2.1. Lấy mẫu bụi
2.1.1. Những yêu cầu chính về việc lấy mẫu
Hiện nay vẫn chưa có sự chuẩn hóa về kỹ thuật quan trắc bụi nano. Tuy nhiên, việc lấy mẫu bụi nano trong không khí trước hết cũng cần phải đảm bảo một số yêu cầu cơ bản như việc lấy mẫu bụi nói chung, cụ thể như sau:
2.1.1.1. Vị trí đầu lấy mẫu [90]
a) Chiều cao và chiều dài của đầu đặt mẫu
Đầu lấy mẫu phải được đặt từ ở độ cao 2 – 15 m từ mặt đất cho tất cả các khu vực quy mô lớn. Đối với quy mơ khu vực trung bình và nhỏ, chiều cao đầu lấy mẫu yêu cầu là từ 2 – 7m . Đầu lấy mẫu phải cách ít nhất 2 m từ các tường, lan can, rèm vải... Nếu đầu lấy mẫu được đặt bên cạnh một tịa nhà hoặc bức tường, nó nên được đặt ở vị trí đón gió thịnh hành.
b) Khoảng cách từ các vật cản
Các tòa nhà hoặc các vật cản khác có thể làm thay đổi nồng độ chất ơ nhiễm vì làm thay đổi dịng khí. Để tránh ảnh hưởng này, đầu lấy mẫu phải được đặt ở vị trí khơng bị hạn chế dịng khí, và được đặt cách xa các chướng ngại vật. Khoảng cách từ đầu lấy mẫu tới vật cản phải bằng ít nhất hai lần chiều cao nhơ lên của vật cản tính từ đầu lấy mẫu. Có thể có ngoại lệ khi quan trắc trong hẻm đường phố, quan trắc định hướng nguồn hoặc ở những tịa nhà khơng thể can thiệp được do cấu trúc có sẵn.
Thơng thường, việc đặt đầu lấy mẫu gần tường là không mong muốn vì sự chuyển dịch của dịng khí theo tường có thể bị ảnh hưởng. Đầu lấy mẫu phải được đặt trong vùng khí khơng bị hạn chế trong một vịng cung có góc ít nhất 180o. Vịng cung này phải bao gồm hướng gió thịnh hành. Đối với lấy mẫu bụi, khoảng cách tối thiểu từ tường, lan can…là 2 m cho vị trí trên mái nhà.
c) Khoảng cách từ cây
Cây có thể cung cấp bề mặt hấp thụ và hấp phụ chất ơ nhiễm. Cây cũng đóng vai trị là vật cản khi nó đứng giữa nguồn thải và vị trí quan trắc. Để giảm thiểu tác động này, đầu lấy mẫu phải cách cây tối thiểu 10m.
Hình 2.1. Vị trí đặt đầu lấy mẫu thích hợp
H: Chiều cao từ đầu lấy mẫu tới mặt đất, phụ thuộc vào mục tiêu và quy mô lấy mẫu.
h: Độ cao từ vật cản xung quanh tính từ đầu lấy mẫu 2h ≤ d D: Khoảng cách đến cây gần nhất > 20m
d: Khoảng cách đến tường gần nhất > 2m
α: Góc mở tối thiểu tính từ đầu lấy mẫu tới vật cản > 180o [90].
2.1.1.2. Lấy mẫu a) Thiết bị lấy mẫu
Nguyên lý kỹ thuật
Để lấy tách và lấy mẫu bụi thành những phân đoạn có kích thước mong muốn như PM10, PM2,5-10, PM2,5, trên thế giới người ta sử dụng 3 kỹ thuật chính: (i) bộ va chạm ảo (virtual impactor), (ii) bộ va chạm ly tâm (centrifugal impactor, cyclone), (iii) bộ va chạm kiểu tầng (cascade impactor). Tuy nhiên, đối với bụi nano, hiện thường sử dụng bộ va chạm kiểu tầng. Sơ đồ nguyên lý của bộ va chạm kiểm tầng được chỉ ra trên Hình 2.2 [91]. Theo đó, dịng khơng khí chứa bụi được hút qua bộ va chạm của thiết bị lấy mẫu với lưu lượng khơng đổi. Qua mỗi tầng, diện tích tiết diện của các lỗ giảm một bậc, nên tốc độ dòng khí tăng lên một bậc. Điều đó làm cho qn tính của các hạt bụi tăng lên sau mỗi bậc, dẫn tới bụi được tách thành các phân đoạn có kích thước khác nhau (trong đó có phân đoạn bụi nano), giảm dần từ trên xuống dưới. Bảng 2.1 trình bày một số thiết bị lấy mẫu bụi nano với các tầng khác nhau [77].
