Luận văn thạc sĩ về thiết kế hệ thống đo ô nhiễm không khí PM10, SOx và NOx

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ thống đo ô nhiễm không khí PM10, SOx, NOx, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

• Tác giả: Nguyễn Văn Long
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Mạnh Thắng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo ô nhiễm không khí PM10, SOx, NOx
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỞI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ AQI
• 1.1. Khái niệm
• 1.2. Tính toán AQI
• 1.2.1. Tính toán AQI sử dụng bảng đối chiếu
• 1.2.2. Tính toán AQI sử dụng các công thức đơn giản
• 1.2.3. Tính toán AQI sử dụng các công thức phức tạp
• 1.3. Phương pháp tính toán AQI tại Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN ĐO CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ
• 2.1. Cảm biến đo bụi
• 2.2. Phương pháp đo ô nhiễm bụi
• 2.3. Cảm biến đo nồng độ khí
• 2.3.1. Cảm biến điện hóa
• 2.3.2. Cảm biến hạt xúc tác
• 2.3.3. Cảm biến hồng ngoại
• 2.3.4. Cảm biến bán dẫn (MOS)
• 2.4. Lựa chọn cảm biến cho thiết bị đo độ ô nhiễm không khí
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ
• 3.1. Thiết kế phần cứng
• 3.1.1. Tổng quan thiết bị
• 3.1.2. Khối xử lý trung tâm
• 3.1.3. Khối thời gian thực
• 3.1.4. Mạch giao tiếp với các cảm biến MQx
• 3.1.5. Mạch giao tiếp với cảm biến điện hóa
• 3.1.6. Mạch giao tiếp với các cảm biến có đầu ra I2C
• 3.1.7. Khối giao tiếp với cảm biến
• 3.1.8. Mạch giao tiếp với LCD hiển thị các thông số đo đạc
• 3.2. Lập trình phần mềm
• 3.2.1. Đo đạc và tính toán giá trị từ cảm biến MQx
• 3.2.2. Đọc và tính toán nồng độ NO2 từ cảm biến điện hóa
• 3.2.3. Đọc và xử lý tín hiệu từ cảm biến có đầu ra I2C
• 3.2.4. Tính toán AQI
• 3.2.5. Hiển thị giá trị, cài đặt thông số
• 3.3. Hiệu chỉnh thiết bị
• 3.3.1. Các vấn đề cần lưu ý trước khi hiệu chuẩn cảm biến
• 3.3.2. Hiểu về các thông số của cảm biến
• 3.3.3. Các bước hiệu chỉnh cảm biến
• 3.3.4. Vận hành thử, đánh giá sản phẩm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• Danh mục hình ảnh

Tóm tắt

I. Tổng quan về ô nhiễm không khí

Ô nhiễm không khí là một vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường. Các chất ô nhiễm như PM10, SOx, và NOx có thể gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng. Việc theo dõi nồng độ các chất ô nhiễm này là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Hệ thống đo lường chất lượng không khí cần được thiết kế để đáp ứng yêu cầu giám sát liên tục và chính xác. Theo đó, việc phát triển các công nghệ cảm biến mới là một giải pháp khả thi để cải thiện chất lượng không khí. Các cảm biến này có thể được tích hợp vào hệ thống giám sát để cung cấp dữ liệu kịp thời và chính xác.

1.1. Các chất ô nhiễm chính

Các chất ô nhiễm không khí như PM10, SOx, và NOx có nguồn gốc từ nhiều hoạt động khác nhau, bao gồm giao thông, công nghiệp và sinh hoạt. PM10 là các hạt bụi có kích thước nhỏ hơn 10 micromet, có thể xâm nhập vào hệ hô hấp và gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. SOx và NOx là các khí gây ô nhiễm chủ yếu từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Việc theo dõi nồng độ của các chất này là rất quan trọng để đánh giá chất lượng không khí và đưa ra các biện pháp can thiệp kịp thời.

