Luận án TS. Phạm Thị Hồng Phương: Đánh giá tác động đốt rơm rạ đến không khí

Nghiên cứu khoa học về tác động của đốt rơm rạ đến chất lượng không khí. Phân tích mức độ phát thải và ảnh hưởng ô nhiễm tại Đồng bằng Tây Nam Bộ.

• Tác giả: Phạm Thị Hồng Phương
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nghiêm Trung Dũng
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Đánh Giá Mức Độ Phát Thải Của Hoạt Động Đốt Rơm Rạ Và Khả Năng Tác Động Của Chúng Đến Chất Lượng Không Khí – Nghiên Cứu Thí Điểm Tại Đồng Bằng Tây Nam Bộ
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.1. Phương pháp luận
• 1.2. Khảo sát xác định vị trí và thời gian quan trắc
• 1.2.1. Vị trí quan trắc
• 1.2.2. Thời gian quan trắc
• 1.3. Bố trí thí nghiệm
• 1.4. Lấy mẫu và đo trực tiếp
• 1.5. Phân tích mẫu
• 1.5.1. Mẫu bụi và PAHs trên bụi
• 1.5.2. Các chất ô nhiễm dạng khí
• 1.5.3. Các thông số khác
• 1.6. Đảm bảo chất lượng và kiểm soát chất lượng (QA/QC)
• 1.6.1. QA/QC trong lấy mẫu
• 1.6.2. QA/QC trong phân tích mẫu
• 1.7. Xử lý số liệu, xác định hệ số phát thải
• 1.7.1. Xác định tỷ lệ phát thải
• 1.7.2. Xác định hiệu suất cháy
• 1.7.3. Xác định hệ số phát thải
• 1.8. Kiểm kê phát thải
• 1.8.1. Xác định lượng rơm rạ được đốt
• 1.8.2. Xác định mức độ phát thải
• 1.9. Đánh giá tác động
• 1.9.1. Đánh giá tác động trực tiếp
• 1.9.2. Đánh giá tiềm năng hình thành ozon
• 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Hệ số phát thải các chất ô nhiễm không khí
• 2.1.1. Đặc tính của quá trình cháy và thông số tính toán
• 2.1.2. Đặc tính của quá trình cháy và đóng góp ròng của các chất ô nhiễm
• 2.1.3. Tỷ lệ phát thải và hiệu suất cháy
• 2.1.4. Hệ số phát thải của PM
• 2.1.5. Hệ số phát thải của PAHs trên bụi
• 2.1.6. Hệ số phát thải của VOCs
• 2.1.7. Hệ số phát thải của CO2 và các chất ô nhiễm dạng khí
• 2.2. Mức độ phát thải từ quá trình đốt rơm rạ tại miền Tây Nam Bộ
• 2.2.1. Mức độ phát thải theo mùa vụ
• 2.2.2. Mức độ phát thải hàng năm
• 2.2.3. Lượng rơm rạ phát sinh tại các tỉnh miền Tây Nam Bộ
• 2.2.4. Ước tính phát thải tại các tỉnh miền Tây Nam Bộ
• 2.3. Tác động của hoạt động đốt rơm rạ đến chất lượng không khí tại miền Tây Nam Bộ
• 2.3.1. Tác động của bụi
• 2.3.2. Tác động của PAHs trên bụi
• 2.3.2.1. Nồng độ PAHs trên bụi
• 2.3.2.2. Hàm lượng PAHs trên bụi
• 2.3.2.3. Nhận dạng nguồn thải
• 2.3.3. Tác động của VOCs
• 2.3.3.1. Mức gia tăng nồng độ của VOCs
• 2.3.3.2. Tiềm năng hình thành ozon (OFP)
• 2.3.4. Tác động của CO2 và các chất ô nhiễm dạng khí
• 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tác động của Đốt Rơm Rạ Tổng quan vấn đề Ô nhiễm Không khí

Hoạt động đốt rơm rạ sau thu hoạch tại đồng ruộng, hay còn gọi là đốt hở, đã trở thành một thách thức môi trường nghiêm trọng tại nhiều quốc gia, đặc biệt là ở châu Á. Mục đích chính của việc đốt rơm rạ thường là để làm sạch đồng ruộng nhanh chóng và chuẩn bị cho vụ gieo trồng tiếp theo, tối ưu hóa chi phí và thời gian. Tuy nhiên, hình thức này đang gây ra những hậu quả khôn lường đối với chất lượng không khí và sức khỏe cộng đồng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ô nhiễm không khí do đốt rơm rạ không chỉ giới hạn ở quy mô địa phương mà còn có thể lan rộng ra các khu vực và quốc gia lân cận, thậm chí ảnh hưởng đến quy mô toàn cầu. Lượng khí thải độc hại phát sinh từ quá trình đốt cháy không hoàn toàn là một trong những nguyên nhân chính gây suy giảm chất lượng không khí, đặc biệt vào các mùa cao điểm thu hoạch. Các loại chất ô nhiễm chính bao gồm bụi mịn PM2.5, Carbon dioxide (CO2), Carbon monoxide (CO), Oxit nitơ (NOx), Oxit lưu huỳnh (SOx) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), cùng với các Hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs). Những chất này không chỉ góp phần vào hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu mà còn trực tiếp gây ra các vấn đề về sức khỏe hô hấp cho người dân, đặc biệt là những người sống gần khu vực đốt. Sự gia tăng tần suất và quy mô của hoạt động đốt đồng ruộng đòi hỏi một cái nhìn toàn diện và các giải pháp bền vững để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Theo Phạm Thị Hồng Phương (2022), Việt Nam có tỷ lệ đốt rơm rạ cao nhất thế giới, từ 80-90% thậm chí lên tới 98% ở một số vụ, làm gia tăng mức độ nghiêm trọng của vấn đề ô nhiễm không khí.

