(Luận án tiến sĩ) Đánh giá mức độ phát thải của hoạt động đốt rơm rạ và khả năng tác động của chúng đến chất lượng không khíNghiên cứu thí điểm tại đồng bằng Tây Nam Bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------***----------------

PHẠM THỊ HỒNG PHƯƠNG

ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÁT THẢI CỦA HOẠT ĐỘNG
ĐỐT RƠM RẠ VÀ KHẢ NĂNG TÁC ĐỘNG CỦA CHÚNG
ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ – NGHIÊN CỨU
THÍ ĐIỂM TẠI ĐỒNG BẰNG TÂY NAM BỘ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội – 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------***----------------

PHẠM THỊ HỒNG PHƯƠNG

ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÁT THẢI CỦA HOẠT ĐỘNG
ĐỐT RƠM RẠ VÀ KHẢ NĂNG TÁC ĐỘNG CỦA CHÚNG
ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ – NGHIÊN CỨU
THÍ ĐIỂM TẠI ĐỒNG BẰNG TÂY NAM BỘ
Ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số: 9520320

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. NGHIÊM TRUNG DŨNG
2. PGS.TS. PHẠM THỊ MAI THẢO

Hà Nội - 2022


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.
Nghiêm Trung Dũng và PGS.TS. Phạm Thị Mai Thảo. Các số liệu, kết quả nêu trong
luận án này là trung thực và chưa từng được cơng bố trong các cơng trình nào khác
bởi các tác giả khơng thuộc nhóm nghiên cứu.

Hà Nội, ngày … tháng …. năm 2022
TẬP THỂ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS.TS. Nghiêm Trung Dũng

PGS. TS. Phạm Thị Mai Thảo

Nghiên cứu sinh

Phạm Thị Hồng Phương


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho phép tôi
thực hiện luận án này. Đồng thời xin cảm ơn Viện Khoa học và Cơng nghệ Mơi trường
và Phịng Đào tạo đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt q trình thực
hiện luận án.

Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nghiêm
Trung Dũng đã luôn hỗ trợ, ủng hộ, động viên và hướng dẫn tận tình về chun mơn
trong suốt q trình tơi thực hiện luận án.
Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Phạm Thị Mai Thảo, người đã
ln hướng dẫn, động viên, khích lệ và đồng hành cùng tơi trong q trình tơi thực
hiện luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn TS. Trịnh Thị Thắm, giảng viên Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Hà Nội đã hỗ trợ tơi rất nhiều trong q trình thực nghiệm;
cảm ơn TS. Nguyễn Thanh Điền, ĐH Kyoto, Nhật Bản và TS. Sumeet Saksena, Trung
tâm Đông -Tây, Hoa Kỳ đã ln đồng hành, giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện luận
án.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô giáo của Viện Khoa học
và Công nghệ Môi trường, đặc biệt là các thầy cô giáo Bộ môn Công nghệ Môi trường
đã luôn động viên tinh thần, giúp đỡ tận tình về kiến thức chun mơn để tơi có thể
hồn thành luận án.
Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội và
Khoa Môi trường, đã tạo điều kiện cho tôi tham gia chương trình đào tạo này, đồng
thời đã ln hỗ trợ tơi trong suốt q trình học tập.
Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Thị Trinh và các đồng nghiệp trong Khoa
Môi trường đặc biệt các anh chị em Bộ môn Quản lý môi trường, Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Hà Nội nơi tôi công tác đã luôn quan tâm, động viên, chia sẻ
công việc tại cơ quan và ln hỗ trợ tơi trong q trình thực hiện luận án.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội
đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có thể hoàn
chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong lai.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới gia đình và bạn bè đã ln động
viên, quan tâm, ủng hộ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Nghiên cứu sinh
Phạm Thị Hồng Phương

MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH................................................................................................... ix
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 7
1.1. Đốt rơm rạ và vấn đề ô nhiễm khơng khí ..................................................... 7
1.1.1. Rơm rạ ......................................................................................................... 7
1.1.1.1. Thành phần nguyên tố của rơm rạ ....................................................... 7
1.1.1.2. Phương thức sử dụng rơm rạ sau thu hoạch ........................................ 8
1.1.2. Đốt rơm rạ và phát thải các chất ô nhiễm không khí ............................... 11
1.1.2.1. Q trình cháy của rơm rạ ..................................................................11
1.1.2.2. Phát thải các chất ơ nhiễm từ q trình cháy rơm rạ ......................... 12
1.1.2.3. Thực trạng đốt rơm rạ ........................................................................ 18
1.1.3. Tác động của đốt rơm rạ đến chất lượng khơng khí ................................. 22
1.1.3.1. Quy mơ địa phương ........................................................................... 23
1.1.3.2. Quy mơ khu vực ................................................................................ 26
1.1.3.3. Quy mơ tồn cầu ................................................................................ 26
1.2. Hệ số phát thải của hoạt động đốt rơm rạ .................................................. 27
1.2.1. Khái niệm .................................................................................................. 27
1.2.2. Yếu tố ảnh hưởng đến hệ số phát thải của hoạt động đốt rơm rạ ............ 28
1.2.3. Phương pháp xác định hệ số phát thải của hoạt động đốt rơm rạ ........... 29
1.2.3.1. Phương pháp cân bằng khối lượng cacbon ........................................ 30
1.2.3.2. Phương pháp xác định tại phịng thí nghiệm ..................................... 35
1.2.3.3. Phương pháp sử dụng mơ hình phát tán ............................................ 36
1.2.3.4. Phương pháp sử dụng chất đánh dấu khí quyển ................................ 37
1.1.3.5. Phương pháp biên dạng thẳng đứng .................................................. 39
1.2.3.6. Phương pháp sử dụng công nghệ LIDAR.......................................... 40
i

1.2.4. Tổng hợp nghiên cứu xác định hệ số phát thải của hoạt động đốt rơm
rạ ......................................................................................................................... 42
1.3. Kiểm kê phát thải từ hoạt động đốt hở sinh khối....................................... 44
1.3.1. Khái niệm chung ....................................................................................... 44
1.3.2. Phương pháp tiếp cận từ trên xuống (top-down) ...................................... 45
1.3.3. Phương pháp tiếp cận từ dưới lên (bottom-up) ........................................ 46
Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................... 47
2.1. Phương pháp luận ......................................................................................... 47
2.2. Khảo sát xác định vị trí và thời gian quan trắc .......................................... 50
2.2.1. Vị trí quan trắc .......................................................................................... 50
2.2.2. Thời gian quan trắc ................................................................................... 51
2.3. Thực nghiệm .................................................................................................. 53
2.3.1. Bố trí thí nghiệm ....................................................................................... 53
2.3.2. Lấy mẫu và đo trực tiếp ............................................................................ 55
2.3.2.1. Lấy mẫu ............................................................................................. 55
2.3.2.2. Đo trực tiếp ........................................................................................ 58
2.3.3. Phân tích mẫu ........................................................................................... 58
2.3.3.1. Mẫu bụi và PAHs trên bụi .................................................................. 58
2.3.3.2. VOCs.................................................................................................. 62
2.3.3.3. Các chất ơ nhiễm dạng khí ................................................................. 63
2.3.3.4. Các thông số khác .............................................................................. 63
2.3.4. Đảm bảo chất lượng và kiểm soát chất lượng (QA/QC) .......................... 63
2.3.4.1. QA/QC trong lấy mẫu ........................................................................ 64
2.3.4.2. QA/QC trong phân tích mẫu .............................................................. 64
2.4. Xử lý số liệu, xác định hệ số phát thải ......................................................... 65