II. Hệ thống đo lường ô nhiễm không khí

Hệ thống đo lường ô nhiễm không khí cần được thiết kế với các cảm biến hiện đại, có khả năng đo lường chính xác nồng độ của các chất ô nhiễm như PM10, SOx, và NOx. Các cảm biến này phải có độ nhạy cao và khả năng hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau. Việc sử dụng công nghệ IoT trong thiết kế hệ thống sẽ giúp thu thập dữ liệu một cách hiệu quả và nhanh chóng. Hệ thống cũng cần có phần mềm để xử lý và phân tích dữ liệu, từ đó đưa ra các chỉ số chất lượng không khí (AQI) theo tiêu chuẩn hiện hành.

2.1. Các loại cảm biến

Các loại cảm biến được sử dụng trong hệ thống đo lường ô nhiễm không khí bao gồm cảm biến điện hóa, cảm biến quang học và cảm biến bán dẫn. Mỗi loại cảm biến có ưu điểm và nhược điểm riêng. Cảm biến điện hóa thường có độ nhạy cao nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường. Cảm biến quang học có khả năng đo lường bụi mịn nhưng có chi phí cao. Cảm biến bán dẫn có giá thành thấp nhưng độ chính xác không cao bằng các loại cảm biến khác. Việc lựa chọn cảm biến phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của hệ thống.

III. Phân tích và đánh giá hệ thống

Việc phân tích và đánh giá hệ thống đo ô nhiễm không khí là cần thiết để xác định tính khả thi và hiệu quả của thiết bị. Các chỉ số chất lượng không khí (AQI) được tính toán từ dữ liệu thu thập được từ các cảm biến. Hệ thống cần được hiệu chỉnh định kỳ để đảm bảo độ chính xác của các phép đo. Ngoài ra, việc so sánh dữ liệu thu thập được với các tiêu chuẩn chất lượng không khí hiện hành sẽ giúp đánh giá mức độ ô nhiễm và đưa ra các biện pháp can thiệp kịp thời.

3.1. Tính khả thi của thiết bị

Thiết bị đo ô nhiễm không khí cần được thử nghiệm trong các điều kiện thực tế để đánh giá tính khả thi. Các thử nghiệm này sẽ giúp xác định độ nhạy và độ chính xác của cảm biến trong việc đo lường nồng độ PM10, SOx, và NOx. Kết quả thử nghiệm sẽ cung cấp thông tin quan trọng để cải tiến thiết kế và nâng cao hiệu suất của hệ thống. Việc thu thập dữ liệu từ nhiều vị trí khác nhau cũng sẽ giúp đánh giá tổng thể về chất lượng không khí trong khu vực.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo ô nhiễm không khí là một bước tiến quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Hệ thống này không chỉ giúp theo dõi chất lượng không khí mà còn cung cấp dữ liệu cần thiết để đưa ra các quyết định chính sách về môi trường. Việc phát triển các cảm biến chi phí thấp và công nghệ IoT sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong việc giám sát ô nhiễm không khí. Khuyến nghị cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp công nghệ mới để cải thiện hiệu quả của hệ thống.

4.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc cải tiến độ chính xác của cảm biến và phát triển các thuật toán phân tích dữ liệu hiệu quả hơn. Việc tích hợp hệ thống đo lường với các nền tảng IoT sẽ giúp tối ưu hóa quy trình thu thập và phân tích dữ liệu. Ngoài ra, cần có các nghiên cứu về tác động của ô nhiễm không khí đến sức khỏe con người để đưa ra các biện pháp can thiệp kịp thời.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm không khí là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng, đặc biệt tại các thành phố lớn và khu công nghiệp ở Việt Nam như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh. Theo ước tính, mức độ ô nhiễm không khí tại các đô thị này đã nhiều lần vượt ngưỡng an toàn, dẫn đến gia tăng các bệnh về đường hô hấp và tai mũi họng. Việc giám sát chất lượng không khí hiện nay còn hạn chế do số lượng trạm quan trắc ít và chi phí vận hành cao, với mỗi trạm chuyên dụng có thể lên đến hàng chục nghìn đô la Mỹ. Hơn nữa, các trạm này thường cố định, khó di chuyển, gây khó khăn trong việc thu thập dữ liệu ở quy mô rộng.

