Nhận dạng các tác nhân gây biến đổi khí hậu phát sinh từ các hoạt động sản xuất công nghiệp.
Biến đổi khí hậu (BĐKH) là một trong những thách lớn nhất đối với nhân loại trong thế kỷ 21, đã và đang gây ra những biến đổi mạnh mẽ thông qua các hiện tượng thời tiết cực đoan, dị thường như nhiệt độ tăng, bão mạnh, mưa lớn, lũ lụt, hạn hán và nước biển dâng cao, v.v. Trong đó Việt Nam đã và đang phải đương đầu với những biểu hiện ngày càng gia tăng của những hiện tượng thời tiết này. Một trong những nguyên nhân chính của sự BĐKH là các hoạt động của con người, trong đó sản xuất năng lượng và các hoạt động công nghiệp đã và đang sản sinh ra các tác nhân góp phần đáng kể vào các hiện tượng BĐKH này. Bài viết này nhằm cung cấp một số thông tin liên quan đến việc nhận dạng các tác nhân gây BĐKH trong một số ngành công nghiệp để từ đó có thể đề xuất được các giải pháp khoa học công nghệ để giảm thiểu sự phát sinh của chúng vào môi trường.
1. Nguyên nhân gây biến đổi khí hậu
Có 2 nguyên nhân chính gây ra BĐKH, đó là do tự nhiên và do con người. Nguyên nhân gây ra BĐKH do tự nhiên bao gồm thay đổi cường độ sáng của Mặt trời do xuất hiện các điểm đen của Mặt trời, các hoạt động núi lửa, thay đổi đại dương, thay đổi quỹ đạo quay của trái đất. Tuy nhiên, các nguyên nhân gây ra BĐKH do các yếu tố tự nhiên đóng góp một phần rất nhỏ vào sự BĐKH và có tính chu kỳ kể từ quá khứ đến hiện nay. Theo các kết quả nghiên cứu và công bố từ Ủy Ban Liên Chính Phủ về BĐKH (Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC) thì nguyên nhân gây ra BĐKH chủ yếu là do các hoạt động của con người. Các hoạt động này bao gồm việc đốt các nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, v.v.) phục vụ các hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải, sinh hoạt (đun nấu, sưởi ấm),v.v, và thay đổi mục đích sử dụng đất (thay đổi albedo bề mặt đất) bao gồm thay đổi trong nông nghiệp và nạn phá rừng. Ngoài ra còn một số hoạt động khác như đốt sinh khối, sản phẩm sau thu hoạch.
Trong báo cáo của IPCC gần đây nhất (2007), các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng hoạt động con người đóng góp vào 90% nguyên nhân gây ra BĐKH. Theo kết quả kiểm kê khí nhà kính năm 2000 của Việt Nam, tổng khí nhà kính khoảng 143 triệu tấn CO2 tương đương/năm. Trong đó nông nghiệp chiếm 45%, năng lượng chiếm 35%, lâm nghiệp chiếm 11%, công nghiệp 7% và phân huỷ chất thải 2%. Như vậy có thể thấy các hoạt động sản xuất công nghiệp, các nhà máy nhiệt điện sản xuất năng lượng góp phần đáng kể vào việc phát sinh khí nhà kính gây BĐKH. Chắc chắn cùng với sự phát triển công nghiệp của Việt Nam, phát thải các chất khí ô nhiễm sẽ gia tăng và tỷ lệ này sẽ có sự thay đổi với sự tăng lên tỷ lệ đóng góp của các hoạt động sản xuất công nghiệp.
2. Một số hiện tượng BĐKH
Để có thể nhận dạng được các yếu tố gây BĐKH phát sinh từ các hoạt động sản xuất công nghiệp (bao gồm cả các nhà máy nhiệt điện), trước hết hãy xem xét các hiện tượng BĐKH gây ra do các chất ô nhiễm không khí.
