3.3.1. Mô tả quy trình thực hiện nghiên cứu
Đề tài thực hiện nghiên cứu mức độ phát thải PAHs từ quá trình đốt rơm rạ tại Đông Anh, Hà Nội. PAHs sinh ra trong quá trình đốt rơm rạ tồn tại ở 2 pha: pha khí và hấp phụ trên các hạt bụi lơ lửng. Phạm vi của đề tài là nghiên cứu PAHs hấp phụ trên trên các hạt bụi, cụ thể là 9 PAHs trên bụi lơ lửng. Chính vì vậy các bước thực hiện nghiên cứu đề tài như sau.
B1: Bố trí thí nghiệm đốt rơm rạ trên đồng ruộng tương tự như cách đốt của người dân địa phương.
B2: Tiến hành lấy mẫu bụi
B3: Phân tích PAHs trong mẫu bụi
B4: Sử dụng công thức tính hệ số phát thải PAHs
B5: Điều tra tỷ lệ rơm rạ đốt sau thu hoạch tại Đông Anh, lượng rơm rạ
phát sinh mỗi năm. Tính toán lượng rơm rạ đốt mỗi năm.
B6: Tính tổng lượng phát thải PAHs trên địa bàn Đông Anh mỗi năm.
3.3.2. Phương pháp thu thập số liệu
- Thu thập số liệu thông tin về điều kiện kinh tế-xã hội, điều kiện tự nhiên, tình hình sản xuất lúa gạo và trình độ dân trí của huyện từ các văn bản sau:
+ Báo cáo kết quả thực hiện nhiệm vụ phát triển kinh tế xã hội và sự điều hành của UBND huyện Đông Anh năm 2018, kế hoạch phát triển kinh tế xã hội năm 2019
+ Báo cáo tình hình quản lý sử dụng đất đai năm 2018, kế hoạch sử dụng đất năm 2019
+ Báo cáo tình hình sản xuất và thâm canh trên địa bàn huyện năm 2018 của phòng Nông nghiệp và PTNT
- Thu thập tài liệu và thừa hưởng kết quả từ các nghiên cứu đã có về vấn đề đốt rơm rạ và các hợp chất PAHs trong không khí.
3.3.3. Phương pháp điều tra sơ cấp
- Xây dựng bảng hỏi, phiếu điều tra dựa trên tình hình thực tế của huyện với nội dung là tìm hiểu tình hình sản xuất lúa gạo trên địa bàn, các biện pháp xử lý rơm ra sau khi thu hoạch.
- Các bước tiến hành
Bước 1: Xây dựng bảng hỏi
Bước 2: Tiến hành phỏng vấn thử 5 hộ để kiểm tra tính phù hợp của bảng hỏi. Bước 3: Điều chỉnh phiếu phỏng vấn cho phù hợp.
Bước 4: Tiến hành phỏng vấn
3.3.4. Phương pháp lấy mẫu
Khảo sát lựa chọn điểm lấy mẫu
các thông số. Tránh xa các nguồn khí thải khác từ nguồn công nghiệp, giao thông. - Điều kiện thời tiết: hướng gió, tốc độ gió, bức xạ mặt trời, độ ẩm, nhiệt độ không khí;
- Điều kiện địa hình: địa hình nơi quan trắc phải thuận tiện, thông thoáng và đại diện cho khu vực quan tâm. Tại những nơi có địa hình phức tạp, vị trí quan trắc được xác định chủ yếu theo các điều kiện phát tán cục bộ.