Mục tiêu của nghiên cứu là thiết kế một hệ thống đo ô nhiễm không khí nhỏ gọn, chi phí thấp, có khả năng đo liên tục các chỉ số PM10, SOx, NOx và tính toán chỉ số chất lượng không khí AQI theo tiêu chuẩn Việt Nam. Thiết bị được phát triển nhằm tăng cường mạng lưới quan trắc, bổ sung cho các hệ thống lớn hiện có, đồng thời cung cấp dữ liệu chính xác và kịp thời phục vụ công tác cảnh báo và quản lý môi trường. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng các cảm biến chi phí thấp phổ biến trên thị trường, tích hợp với bo mạch Arduino Mega2560 và phần mềm tính toán AQI, thực hiện tại Hà Nội trong giai đoạn 2016-2019.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp giám sát ô nhiễm không khí hiệu quả, phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật của Việt Nam, góp phần nâng cao nhận thức cộng đồng và hỗ trợ các cơ quan quản lý trong việc kiểm soát ô nhiễm môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Chỉ số chất lượng không khí (AQI): Là chỉ số tổng hợp phản ánh mức độ ô nhiễm không khí dựa trên nồng độ các chất ô nhiễm chính như PM10, SO2, NOx, CO, O3. AQI được tính toán theo các phương pháp phổ biến trên thế giới, trong đó Việt Nam áp dụng phương pháp tính đơn giản dựa trên tỷ lệ giữa nồng độ quan trắc và tiêu chuẩn quy định.

• Công nghệ cảm biến đo khí và bụi: Bao gồm các loại cảm biến điện hóa, cảm biến bán dẫn (MOS), cảm biến hồng ngoại không phân tán (NDIR), cảm biến tán xạ laser đo bụi. Mỗi loại cảm biến có nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng biệt.

• Mô hình thiết kế hệ thống IoT: Tích hợp các cảm biến với vi điều khiển Arduino Mega2560, sử dụng giao tiếp UART, I2C, PWM để thu thập dữ liệu, xử lý và hiển thị kết quả đo đạc.

Các khái niệm chính bao gồm: PM10, SOx, NOx, AQI, cảm biến điện hóa, cảm biến MQx, cảm biến NDIR, cảm biến tán xạ laser, Arduino Mega2560, giao tiếp SPI, UART, I2C.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo các bước:

• Thu thập và phân tích tài liệu: Tổng hợp các phương pháp tính AQI, đặc điểm kỹ thuật và nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến đo khí và bụi từ sách, báo, tài liệu kỹ thuật và các diễn đàn chuyên ngành.

• Lựa chọn cảm biến: Đánh giá các loại cảm biến phổ biến như MQ7 (CO), ME3-SO2 (SO2), SPEC 3SP_NO2 (NO2), SDS011 (PM10, PM2.5), MH-Z19B (CO2) dựa trên tiêu chí chi phí, độ chính xác, kích thước và khả năng tích hợp.

• Thiết kế phần cứng: Xây dựng mạch điện với bo mạch Arduino Mega2560 làm trung tâm xử lý, tích hợp các mạch giao tiếp với cảm biến, mạch nguồn ổn định, mạch thời gian thực DS1307 và màn hình TFT LCD SPI 240x320.

• Phát triển phần mềm: Lập trình trên Arduino IDE để đọc dữ liệu cảm biến, xử lý tín hiệu, tính toán nồng độ các chất ô nhiễm và chỉ số AQI theo tiêu chuẩn Việt Nam, đồng thời hiển thị kết quả trên màn hình.

• Hiệu chỉnh và vận hành thử: Thực hiện hiệu chuẩn cảm biến với khí chuẩn, kiểm tra độ ổn định và độ chính xác của thiết bị trong điều kiện thực tế.

• Thời gian nghiên cứu: Từ năm 2016 đến 2019 tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các cảm biến được thử nghiệm trên thiết bị mẫu, với số liệu đo đạc thu thập trong quá trình vận hành thử nghiệm tại môi trường thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết bị đo ô nhiễm không khí tích hợp đa cảm biến hoạt động ổn định
   Thiết bị mẫu sử dụng Arduino Mega2560 kết nối với các cảm biến MQ7, ME3-SO2, SPEC 3SP_NO2, SDS011 và MH-Z19B đã thu thập dữ liệu liên tục trong nhiều giờ với độ ổn định cao. Ví dụ, cảm biến SDS011 đo được nồng độ PM10 dao động trong khoảng 20-150 µg/m³, phù hợp với mức quan trắc thực tế tại Hà Nội.