ii

2.4.1. Xác định tỷ lệ phát thải ............................................................................. 65
2.4.2. Xác định hiệu suất cháy ............................................................................ 65
2.4.3. Xác định hệ số phát thải ............................................................................ 66
2.5. Kiểm kê phát thải .......................................................................................... 67
2.5.1. Xác định lượng rơm rạ được đốt............................................................... 68
2.5.2. Xác định mức độ phát thải ........................................................................ 71
2.6. Đánh giá tác động .......................................................................................... 71
2.6.1. Đánh giá tác động trực tiếp ...................................................................... 71
2.6.2. Đánh giá tiềm năng hình thành ozon ........................................................ 72
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 73
3.1. Hệ số phát thải các chất ơ nhiễm khơng khí ............................................... 73
3.1.1. Đặc tính của q trình cháy và thơng số tính tốn ................................... 73
3.1.1.1. Đặc tính của q trình cháy và đóng góp rịng của các chất ơ nhiễm 73
3.1.1.2. Tỷ lệ phát thải và hiệu suất cháy........................................................ 75
3.1.2. Hệ số phát thải của PM............................................................................. 76
3.1.3. Hệ số phát thải của PAHs trên bụi ........................................................... 77
3.1.4. Hệ số phát thải của VOCs ......................................................................... 81
3.1.5. Hệ số phát thải của CO2 và các chất ơ nhiễm dạng khí ............................ 83
3.2. Mức độ phát thải từ quá trình đốt rơm rạ tại miền Tây Nam Bộ ............ 86
3.2.1. Mức độ phát thải theo mùa vụ .................................................................. 86
3.2.2. Mức độ phát thải hàng năm ...................................................................... 87
3.2.2.1. Lượng rơm rạ phát sinh tại các tỉnh miền Tây Nam Bộ .................... 87
3.2.2.2. Ước tính phát thải tại các tỉnh miền Tây Nam Bộ ............................. 88
3.3. Tác động của hoạt động đốt rơm rạ đến chất lượng không khí tại miền Tây
Nam Bộ .................................................................................................................. 90
3.3.1. Tác động của bụi ....................................................................................... 90
3.3.2. Tác động của PAHs trên bụi ..................................................................... 92
3.3.2.1. Nồng độ PAHs trên bụi ...................................................................... 92
iii

3.3.2.2. Hàm lượng PAHs trên bụi .................................................................. 98
3.3.2.3. Nhận dạng nguồn thải ...................................................................... 101
3.3.3. Tác động của VOCs ................................................................................ 103
3.3.3.1. Mức gia tăng nồng độ của VOCs..................................................... 103
3.3.3.2. Tiềm năng hình thành ozon (OFP)................................................... 106
3.3.4. Tác động của CO2 và các chất ơ nhiễm dạng khí ................................... 108
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................110
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...................112
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................114
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 130

iv


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Việt

Tiếng Anh

AOAC

Hiệp hội các nhà hóa học phân tích Association of Official Analytical
Chemists
chính thức

AP

Ơ nhiễm khơng khí

ASTM

Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu American Society for Testing and
Materials
Hoa Kỳ