1.1. Thực trạng đốt đồng ruộng và nguyên nhân gia tăng

Việc đốt đồng ruộng là một tập quán lâu đời của nông dân nhằm nhanh chóng dọn dẹp tàn dư cây trồng sau thu hoạch. Tuy nhiên, sự gia tăng diện tích canh tác, thâm canh lúa với các giống ngắn ngày và việc sử dụng máy gặt đập liên hợp đã khiến lượng rơm rạ bỏ lại trên đồng ruộng ngày càng nhiều. Chi phí nhân công cao và thời gian luân chuyển vụ mùa ngắn là những yếu tố chính thúc đẩy nông dân chọn cách đốt rơm rạ thay vì các phương pháp xử lý khác. Tại Việt Nam, đặc biệt là ở Đồng bằng sông Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng, tỷ lệ đốt rơm rạ vẫn còn rất cao, mặc dù đã có những quy định cấm đốt rơm rạ. Các nghiên cứu chỉ ra rằng ở miền Bắc thường đốt đống, trong khi miền Nam đốt rải, mỗi phương thức đều tạo ra lượng chất ô nhiễm đáng kể. Theo Phạm Thị Hồng Phương (2022), tỷ lệ đốt rơm rạ ở Việt Nam được ước tính lên tới 80-90%, thậm chí 98% trong vụ đông xuân, biến Việt Nam thành một trong những quốc gia có tỷ lệ đốt cao nhất thế giới.

1.2. Mối liên hệ giữa đốt rơm rạ và chất lượng không khí toàn cầu

Hoạt động đốt rơm rạ không chỉ gây ô nhiễm không khí cục bộ mà còn có tác động của đốt rơm rạ đến quy mô khu vực và toàn cầu. Các chất ô nhiễm như bụi mịn PM2.5, CO2, CH4, N2O và BC (cacbon đen) có thể di chuyển quãng đường xa, gây ảnh hưởng đến chất lượng không khí ở các quốc gia lân cận và xa hơn. Điển hình là việc khói mù và sương mù do đốt rơm rạ từ một khu vực có thể lan sang các thành phố lớn, làm giảm tầm nhìn giao thông bị ảnh hưởng và tăng nguy cơ tai nạn. Ở quy mô toàn cầu, việc phát thải các khí nhà kính như Carbon dioxide (CO2) và CH4 góp phần trực tiếp vào biến đổi khí hậu và hiệu ứng nhà kính từ nông nghiệp. Điều này làm trầm trọng thêm các thách thức về môi trường và đòi hỏi sự hợp tác quốc tế trong việc tìm kiếm giải pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch bền vững. Các quốc gia như Trung Quốc và Ấn Độ, với lượng đốt sinh khối lớn, đã được chứng minh là gây ảnh hưởng đến nồng độ O3 và PM2.5 tại các khu vực đô thị như Hồng Kông, Đài Loan và Nhật Bản (Phạm Thị Hồng Phương, 2022).

II. Vấn đề Ô nhiễm Không khí Các loại khí thải độc hại từ Đốt Rơm Rạ

Hoạt động đốt rơm rạ phát sinh một lượng lớn khí thải độc hại và các hạt vật chất gây ô nhiễm không khí, đặc biệt là trong quá trình cháy không hoàn toàn. Sự phát thải này là một vấn đề nghiêm trọng, tác động trực tiếp đến chất lượng không khí và gián tiếp đến sức khỏe con người cũng như môi trường. Thành phần nguyên tố của rơm rạ, bao gồm cacbon, hydro, oxy, nitơ, và lưu huỳnh, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các chất thải được giải phóng. Ví dụ, hàm lượng nitơ và lưu huỳnh trong sinh khối có thể dẫn đến sự hình thành NOx và SOx, gây ra các vấn đề về mưa axit. Quá trình đốt cháy rơm rạ diễn ra qua ba giai đoạn chính: bắt lửa, cháy có ngọn lửa (bùng phát), và kết thúc (cháy âm ỉ), mỗi giai đoạn đều giải phóng các loại chất ô nhiễm khác nhau. Giai đoạn cháy không hoàn toàn đặc biệt nguy hiểm vì nó tạo ra một lượng lớn các hợp chất độc hại, bao gồm bụi mịn PM2.5, cacbon đen (BC), cacbon hữu cơ (OC), cacbon monoxit (CO), và các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs), cùng với các hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs). Những chất này không chỉ làm giảm chất lượng không khí mà còn có khả năng gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng. Việc kiểm soát và giảm thiểu tác động của đốt rơm rạ đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các loại chất ô nhiễm này và cơ chế phát thải của chúng. Theo nghiên cứu của Phạm Thị Hồng Phương (2022), người ta ước tính có ít hơn 5% cacbon trong rơm rạ được thải ra dưới dạng bụi (PM) khi bị đốt cháy, trong đó, các hạt bụi mịn chiếm một tỷ lệ lớn từ quá trình đốt hở rơm rạ, là nguyên nhân chính gây tác động đối với sức khỏe con người và khí hậu.

2.1. Phân tích Bụi mịn PM2.5 và hóa chất trong rơm rạ

Bụi mịn PM2.5 là một trong những chất ô nhiễm nguy hiểm nhất từ hoạt động đốt rơm rạ, với kích thước siêu nhỏ, chúng có thể xâm nhập sâu vào hệ hô hấp và máu, gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Hàm lượng bụi sinh ra tỉ lệ thuận với hiệu suất cháy và tỉ lệ nghịch với lượng oxy được cung cấp. Ngoài ra, rơm rạ còn chứa các hóa chất trong rơm rạ như các hợp chất hữu cơ khó phân hủy và kim loại nặng, khi bị đốt cháy sẽ biến thành các dạng khí độc hoặc hạt bụi mang theo các chất này, góp phần vào ô nhiễm không khí. Các hạt bụi (PM) từ quá trình đốt hở sinh khối thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần nhiên liệu, các giai đoạn của quá trình cháy và điều kiện khí tượng (Phạm Thị Hồng Phương, 2022).

