Xác định mức độ phát thải một số chất ô nhiễm không khí do đốt hở rơm rạ tại một huyện trồng lúa ở đồng bằng bắc bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Phạm Thị Hữu XÁC ĐỊNH MỨC ĐỘ PHÁT THẢI MỘT SỐ CHẤT Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ DO ĐỐT HỞ RƠM RẠ TẠI MỘT HUYỆN TRỒNG LÚA Ở ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ Chuyên ngành: Công nghệ môi trường LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nghiêm Trung Dũng Hà Nội - Năm 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ khoa học: “Xác định mức độ phát thải số chất ô nhiễm khơng khí đốt hở rơm rạ huyện trồng lúa đồng Bắc Bộ” thực với hướng dẫn TS Nghiêm Trung Dũng Đây chép cá nhân, tổ chức Các kết nghiên cứu luận văn thực đánh giá Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung mà tơi trình bày luận văn Hà Nội, ngày 29 tháng 12 năm 2011 HỌC VIÊN Phạm Thị Hữu i LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành cảm ơn TS Nghiêm Trung Dũng tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình thực luận văn Trong q trình nghiên cứu mình, tơi nhận nhiều giúp đỡ chia sẻ kinh nghiệm thầy cô giáo, bạn đồng nghiệp, đặc biệt TS Lý Bích Thủy - cán giảng dạy Viện Khoa học Công nghệ môi trường Tôi nhận nhiều hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi Trung tâm Quan trắc môi trường (Tổng cục Môi trường), Trung tâm Quan trắc môi trường Kiểm sốt nhiễm cơng nghiệp (Viện Khoa học Cơng nghệ môi trường), Viện Môi trường Nông nghiệp (Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam) Tôi xin bày tỏ biết ơn gia đình chia sẻ, động viên, khuyến khích suốt q trình nghiên cứu Cuối xin chân thành cảm ơn Hội đồng khoa học giúp đỡ bảo vệ thành công luận văn Xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 29 tháng 12 năm 2011 Tác giả Phạm Thị Hữu ii MỤC LỤC Trang T LỜI CAM ĐOAN i T 36T LỜI CẢM ƠN ii T 36T DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v T T DANH MỤC BẢNG vi T 36T DANH MỤC HÌNH vii T 36T MỞ ĐẦU T 36T Đặt vấn đề T 36T Mục đích nghiên cứu T 36T Đối tượng phạm vi nghiên cứu T T CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỐT HỞ RƠM RẠ T T 1.1 Đốt hở rơm rạ giới Việt Nam T T 1.2 Sự hình thành chất ô nhiễm đốt rơm rạ T T 1.2.1 Bụi T 36T 1.2.2 Các oxit cacbon (CO CO ) T R R T 1.2.3 Lưu huỳnh dioxit (SO ) T R R T 1.2.4 Các oxit nitơ (NOx) T 36T CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10 T T 2.1 Phương pháp xác định mức độ phát thải 10 T T 2.2 Lựa chọn phương pháp mơ q trình đốt 11 T T 2.1.1 Phương pháp đốt hở 11 T 36T 2.1.2 Phương pháp đốt phịng thí nghiệm khơng thơng gió cưỡng 12 T T 2.1.3 Phương pháp đốt phịng thí nghiệm có thơng gió cưỡng 12 T T 2.3 Phương pháp quan trắc thông số nhiễm từ q trình đốt phịng thí nghiệm 13 T 36T 2.3.1 Bụi 13 T 36T 2.3.2 Các chất nhiễm dạng khí 17 T T 2.4 Giới thiệu khu vực nghiên cứu 18 T T iii CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM 21 T T 3.1 Thiết bị vật tư 21 T 36T 3.2 Chuẩn bị thực nghiệm 21 T 36T 3.3 Tiến hành thực nghiệm 23 T 36T 3.3.1 Lấy mẫu từ trình đốt hở rơm rạ 24 T T 3.3.2 Lấy mẫu từ q trình đốt phịng thí nghiệm 26 T T 3.4 Tính tốn kết 29 T 36T CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 35 T T 4.1 Đối với trình đốt hở 35 T 36T 4.1.1 Thông tin nhiên liệu trình đốt 35 T T 4.1.2 Thơng số phụ q trình 36 T T 4.1.3 Nồng độ chất ô nhiễm 37 T T 4.1.4 Hiệu suất cháy trình 38 T T 4.1.5 Hệ số phát thải chất ô nhiễm 38 T T 4.2 Đối với q trình đốt phịng thí nghiệm khơng thơng gió cưỡng 40 T T 4.2.1 Thông tin nhiên liệu trình đốt 40 T T 4.2.2 Nồng độ chất ô nhiễm 43 T T 4.2.3 Hệ số phát thải chất ô nhiễm 45 T T 4.2.4 So sánh hệ số phát thải từ hai phương pháp đốt 48 T T 4.2.5 Tốc độ phát thải 49 T 36T 4.2.6 Hiệu suất cháy trình 50 T T 4.3 Xác định mức độ phát thải cho khu vực nghiên cứu 51 T T KẾT LUẬN 53 T 36T TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 T 36T PHỤ LỤC 56 T 36T iv DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT CEM : Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục Môi trường CEMS : Hệ thống lấy mẫu phát thải liên tục HVS : Máy lẫy mẫu thể tích lớn NOx : Oxit nitơ (gồm NO NO ) IAE : Viện Môi trường Nông nghiệp, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam INEST : Viện Khoa học Công nghệ môi trường, Đại học Bách khoa Hà Nội JGSEE : Trường Đại học Năng lượng Môi trường, Thái Lan SD : Độ lệch chuẩn PAH : Hydrocacbon thơm đa vòng giáp cạnh PTN : Phịng thí nghiệm PM : Bụi VOC : Hợp chất hữu bay R R US EPA : Cục Bảo vệ môi trường Mỹ v DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Phương pháp thiết bị lấy mẫu khí cho thơng số 24 Bảng 2: Thông tin nhiên liệu sử dụng cho thí nghiệm 35 Bảng 3: Thơng tin q trình đốt điều kiện khí tượng thí nghiệm 36 Bảng 4: %C bị đốt cháy cho thí nghiệm đốt hở 36 Bảng 5: Nồng độ chất nhiễm thí nghiệm đốt hở 37 Bảng 6: Hiệu suất q trình cháy thí nghiệm đốt hở 38 Bảng 7: Hệ số phát thải chất nhiễm thí nghiệm đốt hở 39 Bảng 8: Thông tin chất đốt q trình lấy mẫu phịng thí nghiệm 40 Bảng 9: Kết tính tốn nồng độ PM đốt rơm phịng thí nghiệm 42 Bảng 10: Nồng độ chất sinh với thí nghiệm đốt phịng thí nghiệm 43 Bảng 11 : Hệ số phát thải chất ô nhiễm thí nghiệm đốt 45 Bảng 12: Kết so sánh hệ số phát thải phương pháp đốt phịng thí nghiệm với nghiên cứu khác 46 Bảng 13: Tốc độ phát thải thí nghiệm đốt phịng thí nghiệm 50 Bảng 14: Hiệu suất cháy thí nghiệm đốt phịng thí nghiệm 50 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1: Ảnh hưởng tỉ lệ khơng khí - chất đốt đến thành phần khí Hình 2: Ước tính đóng góp chế NO tạo thành NOx Hình 3: Chuỗi phản ứng tạo thành từ trình đốt nhiên liệu chứa N Hình 4: Các phương pháp xác định mức độ phát thải 10 Hình 5: Hệ thống thí nghiệm buồng đốt thơng gió cưỡng 12 Hình 6: Đồ thị lựa chọn số điểm lấy mẫu tối thiểu theo phương ngang 14 Hình 7: Hút mẫu bụi 16 Hình 8: Khu vực nghiên cứu - xã Ngọc Hồi, huyện Thanh Trì 19 Hình 9: Các vị trí lấy mẫu 20 Hình 10: Sơ đồ chi tiết chụp hút điểm lấy mẫu 22 Hình 11: Sơ đồ thiết bị lấy mẫu bụi 23 Hình 12: Mối quan hệ nhiệt độ khí thải nồng độ phát thải CO CO 44 R R Hình 13: Mối quan hệ độ ẩm hệ số phát thải PM 46 Hình 14: So sánh hệ số phát thải PM phương pháp thí nghiệm 49 vii MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Lúa gạo ngành mũi nhọn Việt Nam, đáp ứng nhu cầu nước cung cấp phần cho xuất (ví dụ sáu tháng đầu năm 2011 tổng sản lượng xuất 3,16 triệu [2]) Với tăng trưởng kinh tế, đời sống nông thôn ngày cải thiện, nơng dân có xu hướng sử dụng nhiều nhiên liệu hóa thạch dầu, gas… cho sinh hoạt ngày, vậy, nhu cầu sử dụng nhiên liệu truyền thống rơm, củi… ngày đi, dẫn