Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh là trung tâm kinh tế, khoa học và công nghiệp lớn nhất cả nước với mật độ dân cư đô thị đông đúc, từng được ghi nhận thuộc nhóm các đô thị có mật độ dân số cao hàng đầu thế giới. Đi cùng tốc độ đô thị hóa nhanh chóng là áp lực khổng lồ từ hơn 8 triệu phương tiện giao thông cá nhân lưu thông mỗi ngày. Hoạt động giao thông vận tải sử dụng nhiên liệu hóa thạch thải ra môi trường lượng lớn các chất ô nhiễm nguy hại, đặc biệt là nhóm hợp chất hydrocarbon thơm đa vòng (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons - PAHs). Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA), các hợp chất PAHs có từ 4 đến 5 vòng benzen trở lên có khả năng gây đột biến gen và tiềm năng gây ung thư mạnh mẽ trên cơ thể người.

Mặc dù thành phố đã duy trì mạng lưới quan trắc chất lượng không khí định kỳ, song phần lớn các chương trình giám sát truyền thống mới chỉ tập trung vào các thông số cơ bản như bụi tổng số (TSP), CO, NOx, SO2, tiếng ồn và chì, trong khi chỉ tiêu PAHs ở cả pha hạt và pha khí gần như chưa được đánh giá đầy đủ. Xuất phát từ thực tế cấp bách đó, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường của tác giả Quách Thị Thanh Mai, dưới sự hướng dẫn khoa học của Phó Giáo sư Tiến sĩ Thái Văn Nam tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM (HUTECH), đã thực hiện đề tài nhằm lượng hóa mức độ ô nhiễm PAHs và đánh giá rủi ro sức khỏe cộng đồng.

Nghiên cứu tiến hành khảo sát thực địa và lấy mẫu chuyên sâu tại 6 cửa ngõ giao thông huyết mạch của thành phố qua hai mùa mưa và mùa khô. Dữ liệu thực nghiệm ghi nhận nồng độ tổng PAHs pha khí dao động ở mức báo động từ 1693 đến 6769 ng/m³, cao gấp nhiều lần so với tiêu chuẩn khuyến cáo nồng độ Benzo(a)pyrene quy đổi là 1,0 ng/m³. Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp bức tranh định lượng rõ nét về tải lượng ô nhiễm hữu cơ bay hơi, tạo tiền đề xây dựng bản đồ rủi ro phơi nhiễm cho người tham gia giao thông tại các đô thị lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết phân bố pha khí - hạt của các hợp chất hữu cơ bán bay hơi (Semi-Volatile Organic Compounds - SVOCs) trong khí quyển đô thị. Các hợp chất PAHs có khối lượng phân tử thấp (2 đến 3 vòng benzen) thường tồn tại chủ yếu ở pha khí do áp suất hơi bão hòa cao, trong khi các hợp chất có khối lượng phân tử lớn (4 đến 6 vòng benzen) có xu hướng hấp phụ lên bề mặt hạt bụi sol khí (pha hạt). Quá trình chuyển hóa quang hóa và lắng đọng của PAHs chịu sự chi phối trực tiếp bởi các yếu tố khí tượng như nhiệt độ, độ ẩm và bức xạ mặt trời.

Khung đánh giá rủi ro sức khỏe con người áp dụng phương pháp luận của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA), kết hợp mô hình hệ số độc tương đương (Toxic Equivalency Factor - TEF) do Nisbet và LaGoy đề xuất. Do Benzo(a)pyrene (BaP) là hợp chất có độc tính và tiềm năng gây ung thư mạnh nhất trong họ PAHs, toàn bộ 18 hợp chất PAHs đơn lẻ được quy đổi về nồng độ tương đương BaPeq. Từ đó, mô hình tính toán rủi ro ung thư trọn đời (Lifetime Cancer Risk - LCR) qua đường hô hấp được thiết lập để dự báo nguy cơ đối với người dân phơi nhiễm trong suốt chu kỳ sống 70 năm cũng như trong các khoảng thời gian dừng chờ giao thông thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thiết lập mạng lưới quan trắc tại 6 vị trí cửa ngõ giao thông trọng điểm gồm: Vòng xoay Hàng Xanh, Vòng xoay Phú Lâm, Trạm 2 Xa lộ Hà Nội (Thủ Đức), Ngã 6 Gò Vấp, Vòng xoay An Sương và Ngã tư Huỳnh Tấn Phát giao Nguyễn Văn Linh. Phương pháp chọn mẫu chủ đích được áp dụng nhằm đại diện cho các luồng giao thông có lưu lượng trên 50.000 lượt phương tiện mỗi ngày. Mẫu được thu thập ở độ cao 1,5 mét ngang tầm thở của người tham gia giao thông trong hai đợt quan trắc tương ứng với mùa mưa năm 2016 và mùa khô năm 2017.