2.2. Nhận diện Carbon dioxide CO2 và các khí nhà kính khác

Carbon dioxide (CO2) là sản phẩm chính của quá trình đốt cháy hoàn toàn, nhưng từ hoạt động đốt rơm rạ, lượng CO2 phát thải cũng rất đáng kể. Mặc dù CO2 được coi là trung tính trong chu trình carbon ngắn hạn của nông nghiệp, nhưng việc đốt lượng lớn rơm rạ góp phần làm tăng nồng độ CO2 trong khí quyển, thúc đẩy hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu. Bên cạnh CO2, các khí nhà kính khác như CH4 (metan) và N2O (nitơ oxit) cũng được giải phóng, với tiềm năng gây nóng lên toàn cầu cao hơn nhiều lần so với CO2. Các chất này góp phần vào tác động của đốt rơm rạ trên quy mô toàn cầu. Theo Phạm Thị Hồng Phương (2022), hệ số phát thải trung bình cho CO2 sinh ra từ việc đốt thực vật nằm trong khoảng 1500 đến 1800 g/kg nhiên liệu khô.

2.3. Hợp chất hữu cơ bay hơi VOCs và tiềm năng hình thành ozon

Các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs) là nhóm khí thải độc hại khác từ hoạt động đốt rơm rạ. VOCs bao gồm nhiều chất như benzen, toluen, ethylbenzen, xylen, v.v., nhiều trong số đó có độc tính và khả năng gây ung thư. Điều đáng lo ngại là VOCs còn tham gia vào phản ứng quang hóa với NOx dưới tác động của ánh sáng mặt trời, tạo ra ozon (O3) ở tầng đối lưu. Ozon tầng đối lưu là một chất ô nhiễm thứ cấp nguy hiểm, gây ô nhiễm không khí và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe hô hấp của con người, đồng thời tác động tiêu cực đến thảm thực vật. Các nghiên cứu của Barboni và Chiaramonti (dẫn trong Phạm Thị Hồng Phương, 2022) cho thấy nồng độ của nhóm BTEX (gồm benzen, toluen, ethylbenzene và xylen) là 21 ± 4,2 mg/m3 trong giai đoạn bùng cháy và 34 ± 4,3 mg/m3 trong giai đoạn cháy âm ỉ.

III. Hậu quả Đốt Rơm Rạ Sức khỏe hô hấp và Biến đổi khí hậu

Những tác động của đốt rơm rạ đối với môi trường và sức khỏe con người là vô cùng nghiêm trọng và đa chiều. Khi đốt rơm rạ, một lượng lớn khói bụi và khí thải độc hại phát tán vào không khí, gây ra hàng loạt vấn đề. Quy mô ô nhiễm không chỉ giới hạn ở địa phương mà còn lan rộng, ảnh hưởng đến các khu vực dân cư lân cận, gây ra các hiện tượng như khói mù và sương mù do đốt rơm rạ làm giảm tầm nhìn và tăng nguy cơ tai nạn giao thông. Về mặt sức khỏe, các hạt bụi mịn PM2.5 và các chất hóa học độc hại có trong khói rơm rạ có thể xâm nhập sâu vào phổi, gây ra các bệnh cấp tính và mãn tính về sức khỏe hô hấp. Hơn nữa, hoạt động này còn góp phần đáng kể vào biến đổi khí hậu thông qua việc phát thải các khí nhà kính. Nông dân thường đốt rơm rạ vào mùa khô và mùa gặt lúa, là thời điểm dễ gây ô nhiễm nghiêm trọng nhất. Theo Phạm Thị Hồng Phương (2022), việc đốt hở rơm rạ được chỉ ra có ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người do quá trình đốt tạo ra các hợp chất có độc tính cao vào khí quyển. Tại Ấn Độ, nồng độ trung bình 24 giờ của SO2 và NO2 tăng đáng kể vào những ngày có hoạt động đốt rơm rạ, tương ứng từ 5±4 μg/m3 đến 55±34 μg/m3 và 9±5μg/m3 đến 91±39 μg/m3, cho thấy rõ mức độ nghiêm trọng của vấn đề ô nhiễm không khí.

3.1. Sức khỏe hô hấp và nguy cơ bệnh phổi do khói rơm rạ

Tiếp xúc với khói từ hoạt động đốt rơm rạ là nguyên nhân trực tiếp gây tổn hại đến sức khỏe hô hấp. Các chất ô nhiễm như bụi mịn PM2.5, CO, NOx và các Hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs) có khả năng gây kích ứng đường hô hấp, dẫn đến các triệu chứng như ho, khó thở, viêm phế quản. Đối với những người đã có tiền sử mắc các bệnh phổi như hen suyễn hay bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính (COPD), tình trạng sức khỏe sẽ trở nên tồi tệ hơn. Nghiên cứu của Phạm Thị Hồng Phương (2022) chỉ ra rằng PAH được nghi ngờ là chất gây ung thư, một số PAH có liên quan đến các ảnh hưởng sức khỏe cấp tính và mãn tính và có khả năng gây ung thư cao. Đặc biệt, Benzo[a]pyrene (B[a]P), một loại PAH có khả năng gây ung thư và ô nhiễm từ đốt rơm rạ, được quan tâm hàng đầu do độc tính cao của nó. Nồng độ PM2.5 tại New Delhi, Ấn Độ vào tháng 10 năm 2017 là 98 μg/m3, cao hơn 10 lần giá trị cho phép của WHO, cho thấy mối liên hệ rõ rệt giữa đốt rơm rạ và các vấn đề về hô hấp.