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của bộ va chạm kiểu tầng Bảng 2.1. Một số thiết bị lấy mẫu bụi nano Bảng 2.1. Một số thiết bị lấy mẫu bụi nano
Thiết bị Lưu lượng
(l/phút)
Số tầng lấy mẫu
Số tầng thu bụi
LPI (Dekati, Ltd., Tampere, Finland;
Hering et al., 1979a; 1979b) 10 hoặc 30 13 5
BLPI (Berner, 1972, 1976a, 1976b;
Hillamo and Kauppinen, 1991) 30 8 4
ELPI (Dekati, Ltd., Tempere, Finland ;
Shi et al., 1999; Keskinen et al., 2003). 10 hoặc 30 13 4
SDI (Dekati, Ltd., Tampere, Finland ;
Maenhaut et al., 1996). 11 12 3
ALPI Andersen Instruments, now Thermo Fisher Scientific, Waltham, M.A.; Model LP-20, Tokyo Dylec, Tokyo, Japan (Yamasaki et al., 2000; Pagels et al., 2005; Vaaraslahti et al., 2005; Zervas and Dorlhene, 2006)
22,2 12 2
MOUDI (MSP Corporation,
Shoreview, MN; Marple et al., 1990; 1991; MSP, 1999)
10 hoặc 30 11 3
Nano-MOUDI (MSP Corporation,
Shoreview, MN; MSP, 2004) 10 hoặc 30 13 4
Nano-INF (Kanazawa University,
b) Tần suất quan trắc và thời gian quan trắc
Mặc dù quan trắc chất lượng khơng khí bằng các trạm cố định và liên tục là ưu tiên hàng đầu theo tiêu chuẩn quốc tế, tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, lấy mẫu gián đoạn và ngẫu nhiên cũng được chỉ định để tiền đánh giá hoặc có thêm thơng tin về ơ nhiễm, để từ đó có kế hoạch theo dõi thêm hoặc để trả lời các câu hỏi đặc biệt. Do đó, quan trắc chỉ định (indicative measurement) là một công cụ quan trọng của quan trắc chất lượng không khí đã được quy định trong hướng dẫn 2008/50/EC, trong đó các quan trắc chỉ định khơng nhất thiết phải tuân thủ về các quy định chặt chẽ như quan trắc cố định [92].
Dựa vào các phép phân tích thống kê, 2008/50/EC yêu cầu khoảng thời gian tối thiểu là 14% đối với quan trắc chỉ định. Ví dụ như một mẫu 24h một tuần (52 mẫu một năm) hoặc tám tuần liên tục trong một năm (56 mẫu). Lượng mẫu này nên được phân bố đều trong các khoảng thời gian khác nhau ví dụ như mùa mưa và mùa khô. Trường hợp 52 mẫu hàng tuần đại diện hơn cả [92, 93].