Quy trình thu thập mẫu tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn quốc tế NIOSH 5515. Không khí được hút qua hệ thống lấy mẫu cá nhân với lưu lượng dòng ổn định 2,0 lít/phút. Pha hạt được giữ lại trên màng lọc sợi thủy tinh GFF đường kính 47 mm, trong khi pha khí được hấp phụ vào ống chứa chất hấp phụ XAD-2 (ống Orbo 43). Mẫu sau khi lấy được bảo quản lạnh dưới 4 độ C, chiết tách bằng dung môi hữu cơ tinh khiết và làm sạch trước khi phân tích.

Phương pháp phân tích được lựa chọn là sắc ký khí ghép khối phổ hai lần liên tiếp (GC-MS/MS TSQ 8000). Lý do lựa chọn hệ thống phân tích này là nhờ độ nhạy siêu vết với giới hạn phát hiện dưới 0,01 ng/m³, độ chọn lọc phân giải cao giúp tách biệt chính xác 18 hợp chất PAHs đồng phân có khối lượng phân tử từ 128 đến 278 g/mol, đồng thời triệt tiêu tối đa các chất gây nhiễu từ ma trận khói thải giao thông phức tạp. Số liệu thực nghiệm được kiểm định thống kê và xử lý tự động qua phần mềm chuyên dụng Triplus, SPSS và Excel nhằm đảm bảo độ tin cậy khoa học cao nhất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích định lượng 18 hợp chất PAHs tại 6 nút giao thông cửa ngõ Thành phố Hồ Chí Minh mang lại những phát hiện cốt lõi sau:

Thứ nhất, PAHs trong không khí giao thông tồn tại ưu thế tuyệt đối ở pha khí. Nồng độ tổng PAHs dạng khí ghi nhận được cực kỳ cao, dao động trong khoảng từ 1997 đến 6769 ng/m³ vào mùa mưa và từ 1693 đến 6266 ng/m³ vào mùa khô. Ngược lại, hàm lượng PAHs ở pha hạt thu bằng bơm cá nhân lưu lượng 2,0 lít/phút không phát hiện thấy do nằm dưới ngưỡng giới hạn đo của phương pháp hoặc do các hạt bụi phân tán nhanh trong điều kiện thoáng khí.

Thứ hai, Naphthalene (NaP - hợp chất gồm 2 vòng benzen) là chất chiếm tỷ trọng áp đảo nhất trong toàn bộ họ PAHs đo được. Tỷ lệ Naphthalene chiếm từ 56,6% đến 67,0% tổng nồng độ PAHs pha khí tại tất cả các điểm quan trắc. Các hợp chất phân tử lượng thấp từ 2 đến 3 vòng benzen (như Naphthalene, 1-Methylnaphthalene, 2-Methylnaphthalene, Acenaphthene, Fluorene, Phenanthrene) chiếm trên 90% tổng tải lượng PAHs.

Thứ ba, nồng độ PAHs có sự biến thiên rõ rệt theo mùa khí hậu. Tại 100% các điểm lấy mẫu, nồng độ PAHs vào mùa mưa cao hơn mùa khô từ 8,2% đến 16,5%. Điển hình tại Vòng xoay Hàng Xanh, nồng độ đạt đỉnh 6769 ng/m³ trong mùa mưa và giảm xuống 6266 ng/m³ trong mùa khô; tại Vòng xoay An Sương nồng độ mùa mưa đạt 5280 ng/m³ so với 4850 ng/m³ vào mùa khô.