3.2. Tầm nhìn giao thông bị ảnh hưởng và khói mù

Trong mùa khô và đốt rơm rạ, đặc biệt là vào mùa gặt lúa và ô nhiễm, lượng khói và bụi từ hoạt động đốt đồng ruộng có thể tạo ra khói mù và sương mù do đốt rơm rạ dày đặc. Hiện tượng này làm giảm đáng kể tầm nhìn giao thông bị ảnh hưởng, gây nguy hiểm cho người tham gia giao thông và tăng nguy cơ xảy ra tai nạn. Không chỉ ảnh hưởng đến đường bộ, khói mù còn có thể tác động đến hoạt động hàng không và các phương tiện thủy nội địa. Đây là một vấn đề an toàn công cộng cần được quan tâm, bên cạnh các tác động về sức khỏe. Việc cảnh báo chất lượng không khí và chỉ số AQI (Air Quality Index) thường xuyên là cần thiết trong những giai đoạn này.

3.3. Biến đổi khí hậu và hiệu ứng nhà kính từ nông nghiệp

Hoạt động đốt rơm rạ là một trong những nguồn phát thải đáng kể các khí nhà kính như Carbon dioxide (CO2), metan (CH4) và nitơ oxit (N2O) vào khí quyển. Những chất khí này giữ nhiệt trong bầu khí quyển, làm tăng nhiệt độ toàn cầu và góp phần vào biến đổi khí hậu. Mặc dù CO2 từ đốt rơm rạ được coi là trung tính trong chu trình cacbon ngắn hạn, nhưng tổng lượng phát thải từ hàng triệu tấn rơm rạ bị đốt hàng năm là rất lớn. Cacbon đen (BC), một thành phần của bụi mịn, cũng là một chất gây hiệu ứng nhà kính mạnh. Việc này gây áp lực lên các mục tiêu về khí hậu và đòi hỏi các giải pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch tích cực, hướng tới nông nghiệp bền vững để giảm thiểu tác động của đốt rơm rạ đến môi trường toàn cầu. Theo ước tính, có từ 6564 đến 9093 triệu tấn CO2 được thải vào khí quyển hàng năm từ quá trình đốt sinh khối lộ thiên ngoài đồng ruộng (Phạm Thị Hồng Phương, 2022).

IV. Phương pháp Xử lý Rơm Rạ Hướng đến Nông nghiệp bền vững

Việc chuyển đổi từ tập quán đốt rơm rạ sang các giải pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch bền vững là chìa khóa để giảm thiểu ô nhiễm không khí và bảo vệ môi trường. Nhiều phương pháp hiệu quả đã được nghiên cứu và áp dụng, mang lại lợi ích kinh tế và môi trường đáng kể cho người nông dân. Các giải pháp này không chỉ giúp giảm khí thải độc hại và bụi mịn PM2.5 mà còn góp phần vào việc xây dựng một nền nông nghiệp bền vững, nâng cao chất lượng đất đai và đa dạng sinh học. Thay vì xem rơm rạ là phế phẩm cần loại bỏ bằng cách đốt, chúng ta có thể coi đây là nguồn tài nguyên quý giá, có thể tái sử dụng theo nhiều cách khác nhau. Việc vùi rơm rạ vào đất, che phủ bề mặt đất ruộng, làm giá thể trồng nấm, thức ăn cho gia súc, hoặc sản xuất khí sinh học đều là những lựa chọn khả thi, mang lại giá trị gia tăng cho sản phẩm nông nghiệp và giảm thiểu tác động của đốt rơm rạ đến chất lượng không khí. Theo Phạm Thị Hồng Phương (2022), việc vùi rơm rạ vào đất đã được chứng minh là vô cùng quan trọng để cải thiện độ ổn định của đất cũng như cấu trúc phẫu diện đất, và lượng nitơ, phốt pho, kali cũng tăng 15% do kết quả của việc kết hợp rơm. Các chính sách hỗ trợ và tuyên truyền về những lợi ích này là cần thiết để khuyến khích nông dân thay đổi thói quen. Bằng cách áp dụng các phương pháp này, chúng ta không chỉ cải thiện chất lượng không khí mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp.

4.1. Phân bón hữu cơ từ rơm rạ Lợi ích cho đất đai và cây trồng

Vùi rơm rạ vào đất hoặc ủ thành phân bón hữu cơ từ rơm rạ là một trong những giải pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch thân thiện với môi trường nhất. Phương pháp này không chỉ bổ sung chất hữu cơ và dinh dưỡng cho đất đai, cải thiện cấu trúc đất mà còn tăng cường hoạt động của vi sinh vật đất. Điều này giúp đất giữ nước tốt hơn, giảm nhu cầu sử dụng phân bón hóa học và thuốc trừ sâu, từ đó thúc đẩy nông nghiệp bền vững. Ban đầu, việc vùi rơm rạ có thể đòi hỏi chi phí thiết bị và nhân công cao hơn, nhưng về lâu dài, nó mang lại lợi ích to lớn cho năng suất cây trồng và sức khỏe của đất. Tại Trung Quốc, việc vùi rơm rạ trong đất là vô cùng quan trọng để cải thiện độ ổn định của đất cũng như cấu trúc phẫu diện đất (Phạm Thị Hồng Phương, 2022).

4.2. Thu gom rơm rạ làm năng lượng Giải pháp chất đốt sinh học

Sử dụng rơm rạ làm nguồn năng lượng là một giải pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch đầy tiềm năng. Thu gom rơm rạ làm năng lượng có thể bao gồm việc ép thành viên nén (pellet) hoặc sản xuất chất đốt sinh học như khí sinh học (biogas) và cồn ethanol. Khí sinh học được tạo ra từ quá trình phân hủy kỵ khí của rơm rạ là một nguồn năng lượng tái tạo, có thể dùng để đun nấu, chạy máy phát điện, hoặc làm nhiên liệu cho các phương tiện. Điều này giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đồng thời giảm đáng kể tác động của đốt rơm rạ đến chất lượng không khí và biến đổi khí hậu. Rơm rạ là nguyên liệu hoàn hảo để sản xuất khí sinh học, bởi vì thành phần hóa học của rơm rạ có chứa nhiều xenlulo (24–35%) và hêmixenlulo (32– 37%) (Phạm Thị Hồng Phương, 2022).

