Ô nhiễm bụi hô hấp có phân biệt kích thước hạt trong môi trường khí đô thị và môi trường sản xuất

Dựa trên các kết quả phân tích thành phần nguyên tố và ion đã nhận dạng và định lượng các nguồn phát ô nhiễm không khí tại Hà nội dùng kỹ thuật mô hình hoá receptor mođelling.. | Đài loa

BỘ KHOA HỌC, CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI CẤP NHÀ NƯỚC

NĂM 1998-1999

0 NHIEM BUI HO HAP CO PHAN BIET KICH THUGC HAT TRONG

MỖI TRƯỜNG KHÍ BÔ THỊ VÀ MÔI TRƯỜNG SÂN XUẤT

Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

Chủ nhiệm đề tài: GS-TS Phạm Duy Hiển

Hà Nội - 1999

ABS - 60- 149 tt ft

BỘ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG

VIÊN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

BAO CAO NGHIEM THU

Đề tài độc lập cấp nhà nước

Ô NHIỄM BỤI HÔ HẤP CÓ PHÂN BIỆT KÍCH THƯỚC HẠT TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ ĐÔ THI VA MOI TRƯỜNG SẢN XUẤT

Chủ nhiệm đề tài : Phạm Duy Hiển

Cơ quan chủ trì : Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam

Cơ quan chủ quản : Viện Khoa Học và Kỹ Thuật Hạt Nhân

Cán bộ tham gia thực hiện :

Chuyên trách:

Bán chuyên trách:

Cộng tác:

Vuong Thu Bac

Hoang Chung Tham

(Vién KHKT Hạt Nhân) Đăng Đức Nhận

Nguyễn Hào Quang

Nguyễn Quang Long

1.1 Bụi hô hấp và tầm quan trọng

1.2 Nghiên cứu về bụi hô hấp trên thế giới

1.3 Các nghiên cứu đã tiến hành ở Việt nam

3.9 Kiểm định các kết quả phân tích

Phần thứ tư - Kết quả nghiên cứu

4 Hàm lượng bụi hô hấp tại Hà nội

4.1 Trạm khí tượng Láng

4.2 Bụi hô hấp ở một số vị trí khác trong phạm vi Hà nội

4.3 Bụi hô hấp ở Việt trì và Thái nguyên

4.4 So sánh với các nước khác trên thế giới

5 Tác động của các quá trình trong khí quyến

5.1 Quy luật tương quan giữa PM¡›, PM; và các thông số khí tượng

tại trạm khí tượng Láng

5.2 Khôi phục những giá trị PM¡; và PM; bị mất do không quan trắc được

tại trạm khí tượng Láng

5.3 Biến thiên theo mùa

5.4 Sự khác biệt ngày đêm

5.5 Ô nhiễm bụi hô hấp trong thời gian có nghịch nhiệt

6 Thành phân nguyên tố, ion và hệ số làm giàu của chúng trong bụi hô hấp 33

6.1 Hàm lượng trung bình các nguyên tố và ion trong bụi thô (PM; ;o)

và bụi mịn (PM;)

6.2 Hệ số làm giàu của các nguyên tố 33 33

7 Nhận dạng và định lượng các nguồn phát ô nhiễm

7.1 Kỹ thuật mô hình hoá receptor modelling Nhận đạng các nguồn phát

7.2 Kỹ thuật mô hình hoá receptor modelling

Định lượng thành phần nguyên tố (ion) của các nguồn phát

và đóng góp của từng nguồn phát tại vị trí quan trắc

7.3 Nhận dạng và định lượng các nguồn phát bụi thô

7.4 Nhận đạng và định lượng các nguồn phát bụi mịn

7.5 Nguồn phát của Pb, sulphate, nitrate va cac bon den

1.6 Đóng góp của các nguồn trong tổng bụi hô hấp PM;

7.7 Nhận xét

Phần thứ năm - Thay phần kết

Một số điểm đáng lưu ý về bụi hô hấp ở Hà nội

Về khả năng triển khai quan trắc bụi hô hấp ở các vùng đô thị khác

Phụ lục

1 Qui trình thu góp bụi khí với thiết bị SEU

1.1 Lựa chọn vị trí thu góp mẫu

1.2 Cân và lắp phin lọc

1.3 Vận hành máy hút khí SFU

2 Bằng tổng hợp kết quả thu góp bụi khí tại Trạm Láng

và các thông số khí tượng

3 Hàm lượng các nguyên tố, ion và sai số tương đối trong bụi thô và mịn

3.1 Hàm lượng các nguyên tố, ion và sai số tương đối trong bụi thô

3.2 Hàm lượng các nguyên tố, ion và sai số tương đối trong bụi mịn

4 So sánh kết quả quan trắc đồng thời bụi hô hấp tại một số vị trí

4.1 So sánh hàm lượng bụi PM10 và PM2 ở trạm khí tượng Láng

Tóm Tắt

Trong số các đối tượng môi trường, ô nhiễm không khí tác động trực tiếp và thường

xuyên nhất đến tất cả mọi người Nhưng phải mãi cho đến những năm gần đây người

ta mới hiểu rõ hơn tác hại của những bụi (sol) khí lơ lửng, nhất là bụi khí có kích thước dưới 10 hm (PM¡¿), và đặc biệt là bụi khí đưới 2.5 tm (PM; ;) Do có khả năng

đi sâu vào cơ thể theo đường hô hấp và gây tác hại đến sức khoẻ, chúng được gọi là bụi hô hấp Hầu hết các nước trên thế giới đã áp dụng những tiêu chuẩn môi trường về

bụi hô hấp để bảo vệ sức khoẻ dân chúng

Bụi hô hấp còn làm đục khí quyển, ảnh hưởng đến tầm nhìn trong không trung và lan truyền rất xa, qua biên giới nhiều nước Sự kiện Chernobyl, các vụ cháy rừng ở Đông

nam Á trong vài năm gần đây, những vụ bão bụi xuất phát từ miền Bắc Trung quốc

ảnh hưởng đến nhiều khu vực rộng lớn ở Bắc bán cầu v.v đã chứng minh điều đó

Trong vài năm gần đây việc nghiên cứu bụi hô hấp càng trở nên sôi động bởi lẽ khoa

học còn biết quá ít về vai trò của các sol khí chứa sulphate, nitrate, cac bon đen v v

có thể gây ra hiện tượng thay đổi khí hậu toàn cầu Cũng như CO; và các khí gây hiệu

ứng nhà kính, các sol khí này được sinh ra do đốt cháy nhiên liệu Trong khi tác động

của các khí gây hiệu ứng nhà kính có thể tính được khá chính xác (+2 đến +2.8 W m'

?, thì tác động làm lạnh khí quyển do các sol khí nói trên vẫn chỉ mới ước lượng với

độ bất định còn khá cao (-0.3 đến -3.4 W m”) Mấy số liệu vừa dẫn ra cho thấy chưa

thể khẳng định thật dứt khoát liệu khí quyển đang nóng lên hay không?

