Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. Thực nghiệm
2.3.4.1. QA/QC trong lấy mẫu
• Mẫu không khí được lấy ở độ cao cách mặt đất 1,5m;
• Điểm lấy mẫu được bố trí ở giữa cánh đồng, thoáng gió từ mọi phía, đảm bảo đại diện cho khu vực quan tâm; đối với mỗi thông số, tại mỗi vị trí tiến hành lấy 01 mẫu nền trước đốt và cácc mẫu trong quá trình đốt rơm rạ cùng một ngày. Các điểm đo được phân bố mang tính đại diện cho khu vực nghiên cứu và đảm bảo khoảng cách cũng như hướng gió chính tại thời điểm triển khai thí nghiệm.
• Thể tích không khí cần lấy cho một mẫu phải đảm bảo sao cho lưu lượng bụi thu được trên cái lọc không nhỏ hơn 10mg; khối lượng các chất cần phân tích hấp thụ vào dung dịch phải nằm trong phạm vi áp dụng của phương pháp. 2.3.4.2. QA/QC trong phân tích mẫu
Phòng cân và phòng thí nghiệm phân tích đều đạt chuẩn về nhiệt độ, độ ẩm và các điều kiện khác nhau theo từng chỉ tiêu phân tích.
Các thiết bị sử dụng trong quá trình xử lý mẫu phải được kiểm tra, bảo dưỡng và hiệu chuẩn định kỳ theo đúng quy định.
Tiến hành phân tích mẫu trắng, mẫu lặp, mẫu thêm chuẩn để loại bỏ các sai số và đánh giá độ chính xác của phương pháp phân tích.
2.4. Xử lý số liệu, xác định hệ số phát thải
2.4.1. Xác định tỷ lệ phát thải
Việc lựa chọn chất tham chiếu CO hay CO2 dựa vào hiệu suất cháy hiệu chỉnh MCE. Khi MCE > 0,9, quá trình cháy được coi là cháy ở trạng thái “có ngọn lửa”, CO2 sẽ được chọn làm chất tham chiếu. Ngược lại, quá trình cháy được coi là cháy ở trạng thái “âm ỉ”, CO sẽ được chọn làm chất tham chiếu [11, 92].
Khi đó, tỷ lệ phát thải được tính toán như sau: + Trường hợp CO là chất tham chiếu: ER
X/C
O = ∆C∆X
O
(2.1)
+ Trường hợp CO2 là chất tham chiếu: ERX/CO
2 = ∆CO∆X 2
(2.2)
Trong đó:
+ ERX/CO: tỷ lệ phát thải của chất X đối với CO + ERX/CO2 : tỷ lệ phát thải của chất X đối với CO2
+ ∆X, ∆CO, ∆CO2là nồng độ các chất ô nhiễm từ quá trình đốt. Giá trị delta bằng hiệu giữa nồng độ chất ô nhiễm đo được khi lấy mẫu khói (Xf, COf, CO2,f) và nồng độ nền (Xb, COb, CO2,b):
∆X = Xf - Xb (2.3)
∆CO = COf - COb (2.4)
∆CO2 = CO2,f - CO2,b (2.5) 2.4.2. Xác định hiệu suất cháy
lượng cacbon thải ra dưới dạng CO2 so với tổng lượng cacbon phát sinh. Tuy nhiên, thường không phải tất cả các loại cacbon đều được đo và do đó không thể tính được
hiệu suất đốt cháy (CE). Thay vào đó, MCE được coi là tỷ lệ mol của cacbon thải ra dưới dạng CO2 so với khí thải ra dưới dạng CO và CO2, xấp xỉ với CE thực vì hai khí này đại diện cho phần lớn cacbon.