2. Độ chính xác và độ nhạy của cảm biến điện hóa cao hơn cảm biến bán dẫn
   Cảm biến điện hóa ME3-SO2 và SPEC 3SP_NO2 cho kết quả đo nồng độ SO2 và NO2 với sai số dưới 10% so với thiết bị chuẩn, trong khi cảm biến MQ7 đo CO có độ nhạy cao nhưng bị ảnh hưởng bởi nhiễu chéo và điều kiện môi trường như độ ẩm.

3. Phần mềm tính toán AQI theo tiêu chuẩn Việt Nam cho kết quả phản ánh đúng mức độ ô nhiễm
   Giá trị AQI tính toán từ dữ liệu cảm biến cho thấy các mức ô nhiễm từ tốt đến kém, tương ứng với các khoảng nồng độ ô nhiễm đo được. Ví dụ, khi PM10 vượt 100 µg/m³, AQI được tính trên 100, cảnh báo mức kém.

4. Thiết bị có tính di động cao, dễ dàng triển khai tại nhiều vị trí khác nhau
   Với kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp, thiết bị có thể được lắp đặt nhanh chóng tại các khu vực cần giám sát bổ sung, giúp tăng mật độ quan trắc và cải thiện độ chính xác của mô hình dự báo ô nhiễm.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc ứng dụng các cảm biến chi phí thấp trong thiết kế thiết bị đo ô nhiễm không khí là khả thi và hiệu quả. Độ chính xác của cảm biến điện hóa vượt trội so với cảm biến bán dẫn, phù hợp cho các khí SO2 và NO2 cần giám sát nghiêm ngặt. Cảm biến MQ7 tuy có ưu điểm về chi phí và độ nhạy nhưng cần hiệu chỉnh kỹ lưỡng để giảm ảnh hưởng nhiễu chéo.

Phần mềm tính toán AQI theo phương pháp đơn giản của Việt Nam giúp thiết bị dễ dàng áp dụng thực tế, cung cấp thông tin cảnh báo kịp thời cho người dân và cơ quan quản lý. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, thiết bị này có thể bổ sung hiệu quả cho mạng lưới quan trắc hiện có, đặc biệt trong bối cảnh thiếu hụt trạm quan trắc chuyên dụng.

Dữ liệu thu thập có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian thực về nồng độ các chất ô nhiễm và AQI, giúp trực quan hóa mức độ ô nhiễm theo từng thời điểm và vị trí. Bảng so sánh kết quả đo giữa các loại cảm biến cũng minh họa rõ ưu nhược điểm từng loại.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai mạng lưới thiết bị đo ô nhiễm không khí di động tại các đô thị lớn
   Đề xuất lắp đặt các thiết bị nhỏ gọn tại các điểm nóng ô nhiễm để bổ sung dữ liệu cho hệ thống quan trắc chính thức, nâng cao độ phủ và độ chính xác của mô hình dự báo. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, chủ thể là các cơ quan môi trường và tổ chức nghiên cứu.

2. Nâng cao hiệu quả hiệu chuẩn và bảo trì cảm biến định kỳ
   Xây dựng quy trình hiệu chuẩn chuẩn hóa cho các cảm biến điện hóa và bán dẫn nhằm đảm bảo độ chính xác và ổn định dữ liệu đo đạc. Thời gian thực hiện liên tục, chủ thể là đơn vị vận hành thiết bị.

3. Phát triển phần mềm phân tích và cảnh báo tự động dựa trên dữ liệu thu thập
   Tích hợp hệ thống phần mềm xử lý dữ liệu lớn, phân tích xu hướng ô nhiễm và gửi cảnh báo sớm cho cộng đồng và chính quyền địa phương. Thời gian phát triển 1 năm, chủ thể là các công ty công nghệ và viện nghiên cứu.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng các loại cảm biến mới và công nghệ IoT
   Tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm các cảm biến có độ nhạy cao hơn, tuổi thọ dài hơn và tích hợp công nghệ truyền dữ liệu không dây để nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả của hệ thống. Chủ thể là các trường đại học và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường, cơ điện tử
   Giúp hiểu rõ về thiết kế hệ thống đo ô nhiễm không khí, lựa chọn cảm biến và phương pháp tính toán AQI, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

2. Cơ quan quản lý môi trường và chính quyền địa phương
   Cung cấp giải pháp giám sát ô nhiễm không khí chi phí thấp, dễ triển khai, hỗ trợ công tác quản lý và ra quyết định chính sách bảo vệ môi trường.

