Địa điểm Đặc điểm vị trí
quan trắc
Nồng độ (µg/m3)
Nghiên cứu
HUST, Hà Nội Nguồn hỗn hợp 5,44 – 5,90 Nghiên cứu nàya
Gia Lâm, Hà Nội Giao thông 6,42 – 12,02 Nghiên cứu nàya
California, Hoa Kỳ Đô thị - công nghiệp 0,55 – 1,16 Cass, 2000 [16]
Đài Loan Đô thị - công nghiệp 1,42 ±0,56 Gugamsetty, 2012 [21]
Phần Lan Nông thôn 0,52 Pakkanen, 2001 [17]
Phần Lan Đô thị 0,49 Pakkanen, 2001 [17]
Dunkrink, Pháp Công nghiệp 0,80 Mbengue, 2014 [22]
Dunkrink, Pháp Đô thị - giao thông 0,50 Mbengue, 2014 [22]
Hsinchu, Đài Loan Giao thông 2,21± 0,59 Chen, 2010 [23]
Hsinchu, Đài Loan Đô thị 0,7 – 1,2 Lin, 2005 [79]
Taipei, Đài Loan Đô thị 1,2 – 2,2 Lin, 2005 [79]
New Taipei, Đài Loan Đô thị 1,1 – 1,6 Lin, 2005 [79]
Los Angeles, Hoa Kỳ Bên sông 1,34 Kim, 2002 [18]
Los Angeles, Hoa Kỳ Đô thị 4,11 Kim, 2002 [18]
Sanghai, Trung Quốc Ven đường 4,6 Lu, 2011 [20]
Sanghai, Trung Quốc Đô thị 2,7 Lu, 2011 [20]
Como, Italy Đô thị 0,7 ±0,3 Rovelli, 2017 [24]
a Nồng độ bụi được tính tại điều kiện 25oC, 1 atm
Tỷ lệ giữa bụi nano với các loại bụi có kích thước lớn hơn
Trong nghiên cứu này, để tìm hiểu sự đóng góp của bụi nano vào các loại bụi lớn hơn, tỷ lệ giữa các loại bụi nano với PM0,5, PM1,0, PM2,5, PM10 và TSP được tính tốn và thể hiện trong Bảng 3.2. Nhìn chung, bụi nano đóng góp khoảng 46% vào bụi PM0,5, 16% vào bụi PM1,0, 11% vào bụi PM2,5, 7% vào bụi PM10 và 6% vào bụi TSP. Sự đóng góp này đều cao hơn so với nghiên cứu của Pakkanen (2001) tại Phần Lan, Gugamsetty (2012), Lin (2015) tại Đài Loan và Rovelli (2017) tại Italia [17, 21, 24, 79]. Điều này cho thấy nồng độ bụi nano tại Hà Nội không những cao hơn các nước khác mà tỷ lệ đóng góp của loại bụi này vào các dải bụi có kích thước lớn hơn cũng cao hơn, từ đó nguy cơ về mơi trường cũng như ảnh hưởng về sức khỏe cũng cao hơn.
Bảng 3.2. Tỷ lệ giữa bụi nano với các loại bụi kích thước lớn hơn Đợt lấy mẫu PM0,1/ PM0,5 PM0,1/ PM1,0 PM0,1/ PM2,5 PM0,1/ PM10 PM0,1/ TSP Đợt 1 (n =17) 04/08 – 20/08/15 Tỷ lệ 0,52 0,24 0,16 0,10 0,08 SD 0,12 0,05 0,04 0,03 0,02 Đợt 2 (n =6) 22/08 – 28/08/15 Tỷ lệ 0,40 0,15 0,11 0,07 0,06 SD 0,07 0,07 0,05 0,04 0,03 Đợt 3 (n = 7) 13/10 – 19/10/15 Tỷ lệ 0,45 0,14 0,09 0,06 0,05 SD 0,11 0,05 0,03 0,02 0,01 Đợt 4 (n = 50) 04/11 – 30/12 Tỷ lệ 0,45 0,15 0,10 0,06 0,05 SD 0,11 0,05 0,04 0,03 0,02 Trung bình cả đợt Tỷ lệ 0,46 0,16 0,11 0,07 0,06 SD 0,11 0,06 0,05 0,03 0,02 (SD: Độ lệch chuẩn)
Mối tương quan giữa bụi nano với các dải bụi có kích thước lớn hơn
Mối tương quan về nồng độ của các dải bụi có kích thước khác nhau được trình bày trong Hình 3.8. Có thể thấy hệ số tương quan giữa bụi nano với các hạt lớn hơn tương đối thấp đặc biệt là với PM2,5 và PM10. Điều này cho thấy có khả năng nguồn sinh ra bụi nano có phần khơng giống so với nguồn sinh ra bụi PM2,5 và bụi PM10.