4.3. Các giải pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch khác hiệu quả

Bên cạnh việc làm phân bón và năng lượng, rơm rạ còn có thể được tái sử dụng theo nhiều cách sáng tạo khác. Ví dụ, rơm rạ có thể dùng làm thức ăn thô xanh cho gia súc, giúp bổ sung dinh dưỡng và giảm chi phí chăn nuôi. Nó cũng được sử dụng làm vật liệu che phủ bề mặt đất ruộng để kiểm soát cỏ dại, duy trì độ ẩm và chống xói mòn, góp phần vào nông nghiệp bền vững. Một ứng dụng khác là làm giá thể trồng nấm, tạo thêm thu nhập cho nông dân. Ngoài ra, rơm rạ còn có tiềm năng được chế biến thành vật liệu xây dựng, giấy, hoặc các sản phẩm thủ công mỹ nghệ. Việc đa dạng hóa các giải pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch không chỉ giảm ô nhiễm không khí mà còn tạo ra giá trị kinh tế mới, thúc đẩy sự phát triển toàn diện của vùng nông thôn.

V. Kết quả Nghiên cứu tại Đồng bằng sông Cửu Long về Tác động của Đốt Rơm Rạ

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vựa lúa lớn nhất của Việt Nam, nơi hoạt động đốt rơm rạ sau thu hoạch diễn ra với quy mô lớn, gây ra những tác động của đốt rơm rạ đáng kể đến chất lượng không khí. Nghiên cứu của Phạm Thị Hồng Phương (2022), với thí điểm tại bốn tỉnh An Giang, Hậu Giang, Vĩnh Long và Cần Thơ, đã cung cấp những dữ liệu quan trọng về mức độ phát thải và khả năng ảnh hưởng của hoạt động này. Luận án đã xây dựng bộ hệ số phát thải đặc trưng cho các chất ô nhiễm không khí, bao gồm bụi (TSP, PM10, Bụi mịn PM2.5), 16 loại PAHs trên bụi, 10 loại VOCs, và các chất khí khác như Carbon dioxide (CO2), SO2, NO2. Đây là những thông tin thiết yếu để đánh giá chính xác mức độ ô nhiễm không khí do đốt rơm rạ tại khu vực này. So với các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào miền Bắc, luận án này đặc biệt có giá trị vì điều kiện khí hậu, lịch thời vụ, và cách thức đốt rơm rạ ở miền Tây Nam Bộ có nhiều khác biệt. Ví dụ, ở ĐBSCL có thể có ba vụ lúa/năm và rơm rạ thường được phơi khô tự nhiên, rải trên ruộng rồi đốt, khác với việc chất thành đống nhỏ rồi đốt ở miền Bắc. Những phát hiện này giúp các nhà quản lý đưa ra những quyết định phù hợp hơn trong việc kiểm soát ô nhiễm không khí và phát triển các giải pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch hiệu quả, hướng tới nông nghiệp bền vững cho vùng. Đặc biệt, luận án đã xác định được các yếu tố đánh dấu (marker) để nhận dạng nguồn đốt rơm rạ với các dạng nguồn phát thải khác, một công cụ hữu hiệu trong việc quản lý và kiểm soát ô nhiễm. Những kết quả này góp phần nâng cao hiệu quả và chất lượng của hoạt động kiểm kê phát thải lên mức cao hơn (Tier 2) theo hướng dẫn của IPCC.

5.1. Mức độ phát thải bụi mịn PM2.5 và khí thải độc hại tại ĐBSCL

Nghiên cứu của Phạm Thị Hồng Phương (2022) đã định lượng mức độ phát thải các chất ô nhiễm chính từ hoạt động đốt rơm rạ tại Đồng bằng sông Cửu Long. Kết quả cho thấy lượng bụi mịn PM2.5 và các khí thải độc hại khác như PAHs, VOCs, CO, NOx, SO2 và Carbon dioxide (CO2) được phát tán vào không khí là rất đáng kể. Mức độ phát thải này thay đổi theo mùa vụ và phương thức đốt (đốt rải hay đốt đống). Những con số này cung cấp cơ sở khoa học vững chắc để đánh giá tác động của đốt rơm rạ đến chất lượng không khí khu vực, đồng thời là dữ liệu quan trọng cho các hoạt động kiểm kê phát thải và xây dựng chính sách phòng chống ô nhiễm không khí. Cụ thể, nghiên cứu đã xây dựng bộ hệ số phát thải cho 4 nhóm chất: Bụi (TSP, PM10, PM2.5), 16 PAHs trên bụi, 10 VOCs và một số chất khác (CO2, SO2 và NO2).

5.2. Nhận diện các yếu tố đánh dấu marker nguồn ô nhiễm không khí

Một trong những đóng góp quan trọng của luận án là xác định được một số yếu tố đánh dấu (marker) hoặc tỷ lệ chẩn đoán để phân biệt nguồn ô nhiễm không khí do đốt rơm rạ với các nguồn phát thải khác. Việc sử dụng các tỷ lệ của PAHs như B[a]A/(Fth, Pyr, B[a]A, Chr, B[k]F, B[b]F, B[a]P, I[1,2,3-cd]P và B[ghi]P), Fth/(Fth+Pyr) và B[a]A/(B[a]A+Chr) đã được chứng minh là một phương pháp hữu hiệu. Điều này giúp các nhà khoa học và quản lý môi trường dễ dàng hơn trong việc xác định nguyên nhân gây ô nhiễm không khí, đặc biệt trong những giai đoạn mùa gặt lúa và ô nhiễm cao điểm. Khả năng nhận diện chính xác nguồn thải là yếu tố then chốt để đưa ra các biện pháp kiểm soát và giải pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch hiệu quả hơn. (Phạm Thị Hồng Phương, 2022).