Công trình nghiên cứu bụi hô hấp ở Hà nội được thực hiện trong hai năm 1998-99 Gần 1500 mẫu bụi hô hấp được hút trên phin lọc Nuclepore tại Trạm khí tượng Láng, Vườn hoa hàng Đậu, khu nhà ở Khương trung, khu biệt thự Tây hồ, thành phố Việt trì

và Thái nguyên Riêng tại trạm khí tượng Láng, đã thực hiện quan trắc liên tục bụi hô

hấp trong một năm tròn từ 27/7/98 đến 27/7/99 Từ đó đã thiết lập uy luật hồi quy

giữa hàm lượng bụi hô hấp với các thông số khí tượng như vận tốc gió trung bình,

lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm, tần suất nghịch nhiệt v.v Các quy luật này có thể sử

dụng để dự báo mức độ ô nhiễm bụi hô hấp dựa trên các thông số khí tượng Trạm khí tượng Láng được dùng là trạm mốc, các số liệu từ trạm này sẽ đừng làm cơ sở để so

sánh với các vi trí quan trắc khác xung quanh Hà nội cũng như để theo đối diễn biến

trong các năm sau

Mức độ ô nhiễm bụi hô hấp ở Hà nội nói chung vượt quá tiêu chuẩn cho phép ở nhiều nước trên thế giới Hàm lượng trung bình năm của PMI¿ là 96.2 hg/m” và PM; là 40.7

ug/m” Số ngày có hàm lượng PM; và PM; cao hơn tiêu chuẩn 24-giờ của Mỹ (150 g/m? va 50 ng/m)) là 17% và 28% Trong số bốn địa điểm quan trắc ở Hà nội, hàm

lượng bụi hô hấp cao nhất ở vườn hoa hàng Đậu và thấp nhất ở khu biệt thự Tây hồ Mùa khó, từ tháng L1 đến tháng tự, hàm lượng bụi hô bếp rất cao, có khi kéo đài nhiều ngày liền, trong thời gian này thường xảy ra hiện tượng nghịch nhiệt vào ban đêm Vào những ngày này, hàm lượng bụi ban đêm thường cao hơn ban ngày, có khi cao đến 5-10 lần

Đã tiến hành phân tích định lượng thành phần nguyên tố và ion trong 2x125 mẫu bụi

thô và mịn bao gồm 24 nguyên tố hoá học, các bon đen, các ion vô cơ như sulphate, nitrate, ammonium, Cl- vA mét số cation kim loại Các kỹ thuật phân tích được sử dụng là kích hoạt nơ tron, cực phổ, phản xạ ánh sáng và sắc ký ion Kết quả cho thấy một số độc tố tiêu biểu như Sb, S (SO,), C (cac bon den) Se, Br, N (NO,), Pb, Cl, V, Zn v.v đã được làm giàu lên hàng nghìn lần trong bựi khí (so với đất) do khí thải từ

công nghiệp và sử đụng nhiên liệu Hầm lượng chì trong không khí ở mức 0.25 g/m’,

tuy cao hơn so với nhiều nước nhưng vẫn thấp hơn tiêu chuẩn do WHO khuyến cáo

(1.5 ng/m?”) Sulphate và các bon đen tương đối cao nếu so với một số nước sử dụng nhiều nhiên liệu hơn 'Việt nam

Dựa trên các kết quả phân tích thành phần nguyên tố và ion đã nhận dạng và định lượng các nguồn phát ô nhiễm không khí tại Hà nội dùng kỹ thuật mô hình hoá receptor mođelling Kết quả đã nhận dạng được 9 nguồn phát bụi thô (PM, „ạ) và 10 nguồn phát bụi mịn (PM,) Bụi đất đo xe cộ và gió tốc lên chiếm đến 65% khối lượng

bụi thô, tiếp theo đó là các soi khí do đốt than, sol khí có nguồn gốc sinh vật

(amnmonmia) và bụi xi măng từ các công trình xây đựng Sol khí có nguồn gốc biển chiếm 5% khối lượng bụi thô, mặc đù Hà nội cách xa biển đến gần 100 km Bụi mịn

chứa nhiều sol khí từ xe cộ (43%), đốt than, dầu, công nghiệp và các hạt thứ cấp Bụi

đất chỉ chiếm 10% khối lượng bụi mịn Với hai thành phố Việt trì và Thái nguyên lượng thông tin quan trắc và phân tích chưa đủ để có thể nhận dạng các nguồn phát ô nhiễm

Kỹ thuật mô hình hoá cũng tính được đóng góp của từng nguồn đối với từng tác nhân

ô nhiễm Thí dụ, xăng pha chì từ xe cộ chỉ chiếm không nhiều hơn 23% lượng chì đo

được trong bụi mịn Trong bụi thô, sulphate tìm thấy tro:g bụi đất, bụi giàu ammonium (có nguồn gốc sinh vật) và bụi than Trong bụi mịn, sulphate liên quan đến rất nhiều nguồn như bụi đất, than, xe cộ, bụi thứ cấp, đầu v.v Phần lớn nitrate nằm trong bụi thô và liên quan nhiều với Na trong sol khí nghèo Cl có nguồn gốc biển Trong khi đó cac bon đen phần lớn lại nằm trong bụi mịn từ các nguồn như xe cộ,

than, dầu và đi cùng với bụi thứ cấp

Nhìn chung, bựi đất và việc sử dụng than đá chất lượng thấp vẫn là hai thách thức lớn

nhất cẩn giải quyết để cải thiện môi trường khí ở Hà nội Khói bụi do xe cộ có thể

chưa phải là vấn để trầm trọng nếu đường sá và vỉa hè sạch sẽ Mặt khác, có thể cần xem xét biện pháp làm vệ sinh đường phố lúc chập tối vào những ngày xảy ra nghịch nhiệt Bụi đất được tốc lên khi quét đọn đường phố lúc chập tối không phát tán được, làm tăng lên hàm lượng bụi hô hấp qua đêm

Trong số những biện pháp quản lý còn cần phải đưa ra tiêu chuẩn về bụi hô hấp để bảo

vệ sức khoẻ đân chúng như hầu hết các nước trên thế giới đã làm

Trong gần hai năm để tài đã sản sinh, kiểm định và xử lý trên 25000 kết quả quan trắc,

bao gồm các kết quả phân tích nguyên tố và ion (~8000), xác định hàm lugng PM,, và PM; (~1350), và cập nhật các thông số khí tượng hằng, ngày (~16000) Bộ số liệu này được tồn trữ trong đĩa mềm dưới dạng EXCEL, sẵn sàng cung cấp hoặc đưa lên các 'Web Site để phục vụ cho những ai muốn khai thác nó

Đề tài tham gia vào chương trình hợp tác vùng châu Á-Thái bình dương R.AS/8/080 do IAEA va UNDP tai trợ mang tên "Urban Air Pollution and Its Trend"

Mot vai k¥ hiêu thường găp và tiêu chuẩn cần lưu ý để dễ đối chiếu

PM¿: bụi (hô hấp) có đường kính khí động lực đưới 10 um,

PM;¿„ PM, : bụi mịn, đường kính dưới 2.5 hoặc 2 um,

Phần thứ nhất

1 Tổng quan

1.1 Bui ho hap va tam quan trong

Bui khi lơ lửng trong không trung, hay cồn gọi là sol khí (aerosol) có kích thước từ

phần trăm núcron (tưm) đến gần 100 pm Chúng được gọi là tổng bụi lơ lửng TSP

(total suspended particulate) Nhưng chỉ có những sol khí đưới 10 im, gọi là PM;

mới theo hơi thở đi vào được bên trong phế quản Những sol khí dưới 2.5 jim (PM;¿)

có thể vào sâu hơn và bị giữ lại trong các phế nang (hình 1) Trong khi đó, những hạt quá bé, đưới phần trăm um, thì lại theo hơi thở ra ngoài, PM¡¿ được gọi là bựi hô hấp Nhiều nghiên cứu ở các nước tiền tiến cho thấy bụi hô hấp tác hại rất lớn đến sức khoẻ cộng đồng, gây ra nhiều chứng bệnh vê đường hô hấp Hầm lượng Pb cao trong không khí đo khí thải từ xe cộ được biết là nguyên nhân làm giảm chỉ số IQ của trẻ em thành phố Bangkok

Bụi hô hấp cũng hạn chế tầm nhìn trong không trung ảnh hưởng đến giao thông vận

tải Chúng hấp thụ và tán xa ánh sáng mặt trời, ảnh hưởng đến cân bằng bức xạ trong khí quyền, đến quá trình tạo mây mưa, và là một trong những nhân tố quan trọng góp phần làm thay đổi khí hậu trái đất Cũng như các khí gây hiệu ứng nhà kính như CÔ;,

các sol khí có kích thước rất bé chứa sulphate, nitrate, cạc bon đen v.v được sinh ra

do đốt cháy nhiên liệu Trong khi hiện nay tác động của các khí gây hiệu ứng nhà kính

