Ô nhiễm không khí, đặc biệt tại các thành phố lớn, là vấn đề rất được quan tâm của các cấp chính quyền cũng như cộng đồng dân cư. Bên cạnh việc đo lường mức độ ô nhiễm, các công nghệ giám sát chất lượng không khí, sử dụng cảm biến, dữ liệu lớn, ảnh viễn thám đã được nghiên cứu, phát triển nhằm hỗ trợ tốt hơn cho công tác quản lý. Đặc biệt là việc làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị thu mẫu chất gây ô nhiễm không khí đô thị, với tỷ lệ nội địa hóa thiết kế lên đến 80%.
Ô nhiễm không khí tiếp tục là mối đe dọa lớn nhất đối với sức khỏe và môi trường trên thế giới. Chất lượng không khí kém là nguyên nhân cướp đi sinh mạng của 7 triệu người mỗi năm trên toàn cầu, trong đó có khoảng 200.000 là trẻ dưới 15 tuổi. Tiếp xúc với ô nhiễm không khí sẽ khiến một số bệnh như hen suyễn, ung thư, bệnh phổi, bệnh tim,… trầm trọng thêm. Ô nhiễm không khí ảnh hưởng nghiêm trọng nhất đến những nhóm người dễ bị tổn thương: hơn 90% số ca tử vong liên quan đến ô nhiễm xảy ra ở các quốc gia có thu nhập thấp và trung bình.
Các chất gây ô nhiễm không khí
Không khí ô nhiễm tồn tại ở mọi nơi, cả khu vực nông thôn và thành thị, cả các nước phát triển lẫn đang phát triển, với nhiều mức độ khác nhau. Chất gây ô nhiễm thường được phân loại theo hai nhóm chính là:
- Các chất gây ô nhiễm sơ cấp: được thải trực tiếp vào khí quyển, do các hoạt động của con người (giao thông, công nghiệp, đốt cháy, thi công,...) hay có nguồn gốc tự nhiên (núi lửa, cháy rừng, muối biển,...);
- Các chất ô nhiễm thứ cấp: không phát thải trực tiếp vào khí quyển mà là kết quả của các phản ứng hóa lý trong khí quyển, từ các chất ô nhiễm dạng khí như nitrogen oxide (NOx), sulfur dioxide (SO2), ammonia (NH3) hoặc các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC). Chẳng hạn, khí ozone (O3) là chất gây ô nhiễm thứ cấp sinh ra từ phản ứng giữa các chất gây ô nhiễm dạng tiền chất (NOx, VOC) dưới tác dụng của bức xạ mặt trời và nhiệt.
Một số chất gây ô nhiễm phổ biến:
- Nitrogen dioxide (NO2): tuy thường xuất hiện ở dạng chất gây ô nhiễm sơ cấp, phát thải từ các hoạt động đốt cháy (công nghiệp, sản xuất năng lượng, hoạt động dân sinh và đặc biệt là từ ống xả của các phương tiện giao thông đường bộ), nhưng NO2 còn được sinh ra từ quá trình biến đổi hóa học trong khí quyển của nitric oxide (NO) với sự tham gia của khí ozone và các chất oxy hóa khác trong không khí (dạng thứ cấp).
- Bụi mịn (Particulate Matter - PM): được tạo thành từ vật chất cực nhỏ lơ lửng trong không khí như: sunfat, nitrat, kim loại, cacbon hữu cơ, cacbon bồ hóng,… Bụi mịn thường được phân loại theo kích thước: PM10 (đường kính nhỏ hơn 10 µm); PM2.5 (đường kính nhỏ hơn 2,5 µm); Bụi siêu mịn (đường kính nhỏ hơn 0,1 µm). Nguồn phát thải bụi mịn do con người tạo ra phần lớn là do động cơ đốt trong, sản xuất điện, quy trình công nghiệp, quy trình nông nghiệp, đốt gỗ than và xây dựng; nguồn phát thải bụi mịn tự nhiên phổ biến nhất là bão bụi, cháy rừng và bão cát.
- Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC): là toàn bộ các loại hóa chất phát thải từ hoạt động giao thông, như sự bay hơi của xăng, dầu (ví dụ như benzel); sử dụng các dung môi hoặc sơn.
