Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm không khí do vật chất hạt (Particulate Matter - PM) và các hợp chất hữu cơ độc hại đang là thách thức môi trường cấp bách tại các vùng đô thị lớn trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Theo thống kê thực tiễn được tác giả nêu, hàng năm có khoảng 44 triệu người trên toàn cầu phải đối mặt với tình trạng chất lượng không khí suy giảm do bụi phát tán từ cả nguồn tự nhiên (bụi đất đá, sol khí biển, cháy rừng, núi lửa) lẫn nhân tạo (đốt nhiên liệu hóa thạch, khí thải giao thông, công nghiệp, đốt sinh khối). Bụi lơ lửng trong khí quyển tồn tại ở nhiều dải kích thước: bụi thô (2,5 – 10 µm), bụi mịn (0,1 – 2,5 µm) và bụi siêu mịn (≤ 0,1 µm). Trong đó, các hạt kích thước dưới 0,1 µm có khả năng thâm nhập sâu vào các phế nang phổi, đi vào hệ tuần hoàn và gây tổn thương nghiêm trọng đến hệ hô hấp, tim mạch, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ đột biến gen và ung thư. Tại Thành phố Hồ Chí Minh, các nghiên cứu dịch tễ học như Luong và cộng sự (2020) đã chỉ ra rằng khi nồng độ PM2,5 tăng thêm 10 µg/m³, nguy cơ nhập viện do nhiễm trùng hô hấp ở trẻ em dưới 5 tuổi tăng tới 3,51 lần sau 3 ngày phơi nhiễm.

Thành phố Thủ Đức là trung tâm kinh tế, khoa học kỹ thuật cửa ngõ phía Đông Bắc của Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung nhiều khu chế xuất, khu công nghiệp tập trung cùng mạng lưới giao thông liên vùng có mật độ phương tiện hạng nặng dày đặc. Mức độ tập trung dân cư và hoạt động công nghiệp khiến áp lực ô nhiễm không khí tại đây cao hơn đáng kể so với mức bình quân. Trong số các chất ô nhiễm hữu cơ bền, Hydrocacbon thơm đa vòng (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons - PAHs) – nhóm hợp chất gồm hai hay nhiều vòng benzen ngưng tụ hình thành từ quá trình đốt cháy không hoàn toàn vật chất hữu cơ – là nhóm độc chất đáng lo ngại do tính kỵ nước, áp suất bay hơi biến thiên rộng và khả năng gây ung thư cao. Dù một số nghiên cứu tại Việt Nam đã khảo sát PAHs, đa số chỉ dừng lại ở việc đo đạc PAHs trong bụi tổng số hoặc một phân đoạn kích thước nhất định, thiếu vắng các nghiên cứu quan trắc đồng thời pha khí và pha bụi phân tầng kích thước hạt liên tục theo chu kỳ năm. Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường của hai sinh viên Phan Minh Quân và Võ Thị Yến Linh (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống dữ liệu này.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là phân tích, đánh giá sự phân bố và xác định nguồn gốc nhóm hợp chất PAHs trong pha bụi nhiều kích thước và pha khí tại Thành phố Thủ Đức theo các mùa trong năm. Để hiện thực hóa mục tiêu tổng quát, 4 mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể được xác lập gồm:

  1. Đánh giá sự phân bố kích thước bụi trong không khí với 6 phân đoạn kích thước hạt (≤ 0,1 µm; 0,1 – ≤ 0,5 µm; 0,5 – ≤ 1 µm; 1 – ≤ 2,5 µm; 2,5 – ≤ 10 µm; > 10 µm) tại một khu vực đô thị điển hình ở Thành phố Thủ Đức liên tục trong thời gian 1 năm.
  2. Đánh giá sự phân bố và hiện tượng phân pha khí – hạt (gas-particle partitioning) của các hợp chất PAHs trong không khí xung quanh.
  3. Dự đoán nguồn gốc phát sinh tiềm năng của PAHs thông qua tỷ lệ nồng độ PAHs trong pha khí, pha bụi, các tỷ lệ chuẩn đoán đặc trưng và mô hình truy xuất khí quyển.
  4. Đánh giá rủi ro sức khỏe con người (rủi ro ung thư) do phơi nhiễm PAHs qua con đường hít thở theo từng nhóm tuổi tại khu vực quan trắc.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  • Vật chất hạt phân tầng theo 6 cấp kích thước: hạt siêu mịn (≤ 0,1 µm), các tầng hạt mịn (0,1 – ≤ 0,5 µm; 0,5 – ≤ 1 µm; 1 – ≤ 2,5 µm), bụi thô (2,5 – ≤ 10 µm) và hạt thô lớn (> 10 µm).
  • Nhóm 27 hợp chất PAHs đại diện (bao gồm 16 hợp chất ưu tiên kiểm soát của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ - USEPA, 15 hợp chất theo quy chuẩn Liên minh Châu Âu - EU PAHs và các hợp chất liên quan): Naphthalene (NAP), 2-Methylnaphthalene (2MNAP), Acenaphthylene (ACY), Acenaphthene (ACE), Fluorene (Flu), Phenanthrene (PHE), Anthracene (ANT), Fluoranthene (Fl), Pyrene (Pyr), Benzo[c]fluorene (BcFE), Cyclopenta[cd]pyrene (CYC), Benz[a]anthracene (BaA), Chrysene (CHR), 5-Methylchrysene (5MC), Benzo[b]fluoranthene (BbF), Benzo[j]fluoranthene (BjF), Benzo[k]fluoranthene (BkF), Benzo[e]pyrene (BeP), Benzo[a]pyrene (BaP), Perylene (PER), Indeno[1,2,3-cd]pyrene (IcdP), Dibenzo[a,h]anthracene (DahA), Benzo[ghi]perylene (BghiP), Dibenzo[a,l]pyrene (DalP), Dibenzo[a,e]pyrene (DaeP), Dibenzo[a,i]pyrene (DaiP), Dibenzo[a,h]pyrene (DahP).
  • Pha khí thu hồi bằng vật liệu siêu hấp phụ (XAD-2 và bọt xốp Polyurethane - PUF).