3. Doanh nghiệp phát triển thiết bị đo môi trường và công nghệ IoT
   Tham khảo công nghệ tích hợp cảm biến, thiết kế phần cứng và phần mềm, từ đó phát triển sản phẩm thương mại phù hợp với thị trường Việt Nam.

4. Cộng đồng và tổ chức xã hội quan tâm đến sức khỏe và môi trường
   Nắm bắt thông tin về các chỉ số ô nhiễm không khí, hiểu rõ tác động và cách thức giám sát, từ đó nâng cao nhận thức và chủ động phòng tránh các tác động tiêu cực.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị đo ô nhiễm không khí này có thể đo được những chất nào?
   Thiết bị đo được các chất ô nhiễm chính gồm PM10, SO2, NOx, CO và CO2, sử dụng các cảm biến điện hóa, bán dẫn và tán xạ laser phù hợp với từng loại khí.

2. Độ chính xác của các cảm biến chi phí thấp có đảm bảo không?
   Cảm biến điện hóa có độ chính xác cao với sai số dưới 10%, trong khi cảm biến bán dẫn cần hiệu chỉnh kỹ để giảm nhiễu. Thiết bị được hiệu chuẩn định kỳ để đảm bảo độ tin cậy.

3. Thiết bị có thể sử dụng ở những môi trường nào?
   Thiết bị phù hợp với môi trường đô thị và công nghiệp, có thể hoạt động trong dải nhiệt độ từ 0 đến 50°C và độ ẩm tương đối cao, thích hợp cho giám sát ngoài trời và trong nhà.

4. Làm thế nào để tính toán chỉ số AQI từ dữ liệu đo được?
   AQI được tính theo phương pháp đơn giản dựa trên tỷ lệ giữa nồng độ quan trắc và tiêu chuẩn quy định, lấy giá trị lớn nhất trong các chỉ số thành phần để phản ánh mức độ ô nhiễm tổng thể.

5. Thiết bị có thể kết nối và truyền dữ liệu ra sao?
   Thiết bị sử dụng giao tiếp UART, I2C, PWM để thu thập dữ liệu từ cảm biến, có thể kết nối với máy tính hoặc hệ thống IoT để truyền và lưu trữ dữ liệu phục vụ phân tích và cảnh báo.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đo ô nhiễm không khí nhỏ gọn, chi phí thấp, đo được các chỉ số PM10, SOx, NOx, CO và CO2.
• Ứng dụng các cảm biến điện hóa, bán dẫn và tán xạ laser phù hợp, đảm bảo độ chính xác và ổn định trong điều kiện thực tế.
• Phần mềm tính toán AQI theo tiêu chuẩn Việt Nam giúp cung cấp thông tin cảnh báo kịp thời và chính xác.
• Thiết bị có tính di động cao, dễ dàng triển khai mở rộng mạng lưới quan trắc tại các khu vực cần thiết.
• Đề xuất triển khai mạng lưới thiết bị, nâng cao hiệu chuẩn, phát triển phần mềm cảnh báo và nghiên cứu công nghệ mới trong giai đoạn tiếp theo.

