CHƯƠNG 1. Thực trạng ô nhiễm không khí Ô nhiễm không khí là tình trạng nồng độ một số chất trong không khí vượt ngưỡng giới hạn, gây ra những biến đổi về vật lý, hóa học, sinh học làm ảnh hưởng xấu trực tiếp và gián tiếp đến sức khỏe con người, sinh vật cũng như các hệ sinh thái. Ô nhiễm không khí đang là vấn đề cấp bách của toàn thế giới, tổ chức y tế thế giới (WHO) ước tính từ năm 2016 có 92% dân số thế giới đang sống trong môi trường bị ô nhiễm không khí [1]. Các chất gây ô nhiễm không khí được chia làm hai loại: Chất gây ô nhiễm thứ cấp và chất gây ô nhiễm sơ cấp.
Chất gây ô nhiễm sơ cấp: chất gây ô nhiễm tạo ra từ nguồn và thải trực tiếp vào môi trường như SO2 được thải ra từ các nhà máy. Chất gây ô nhiễm thứ cấp: chất gây ô nhiễm môi trường được tạo ra bới các phản ứng của các chất gây ô nhiễm sơ cấp và các thành phần của không khí như SO3 sinh ra từ phản ứng của SO2 và O2. Ô nhiễm không khí có nhiều nguyên nhân, từ các hiện tượng tự nhiên như núi lửa phun trào, cháy rừng hay nhân tạo như từ các khu công nghiệp, các phương tiện giao thông, chất thải xây dựng. Tại những nước đang phát triển như Việt Nam việc đốt sinh học như rơm rạ, bếp lò tạo ra lượng lớn khói bụi gây ra ô nhiễm.
Ô nhiễm không khí gây ảnh hưởng nghiêm trọng lên sức khỏe của con người. Năm 2012, trên thế giới có 3 triệu ca tử vong là do ô nhiễm không khí (Hình 1). Khoảng 87% số ca tử vong này xảy ra ở các nước kém và đang phát triển, nơi giữ 82% dân số thế giới. Các khu vực Tây Thái Bình Dương và Đông Nam Á của chịu ảnh hưởng lớn với 1,1 triệu và 799,000 ca tử vong.
Ở các khu vực khác, khoảng 211,000 trường hợp tử vong xảy ra ở châu Phi cận Sahara, 194,000 ở khu vực Trung Đông, 190,000 ở châu Âu và 93,000 ở châu Mỹ. Các trường hợp tử vong còn lại xảy ra ở các quốc gia có thu nhập cao ở Châu Âu (289,000), Châu Mỹ (44,000), Tây Thái Bình Dương (44,000) và Đông Địa Trung Hải (10,000) [2]. Hình 1: Số người tử vong sớm do ô nhiễm không khí [2] 4. Tình trạng ô nhiễm không khí ở mức nguy hiểm tại nhiều nơi trên thế giới.
Theo mức khuyến cáo phơi nhiễm của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) là 10 μg/m3 với ô nhiễm bụi mịn hay là bụi PM2. Trên toàn thế giới, 98% vượt quá mức khuyến cáo này. Các thành phố được theo dõi ở Trung Đông đều vượt quá mức khuyến cáo này, trong khi 99% các thành phố ở Châu Phi, 98% các thành phố ở LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đông Nam Á cũng vượt mức (hình 2). Do vẫn còn nhiều khu vực thiếu thông tin cập nhật về chất lượng không khí và một số lý do khác, nên tổng số thành phố vượt quá ngưỡng bụi PM2.5 của WHO dự kiến sẽ cao hơn nhiều [2].
Hình 2: Chất lượng không khí theo khu vực hàng năm so sánh với AQG [2]. Ở Việt Nam vấn đề ô nhiễm môi trường cũng đang ở báo động. Theo thống kê chỉ số môi trường EPI (Environmental Performance Index) được công bố bởi đọc học Yale và Columbia, tình trạng ô nhiễm không khí ở Việt Nam đứng thứ 159 trong số 180 nước được thống kê [3]. Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới tháng 5/2018, Hà Nội có tới hơn 60,000 ca tử vong do bệnh tim, đột quỵ, ung thư phổi, bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính và viêm phổi có liên quan đến ô nhiễm không khí thống kê năm 2016 [4].