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian: Trạm lấy mẫu đặt tại sân thượng tòa nhà trung tâm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (Thành phố Thủ Đức) – điểm nút đô thị chịu tác động trực tiếp từ giao thông trục đường chính, các khu dân cư và các khu công nghiệp lân cận. Các phân tích dụng cụ được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Công nghệ cao 2 (CNC2) thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
  • Thời gian: Nghiên cứu thực hiện thực nghiệm trong chu kỳ trọn vẹn 1 năm, từ ngày 01/07/2023 đến ngày 30/06/2024, với tần suất thu mẫu cố định 2 lần mỗi tháng bao quát cả mùa mưa và mùa khô.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý hóa lý học khí quyển và độc học môi trường về sol khí và các hợp chất thơm bán bay hơi (Semi-Volatile Organic Compounds - SVOCs). Bụi khí quyển được cấu thành từ hai nhóm nguồn: sơ cấp (phát thải trực tiếp từ xói mòn vỏ Trái đất, bọt biển, ống xả động cơ, khói thải công nghiệp) và thứ cấp (tổng hợp qua các phản ứng quang hóa, ngưng tụ hơi từ các tiền chất như sunfat, nitrat, amoni và các sol khí hữu cơ thứ cấp - SOA). Về mặt hóa lý, PAHs là các chất kỵ nước, có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao, áp suất bay hơi bão hòa giảm dần khi khối lượng phân tử tăng. Sự phân bố của PAHs giữa pha khí và pha hạt được kiểm soát bởi hệ số phân pha $K_p$ và áp suất bay hơi $P_L^0$ (hoặc $P_v$). Các hợp chất có khối lượng phân tử thấp (LMW-PAHs, 2 – 3 vòng) tồn tại chủ yếu ở pha khí do có áp suất bay hơi cao; nhóm có khối lượng phân tử trung bình (MMW-PAHs, 4 vòng) phân bố đồng thời ở cả hai pha; trong khi nhóm có khối lượng phân tử cao (HMW-PAHs, 5 – 6 vòng) có áp suất hơi rất thấp, ưu tiên liên kết bền vững trên bề mặt hạt bụi, đặc biệt là các phân đoạn hạt mịn có diện tích bề mặt riêng lớn. Độc tính của hỗn hợp PAHs được lượng hóa thông qua đương lượng độc tính Benzo[a]pyrene (BaP-TEQ) sử dụng hệ số tương đương độc tính (Toxic Equivalency Factor - TEF), so sánh trực tiếp với giới hạn nồng độ 1 ng BaP-TEQ/m³ theo Tiêu chuẩn chất lượng không khí của Châu Âu.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích hóa học tuân thủ nghiêm ngặt phương pháp chuẩn TO-13A của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA Method TO-13A) về xác định PAHs trong không khí xung quanh:

  • Quy trình lấy mẫu: Sử dụng thiết bị lấy mẫu bụi phân tầng va đập tầng xếp (cascade impactor) gắn màng lọc sợi thủy tinh/thạch anh tiền xử lý nhiệt để thu thập 6 phân đoạn kích thước hạt bụi. Đồng thời, pha khí được hút qua cột chứa chất hấp phụ siêu sạch XAD-2 kết hợp nút chặn PUF. Lưu lượng hút và thời gian lấy mẫu được hiệu chuẩn chính xác, ghi nhận song song các yếu tố vi khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, vận tốc và hướng gió).
  • Chiết tách và tinh chế: Pha bụi và pha khí được chiết hồi lưu Soxhlet liên tục bằng dung môi hữu cơ tinh khiết sắc ký trong thời gian tiêu chuẩn. Dịch chiết được làm sạch, loại bỏ tạp chất gây cản trở nền, sau đó làm giàu bằng thiết bị cô quay chân không và thổi khô làm bay hơi dung môi dưới dòng khí Nitơ độ tinh khiết cao.
  • Phân tích dụng cụ: Hàm lượng 27 hợp chất PAHs được định tính và định lượng trên hệ thống Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS). Các thông số vận hành thiết bị như nhiệt độ buồng tiêm, chương trình nhiệt độ lò cột mao quản, tốc độ dòng khí mang Heli, chế độ ion hóa va chạm electron (EI) và quét ion giám sát chọn lọc (SIM) được tối ưu hóa nhằm tách rời các cặp đồng phân có khối lượng tương đương.
  • Kiểm soát và bảo đảm chất lượng (QA/QC): Thực hiện hiệu chuẩn hệ số đáp ứng tương đối (RRF), phân tích mẫu trắng hiện trường (field blanks), mẫu trắng dụng cụ (method blanks), mẫu lặp để kiểm tra độ lặp lại, mẫu thêm chuẩn để đánh giá hiệu suất thu hồi (Recovery - Re). Tác giả đã tiến hành điều chỉnh các mảnh m/z phụ cho các chất PAHs đặc thù để loại bỏ nhiễu nền ma trận và xác định giới hạn phát hiện phương pháp (MDL).

Phương pháp xử lý số liệu, thống kê và mô hình hóa nguồn thải:

  • Tỷ lệ chuẩn đoán (Diagnostic Ratios - DR): Sử dụng các tỷ số nồng độ giữa các cặp đồng phân có cùng khối lượng phân tử nhưng khác biệt về độ bền nhiệt động học để nhận diện nguồn phát thải, điển hình là tỷ số $IcdP/(IcdP + BghiP)$ và $Flu/(Flu + Pyr)$ nhằm phân biệt nguồn đốt dầu diesel, động cơ xăng hoặc đốt sinh khối/than đá.
  • Phân tích thống kê đa biến: Dữ liệu được kiểm định phân phối, tính hệ số tương quan phi tham số Spearman giữa nồng độ các chất với các thông số khí tượng, áp dụng phân tích cụm phân cấp (Hierarchical Cluster Analysis) và Phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis - PCA) kết hợp biểu đồ Biplot để trích xuất các nguồn phát thải chi phối (Factor loading) sau khi kiểm tra tính phù hợp bằng hệ số Kaiser-Meyer-Olkin (KMO).
  • Mô hình khí quyển: Ứng dụng mô hình quỹ đạo hạt đơn tích hợp theo hướng Lagrangian (HYSPLIT - Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory) của Cơ quan Quản trị Khí quyển và Đại dương Quốc gia Hoa Kỳ (NOAA), tích hợp cơ sở dữ liệu đồng hóa khí tượng toàn cầu (GDAS/GFS) để chạy mô phỏng quỹ đạo ngược (backward trajectories) của các khối khí tiếp cận trạm đo ở các độ cao khác nhau, giúp phân biệt nguồn ô nhiễm nội sinh đô thị và nguồn vận chuyển xuyên biên giới.
  • Đánh giá rủi ro sức khỏe con người: Áp dụng mô hình đánh giá rủi ro ung thư trọn đời (Cancer Risk - CR) qua đường hô hấp theo hướng dẫn của USEPA dựa trên liều hấp thụ trung bình hàng ngày (Average Daily Dose - ADD), kết hợp nồng độ BaP-TEQ với các tham số sinh học: tốc độ hít thở (IR), thời gian phơi nhiễm (ET), tần suất phơi nhiễm (EF), thời gian phơi nhiễm trọn đời (ED), trọng lượng cơ thể (BW), thời gian trung bình (AT) và hệ số dốc gây ung thư qua đường hít thở (Inhalation Inhalation Slope Factor - SF). Đánh giá được chi tiết hóa cho từng giới tính và phân tầng độ tuổi, đặc biệt phân tích độ tổn thương của nhóm trẻ em.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Chương này thiết lập cơ sở khoa học và tính cấp thiết của nghiên cứu đánh giá sự phân bố của PAHs trong không khí tại một đô thị công nghiệp - dịch vụ trọng điểm như Thành phố Thủ Đức. Tác giả chỉ rõ các tác động tiêu cực của bụi và PAHs đối với sức khỏe cộng đồng, dẫn chứng các nghiên cứu dịch tễ tại TP.HCM về tỷ lệ nhập viện của trẻ em dưới 5 tuổi tăng nhanh theo mức tăng bụi PM2,5. Tác giả xác lập hệ thống mục tiêu tổng quát, 4 mục tiêu cụ thể, làm rõ đối tượng nghiên cứu gồm 27 hợp chất PAHs ở cả hai pha khí và pha bụi phân đoạn 6 tầng kích thước hạt, giới hạn phạm vi nghiên cứu thực nghiệm tại sân thượng tòa nhà trung tâm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trong khung thời gian 1 năm (01/07/2023 - 30/06/2024), đồng thời nêu bật ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình đối với công tác kiểm soát môi trường đô thị.