- Chọn các địa điểm lấy mẫu là những cánh đồng xunh quanh khu vực Hà Nội. Các vị trí lấy mẫu được trình bày trên bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thời gian, địa điểm lấy mẫu
Kí hiệu mẫu Địa điểm Tọa độ
BB1 Đông Lao, Hoài Đức 20°58'37"N - 105°43'19"E BB2 An Thượng, Hoài Đức 20°58'46"N - 105°42'45"E BB3 Kiêu Kỵ, Gia Lâm 20°58'42"N - 105°56'57"E BB4 Kiêu Kỵ, Gia Lâm 20°59'20"N - 105°57'39"E BB5 Đa Tốn, Gia Lâm 20°59'50"N - 105°56'46"E BB6 Đa Tốn, Gia Lâm 20°58'45"N - 105°56'08"E BB7 Trâu Quỳ, Gia Lâm 21°00'34"N - 105°55'51"E BB8 Kim Sơn, Gia Lâm 21°01'29"N - 106°00'16"E BB9 Trâu Quỳ, Gia Lâm 21°00'34"N - 105°55'51"E BB10 Kim Sơn, Gia Lâm 21°01'29"N - 106°00'16"E BB11 An Khánh, Hoài Đức 20°58'47"N - 105°43'08"E BB12 An Thượng, Hoài Đức 20°58'43"N - 105°42'43"E BB13 Kim Sơn, Gia Lâm 21°01'29"N - 106°00'16"E BB14 Kim Sơn, Gia Lâm 21°01'29"N - 106°00'16"E
Phương pháp lấy mẫu bụi
Thí nghiệm lấy mẫu bụi được thiết kế theo thí nghiệm lấy mẫu đốt ngoài đồng ruộng, tức là thí nghiệm đốt cháy hở (không phải thí nghiệm đốt kín trong phòng thí nghiệm), mô tả quá trình đốt rơm thực tế phổ biến của người dân tại địa phương đốt cháy mở tương tự như các hoạt động đốt rơm rạ của người dân tại địa phương nhằm mô tả sự phát tán các chất ô nhiễm vào môi trường không khí từ quá trình đốt rơm rạ khu vực Hà Nội. Hiện nay việc thu hoạch lúa khu vực phía bắc thường sử dụng máy phụt lúa để lấy thóc mang về và phần rơm rạ sẽ được để ngay tại ruộng. Sau khi để khô tự nhiên nhờ ánh nắng mặt trời họ thu thành từng đống nhỏ và đem đốt để làm sạch cánh đồng cho vụ mùa tiếp theo.
Thí nghiệm được bố trí giữa cánh đồng và cách xa đường, khu dân cư để giảm thiểu sự ảnh hưởng từ các nguồn khác không phải là đốt rơm. Tiến hành lấy cả 2 mẫu là mẫu nền và mẫu đốt tại 14 vị trí. Mẫu nền được lấy trước khi đốt có ký hiệu là BG và mẫu đốt lấy trong quá trình đốt rơm rạ có ký hiệu là BB. Mục đích lấy mẫu BG để xác định nồng động các chất trong không khí trước khi quá trình đốt diễn ra, nhằm loại bỏ các ảnh hưởng khác từ môi trường và đánh giá sự đóng góp các chất ô nhiễm từ khói đốt rơm rạ vào không khí. Mẫu BG được lấy trong khoảng 2 giờ trước khi đốt, khoảng thời gian này được chọn dựa trên các nghiên cứu đã tiến hành tại Thái Lan, mẫu BB được tiến hành lấy ngay sau khi khói bốc lên và ngọn lửa đã ổn định, tiến hành lấy từ 20-40 phút trong khi đốt.
Các thiết bị lấy mẫu được đặt tại một vị trí cố định theo hướng gió trên cánh đồng, cách đống cháy khoảng 5m để tránh ảnh hưởng sức nóng từ ngọn lửa đến các thiết bị và đủ để thu được khói từ đám cháy. Các dụng cụ lấy mẫu PM được đặt cách nhau khoảng 1-1,5m đủ gần để thu được cùng 1 lượng khói và đủ xa để giảm thiểu xáo trộn dòng khí. Đầu thu mẫu của các thiết bị được đặt tại vị trí cố định ở độ cao 1,5 m so với mặt đất và đặt cùng hướng gió. Tiến hành đo đạc liên tục điều kiện khí tượng (gió, nhiệt độ, độ ẩm) trong khoảng thời gian lấy mẫu. Tất cả các thiết bị được kiểm tra và hiệu chỉnh trước khi tiến hành thí nghiệm.