Công thức tính MCE như sau [31, 70, 116]: MCE = CO2
CO2+CO (2.6)
Trong đó:
+ MCE là hiệu suất cháy
+ CO và CO2 là nồng độ của CO và CO2 phát thải được xác định trong mỗi thí nghiệm đốt (mg/m3)
2.4.3. Xác định hệ số phát thải
Việc tính toán hệ số phát thải của các chất [x] được dựa trên phương pháp cân bằng các bon. Công thức tính toán như sau [31, 70, 116]
- Hệ số phát thải của CO2
+ Phương trình cân bằng cacbon: Co = Cb − Ca (2.7)
Trong đó:
+ Co: Lượng C trong rơm đã bị cháy, kgC/kg;
+ Cb: Lượng C có trong rơm trước khi đốt, kgC/kg rơm; + Ca: Lượng C còn lại trong tro sau khi đốt, kgC/kg tro.
Khi bị đốt cháy, carbon (C) trong sinh khối đươc phát thải dưới dạng các hợp chất chứa C như CO2, CO, CH4, NMHC và C trên bụi. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, phát thải dưới dạng CO2 và CO là chủ yếu, chiếm khoảng 90% tổng lượng cacbon đã phát thải [31, 116]
Khi đó, hệ số phát thải của CO2 được xác định theo công thức: EFCO2 = 0,9 x ∆CO2 ∆CO+∆C O2 x Co x44 12 (2.8)
Trong đó 0,9 tức là 90% lượng C thải ra là ở dạng CO2 và CO [31, 46]
- Hệ số phát thải của chất X (PM, CO, NO2, SO2, VOCs) được tính theo các phương trình sau:
+ Trường hợp CO là chất tham chiếu (quá trình cháy âm ỉ):
EFX = ERX/CO x ERCO/CO2 x EFCO2 (2.9) + Trường hợp CO2 là chất tham chiếu (quá trình cháy ngọn lửa):
EFX = ERX/CO2 x EFCO2 (2.10)
Trong đó:
EFCO2 : Hệ số phát thải của CO2 (g/kg)
ERCO/CO2 : Tỷ lệ phát thải của CO so với CO2
- Hệ số phát thải của PAHs được tính như sau:
EFPAHs = CPAHs x EFPM (2.11)
Trong đó :
CPAHs Hàm lượng trên PM (μg/g PM)
EFPM Hệ số phát thải của PM (g/ kg rơm rạ khô). 2.5. Kiểm kê phát thải
Lượng chất thải phát sinh từ hoạt động đốt rơm rạ được kiểm kê bằng lượng rơm rạ đem đốt và hệ số phát thải tương ứng của mỗi chất thải tương ứng.
2.5.1. Xác định lượng rơm rạ được đốt
(1) Công thức tính
Lượng rơm rạ đốt cháy được ước tính dựa trên sản lượng lúa, các tỉ lệ phụ phẩm và hiệu suất đốt theo công thức như sau [1]
M = P x N x Dx B x MCE (2.12)
Trong đó:
M: Lượng rơm rạ đốt cháy (kg/năm) P: Sản lượng lúa (ha/ năm)
N: Tỷ lệ rơm rạ phát sinh và sản lượng lúa D: Tỷ trọng khô của rơm rạ
B: Tỷ lệ rơm rạ được đốt trên đồng ruộng (0 -1); MCE: hiệu suất cháy (%).
(2) Các thông số phục vụ tính toán
• Sản lượng lúa gạo cả năm (P)
o Số liệu về sản lượng lúa hàng năm tại miền Tây Nam Bộ được kế thừa từ Báo cáo Niên giám thông kê của Tổng cục thống kê từ năm 2016 tới năm 2020.
o Số liệu về sản lượng lúa theo mùa vụ bao gồm: vụ Đông Xuân, Hè Thu và Thu Đông được sử dụng từ số liệu của Niên giám thống kê năm 2019 của Miền Tây Nam Bộ.