Chương 1: Tổng quan các vấn đề cần nghiên cứu

Chương 1 cung cấp tổng quan lý thuyết hệ thống về bụi và PAHs trong khí quyển. Nội dung bao quát:

  • Phân loại bụi theo kích thước hạt (bụi thô > 2,5 µm; bụi mịn PM2,5; bụi siêu mịn PM0,1) và theo nguồn gốc (sơ cấp, thứ cấp).
  • Thành phần hóa học của sol khí đô thị gồm cacbon hữu cơ (OC), cacbon nguyên tố (EC), các ion vô cơ hòa tan trong nước (WSIs như $SO_4^{2-}$, $NO_3^-$, $NH_4^+$, $Na^+$, $Cl^-$) và các nguyên tố kim loại vi lượng.
  • Cơ chế phát sinh và chu trình khí quyển của bụi khoáng sa mạc, bụi sol khí biển và bụi nhân tạo từ hoạt động công nghiệp, phương tiện giao thông và đốt sinh khối nông nghiệp.
  • Cấu trúc, đặc tính hóa lý của PAHs (áp suất bay hơi, hằng số luật Henry, phổ hấp thụ UV, tính kỵ nước) và phân bố pha khí - hạt.
  • Tác động gây ung thư, đột biến gen và quái thai của PAHs đối với con người; các con đường xâm nhập vào cơ thể (hít thở, ăn uống, tiếp xúc qua da).
  • Các phương pháp nhận diện nguồn ô nhiễm: Tỷ lệ chuẩn đoán (DR), các công cụ thống kê nâng cao (PCA, phân tích ma trận dương - PMF, phân tích cụm), mô hình lan truyền và quỹ đạo khí quyển HYSPLIT.
  • Lược khảo các nghiên cứu trong nước và quốc tế về PAHs trong không khí, chỉ ra sự hạn chế của các công bố trước đây tại Việt Nam khi thiếu dữ liệu tích hợp đa phân đoạn kích thước hạt.

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm và kiểm soát dữ liệu:

  • Vị trí quan trắc: Lựa chọn vị trí đại diện tại sân thượng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, mô tả các yếu tố nguồn thải bao quanh (giao thông xa lộ, tiểu thủ công nghiệp, dân cư).
  • Quy trình lấy mẫu: Vận hành thiết bị lấy mẫu phân tầng va đập 6 cấp kích thước (≤ 0,1 µm đến > 10 µm) song song với bộ thu pha khí bằng chất siêu hấp phụ XAD-2 và màng xốp PUF theo chu kỳ 2 đợt/tháng trong suốt 12 tháng.
  • Quy trình phân tích hóa học: Các bước tiền xử lý dụng cụ, màng lọc, chiết Soxhlet, cô quay chân không làm giàu mẫu, chuẩn bị khí thổi Nitơ, phân tích trên hệ thống sắc ký khí - khối phổ GC-MS. Bảng thông số vận hành máy đo, thời gian lưu và các mảnh ion định lượng/định tính ($m/z$) của từng hợp chất trong số 27 PAHs.
  • Quy trình QA/QC: Thực hiện theo chuẩn USEPA TO-13A, bao gồm xây dựng đường chuẩn và hệ số RRF, kiểm tra mẫu trắng thiết bị và hiện trường, thử nghiệm độ thu hồi chất chuẩn đại diện (Recovery), xác định giới hạn phát hiện MDL, điều chỉnh áp suất và nhiệt độ cô quay, tối ưu hóa các mảnh ion phụ để hạn chế hiệu ứng nền mẫu phức tạp.
  • Phương pháp phân tích thống kê và tính toán rủi ro: Mô tả công thức tính hệ số phân pha $K_p$, kiểm định phân phối, phân tích tương quan Spearman, phân tích PCA, phân tích cụm phân cấp, quy trình cài đặt và tham số chạy mô hình HYSPLIT với dữ liệu GDAS/GFS, các công thức toán học ước tính giá trị rủi ro ung thư (Cancer Risk - CR) cho nam, nữ và các nhóm tuổi khác nhau.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận chuyên sâu:

  • Nồng độ bụi và đặc tính phân bố kích thước: Biến thiên nồng độ tổng bụi lơ lửng (TSP) và các phân đoạn kích thước giữa mùa mưa và mùa khô. Dữ liệu cho thấy bụi tập trung chủ yếu ở hai chế độ: hạt mịn (0,2 – 2,5 µm) và hạt thô (2,5 – 10 µm). Phân tích mối tương quan giữa nồng độ bụi với các thông số khí tượng (nhiệt độ, ẩm độ, vận tốc gió, lượng mưa).
  • Nồng độ và phân pha của PAHs: Nồng độ tổng 27 PAHs ($\Sigma_{27} \text{PAHs}$), nhóm 16 USEPA PAHs và nhóm 15 EU PAHs. Tỷ lệ phân bố khối lượng ở pha khí vượt trội so với pha bụi. Ngược lại, giá trị đương lượng độc tính BaP-TEQ ở pha bụi chiếm ưu thế tuyệt đối do tập trung các hợp chất vòng lớn có độc tính cao.
  • Phân bố PAHs theo kích thước hạt: Tương quan giữa khối lượng phân tử và kích thước hạt bụi. Các hợp chất HMW-PAHs (5 – 6 vòng) tích lũy ưu thế tại các tầng bụi mịn và siêu mịn (≤ 0,1 µm đến 1 µm), trong khi LMW-PAHs (2 – 3 vòng) phân tán nhiều hơn ở phân đoạn bụi thô và pha khí.
  • Xác định nguồn phát sinh:
    • Tỷ lệ chuẩn đoán $IcdP/(IcdP + BghiP)$ và $Flu/(Flu + Pyr)$ phản ánh nguồn phát thải hỗn hợp từ khí thải động cơ xăng, dầu diesel và hoạt động đốt sinh khối.
    • Phân tích PCA và cụm phân cấp xác định các nhóm nhân tố phát thải chủ đạo liên quan trực tiếp đến giao thông vận tải đường bộ và hoạt động đốt phụ phẩm/sinh khối.
    • Mô phỏng HYSPLIT truy xuất quỹ đạo ngược cho thấy sự khác biệt về đường đi của các khối khí giữa mùa mưa (chịu ảnh hưởng khối khí biển Tây Nam) và mùa khô (chịu ảnh hưởng khối khí lục địa Đông Bắc), chứng minh PAHs không chỉ sinh ra từ nguồn nội bộ mà còn nhận đóng góp từ quá trình vận chuyển khối khí quy mô khu vực và các quốc gia lân cận.
  • Đánh giá rủi ro sức khỏe: Kết quả tính toán rủi ro ung thư trọn đời (Cancer Risk) vượt ngưỡng an toàn khuyến cáo của USEPA ($10^{-6}$), chỉ ra mối đe dọa sức khỏe tiềm tàng đối với cư dân khu vực, trong đó đối tượng trẻ em có nguy cơ chịu tổn thương hô hấp và tích lũy độc chất cao nhất.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại hệ thống dữ liệu định lượng về ô nhiễm bụi và PAHs tại khu vực đô thị Thành phố Thủ Đức thông qua bảng tổng hợp số liệu thực nghiệm sau:

Thông số / Hợp chất phân tích Mùa mưa (Mean ± SD) Mùa khô (Mean ± SD) Ghi chú & Tỷ lệ so sánh
Nồng độ tổng bụi lơ lửng (TSP) 20,4 – 31,9 µg/m³ 36,9 – 67,6 µg/m³ Nồng độ mùa khô cao gấp khoảng 1,8 – 2,1 lần mùa mưa
Chế độ kích thước hạt chi phối 0,2 – 2,5 µm & 2,5 – 10 µm 0,2 – 2,5 µm & 2,5 – 10 µm Tập trung ưu thế ở chế độ hạt mịn và chế độ hạt thô
Tổng nồng độ 27 PAHs ($\Sigma_{27} \text{PAHs}$) 180,1 ± 38,55 ng/m³ 351,5 ± 71,69 ng/m³ Mùa khô cao gấp 1,95 lần mùa mưa
Nồng độ nhóm USEPA PAHs 145,4 ± 34,82 ng/m³ 293,8 ± 60,7 ng/m³ Chiếm 81% (mùa mưa) và 84% (mùa khô) trong $\Sigma_{27} \text{PAHs}$
Nồng độ nhóm $\Sigma_{15} \text{EU PAHs}$ 17,3 ± 6,31 ng/m³ 31,4 ± 14,5 ng/m³ Nhóm chất kiểm soát nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn Châu Âu
Đương lượng độc tính BaP-TEQ 24,4 ± 6,10 ngBaP-TEQ/m³ 47,4 ± 15,7 ngBaP-TEQ/m³ Cao hơn nhiều lần tiêu chuẩn không khí Châu Âu (1 ngBaP-TEQ/m³)
Tỷ lệ phân bố khối lượng theo pha Pha khí > Pha bụi Pha khí > Pha bụi Pha khí chiếm phần lớn tổng khối lượng phát thải
Tỷ lệ phân bố độc tính (TEQ) theo pha Pha bụi >> Pha khí Pha bụi >> Pha khí Pha bụi chiếm tỷ trọng chi phối về mức độ độc tính tương đương

