Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Bắc Ninh là trung tâm công nghiệp phát triển sôi động với mật độ dân số lên tới 1.664 người/km² vào năm 2022, đứng thứ 3 toàn quốc. Sự gia tăng nhanh chóng của các khu công nghiệp tập trung, hoạt động vận tải tải trọng lớn và 62 làng nghề thủ công đã tạo áp lực nghiêm trọng lên môi trường không khí. Trong khi bụi mịn thông thường đã được quan tâm nhiều, các hạt bụi siêu mịn như PM0.5 và PM0.1 có khả năng thâm nhập sâu vào phế nang phổi và đi trực tiếp vào hệ tuần hoàn máu. Đáng lo ngại hơn, bề mặt các hạt bụi này là nơi hấp phụ mạnh các hợp chất hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs) – nhóm chất hữu cơ độc hại có khả năng gây đột biến gen và ung thư cao.

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm mục tiêu xác định hàm lượng, đánh giá sự phân bố không gian của 16 hợp chất PAHs trên hai phân đoạn bụi siêu mịn PM0.5 và PM0.1 tại 8 huyện, thị xã và thành phố thuộc tỉnh Bắc Ninh. Đồng thời, đề tài phân tích tỷ trọng đóng góp của từng loại hình nguồn thải đặc thù và ước tính độ độc tương đương sinh học (BaPeq). Phạm vi khảo sát bao quát toàn diện địa bàn tỉnh trong năm 2022 tại 50 vị trí trọng điểm, bao gồm các làng nghề tái chế, khu công nghiệp, nút giao thông huyết mạch, công trình xây dựng và bãi chôn lấp chất thải. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác với dải nồng độ bụi PM0.5 lên tới 84,336 µg/m³ và tổng hàm lượng PAHs đạt 1103,725 ng/m³, đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho công tác quản lý ô nhiễm sol khí hạt nano tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết khí động học hạt sol khí (Aerosol Mechanics), chỉ rõ các hạt bụi có đường kính khí động học dưới 0,5 µm (PM0.5 và PM0.1) sở hữu diện tích bề mặt riêng cực lớn và thời gian lưu chuyển dài trong khí quyển. Khi con người hít phải, tỷ lệ đào thải tự nhiên qua đường hô hấp đối với nhóm bụi siêu mịn này chỉ đạt khoảng 20%, thấp hơn rất nhiều so với mức 80% của các hạt bụi thô lớn hơn 500 µm.

Cơ sở hóa học môi trường tập trung vào nhóm chất hữu cơ khó phân hủy (POPs), cụ thể là 16 hợp chất PAHs ưu tiên kiểm soát theo danh mục của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US-EPA). Các hợp chất này hình thành chủ yếu từ quá trình nhiệt phân và đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch, than đá, sinh khối và rác thải công nghiệp. Bên cạnh đó, mô hình đánh giá độ độc tương đương (Toxic Equivalency Factor - TEF) dựa trên hệ số quy đổi về Benzo[a]pyrene (BaP) được ứng dụng để định lượng mức độ nguy hại sức khỏe của hỗn hợp PAHs theo tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO).

Phương pháp nghiên cứu

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 100 mẫu không khí thực tế, bao gồm 50 mẫu phân đoạn PM0.5 và 50 mẫu phân đoạn PM0.1, được thu thập tại 50 vị trí quan trắc đại diện trên địa bàn 8 đơn vị hành chính của tỉnh Bắc Ninh. Phương pháp lấy mẫu chủ động sử dụng hệ thống bơm thể tích nhỏ Sibata LV-40BW kết hợp đầu tách hạt Nanosampler, vận hành ở lưu lượng chuẩn 16,7 L/phút trong thời gian liên tục từ 21 đến 24 giờ tại độ cao 1,5 m. Bụi được giữ lại trên màng lọc thạch anh đường kính 47 mm đã nung sạch tạp chất ở nhiệt độ 550°C trong 2 giờ. Khối lượng bụi được xác định bằng cân vi lượng Sartorius chính xác đến 6 chữ số thập phân (0,001 mg).