(Đồ thị màu xanh trong các ô thuộc đường chéo thể hiện xác suất xuất hiện ở các dải nồng độ µg/m3, con số trong các ơ thuộc góc bên phải đường chéo biểu thị hệ số tương quan (R) của các loại bụi tương ứng, đồ thị trong các ơ thuộc góc bên
trái đường chéo thể hiện phương trình hồi quy tuyến tính, n = 80)
Hình 3.8. Mối tương quan về nồng độ giữa bụi nano với các loại bụi có kích thước lớn hơn
3.2.2. Nồng độ số lượng của bụi nano trong khơng khí
Bên cạnh việc xác định nồng độ khối lượng, nghiên cứu còn tiến hành đo trực tiếp (30 mẫu/địa điểm) nồng độ số lượng bụi nano bằng thiết bị NanoScan, SMPS TSI Model 3910. Kết quả máy đo trên thiết bị này được chia thành các dải Nucleation mode (10-20 nm), Aitken mode (20-100 nm), Accumulation (100-400 nm) giống một số nghiên cứu khác như Wu (2008), Birmili (2013) [124]. Kết quả đo được thể hiện ở Bảng 3.3.
Bảng 3.3 cho thấy dải kích thước thuộc Aitken mode cao hơn hẳn so với hai dải còn lại. Ảnh hưởng của hoạt động giao thông được xem là lý do khiến cho nồng độ số lượng của bụi trong dải Aitken mode cao, bởi bụi do động cơ xăng phát ra chủ yếu nằm trong khoảng 40 – 80 nm [125], và việc sử dụng động cơ xăng (xe máy, ô tô) tại Hà Nội là khá phổ biến.
Bảng 3.3. Nồng độ số lượng bụi đo bằng thiết bị Nanoscan (Đơn vị: 103 hạt/cm3) (Đơn vị: 103 hạt/cm3)
Loại bụi Min Q1 Trung
vị Trung bình Q3 Max SD Nucleation mode (10-20 nm) 3,12 3,60 3,89 3,84 4,03 4,84 0,39 Aitken mode (20-100 nm) 22,73 26,37 27,57 27,34 28,48 31,21 1,88 Accumulation (100-400 nm) 3,34 3,63 3,91 3,88 4,06 4,54 0,32 Tổng 29,19 33,60 35,56 35,06 36,57 40,85 2,22
(Min: Giá trị nhỏ nhất, Q1: Bách phân vị thứ 1, Q3: Bách phân vị thứ 3, Max: Giá trị lớn nhất, SD: Độ lệch chuẩn)
Nồng độ số lượng trung bình của bụi nano trong nghiên cứu khá tương đồng với kết quả của Quang và cộng sự (2017) khi nhóm nghiên cứu tìm ra nồng độ số lượng trung bình tại Hà Nội là 3,3x104 hạt/cm3 với dải nồng độ từ 2,1- 4,7x104 hạt/cm3 [88]. Qua đó cho thấy nồng độ số lượng của bụi nano tại Hà Nội tương tự với một số khu vực đô thị như Beijing, Trung Quốc (3,9x104 hạt/cm3) [126], Dresden, Đức (3,7x104 hạt/cm3) [127], Strasbourg, Pháp (3,9x104 hạt/cm3) [128], Raleigh, Hoa Kỳ (3,0x104 hạt/cm3) [129], Toronto, Canada (3,4x104 hạt/cm3) [130], Alameda, Chile (3,6x104 hạt/cm3) [131]. Nồng độ này cũng tương tự với kết quả trung bình của 42 thành phố châu Âu (3,2x104 hạt/cm3) và 6 thành phố châu Á không kể đến các thành phố ô nhiễm nặng như New Dehi, Ấn Độ, Sanghai, Trung Quốc và Hsinchu, Đài Loan (3,2x104 hạt/cm3). Những thành phố bị ơ nhiễm nặng này có nồng độ số lượng bụi rất cao ví dụ như New Dehi (2,8 x105 hạt/cm3), Hsinchu (1,4 x105 hạt/cm3) hay Sanghai (1,2 x105 hạt/cm3) [15, 71]. Kết quả này cho thấy sự khác nhau về nồng
độ số lượng và nồng độ khối lượng của bụi nano tại Hà Nội khi so sánh với các thành phố khác. Như đã phân tích ở trên, trong khi nồng độ khối lượng tại Hà Nội cao hơn nhiều lần so với các thành phố ở các nước phát triển và khá tương đồng với các thành phố ô nhiễm nặng của Trung Quốc và Ấn Độ thì nồng độ số lượng bụi tại Hà Nội lại xấp xỉ với các thành phố thuộc các nước phát triển và thấp hơn nhiều so với các thành phố ô nhiễm nặng của Trung Quốc và Ấn Độ. Để tìm hiểu vấn đề này, nghiên cứu cũng tiến hành khảo sát sự phân bố kích thước bụi trong một vài nghiên cứu và kết quả được thể hiện trong Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Phân bố kích thước hạt bụi của nghiên cứu này và một số nghiên cứu khác (Đơn vị: 103 hạt/cm3)
Loại bụi Nucleation mode
(10-20 nm) Aitken mode (20-100 nm) Accumulation (100-400 nm) Tổng
Nghiên cứu này 3,84 27,34 3,88 35,06
Roth (2008) Strasbourg 26,3 11,7 2,0 40,0
Birmili (2013) Dresden 16 11,9 - 27,9
Wehner (2003, Leipzig 9,9 9,4 2,1 21,4
Stanier (2004), Pittsburgh 9,7 10,1 2,2 22,0
Wu (2008) Beijing 9 15,9 7,8 32,8
Mặc dù tổng nồng độ số lượng trong nghiên cứu này khá tương đồng với những nghiên cứu được so sánh khác nhưng nồng độ số lượng của dải kích thước Aitken mode (là những hạt to hơn và nặng hơn) trong nghiên cứu này cao hơn hẳn. Đây có thể là một trong những lý do khiến nồng độ khối lượng bụi nano tại Hà Nội cao hơn so với các nghiên cứu khác. Để có được hiểu biết sâu hơn lý do của sự khác nhau về nồng độ khối lượng và số lượng bụi nano, cần có những nghiên cứu trong thời gian dài hơn và rộng hơn về phân bố nồng độ số lượng bụi theo kích thước hạt và thành phần hóa học.
3.2.3. Một số đặc điểm khác nhau giữa nồng độ khối lượng của bụi nano và các dải bụi có kích thước lớn hơn. và các dải bụi có kích thước lớn hơn.
Sự khác biệt về ảnh hưởng của mùa và vị trí
Bảng 3.5 thể hiện tỷ lệ giữa nồng độ bụi của hai mùa tại cùng một địa điểm và giữa hai địa điểm trong cùng một mùa.
Bảng 3.5. Tỷ lệ giữa nồng độ của các dải bụi theo mùa và địa điểm
Loại bụi PM0,1 PM0,5 PM1,0 PM2,5 PM10 TSP
Nồng độ mùa khô/mùa mưa
HUST 0,9 1,1 1,7 1,8 1,6 1,5
Vinacomin 1,9 1,7 2,0 2,2 2,2 2,1
Nồng độ giữa Vinacomin/HUST
Mùa mưa 1,1 1,4 1,8 1,7 1,4 1,4
Mùa khô 2,2 2,1 2,1 2,1 2,0 2,0
Trong khi nồng độ bụi nano tại HUST vào mùa khơ thậm chí cịn thấp hơn một chút so với mùa mưa, tỷ lệ này đối với PM0,5, PM1,0, PM2,5, PM10 và TSP lần lượt là 1,1; 1,7; 1,8; 1,6 và 1,5 lần. Điều này cho thấy sự khác biệt theo mùa giữa nồng độ bụi các hạt có kích thước lớn là khá đáng kể, còn đối với bụi nano và PM0,5, sự khác biệt này là không đáng kể. Tại Vinacomin, tỷ lệ nồng độ bụi của tất cả các kích thước giữa mùa khô và mùa mưa cao đều cao hơn xấp xỉ hai lần, cho thấy ảnh hưởng của hiện tượng đốt rơm rạ vào các hạt có kích thước nhỏ là lớn hơn.