- Khí ozone (O3): là chất gây ô nhiễm được hình thành do phản ứng hóa học giữa các khí dạng “tiền chất” - chủ yếu là NOx và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi dưới tác dụng của nhiệt và bức xạ mặt trời.
Trong các chất gây ô nhiễm không khí, bụi mịn PM10 và PM2.5 tác động lớn đến hệ hô hấp (kích thước càng nhỏ sẽ càng xâm nhập sâu vào đường hô hấp). Bụi mịn PM2.5 được xem là chất gây ô nhiễm có hại nhất, do rất phổ biến trong môi trường và các ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người.
Về ô nhiễm không khí tại Việt Nam
Theo Báo cáo Chất lượng Không khí Thế giới 2022 (World Air Quality Report 2022), Việt Nam xếp hạng thứ 30 trong 131 quốc gia được đo lường nồng độ PM2.5 trung bình năm 2022, với nồng độ 27,2 μg/m3 và xếp hạng thứ 3/9 quốc gia ASEAN, sau Lào và lần lượt dưới Indonesia và Trung Quốc 4-5 bậc. Chất lượng không khí trung bình của các thành phố tại Việt Nam năm 2022 đã vượt mức khuyến nghị an toàn của WHO (5 μg/m3) từ 5-7 lần.
Nồng độ PM2.5 trung bình năm 2022 trên toàn thế giới (Nguồn: World Air Quality Report 2022)
Cũng theo Báo cáo Chất lượng Không khí Thế giới 2022, Hà Nội là thành phố bị ô nhiễm không khí cao nhất của Việt Nam, với nồng độ PM2.5 trung bình năm 2022 là 40,1 μg/m3, đứng thứ 18/7.323 thành phố được đo lường mức độ ô nhiễm.
Thống kê về chỉ số chất lượng không khí tại 3 thành phố lớn của Việt Nam (Hà Nội, Đà Nẵng, TP.HCM) trong giai đoạn 2017-2022 cho thấy, nồng độ PM2.5 tại TP.HCM và Đà Nẵng chỉ bằng khoảng một nửa so với Hà Nội. Tuy nhiên, nồng độ này vẫn cao hơn nhiều so với mức an toàn mà WHO khuyến nghị.
Nồng độ PM2.5 tại 3 thành phố lớn trong giai đoạn 2017-2022 (Nguồn: www.rmit.edu.vn)
Ứng dụng công nghệ giám sát ô nhiễm không khí tại Việt Nam
Mức độ ô nhiễm không khí tại Việt Nam hiện đã vượt xa ngưỡng cảnh báo của WHO, do đó, việc quan trắc, giám sát thường xuyên nồng độ các loại khí ô nhiễm và mật độ bụi mịn ngày càng trở thành yêu cầu cấp thiết. Việc sử dụng các thiết bị, công cụ, kỹ thuật quan trắc không khí từ lâu đã được thực hiện tại Việt Nam, thông qua mạng lưới quan trắc thủ công, định kỳ, cũng như các trạm quan trắc tự động, liên tục. Công nghệ phát triển đã giúp công tác quan trắc ngày càng chính xác và kịp thời hơn. Gần đây, một số công nghệ mới hỗ trợ việc quan trắc chất lượng không khí nhanh hơn đã được đưa vào sử dụng, đó là cảm biến, dữ liệu lớn và ảnh viễn thám.