2.1. Sự nóng lên của trái đất
Nhiệt độ bề mặt trái đất được hình thành bởi sự cân bằng giữa năng lượng mặt trời chiếu xuống trái đất và năng lượng nhiệt bức xạ của trái đất phát vào vũ trụ. Nếu tính theo phương trình cân bằng năng lượng thì nhiệt độ bề mặt trái đất chỉ khoảng -19oC. So với nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất thực tế là 15oC thì sự chênh lệch 34oC chính là kết quả của “hiệu ứng nhà kính” do các thành phần của khí quyển gây ra. Các khí nhà kính chính bao gồm khí CO2, clofloruacacbon (CFCs), metan, N2O, trong đó khí CO2 là khí nhà kính quan trọng nhất, chiếm tỷ trọng khoảng 55%. Sau đó là các khí CFCs, chủ yếu là CFC-11 và CFC-12; mặc dù tác dụng hiệu ứng nhà kính của các khí này cao hơn khí CO2 (một phân tử khí CFC-11 có tác dụng hiệu ứng nhà kính tương đương với 12.000 phân tử CO2) nhưng tỷ trọng hiệu ứng nhà kính chỉ chiếm khoảng 24%.
Việc gia tăng lượng CO2 vào khí quyển do đốt cháy nhiên liệu hoá thạch trong những năm gần đây chính là nguyên nhân gây ra việc nóng lên của trái đất. Những năm gần đây biểu hiện của việc ấm lên của trái đất càng gia tăng rõ rệt. Trong 50 năm qua, nhiệt độ trung bình ở Việt Nam đã tăng lên khoảng 0,5-0,7oC, trong đó nhiệt độ mùa đông tăng nhanh hơn mùa hè, nhiệt độ ở miền Bắc tăng nhanh hơn ở miền Nam.
2.2. Sự phá hủy tầng ozone
Sau “Hiệu ứng nhà kính”, sự phá hủy tầng ozone (O3) do các chất khí ô nhiễm gây ra cũng là một trong những hậu quả mang tính toàn cầu. Ở lớp bình lưu (cách bề mặt trái đất 12-40km), lớp không khí loãng có chứa 300-500ppb O3. Ozone là thành phần duy nhất của khí quyển có khả năng hấp thụ một cách đáng kể bức xạ sóng ngắn < 0,28µm. Nếu không có lớp ozone này, một lượng khá lớn tia cực tím với bước sóng 0,2-0,28µm có thể tới được trái đất, gây ra những phản ứng hóa học với các bề mặt tiếp xúc, độc hại đối với con người, động vật và cây cối.
Sự phá hủy tầng ozone chủ yếu gây ra do các nguyên tử clo. Một nguyên tử clo có thể chuyển 104-106 phân tử O3 thành phân tử oxy thông thường. Việc sản xuất CFCs (các hợp chất có chứa clo, flo và cacbon, thường gọi là freon) dùng cho các tủ lạnh và các máy điều hòa không khí, đặc biệt máy điều hòa cho ô tô, là nguyên nhân chính gây ra sự phá hủy tầng ozone. Ngoài ra, khí NO sinh ra từ các máy bay, bay ở độ cao lớn; khí N2O cũng góp phần phá hủy tầng ozone, nhưng với một tỉ lệ rất nhỏ so với CFCs vì một phân tử NO chỉ có khả năng phá hủy một phân tử O3.