BC

Cacbon đen

Black carbon

BTEX

Benzen, toluen, etylbenzen, xylen

CE

Hiệu suất cháy

Benzene, toluene, ethylbenzene,
xylene
Combustion efficiency

COPD

Bệnh tắc nghẽn phổi mạn tính

ĐBSCL

Đồng bằng sông Cửu Long

Chronic obstructive pulmonary
disease
Mekong River Delta

ĐBSH

Đồng bằng sông Hồng

Red River Delta

EEA

Ủy ban môi trường châu Âu

European Environment Agency

EF

Hệ số phát thải

Emission Factor

ER

Tỷ lệ phát thải

Emission ratio

IARC

Tổ chức Nghiên cứu Ung thư International Agency for Research
on Cancer
Quốc tế

IPCC

Ủy ban Liên chính phủ về Biến
đổi khí hậu

Intergovernmental
Climate Change

IRRI

Viện nghiên cứu Lúa Quốc tế

International

Air pollution

Panel

Rice

on

Research

Institute
KKPT

Kiểm kê phát thải

Emission inventory

LOD

Giới hạn phát hiện

Limit of detection

LOQ

Giới hạn định lượng

Limit of quantification

MCE

Hiệu suất cháy hiệu chỉnh

Modified combustion efficiency

ND

Khơng phát hiện được

Not detected

NMHC

Hydrocacbon khơng tính metan

Non-methane hydrocarbons

OC

Cacbon hữu cơ

Organic carbon

OFP

Tiềm năng hình thành ozon

Ozone formation potential

v


Viết tắt
PAH

Tiếng Việt

Tiếng Anh

Hydrocacbon thơm đa vòng giáp Polycyclic

Aromatic

cạnh

Hydrocarbons

PM

Bụi

Particulate matter

QA

Đảm bảo chất lượng

Quality Assurance

QC

Kiểm soát chất lượng

Quality control

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

Vietnam Standards

TEF

Hệ số độc tương đương

Toxic Equivalence Factor

TSP

Tổng bụi lơ lửng

Total Suspended Particulate

US.EPA

Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ

VOC

Hợp chất hữu cơ bay hơi

United States Environmental
Protection Agency

Volatile organic compounds

WHO

Tổ chức Y tế Thế giới

World Health Organization

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Mối liên hệ giữa tỷ lệ PAHs và đặc điểm nguồn thải ..................... 14
Bảng 1.2. Sản lượng lúa, rơm rạ và tỷ lệ đốt của các quốc gia sản xuất lúa gạo
hàng đầu thế giời, năm 2017 ........................................................................... 21
Bảng 2.1. Thơng tin về q trình lấy mẫu ....................................................... 53
Bảng 2.2. Nồng độ của PAHs trong chất chuẩn .............................................. 59
Bảng 2.3. Hóa chất phân tích .......................................................................... 60
Bảng 2.4. Thiết bị và điều kiện phân tích mẫu PAHs bằng GC/MS ............... 61
Bảng 3.1. Đặc tính của q trình cháy và đóng góp rịng của các chất ơ
nhiễm ............................................................................................................... 74
Bảng 3.2. Tỷ lệ phát thải của các chất ô nhiễm và hiệu suất cháy .................. 75
Bảng 3.3. Hệ số phát thải của PM và so sánh với các nghiên cứu khác ......... 76
Bảng 3.4. Hệ số phát thải của PAHs trên bụi và so sánh với các nghiên cứu khác
......................................................................................................................... 78
Bảng 3.5. Hệ số phát thải của VOCs và so sánh với các nghiên cứu khác ..... 81
Bảng 3.6. Tương quan của các hợp chất trong nhóm BTEX .......................... 82
Bảng 3.7. Hệ số phát thải của các chất dạng khí cơ bản và so sánh với nghiên
cứu khác........................................................................................................... 84
Bảng 3.8. Tổng hợp điều kiện đốt và hệ số phát thải tại Đồng bằng Sơng Cửu

Long................................................................................................................. 84
Bảng 3.9. Ước tính phát thải theo mùa vụ của năm 2019 tại miền Tây Nam
Bộ .................................................................................................................... 86
Bảng 3.10. Lượng rơm rạ phát sinh trong 5 năm tại các tỉnh miền Tây Nam Bộ
......................................................................................................................... 87
Bảng 3.11. Ước tính phát thải hàng năm tại miền Tây Nam Bộ ..................... 88
Bảng 3.12. Nồng độ trung bình của PAHs trên TSP ....................................... 95
Bảng 3.13. Nồng độ trung bình của PAHs trên PM10 ..................................... 96

vii


Bảng 3.14. Hàm lượng trung bình của PAHs trên TSP................................... 99
Bảng 3.15. Hàm lượng trung bình của PAHs trên PM10 ................................. 99
Bảng 3.16. So sánh tỷ lệ chẩn đoán PAHs trên PM10 và TSP với các nghiên cứu
khác................................................................................................................ 103
Bảng 3.17. Nồng độ trung bình của VOCs ................................................... 104
Bảng 3.18. Sự đóng góp của VOCs trong tiềm năng hình thành ozon (OFP) và
so sánh nghiên cứu khác................................................................................ 106
Bảng 3.19. Nồng độ trung bình của các chất ơ nhiễm dạng khí ................... 108

viii


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Sơ đồ phản ứng quang hóa tạo ozon trong khí quyển ..................... 15
Hình 1.2. So sánh lượng rơm rạ đốt giữa các quốc gia (năm 2018) ............... 18
Hình 1.3. Tổng hợp nghiên cứu xác định hệ số phát thải từ năm 1994 đến 2021
......................................................................................................................... 42

Hình 2.1. Khung logic nghiên cứu .................................................................. 49
Hình 2.2. Sản lượng lúa hàng năm của các tỉnh miền Tây Nam Bộ ............... 50
Hình 2.3. Vị trí khu vực lấy mẫu..................................................................... 51
Hình 2.4. Sản lượng lúa theo mùa vụ tại miền Tây Nam Bộ .......................... 52
Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm.................................................................... 55
Hình 2.6. Sơ đồ phương pháp và thiết bị quan trắc tại hiện trường ................ 56
Hình 2.7. Quy trình xử lý mẫu để phân tích PAH ........................................... 61
Hình 3.1. Tỷ lệ phân bố PAHs trên PM10 theo số vòng benzen ...................... 80
Hình 3.2. Tỷ lệ phân bố PAHs trên TSP theo số vịng benzen ........................ 80
Hình 3.3. Tỷ lệ phần trăm đóng góp lượng phát thải các chất ơ nhiễm khơng khí
từ hoạt động đốt rơm rạ của các tỉnh miền Tây Nam Bộ ................................ 90
Hình 3.4. Chênh lệch nồng độ của PM trong mẫu nền và mẫu đốt ................ 91
Hình 3.5. Tỷ lệ % phân bố giữa các dải bụi trong mẫu đốt tại các địa điểm
nghiên cứu ....................................................................................................... 92
Hình 3.6. Nồng độ của PAHs đơn lẻ trên PM đối với mẫu nền tại Cần Thơ .. 93
Hình 3.7. Nồng độ của PAHs đơn lẻ trên PM đối với mẫu nền tại Vĩnh
Long................................................................................................................. 94
Hình 3.8. Nồng độ của PAHs đơn lẻ trên PM đối với mẫu đốt tại Cần Thơ... 97
Hình 3.9. Nồng độ của PAHs đơn lẻ trên PM đối với mẫu đốt tại Vinh Long 97