đến tình trạng đốt hở rơm rạ sau thu hoạch gia tăng Phương pháp tốn kém, nhanh hiệu việc giải phóng đồng ruộng luân canh vụ sau, phần kiểm soát sâu hại, dịch bệnh để lại lượng chất dinh dưỡng đất Hoạt động đốt hở rơm rạ phát lượng lớn chất gây ô nhiễm khơng khí (bụi, khí vơ hữu cơ), khí nhà kính [12] ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người Tuy nhiên, hoạt động chưa quan tâm mức Vì vậy, việc nghiên cứu xác định mức độ phát thải chất nhiễm khơng khí đốt hở rơm rạ yêu cầu cấp bách nhằm cung cấp thơng tin xác khoa học Hiện nay, có số cơng trình nghiên cứu phát thải đốt rơm công bố Việt Nam, nhiên nghiên cứu dừng lại quy mơ sử dụng đun nấu gia đình hoạt động đốt hở rơm rạ sau thu hoạch chưa nghiên cứu sâu Do vậy, luận văn chọn vấn đề làm hướng nghiên cứu Mục đích nghiên cứu Góp phần xây dựng hệ số phát thải đốt hở sinh khối Việt Nam có rơm rạ Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: rơm sau thu hoạch - Phạm vi: vụ Đông Xuân xã Ngọc Hồi, huyện Thanh Trì, thành phố Hà Nội CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỐT HỞ RƠM RẠ 1.1 Đốt hở rơm rạ giới Việt Nam Cây trồng đặc biệt rơm rạ nhiên liệu sử dụng lâu đời giới Hiện nay, rơm rạ nguồn lượng lớn đứng thứ tư sau than, dầu, khí tự nhiên [7] Có khoảng nửa dân số giới sử dụng nguồn nhiên liệu cho hoạt động hàng ngày đặc biệt nước phát triển Tuy nhiên, với phát triển kinh tế, nguồn nhiên liệu ngày sử dụng cho hoạt động sống Như Trung Quốc, trước năm 1979 mức độ sử dụng nhiên liệu lên đến 70% vùng nông thôn [7] số lượng giảm xuống khoảng 50% (tính đến năm 2011) Tại Việt Nam chưa có số liệu thống kê đầy đủ, qua kết điều tra khuôn khổ nghiên cứu cho thấy, tỉ lệ sử dụng rơm rạ giảm dần vùng trồng nông nghiệp, điều tạo lượng lớn rơm rạ tồn dư sau vụ mùa Ở số nơi, nông dân vùi rơm rạ đất để gia tăng chất dinh dưỡng nhiên thành phần rơm rạ chứa lượng lớn silic dioxit (SiO ) dẫn đến khó phân hủy đất, giảm suất trồng phân hủy R R chậm, sinh khí độc hại tồn lưu đất, trồng không phát triển chết Do đó, chúng đốt đồng sau thu hoạch Theo thống kê, Châu Á coi vùng sản xuất nông nghiệp lớn lục địa, chiếm 60-90% dân số làm nơng nghiệp giới đóng góp khoảng 8090% sản lượng gạo chè giới [16] với tỉ lệ sản xuất hàng năm không ngừng gia tăng Chính vậy, châu Á phải đối mặt với nhiễm khơng khí, nóng lên tồn cầu hoạt động sản xuất nông nghiệp cụ thể vấn đề đốt hở rơm rạ sau thu hoạch ngày phổ biến Hoạt động phát thải lượng lớn chất nhiễm khơng khí, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng biến đổi khí hậu Tại Việt Nam, lúa gạo sản phẩm với tổng diện tích gieo trồng năm 2010 7513,7 nghìn [3] tỉ lệ đốt rơm rạ đồng ngày gia tăng năm gần Theo kết khảo sát huyện Thanh Trì - Hà Nội, 90% Như trình bày chương 1, hình thành CO CO chịu ảnh hưởng R R yếu tố nhiệt độ cháy, lượng oxy cấp vào (hay phương pháp đốt) Nghiên cứu tập trung vào phương pháp đốt đống, dẫn đến lượng rơm bên tiếp xúc với oxy khơng khí nên q trình cháy xảy khơng hồn tồn dẫn đến nồng độ CO cao Nồng độ CO CO có xu hướng ngược so với thí nghiệm đốt dàn trải R R (MS5 MS7) nghĩa phương pháp đốt đống có CO cao CO thấp Từ R R kết Bảng 10 Hình 12, nhiệt độ khí thải thí nghiệm ảnh hưởng đến nồng độ CO CO g/m3 R 70 60 50 40 30 20 10 R 200 (oC) 150 100 50 CO (g/m3) CO2 (g/m3) Nhiệt độ khí thải (oC) Hình 12: Mối