2.3. Mưa axit
Mưa axit chủ yếu tạo ra do khí oxyt sulfur, SO2 (khoảng 2/3) và khí oxyt nitơ, NOx (khoảng 1/3) phát sinh từ đốt nhiên liệu hoá thạch. Những khí này dễ dàng hòa tan vào nước, tạo thành axit sulfuric và axit nitric. Các giọt axit nhỏ bé được gió mang đi và theo mưa rơi xuống bề mặt trái đất. Mưa axit đã gây tác hại nặng nề cho môi trường, hệ sinh thái và con người. Việt Nam, mặc dù công nghiệp và đô thị chưa ở mức cao trên thế giới và khu vực, nhưng lại có tiềm năng mưa axit cao do mức tăng trưởng mạnh về kinh tế và đường biên giới đất liền và biển rất lớn. Số liệu hoá học nước mưa những năm gần đây cho thấy đã có dấu hiệu của mưa axit ở một số nơi. Nghiên cứu mưa axit ở nước ta mới chỉ được bắt đầu và rất sơ bộ từ những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, và quan trắc mưa axit bắt đầu chậm hơn (1996). Năm 2000, kết quả quan trắc mưa axit ở Việt Nam cho thấy tỷ lệ số mẫu có độ pH< 5,5 tại các thành phố và khu công nghiệp rất cao so với khu vực miền núi (TP Hồ Chí Minh 93%, Dung Quất 58%, Biên Hòa 43%, Bình Dương 26%, Lào Cai 7% và Mỹ Tho 1%).
2.4. Khói quang hoá
Khói quang hóa (Photochemical smog) được sinh ra trong khí quyển do sự tương tác giữa ánh sáng mặt trời và các chất ô nhiễm như hydrocacbua và oxit nitơ. Kết quả là ozone tích tụ lại và sinh ra một số chất ô nhiễm thứ cấp như formaldehyt, aldehyt, PAN (peroxyacetil nitrat). Các chất này thường là các chất kích thích, gây ho, đau đầu và các bệnh đường hô hấp. Chúng làm giảm quá trình sinh trưởng của cây, phá hoại tế bào lá và gây tổn thương nhiều loại cây. Lá cây trong khu vực có sương mù quang hóa xuất hiện những đốm màu nâu trên bề mặt lá, sau đó chuyển sang màu vàng. Lớp ozone ở tầng mặt đất có thể hủy hoại là cây, làm giảm sự phát triển, khả năng sinh sản và quá trình sinh sản. Nó có thể gây ra sự mất khả năng tự vệ trước các loại côn trùng cũng như bệnh tật và thậm chí còn gây chết. Ozone dễ dàng phản ứng với những loại vật liệu hữu cơ, làm tăng hủy hoại ở cao su, sợi tơ, nylon, sơn và thuốc nhuộm.
Ngoài 4 hiện tượng BĐKH chính kể trên, các chất khí ô nhiễm còn có thể gia tăng mức độ ảnh hưởng mỗi khi có hiện tượng nghịch đảo nhiệt, hoặc gây các hiện tượng bất thường mang tính khu vực như hiện tượng “Mây Nâu Châu Á” trải dài hàng ngàn kilomét suốt từ tây nam Afganistan đến đông nam Sri Lanka, bao phủ hầu hết Ấn Độ, chứa đựng rất nhiều loại chất ô nhiễm như bụi, tro, muội, một số loại khí gây mưa axit và có thể lan toả xa hơn nữa, đến cả những miền Đông và Đông Nam Á.
3. Nhận dạng các tác nhân gây BĐKH phát sinh từ các hoạt động sản xuất công nghiệp
Các chất khí ô nhiễm có thể gây BĐKH bao gồm: CO2, NxOy, CH4, Clo, SO2, Hydrocacbon, ozone, các chất khí chứa flo (F-gases) như CFCs, HCFCs, HFCs, PFCs, SF6, v.v. Các chất này hầu như đều có mặt trong khí thải từ các hoạt động sản xuất công nghiệp, các nhà máy nhiệt điện và các lò đốt chất thải. Bảng 2 cung cấp một số thông tin về nguồn gốc và tải lượng ô nhiễm ước tính của các chất này.