Giám sát chất lượng không khí sử dụng công nghệ cảm biến và vệ tinh
Để khắc phục hạn chế về chi phí đầu tư, không gian xây dựng và bổ sung dữ liệu từ những nơi không có trạm quan trắc truyền thống, nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang ứng dụng công nghệ cảm biến và vệ tinh để giám sát chất lượng không khí. Các thiết bị cảm biến với kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp, đơn giản trong khâu lắp đặt, vận hành và bảo trì nên có thể được lắp đặt ở nhiều nơi và được sử dụng bởi nhiều đối tượng. Công nghệ vệ tinh giúp khai thác dữ liệu viễn thám từ trên cao và sử dụng mô hình tính toán để ước tính nồng độ các chất ô nhiễm trên phạm vi rộng.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu về thiết kế, ứng dụng cảm biến và vệ tinh trong giám sát chất lượng không khí đã được nhiều cơ quan nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp thực hiện. Điển hình, có thể kể đến các mạng lưới như: PAM Air của Công ty D&L; Mạng lưới FairNet của Trường Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà Nội); Dự án AirSENSE (Hệ thống quan trắc chất lượng không khí cho môi trường và giáo dục STEM) của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Mạng lưới quan trắc chất lượng không khí AirNet của Trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành giám sát hiện trường, Hệ thống bản đồ cảnh báo rủi ro (hazard map system) dùng các cảm biến năng lượng thấp và dữ liệu viễn thám của Trường Đại học Bách khoa TP.HCM,… Đây là những nguồn cung cấp dữ liệu phong phú về chất lượng không khí theo thời gian thực, kết hợp với phương pháp quan trắc truyền thống có thể giảm chi phí vận hành mạng lưới và cho phép giám sát trên phạm vi cả nước.
“Hệ thống bản đồ cảnh báo rủi ro (hazard map system) dùng các cảm biến năng lượng thấp và dữ liệu viễn thám” là sản phẩm từ đề tài KH&CN cấp thành phố do Trường Đại học Bách khoa (Đại học Quốc gia TP.HCM) chủ trì thực hiện, được Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu năm 2021.
Nghiên cứu được thực hiện nhằm mục đích phát triển hệ thống phục vụ định hướng xây dựng thành phố thông minh của TP.HCM, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống người dân và khả năng quản lý của các cơ quan chức năng như Sở Tài nguyên và Môi trường, Ủy ban Nhân dân TP.HCM. Bên cạnh việc thiết kế tổng quan bản đồ cảnh báo nguy hiểm, các nốt cảm biến và các điểm thu thập dữ liệu giao tiếp không dây đóng vai trò chính trong việc thu thập dữ liệu chính xác, phục vụ việc xây dựng bản đồ cảnh báo rủi ro. Ngoài ra, đề tài hướng đến việc sử dụng kết hợp dữ liệu thu thập từ cảm biến và dữ liệu từ các ảnh chụp vệ tinh để phân tích và đưa ra được các thông tin nhiệt độ bề mặt và các mức độ ô nhiễm khác nhau ở TP.HCM (ảnh được Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ - NASA cung cấp miễn phí). Dữ liệu thu thập được lưu trữ bằng công nghệ điện toán đám mây và các thông tin quan trắc môi trường được hiển thị trên bản đồ nhiệt có khả năng tương tác.
Thông tin quan trắc môi trường từ ảnh viễn thám được hiển thị trên bản đồ nhiệt (heatmap) và nốt cảm biến được thiết kế dạng tủ kín, sử dụng pin năng lượng mặt trời (Nguồn: Kết quả nghiên cứu)
Với hệ thống bản đồ này, người dân có thể cập nhật thông tin mọi nơi, mọi lúc theo thời gian thực; đồng thời, chính quyền địa phương có thể đưa ra phản ứng kịp thời đối với các tình huống cảnh báo ô nhiễm nghiêm trọng.
Ứng dụng ảnh viễn thám và Big data giám sát ô nhiễm từ các khu xử lý rác thải
Với mong muốn xây dựng cơ sở khoa học, phương pháp luận và quy trình công nghệ ứng dụng Big data - viễn thám để giám sát tình trạng ô nhiễm không khí từ các khu xử lý rác thải, các nhà khoa học tại Trung tâm Triển khai công nghệ viễn thám (Cục Viễn thám quốc gia) đã thực hiện đề tài KH&CN: “Nghiên cứu ứng dụng Big data – viễn thám trong giám sát ô nhiễm không khí từ các khu xử lý rác thải”, được Bộ Tài nguyên và Môi trường nghiệm thu vào tháng 3/2023.