2.2.2. Quá trình thực nghiệm 2.2.2.1. Vị trí lấy mẫu 2.2.2.1. Vị trí lấy mẫu
Hà Nội - thủ đơ Việt Nam – là thành phố lớn thứ hai cả nước với diện tích với 3358 km2 (sau đợt mở rộng hành chính năm 2008) và hơn 7,4 triệu dân (năm 2017). Dự kiến Thành phố Hà Nội sẽ có diện tích 13 463 km2 và khoảng 15 triệu dân đến năm 2020 [5, 94, 95]. Nằm chếch về phía tây bắc của trung tâm vùng đồng bằng châu thổ sơng Hồng, Hà Nội có vị trí từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' đến 106°02' kinh độ Đông, tiếp giáp với các tỉnh Thái Nguyên, Vĩnh Phúc ở phía Bắc, Hà Nam, Hịa Bình phía Nam, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hưng n phía Đơng, Hịa Bình cùng Phú Thọ phía Tây [94]. Khí hậu Hà Nội tiêu biểu cho vùng Bắc Bộ với đặc điểm của khí hậu nhiệt đới gió mùa, với sự khác biệt rõ ràng giữa mùa mưa và mùa khô [96]. Từ tháng 10 đến tháng 12, khối khí từ phía bắc và đơng bắc của lục địa Trung Quốc mang đến khí lạnh và khô. Từ tháng 1 đến tháng 3/tháng 4, hướng khối khí đông bắc nhưng đi theo hướng ven biển ngồi khơi Trung Quốc mang theo khí ẩm, mây tầng thấp và mưa phùn. Mùa mưa bắt đầu từ giữa tháng 4 đến hết tháng 10, khí hậu ẩm và mưa nhưng chủ yếu mưa nhiều vào tháng 7 và tháng 8. Tháng 4 với tháng 10 với nhiều đặc điểm bất thường giữa thời điểm giao mùa nên thường được xếp vào mùa chuyển tiếp [97]. Tuy nhiên do chịu sự tác động mạnh mẽ của gió mùa nên thời gian bắt đầu và kết thúc của mỗi mùa thường không đồng đều nhau giữa các năm, nên sự phân chia các tháng chỉ mang tính tương đối.
Tốc độ đơ thị hóa nhanh tại Hà Nội tăng nhanh trong thời gian gần đây. Tốc độ tăng diện tích đất xây dựng đô thị tăng nhanh hơn cả tốc độ tăng dân số. Trong khi dân số Hà Nội tăng 2,6 lần từ 1,06 triệu dân năm 1990 lên 2,80 triệu dân năm 2010, đất xây dựng đô thị tăng 2,7 lần trong cùng khoảng thời gian đó [94]. Đơ thị hóa cũng tăng áp lực lên ngành giao thông. Tốc độ gia tăng xe máy lên tới 16%/năm từ năm 2000 đến năm 2008 và đạt 2 triệu năm 2008. Đến năm 2016, có hơn 5,5 triệu phương tiện cá nhân, trong đó khoảng 5 triệu xe máy trong thành phố. Nếu tốc độ tăng 10%/năm thì đến năm 2025 thành phố Hà Nội sẽ có khoảng 11 triệu xe máy [98]. Tốc độ phát triển đô thị đã gây ra những vấn đề mơi trường khơng khí nghiêm trọng đặc biệt là bụi. Hà Nội đứng thứ 2 về ô nhiễm bụi trong 6 thành phố châu Á được nghiên cứu trong giai đoạn 2001 – 2004 [99] và tiếp tục duy trì ở ngưỡng cao trong những năm gần đây [100]. Chính vì vậy, Hà Nội được lựa chọn là khu vực nghiên cứu về bụi nano.
Lựa chọn vị trí quan trắc ln là một nhiệm vụ đầy thách thức trong các khu đô thị đông đúc tại các nước đang phát triển, đặc biệt khi nguồn lực hạn chế. Trong việc nhận dạng nguồn thải và xác định phần đóng góp của các nguồn thải, điểm chịu tác động hỗn hợp của các nguồn thải (mixed site) mới phản ánh được bức tranh tổng thể về ô nhiễm bụi trong khu đô thị [101]. Do vậy, với mục đích đánh giá phần đóng góp của các dạng nguồn thải tới nồng độ bụi nano trong khơng khí tại một khu đơ thị, một điểm lấy mẫu được cho là chịu tác động của nhiều dạng nguồn thải đã được chọn làm vị trí quan trắc chính. Ngồi ra, để khảo sát về ảnh hưởng của hoạt động giao thông và đốt rơm rạ (là những hoạt động thường ảnh hưởng tới chất lượng khơng khí tại Hà Nội) tới nồng độ bụi nano, một địa điểm lấy mẫu phụ khác cũng đã được thiết kế.