Các phát hiện khoa học chính:

  1. Quy luật phân bố kích thước hạt và phân pha: Nghiên cứu khẳng định nồng độ PAHs trong pha khí cao hơn pha bụi, nhưng pha bụi lại nắm giữ hầu hết độc tính (BaP-TEQ) do sự tập trung của các đồng phân HMW-PAHs (5 – 6 vòng) trên các hạt bụi mịn kích thước dưới 2,5 µm. Ngược lại, LMW-PAHs (2 – 3 vòng) tồn tại nhiều ở pha khí và tầng bụi thô. Mùa khô có nồng độ chất ô nhiễm và mức độ độc tính cao gấp đôi mùa mưa do hiện tượng nghịch nhiệt, giảm lượng mưa rửa trôi và giảm tốc độ pha loãng khí quyển.
  2. Nhận diện nguồn gốc ô nhiễm: Phân tích tỷ lệ chuẩn đoán kết hợp mô hình thống kê PCA và phân tích cụm chỉ ra nguồn thải trực tiếp đến từ hoạt động giao thông (đốt nhiên liệu xăng và diesel) cùng hoạt động đốt sinh khối. Mô hình truy xuất HYSPLIT cung cấp bằng chứng cho thấy nguồn ô nhiễm có sự đóng góp của các khối khí liên vùng di chuyển từ các nước xung quanh tiếp cận Thành phố Thủ Đức theo mùa gió.
  3. Rủi ro độc học: Chỉ số rủi ro ung thư (CR) thông qua đường hít thở đối với cả nam và nữ đều vượt ngưỡng chấp nhận được theo chuẩn USEPA, trong đó nguy cơ ở trẻ em cao hơn so với người trưởng thành do tỷ lệ trao đổi khí trên khối lượng cơ thể lớn hơn và hệ miễn dịch đang phát triển.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

  • Thiết lập hệ thống kiểm soát khí thải phương tiện giao thông nghiêm ngặt tại các trục đường chính và cửa ngõ Thành phố Thủ Đức; đẩy mạnh chuyển đổi sang phương tiện giao thông công cộng và xe điện.
  • Tăng cường kiểm soát và cấm các hoạt động đốt hở phụ phẩm nông nghiệp, sinh khối và rác thải sinh hoạt tại các khu vực ngoại thành và giáp ranh.
  • Mở rộng mạng lưới quan trắc chất lượng không khí tự động có tích hợp thiết bị lấy mẫu bụi phân tầng kích thước hạt để theo dõi thường xuyên các hợp chất hữu cơ độc hại bền.
  • Tuyên truyền, khuyến cáo người dân – đặc biệt là nhóm đối tượng nhạy cảm như trẻ em, người cao tuổi – sử dụng khẩu trang đạt chuẩn chống bụi mịn PM2,5 khi tham gia giao thông vào mùa khô hoặc các khung giờ cao điểm ô nhiễm.

Đóng góp của đồ án: So với các nghiên cứu trước đây tại khu vực phía Nam vốn chỉ khảo sát bụi thô tổng số hoặc lấy mẫu bụi đơn tầng, đồ án này là một trong những công trình nghiên cứu đầy đủ tại TP.HCM thực hiện quan trắc song song cả pha khí và 6 tầng kích thước hạt của pha bụi liên tục trong chu kỳ 1 năm. Công trình đã phân tích đồng thời 27 hợp chất PAHs, đối chiếu cả tiêu chuẩn USEPA và EU PAHs, kết hợp đồng bộ các công cụ thống kê nâng cao với mô hình khí quyển HYSPLIT và mô hình rủi ro sức khỏe chuẩn hóa của USEPA.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các ý kiến nhận xét của cán bộ hướng dẫn (TS. Nguyễn Duy Đạt) và cán bộ phản biện (TS. Nguyễn Văn Trực), cùng nội dung văn bản đồ án, các hạn chế kỹ thuật và phạm vi nghiên cứu được ghi nhận gồm:

  • Vị trí quan trắc còn đơn lẻ: Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm mới chỉ được thu thập tại một trạm quan trắc đặt trên sân thượng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Phạm vi không gian này mang tính đại diện cho một điểm nút đô thị điển hình nhưng chưa thể bao quát trọn vẹn toàn bộ các tiểu vùng vi khí hậu và đặc trưng phát thải của toàn bộ Thành phố Thủ Đức (khu công nghiệp công nghệ cao, khu vực cảng biển Cát Lái, các vùng nông nghiệp sinh thái giáp sông).
  • Thời gian và tần suất lấy mẫu: Dù kéo dài trong 1 năm nhưng tần suất 2 lần/tháng vẫn có nguy cơ bỏ sót các biến động đột xuất của chất lượng không khí theo từng điều kiện thời tiết cực đoan ngắn hạn hoặc các đợt phát thải theo sự kiện.
  • Tổng quan tài liệu trong nước còn khiêm tốn, việc so sánh cơ chế vận chuyển khí quyển HYSPLIT giữa mùa mưa và mùa khô cần được bổ sung thêm các kết luận định lượng cụ thể.
  • Tính khả thi của các kiến nghị chính sách còn mang tính nguyên tắc, chưa đi sâu vào phân tích nguồn lực kinh tế - xã hội để hiện thực hóa các giải pháp kiểm soát khí thải.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng mạng lưới trạm quan trắc đa điểm trên toàn Thành phố Thủ Đức và TP.HCM, kết hợp các vùng công nghiệp, nút giao thông trọng điểm và khu dân cư nông thôn để xây dựng bản đồ phân bố nồng độ PAHs chi tiết theo không gian.
  • Nâng cao tần suất lấy mẫu và phân tích thêm các hợp chất dẫn xuất độc hại của PAHs (như Nitro-PAHs, Oxy-PAHs) có độc tính sinh học cao.
  • Ứng dụng mô hình hóa phân bổ nguồn ô nhiễm định lượng chi tiết hơn (như mô hình ma trận dương PMF) kết hợp dữ liệu vệ tinh quan sát Trái đất để phân định chính xác tỷ lệ phần trăm đóng góp của nguồn giao thông nội thị so với nguồn vận chuyển xuyên biên giới.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường, Kỹ thuật Hóa học, Độc học Môi trường và Y tế Công cộng.
  • Kỹ sư môi trường, chuyên viên quan trắc tại các trung tâm quan trắc tài nguyên - môi trường, các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý nhà nước về môi trường không khí.

Các phần có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án bao gồm:

  1. Quy trình thực nghiệm chuẩn theo USEPA Method TO-13A: Cung cấp đầy đủ các thông số kỹ thuật chi tiết từ khâu xử lý màng lọc, chất hấp phụ XAD-2/PUF, chiết hồi lưu Soxhlet đến thông số vận hành hệ thống GC-MS và quy trình kiểm soát QA/QC (RRF, MDL, xử lý m/z phụ loại trừ nhiễu).
  2. Phương pháp luận xử lý số liệu phân tầng kích thước hạt: Hướng dẫn chi tiết cách tính toán hệ số phân pha khí - hạt ($K_p$, $P_v$), nồng độ vi phân $dM/dLogDp$, giúp người đọc nắm vững phương pháp biểu diễn số liệu phân bố sol khí.
  3. Ứng dụng tích hợp công cụ phân tích nguồn: Phương pháp kết hợp tỷ lệ chuẩn đoán (DR) với phân tích thống kê đa biến (Spearman, Cluster, PCA) và mô hình quỹ đạo hạt đơn ngược HYSPLIT là quy trình mẫu mực để xác định nguồn gốc chất ô nhiễm trong không khí đô thị.
  4. Bảng số liệu độc học và công thức tính rủi ro ung thư: Danh mục 27 hợp chất PAHs kèm các hệ số TEF theo USEPA và EU, cùng bộ thông số phơi nhiễm phục vụ tính toán chỉ số rủi ro ung thư (CR) qua đường hô hấp cho từng lứa tuổi.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ nồng độ của nhóm hợp chất USEPA PAHs chiếm bao nhiêu phần trăm trong tổng số 27 hợp chất PAHs được phân tích? Theo kết quả phân tích thực nghiệm trong đồ án, nồng độ nhóm USEPA PAHs đạt 145,4 ± 34,82 ng/m³ trong mùa mưa (chiếm 81% tổng nồng độ 27 PAHs) và đạt 293,8 ± 60,7 ng/m³ trong mùa khô (chiếm 84% tổng nồng độ 27 PAHs).