Bụi hô hấp lại thường được chia thành bai loại, bựi mịn có kích thước dưới 2.5 nm (PM, ,) va byi thé c6 kich thước từ 2.5 dén 10 pm (PM 2s¡o)- Bui min thudng phat ra tir

các quá trình đốt nhiên liêu (than, xăng đầu v.v ), hoặc được chuyển hoá từ khí (hữu

cơ, SO;, NO, ) thành các hạt nhân ngưng tụ có kích thước rất bé, gọi là hạt thứ cấp (secondary particles) Bụi thô thường từ đất do xe cộ và gió tốc lên, từ thực vật, bụi núi lửa, bụi từ biển chứa muối, v.v Bụi hô hấp chỉ tồn lưu không quá vài ngày trong không khí tuỳ theo điều kiện thời tiết Chúng tiêu đi do mưa (rainout & washout), phat tần theo gió, theo các luồng khí thăng động, rơi xuống đất (deposition), hoặc biến hoá

do nhiều quá trình hoá lý trong khí quyển

Nhiều nước đã quy định tiêu chuẩn về bụi hô hấp để bảo vệ sức khoẻ và sinh hoạt - cộng đồng Việt nam chưa có tiêu chuẩn này Bảng 1 ghi lai tiêu chuẩn ở một số nước

được áp đụng từ những năm đầu thập kỷ chín mươi, thậm chí trước nữa, như ở Nhật và

Mỹ Các nước phát triển phần lớn sử dụng tiêu chuẩn gần giống như Mỹ Nước Mỹ lại vừa mới đưa ra thêm tiêu chuẩn về bụi PM;; từ năm 1997 bên cạnh tiêu chuẩn cũ về

PM, > Thông thường có hai loại tiêu chuẩn, trung bình ngày (DMV: daily mean value)

và trung bình năm (AMV: annual mean value)

Bảng l

Tiêu chuẩn về bụi hô hấp ở một số nước, đơn vị: g/m?

Bụi | Chuẩn | Nhật bản N Triéu | Đài loan | Thái lan | Indonesia | Mỹ

Được nghiên cứu nhiều từ thập kỷ tám mươi và rất mạnh trong những năm gần đây,

tập trung nhiều vào mấy hướng:

« — Các tính chất vật lý, hoá học, quang học của bụi hô hấp,

-s_ Các nguồn phát, thành phần nguyên tố và hợp chất đối với từng loại nguồn,

« Các quá trình đưa đến sự hình thành, vận chuyển, biến hoá trong khí quyền, đặc biệt quá trình chuyén pha khi-sol khi-mdy-mua,

_« Tac déng cia cdc yếu tố thời tiết và khí tượng,

+ Lan truyền ô nhiễm tầm xa, lan truyền trên quy mô synoptic, phân bố bụi hô hấp trên quy mô vùng và toàn cầu,

« Các kỹ thuật quan trắc và phân tích thành phần hóa học trong cả mẫu và từng hạt bụi, quan trắc bằng vệ tỉnh,

» _ Kỹ thuật mô hình hoá đựa trên kết quả quan trắc đề định lượng các nguồn phát,

« _ Tác hại đến sức khoẻ và ảnh hưởng đến tầm nhìn,

« _ Sol khí trong bài toán thay đổi khí hậu trên trái đất

Mỹ có quy mô nghiên cứu lớn nhất Rất nhiều kết quả và quy trình nghiên cứu cũng như nhiều thông tin liên quan đều đưa lên mạng internet thuộc hệ thống của EPA USA (Cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ) Mỹ cũng tài trợ cho những dự án toàn cầu như

ACE (aerosol characterization experiment) để thu hút sự đóng góp của các nhà khoa

học trên khắp thế giới

Trong khu vực châu Á-Thái bình dương, Nhật bản, Trung quốc, Ấn độ, Australia, và

gần đây là Hông kông, Nam Triều tiên, đã có nhiều nghiên cứu quy mô Được sự tài

trợ của LAEA và UNDP từ năm 1998 các nước trong khu vực đã hợp tác nghiên cứu về bụi hô hấp tại các thành phố lớn trong vùng sử dụng kỹ thuật hạt nhân để phân tích thành phẩn nguyên tố, Mỗi nước được trang bị các thiết bị thu góp bụi hô hấp giống nhau Chương trình hợp tác vùng dự kiến sẽ kéo dài sang pha thứ hai từ năm 2001 với

hai nội đung chủ yếu:

+ _ Nghiên cứo xu thế diễn biến theo thời gian của bụi hô hấp và các nguồn phát,

« _ Phát hiện các ô nhiễm lan truyền từ xa (qua biên giới)

1.3 Các nghiên cứu đã tiến hành ở Việt nam

Bụi khí tổng (TSP) được Viện NCHN Đà lạt quan trắc liên tục và nghiên cứu có hệ thống từ năm 1992 ở Tp Hỗ chí Minh Các kết quả được báo cáo đéu đặn hàng năm

cho Sở KHCN MT thành phố và công bố trên các tạp chí quốc tế (P D Hien et al.,

1997, 1999, 2000; Binh et al., 1997, 2000)

Từ tháng 8/1996, Viện NCHN Đà lạt đã chuyển sang nghiên cứu bụi hô hấp nhờ có một số thiết bị đo chương trình hợp tác vùng cung cấp Trạm quan trắc đặt tại số 8 phố Trương định và Thủ đức Dựa trên thành phần nguyên tố của bụi hô hấp đã nhận dang

các nguồn phát ô nhiễm tại hai địa điểm nói trên Do thiếu nhân lực tại chỗ việc quan trắc bụi hô hấp tại Tp HCM không được tiến hành thường xuyên theo chế độ 24 giờ, phải chấp nhận đặt trạm quan trắc quá cao (24 m), không gắn kết với các quan trắc khí

tượng Ngoài ra, chưa có điều kiện để phân tích các ion, cac bon đen v.v là những

thàmh phần rất quan trọng trong bụi hô hấp Tuy nhiên các nghiên cứu về bụi hô hấp ở

Tp HCM đã mang lại nhiều kinh nghiệm quý báu để xây dựng một chương trình nghiên cứu bài bản và toàn điện hơn cho Hà nội và cả nước

« - Đánh giá mức độ ô nhiễm PM; và PM; tại các nơi khác trong phạm vi Hà nội và

tại hai thành phố công nghiệp trên miễn Bắc,

+ _ Đánh giá tác động của những yếu tố khí tượng thời tiết đến PM¡¿ và PM; (đặc biệt quan tâm đến các quy luật của chế độ gió mùa mà những nghiên cứu tương tự ở

phương Tây chưa đề cập đến),

» Xác định thành phần nguyên tố và ion trong một số lượng lớn mẫu bụi thô (PM; ;)

và mẫu buị mịn (PM,), đặc biệt chú ý đến các nguyên tố và ion đặc trưng cho các

nguồn phát ô nhiễm, :

» _ Sử dụng phương pháp mô hình hoá thống kê ”receptor modelling” dé nhan dang va

định lượng phần đóng góp của các nguồn phát ô nhiễm,

+ Xác định các nguồn phát của một số tấc nhân 6 nhiễm quan trọng như Pb,

sulphate, nitrate, cac bon đen v.v ,

« - Sau khi đã có một bức tranh tương đối toàn diện và đủ tin cậy cho Hà nội, Tp HCM và một số nơi khác, sẽ kiến nghị một số biện pháp quản lý môi trường khí tại các đô thị Việt nam, trong đó có vấn đê tiêu chuẩn hoá bụi hô hấp,

« _ Nghiên cứu giải quyết những vấn dé học thuật mới về bụi hô hấp,

« - Đào tạo cán bộ tiếp cận được với các phương pháp hiện đại trong nghiên cứu môi trường

2.2 Thiết kế nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu nêu trên trong điều kiện kinh phí và nhân lực hạn chế, các nhiệm vụ nghiên cứu đã được thiết kế chu đáo dựa trên kinh nghiệm rút ra từ nghiên cứu tại Tp HCM, các khuyến cáo trong chương trình hợp tác vùng châu Á-Thái bình đương cũng như một khối lượng lớn thông tin tập hợp từ nhiều con đường khác nhau

thuộc lãnh vực nghiên cứu này Những đặc điểm chủ yếu trong thiết kế nghiên cứu là:

« Chon Trạm khí tượng Láng làm trạm quan trắc mốc Ưu điểm của vị trí này là tại

đây có thể đặt thiết bị thu góp bụi hô hấp an toàn, thuận tiện đúng quy định (cách mặt đất 1.6m, xung quanh không có nhà cao chắn v.v ) và cập nhật được các

thông số khí tượng ngay tại chỗ Nhược điểm của vị trí này là vấn còn xa trung'

tâm, có thể chưa đặc trưng cho khu dân cư đông đúc nhất của Hà nội

« Để hình dung bức tranh phân bố bụi hô hấp trong phạm ví Hà nội đã chọn thêm ba

vị trí khác, cụ thể là Vườn hoa hàng Đậu đặc trưng cho khu vực trung tâm, khu nhà

ở Khương trung vừa đông dân vừa gần các khu công nghiệp, và Phủ Tây hồ dự

kiến là nơi ít bị ô nhiễm nhất ở thủ đô Tại ba vị trí này không tiến hành quan trắc

thường xuyên, nhưng mỗi lần thu góp bụi đêu phối hợp giờ giấc thống nhất với Trạm mốc ở Láng để tiện so sánh

» Sau khi da có đủ số liệu quan trắc liên tục trong một năm tròn ở trạm Láng, việc

quan trắc trong các năm sau chỉ tiến hành ngẫu nhiên, cụ thể là 8 ngày trong từng

tháng Lịch quan trấc ngẫu nhiên được “gieo” trước trên máy tính sao cho sai số

chuẩn của trung bình năm của hàm lượng PM¡¿ và PM; là có thể chấp nhận được

Đặc biệt chú trọng các khâu QA &QC, giảm tối đa các mẫu không đúng quy cách

Dé xác lập quy trình thực nghiệm hợp lý, đã tiến hành một đợt thu góp bụi và phân tích thử nghiệm trọng tháng 4, 5/1998 Từ đó xây dựng quy trình thu góp bụi hô hấp xem như quy trình chuẩn (phụ lục 1)

Tất cả các phổ gamma kích hoạt trên lò phản ứng Đà lạt đều được copy va chuyển

ra Hà nội để xử lý lại Dùng nhiều biện pháp để kiểm định (validation) các kết quả

phân tích trước khi đưa vào sử dụng

Sử dụng các phần mềm mạnh để xử lý một khối lượng số liệu lớn

Cập nhật các nghiên cứu mới nhất về bụi hô hấp trên các tạp chí quốc tế và trên ` các Web site để tránh đi lạc hướng và nắm chắc vấn để gì chưa được ai nghiên cứu, vấn đề gì đã được nghiên cứu và địa chỉ của nõ : :

Khối lượng thực nghiệm (4/98 - 11/99):

1 Bui thé (PM, ,.) va min (PM, ) thu góp từ tháng 4/1998:

e 2x675 mau tại trạm khí tượng Láng,

« 2x47 mẫu tại Vườn hoa hàng Đậu, khu dân cư Khương trung, khu

biệt thự Tây hồ và hai thành phố Việt trì và Thái nguyên

2 Cập nhật 7 thống số khí tượng

3 Phân tích 23 chỉ tiêu nguyên tố và 6 chỉ tiêu ion trong 2x125 mẫu bụi

thô và mịn thu góp tại trạm khí tượng Láng :

4 Phân tích cac bon đen trong 2x205 mẫu thu góp tại nhiều địa điểm quan trắc ở Hà nội, Việt trì, Thái nguyên (và cả Tp HCM đo Viện Đà

lạt chuyển ra)

5 Xử lý thống kê trên 25000 kết quả quan trắc, đo đạc và phân tích

Phần thứ ba

3 Thực nghiệm

3.1 Thu góp bụi hô hấp

Sit dung hai thiết bị hút khí Stack Filter Unit (SFU) được chế tạo tại trường Đại học

Clarkson, New York (Hinh 2) Luéng khí có lưu tốc từ 18 Iit/phút đến 14 lit/phút đi

qua phin loc hạt nhân Nuclepore thứ nhất có lỗ loc 8 pm để lọc các bụi thô (PM; ¡¿) sau đó qua tiếp phin lọc thứ hai có lỗ lọc 0.4 hm để lọc các bụi mịn (PM,) Các phin

lọc Nuclepore được bảo quản trong phòng điều hoà không khí ít nhất là 24 giờ trước

khi cân Máy hút khí SEU ghi lại lượng không khí (V) được hút qua phin loc tinh theo

mỶ Hàm lượng bụi hô hấp (A) được tính theo công thức A= M/V, M là khối lượng bụi được giữ lại trên phin lọc

Ống dẫn bằng nhựa (30m) nối với bơm chân không

Phin Nuclepore bắt bụi mịn

—_ Phin Nuclepore bat bụi thô

Tam chắn các hạt bụi lớn

Lối bụi khí đi vào đầu hút

Hình 2 Sơ đồ cấu tạo đầu thu góp bụi khí hô hấp

10

Khối lượng các phin loc c& 15000 pg, trong khi đó khối lượng bụi giữ lại trên phin

thường không quá 500 up Để bảo đảm khối lượng bụi chính xác đã phải sử dụng cân Mettler AT-21 Comparator FACT c6 s6 doc dén pig tai TC Đo lường Tiêu chuẩn cùng

với nguồn phóng xạ alpha (Po-210 Staticmaster, model No.2U500 NRDINC) để khử

tnh điện ngay trước khi cân Nhờ đó sai số của hàm lượng bụi hô hấp do cân các phin Nuclepore được bảo đảm ở mức dưới 2%

Bụi hô hấp được thu góp thành những mẫu 24 giờ Những hôm nhiều bụi có khi phải

thay phin đến 5 lần trong một ngày đêm nếu không bụi sẽ làm tắc phin Tất cả các chi tiết đáng chú ý trong khi thu góp bụi đều được ghi lại đầy đủ để sau này xử lý (phụ lục

2)

3.2 Mô tả các vị trí quan trắc

Để đạt được mục tiêu nhận đạng và định lượng các nguồn phát, thành phần nguyên tố

và phần đóng góp của từng loại nguồn gây ô nhiễm cần phải chọn các vị trí quan trắc thích hợp, quan trọng nhất là kết quả phân tích phải phản ảnh được mức độ ô nhiễm đại điện cho khu vực và thời gian quan trắc Các vị trí quan trắc phải có địa hình bằng phẳng, tốt nhất là các bãi cỗ thoáng, cách xa tường nhà, cây cối và tránh mọi khả năng

nhiễm bẩn cục bộ Các vị trí sau đã được chọn để quan trắc:

¢ Tram khí tượng Láng (105.48°E, 21.01°N), khoảng 4 km về phía Tây tây nam trung tâm thủ đô thuộc phường Láng trung, quận Đống đa Hà nội, được xem là vị trí tối ưu nhất để làm trạm quan trắc mốc Đầu hút của thiết bị thu góp bụi được đặt trong khuôn viên của vườn quan trắc khí tượng và cách mặt đất 1.6m, xung quanh không bị che chắn v.v và có thể thu thập được các thông số khí tượng ngay

tại chỗ

« _ Khu nhà ở thuộc phường Khương trung, quận Thanh xuân Hà nội, khoảng 4 km

về phía Tây nam trung tam Day là một khu dân cư mới đông đúc nhiều nhà tầng,

hơn nữa lại gần khu công nghiệp Tây nam Thành phố (nhà máy giầy Thượng đình,

nhà máy thuốc lá Thăng long v.v ) Đầu hút của thiết bị thư góp bụi được đặt trên

sân thượng của toà nhà 2 tầng ˆ

« _ Vườn hoa Hàng đậu thuộc quận Hoàn kiếm, khoảng hơn 1 km về phía Bắc của

Hồ gươm, được xem là đại điện cho khủ trung tâm có mật độ giao thông và dân cư

khá lớn Đầu hút của thiết bị thu góp bụi được đặt trong khuôn viên của vườn hoa

« _ Thành phố Việt tri (105.23°E, 21.19°N) là thủ phủ của tỉnh Phú thọ, cách Thủ đô