Quy trình xử lý mẫu áp dụng kỹ thuật chiết siêu âm 3 lần (30 phút/lần) với hỗn hợp dung môi n-hexane:acetone (tỷ lệ 1:1 v/v), sau đó làm sạch dịch chiết qua cột sắc ký pha rắn tự nhồi chứa Na2SO4 khan, silica gel và silica gel biến tính axit sunfuric (20% và 40%). Mẫu được làm giàu dưới dòng khí nitơ tinh khiết trước khi phân tích. Hàm lượng 16 hợp chất PAHs được định lượng trên hệ thống sắc ký khí khối phổ ba tứ cực GC-MS/MS (Trace 1310 kết hợp TSQ 9000) với cột mao quản TG-5MS (30 m x 0,25 mm x 0,25 µm), năng lượng ion hóa va chạm electron 70 eV ở chế độ scan/SRM. Phương pháp nội chuẩn sử dụng 5 hợp chất đồng vị đánh dấu deuterated (Naphthalene-D8, Acenaphthene-D10, Phenanthrene-D10, Chrysene-D12, Perylene-D12) mang lại độ chọn lọc vượt trội, độ đúng cao và giới hạn phát hiện ở mức picogram, giúp loại bỏ triệt để ảnh hưởng của nền mẫu bụi phức tạp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận sự hiện diện đồng thời của cả 16 hợp chất PAHs trong 100% các mẫu bụi siêu mịn thu thập tại Bắc Ninh. Hàm lượng bụi PM0.5 dao động từ 1,867 µg/m³ đến 84,336 µg/m³, trong khi bụi PM0.1 nằm trong khoảng từ 0,177 µg/m³ đến 71,716 µg/m³. Nồng độ bụi PM0.1 luôn thấp hơn phân đoạn PM0.5 tại tất cả các điểm đo. Các điểm nóng ô nhiễm bụi cao nhất thuộc về Khu công nghiệp Quế Võ 1 (84,336 µg/m³ với PM0.5; 71,716 µg/m³ với PM0.1), làng nghề cô đúc nhôm Mẫn Xá (71,595 µg/m³ với PM0.5; 52,468 µg/m³ với PM0.1) và nút giao thông Quế Võ (75,433 µg/m³ với PM0.5).

Tổng hàm lượng 16 hợp chất PAHs trong bụi PM0.1 trải rộng từ 76,61 ng/m³ đến 514,672 ng/m³, và trong PM0.5 dao động từ 92,964 ng/m³ đến 865,902 ng/m³. Xét trên tổng 2 phân đoạn, Thành phố Bắc Ninh có hàm lượng PAHs cao nhất tỉnh với 1103,725 ng/m³, cao gấp 5,4 lần so với huyện có mức thấp nhất là Lương Tài (205,215 ng/m³). Naphthalene là chất chiếm ưu thế tuyệt đối trong cơ cấu phát thải, chiếm từ 60% đến 80% tổng hàm lượng PAHs, theo sau là Acenaphthylene và Phenanthrene với tỷ trọng từ 3% đến 10%. Nhóm 7 chất có độc tính cao nhất (BaA, Chr, BbF, BaP, IcdP, DahA, BghiP) chiếm tỷ lệ dưới 2%, trong đó Benzo[a]pyrene (BaP) dao động từ 0,938 ng/m³ đến 11,017 ng/m³.

Thảo luận kết quả

Khi biểu diễn dữ liệu qua biểu đồ cơ cấu nguồn thải, sự đóng góp của các loại hình hoạt động kinh tế bộc lộ tính phân hóa sâu sắc theo từng địa bàn. Tại khu vực đô thị như Thành phố Bắc Ninh, các làng nghề giấy và kim khí đóng góp tới 60,0% tổng lượng PAHs trong phân đoạn bụi PM0.1, trong khi cụm công nghiệp đóng góp 12,1% và công trình xây dựng là 11,3%. Đối với phân đoạn PM0.5 tại thành phố này, mức độ đóng góp đồng đều hơn giữa cụm công nghiệp (23,2%), nút giao thông (19,6%) và công trường xây dựng (18,8%).