Nghiên cứu sử dụng nhiều loại dữ liệu: (1) Dữ liệu thu thập từ hơn 30 trạm quan trắc chất lượng không khí trên toàn bộ khu vực Thành phố Hà Nội; (2) Dữ liệu lớp phủ mặt đất, hiện trạng sử dụng đất khu vực Hà Nội (3) Dữ liệu viễn thám chuyên xác định một số loại khí trong không khí (CO, SO2, NO2, CH4, O3) Sentinel-5P; (4) Dữ liệu viễn thám phục vụ tính toán hàm lượng bụi mịn PM2.5 và PM10 gồm Sentinel-2A/B, Landsat 8-9; (5) Dữ liệu từ hệ thống UAV giám sát chất lượng không khí tại hai khu xử lý rác thải tập trung tại Hà Nội là Nam Sơn (Huyện Sóc Sơn) và Xuân Sơn (TP. Sơn Tây). Trên cơ sở các kết quả chiết xuất các dữ liệu chất lượng không khí, các nhà khoa học đã tính toán và lập Bản đồ Chỉ số chất lượng không khí AQI24h năm 2022 quy mô toàn bộ Thành phố Hà Nội ở tỉ lệ 1/250.000 và khu vực xung quanh hai khu xử lý rác thải ở tỉ lệ 1/50.000. Bên cạnh đó, xác định được sự phát tán một số thành phần hóa chất độc hại gây ô nhiễm không khí từ các khu vực xử lý rác thải tập trung là SO2, NO2, CH4.
Bản đồ Chỉ số chất lượng không khí AQI24h năm 2022 tại khu vực bãi rác Nam Sơn 04 Quý năm 2022 (Nguồn: Kết quả nghiên cứu)
Kết quả nghiên cứu cho thấy, sử dụng dữ liệu viễn thám có thể đáp ứng việc giám sát chất lượng không khí trên quy mô lớn. Ngoài ra, việc áp dụng và kết hợp giải pháp kỹ thuật quản lý và lưu trữ big data - viễn thám trong thu thập, xử lý và phân tích dữ liệu đã mang lại hiệu quả cao, giúp nâng cao độ phân giải của dữ liệu chất lượng không khí viễn thám độ phân giải thấp như Sentinel-5P; cho phép xử lý khối lượng lớn dữ liệu viễn thám để xuất các thông số chất lượng không khí hàng ngày và có thể giám sát chất lượng không khí ở quy mô không gian nhỏ hơn nhưng đòi hỏi có độ chi tiết cao như các khu vực xử lý rác thải tập trung, khu công nghiệp, làng nghề,…
Thiết bị ManPMS thu mẫu khối lượng bụi PM2.5, PM10 trong môi trường đô thị
Để đo khối lượng các chất gây ô nhiễm môi trường như bụi PM2.5, PM10 trong đô thị, cần có các thiết bị đo chuyên dụng, tuy nhiên hầu hết các thiết bị quan trắc bụi điển hình trong không khí đều cồng kềnh, nặng, đắt tiền (lên đến $100.000 cho mỗi trạm) và phải nhập khẩu từ nước ngoài. Do đó, để giảm thiểu chi phí sản xuất, vận chuyển và tiến tới nội địa hóa sản phẩm, các nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu và chuyển giao công nghệ (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã thiết kế, chế tạo thành công ManPMS - Thiết bị thu mẫu khối lượng bụi chuyên dùng theo tiêu chuẩn của US EPA (40-CFR Part 50) thông qua đề tài KH&CN: “Nghiên cứu, chế tạo và tích hợp thiết bị thu mẫu khối lượng bụi (PM10, PM2.5) trong môi trường không khí ngoài trời”.
Thiết bị ManPMS gồm có:
- Đầu thu mẫu bụi PM10 (VAST-PM10L-1) được thiết kế theo nguyên tắc tác động theo tầng phù hợp để thu gom các hạt bụi có đường kính < 10 µm, lưu lượng hút 16,67 L/phút (tương đương 1 m3/giờ), có chức năng thu gom hạt bụi PM, trích xuất một mẫu sol khí từ khí quyển trong cả điều kiện lặng gió và đồng thời loại bỏ các hạt có kích thước 10 µm.
- Bộ tách PM2.5 (VAST-PM2.5-WINS) được đặt phía dưới đầu thu mẫu PM10 và cũng được thiết kế theo tiêu chuẩn của EPA, có chức năng như một bộ tách trước các hạt có kích thước lớn hơn hoặc bằng 2,5 µm, cũng như loại bỏ các tạp chất như nước và mảnh vụn.