Điểm lấy mẫu thứ nhất nằm trên tầng 3 của Trung tâm ngoại ngữ, Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST). Vị trí này cách các trục đường chính khoảng 200 - 300 m (Hình 2.1) và có chiều cao đầu lấy mẫu là 8m, phù hợp với quy mơ khu đơ thị. Bên cạnh đó, vị trí quan trắc này khá trung tâm và có thể coi là điểm chịu ảnh hưởng hỗn hợp của các loại nguồn thải khác nhau như giao thơng, sinh hoạt…Như vậy, vị trí lấy mẫu này phù hợp với mục tiêu quan trắc tại khu vực được cho là chịu tác động của nhiều dạng nguồn thải. Vị trí thứ hai được lựa chọn là trên tầng 5 tòa nhà Vinacomin, nằm sát mặt đường Nguyễn Văn Cừ, Gia Lâm, Hà Nội (cách 15 m) và có chiều cao đầu lấy mẫu là 18 m. Vì trí này gần với ngã ba, gần bến xe khách Gia Lâm, ga Gia
Lâm. Thêm vào đó, Gia Lâm cũng là nơi có nhiều hoạt động đốt sinh khối khi hồn thành vụ mùa. Vì vậy, vị trí này phù hợp để khảo sát nồng độ bụi nano gần đường giao thông cũng như tác động của hoạt động đốt rơm rạ tại ngoại thành Hà Nội. Cả hai vị trí lấy mẫu đều thơng thống, đảm bảo khoảng cách tới các vật cản như tường và cây cối. Thơng tin tóm tắt về hai địa điểm này được thể hiện trong Hình 2.3 và Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Thông tin về địa điểm quan trắc
Địa điểm Tọa độ Ghi chú
HUST 21o00.17 N và 105o50.37 E Sân thượng tầng 3 trung tâm ngoại ngữ, HUST Vinacomin 21o03.01 N và 105o53.04 E Sân thượng tầng 5 tòa nhà Vinacomin, Nguyễn
Văn Cừ, Long Biên
Hình 2.3. Địa điểm lấy mẫu tại Hà Nội 2.2.2.2 Quá trình lấy mẫu 2.2.2.2 Quá trình lấy mẫu
Quá trình lấy mẫu được được thực hiện cho 2 mùa tại mỗi điểm như được chỉ ra trong Bảng 2.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tập trung vào nhận dạng và xác định phần đóng góp của các dạng nguồn thải chính tới bụi nano trong mùa khơ. Vì vậy, một đợt lấy mẫu liên tục dài hai tháng (tháng 11 và 12/2015 – Đợt 4) tại HUST đã được thiết kế để đạt mục tiêu nghiên cứu. Ngoài ra, để đánh giá diễn biến nồng độ bụi nano theo mùa, theo vị trí…các đợt lấy mẫu ngắn hạn hơn cũng được thiết kế và được thể hiện trong Bảng 2.3. Trong đó, đợt 3 vào mùa khơ Vinacomin được lựa chọn vào thời điểm đốt rơm rạ tại ngoại thành Hà Nội. Khoảng thời gian có xảy ra đốt rơm rạ này được ghi lại trong các bản tin tại phụ lục D. Mỗi mẫu được lấy liên tục trong vòng 24h. Mẫu trắng cũng được lấy theo yêu cầu của 2008/50/EC.
Bảng 2.3. Bảng tổng hợp số lượng mẫu bụi
Đợt lấy mẫu
Địa điểm Thời gian
(năm 2015)
Loại mẫu bụi
PM0,1 PM2,5 PM10 Mẫu thực Mẫu trắng Mẫu thực Mẫu trắng Mẫu thực Mẫu trắng Đợt 1 HUST 04/08-20/08 17 3 16 3 16 3 Đợt 2 Vinacomin 22/08-28/08 7 3 7 3 7 3 Đợt 3 Vinacomin 13/10-19/10 7 3 7 3 7 3 Đợt 4 HUST 04/11-30/12 56 7 38 7 39 7 Tổng số mẫu 87 16 68 16 69 16
Song song với q trình lấy mẫu, các thơng số khí tượng như nhiệt độ, độ ẩm tương đối, tốc độ gió, hướng gió chính, bức xạ mặt trời, số ngày mưa từ trạm quan trắc khí tượng Láng thuộc trung tâm khí tượng thủy văn quốc gia cũng được thu thập, khảo sát trong nghiên cứu này. Thơng tin tóm tắt về các thơng số khí tượng được trình bày trong Bảng 2.4. Dữ liệu cụ thể về thông số khí tượng và chất lượng khơng khí trong thời gian quan trắc được thể hiện trong phụ lục B1 và B2.