Tại Thành phố Từ Sơn, làng nghề kim khí Đa Hội và đồ gỗ Đồng Kỵ là nguồn phát thải chính, chiếm 34,3% lượng PAHs trong PM0.1 và 54,9% trong PM0.5. Ngược lại, tại huyện Yên Phong, bãi tập kết rác thải lộ thiên trở thành nguồn gây ô nhiễm PAHs lớn nhất, chiếm 50,6% đối với PM0.1 và 36,2% đối với PM0.5 do hoạt động đốt rác không kiểm soát. Một phát hiện đáng chú ý khi đối chiếu qua bảng số liệu tương quan là tại huyện Quế Võ và Thành phố Từ Sơn, dù khối lượng bụi tổng rất cao (do mật độ xe cơ giới lớn gây bụi đường), nhưng tỷ lệ PAHs trên khối lượng bụi lại thấp hơn đáng kể so với các điểm làng nghề nhiệt luyện và đốt tái chế phế liệu. Kết quả này hoàn toàn nhất quán với các nghiên cứu sol khí tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, khẳng định các phản ứng đốt nhiệt độ cao và đốt phế liệu thủ công tạo ra mật độ hợp chất thơm đa vòng bám trên hạt nano đậm đặc hơn các nguồn cơ học.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết lập mạng lưới quan trắc tự động bụi siêu mịn: Xây dựng tối thiểu 8 trạm quan trắc tự động liên tục giám sát bụi PM0.5 và PM0.1 tại các vùng trọng điểm công nghiệp như Quế Võ, Từ Sơn và Yên Phong; đặt mục tiêu cảnh báo sớm khi nồng độ bụi vượt mức 50 µg/m³, hoàn thành lộ trình trong giai đoạn 2024-2026 do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bắc Ninh chủ trì.
  2. Hiện đại hóa công nghệ xử lý khí thải tại 62 làng nghề: Chuyển đổi các lò đúc nhôm thủ công tại Mẫn Xá, lò tái chế giấy tại Phong Khê sang công nghệ lò điện hoặc lò thu hồi nhiệt khép kín kết hợp hệ thống lọc bụi tĩnh điện; hướng tới mục tiêu cắt giảm 40% phát thải PAHs trong 3 năm tới, do UBND các huyện, thị xã phối hợp cùng Ban Quản lý các Cụm công nghiệp tổ chức thực hiện.
  3. Ban hành quy chuẩn kỹ thuật địa phương về ngưỡng PAHs không khí: Xây dựng khung pháp lý giới hạn nồng độ các hợp chất hữu cơ độc hại trong không khí xung quanh, khống chế hàm lượng Benzo[a]pyrene trung bình năm dưới mức khuyến cáo 1,0 ng/m³ của WHO trước năm 2027, do Sở Khoa học và Công nghệ phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành soạn thảo.
  4. Kiểm soát phát thải từ phương tiện giao thông vận tải nặng: Phân luồng giao thông hợp lý, siết chặt tiêu chuẩn khí thải định kỳ đối với các phương tiện vận tải trên các tuyến Quốc lộ 1A và Quốc lộ 18 đi qua khu công nghiệp; phấn đấu giảm 25% nồng độ phát thải PAHs từ muội than diesel vào năm 2025 dưới sự điều phối của Sở Giao thông Vận tải và Công an tỉnh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ quản lý môi trường và nhà hoạch định chính sách: Các chuyên viên tại Sở Tài nguyên và Môi trường, Ban Quản lý Khu công nghiệp có thể sử dụng bộ dữ liệu 100 mẫu quan trắc để xây dựng quy hoạch phân vùng môi trường, cấp phép xả thải và kiểm soát các cơ sở tái chế phế liệu.
  2. Nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành Môi trường, Hóa phân tích: Cung cấp quy trình thực nghiệm chuẩn hóa trên thiết bị GC-MS/MS với 5 chất nội chuẩn đồng vị, làm tài liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu định lượng hợp chất hữu cơ vi lượng ở nồng độ nanogram trong các ma trận sol khí phức tạp.
  3. Chuyên gia y tế công cộng và an toàn lao động: Sử dụng các chỉ số về nồng độ BaP (đạt tới 11,017 ng/m³) và độ độc tương đương BaPeq để đánh giá nguy cơ dịch tễ học, các bệnh lý đường hô hấp và phơi nhiễm nghề nghiệp cho người dân tại các làng nghề đúc kim loại và khu vực lân cận bãi rác.
  4. Chủ doanh nghiệp và ban quản lý cụm công nghiệp làng nghề: Giúp các đơn vị sản xuất nhận diện mức độ nguy hại của khí thải từ lò đốt thủ công, từ đó chủ động đầu tư hệ thống xử lý khí thải và chuyển đổi nguyên liệu sản xuất thân thiện với môi trường.

Câu hỏi thường gặp

Bụi siêu mịn PM0.5 và PM0.1 nguy hiểm hơn bụi PM2.5 và PM10 như thế nào đối với cơ thể người? Bụi PM0.5 và PM0.1 có kích thước nhỏ hơn 0,5 µm nên không bị cản lại ở đường hô hấp trên mà đi thẳng vào phế nang phổi với tỷ lệ đào thải tự nhiên chỉ khoảng 20% (so với 80% ở hạt lớn). Do có diện tích bề mặt riêng lớn, chúng mang theo lượng lớn PAHs độc hại ngấm trực tiếp vào mao mạch máu, gây tổn thương DNA và tăng nguy cơ đột biến tế bào.