5.3. Đánh giá tác động đến chỉ số AQI Air Quality Index và môi trường nền

Nghiên cứu cũng tiến hành đánh giá tác động của hoạt động đốt rơm rạ đến chất lượng không khí xung quanh bằng cách so sánh với môi trường nền. Các kết quả cho thấy sự gia tăng đáng kể của các chất ô nhiễm khi có hoạt động đốt, làm thay đổi chỉ số AQI (Air Quality Index) và cảnh báo mức độ nguy hiểm. Điều này giúp cộng đồng và các cơ quan chức năng có cái nhìn rõ ràng hơn về mức độ ảnh hưởng của việc đốt rơm rạ và sự cần thiết của các biện pháp cảnh báo chất lượng không khí. Việc phân tích sâu rộng về nồng độ PAHs trên bụi, hàm lượng PAHs, và sự đóng góp của VOCs trong tiềm năng hình thành ozon (OFP) đã cung cấp dữ liệu định lượng cho việc đánh giá tác động của đốt rơm rạ một cách toàn diện. Các đánh giá này là cơ sở quan trọng để xây dựng các chương trình quản lý chất lượng không khí hiệu quả.

VI. Kết luận Kiến nghị Để không còn tác động của đốt rơm rạ

Tóm lại, tác động của đốt rơm rạ đến chất lượng không khí là một vấn đề môi trường cấp bách, đòi hỏi sự chung tay của cả cộng đồng, nông dân và các cấp quản lý. Từ việc giải phóng bụi mịn PM2.5 và các khí thải độc hại như Carbon dioxide (CO2), PAHs, VOCs, cho đến những hệ lụy về sức khỏe hô hấp, tầm nhìn giao thông bị ảnh hưởng và góp phần vào biến đổi khí hậu, tất cả đều là những hồi chuông cảnh báo về sự cần thiết phải thay đổi. Các nghiên cứu, đặc biệt là tại Đồng bằng sông Cửu Long (Phạm Thị Hồng Phương, 2022), đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về mức độ và thành phần của ô nhiễm không khí do đốt rơm rạ, cùng với các yếu tố đánh dấu nguồn thải quan trọng. Để giải quyết triệt để vấn đề này, cần có sự kết hợp giữa việc thực thi nghiêm ngặt quy định cấm đốt rơm rạ, đẩy mạnh các giải pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch bền vững, và tăng cường tuyên truyền, hỗ trợ nông dân. Chuyển dịch sang nông nghiệp bền vững không chỉ giúp bảo vệ môi trường, cải thiện chất lượng không khí mà còn mang lại lợi ích kinh tế dài hạn cho người nông dân, thông qua việc tái sử dụng rơm rạ làm phân bón hữu cơ, thức ăn gia súc, hoặc nguồn năng lượng sinh học. Đây là hướng đi tất yếu để đảm bảo một tương lai không khí sạch và an toàn cho thế hệ mai sau.

6.1. Thực hiện Quy định cấm đốt rơm rạ và cảnh báo chất lượng không khí

Để giảm thiểu tác động của đốt rơm rạ, việc thực thi nghiêm ngặt quy định cấm đốt rơm rạ là điều kiện tiên quyết. Các cơ quan chức năng cần tăng cường giám sát, xử phạt các hành vi vi phạm và có cơ chế khuyến khích, hỗ trợ nông dân tuân thủ. Đồng thời, việc thường xuyên cảnh báo chất lượng không khí và công bố chỉ số AQI (Air Quality Index) minh bạch sẽ giúp cộng đồng chủ động bảo vệ sức khỏe, đặc biệt trong những giai đoạn mùa gặt lúa và ô nhiễm cao điểm. Sự tham gia của chính quyền địa phương và các tổ chức xã hội là cần thiết để nâng cao nhận thức và ý thức trách nhiệm về ô nhiễm không khí.

6.2. Hướng đi cho nông nghiệp bền vững và giảm thiểu ô nhiễm không khí

Tương lai của ngành nông nghiệp phải hướng đến mô hình nông nghiệp bền vững, nơi mà rơm rạ không còn là gánh nặng mà là tài nguyên. Đầu tư vào nghiên cứu và phát triển các giải pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch tiên tiến như biến rơm rạ thành phân bón hữu cơ từ rơm rạ, chất đốt sinh học từ phế phẩm nông nghiệp, hoặc vật liệu xây dựng là rất cần thiết. Việc áp dụng cơ giới hóa đồng bộ trong thu hoạch để giảm lượng rơm rạ bỏ lại trên đồng, cùng với việc hỗ trợ tài chính và kỹ thuật cho nông dân để chuyển đổi phương thức canh tác sẽ giúp giảm đáng kể khói bụi nông nghiệp và cải thiện chất lượng không khí.

6.3. Tăng cường tuyên truyền và hỗ trợ nông dân

Thay đổi tập quán đốt đồng ruộng đòi hỏi một chiến lược truyền thông và hỗ trợ toàn diện. Các chương trình tuyên truyền cần nhấn mạnh những hậu quả nghiêm trọng của ô nhiễm không khí do đốt rơm rạ đối với sức khỏe và môi trường, đồng thời giới thiệu các lợi ích kinh tế của giải pháp xử lý rơm rạ sau thu hoạch thay thế. Chính phủ và các tổ chức cần có chính sách hỗ trợ cụ thể về chi phí, kỹ thuật, và cung cấp các thiết bị cần thiết cho nông dân để họ dễ dàng chuyển đổi. Chỉ khi nông dân nhìn thấy được lợi ích thiết thực và được hỗ trợ đầy đủ, họ mới sẵn sàng từ bỏ tập quán đốt rơm rạ, góp phần xây dựng một nền nông nghiệp bền vững và một môi trường sống tốt đẹp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu Chương 2. Phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả và thảo luận Kết luận và kiến nghị.