Hà nội khoảng 85 km về phía Bắc - Tay Bắc Khu công nghiệp nằm ở phía Đông Nam cách Thành phố từ 5-15 km, khu công nghiệp hoá chất nằm ở phía Tây bắc cách Thành phố từ 5-15 km và nhiễu nhà máy nhỏ nằm ngay trong Thành phố Địa

hình Thành phố nhấp nhô do có nhiều đổi núi thấp và nhiều nhà tầng Đầu hút của

il

thiết bị thu góp bụi được đặt trên sân thượng của toà nhà 4 tầng (khách sạn Phương nam, Gia cẩm, Việt trì) thuộc khu trung tâm của Thành phố trên quốc lộ II

« _ Thành phố Thái nguyên (105.50°E, 21.35°N) là trung tâm của Tỉnh Thái nguyên cách Hà nội khoảng 80 km về phía Bắc Dân cư tương đối đông đúc, nhiều nhà tầng, khu gang thép Thái nguyên nằm cách thành phố khoảng 5 km về phía Đông nam của thành phố Đầu hút của thiết bị thu góp bụi được đặt trên sân thượng của toà nhà 5 tầng (khách sạn Thái nguyên, 02 đường Hoàng Văn Thụ) ngay trung tâm của Thành phố

33 Thong sé khi tuong

Cac thong số khí tượng mặt đất đo Trạm khí tượng Láng cung cấp được ghi lại ở ph lục 2 cùng với các chi tiết thu góp bụi

Các thông số về biến thiên nhiệt độ theo độ cao do Đài cao không, Trạm quan trắc thám không vô tuyến và ô zôn Hà nội cung cấp Rất tiếc để tài chỉ mới tiếp cận được một phân rất nhỏ trong nguồn thông tin quí giá này

3.4 Phân tích thành phân nguyên tố bàng kích hoạt nơ tron

Thành phần nguyên tố của bụi khí được xác định bằng kích hoạt nơ tron tại lò phản ứng Đà lạt Khoảng 22-25 nguyên tố được kích hoạt nơ tron chia thành ba nhóm như

Sau:

e Chiéu 5 phút, đo phổ gamma sau 2-10 phút trong 100 giây: AI, Ca, C1, Mg, Mn,

Ti, V

e Chiéu 20 gid, do phé gamma sau 40-50 gid trong 600 giay: As, Br, K, La, Na, U

« Chiếu 20 giờ, đo phổ gamma sau 2 tuần trong 1000 giây: Ce, Cr, Co, Fe, Sc, Sb,

Hình 3a, 3b giới thiệu đoạn phổ gamma của hai mẫu bụi thô và bụi mịn Để xác định hàm lượng các nguyên tố đã đùng các chuẩn tự tạo bằng hoá chất tính khiết và các chuẩn quốc tế có chứng chỉ do BCR (Cộng đồng châu Âu) và NIST (USA) sản xuất

Đã tiến hành phân tích hàm lượng có sẵn trong nên phin (mẫu trắng) để hiệu chính các

_kết quả phân tích bụi khí Các phin Nuelepore làm bằng polycarbonate có chứa hàm lượng đáng kể các nguyên tố như AI, Br, Fe, Na, TÌ trong phin thô và AI], Fe, Na, Ti trong phin min Bang 2 ghi lai hàm lượng các nguyên tố trong 9 cặp mẫu trắng do nhóm phân tích môi trường Viện NCHN Đà lạt xác định Độ chuẩn sai trên bảng 2 sẽ dùng làm tiêu chuẩn để đánh giá giới hạn phát hiện (Iimit of detection) của các nguyên tố

3.5 Phân tích chì bằng phương pháp cực phổ

Các phin Nuclepore sau khi phân tích kích hoạt trên lò phản ứng đã được xử lý tiếp để phân tích chì dùng phương pháp cực phổ trên máy Polarograph METRHOM (Thuy si) Mẫu bụi được hoà tan trong axit HCI 1N Điều kiện phân tích như sau :

Môi trường : Axit HƠI IN

Điện áp : - 0.3 V

Điện cực : Màng thuỷ ngân

Nhiệt độ : Nhiệt độ phòng

Giới hạn phát hiện của đetector : 1ppb

3.6 Phân tích cac bon đen bằng phương pháp phản xạ ánh sáng

Các bon đen sinh ra do các quá trình đốt cháy và tồn tại trong không khí ở dạng sol khí mịn vì vậy hàm lượng của nó trên phin mịn nhiều hơn hẳn trên phin thô Do tồn tại

ở đạng sol khí mịn nên nó là một trong các bụi khí rất nguy hại đối với hệ thống hô hấp của con người, hơn nữa hàm lượng của nó trong không khí có khi đến trên 20% tổng lượng bụi mịn

Các bon đen có khả năng hấp thụ ánh sáng rất lớn nên nó được xác định bằng phương pháp đo cường độ ánh sáng phản xạ dùng thiết bị M43D Smokestain Reflectometer do Anh sản xuất Theo khuyến cáo của W Maenhaut, chương trình hợp tác vùng châu A- Thái bình đương sử dụng công thức sau dé tinh ham luong cdc bon den C,, :

Cy = 12.88 *[{1000 * Log(100/ 1) + 2.39398)}/ 45.7985]/V

Trong đó : I- Cường độ ánh sáng phản xạ trên phin,

V- Thể tích không khí qua phin (m3)

3.7 Phân tích thành phần ion

Thành phân ion được xác định trên máy sắc ký ion LC Shimadzu 10A Mẫu bụi khí,

khoảng 200 ng (vẫn còn bám trên phin lọc) được chuyển vào các bình định mức dung tích 5 m] Cho vào bình khoảng 4 mi nước cất hai lần khử hết ion Bình chứa mẫu được đưa vào bể rung siêu âm để hoà tan những chất có thể hoà tan được, chủ yếu là các muối vô cơ như nitrate, sulphate, chloride, bromine Thời gian hoà tan là 20 phút, nhiệt độ hoà tan là 40°C Sau hoà tan bằng rung siêu âm, bình định mức được lấy ra và thêm lượng nước khử hết ion đúng đến vạch 5 ml Mẫu nước lúc này đã sẵn sằng để phân tích thành phần các ion

Để phân tích các cation Na*, K*, Ca“, Mg”, NH,” da sit dung c6t Shim pack IC Cl

(nhóm hoạt là nhóm sulfone), kích thước cột 150x4.6 mm, kích thước hạt nhồi là 5

um Điều kiện phân tích như sau: ˆ

+ Pha động: 5mM Tartric axit và 1 mM đipicolinc axit,

« - Tốc độ dòng: l ml/min

« - Nhiệt độ cột: 40°%C

» Detector: dé din (conductivity, gidi han phat hién 10ppb)

15

Céc anion Cl, NO,, NO,, Br và SO,? được phân tích trên cột Shim pack IC A3 (nhóm hoạt là nhóm ammonium bậc bốn), kích thước cột 150x4.6 mm, kích thước hạt nhồi 5

um Điều kiện phân tích như sau:

¢ Pha dong: 8 mM Hydroxybenzoic axit và 3.2 mM Bis (2-hydroxyethyl (hydroxymethyl) Methane :

« = Tốc d6 dong: 1.5 ml/min

» Nhiét d6 cét: 40°C

e Detector: do din (conductivity, gidi han phát hiện 10ppb)

Máy phân tích IC được điều hành bằng hệ máy tính có cài đặt bộ chương trình tích -

phan LC 10 ChemStation để xử lý sắc đồ Lượng mẫu bơm lên cột mỗi lần là 100H1 Trước khi vào cột phân tích, dung địch mẫu phải đi qua cột tiền xử lý Supelco nhằm