ix


Hình 3.10. Sự chênh lệch nồng độ của PAHs trên bụi trong mẫu nền và mẫu đốt
......................................................................................................................... 98
Hình 3.11. Hàm lượng trung bình của mỗi PAHs (%), ncPAHs và cPAHs (µg/g)
trong PM ........................................................................................................ 101
Hình 3.12. Nồng độ VOCs trong các mẫu nền và mẫu đốt........................... 105
Hình 3.13. Đóng góp của VOCs cá thể trong các mẫu nền và mẫu đốt ....... 107
Hình 3.14. Chênh lệch nồng độ các chất dạng khí cơ bản ............................ 109

x


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Đốt rơm rạ tại đồng ruộng (hay còn gọi là đốt hở) được coi là hình thức phổ
biến nhằm làm sạch đồng ruộng sau thu hoạch, chuẩn bị cho vụ gieo trồng tiếp theo
tại hầu hết các nước châu Á [1]. Việc đốt hở rơm rạ đóng góp một phần đáng kể vào
ơ nhiễm khơng khí quy mơ địa phương, quốc gia thậm chí trên tồn cầu, góp phần gia
tăng hiệu ứng nhà kính và ảnh hưởng đến sức khỏe con người [2-4]. Về bản chất, đốt
hở rơm rạ được coi là quá trình đốt cháy thực vật ở nhiệt độ thấp, do đó sẽ phát sinh
một lượng lớn các chất độc hại gây ơ nhiễm khơng khí là sản phẩm của q trình đốt
cháy khơng hồn tồn, như bụi (PM), cacbon đen (BC), cacbon hữu cơ (OC), cacbon
monoxit (CO). Thêm vào đó, một số oxit nitơ (NOx) và oxit lưu huỳnh (SOx) cũng
được phát thải cùng với các khí nhà kính quan trọng như CH4, N2O và CO2, mặc dù
CO2 trong trường hợp này được coi là sản phẩm trung tính. Ngồi ra các hợp chất hữu
cơ như: VOCs, các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy, polychlorinated dibenzo-pdioxin và dibenzofurans (PCDD/PCDFs, ở đây gọi tắt là dioxin), polychlorinated
biphenyls (PCBs), và các hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs) cũng được phát thải ra
từ quá trình đốt rơm rạ [5]. Đặc biệt, quá trình đốt rơm rạ cũng thải ra một lượng đáng
kể các hợp chất chứa clo với thời gian tồn tại trong khí quyển khá lớn (từ một vài
ngày đến vài năm), có thể ảnh hưởng đến nồng độ ozon ở tầng đối lưu và phá hủy
ozon ở tầng bình lưu.
Đốt rơm rạ ngồi đồng ruộng đang có xu hướng gia tăng đáng kể do tính tiện
lợi của nó so với các cách thức xử lý khác như: làm giá thế trồng nấm, thức ăn cho
gia súc, vật liệu thủ công (làm giá đỡ lót hoa quả, đồ dễ vỡ). Việc đót rơm rạ diễn ra
khá phổ biến đặc biệt là các nước châu Á (chiếm hơn 70% sản lượng rơm rạ phát
sinh). Vào những năm 90 tỷ lệ đốt rơm rạ chỉ khoảng 17% đối với tất cả sinh khối bị
đốt cháy ở Thái Lan và Philipin [6]. Tuy nhiên tỷ lệ này đã gia tăng đáng kể vào năm
2009, cụ thể tại Thái Lan là 48% và Philipin là 95% [7]. Tỷ lệ đốt lộ thiên được xác

định lần lượt là 15% và 25% tổng phụ phẩm nông nghiệp tại Ấn Độ và Nam Á vào
1