Đốt rơm rạ và vấn đề ô nhiễm không khí 1. Thành phần nguyên tố của rơm rạ Rơm rạ thu gom theo phương thức gặt thủ công hiện nay có hai phần riêng rẽ là phần rơm chứa bông lúa, được thu gom riêng để tách lấy thóc, và phần rạ, là phần gốc của cây lúa, có thể được bỏ lại trên đất canh tác hoặc thu gom riêng để sử dụng [18]. Như vậy, phần rơm có nhiều lá lúa nên mềm hơn, còn phần rạ là phần chính của thân cây lúa nên cứng hơn. Sau khi thu hoạch, rơm rạ được chất thành đống hoặc rải trên mặt ruộng, tùy theo phương pháp thu hoạch, tương ứng là việc sử dụng máy tuốt cố định hoặc máy gặt đập liên hợp.

Tỷ lệ rơm rạ phát sinh so với sản lượng lúa thay đổi, dao động trong khoảng 1,0 - 4,3 [19] và 0,74–0,79 [20]. Thành phần nguyên tố chính của rơm rạ bao gồm cacbon, hydro, oxy, nitơ và lưu huỳnh với tỷ lệ tương ứng là C: 45,7-61,4%, H: 5,1-8,5%, O: 48,3 -58,1%, N: 0,8-1,4%, S: 0,3-0,4% và các nguyên tố vi lượng khác với tỷ lệ nhỏ [18, 21]. So với nhiên liệu hóa thạch, hàm lượng cacbon trong sinh khối rơm rạ ít hơn, trong khi hàm lượng oxy và hydro cao hơn [18]. Rơm rạ cũng có đặc điểm là có chất bay hơi cao so với gỗ và than và một lượng cacbon cố định thấp hơn so với trong than đá.

Hàm lượng tro cao trong rơm rạ làm giảm nhiệt trị của nó và ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa năng lượng. Hàm lượng tro rơm rạ, bao gồm cả phần rơm rạ không cháy, khoảng 18,67–29,1% [18]. Thành phần nguyên tố của rơm rạ góp phần xác định các chất thải phát sinh vào khí quyển từ quá trình đốt hở rơm rạ ngoài đồng ruộng, như hàm lượn nitơ và lưu huỳnh trong sinh khối có thể dẫn đến hình thành SOx và NOx trong quá trình đốt cháy gây ra các vấn đề về mưa axit. Phương thức sử dụng rơm rạ sau thu hoạch Hiện nay, rơm rạ sau thu hoạch được sử dụng bằng nhiều phương thức khác nhau trong đó các phương thức sử dụng dưới đây là phổ biến: a) Vùi rơm rạ vào đất Việc vùi rơm rạ sau thu hoạch vào đất hiện nay đang được cộng đồng toàn cầu coi là một giải pháp thay thế tốt hơn so với hoạt động đốt rơm rạ.

Mặc dù vậy, giải pháp này chưa được thuyết phục về góc độ kinh tế đối với người nông dân do chi phí làm đất cao bao gồm cả nhiên liệu và thiết bị cũng như chi phí hao mòn. Hơn nữa, có một quan niệm sai lầm phổ biến cho rằng việc vùi rơm rạ vào đất làm cho đất kém màu mỡ. Điều này đã được chứng minh là sai bởi một số bằng chứng đã chỉ ra kết quả ngược lại. Tại Ấn Độ, người ta đã xác nhận việc vùi rơm rạ vào đất làm giảm sản lượng lúa mì trong 2 năm đầu nhưng kết quả ngược lại trong 5-7 năm tiếp theo [22].

Trong một nghiên cứu khác ở Trung Quốc đã chỉ ra việc vùi rơm rạ trong đất là vô cùng quan trọng để cải thiện độ ổn định của đất cũng như cấu trúc phẫu diện đất [23]. Trong một nghiên cứu gần đây được thực hiện ở tỉnh Giang Tô, Trung Quốc thấy rằng sản lượng rơm rạ được cải thiện tới 58% tại nơi có hoạt động vùi rơm rạ vào đất [24]. Người ta cũng quan sát thấy lượng nitơ và phốt pho cũng như kali tăng 15% do kết quả của việc kết hợp rơm [24]. b) Che phủ rơm rạ trên bề mặt đất ruộng Một cách sử dụng rơm rạ khác là ở các vùng trồng rau, người ta thường sử dụng rơm rạ để phủ lên trên bề mặt đất ruộng.

Vì rơm rạ có trọng lượng nhẹ và cũng có giá trị pH trung tính, nên nó có thể được sử dụng rộng rãi cho mục đích che phủ. Hoạt động này có hiệu quả cao trong việc kiểm soát sự phát triển của cỏ dại cũng như duy trì độ ẩm của đất trong thời gian dài hơn. Do đó, nó ngăn cản việc sử dụng hóa chất diệt cỏ và cũng dẫn đến việc sử dụng ít nước hơn. Sau vụ mùa, nó có thể dễ dàng 8 được xới vào đất và cũng có thể được sử dụng trong mùa đông để che phủ cây trồng nhằm bảo vệ chúng khỏi thời tiết quá lạnh.

Việc phủ rơm rạ có ảnh hưởng tích cực đến khả năng giữ nước của đất, ngăn cản sự phát triển của cỏ dại, kích thích sự phát triển của rễ cây [25]. c) Sử dụng rơm rạ làm giá thể trồng nấm Nhằm mục đích tái sử dụng rơm rạ, tạo thêm thu nhập cho gia đình, người dân đã tận dụng lại rơm rạ làm giá thể trồng nấm. Phương thức này được thực hành cả ở quy mô trong nhà và ngoài trời, mặc dù kỹ thuật trong nhà được coi là có lợi hơn. Trong một nghiên cứu được thực hiện bởi Yang và cộng sự (2013), cho thấy việc sử dụng rơm rạ đóng vai trò quan trọng cho sự sinh trưởng và phát triển của nấm sò [26].

Tóm lại, việc trồng nấm có thể được thúc đẩy ở những vùng có lượng rơm rạ lớn hơn vì nó có tiềm năng quản lý bền vững rơm rạ cũng như cải thiện môi trường. d) Sử dụng rơm rạ làm thức ăn cho động vật nhai lại Rơm rạ đã được sử dụng làm thức ăn cho gia súc từ rất lâu đời. Hiện nay một tỷ lệ lớn rơm rạ được sử dụng làm thức ăn cho gia súc, đặc biệt là khắp châu Phi và tiểu lục địa Ấn Độ. Mặc dù rơm rạ ít có giá trị về dinh dưỡng nhưng nó vẫn được sử dụng làm nguồn thức ăn thay thế cho động vật [27].