Các ion được nhận biết thông qua thông số thời gian lưu trên cột trong điều kiện phân

tích như đã mô tả ở trên Nông độ các ion trong mẫu được định lượng bằng phương pháp ngoại chuẩn Đường chuẩn được xây dựng trên cơ sở sự phụ thuộc diện tích pic vào nồng độ ion trong dung địch mẫu Các dung dich chuẩn được chuẩn bị từ các hoá chất siêu tĩnh khiết dùng trong phân tích của hãng Merck, CHLB Đức pha trong nước cat di khir ion Quy trinh dam bao chat lượng được thường xuyên kiểm tra thông qua việc phân tích các mẫu chuẩn tự chuẩn bị từ các hoá chất tỉnh khiết như đã trình bày ở trên Hình 4a, 4b là hai sắc đồ cation và anion tiêu biểu thu được khi phân tích mẫu bụi khí thu góp được tại trạm khí tượng Láng

3.8 Kết quả phân tích

Các kết quả phân tích được tổng kết lại ở Phụ lục 3 Sai số về hàm lượng bụi vào khoảng 2% Sai số trung bình trong phân tích nguyên tố và ion nói chung đao động từ

6-30%, véi Th, Ti, Ce, Ca, Se 6 thé cao hon 30%

3.9 Kiém định các kết quả phân tích

Độ tin cậy của các số liệu phân tích đóng vai trò then chốt để đạt được những mục tiêu

của đề tài Đối với những bộ số liệu lớn khả năng xảy ra sai sót lại cang nhiều, do đó

việc kiểm định các kết quả phân tích đã phải tiến hành công phu và chu đáo Những phương pháp thường sử đụng là dựa vào các quy luật tương quan giữa các chỉ tiêu phân tích hoặc lặp lại thực nghiệm một cách độc lập

e Thí du l: Hàm lượng cetion Na” xác định bằng sắc ký lại cao hơn hàm lượng nguyên tố Na xác định bằng kích hoạt nơ tron Vì tin vào phương pháp kích hoạt

hơn, nên phải bỏ đi các kết quả phân tích cation

» Thi du 2: SO, va NH, trong bui min thudng tén tai dwéi dang ammonium sulphate

(NH,),SO, hay NH,HSO, Tỷ số hàm lượng NH,/SO, là 0.38 theo công thức thứ

nhất va 0.19 theo công thức thứ hai Kết quả của bốn đợt phân tích ion (hình 5a) cho tỷ số NH„/SO, bằng 0.28 nằm giữa hai giá trị Riêng đợt phân tích thứ năm (hình 5b) lại cho tỷ số NH,/SO, bằng 0.99, Sau khi cho kiểm tra, nhân viên phân tích đã thừa nhận mẫu chuẩn NH; đã bị pha loãng 4 lần nhưng quên ghi lại ch tiết này khi tính kết quả

» = Thí dụ 3: Kết quả xử lý phổ gamma đo Đà lạt và Hà nội tiến hành đối với Zn trong một đợt phân tích được so sánh trên hình 6a Hệ số tương quan và hệ số tỷ lệ

đều gần bằng 1, nên kết quả đáng tin cậy

16

Quatest 1 LAOCAI MET

35276 5595

17104 2280 V T451 864

ANION.MET Filename: NHANBA81.C12

ĐATA=NHANBA81.D12 99/01/15 14:56:56

« = Thí du 4: Đối với Fe có một trường hợp Hà nội và Đà lạt cho kết quả lệch hẳn nhau (hình 6b) Sau khi kiểm tra lại xác nhận kết quả của Hà nội

e - Thí du §: Với Se hệ số tương quan thấp (hình ốc) vì sai số thực nghiệm quá lớn Cũng đành phải chấp nhận, vì Se là một chỉ thị rất quan trọng của sol khí đo đốt

Hình 6 So sánh kết quả xử lý phổ gamma ở Đà lạt và Hà nội

trong một số trường hợp tiêu biểu

Phần thứ tư

Kết quả nghiên cứu

4 Hàm lượng bụi hô hấp tại Hà nội

Tp HCM hàm lượng bụi hô hấp ở Hà nội cũng cao hơn nhiều Tuy nhiên cũng cần lưu

ý rang những giá trị thu được trên bảng 3 chưa chắc sẽ đúng cho các năm sau, do đó

để có bức tranh về hiện trạng và diễn biến của ô nhiễm bụi hô hấp ở Hà nội cần phải

tiếp tục quan trắc trong nhiều năm

Trung binh nam 98.7 (4 3.7) 40.7 (+ 1.6)

Trung bình hình học năm (geomean) 81.04 33.08

Số ngày vượt chuẩn 24-giờ của Mỹ 17% 28%

4.2 Bụi hô hấp ở một số vị trí khác trong phạm vi Hà nội

Kết quả quan trắc tại ba vị trí khác ở Hà nội đồng thời với Trạm Láng được trình bày ở

phụ lục 4 Các kết quả được so sánh với nhau và trị trung bình (+ sai số chuẩn) được 'tổng kết ở bảng 4 Ngoài PM¡ạ và PM; còn so sánh cả cac bon đen là một trong những

thành phần chính trong bụi mịn

Bảng 4

So sánh bụi hô hấp ở một số nơi với Trạm Láng (trung bình tỷ số + sai số chuẩn)

Bui thé PM,,,, Bui min PM, Các bon đen Các bon đen Số mẫu lấy

trong PM trong PM, đồng thời

Trạm KT Láng 1 1 1 1

Khu dân Khương trung 1093+0.12 1.1440.10 1.244+0.15 1.08+0.12 2x8 Vườn hoa hàng Đậu 183+018 1224025 2.0240.28 1.38+0.33 2x10 Khu biét thu Tay hé 0.5740.06 0.84+0.06 0.8140.09 0.88 +0.05 2x12 Việt trì 11742025 1172009 1.6040.23 1.3640.13 2x8 Thái nguyên 0.80+0.19 0.9640.15 088240.13 0.95+0.15 2x9

21

Nhìn chung bụi hô hấp và cac bon đen đều cao nhất ở Vườn hoa hàng Đậu, sau đó là khu Khương trung, rồi đến trạm khí tượng Láng và cuối cùng là khu biệt thự Tay hồ

Có thể nói rằng bụi mịn do khả năng lan xa nên phân bố đều hơn trong thành phố

4.3 Bụi hô hấp ở Việt trì và Thái nguyên

Kết quả quan trắc bụi hỏ hấp ở Việt trì và Thái nguyên đồng thời với trạm Láng cũng

được trình bày ở phụ lục 4 Kết quả so sánh và giá trị trung bình (+ sai số chuẩn) được

tổng kết trong Bảng 4 Bước đầu có thể nhận thấy ring PM,, và PM, ở Việt trì cao hơn

ở trạm Láng một chút, còn hàm lượng các bon đen thì cao hơn hẳn mặc di đầu hút được đặt trên sân thượng của toà nhà 4 tầng Trong khi đó PM; và PM, cũng như hàm

lượng các bon đen ở Thái nguyên chỉ nhỏ hơn ở trạm Láng chút ít Công trình nghiên cứu cần phải được tiếp tục để hiểu rõ bản chất bụi hô hấp ở hai thành phố công nghiệp nay

4.4 So sánh với các nước khác trên thế giới

Bảng 5 so sánh bụi hô hấp ở Hà nội với một số thành phố trên thế giới Sự so sánh nói

chung là khap khiéng vì trong hầu hết trường hợp số liệu lấy từ các công trình nghiên

cứu khác đều không được quan trắc tròn năm như Hà nội Nhìn chung, Hà nội là một

thành phố bị ô nhiễm vẻ bụi hô hấp Hàm lượng PM; gần tương đương với Seoul, Dhaka

Bang 5

so sánh hàm lượng trung bình các chỉ tiêu bụi hô hấp ở Hà nội và một số thành phố

trên thế giới Đơn vị ng/m”

Hongkong (Lee et al., 1999) 15 9.33**) 2.29**)