Vào mùa mưa, sự khác nhau về nồng độ bụi nano giữa Vinacomin và HUST là không đáng kể trong khi đối với các hạt lớn hơn, tỷ lệ này từ 1,4 đến 1,8 lần, cho thấy ảnh hưởng của hoạt động giao thơng tới các hạt có kích thước lớn. Tại HUST, điểm lấy mẫu cách đường giao thơng từ 190 – 280 m (Hình 2.1) và được đặt trong khuôn viên trường đại học, được bao quanh bởi cây xanh. Dải cây xanh này được xem như tấm chắn bụi, đặc biệt là các hạt có kích thước lớn. Trong khi đó, điểm lấy mẫu tại Vinacomin được đặt cách đường chính Nguyễn Văn Cừ 15 m. Do có sự khác biệt giữa hai điểm lấy mẫu nên dẫn tới sự khác nhau về nồng độ bụi của từng dải kích thước. Phụ lục E5 cho thấy dải kích thước PM2,5-10 có nồng độ cao nhất đối với điểm quan trắc HUST (trung bình = 27,07 µg/m3, trung vị = 25,89 µg/m3 trong mùa mưa và trung bình = 36,52 µg/m3, trung vị = 31,84 µg/m3 trong mùa khơ) trong khi dải kích thước PM0,5-1,0 là dải có nồng độ cao nhất tại Vinacomin (trung bình = 29,90 µg/m3, trung vị = 32,35 µg/m3 trong mùa mưa và trung bình = 66,36 µg/m3, trung vị = 70,28 µg/m3 trong mùa khơ). Điều này có thể được giải thích bởi ảnh hưởng của hoạt động giao thơng - thường phát thải các hạt dạng aitken mode (20-100 nm) - tới điểm quan trắc. Ví dụ như động cơ diesel phát thải bụi có nồng độ lớn nhất trong dải 20 – 130 nm, cịn động cơ xăng có nồng độ lớn nhất ở dải 20 – 60 nm [12, 125, 132].
Có thể thấy nồng độ bụi nano trong khơng khí tương đối ổn định ở cả hai địa điểm lấy mẫu vào hai mùa, ngoại trừ khi có sự kiện bất thường như đốt rơm rạ, nồng độ bụi nano mới biến đổi một cách tạm thời. Trong khi đó, sự khác biệt về mùa và vị trí ở các hạt có kích thước lớn hơn là đáng kể. Park và cộng sự (2008) cũng đã chỉ ra sự ổn định về nồng độ bụi nano trong cả bốn mùa tại đô thị Gwangju, Hàn Quốc [104]. Sự biến đổi không đáng kể về nồng độ bụi nano theo vị trí cũng đã được Pakkanen (2001) và Kudo (2011) tìm ra tại Phần Lan và Nhật Bản.
Sự khác biệt về ảnh hưởng của hướng khối khí
Ngồi mùa và vị trí, sự ảnh hưởng của các khối khí đến khu vực nghiên cứu từ các hướng khác nhau cũng được khảo sát. Dựa vào mơ hình HYSPLIT, quỹ đạo của các khối khí đến Hà Nội có thể chia ra làm 3 loại: Loại 1 đến từ hướng Bắc (N), xuất phát từ phía nam Trung Quốc; loại 2 đến từ phía đơng (E), đi theo ven biển hoặc ngồi khơi Trung Quốc; loại 3 đến từ hướng tây nam (SW), xuất phát từ Ấn Độ dương (Hình 3.9).