Lượng rơm rạ hàng ngày mà một con vật có thể tiêu thụ chỉ bằng 2% trọng lượng cơ thể của nó. Một nghiên cứu khác chỉ ra rằng, lượng rơm rạ tiêu thụ hàng ngày của động vật nhai lại lên tới 1,2 kg. Tuy nhiên tỷ lệ tiêu thụ có thể khác nhau giữa các loài động vật. e) Sản xuất khí sinh học Khí sinh học bao gồm chủ yếu là CH4 và CO2 bên cạnh các chất khí dạng vết như: H2, NH3 và H2S.

Sản phẩm khí sinh học được tạo ra thông qua quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ khác nhau. Nguồn năng lượng tái tạo này có thể được sử 9 dụng làm nhiên liệu cho mục đích sinh hoạt cũng như thương mại. Rơm rạ là nguyên liệu hoàn hảo để sản xuất khí sinh học, bởi vì thành phần hóa học của rơm rạ có chứa nhiều xenlulo (24–35%) và hêmixenlulo (32– 37%) [28]. Quá trình sản xuất khí sinh học diễn ra trong các giai đoạn khác nhau, bắt đầu từ giai đoạn tiền xử lý, nơi cắt nhỏ, trộn và lên men rơm.

Tiếp theo là giai đoạn phân hủy kỵ khí tạo ra khí sinh học và bùn thải như một sản phẩm phụ [29]. Bùn thải cũng được sử dụng làm phân bón trong các ứng dụng nông nghiệp. Trong một nghiên cứu khác, nhằm tìm ra tỷ lệ phối trộn tối ưu nhất của rơm rạ, rác thải nhà bếp và phân lợn để sản xuất khí sinh học đã được thực hiện bởi tác giả Ye và cộng sự (2013). Kết quả chỉ ra rằng tỷ lệ 0,4: 1,6: 1 tương ứng với chất thải nhà bếp: phân lợn: rơm rạ cho kết quả sản xuất khí sinh học tốt nhất [30].

Đây là một giải pháp thay thế rất có lợi cho việc sử dụng bền vững rơm rạ, nơi mà ngay cả phụ phẩm cũng có thể được sử dụng như một nguyên liệu đầu vào có giá trị cho nông trại. Ngoài ra, rơm rạ còn có thể được sử dụng để sản xuất cồn ethanol, khí hóa, làm giấy, sản xuất than bánh rơm, than sinh học, cácbonat hóa,. f) Đốt rơm rạ ngay tại đồng ruộng Thâm canh hệ thống canh tác lúa gắn liền với việc sử dụng các giống năng suất cao và ngắn ngày với thời gian luân chuyển giữa các vụ ngắn hơn trong hệ thống đa canh tác. Hơn nữa, sự ra đời nhanh chóng của máy gặt đập liên hợp tạo thành một yếu tố thay đổi phương thức sử dụng vì lượng rơm rạ được trải ra đồng ruộng nhiều hơn.

Việc thu gom rơm thủ công trên đồng ruộng không có lãi vì chi phí nhân công cao. Quá trình vùi rơm vào đất đặt ra những thách thức trong quá trình sản xuất lúa gạo hai đến ba đợt thu hoạch mỗi năm. Điều này là do thời gian phân hủy không đủ, rơm rạ có đặc tính bón phân kém cho đất và cản trở việc trồng trọt. Kết quả là, việc đốt rơm rạ trên cánh đồng đã gia tăng đáng kể trong thập kỷ qua, mặc dù bị cấm ở 10 hầu hết các nước trồng lúa vì ô nhiễm và các vấn đề liên quan đến sức khỏe.

Đốt rơm rạ và phát thải các chất ô nhiễm không khí 1. Quá trình cháy của rơm rạ Quá trình đốt cháy rơm rạ là sự kết hợp của các quá trình vật lý và hóa học khác nhau và thường được chia thành ba giai đoạn cơ bản là: giai đoạn bắt lửa (quá trình gia nhiệt), giai đoạn cháy có ngọn lửa (cháy bùng phát) và giai đoạn kết thúc [11]. - Giai đoạn bắt lửa, các phần nhỏ như lá và phần chứa bông lúa cháy trực tiếp. Các phần lớn hơn như thân cây, trải qua quá trình gia nhiệt.

Độ dài của giai đoạn bắt lửa phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính của rơm rạ, như độ ẩm, phương thức đốt và kích thước nhiên liệu. Trong giai đoạn bắt lửa ban đầu này, một lượng lớn CO được phát sinh và các chất hữu cơ dễ bay hơi, như các hợp chất thơm đa vòng được giải phóng. - Giai đoạn cháy có ngọn lửa (cháy bùng phát) khi nhiên liệu cháy đã đủ khô, quá trình đốt cháy chuyển từ giai đoạn bắt lửa sang giai đoạn bùng cháy. Giai đoạn này cũng bảo gồm cả hai quá trình đốt cháy hoàn toàn và đốt cháy không hoàn toàn.

Sản phẩm của quá trình đốt cháy hoàn toàn là CO2 là H2O. Đối với quá cháy không hoàn toàn, một lượng lớn CO và các hợp chất hữu cơ được tạo thành. Thành phần và lượng chất thải phụ thuộc vào các giai đoạn của quá trình cháy, khả năng cung cấp oxy, nhiệt độ và thành phần cơ bản của nhiên liệu đốt. Các hợp chất khí có thể được chia thành các sản phẩm khí thải sơ cấp và thứ cấp.

Ứng với nhiệt độ thấp (thường <100oC), các anđehit nhẹ, axit fomic và axit axetic là những chất phát thải chiếm ưu thế.