2. Tại sao nồng độ PAHs ở pha khí lớn hơn pha bụi nhưng độ độc tương đương (BaP-TEQ) ở pha bụi lại cao hơn? Phần lớn khối lượng PAHs trong không khí thuộc về các hợp chất có khối lượng phân tử thấp (LMW-PAHs, 2 – 3 vòng) có áp suất hơi bão hòa cao nên tồn tại chủ yếu ở pha khí. Tuy nhiên, các hợp chất này có hệ số tương đương độc tính (TEF) rất thấp. Trong khi đó, các hợp chất có khối lượng phân tử cao (HMW-PAHs, 5 – 6 vòng) có độc tính sinh học và khả năng gây ung thư rất mạnh (điển hình như BaP, DahA) lại có áp suất hơi thấp, ưu tiên liên kết và hấp phụ trên bề mặt các hạt bụi. Do đó, nồng độ đương lượng độc tính BaP-TEQ tập trung phần lớn ở pha bụi (chiếm từ 86% đến 98% tổng TEQ theo các y văn mà tác giả đối chiếu).

3. Sự phân bố của các hợp chất PAHs theo từng dải kích thước hạt bụi diễn ra theo quy luật nào? Quy luật phân bố phụ thuộc chặt chẽ vào số vòng benzen và khối lượng phân tử: các hợp chất HMW-PAHs (5 – 6 vòng) phân bố chủ yếu ở tầng hạt bụi mịn và siêu mịn (≤ 0,1 µm đến 1 µm) do diện tích bề mặt tiếp xúc riêng lớn và thời gian lưu lâu; các hợp chất MMW-PAHs (4 vòng) xuất hiện cân bằng ở cả chế độ hạt mịn và hạt thô; trong khi các hợp chất LMW-PAHs (2 – 3 vòng) phân bố rải rác ở tầng bụi thô (> 2,5 µm) hoặc bay hơi vào pha khí.

4. Đồ án đã sử dụng những công cụ nào để nhận diện nguồn phát sinh PAHs và kết quả xác định ra sao? Tác giả đã kết hợp ba công cụ: (1) Tỷ lệ chuẩn đoán (DR) của các cặp đồng phân $IcdP/(IcdP + BghiP)$ và $Flu/(Flu + Pyr)$; (2) Phân tích thống kê đa biến gồm phân tích tương quan Spearman, phân tích cụm phân cấp và phân tích thành phần chính (PCA); (3) Mô hình quỹ đạo không khí ngược HYSPLIT của NOAA. Kết quả cho thấy các nguồn phát thải chi phối gồm: khí thải từ phương tiện giao thông sử dụng xăng và diesel, hoạt động đốt sinh khối/nhiên liệu sinh khối, cùng với sự đóng góp của các khối khí ngoại biên di chuyển từ các khu vực lân cận tiếp cận Thành phố Thủ Đức theo mùa gió.

5. Kết quả đánh giá rủi ro ung thư (Cancer Risk - CR) qua đường hô hấp đưa ra kết luận gì về đối tượng dễ bị tổn thương nhất? Tính toán rủi ro ung thư trọn đời đối với cả nam và nữ đều vượt ngưỡng rủi ro cho phép của USEPA ($10^{-6}$). Trong đó, nhóm đối tượng trẻ em có nguy cơ rủi ro cao hơn người trưởng thành do tốc độ hô hấp trên một đơn vị trọng lượng cơ thể cao hơn và mức độ nhạy cảm sinh học đối với các chất độc hữu cơ phân hủy chậm lớn hơn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của Phan Minh Quân và Võ Thị Yến Linh đã hoàn thành toàn diện việc khảo sát thực nghiệm nồng độ bụi phân tầng 6 cấp kích thước và 27 hợp chất PAHs ở cả pha khí và pha bụi trong chu kỳ 1 năm tại Thành phố Thủ Đức. Kết quả nghiên cứu xác định nồng độ tổng 27 PAHs và độ độc BaP-TEQ vào mùa khô cao gần gấp đôi mùa mưa, đồng thời nồng độ TEQ tại cả hai mùa đều vượt nhiều lần giới hạn chất lượng không khí của Châu Âu. Thông qua các tỷ lệ chuẩn đoán, phân tích thống kê đa biến PCA và mô hình truy xuất khí quyển HYSPLIT, đề tài đã chỉ ra nguồn phát sinh chính từ khí thải giao thông, đốt sinh khối và quá trình vận chuyển khối khí liên vùng. Đây là công trình thực nghiệm có phương pháp luận chặt chẽ theo chuẩn USEPA TO-13A, cung cấp cơ sở dữ liệu quan trắc và độc học quan trọng phục vụ công tác quản lý chất lượng không khí và bảo vệ sức khỏe cộng đồng tại các đô thị công nghiệp Việt Nam.