Hình 3: Chất lượng không khí của Việt Nam [2] 1.2 Phương pháp quan trắc chất lượng không khí Ô nhiễm không khí được đo đạc bởi một mạng lưới các trạm giám sát chất lượng không khí trên toàn cầu. Các trạm quan trắc này thu thập dữ liệu về các chất gây ô nhiễm không khí bao gồm: ozon tầng mặt đất, PM10, PM2. SO2 là chất có hại cho quá trình hô hấp. Do tính acid, SO2 có hại cho đời sống của thủy sinh vật cũng như các vật liệu khác.
SO2 vượt quá mức thì hạn chế quang hợp, gây mưa acid, là chất không màu, hơi cay, hơi nặng, bay là là mặt đất. NO2 có tính acid như SO2, 70% NO2 trong không khí là sản phẩm của các phương tiện vận tải, hoặc do đốt nhiên liệu nhiệt độ cao, do sấm sét oxy hóa nitơ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com không khí. Tính khó tan của chất thải này, cùng với sự gia tăng các phương tiện vận tải giao thông đã làm tăng ô nhiễm môi trường ở các thành phố. CO là chất khí không màu, không mùi và không gây kích ứng nên rất nguy hiểm vì người ta không cảm nhận được sự hiện diện của CO trong không khí, việc hít thở phải một lượng quá lớn CO sẽ dẫn tới thương tổn do giảm oxy trong máu hay tổn thương hệ thần kinh cũng như có thể gây tử vong.
CO có tính liên kết với hemoglobin (Hb) trong hồng cầu mạnh gấp 230-270 lần so với oxy nên khi được hít vào phổi CO sẽ gắn chặt với Hb thành HbCO do đó máu không thể chuyên chở oxy đến tế bào. CO còn gây tổn thương tim do gắn kết với myoglobin của cơ tim. Ozone (O3) là một chất độc với sinh vật sống và là khí gây hiệu ứng nhà kính. Ô nhiễm ozone có thể gây ra bệnh hen suyễn, khí phế thủng, viêm phế quản mạn, bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính nặng lên và làm giảm khả năng của cơ thể chống lại vi sinh vật xâm nhập vào hệ hô hấp.
Các phân tử vật chất (PM) là một hỗn hợp giữa các hạt thể rắn và thể lỏng có trong không khí. Các hạt cực nhỏ này có nhiều kích thước khác nhau. Hầu hết các hạt này đều rất nhỏ và không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Các hạt nguy hiểm nhất là các hạt có kích thước PM2.5 (đường kính từ 2.5 micromet trở xuống).
Ở kích thước cực nhỏ này, khi bạn hít vào, chúng sẽ thẩm thấu thẳng vào mạch máu và đi đến các cơ quan nội tạng quan trọng. Tiếp xúc trực tiếp với PM2.5 có thể dẫn đến các bệnh về hô hấp, tim mạch và thần kinh nghiêm trọng.5 là dạng ô nhiễm không khí nguy hiểm nhất vì nó gây ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ, có tần suất xuất hiện và nồng độ cao trong ô nhiễm không khí. Để đo đạc nồng độ PM2.5 hiện nay có ba phương pháp chủ yếu. - Sử dụng các trạm quan trắc đặt tại mặt đất.
- Đo từ ảnh vệ tinh, ước tính thông qua AOD - Sử dụng các mô hình ô nhiễm không khí 1.1 Sử dụng các thiết bị quan trắc tại mặt đất Ô nhiễm không khí được đo đạc bới các thiết bị quan trắc. Có ba loại thiết bị quan trắc chủ yếu: các trạm quan trắc tự động của quốc gia, thiết bị quan trắc bằng tay và sử dụng mạng cảm biến không dây giá rẻ. Các trạm quan trắc tự động của quốc gia sử dụng các thiết bị chuyên dụng, như cảm biến Grimm EDM180, sử dụng phương pháp tán xạ ánh sáng (Laser Light Scattering), thiết bị đo đồng thời và liên tục PM10, PM2. Dữ liệu trạm được quan LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trắc liên tục và gửi về máy chủ trung tâm dữ liệu thông qua internet.