Có thể nói trong hầu hết các ngành công nghiệp đều sử dụng một hoặc nhiều thiết bị đốt cháy nhiên liệu hoá thạch. Ngoài các ngành công nghiệp sử dụng lượng nhiên liệu hoá thạch lớn, các cơ sở sản xuất thuộc ngành công nghiệp nhẹ cũng sử dụng lò hơi (dùng than hoặc dầu làm nhiên liệu đốt) phục vụ cho quy trình công nghệ. Sau đây là một số ví dụ về tải lượng ô nhiễm khí thải của một số ngành công nghiệp.
3.1. Ngành sản xuất xi măng
Sản xuất xi măng đóng góp vào việc phát thải khí nhà kính do đốt cháy nguyên, nhiên liệu hoá thạch trong quá trình sản xuất. Các nguồn phát sinh chất thải khí bao gồm: Lò sấy, lò nung clinke, máy phát điện và các hoạt động của các phương tiện giao thông vận tải. Các chất ô nhiễm khí bao gồm: Bụi than, bụi đất đá, bụi clinke, bụi xi măng, các loại khí độc (SO2, CO, CO2, NO2).
3.2. Ngành sản xuất gạch nung
Trong ngành sản xuất gạch nung, các nguồn phát sinh chất thải khí bao gồm: Thiết bị cán, nhào trộn nguyên liệu (đất sét), nhiên liệu, lò sấy, lò nung, máy phát điện, khu vực xếp dỡ gạch và các phương tiện giao thông vận tải. Các chất ô nhiễm khí bao gồm: Bụi than, bụi đất sét, khí độc (SO2, CO, CO2, NO2).
3.3. Ngành luyện thép
Khí thải trong sản xuất thép lò điện bao gồm khí thải trực tiếp từ lò điện hồ quang và lò thùng tinh luyện, khí thải do vận chuyển liệu và nạp liệu, rót thép và đúc thép, và khói do chế biến xỉ. Khí thải từ lò điện hồ quang và lò thùng tinh luyện chiếm khoảng 95% toàn bộ khí thải trong xưởng thép lò điện. Khí thải từ lò điện hồ quang có dải thành phần rộng, bao gồm bụi, kim loại nặng, SO2, CO2, NOx, các hợp chất hữu cơ bay hơi, trong đó thành phần và lượng các chất hữu cơ bay hơi là đặc biệt quan trọng. Khí thải từ vận chuyển liệu và nạp liệu, rót thép và đúc thép, không nhiều lắm, lượng các chất ô nhiễm cũng ít hơn so với lò điện. Khói từ khâu xử lý xỉ chứa nhiều chất kiềm vì trong xỉ có chứa CaO. Chưa có số liệu đầy đủ về lượng và thành phần khí thải lò luyện thép ở Việt Nam. Bảng 5 cho các số liệu về thành phần ô nhiễm khí thải lò điện hồ quang tại Châu Âu.
3.4. Ngành đúc kim loại
Các chất có trong khí thải của ngành đúc kim loại bao gồm: i) bụi và khói trong quá trình nạp liệu vào lò và làm sạch vật đúc; ii) Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) bao gồm một số hydrocacbon đã bị oxy hoá một phần và một số hydrocacbon thơm đa vòng (PANs) tại công đoạn làm khuôn, đức, dỡ khuôn và làm nguội; iii) Dioxin/Furan (PCDD/PCDF) và các hợp chất muối hữu cơ bền vững trong hầu hết các quá trình cháy thông qua cơ chế tổng hợp de novo bởi sự cháy của các chất phi Clo hữu cơ như nhựa, than đá và nhựa cacbon với sự có mặt tình cờ của Clo; iv) Các kim loại nặng (chì, kẽm, cadmi, …); v) Các chất khí khác như SO2, CO, NOx, hợp chất Clorit, Florit, H2S, N, Formadehyde, v.v. Theo Tổ chức Y tế Thế giới, có thể tính toán nhanh được tải lượng ô nhiễm thông qua hệ số ô nhiễm. Ví dụ đối với đúc gang lò vòm: hệ số ô nhiễm đối với bụi là 6,9 kg/tấn sản phẩm, SO2 là 0,6.S kg/tấn sản phẩm, CO là 73 kg/tấn sản phẩm; đối với đúc gang lò hồ quang: hệ số ô nhiễm đối với bụi là 6,3 kg/tấn sản phẩm, NOx là 0,16 kg/tấn sản phẩm, CO là 9,75 kg/tấn sản phẩm, VOC là 0,09 kg/tấn sản phẩm. Đối với đúc đồng bậc 1 từ quặng đồng: hệ số ô nhiễm đối với bụi là 248 kg/tấn sản phẩm, SO2 là 2.120 kg/tấn sản phẩm.
