc phạm vi của bài viết này.

Kiểm kê khí phát thải   

Trong hệ thống thoát nước sinh hoạt, lượng khí nhà kính phát thải được gắn liền với hiệu quả làm sạch thông qua chỉ số BoD (nhu cầu ô xy sinh học). Hàm lượng BoD của nước thải sẽ giảm dần theo chiều dòng chảy, từ khâu thu gom, tự làm sạch hoặc được xử lý bằng các quá trình phân hủy sinh học cho đến khi xả ra nguồn tiếp nhận, đi đôi với việc phát thải khí nhà kính từ hệ thống. 

Sau đây là cách tính toán kiểm kê khí phát thải từ nước thải sinh hoạt, theo tài liệu Hướng dẫn của tổ chức IPCC. Các công thức sau đây thuộc loại giản lược nhất, áp dụng cho các trường hợp hệ thống thoát nước chưa có nhiều dữ liệu thống kê, phân tích của các chỉ tiêu sinh hóa. IPCC còn đề xuất một số công thức phức tạp hơn để tính khối lượng CH4 và N2O, nếu hệ thống thoát nước có đầy đủ dữ liệu hơn.    

Đây là bước đầu tiên cần thực hiện. Nước thải sinh hoạt gắn liền với hoạt động của con người, vì vậy dân số từng lưu vực là chỉ số quan trọng để xác định khối lượng chất hữu cơ có trong nước thải. Cần lưu ý đến khu vực ngoại thị là nơi có thể chưa có hệ thống thoát nước, tuy nhiên vẫn hiện hữu các công trình vệ sinh hộ gia đình như bể tự hoại hoặc nhà tiêu. Vì vậy, số dân tại nơi chưa có hệ thống thoát nước cũng được tính vào lưu vực nghiên cứu.  

Đối với hoạt động quản lý nước thải, nghiên cứu giảm phát thải khí nhà kính luôn phải gắn liền với chất lượng xử lý nước thải và hiệu quả kinh tế. Một số hướng giải quyết là:

Điều chỉnh các thông số vận hành, bao gồm lưu lượng bơm nước thải, lưu lượng bùn hoạt tính tuần hoàn, sục khí… để tìm ra chế độ hoạt động tối ưu. Cách tốt nhất là quá trình này được lập trình và được kiểm soát tự động. Đây có thể là biện pháp kinh tế nhất, vừa giảm khí phát thải, vừa duy trì được chất lượng nước thải sau xử lý.

Bổ sung công nghệ khử khí phát thải vào trong dây chuyền chính của nhà máy xử lý nước thải, tuy nhiên giải pháp này cần có các chi phí đầu tư và vận hành khá tốn kém.

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học có bản chất tự nhiên như hồ chứa vi tảo hoặc bãi lọc trồng cây thay cho các công nghệ xử lý nước thải truyền thống như nitrat hóa – khử nitrat. Tại đây, hiệu quả xử lý được tăng cường với sự quang hợp của các loại thủy sinh và khí phát thải cũng được giảm đáng kể. Công nghệ này quản lý đơn giản, thích hợp với các công trình vệ sinh phân tán công suất nhỏ.

----------------------

TÀI LIỆU THAM KHẢO

- IPCC 2006 - Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories

- J. L. Campos. Greenhouse Gases Emissions from WWTPs - Minimization, Treatment, and Prevention. 2016 

- J. Sims, C. Miller. R.Sim. Mitigating Methane Emissions from Septic Systems. Utah University. 2010

- Nguyễn Việt Anh. Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây. www.moc.gov.vn. 2006