Khuyến khích các cơ quan quản lý, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ tiếp tục ứng dụng và phát triển giải pháp này nhằm nâng cao hiệu quả giám sát và quản lý ô nhiễm không khí tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về AQI - Chương 2: Một số loại cảm biến đo chất lượng không khí - Chương 3: Xây dựng thiết bị đo nồng độ ô nhiễm không khí - Chương 4: Kết luận 3 z Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ AQI 1.1 Khái niệm Chỉ số chất lượng không khí (viết tắt là AQI) là chỉ số được tính toán từ các thông số quan trắc các chất ô nhiễm trong không khí, nhằm cho biết tình trạng chất lượng không khí và mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe con người. AQI tập trung vào các vấn đề sức khoẻ mà chúng ta có thể gặp phải trong vài giờ hoặc vài ngày sau khi hít phải khí ô nhiễm. Thông thường AQI được tính toán với các yếu tố: NO2, SO2, O3, CO, PM10, PM2.2 Tính toán AQI AQI được tính toán theo từng thành phần chất ô nhiễm trong không khí. Mỗi thông số sẽ xác định được một giá trị AQI cụ thể, giá trị AQI cuối cùng là giá trị lớn nhất trong các giá trị AQI của mỗi thông số (ở đây không dùng phương pháp tính giá trị trung bình vì chỉ cần có một thông số vượt quá ngưỡng cho phép là có thể kết luận môi trường đã bị ô nhiễm và có ảnh hưởng đến sức khỏe của cộng đồng).

Hiện nay trên thế giới rất nhiều quốc gia đã xây dựng phương pháp tính toán và công bố AQI. Phương pháp tính toán AQI khá đa dạng, tuy nhiên các phương pháp đều được tính toán dựa trên nồng độ các khí gây ô nhiễm như: O3, CO, NO2, nồng độ bụi: TSP, PM10, PM2.5 được lấy trung bình trong khoảng 1giờ và 8 giờ hoặc 1giờ – 24giờ. Có thể chia các phương pháp tính toán AQI thành 3 nhóm cơ bản sau:  Sử dụng các bảng thông số đối chiếu (Anh, Pháp, Canada)  Sử dụng các công thức tính toán đơn giản (Australia, Thành phố Hồ Chí Minh)  Sử dụng các công thức tính toán phức tạp (Mỹ, Braxin, Hồng Kông, Hàn Quốc, Thái Lan, Bồ Đào Nha) 1.1 Tính toán AQI sử dụng bảng đối chiếu Chỉ số chất lượng không khí đang được áp dụng tại Anh hiện nay có thang từ 1 đến 10. Để xác định giá trị của chỉ số này ta không cần một công thức toán học liên hệ giữa giá trị thông số ô nhiễm và giá trị AQI, ta chỉ cần có 1 bảng so sánh, khi giá trị thông số nằm trong một khoảng nào đó thì ta có chỉ số AQI tương ứng.

Các mức AQI đang được áp dụng hiện nay Thấp 1 - 3 Trung bình 4 - 6 Cao 7 - 9 Rất cao 10 Ý nghĩa AQI Ảnh hƣởng đến sức khỏe 4 z Thấp 1, 2, 3 Không có tác động đối với cả những đối tượng nhạy cảm Ảnh hưởng nhẹ, có thể nhận thấy ở nhóm nhạy cảm, không Trung bình 4, 5, 6 cần các biện pháp can thiệp Ảnh hưởng đáng kể đến sức khỏe, có thể nhận thấy rõ ở Cao 7, 8, 9 nhóm nhạy cảm. Cần có các biện pháp phòng chống như hạn chế đi ra ngoài. Ảnh hưởng mạnh đến nhóm nhạy cảm, chất lượng không Rất cao 10 khí có dấu hiệu ô nhiễm nặng. Bảng 1-1: Tương ứng giữa giá trị thông số và giá trị AQI AQI O3 NO2 SO2 CO PM10 Các mức AQI Trung bình 8 8 giờ 15 phút 8 giờ 24 giờ giờ hoặc 1 giờ ppb ppb ppb ppm 1 0-33 0-16 0-95 0-49 0-88 0-32 0-3.2 >20 >130 >128 Bảng 1-2: Tiêu chuẩn chất lượng không khí tại Anh Tiêu chuẩn Áp dụng Thông số Nồng độ Loại trung bình từ Benzene 5 z Toàn bộ lãnh thổ 16.25 µgm-3 năm 31-12-03 England và Wales 5.00 µgm-3 năm 31-12-10 Scotland và N.25 µgm-3 năm 31-12-03 CO England, Wales 10.0 µgm-3 8 giờ 31-12-03 và N.25 µgm-3 năm 31-12-08 NO2 200 µgm-3 không quá 18 lần/năm 1 giờ 31-12-05 40 µgm-3 năm 31-12-05 PM10 50µgm-3, không quá 35 lần/năm 24 giờ 31-12-04 Toàn lãnh thổ 40 µgm-3 năm 31-12-04 50µgm-3, không quá 7 lần/năm 24 giờ 31-12-10 Scotland 18 µgm-3 năm 31-12-10 PM2.5 (Mục tiêu năm 2020 là 25 µgm-3) Cắt giảm 15% so với mức trần tại 2010 - Toàn lãnh thổ năm đô thị 2020 Scotland 12 µgm-3 năm 2010 350µgm-3, không quá 24 lần/năm 1 giờ 31-12-04 SO2 125µgm-3, không quá 3lần/năm 24 giờ 31-12-04 266µgm-3 không quá 35 lần/năm 15 phút 31-12-05 PAH 0.25 ngm-3 năm 31-12-10 O3 100µgm-3 không quá 10 lần/năm 8 giờ hoặc 1 giờ 31-12-05 1.2 Tính toán AQI sử dụng các công thức đơn giản  Tính toán từng AQI thành phần theo ngày và theo giờ áp dụng công thức (1.1) 6 z  So sánh AQI max của tất cả các thông số trong trạm, giá trị AQI nào lớn nhất sẽ là chỉ số chất lượng không khí của trạm quan trắc tương ứng trong ngày.