3.5. Ngành sản xuất hoá chất cơ bản
a./ Sản xuất axit sulphuric
Các chất ô nhiễm chính trong khí thải là SO2, SO3, H2SO4. Ngoài ra là khí CO2, CO, NOx, bụi, kim loại nặng tùy theo nguồn đầu vào SO2 và công nghệ sản xuất H2SO4. Bảng 6 cho tải lượng khí SO3 trong khí thải theo Hiệp hội sản xuất phân bón Châu Âu. Theo tài liệu của Ngân hàng Thế giới, sản xuất axit sulphuric theo công nghệ tiếp xúc kép và hấp thụ kép, tải lượng khí SO2 trong khí thải là 2-4kg/tấn sản phẩm axit sulphuric và tải lượng khí SO3 trong khí thải là 1,15- 0,2kg/tấn sản phẩm axit sulphuric
b./ Sản xuất kiềm-clo
Chất ô nhiễm không khí chính ở đây là khí clo. Để sản xuất ra 1000kg clo, trong khí thải sau xử lý trong các scrubber chỉ còn dưới 1kg clo. Ngoài ra có thể còn một số khí ô nhiễm khác như thủy ngân ở công nghệ điện phân thủy ngân (nhưng lượng rất ít), hơi axit HCl từ công đoạn sản xuất axit HCl, hơi axit H2SO4 trong công đoạn làm lạnh tách hơi nước trong khí clo, v.v.
c./ Sản xuất phốt pho nguyên tố và axit photphoric
Các nguồn ô nhiễm không khí trong dây chuyền sản xuất phốt pho nguyên tố chủ yếu là tại công đoạn chuẩn bị nguyên vật liệu và khí từ lò điện. Tại công đoạn chuẩn bị nguyên liệu, các nguồn ô nhiễm không khí chủ yếu là bụi. Khí từ lò điện có chứa bụi, khí CO, P2O5, H2S, photphin hay HF sau khi qua tháp ngưng tụ P sử dụng nước (tháp này còn có tác dụng như một scrubber) chỉ còn khí CO (chiếm khoảng 70-80% với hàm lượng CO 80-95%) và các khí không hòa tan hoặc không phản ứng với nước. Khí H3PO4 rò rỉ hầu như không độc hại, nhưng khi gặp hơi nước trong khí quyển tạo thành axit có khả năng gây mưa axit và giảm độ ẩm của không khí.
d./ Sản xuất amoniac
* Trong công nghệ tổng hợp NH3 từ khí tự nhiên có các nguồn gây ô nhiễm không khí sau:
– Khí thải từ công đoạn làm giàu khí lần 1: có chứa khoảng 8%CO2 (khoảng 500kg/t NH3), 200-400mg/Nm3 khí NOx (khoảng 0,6 –1,3kg NO2/t NH3), 0,1-2 mg/Nm3 khí SOx (<0,01kg/t NH3), và <10mg/Nm3 khí CO (khoảng <0,03 kg/t NH3).
– Khí CO2 từ công đoạn tách CO2: có khoảng 1.200kg CO2/tấn NH3 ngưng tụ từ công đoạn này, trong đó tùy thuộc vào các phương tiện sản xuất cụ thể mà lượng CO2 xả thải ít hay nhiều. Trong một số trường hợp, người ta chỉ sử dụng lượng CO2 có độ tinh khiết cao và xả bỏ hỗn hợp CO2 với không khí. Trong khí này thường có chứa khí tổng hợp hoặc hơi dung môi hấp thụ dạng vết.