Tỷ lệ rơm rạ phát sinh theo sản lượng lúa là 1,3. Tỷ lệ này là giá trị trung bình của rơm rạ với sản lượng lúa được áp dụng theo kết quả được công bố mới nhất của nhóm tác giả Gurraj Singh và cộng sự (2021) áp dụng cho Việt Nam [9]
• Tỷ lệ đốt rơm rạ (B)
Số liệu về tỷ lệ đốt rơm rạ cho việc kiểm kê theo mùa tại miền Tây Nam Bộ là giá trị trung bình của kết quả phỏng vấn 120 hộ dân tại miền Tây Nam Bộ của năm 2019 (kế thừa số liệu của đề tài “Nghiên cứu xác định hệ số phát thải khí nhà kính từ hoạt động đốt hở các phụ phẩm nông nghiệp (trấu, rơm rạ) vùng Tây Nam Bộ” chủ nhiệm đề tài PGS.TS. Phạm Thị Mai Thảo. Kết quả kháo sát về phương thức sử dụng rơm rạ sau thu hoạch vào các mục đích khác nhau của các hộ dân tại miền Tây Nam Bộ (năm 2019) và kết quả kế thừa từ các công bố trước đây [10, 124] cho thấy tỷ lệ đốt rơm rạ đốt ngoài đồng ruộng tại miền Tây Nam Bộ chiếm 95%, 45% và 25% tương ứng với vụ đông xuân, hè thu và vụ thu đông [132]. Mặc dù nhiệt độ không khí trong khu vực nghiên cứu không có sự khác biệt lớn theo mùa, nhưng lượng mưa có xu hướng cao hơn và số giờ nắng có xu hướng ngắn hơn trong vụ hè thu so với các vụ lúa khác. Vì tỷ lệ đốt rơm rạ thu hoạch (trọng lượng khô của rơm đốt/trọng lượng khô của rơm rạ thu hoạch) có xu hướng thấp hơn vào vụ hè thu khi lượng mưa lúc thu hoạch cao. Điều đó chứng tỏ lượng mưa lúc thu hoạch làm gián đoạn việc đốt rơm rạ và nông dân trồng lúa không thích đốt rơm rạ vào vụ hè thu. Mặc khác, vụ đông xuân được biết đến là vụ khô hạn nhất trong năm, điều kiện thuận lợi nhất cho việc đốt rơm rạ ngay tại đồng ruộng. Do đó, vụ đông xuân được xác định là vụ có tỷ lệ đốt cao nhất trong ba vụ thu hoạch lúa tại miền Tây Nam Bộ.
Ngoài ra, các giống lúa truyền thống được gieo trong mỗi vụ lúa của hệ thống lúa ba vụ đã nghiên cứu trong đó vụ đông xuân (IR50404 chiếm 91% tổng số diện tích lúa), vụ xuân hè (OM4218 chiếm 80% tổng số diện tích lúa) và vụ
(OM4218 chiếm 77% tổng số diện tích lúa). Ngoài các giống lúa này, các giống OM551 và MTL480 cũng được sử dụng trong các diện tích canh tác nhỏ hơn. Theo thông tin có được từ nông dân, IR50404 cần nhiều bức xạ mặt trời hơn và thời gian sinh trưởng dài hơn (khoảng 105-115 ngày/vụ) so với các giống lúa không nhạy cảm với ánh sáng như OM4218 (khoảng 85-95 ngày/vụ). Vì thời vụ trồng IR50404 thường được coi là dài đối với hệ thống canh tác lúa ba vụ, nên trong hầu hết các trường hợp, giống cây này chỉ được trồng vào vụ đông xuân, mùa khô và hạn nhất. OM4218 và các giống lúa khác đã được sử dụng ở khu vực này cho hai vụ mùa vụ còn lại trong năm. Do đó, hầu hết rơm rạ thu hoạch trong vụ đông xuân đều bị đốt cháy để tiết kiệm thời gian chuẩn bị cho vụ gieo trồng tiếp theo.
Tuy nhiên, trong phạm vi nghiên cứu này, chỉ thực hiện tại một số tỉnh có hệ thống canh tác lúa ba vụ đại diện ở Đồng bằng sông Cửu Long, do đó, kết quả có thể không đủ rộng để ước tính việc quản lý rơm rạ ở toàn bộ Đồng bằng sông Cửu Long, bao gồm các hệ thống canh tác lúa một hoặc hai vụ hay bốn vụ/ năm. Tuy nhiên, kết quả của luận án xác định tỷ lệ đốt rơm rạ của ba vụ thu hoạch đối với hệ thống canh tác lúa ba vụ đại diện trong khu vực nghiên cứu.