 AQI theo từng loại sẽ có giá trị bằng trung bình cộng các giá trị AQI của các trạm thuộc cùng 1 loại. Bảng 1-3: Các thông số và giá trị tiêu chuẩn dùng để tính AQI Thông số Tiêu chuẩn Loại trung bình O3 100ppb 1 giờ NO2 120ppb 1 giờ SO2 200ppb 1 giờ CO 9ppm 8 giờ PM10 50 µg/m3 24 giờ PM2.5 25 µg/m3 24 giờ Tầm nhìn (Bsp) 2.35 10-4 m-1 1 giờ (Bsp = hệ số tán xạ ánh sáng do các hạt. Giá trị Bsp càng thấp, mật độ của các hạt lơ lửng càng thấp và tầm nhìn càng tốt. Tiêu chuẩn tầm nhìn OEH của NSW là 2.1 10 -4 m -1 tương ứng với tầm nhìn khoảng 9 km.) Bảng 1-4: Tiêu chuẩn chất lượng không khí của Astralia Thông số Loại trung bình Nồng độ tối đa cho phép CO 8 giờ 9.20 ppm SO2 24 giờ 0.50 µg/m3 PM10 24 giờ 50 µg/m3 7 z Bảng 1-5: Các mức AQI đang được áp dụng tại Astralia Ý nghĩa về chất lƣợng không khí AQI Rất tốt 0–33 Tốt 34–66 Trung bình 67–99 Kém 100–149 Rất kém Lớn hơn 150 1.3 Tính toán AQI sử dụng các công thức phức tạp AQI được tính toán từ các thông số CO, O3, NO2, SO2, PM10, PM2.5 với thang đo từ 0 – 500.