a) Quỹ đạo N b) Quỹ đạo SW c) Quỹ đạo E
Hình 3.9. Các loại hướng khối khí (quỹ đạo lùi 3 ngày) đặc trưng lan truyền tới Hà Nội tại độ cao 300 – 500 m trong giai đoạn quan trắc
Trong 80 ngày quan trắc (sau QA/QC), quỹ đạo N và E chiếm ưu thế với số ngày tương ứng là 38 và 36 ngày, chỉ còn lại 6 ngày quỹ đạo khối khí là hướng SW. Trong đó, vào mùa khơ, quỹ đạo N chiếm ưu thế với số ngày là 32 ngày, sau đó đến quỹ đạo E với 24 ngày, chỉ duy nhất 1 ngày có quỹ đạo SW. Vào mùa mưa, quỹ đạo E chiếm đại đa số với 12 ngày, còn lại là 6 ngày (N) và 5 ngày (SW). Nồng độ bụi của từng dải kích thước theo các hướng khối khí được thể hiện trong Hình 3.10. Hình 3.10 cho thấy sự khác biệt về nồng độ (25oC, 1 atm) của các dải bụi có kích thước quá lớn (như PM>10, PM2,5-10) hoặc quá nhỏ (PM0,1-0,5, PM0,1) giữa ba hướng khối khí là khơng đáng kể. Trong khi đó, sự khác biệt lớn nhất xảy ra ở dải kích thước PM0,5-
1,0 và PM1,0-2,5. Điều này có thể được giải thích dựa vào cơ chế loại bỏ các hạt bụi có kích thước khác nhau trong khơng khí: Các hạt bụi có kích thước lớn được loại bỏ nhờ cơ chế lắng trọng lực, cịn các hạt bụi nano có kích thước rất nhỏ (siêu mịn) được loại bỏ nhờ cơ chế khuếch tán. Chính vì vậy, thời gian lưu của hai loại bụi này trong không khí thường rất ngắn, vào khoảng vài phút cho đến vài ngày. Do đó, việc vận chuyển các hạt có kích thước quá lớn hoặc quá nhỏ với khoảng cách xa là hết sức khó khăn. Việc này dẫn đến sự khác nhau không đáng kể của nồng độ các hạt bụi nằm trong dải PM>10, PM2,5-10) (kích thước quá lớn) và PM0,1-0,5, PM0,1 (kích thước quá nhỏ). Ngược lại, cơ chế loại bỏ bụi của các hạt mịn thường là do mưa (lắng đọng ướt), nên thời gian lưu của chúng trong khơng khí khá lớn, thường từ chục ngày tới vài tuần [11].
(Biểu đồ thể hiện giá trị nhỏ nhất (Min), bách phân vị thứ Q1 (25%), trung vị, bách phân vị Q3 (75%), giá trị lớn nhất (Max), trong đó Min = Q1 - 1,5IQR, Max= Q3 + 1,5IQR với IQR bằng độ dài từ Q1 – Q3), Hướng N: n = 38, Hướng E:
n = 36, Hướng SW : n = 6, chấm màu đỏ thể hiện giá trị ngoại biên)
Có thể thấy, trong khi sự khác nhau về nồng độ bụi nano theo ba hướng quỹ đạo khối khí là khơng đáng kể thì sự khác biệt này đối với bụi PM2,5 lại khá rõ ràng. Đây cũng là một điểm khác của bụi nano so với các dải bụi có kích thước lớn hơn.
Kết luận: Sự khác nhau về nồng độ của bụi nano theo mùa, địa điểm và hướng
khối khí trong nghiên cứu này là rất nhỏ, trừ khi có hiện tượng bất thường như đốt rơm rạ. Không những khu vực nghiên cứu có nồng độ bụi nano cao mà phần trăm đóng góp của bụi nano vào các hạt lớn cũng cao hơn khi so sánh với các nghiên cứu khác. Trong khi nồng độ khối lượng tương đối cao, nồng độ số lượng bụi nano khá tương đồng với các nghiên cứu khác được so sánh. Mặc dù nồng độ số lượng như nhau, nồng độ trong dải Aitken mode (20-100 nm) cao hơn nhiều so với các nghiên cứu đó. Đặc điểm về nồng độ khối lượng và số lượng cho thấy khả năng đóng góp của nguồn động cơ xăng (xe máy, ô tô) là khá lớn tới nồng độ bụi nano tại khu vực quan trắc
3.3. Thành phần hóa học của bụi nano
3.3.1. Thành phần OC và EC
Diễn biến nồng độ OC và EC của bụi nano
Nồng độ OC và EC (25oC, 1 atm) của bụi nano được biểu diễn trong Hình 3.11.
(Biểu đồ thể hiện giá trị nhỏ nhất (Min), bách phân vị thứ Q1 (25%), trung vị, bách phân vị Q3 (75%), giá trị lớn nhất (Max), trong đó Min = Q1 - 1,5IQR, Max= Q3 + 1,5IQR với IQR bằng độ dài từ Q1 – Q3), Đợt 1 – Mùa mưa tại HUST:
n = 17, Đợt 2 – Mùa mưa tại Vinacomin: n = 6, Đợt 3 – Mùa khô tại Vinacomin: n = 7, Đợt 4 – Mùa khô tại HUST: n = 50, chấm màu đỏ thể hiện giá trị ngoại biên)
Giống như nồng độ khối lượng, nồng độ OC và EC của bụi nano hầu như không thay đổi trong hai mùa tại HUST và khá tương đồng với mùa mưa tại Vinacomin. Tuy nhiên, nồng độ OC và EC vào mùa khô tại Vinacomin cao xấp xỉ