Nồng độ Benzo[a]pyrene (BaP) đo được trong nghiên cứu có vượt ngưỡng cảnh báo sức khỏe không? Hàm lượng BaP ghi nhận trong bụi PM0.5 dao động từ 1,101 ng/m³ đến 11,017 ng/m³, trong đó mức đỉnh tại Thành phố Bắc Ninh cao gấp 11 lần ngưỡng khuyến cáo an toàn suốt đời của WHO (1,0 ng/m³). Đây là mức cảnh báo cao về nguy cơ phơi nhiễm chất gây ung thư nhóm 1 đối với người dân sinh sống gần các trục đường chính và làng nghề.

Vì sao Naphthalene lại chiếm tỷ trọng áp đảo từ 60% đến 80% trong tổng số 16 hợp chất PAHs? Naphthalene là hợp chất có cấu trúc đơn giản nhất gồm 2 vòng benzen, có áp suất hơi bão hòa cao và dễ hình thành với khối lượng lớn trong các quá trình đốt cháy không hoàn toàn than củi, rơm rạ, nhiên liệu hóa thạch và rác thải. Khi phát tán vào khí quyển, Naphthalene nhanh chóng ngưng tụ và hấp phụ lên các hạt bụi siêu mịn.

Quy trình phân tích trên thiết bị GC-MS/MS mang lại ưu thế gì so với các phương pháp sắc ký thông thường? Kỹ thuật GC-MS/MS hoạt động ở chế độ phân mảnh ion chọn lọc (SRM) kết hợp nguồn ion hóa va chạm 70 eV giúp loại bỏ hoàn toàn các chất gây nhiễu từ nền mẫu bụi phức tạp. Phương pháp này cho phép định lượng chính xác 16 chất PAHs ở nồng độ siêu vết (cấp độ ng/m³) với độ lặp lại cao nhờ sự hiệu chuẩn của 5 nội chuẩn đồng vị.

Khu vực nào tại tỉnh Bắc Ninh có mức độ ô nhiễm bụi và PAHs nghiêm trọng nhất? Khu công nghiệp Quế Võ 1 ghi nhận nồng độ bụi PM0.5 cao nhất toàn tỉnh với 84,336 µg/m³, làng nghề Mẫn Xá ghi nhận mức 71,595 µg/m³, trong khi Thành phố Bắc Ninh có tổng nồng độ PAHs cao nhất đạt 1103,725 ng/m³. Làng nghề tái chế kim loại và các bãi chôn lấp rác là hai nguồn đóng góp PAHs lớn nhất, chiếm từ 34% đến 60% tổng lượng phát thải.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định chuẩn xác hàm lượng bụi siêu mịn và 16 hợp chất PAHs trên 100 mẫu bụi PM0.5 và PM0.1 tại 8 huyện, thành phố thuộc tỉnh Bắc Ninh.
  • Nồng độ bụi PM0.5 cao nhất tại Khu công nghiệp Quế Võ 1 (84,336 µg/m³) và tổng hàm lượng PAHs cao nhất tại Thành phố Bắc Ninh (1103,725 ng/m³).
  • Naphthalene chiếm ưu thế lớn nhất trong thành phần PAHs (60% - 80%), trong khi hợp chất có độc tính mạnh nhất là Benzo[a]pyrene đạt mức tối đa 11,017 ng/m³.
  • Làng nghề thủ công và bãi rác là hai nguồn thải PAHs hàng đầu, đóng góp lần lượt 60,0% và 50,6% lượng PAHs trong phân đoạn PM0.1 tại các điểm quan trắc.
  • Công trình đã xây dựng quy trình phân tích GC-MS/MS có độ nhạy cao và cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm phục vụ kiểm soát ô nhiễm sol khí hạt nano.

Trong giai đoạn 2024-2025, các cơ quan chuyên môn cần tiếp tục mở rộng quan trắc theo 4 mùa trong năm và ứng dụng mô hình ma trận phân tích dương PMF để truy xuất nguồn thải chi tiết. Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và cơ quan quản lý hãy khai thác toàn văn tài liệu luận văn này để ứng dụng vào công tác bảo vệ chất lượng không khí và sức khỏe cộng đồng.