Mô phỏng ONKK từ nguồn thải công nghiệp tại địa hình đồi núi – TH nhà máy xi măng Bỉm Sơn, Thanh Hóa

Thứ Sáu, 06 Tháng Bảy 2012 2:11 CH

KS. Phạm Thế Anh1, KS. Nguyễn Duy Hiếu2, PGS.TSKH.Bùi Tá Long2, 1Khoa Môi trường, Đại học Khoa học Huế 2Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh

TÓM TẮT

Tính toán mô phỏng ô nhiễm không khí từ các nguồn thải công nghiệp không phải là một vấn đề mới. Trong nhiều năm qua nhiều phần mềm đánh giá ô nhiễm dựa trên phương pháp Gauss, Berliand, kể cả mô hình ISC3 của các tác giả trong và ngoài nước đã được thực hiện [1], [7]. Tuy nhiên các mô hình này chưa lưu ý tới địa hình phức tạp khi tính toán, điều này chắc chắn sẽ làm giảm đi độ tin cậy của kết quả tính toán. Bên cạnh đó, gần đây phần mềm AERMOD ra đời cho phép khắc phục được nhược điểm của các mô hình trước đây ở chỗ đã lưu ý tới yếu tố địa hình. Việc nghiên cứu để từng bước ứng dụng vào thực tiễn của Việt Nam là cần thiết trong khuôn khổ bài toán bảo vệ môi trường.

Bài báo này trình bày kết quả bước đầu ứng dụng phần mềm AERMOD tính toán mô phỏng ô nhiễm không khí từ nhóm các ống khói công nghiệp, lây nhà máy xi măng Bỉm Sơn, Thanh Hóa làm ví dụ nghiên cứu.

Từ khóa: ô nhiễm không khí  từ ống khói công nghiệp, địa hình đồi núi, xi măng Bỉm Sơn, Thanh Hóa.

ABSTRACT

Simulation of air pollution from industrial waste is not a new problem. In recent years many pollution assessment model based on Gauss, Berliand, ISC3 models of domestic and foreign authors has been made. However, these models have not noticed the terrain factor, this will certainly diminish the credibility of the simulation. Releasing of AERMOD software that allows to overcome the disadvantages of previous models in that had noticed the terrain factor. The research to appllying in Vietnam is necessary in the framework of environmental protection problem.

This paper presents the results of AERMOD software application into air pollution from industrial stacks, in the case study of Cement Bim Son, Thanh Hoa.

Keywords: Air pollution from industrial stacks, hill terrain, cement Bim Son, Thanh Hoa.

1. MỞ ĐẦU

Công ty xi măng Bỉm Sơn nằm trong một thung lũng đá vôi và đá sét với trữ lượng lớn thuộc thị xã Bỉm Sơn – tỉnh Thanh Hoá. Nhà máy được khởi công xây dựng từ năm 1977 đến năm 1981 do Liên Xô (cũ) thiết kế, xây dựng và cung cấp toàn bộ thiết bị. Ngày 04/03/1980 Chính phủ ra quyết định số 334/BXD- TCCB thành lập Nhà Máy Xi Măng Bỉm Sơn. Ngày 22/12/1981 dây chuyền số I đi vào hoạt động, năm 1983 dây chuyền II cũng hoàn thành và đi vào sản xuất với tổng công xuất thiết kế là 1,2 triệu tấn sản phẩm một năm. Ngày 12/08/1993 Bộ trưởng Bộ Xây dựng ra Quyết định số 366/BXD – TCLĐ quyết định sát nhập hai đơn vị là Nhà Máy Xi Măng Bỉm Sơn và Công ty  Cung ứng vật tư số 4, đổi tên thành Công ty Xi Măng Bỉm Sơn thuộc Tổng Công ty Xi măng Việt Nam, tổ chức và hoạt động theo điều lệ của Tổng Công ty Xi măng Việt Nam. Các loại sản phẩm của công ty cung cấp ra thị trường: Xi măng pooclăng hỗn hợp PC30, PC40 theo tiêu chuẩn TCVN 6260: 1997, Xi măng pooclăng thường PC40, PC50 và clinker theo tiêu chuẩn TCVN 2682:1990. Sản phẩm của công ty trên thị trường đã thực sự chinh phục được khách hàng, điều này được thể hiện ở các giải thường và phần thưởng do người tiêu dùng bình chọn và do các cơ quan chức năng trao tặng [2,5].