Thứ tư, kết quả đánh giá rủi ro sức khỏe qua chỉ số BaPeq cho thấy rủi ro ở mức trung bình đối với người tiếp xúc mãn tính 70 năm ở nồng độ chuẩn 1,0 ng/m³. Khi xét theo thời gian tiếp xúc thực tế, việc dừng đèn đỏ 30 giây có mức rủi ro thấp, nhưng khi thời gian ùn tắc kéo dài 30 phút đến 1 giờ, mức độ rủi ro sức khỏe tăng vọt lên mức trung bình và tiệm cận ngưỡng cảnh báo nguy hiểm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến nồng độ PAHs pha khí cao vượt bậc bắt nguồn từ mật độ dày đặc của các phương tiện giao thông cá nhân sử dụng động cơ đốt trong. Quá trình cháy không hoàn toàn của xăng và dầu diesel trong điều kiện xe máy, ô tô liên tục tăng giảm tốc độ khi di chuyển qua các nút giao cửa ngõ đã phát thải lượng cực lớn các hydrocacbon thơm phân tử lượng nhỏ. Sự chênh lệch nồng độ giữa mùa mưa và mùa khô được giải thích bởi đặc điểm khí tượng nhiệt đới: vào mùa mưa, độ ẩm không khí tăng cao cùng với sự xuất hiện của các tầng nghịch nhiệt bức xạ thấp khiến lớp biên khí quyển bị nén chặt, làm giảm vận tốc khuếch tán và giữ lại các hợp chất hữu cơ bay hơi gần mặt đất.

Khi so sánh với các nghiên cứu quốc tế, tổng nồng độ PAHs trong không khí tại Thành phố Hồ Chí Minh cao hơn đáng kể so với kết quả ghi nhận tại Seoul - Hàn Quốc (89,3 ng/m³), thủ đô Rome - Ý (dao động khoảng vài chục ng/m³) và thành phố Quảng Châu - Trung Quốc (313 ng/m³). Nghiên cứu của các tác giả trước đây tại Việt Nam chủ yếu quan trắc pha hạt (với nồng độ TSP PAHs từ 2,6 đến 21 ng/m³), do đó việc phát hiện nồng độ pha khí lên tới hàng nghìn ng/m³ trong luận văn này đã lấp đầy khoảng trống dữ liệu quan trọng, khẳng định tải lượng ô nhiễm thực tế lớn hơn rất nhiều so với các ước tính trước đây.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan và sinh động thông qua hệ thống biểu đồ cột so sánh đối sánh nồng độ PAHs giữa hai mùa tại 6 trạm quan trắc, kết hợp đồ thị tròn minh họa cơ cấu phần trăm của 18 hợp chất PAHs và bảng ma trận tương quan tỷ lệ giữa các chất chỉ thị phát thải, giúp các nhà quản lý dễ dàng nhận diện điểm nóng ô nhiễm.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả định lượng ô nhiễm và mô hình đánh giá rủi ro, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp trọng tâm nhằm kiểm soát và giảm thiểu tác hại của PAHs trong không khí giao thông:

Thứ nhất, xây dựng và ban hành lộ trình kiểm định khí thải bắt buộc đối với phương tiện mô tô, xe gắn máy đang lưu hành trên địa bàn thành phố. Đơn vị chủ trì thực hiện là Sở Giao thông Vận tải phối hợp cùng Sở Tài nguyên và Môi trường. Mục tiêu hành động nhằm loại bỏ các phương tiện cũ nát không đạt tiêu chuẩn kỹ thuật, hướng tới giảm 25% tổng lượng phát thải hydrocarbon thơm từ nguồn giao thông vào năm 2026.