Số liệu về tỷ lệ đốt rơm rạ dùng để kiểm kê phát thải hàng năm tại miền Tây Nam Bộ là giá trị trung bình của số liệu phỏng vấn theo mùa vụ của năm 2019 và số liệu của các công trình đã được công bố, cụ thể là 95%, 45% và 25% tương ứng với vụ đông xuân, hè thu và vụ thu đông [9, 10, 124].
• Hiệu suất cháy hiệu chỉnh MCE.
Căn cứ vào kết quả khảo sát thực tế và thực hiện thí nghiệm trên đồng ruộng, rơm rạ được rải đều trên mặt ruộng, phơi khô tự nhiên và đốt từ 3-5 ngày sau thu hoạch. Nhờ các lý do trên dẫn đến độ ẩm tương đối thấp, ngoài ra do đốt hở nên việc
cung cấp oxy khá lớn hơn so với quá trình đốt đống và quá trình cháy là cháy ngọn lửa. Vì vậy MCE = 0,9 được chọn áp dụng cho việc tính toán.
2.5.2. Xác định mức độ phát thải
(1) Công thức tính
Công thức tính phát thải từ đốt rơm rạ phục vụ kiểm kê phát thải theo hàng năm và kiểm kê phát thải theo mùa vụ được tỉnh như sau [15, 16]:
EAi = M x EFi (2.13)
Trong đó:
i: chất ô nhiễm i
EAi : lượng chất thải của chất ô nhiễm i từ hoạt động đốt rơm rạ Mj: sản lượng rơm rạ được đốt cháy (kg/ năm)
EFi: hệ số phát thải của chất ô nhiễm i (g/ kg)
Hệ số phát thải được dùng tính toán trong nghiên cứu này là giá trị trung bình của bộ hệ số phát thải từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại 4 tỉnh miền Tây Nam Bộ. 2.6. Đánh giá tác động
2.6.1. Đánh giá tác động trực tiếp
Phương pháp so sánh được áp dụng trong nghiên cứu này nhằm đánh giá sự gia tăng nồng độ phát thải các chất ô nhiễm từ quá trình đốt rơm rạ so với môi trường nền tại cùng một vị trí, từ đó xác định được sự gia tăng nông độ của chất cần quan tâm. Trên cơ sở đó có thể đánh giá được tác động trực tiếp ở quy mô địa phương của chất thải phát sinh từ hoạt động đốt rơm rạ:
∆(i) = C(i) đốt – C(i) nền (2.14)
Trong đó:
∆(i) là sự gia tăng ( đóng góp ròng) của chất thải i
C(i) đốt : Nồng độ của chất i xác định được trong quá trình đốt C(i) nền : Nồng độ của chất i xác định được trong môi trường nền. 2.6.2. Đánh giá tiềm năng hình thành ozon
Các giá trị nồng độ trung bình của VOCs được sử dụng để tính toán tiềm năng hình thành ozon ở tầng đối lưu và rủi ro sức khỏe để đánh giá ảnh hưởng của VOCs trong khí quyển và sức khỏe con người. Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng chỉ số MIR để đánh giá tiềm năng hình thành ozon trong khí quyển từ hoạt động đốt hở rơm rạ. Tiềm năng hình thành ozon (Ozon potential formation – OFP) được tính bằng công thức sau [133]:
OFP = MIR × [VOCs] (μg/m3 ) (2.15) Trong đó:
OFP: tiềm năng hình thành ozon (μg/m3 O3)
MIR: tỉ lệ gia tăng phản ứng tối đa, đặc trưng cho từng chất (g O3/gVOC) [VOCs]: nồng độ VOCs đo được (μg/m3).