Seoul (Lee et al 1999) 56.9 8.7 4.19

* Chicago (Lee et al.,1993) 23.3 5.55 2.74

Singapore (Tang et al., 33 21 71

5 Tác động của các quá trình trong khí quyền

Hàm lượng bụi hô hấp biến thiên rất mạnh từ ngày này sang ngày khác Trên hình 7a,

céc gid tri 24-h PM,, thay đổi từ 22.2 g/m? dén 358.6 Hg/mẺ Có hai nguyên nhân

chính dẫn đến hiện tượng này, đó là sự biến thiên của cường độ các nguồn phát và tác động của các quá trình vật lý và hoá học trong khí quyển gây nên sự biến hoá, phát tán, tiêu tan hoặc tích tụ lại của bụi hô hấp Để làm rõ vai trò của các quá trình trong khí quyền, cách đơn giản nhất là xét mối tương quan giữa các chỉ số của bụi hô hấp với các thông số khí tượng cơ bản mà các trạm khí tượng vẫn quan trắc hằng ngày 5.1 Quy luật tương quan giữa PM,„ PM, và các thông số khí tượng tại trạm Láng

Các thông số khí tượng cơ bản được đưa vào để xem xét mối tương quan bao gồm: Tốc độ gió trung bình trong thời gian quan trắc,

Hướng gió: ưu tiên trong thời gian quan trắc,

Nhiệt độ và độ ẩm không khí trung bình trong thời gian quan trắc,

Lượng mưa trong cả thời gian quan trắc,

Đặc trưng vẻ phân bố nhiệt độ không khí theo phương thẳng đứng

Trừ mục cuối, các yếu tố khí tượng khác đều được quan trắc theo những quy trình chuẩn và được cung cấp số liệu đầy đủ Về phân bố nhiệt độ theo phương thắng đứng

có số liệu thám không vô tuyến vào lúc 6 giờ sáng và 6 giờ tối hằng ngày Bình

thường, nhiệt độ không khí giảm dân theo độ cao cho đến tận đỉnh bình lưu (khoảng

10 km), cứ 100 mét giảm chưa đầy 1°C Nhờ đó không khí có xu hướng thăng động, phát tán lên cao, pha loãng các ô nhiễm, nhất là khi có mây mưa Nhưng cũng có khi xây ra nghịch nhiệt ban đêm (nocturnal ternperature inversion) thường vào mùa khô Trong trường hợp này nhiệt độ tăng lên theo độ cao cho đến vài trăm mét, rồi sau đó lại giảm bình thường (hình 8) Lớp nghịch nhiệt sát mặt đất này không cho không khí thăng động lên cao, làm tích tụ lại các ô nhiễm ở lớp không khí sát mặt đất Nó sẽ tan

di sau khi mặt trời mọc, do đó có thể làm cho bụi không khí ban đêm cao hơn ban

ngày

Để nghiên cứu ảnh hưởng của các đòng không khí theo chiên thẳng đứng người ta

thường tính toán độ cao pha trộn (mixing height) của khí quyển dựa trên các số liệu thám không nói trên Vì không có đây đủ các số liệu thám không, chúng tôi tạm thoả

mãn dùng một thông số đặc trưng (proxy) là đần suất nghịch nhiệt trong ngày Tần

suất này có thể nhận một trong ba giá trị là 0: không có nghịch nhiệt, 1: có một lần nghịch nhiệt, và 2: có hai lần nghịch nhiệt trong cả hai lần thả bóng thám không

Kỹ thuật hôi quy tuyến tinh ting budc (stepwise multilinear regression) da duge stt

dụng để xét xem yếu tố khí tượng nào có thể giải thích được nhiều hơn cả các biến

thiên của 24-h PM,, (bang 6a) va 24-h PM, (bang 6b)

Mô hình trên bảng 6a giải thích được 76% các phương sai cha PM,, bao gồm các giá

trị của PM; thuộc ngày hôm trước và bốn thông số khí tượng Hiện tượng nghịch nhiệt tương quan thuận với hàm lượng bụi hô hấp Nhiệt độ, độ ẩm không khí và vận tốc gió trung bình đều tương quan nghịch với hàm lượng bụi hô hấp Các thông số khí tượng khác cũng có thể tham gia giải thích các phương sai của PM¡; nhưng tiềm ẩn trong bốn thông số trên

23

temperature -.022 004 -.170 -5.206 000 Hưmidity -.011 002 -.157 “4.937 000 Average

Model B Std Error Beta t Sig

5 (Constant) 3.626 ,323 11.241 000

Ln(PM_2), preceeding day 487 042 485 11.497 .000

Average

temperature -.040 005 -.299 -7.789 000 Average-

Humidity -.007 -002 -.100 -3.303 001 Temperature

Như vậy gần một phần tư các phương sai còn lại của PM; có thể do thăng giáng cường độ của các nguồn phát ô nhiễm bụi PM; từ ngày này qua ngày khác Kết quả hồi quy trên cũng cho thấy giá trị PM¡; của ngày hôm nay tương quan rất mạnh với PM;; của ngày hôm trước, nói khác đi ô nhiễm bụi hô hấp có xu hướng duy trì (persistence) chưa thích ứng ngay với sự thay đổi của điều kiện thời tiết Hiện tượng

này được gọi là tương quan nối tiếp (serial correlation) Các phần mềm về hồi quy

tuyến tính đa biến cho phép phát hiện ra loại tương quan này dựa trên chỉ số Durbin - Watson

Tương tự như trên, mô hình trên bằng 6b giải thích được 77% các phương sai của PM¿

Lý ra các mô hình trên bảng 6a và ốb phải được trình bày đưới đạng các phương trình - giải tích diễn tả biến thiên hàm lượng bụi hô hấp theo các thông số khí tượng Tuy nhiên vì thông tin về biến thiên nhiệt độ theo độ cao cho dưới đạng không giải tích nên điều này chưa thực hiện được Hy vọng việc này có thể thực hiện trong tương lai,

khi có điều kiện tiếp cận đầy đủ với các số liệu thám không để có thể tính được độ cao pha trộn của khí quyển và đưa vào mô hình giải tích

5.2 Khôi phục những giá trị PM; và PM; bị mất do không quan trắc được tại trạm Láng

Có đến 31 giá trị 24-h PM¡¿ và PM; bị mất (mising values) do không quan trắc được Đùng các quy luật hồi quy được xác lập ở trên ta có thể khôi phục lại chúng dựa theo các thông số khí tượng Sau khi khôi phục ta có thể tính lại trung bình năm của PM,,

và PM; là:

AMV cia PM,,)= 96.18 g/m?

AMV cilia PM, = 39.74 ug/m*

Các giá trị này chỉ nhỏ hơn chút ít so với các giá trị tính được ở mục 4.1 và 4.4

5.3 Biến thiên theo mùa

Biến thiên hàng tháng của trung bình PM¡¿ và PM; tại trạm Láng được biểu diễn trên hình 9 Ở đây yếu tố thời tiết có tác động rõ nhất đến bụi hô hấp là lượng mưa hàng

tháng Hệ số tương quan với lượng mưa hàng tháng là R = - 0.80 đối với cả PMIs và PM, Mưa càng nhiều bụi hô hấp càng giảm

5.4, Sự khác biệt ngày đêm

Hàng ngày phin lọc thường được thay vào lúc 7.00-7.30 sáng và 5.30-6.00 chiêu Nhờ

đó đã thu góp được một số lớn các số liệu quan trắc có phân biệt ngày và đêm Có khá

nhiều yếu tố dẫn đến sự khác biệt này Thí dụ, nhiều nguồn phát bụi, xe cộ và hoạt

động công nghiệp mạnh hơn vào ban ngày Các phản ứng quang hoá dưới ánh sáng mặt trời chuyển hóa mạnh các khí SO;, NO, v.v sang dạng hạt thứ cấp vào ban ngày Ngược lại, vào ban đêm gió lặng hơn và vào mùa khô hay xảy ra hiện tượng nghịch nhiệt Hình 10a, 10b diễn tả tỷ số đêm trên ngày của PM, và PM,„