Thứ hai, tích hợp chỉ số PAHs và nồng độ tương đương BaPeq vào mạng lưới trạm quan trắc chất lượng không khí tự động (AQI) của thành phố. Chi cục Bảo vệ Môi trường TP.HCM cần triển khai trang bị thiết bị lấy mẫu pha khí định kỳ trong giai đoạn 2025 - 2027. Mục tiêu là xây dựng bản đồ cảnh báo rủi ro phơi nhiễm theo thời gian thực, cung cấp dữ liệu minh bạch cho người dân trên các ứng dụng thông tin đô thị thông minh.

Thứ ba, tối ưu hóa hệ thống điều khiển giao thông thông minh và chu kỳ đèn tín hiệu tại 6 nút giao thông cửa ngõ trọng điểm. Phòng Cảnh sát Giao thông Đường bộ - Đường sắt chủ trì phối hợp với Trung tâm Quản lý Điều hành Giao thông Đô thị. Mục tiêu cụ thể là rút ngắn thời gian dừng chờ của phương tiện tại các nút giao xuống dưới 45 giây và giải tỏa các điểm nghẽn ùn tắc trong vòng 15 phút, từ đó cắt giảm hơn 30% lượng khí thải tích tụ tại chỗ.

Thứ tư, triển khai chương trình bảo vệ sức khỏe nghề nghiệp cho các nhóm lao động có nguy cơ phơi nhiễm cao. Ban Quản lý Trật tự Đô thị, Công an Thành phố và các hiệp hội vận tải cần trang bị ngay khẩu trang chuyên dụng đạt chuẩn có lớp lọc than hoạt tính hấp phụ hơi hữu cơ cho lực lượng cảnh sát giao thông, công nhân vệ sinh môi trường và tài xế công nghệ, giúp ngăn chặn từ 70% đến 85% lượng PAHs hấp thu qua đường hô hấp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu cung cấp khối lượng dữ liệu thực nghiệm phong phú và phương pháp tiếp cận khoa học chuẩn mực, là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng sau:

Một là, các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường, Cục Kiểm soát Ô nhiễm Môi trường). Luận văn cung cấp bằng chứng thực nghiệm xác đáng để bổ sung chỉ tiêu PAHs pha khí vào hệ thống quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh, đồng thời hỗ trợ xây dựng kế hoạch hành động quản lý chất lượng không khí cấp vùng.

Hai là, giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường và Hóa học Phân tích. Đề tài đóng vai trò là tài liệu học thuật mẫu mực về kỹ thuật lấy mẫu hiện trường theo tiêu chuẩn NIOSH 5515 kết hợp phân tích sắc ký khí khối phổ GC-MS/MS, cùng phương pháp luận đánh giá rủi ro sức khỏe bằng chỉ số độc TEF.

Ba là, các chuyên gia y tế công cộng, viện nghiên cứu dịch tễ học và an toàn vệ sinh lao động. Số liệu về nồng độ phơi nhiễm và hệ số BaPeq trong nghiên cứu là cơ sở dữ liệu quan trọng để triển khai các nghiên cứu dịch tễ chuyên sâu về mối liên hệ giữa ô nhiễm không khí giao thông và tỷ lệ mắc các bệnh lý ung thư đường hô hấp tại các đô thị phát triển.

Bốn là, các kỹ sư quy hoạch đô thị và đơn vị phát triển hạ tầng giao thông bền vững. Bức tranh phân bố ô nhiễm tại 6 cửa ngõ huyết mạch cung cấp luận cứ thực tiễn để thiết kế các giải pháp phân luồng xe tải nặng, phát triển các vành đai xanh cách ly và thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang phương tiện giao thông công cộng sử dụng năng lượng sạch.

Câu hỏi thường gặp

PAHs trong không khí giao thông TP.HCM tồn tại chủ yếu ở dạng nào và tại sao?

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định PAHs tồn tại ưu thế tuyệt đối ở pha khí với nồng độ từ 1693 đến 6769 ng/m³, trong khi pha hạt không phát hiện thấy ở lưu lượng bơm 2,0 lít/phút. Nguyên nhân do các hợp chất PAHs phát thải từ động cơ xăng và xe máy chủ yếu có phân tử lượng thấp từ 2 đến 3 vòng benzen, có áp suất hơi bão hòa cao nên dễ dàng bay hơi vào khí quyển.