quan hệ nhiệt độ khí thải nồng độ phát thải CO CO R Đối với NO chất ô nhiễm phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ hệ số dư khơng khí, nồng độ NO nghiên cứu phù hợp với NO lý thuyết, cụ thể theo lý thuyết NO nhiệt chiếm tỉ lệ lớn nồng độ NO q trình cháy Tuy nhiên thí nghiệm nghiên cứu có nhiệt độ cháy thấp khoảng nhiệt độ 13000C hệ số dư không khí 130ppm (như Hình [14]), đó, NO P P nhiệt không đáng kể Bên cạnh đó, theo kết tham khảo từ [5], hàm lượng nitơ rơm dao động khoảng từ 0,5 - 1,12 %, NO chủ yếu NO nhiên liệu NO tức Nồng độ SO sinh phản ứng cháy lưu huỳnh có rơm Theo R R [5], tỉ lệ lưu huỳnh có rơm dao động từ 0,05-0,1% có đến 5-60% lượng S rơm bị sau trình đốt Như có mặt SO khí thải R hồn tồn hợp lý 44 R 4.2.3 Hệ số phát thải chất ô nhiễm Hệ số phát thải chất ô nhiễm PM, CO, CO , SO NO trình bày R R R R R R Bảng 11 Từ kết cho thấy, hệ số phát thải PM trung bình thí nghiệm phương pháp đốt đống 7,04±1,57 g/kg, hệ số phát thải PM trung bình thí nghiệm phương pháp đốt dàn trải thấp 4,29±0,41g/kg chênh lệch 1,64% Cụ thể hơn, tiến hành so sánh hệ số phát thải PM phương pháp đốt đống (mẫu MS4 MS6) hệ số phát thải bụi PM theo phương pháp đốt dàn trải (mẫu MS5 MS7), kết cho thấy, loại rơm với thành phần, độ ẩm đầu vào với phương pháp đốt khác nhau, hệ số phát thải bụi PM khác Bảng 11 : Hệ số phát thải chất nhiễm thí nghiệm đốt phịng thí nghiệm Hệ số phát thải EF PM Đơn vị tính MS1 MS2 MS3 MS4 MS5* MS6 MS7* Trung bình** (g/kg) 7,25 9,47 6,12 7,10 4,58 5,28 4,01 7,04 ± 1,57 g/m2 3,63 4,73 3,06 3,55 2,29 2,64 2,00 3,52± 0,79 (g/kg) 89,94 150,79 97,66 123,05 64,95 108,21 62,85 113,93±24,06 g/m2 44,97 75,39 48,83 61,52 32,48 54,10 31,42 56,96± 12,03 (g/kg) 763,40 944,99 766,06 975,03 1341,23 756,71 1054,30 841,24 ± 109,00 g/m2 381,70 472,50 383,03 487,52 670,62 378,35 527,15 420,62± 54,50 (g/kg) 0,95 1,33 0,42 0,66 0,99 1,62 1,33 1,00± 0,49 g/m2 0,48 0,66 0,21 0,33 0,49 0,81 0,66 0,50 ±0,24 (g/kg) 0,31 0,52 0,46 0,57 0,44 0,53 0,41 0,48 ±0,10 g/m2 0,16 0,26 0,23 0,29 0,22 0,27 0,21 0,24 ±0,05 R P EF CO R P EF CO2 R P EF NO R P EF SO2 R P *- thí nghiệm đốt dàn trải sử dụng rơm tương ứng mẫu MS4 MS6 **: giá trị trung bình thí nghiệm theo phương pháp đốt đống (MS1, MS2, MS3, MS4, MS6) Mối quan hệ tuyến tính lượng độ ẩm (y) hệ số phát thải bụi EF PM (x) R R y=5,18x+0,019; R2=0,69 (Hình 13) Điều cho thấy độ ẩm yếu tố ảnh P P hưởng đến hệ số phát thải bụi, rơm có độ ẩm thấp phát thải bụi Độ ẩm cao hay thấp phụ thuộc nhiều vào khoảng thời gian lưu từ gặt đến đốt, thời 45 gian từ gặt đến đốt dài, độ ẩm rơm thấp dẫn đến hệ số phát thải thấp Độ ẩm rơm (%) Mối quan hệ độ ẩm hệ số phát thải 60 y = 5,1835x + 0,0189 R² = 0,6907 50 40 30 20 10 10 EFPM(g/kg) Hình 13: Mối quan hệ độ ẩm hệ số phát thải PM Hệ số phát thải PM trung bình nghiên cứu cao hệ số phát thải nghiên cứu tham khảo [7] giá trị chênh lệch không đáng kể hai nghiên cứu thấp nhiều so với nghiên cứu [12] [13], chênh lệch khoảng từ 45,8% đến 64,8% (Bảng 12) cao nhiều so với nghiên cứu [15], chênh lệch từ 98,6% Bảng 12: Kết so sánh hệ số phát thải phương pháp đốt phịng thí nghiệm với nghiên cứu khác Hệ số phát thải PM (g/kg) CO (g/kg) CO (g/kg) NO (g/kg) SO (g/kg) Đốt PTN 7,04 ± 1,4 113,93 ± 24,1 841,24 ± 109 1,00 ± 0,49 0,48± 0,10 Viet Thang[15] 0,101±0,012 72±12 1.465±261