Các thiết bị lấy mẫu cụ thể được trình bày trên bảng 3.2
Bảng 3.2. Các phương pháp phân tích mẫu
TT Chỉ tiêu Phương pháp lấy mẫu Phương pháp phân tích Thiết bị sử dụng 1 Nhiệt độ Độ ẩm Tốc độ gió QCVN 46:2012/BTNMT
Đo tại hiện trường
Thiết bị đo vi khí hậu Testo Thiết bị Madel Kestral 4000, hãng Nielsen Kellerman (Mỹ) 2 Bụi TSP - - Thiết bị lấy mẫu khối lượng
lớn 120H Staplex với tốc độ dòng 1000 L/phút 3 Bụi PM2,5 AS/NZS 3580.9.7:2009 AS/NZS 3580.9.7:2009
Thiết bị MiniVol TAS, MiniVol Airmetrics với tốc độ dòng 5 L/phút, Cân vi lượng 10-5, GH - 252
4 Độ ẩm của rơm
- - Tủ sấy Venticell Đức, cân GH252 Mỹ
5 Hàm lượng C
trong rơm và tro - ASTM E777 -
3.3.5. Phương pháp phân tích
Giấy lọc trước và sau khi lấy mẫu đều được đưa vào bình hút ẩm 24h trước khi cân trong môi trường cân. Khối lượng bụi được xác định bằng cách cân
giấy lọc trước và sau khi lấy mẫu. Do khả năng phản ứng của PAHs với ánh sáng và các thành phần có trong không khí, tất cả các giấy lọc bụi chứa PAHs phải được bảo quản trong điều kiện kín nhằm tránh tác động của tránh ánh sáng, do đó giấy lọc bụi sau khi thu mẫu được bọc kín trong giấy nhôm và cho cho vào túi nhựa zipper và bảo quản trong tủ lạnh ở nhiệt độ -20°C cho đến khi phân tích. Mẫu được vận chuyển đến phòng thí nghiệm của Đại học Kanazawa, Nhật Bản để phân tích. Trong quá trình vận chuyển mẫu về phòng thí nghiệm nhiệt độ vận chuyển khoảng từ 0°C đến 4°C.
PAHs trên giấy lọc bụi được chiết xuất siêu âm hai lần với 10 ml Dichloromethane (DMC) trong 15 phút. Dung dịch nội chuẩn (hỗn hợp BaA-d12 và BaP-d12 (lần lượt là 60 và 33 ng/ml) sử dụng để định lượng PAH. Sau khi thêm 60 µL dimethyl sulfoxide (DMSO) vào dịch chiết, DMC trong dung dịch chiết được bay hơi hoàn toàn bằng thiết bị cô quay. PAHs trong cặn được hòa tan trong 150 µL ethanol, dịch chiết được lọc qua màng lọc ly tâm (Centricut, đường kính 0,2 µm). Bước này được lặp lại hai lần. Một phần dung dịch (110 µL) của dung dịch cuối cùng được phân tích bằng thiết bị sắc ký lỏng hiệu nâng cao HPLC với đầu dò huỳnh quang (HPLC-FL). Chi tiết phương pháp phân tích được mô tả tại Boogla et., 2017. Các PAHs được phân tích bao gồm: fluoranthene
(Flu), pyrene (Pyr), benz[a]anthracene (BaA), chrysene (Chr),
benzo[b]fluoranthene (BbF), benzo[k]fluoranthene (BkF), benzo[a]pyrene (BaP), dibenz[a,h]anthracene (DBA) và indeno[1,2,3- cd]pyrene (IDP).
3.3.6. Phương pháp tính hệ số phát thải
Khi đốt rơm rạ trên thực địa không thể thu được toàn bộ lượng khói tạo thành do đó không thể tính toán trực tiếp được hệ số phát thải, nhưng lượng C thì không thay đổi đáng kể giữa các loại sinh khối và có thể đo đạc được (R.Decmas). Vậy nên nghiên cứu sử dụng phương pháp cân bằng Cacbon để tính toán hệ số phát thải. Phương pháp này tính toán lượng carbon thải dựa trên sự khác biệt trong C đo trước và sau khi đốt. Hệ số của các chất ô nhiễm khác được
xác định bằng tỷ lệ nồng độ của các chất đó đối với CO2 hoặc CO. Hệ số phát
thải CO2 được xác định bằng cách sử dụng phương pháp liên quan đến cân bằng
carbon (Nguyễn Thị Kim Oanh và cs., 2011). Ở phương pháp này yếu tố quan trọng để tính toán một cách chính xác là lựa chọn khí tham chiếu.