Hợp chất nào chiếm tỷ lệ cao nhất trong các mẫu PAHs pha khí tại các cửa ngõ?

Naphthalene (NaP - cấu tạo gồm 2 vòng benzen) là hợp chất chiếm tỷ trọng cao nhất, dao động từ 56,6% đến 67,0% tổng hàm lượng PAHs đo được tại cả 6 vị trí khảo sát. Naphthalene là sản phẩm phụ điển hình sinh ra từ quá trình đốt cháy không hoàn toàn của nhiên liệu xăng và dầu bôi trơn trong điều kiện vận hành đô thị.

Mức độ rủi ro sức khỏe đối với người tham gia giao thông được đánh giá như thế nào?

Rủi ro sức khỏe được đánh giá qua nồng độ Benzo(a)pyrene tương đương (BaPeq). Khi dừng chờ đèn đỏ 30 giây, mức rủi ro hô hấp ở mức thấp. Tuy nhiên, nếu thời gian tiếp xúc kéo dài từ 30 phút đến 1 giờ trong các đợt ùn tắc hoặc phơi nhiễm liên tục 70 năm, mức rủi ro ung thư tăng lên mức trung bình, đòi hỏi các biện pháp bảo hộ y tế kịp thời.

Vì sao nồng độ PAHs vào mùa mưa lại cao hơn mùa khô tại các điểm đo?

Tại 6 cửa ngõ quan trắc, nồng độ PAHs vào mùa mưa luôn cao hơn mùa khô từ 8,2% đến 16,5%. Điều này xuất phát từ yếu tố khí tượng đặc trưng của TP.HCM: độ ẩm cao, áp suất khí quyển biến đổi và hiện tượng nghịch nhiệt tầng thấp trong mùa mưa làm giảm sự xáo trộn của các luồng khí quyển, khiến chất ô nhiễm bị giữ lại sát mặt đất.

Phương pháp NIOSH 5515 kết hợp GC-MS/MS có ưu điểm gì trong quan trắc PAHs?

Phương pháp tiêu chuẩn NIOSH 5515 cho phép thu giữ đồng thời cả pha hạt trên giấy lọc GFF và pha khí qua ống hấp phụ XAD-2. Kết hợp với đầu dò khối phổ sắc ký khí GC-MS/MS TSQ 8000, phương pháp đạt độ nhạy cực cao dưới 0,01 ng/m³, phân tách chọn lọc 18 hợp chất PAHs đồng phân và loại bỏ hoàn toàn các chất gây nhiễu nền phức tạp.

Kết luận

  • Đã định lượng thành công hàm lượng 18 hợp chất PAHs tại 6 cửa ngõ giao thông huyết mạch của Thành phố Hồ Chí Minh, ghi nhận nồng độ pha khí rất cao dao động từ 1693 đến 6769 ng/m³.
  • Khẳng định Naphthalene là hợp chất chiếm ưu thế vượt trội với tỷ lệ từ 56,6% đến 67,0%, đồng thời xác định khí thải từ xe máy và ô tô chạy xăng là nguồn phát thải PAHs chủ yếu trong đô thị.
  • Đánh giá rủi ro ung thư qua hệ số độc tương đương BaPeq ở mức trung bình trong điều kiện phơi nhiễm mãn tính 70 năm và phát đi cảnh báo rủi ro gia tăng khi phương tiện bị ùn ứ từ 30 đến 60 phút.
  • Đóng góp bộ dữ liệu thực nghiệm quý giá và quy trình quan trắc chuẩn hóa NIOSH 5515 kết hợp GC-MS/MS, tạo nền tảng vững chắc cho việc xây dựng bản đồ ô nhiễm không khí tại các đô thị lớn ở Việt Nam.
  • Khuyến nghị lộ trình giai đoạn 2024 - 2030 cần nhanh chóng đưa PAHs vào danh mục quan trắc không khí định kỳ, siết chặt tiêu chuẩn khí thải phương tiện cơ giới và kêu gọi người dân chủ động sử dụng khẩu trang lọc hơi hữu cơ khi lưu thông qua các điểm đen giao thông.