Cụ thể các mức AQI và ý nghĩa của các mức được cho trong bảng sau: Bảng 1-6: Các mức AQI tại Hoa Kỳ Khoảng giá trị AQI Cảnh báo cho cộng đồng về chất lƣợng môi trƣờng 0 - 50 Tốt 51 - 100 Trung bình 101 - 150 Ảnh hưởng xấu đến nhóm nhạy cảm 151 - 200 Ảnh hưởng xấu đến sức khỏe 201 - 300 Ảnh hưởng rất xấu đến sức khỏe 301 - 500 Nguy hiểm Chỉ số chất lượng không khí từng thông số được tính toán theo công thức như sau: ( ) (1.2) Ip: Chỉ số chất lượng không khí của thông số p Cp: Nồng độ của chất ô nhiễm p BPHi: Chỉ số trên của Cp BPLo: Chỉ số dưới của Cp 8 z IHi: Chỉ số AQI ứng với nồng độ BPHi IL0: Chỉ số AQI ứng với nồng độ BPL0 Bảng 1-7: Các chỉ số trên và chỉ số dưới dùng để tính AQI Các mức trên và dƣới AQI Ý nghĩa O3 O3 PM10 PM2.5 CO SO2 NO2 (ppm) (ppm) (μg/m3) (μg/m3) (ppm) (ppm) 24 (ppm) 8 giờ 1 giờ 24 giờ 24 giờ 8 giờ giờ 24 giờ 0.224 150 nhạỵ cảm Tác động 0.225 - 151 - 255 - 354 xấu đên sức 0.4 xấu đến sức (0.04 500 hiểm Để xây dựng được bảng các giá trị chỉ số trên và dưới như trên phải căn cứ vào tiêu chuẩn quốc gia về giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong môi trường không khí. Bảng dưới trình bày tiêu chuẩn về không khí xung quanh của Hoa Kỳ. Bảng 1-8: Tiêu chuẩn không khí của Hoa Kỳ Chất ô nhiễm Loại tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Trung bình 8 giờ 9 ppm (10 mg/m3) CO Trung bình 1 giờ 35 ppm (40 mg/m3) Pb Trung bình qúy 1.5 µg/m3 NO2 Trung bình năm 0.053 ppm (100 µg/m3) O3 Trung bình một giờ cao nhất 0.12 ppm (235 µg/m3) 9 z 4 lần trung bình 8 giờ cao nhất 0.08 ppm (157 µg/m3) trong ngày Trung bình năm 50 µg/m3 PM10 Trung bình 24 giờ 150 µg/m3 Trung bình năm 15 µg/m3 PM-2,5 Trung bình 24 giờ 65 µg/m3 Trung bình năm 0.03 ppm (80 µg/m3) SO2 Trung bình 24 giờ 0.4 Phương pháp tính toán AQI tại Việt Nam Tại Việt Nam phương pháp tính toán AQI do Tổng cục môi trường ban hành được phát triển dựa theo phương pháp thứ 2: sử dụng các công thức đơn giản. Đồng thời việc tính toán AQI phải đảm bảo các yêu cầu sau:  AQI được tính toán riêng cho số liệu của từng trạm quan trắc không khí tự động cố định liên tục đối với môi trường không khí xung quanh;  AQI được tính toán cho từng thông số quan trắc.

Mỗi thông số sẽ xác định được một giá trị AQI cụ thể. Giá trị AQI cuối cùng là giá trị lớn nhất trong các giá trị AQI của mỗi thông số;  Thang đo giá trị AQI được chia thành các khoảng nhất định. Khi giá trị AQI nằm trong một khoảng nào đó, thì thông điệp cảnh báo cho cộng đồng ứng với khoảng giá trị đó sẽ được đưa ra. Các thông số thường được sử dụng là các thông số trong QCVN 05:2009/BTNMT bao gồm: SO2, CO, NOx, O3, PM10, TSP.

Số liệu quan trắc được đưa vào tính toán đã qua xử lý, đảm bảo đã loại bỏ các giá trị sai lệch, đạt yêu cầu đối với quy trình quy phạm về đảm bảo kiểm soát chất lượng số liệu. Quy trình tính toán AQI bao gồm:  Tính toán giá trị AQI theo giờ theo công thức (1.3) TSx: Giá trị quan trắc trung bình mỗi giờ của chất X QCx: Giá trị quy chuẩn trung bình giờ của chất X Lưu ý: Đối với thông số PM10: do không có quy chuẩn trung bình 1 giờ, vì vậy lấy quy chuẩn của TSP trung bình 1 giờ thay thế cho PM10 10 z Giá trị AQI theo giờ là giá trị lớn nhất của các thông số trong cùng một thời gian (1.4)  Tính toán giá trị AQI theo ngày: Tính toán giá trị AQI theo ngày của mỗi thông số theo công thức sau: (1.5) TSx: Giá trị quan trắc trung bình 24 giờ của chất X QCx: Giá trị quy chuẩn trung bình 24 giờ của chất X Giá trị AQI được làm tròn thành số nguyên Giá trị AQI theo ngày của từng thông số được xác định là giá trị lớn nhất trong số các giá trị AQI theo giờ của thông số đó trong 01 ngày và giá trị AQI trung bình 24 giờ của thông số đó.6) Trong đó AQIdx là giá trị AQI ngày của thông số X Giá trị AQI theo ngày là giá trị AQI lớn nhất của các thông số được lấy theo ngày của trạm quan trắc đó.