Bảng 2.4. Thơng tin tóm tắt về các thơng số khí tượng trong thời gian quan trắc
(a Dữ liệu về bức xạ được lấy từ trạm quan trắc 556 Nguyễn Văn Cừ, số ngày có mưa được lấy từ nhật ký lấy mẫu)
Thiết bị lấy mẫu
a) Thiết bị lấy mẫu bụi nano
Thiết bị lấy mẫu bụi nano trong nghiên cứu này thuộc loại thiết bị va chạm kiểu tầng, và cũng là thiết bị được sử dụng trong “Mạng lưới quan trắc bụi nano tại Đông Á”. Thiết bị này được chế tạo tại trường đại học Kanazawa, Nhật Bản. Nó bao gồm một đầu thu góp mẫu, bơm, lưu lượng kế, van điều chỉnh lưu lượng, đồng hồ đo
Đợt lấy mẫu Thời gian (năm 2015) Nhiệt độ (oC) Độ ẩm (%) Tốc độ gió (m/s) Bức xạ (w/m2) Hướng gió chính Số ngày mưa Đợt 1 04/08-20/08 30,1 75,0 2,8 195,7 E, SE 8/17 Đợt 2 22/08-28/08 30,8 70,6 2,5 204,2 E, SE 2/7 Đợt 3 13/10-19/10 26,2 67,3 1,8 179,9 NE, E, NW 0/7 Đợt 4 04/11-30/12 21,2 78,0 2,9 81,9 NE, E 23/56
thời gian và đồng hồ đo thể tích khí qua giấy lọc. Vận tốc dịng khí được duy trì 40 L/phút để thu mẫu bụi nano. Thiết bị lấy mẫu bụi này có 4 tầng trên sử dụng nguyên lý va chạm kiểu tầng để thu lần lượt các hạt bụi có kích thước > 10; 2,5 - 10; 1,0 – 2,5 và 0,5 – 1,0 µm. Hệ thống cịn có một màng lọc qn tính trong đó, sợi SUS được đặt trong catridge bằng thép thu các hạt bụi có kích thước từ 0,1 – 0,5 µm. Sau khi dòng khí đi qua tầng này, ta sẽ thu được bụi nano. Bụi nano được thu trên giấy lọc quarzt có đường kính 55 mm (2500 QAT-UP, Pallflex, CT, USA). Thiết bị lấy mẫu được thể hiện trên Hình 2.4. Đây là thiết bị mới nhất (Model 26A57C) đã được cải tiến từ các đời thiết bị trước và là thiết bị chính để lấy mẫu bụi nano trong toàn bộ thời gian nghiên cứu. Để thực hiện quá trình QA/QC, một thiết bị cũ hơn (Model 25A137F) cũng đã được tiến hành lấy song song để kiểm tra độ tin cậy của quá trình lấy mẫu. Model cũ này được thể hiện trong phụ lục A2
Hình 2.4. Thiết bị mấy mẫu bụi nano (a), cartridge (b), sợi SUS (c), giấy lọc (d)
b) Thiết bị lấy mẫu bụi PM2,5
Thiết bị lấy mẫu bụi PM2,5, Model LV40B của hãng Sibata (Nhật) có đầu lấy mẫu dạng xyclon với lưu lượng bơm 16,7 L/phút đã được sử dụng. Bụi PM2,5 được
(a)
(c) (b)
thu trên giấy lọc quartz có đường kính 47 mm (2500 QAT-UP, Pallflex, CT, USA). Thiết bị lấy mẫu bụi PM2,5 này được thể hiện trong phụ lục A2.
Thiết bị lấy mẫu bụi PM10
Thiết bị lấy mẫu bụi lưu lượng nhỏ Minivol (Airmetrics, Hoa Kỳ) với lưu lượng bơm 5 L/phút đã được sử dụng. Bụi PM10 được thu trên giấy lọc quartz có đường kính