Ngoài ra, ManPMS còn bao gồm các thành phần khác như ống xả, bơm hút khí, hệ thống điều khiển lưu lượng dòng khí đi qua cái lọc, thiết bị đo lưu lượng dòng khí, hệ thống giám sát nhiệt độ môi trường và cụm giá đỡ cái lọc, hệ thống đo áp suất khí quyển, bộ hẹn giờ, vỏ hộp đáp ứng quy định của US EPA (40-CFR Part 50). Sản phẩm có phần mềm tích hợp, giao diện người dùng được thiết kế đơn giản, thân thiện, dễ học và đọc.
ManPMS - Thiết bị thu mẫu khối lượng bụi PM2.5, PM10 phục vụ giám sát chất lượng không khí đô thị (Nguồn: Kết quả nghiên cứu)
Các kết quả thử nghiệm đánh giá đặc tính đo lường của ManPMS hoàn toàn phù hợp với đặc tính kỹ thuật đo lường. ManPMS có thể được dùng để thu thập dữ liệu và mẫu vật cho nghiên cứu về chất lượng không khí và tác động của các tác nhân ô nhiễm đến sức khỏe và môi trường. Bên cạnh đó, ManPMS có thể hỗ trợ giám sát chất lượng không khí tại các đô thị và khu công nghiệp, cũng như đo lường mức độ hiệu quả của các biện pháp kiểm soát ô nhiễm bụi từ xe cộ, công nghiệp và tiêu thụ năng lượng. Nghiên cứu cũng góp phần cung cấp giải pháp lấy mẫu bụi trong điều kiện thực tế tại Việt Nam, hỗ trợ các sản phẩm trong nước và giảm phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu.
***
Có thể thấy vai trò không thể thiếu của đội ngũ các nhà khoa học trong việc nghiên cứu công nghệ và thiết bị phục vụ việc giám sát ô nhiễm không khí tại Việt Nam. Đặc biệt, khi các Thành phố lớn tăng cường đầu tư, lắp đặt thêm mạng lưới trạm quan trắc tự động thì khả năng liên kết trực tiếp với dữ liệu viễn thám sẽ góp phần giúp việc quan trắc chất lượng không khí chi tiết từng khu vực (hay trên quy mô lớn) nhanh chóng, hiệu quả và chính xác hơn; đáp ứng kịp thời nhu cầu theo dõi thời gian thực của người dân về các chỉ số chất lượng không khí tại nơi sinh sống. Qua đó, người dân có thể hiểu và góp phần tham gia cùng chính quyền trong việc xây dựng các giải pháp cải thiện ô nhiễm không khí.
Duy Sang
--------------------------------------------------------------------------------
Tài liệu tham khảo chính
[1] Chu Thị Ngân. Chế tạo thành công thiết bị thu mẫu khối lượng bụi ManPMS. https://vast.gov.vn/web/guest/tin-chi-tiet/-/chi-tiet/che-tao-thanh-cong-thiet-bi-thu-mau-khoi-luong-bui-manpms-111854-463.html
[2] Géraldine Le Nir, Juliette Laurent, Marie Lan Nguyen Leroy. Ô nhiễm không khí: Cần làm gì để bảo vệ mình? Nhã Nam.
[3] Ha Hoang. Vietnam urged to invest in greener energy sources to improve air quality. https://www.rmit.edu.vn/news/all-news/2023/may/vietnam-urged-to-invest-in-greener-energy-sources-to-improve-air
[4] IQAir. 2022 World Air Quality Report. IQAir.
[5] PGS.TS. Phạm Quốc Cường. Hệ thống bản đồ cảnh báo rủi ro sử dụng cảm biến năng lượng thấp và ảnh viễn thám. Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, 32-34.
[6] ThS. Nghiêm Văn Ngọ và các cộng sự. Báo cáo tổng hợp đề tài KH&CN cấp Bộ "Nghiên cứu ứng dụng Big data - viễn thám trong giám sát ô nhiễm không khí từ các khu xử lý rác thải".