C0 = CB – CA Trong đó:
C0: lượng C được giải phóng
CB: lượng C có trong rơm rạ trước khi đốt CA: lượng C tồn tại trong tro sau khi đốt
Nếu hiệu suất cháy MCE > 0,9 thì quá trình cháy chủ yếu là cháy ngọn lửa, CO2 được sử dụng là chất tham chiếu. Nếu hiệu suất cháy MCE < 0,9 thì quá trình cháy chủ yếu là cháy âm ỉ, CO được sử dụng là chất tham chiếu. Hiệu suất cháy được tính theo công thức:
MCE = !"
!$ !" (1)
Trong đó: CO, CO2 là nồng độ CO và CO2 phát thải ở các thí nghiệm (mg/m3).
Nếu chất tham chiếu là CO2 thì hệ số phát thải của các chất gây ô nhiễm
không khí được tính theo công thức sau:
EF% = ER%/ !" x EF !" (2) Nếu chất tham chiếu là CO:
EF% = ER%/ ! x ER ! !⁄ " x EF !" (3) Trong đó:
EFi: là hệ số phát thải của chất thải i
EF !": là hệ số phát thải của CO2
ERi/CO2: là tỷ lệ phát thải giữa chất thải i với CO2 Hệ số phát thải của CO2 được tính như sau:
EF !" = 0.9 x ∆ !"
∆ !"$∆ !x C x --
. (4) Trong đó: ERi/CO2 là tỷ lệ phát thải giữa chất thải i với CO2
∆i là tổng lượng chất thải i phát sinh trong quá trình đốt rơm rạ (µg/m3) ∆CO2 là tổng lượng CO2 phát sinh trong quá trình đốt rơm rạ (µg/m3) ERi/CO2= ∆/
∆01. ∆i= Pi1-Pi2
Trong đó: Pi1 nồng độ của chất i trong mẫu nền BG (µg/m3) Pi2 nồng độ của chất i trong mẫu đốt BB (µg/m3)
PCO2.1 nồng độ của chất CO2 trong mẫu nền BG (µg/m3) PCO2.2 nồng độ của chất CO2 trong mẫu đốt BB (µg/m3)
-Cách tính hệ số phát thải của PAHs
EFPAHs= EFPM x PPAHs (5)
Trong đó: EFPAHs là hệ số phát thải của PAHs (mg/kg)
EFPM là hệ số phát thải của bụi trên 1 đơn vị rơm rạ khô (g/kg)
PPAHs là nồng độ của PAHs trong mẫu phân tích trên 1 đơn vị khối lượng bụi (mg/g)
3.3.7. Cách tính tổng lượng phát thải PAHs trên bụi trong khói rơm rạ
Theo Kanabkaew Thongchai và Kim Oanh, 2011: Emij = ∑ Mj x EFij56 (6) Trong đó:
i: chất ô nhiễm i j: loại cây trồng j
Emij : Lượng khí thải của chất ô nhiễm i từ loại cây trồng j (kg/năm) Mj : Sản lượng sinh khối được đốt cháy từ loại cây trồng j (g/kg) EFij : Hệ số phát thải của chất ô nhiễm i từ loại cây trồng j (g/kg)
Mj = Pj x Nj x Dj x Bj x ηj (7) Trong đó:
Pj: Sản lượng cây trồng (kg/năm)
Nj: Tỉ lệ phụ phẩm theo sản lượng (lúc vừa thu hoạch) Dj: Tỉ trọng khô của phụ phẩm
Bj: Tỉ lệ đốt phụ phẩm ηj: Hiệu suất đốt (%)
Tỉ lệ phụ phẩm theo sản lượng (lúc vừa thu hoạch) Nj = 0,9; tỉ trọng khô của phụ phẩm Dj = 0,89; hiệu suất đốt ηj = 0,93 được sử dụng theo nghiên cứu của Min He et al.,2011.