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Hệ số phát thải các chất ô nhiễm không khí
3.1.1. Đặc tính của quá trình cháy và thông số tính toán
3.1.1.1. Đặc tính của quá trình cháy và đóng góp ròng của các chất ô nhiễm
Hàm lượng cacbon của rơm rạ liên quan đến từng giống lúa trước khi đốt và hàm lượng tro sau khi đốt trong mỗi thí nghiệm được xác định để tính toán hiệu suất oxy hóa, và xác định hệ số phát thải. Các giống lúa cho các thí nghiệm trong khu vực nghiên cứu này là các giống được sử dụng phổ biến hiện nay ở miền Tây Nam Bộ như OM4218, IR50404, OM551 và MTL480. Hàm lượng cacbon trong rơm rạ trung bình trong nghiên cứu này là 43,8%, trong đó giống lúa có hàm lượng C cao nhất lên tới 49,9% (Bảng 3.1). Từ hàm lượng C bị đốt cháy có thể tính được hệ số phát thải của CO2, là thông số quan trọng để tính tất cả các hệ số phát thải trong các thí nghiệm đốt hở tại đồng theo phương pháp cân bằng cacbon đã trình bày ở Chương 2. Hàm lượng cacbon trung bình trong nghiên cứu này nằm trong dải nghiên cứu của Kim Oanh và cộng sự, (2011) (49,0 ± 2,7%).
Nồng độ đóng góp ròng của các chất ô nhiễm từ quá trình đốt rơm rạ được xác định là nồng độ phát thải của các chất đó xác định trong quá trình đốt trừ đi nồng độ trong môi trường nền được xác định trong cùng một ngày tại cùng một vị trí (Bảng 3.1). Kết quả quan trắc đối với TSP và PM10 chỉ được xác định tại Cần Thơ và Vĩnh Long (năm 2019) và không được thực hiện tại An Giang và Hậu Giang (năm 2018) do thời điểm đó nghiên cứu hạn chế về thiết bị quan trắc. Ngoài ra, trong nghiên cứu này thông số CO cũng được lấy mẫu nhưng do trong quá trình vận chuyển mẫu gặp sự cố kĩ thuật nên mẫu này bị loại bỏ khỏi kết quả nghiên cứu.
bằng máy gặt đập liên hợp sẽ được rải đều trên mặt ruộng và phơi khô tự nhiên dưới ánh nắng mặt trời sau 2-5 ngày sẽ được người nông dân đốt ngay tại ruộng. Tuy nhiên, tùy thuộc vào khoảng thời gian lưu giữ hay thời gian từ khi gặt đến khi đốt mà độ ẩm giữa các loại rơm sẽ khác nhau. Hơn nữa tùy thuộc vào điều kiện thời tiết của từng địa điểm khác nhau sẽ cho độ ẩm của rơm là khác nhau.
Thời gian của 3 giai đoạn của quá trình đốt trong nghiên cứu này cũng tương tự như các nghiên cứu trước đây, bao gồm: bắt cháy, cháy bùng phát và cháy âm ỉ. Thời gian của quá trình cháy bùng phát từ 47-75 phút (trung bình là 57 phút - 1 tiếng). Giai đoạn bắt cháy từ 5s-5 phút là bắt đầu lấy mẫu. Kết thúc quá trình cháy âm ỉ là khoảng 2-3 tiếng. Tổng thời gian cho 1 đám cháy khoảng 2-5 tiếng. Do đó số lượng mẫu cho mỗi đợt nghiên cứu không lấy được nhiều (2 cỡ mẫu/ngày). Thí nghiệm được thực hiện thực tế theo đám cháy của người dân của địa phương, thời gian đốt thường tiến hành từ 2-5 ngày sau thu hoạch.
Bảng 3.1. Đặc tính của quá trình cháy và đóng góp ròng của các chất ô nhiễm
KHM % Đóng góp ròng (net contribution) Độ ẩm rơm rạ C trong rơm rạ C trong tro CO2, mg/m3 SO2 µg/m3 NO2 µg/m3 PM2,5 µg/m3 PM10 µg/m3 TSP µg/m3 F.HG1 22 34,4 12,9 207 340 225 2655 - - F.HG2 21,3 35,9 13,9 191 155 244 2740 - - F.HG3 20 40,2 13 245 224 279 2310 - -