– Khí rò rỉ từ các mặt bích, van, đệm, v.v.
– Khí từ công đoạn tổng hợp NH3 thường được rửa bằng nước để tách NH3 và xử lý trong bộ phận thu hồi khí trước khi đưa đến hệ thống khí đốt của công đoạn làm giàu khí thứ nhất. Lượng khí thừa này được đốt và tham gia vào thành phần khí thải của công đoạn này và sự có mặt của khí NH3 sẽ tham gia vào việc sinh ra khí NOx. Do đó cần phải khử tối đa lượng NH3 trước khi đốt.
* Trong công nghệ tổng hợp NH3 từ than hoặc dầu nặng có các nguồn gây ô nhiễm không khí sau:
– Bụi từ công đoạn khí hóa than (hoặc dầu nặng) khoảng 50mg/m3.
– Khí SO2 trong khí cuối ở công đoạn thu hồi khí sulfua.
– CO2 từ công đoạn tách CO2 (tương tự như công nghệ tổng hợp NH3 từ khí tự nhiên, nhưng cao hơn, khoảng 1.300kg CO2/tấn NH3.
– Ngoài ra có thể có những khí khác như H2S (0,3ppmv), methane (max 100ppmv), CO (30ppmv). Phát thải khí NOx (max 700mg/Nm3) phụ thuộc vào sự có mặt của các thành phần khác trong khí thải và hàm lượng nitơ trong nhiên liệu.
– Khí nitơ thừa thường được xả thải ra khí quyển.
Nếu công nghệ yêu cầu nồi hơi phụ trợ thì khí thải nồi hơi chứa các chất khí như CO, SO2, NOx và bụi.
4. Kết luận
Bên cạnh các hoạt động của ngành nông nghiệp và lâm nghiệp được coi là nguồn phát sinh chính gây BĐKH thì các hoạt động sản xuất công nghiệp, đặc biệt là các ngành như sản xuất vật liệu xây dựng, luyện thép, hoá chất, nhiệt điện cũng góp phần đáng kể vào việc phát sinh các tác nhân gây BĐKH. Cùng với quá trình công nghiệp hoá – hiện đại hoá đất nước, mức độ gia tăng các tác nhân này càng ngày càng nhiều về cả số lượng nguồn cũng như tải lượng phát sinh. Việc nhận dạng các tác nhân này, đánh giá được tải lượng phát sinh sẽ là cơ sở để xây dựng được các giải pháp giảm thiểu và kiểm soát chúng.
Tài liệu tham khảo
1. Bộ Công thương – Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn – Ngành: Luyện thép lò điện hồ quang, 2008
2. Bộ Công thương – Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn – Ngành: Đúc kim loại, 2008
3. Bộ Xây dựng – Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn cho ngành sản xuất xi măng, 2004
4. Bộ Xây dựng – Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn cho ngành sản xuất gạch nung, 2004
5. Bộ Xây dựng – Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn cho cơ khí xây dựng, 2005
6. Bộ Y tế – Sức khoẻ môi trường – Tài liệu giảng dạy cao học, NXB Y tế, 1999
7. Nguyễn Trinh Hương – Nghiên cứu xây dựng quy trình xử lý khí thải cho một số công đoạn có nguy cơ gây ô nhiễm cao trong ngành hoá chất” – Báo cáo tổng kết đề tài, 2008
8. Tan Nguyen Huu – Ô nhiễm không khí, 2013
http://www.slideshare.net/TanNguyenHuu/nhim-khng-kh
9. Các tư liệu truy cập từ mạng Internet
ThS. Nguyễn Trinh Hương
Viện Nghiên cứu KHKT Bảo hộ lao động
(Nguồn tin: Nilp.vn)