PHẦN 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ PHÁT THẢI PAHS TỪ QUÁ TRÌNH ĐỐT RƠM RẠ TẠI HÀ NỘI RẠ TẠI HÀ NỘI
4.1.1. Đặc điểm các loại rơm và các thông số khí tượng trong quá trình đốt
Tiến hành lấy mẫu trong các vụ Mùa (tháng 10) và Xuân (tháng 6) liên tiếp từ tháng 10/2016 đến tháng 10/2018 tại 6 cánh đồng xung quanh khu vực Hà Nội. Trước khi tiến hành lấy mẫu đốt thực hiện lấy mẫu nền tại ví trí tương ứng và ký hiệu từ BG1 đến BG14. Có 8 thí nghiệm được tiến hành vào mùa thu hoạch tháng 10, trong đó 4 mẫu ở Hoài Đức và 4 mẫu ở Gia Lâm. Còn 6 thí nghiệm còn lại được tiến hành vào vụ thu hoạch tháng 6 tại huyện Gia Lâm. Lúa được thu hoạch bằng máy gặt đập liên hoàn và rơm được phơi khô tự nhiên tại ruộng. Các thông tin mẫu đốt được trình bày cụ thể trong bảng 4.1.
Bảng 4.1. Thông tin các mẫu đốt
Tên
mẫu Thời gan đốt Giống lúa
% C trong rơm % C trong tro Độ ẩm rơm (%) Thời gian phơi rơm (ngày) Khối lượng rơm đốt (kg) BB1 16/10/2016 Khang dân 33,31 5.35 33,31 3 104.4 BB2 16/10/2016 TBR225 31,60 4,67 31,60 3 83.9 BB3 18/10/2016 TBR225 31,81 3,24 31,81 3 152.6 BB4 18/10/2016 BC15 34,35 5,89 35,10 1 183.6 BB5 24/10/2016 TH3-3 39,83 5,30 39,92 3 141 BB6 24/10/2016 Thiên ưu 8 37,65 4,60 37,25 1 120 BB7 22/6/2017 Hương Cốm 54,82 5,35 8,79 2 179 BB8 22/6/2017 Thiên ưu 8 40,32 4,75 23,76 0,5 165 BB9 25/6/2017 Bắc thơm 7 54,82 4,06 15,70 3 127.7 BB10 25/6/2017 Thiên ưu 8 39,35 4,92 11,72 2,5 134 BB11 15/10/2017 TBR225, Bắc Hương 31,60 4,67 51,28 1 116.8 BB12 15/10/2017 Khang dân 33,31 5,35 11,93 2 108 BB13 26/6/2018 Khang dân 37,51 4,67 10,91 2 130 BB14 26/6/2018 TBR225 38,14 5,89 13,1 1,5 105
Thí nghiệm bố trí thời gian đốt rơm vào khoảng giữa tháng 6 và giữa tháng 10 trong năm, đây cũng là 2 thời điểm đốt rơm rạ của người dân khu vực xung quanh Hà Nội sau vụ gặt. Với đặc đặc điểm canh tác 1 năm 2 vụ chính và đốt rơm kéo dài khoảng 2 tuần sau khi thu hoạch lúa. Khác với các tỉnh Đồng Bằng sông Cửu Long, có điều kiện nhiệt đới gió mùa nhiệt độ cao quanh năm, canh tác được 3 vụ trong năm nên rơm rạ cũng được đốt thành nhiều đợt hơn với các hình thức khác nhau. Theo các nghiên cứu đánh giá về đốt rơm rạ tại Việt Nam, đối với khu vực miền Bắc, hình thức đốt rơm đặc trưng là vun thành từng đống nhỏ trên ruộng và để khô tự nhiên rồi đốt. Còn tại các tỉnh ĐBSCL rơm thường được để thành những luống dài trên ruộng sau đó đốt trải dài. Mỗi hình thức đốt khác nhau sẽ có đặc điểm phát thải khác nhau gây ảnh hưởng tới môi trường.
Các giống lúa đem đốt là giống lúa chủ yếu được gieo trồng trong những năm gần đây tại khu vực Hà Nội. Các giống lúa như Bắc Thơm 7, Hương Cốm là các giống lúa dẻo có %C cao hơn hẳn so với các gống lúa khác khi canh tác trong cùng 1 vụ mùa (54,82%). Các giống TH3-3, Thiên Ưu 8 có %C trong rơm thấp hơn, dao động trong khoảng 37,65% đến 40,52%. Và thấp nhất là các giống rơm