Ưu điểm của phương pháp này là dữ liệu có độ chính xác cao, đo được nhiều chỉ số về ô nhiễm không khí, dữ liệu liên tục và được lưu trữ, tổng hợp. Nhưng nhược điểm là chi phí để xây dựng các trạm lớn cũng như chỉ đo được thông tin xung quanh nơi đặt trạm quan trắc. Hình 4: Trạm quan trắc không khí tự động Các thiết bị quan trắc bằng tay, như MIJIA PM2.5 Detector, được thiết kế nhỏ gọn để cầm tay, có thể đo nồng độ PM2.5 một cách tức thời [6]. Ưu điểm của loại thiết bị này là nhỏ gọn, có thể đo nồng độ ô nhiễm xung quanh tức thời với chi phí vừa phải nhưng nhược điểm là độ chính xác chưa cao, dữ liệu tại thời điểm chứ không được lưu trữ tổng hợp.
Các mạng cảm biến không dây giá rẻ sử dụng các thiết bị cảm ứng bụi như Shinyei PPD42NS, Samyoung DSM501A hay Sharp GP2Y1010AU0F. Trong phương pháp này các cảm biến đo nồng độ PM2.5 giá rẻ sẽ được sử dụng, các cảm biến không dây sẽ được đưa vào các dòng mạch như Arduino Uno, sau đó sẽ được tính toán để tính ra nồng độ PM2. Với phương thức này ưu điểm là chi phí thấp, có thể triển khai trên mạng lưới rộng, dữ liệu có thể tổng hợp lưu trữ nhưng nhược điểm phức tạp trong việc xây dựng mạng cảm biến, thiết kế thiết bị cũng như độ chính xác phụ thuộc vào cảm biến sử dụng. Tại Việt Nam đã triển khai các trạm quan trắc tự động trên một số khu vực như Hà nội, Đà nẵng, Khánh hòa, Phú thọ, Huế và Hạ long.2 Ước tính thông qua AOD đo từ ảnh vệ tinh Độ dày quang học sol khí - Aerosol Optical Thickness (AOD) hoặc Aerosol Optical Depth (AOD) là đại lượng đặc trưng cho sự suy giảm của tia bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển do hấp thụ và tán xạ của các phần tử sol khí tại điểm quan trắc so với giới hạn trên đỉnh khí quyển [8].
Mối quan hệ giữa ô nhiễm không khí và AOD là mật thiết. Thông qua ảnh AOD vệ tinh ta có thể ước tính nồng độ ô nhiễm không khí cho một khu vực diện tích lớn. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã tìm thấy mối liên hệ giữa AOD và bụi mịn, giá trị AOD càng cao thì nồng độ bụi mịn càng cao. Năm 2005 nghiên cứu của YANG LIU và cộng sự đã chỉ ra mối tương quan giữa AOD và PM2.5, nghiên cứu sử dụng mô hình hồi quy để tìm mối tương quan giữa AOD và PM2.5 trên miên đông nước Mỹ, nghiên cứu đã đạt được kết quả chỉ số tương quan R2 lên tới 0,48 [9].
Tại Việt Nam, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nguyễn Thị Nhật Thanh và cộng sự năm 2014 [10] đã thực hiện ước tính nồng độ PM1, PM2.5 và PM10 từ các sản phẩm khí quyển thu được từ các ảnh vệ tinh, nghiên cứu áp dụng mô hình hồi quy tuyến tính (MLR) và hồi quy hỗ trợ (SVR), kết quả thu được có chỉ số tương quan R2 lên tới 0,46.