5.5 Ô nhiễm bụi hô hấp trong thời gian có nghịch nhiệt

Trong thời gian từ 22/10/98 đến 5/4/99 (163 ngày) ít nhất có 58 ngày xảy ra hiện tượng nghịch nhiệt về ban đêm

28

Hình 9 Biến thiên trung bình tháng của PM10, PM2

Hàm lượng trung bình của PMI¿ trong thời gian này (222 ug/m”) cao gấp hơn 3 lần so với những ngày còn lại trong năm (72 g/m”) Hình 10c, 10đ giới thiệu một kịch bản của bụi thô PM; và bụi mịn PM, khi xảy ra nghịch nhiệt liên tiếp trong bốn hôm từ

11 đến 15/11/1998 Vào những hôm xảy ra nghịch nhiệt có khi hàm lượng bụi thô PM;¿ vào lúc đầu hôm (6h30-9h) lên đến 1100 Hg/m” Rõ ràng chỉ riêng bản thân hiện tượng nghịch nhiệt không thể giải thích hết sự chênh lệch quá lớn 1ihư vậy Kết quả phân tích nguyên tố và ion trong bụi thô vào những hôm có nghịch nhiệt cho thấy các

nguyên tố có nguồn gốc từ đất (AI, Fe, Ca, TI v.v ) về ban đêm đều cao hơn ban ngày

gấp hơn hai lần Như vậy việc quét dọn đường phố vào lúc chập tối làm tốc lên không khí một lượng bụi đất rất lớn và không phát tán ngay được do hiện tượng nghịch nhiệt

đã là nguyên nhân dẫn đến các kịch bản như trên hình lÓc, 10d

6 Thành phân nguyên (ố, ion và hệ số làm giàu của chúng trong bụi

lượng PM¡¿ và PM; thấp hơn giá trị trung bình năm ở bảng 3

6.2 Hệ số làm giàu của các nguyên tố

Một phần khá lớn bụi hô hấp đi từ đất vào khí quyển đo gió và xe cộ tốc lên Phần còn lại chủ yếu là do đốt nhiên liệu, hoại động công nông nghiệp và xử lý rác thải Để thấy được một nguyên tố có nguồn gốc tự nhiên (từ đất) hay do hoạt động con người gây ra, người ta thường so sánh nó với Fe hoặc AI là những nguyên tố đa lượng trong đất bằng cách tính hệ số làm giàu EF (enrichment factor) theo công thức sau:

pe, (XI Fe)

© (XI F) son

X và Fe là hàm lượng nguyên tố X và Fe trong bụi hô hấp và trung Đình trong vỏ trái

đất theo Mason, 1966 Những nguyên tố có EE ~ l chứng tỏ chúng xuất phát từ bụi đất giống như Fe, còn nếu EF >> I thì chắc chắn nó có liên quan đến các nguồn phát ô

nhiễm khác hẳn với bụi đất, nghiã là từ khí thải do sử dụng nhiên liệu, sinh hoạt và hoạt động công nghiệp

Cá giá trị EF được tính trên bảng 8 và minh hoa trên hình 11 Tám nguyên tố Sb, Se,

Br, Pb, As, Zn, Cl,.Cr c6 EF > 5 trong cả bụi thô và mịn, do đó chúng phải liên quan với những nguồn phát khác với bụi đất Các nguyên tố còn lại (14) có nguồn gốc từ đất, Một số nguyên tố như Sc, Th, K, Ce, Co, Mn, Ÿ cũng được làm giầu chút ít nhưng chỉ trong bụi mịn Nói chung hệ số làm giàu trong bụi mịn cao hơn trong bụi thô nhiều

lần, chứng tổ các nguồn ô nhiễm “nhân tạo" chủ yếu phát ra các bụi mịn Trường hợp

ngoại lệ là CI có hệ số làm giàu tương đương nhau trong hai loại bụi Trong bụi thô, C1

33

thường có nguồn gốc từ biển, trong bụi mịn C1 liên quan đến các quá trình cháy và công nghiệp

Enrichment

Hình 11 Hệ số làm giàu của các nguyên tố trong bụi mịn và thô

, Tram khi tugng Lang

7 Nhận đạng và định lượng các nguồn phát ô nhiễm

7.1 Kỹ thuật mô hình hoá receptor mođelling Nhận dang các nguôn phát

Kỹ thuật này được hình thành từ giữa thập kỷ tám mươi dựa trên phương pháp phản tích nhân tố theo thành phần chính (Principal Component Factor Analyis, PCFA) Nội dung đại khái như sau: Ta có một bức tranh về thành phần bụi hô hấp dựa trên kết quả

đo hàm lượng 25 chỉ tiêu nguyên tố và ion trong 102 mẫu bụi thô hoặc mịn Hàm lượng các chỉ tiêu này biến thiên từ mẫu này sang mẫu khác tuân theo một số mối tương quan (correlation) nào đó bởi lẽ chúng được phát ra từ một số nguồn nhất định _ dưới tác động của những diễn biến khí tượng chung tại nơi quan trắc Giả thử có 9 nguồn phát chính và ta muốn nhận đạng chúng căn cứ vào bức tranh trên Việc này dẫn đến thuật toán thu gọn một không gian 25 chiều xuống còn 9 chiều mà vẫn giữ được phần lớn thông tin chứa đựng trong toàn bộ số liệu thực nghiệm

Để minh hoạ điều vừa nói, ta hãy lập bảng hệ số tương quan giữa các chỉ tiêu ở 102 mẫu bụi thô và bụi mịn và chỉ giữ lại những hệ số tương quan cao hơn 0.5 (bảng 9a, 9b) Mỗi chỉ tiêu chỉ tương quan mạnh với một vài chỉ tiêu khác thể hiện sự cùng nguồn gốc của chúng Thí dụ, các nguyên tố AI, Fe, K, La, Mn, Th, Ti tương quan rất mạnh với nhau vì chúng đều có nguồn gốc từ đất như đã nói ở trên Trong khi đó Cl chỉ có tương quan mạnh với Na nói lên các sol khí từ biển chứa NaCl tén tai trong không khí ở Hà nội

Để tách các nguồn phát ra và nhận dang chúng, phương pháp PCFA bắt đâu bằng việc xác định vecfơ riêng (cigenvector) của ma trận hệ số tương quan và sắp xếp các vectơ, riêng ấy theo thứ tự giảm dần của các 0 riêng (eigenvalue) Các trị riêng nói lên bao nhiêu phân trăm của tổng các phương sai trong 102 mẫu (variance) mà vectơ riêng này

có thể giải thích (explain) được Về nguyên tắc có bao nhiêu chỉ tiêu thì có từng ấy vecto riéng, nhung PCFA chỉ giữ lại một số vectơ riêng nhất định và sau đó cho quay không gian các vectơ riêng theo thuật toán VARIMAX Sau phép quay ta sẽ thu được các nhân tố (factor) hay còn gọi là các thành phân chính (principal component) đặc trưng cho các nguồn phát

Bảng 10a, 10b minh hoạ kết quả PCFA cho 102 mẫu bụi thô với 9 nhân tố và 102 mẫu bụi mịn với 10 nhân tố Các trị số dọc theo mỗi nhân tố sẽ là hệ số tương quan giữa nguyên tố (ion) với nguôn phat tương ứng Những nguyên tố nào có hệ số tương quan

cao với một nguồn phát nào đó, nó sẽ được dùng làm chỉ thị (source fingerprint) cho nguồn phát ấy Đây là một căn cứ quan trọng để nhận dang các nguồn phát

Chỉ thi các nguồn phát

Khí thải do đốt than : As, Se, S Khí thải do đốt đầu : V, Ni X4ng pha chi: Br, Pb

Bụi xi măng và vật liệu xây dựng : Ca, Mg

Bụi từ đất, đá : Mn, AI, $%c, Sĩ, Fe, Ti

Đốt củi, gỗ : K, cac bon đen Luyện km : Các kim loại và đất hiếm

Các nhà máy hoá chất : In, Cd, As, Se, S

37