Với lợi thế nằm gần quốc lộ 1A và đường sắt thống nhất, cách thủ đô Hà Nội 120 km về phía Nam, cách thành phố Thanh Hoá 35 km về phía Bắc, giao thông khá thuận lợi. Nhà máy đặt tại khu vực đông dân cư, có mức tăng trưởng kinh tế khá, là thị trường rộng lớn. Bỉm Sơn là vùng có trữ lượng đá vôi rất lớn hàng trăm triệu tấn, chất lượng khá ổn định. Với ưu thế của sản phẩm xi măng sản xuất từ phương pháp ướt và chính sách “chất lượng sản phẩm được ưu tiên hàng đầu”, ngay từ những ngày đầu tham gia thị trường, xi măng Bỉm Sơn mang nhãn hiệu “con voi” đã được người tiêu dùng ưa chuộng. Sau hơn hai mươi năm hoạt động, Công ty xi măng Bỉm Sơn đã sản xuất và tiêu thụ hơn 20 triệu tấn sản phẩm các loại góp phần tích cực vào công việc tái thiết đất nước sau chiến tranh và công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá cũng như thoả mãn nhu cầu tiêu dùng của nhân dân trên thị trường rộng lớn từ nam sông Hồng đến cực nam Trung Bộ.

Những năm gần đây ngành công nghiệp sản xuất xi măng trong nước đã có những tiến bộ vượt bậc và hiện nay đang từng bước chuẩn bị tham gia hội nhập khu vực AFTA. Tuy nhiên xi măng Bỉm Sơn với công nghệ sản xuất theo phương pháp ướt đã bộc lộ nhiều nhược điểm: chi phí cho sản xuất cao, tiêu tốn nhiệt năng, tiêu hao điện năng, thiết bị cồng kềnh, mức độ tự động hoá thấp, chi phí nhân công lớn, dẫn đến giá thành sản xuất cao hơn so với các công ty mới ra đời có công nghệ sản xuất theo phương pháp khô hiện đại ảnh hưởng đến sức cạnh tranh của xi măng Bỉm Sơn. Do vậy công ty đã có dự án cải thiện cải tạo nâng cấp dây chuyền số II lên sản xuất theo phương pháp khô hiện đại. Công ty xi măng Bỉm Sơn có diện mạo mới với hai dây chuyền sản xuất xi măng theo phương pháp khô hiện đại với tổng công suất 3.8 triệu tấn sản phẩm/ năm.

Hình 1. Vị trí nhà máy xi măng Bỉm Sơn và địa hình 3 chiều vùng đặt các ống khói

Hoạt động sản xuất của công ty xi măng Bỉm Sơn thải ra môi trường nhiều chất gây ô nhiễm không khí.  Hiện tại do chưa có hệ thống quan trắc tự động và cách quản lý vẫn dựa trên các báo cáo kết quả kiểm soát môi trường xung quanh công ty, chưa có một nghiên cứu nghiêm túc nào được đưa ra để đánh giá phạm vi và mức độ ô nhiễm do các nguồn thải này gây ra. Một trong những nguyên nhân là do tính phức tạp của địa hình đồi núi xung quanh nhà máy này. Đây chính là tính cấp thiết của nghiên cứu này với mục tiêu ứng dụng mô hình AERMOD đánh giá và dự báo chất lượng không khí cho Công ty Xi măng Bỉm sơn. Kết quả của nghiên cứu này sẽ giúp các nhà quản lý đánh giá, dự báo ô nhiễm, quy mô và cường độ cực đại của chất ô nhiễm tại mặt đất.

2. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

Việc lựa chọn mô hình là khâu quan trọng để tính toán mô phỏng. Môi trường không khí, các chất ô nhiễm bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khí tượng như hướng gió, nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, độ che phủ của mây… Bên cạnh đó yếu tố địa hình cũng  đóng  vai trò quan trọng trong việc hình thành, tích lũy, lan truyền các chất ô nhiễm. Do công ty xi măng Bỉm Sơn nằm trong một thung lũng xung quanh là núi đá vôi và đá sét ̣̣̣̣̣(Hình 1)̣̣ cho nên khi tính toán sự phát tán ô nhiễm cần thiết phải lưu ý tới yếu tố địa hình.̣Mô hình AERMOD cho phép tính toán  phân bố nồng độ dưới tác dụng của các yếu tố trên và đưa ra kết quả cho các nhà quản lý  để  có thể đánh giá nguồn thải hay nhóm nguồn thải có  hay không gây ra ô nhiễm môi trường không khí xung quanh.

Hình 2. Các bước và nội dung thực hiện

Mô hình AERMOD là chữ viết tắt của cụm từ The AMS/EPA Regulatory Model (AERMOD) được đặc biệt thiết kế để hỗ trợ cho chương trình quản lý của EPA. Mô hình gồm 3 thành phần: AERMOD (Mô hình phân tán AERMIC), AERMAP (Công cụ địa hình của AERMOD) và AERMET (Công cụ khí tượng của AERMOD). Từ năm 1991, mô hình AERMOD đã được phát triển bởi Cơ quan Khí tượng  và Cục Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ. Một nhóm các nhà khoa học (gọi tắt là AERMIC) đã hợp tác xây dựng mô hình AERMOD. AERMOD được sử dụng chính thức vào 9-12-2005 sau 14 năm nghiên cứu và hoàn thiện [8,9].

Mô hình AERMOD gồm một loạt các lựa chọn cho việc mô phỏng chất lượng không khí tác động bởi các nguồn thải, xây dựng các lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng. AERMET xử lý các dữ liệu khí tượng bề mặt và trên các tầng khác nhau, cho phép tính các tham số đặc trưng của khí quyển theo mô hình Monin – Obukhov. File khí tượng gồm hai loại file sau: surface  met data file (*.sam) là các số liệu quan trắc được ghi nhận sau mỗi giờ bao gồm các loại dữ liệu sau: hướng gió, vận tốc gió, nhiệt độ không khí, độ ẩm, áp suất khí quyển, lượng mưa, độ che phủ của mây, bức xạ mức trời; file upper air met data file (*.ua) là dữ liệu được quan trắc 2 lần trong ngày vào lúc 0 GMT (7:00 LST) và 12 GMT (19:00 LST) bao gồm dữ liệu về độ cao xáo trộn. AERMAP được tích hợp các mô hình có lưu ý tới địa hình, ảnh hưởng của vệt khói khi đập xuống núi. Do mô hình AERMOD chỉ có thể đọc dữ liệu địa hình dưới dạng file (.XYZ), dó đó ta phải tiến hành một số bước chuyển đổi để có thể đưa dữ liệu này vào mô hình.

3. SỐ LIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG

Để thực hiện nghiên cứu này công tác điều tra số lượng ống khói đang hoạt động đã được thực hiện. Nhiên liệu sử dụng, lưu lượng khí phát thải; số liệu quan trắc nồng độ chất ô nhiễm trong các ống khói trong Công ty Xi măng Bỉm sơn đã được thu thập. Bên cạnh đó đã tận dụng dữ liệu bản đồ từ google, số liệu khí tượng được mua từ cơ quan khí tượng Hoa Kỳ NOAA.

* Nhóm thông số nguồn thải

Chiều cao ống khói, đường kính ống khói, nhiệt độ, lưu lượng khói thải. Đo đạc các số liệu nguồn thải gồm các thông số: NO2, CO, Bụi, SO2 và thể hiện qua

Bảng 1. Các thông số kỹ thuật cho kịch bản tính toán

STT	Tên OK	Vị trí (M)		Cao (m)	Đường kính (m)	Nhiệt độ (0C)	Lưu lượng (Nm3h)	Nồng độ CO (max) (mg/m3)
		x	y
1	OK1	592184	2221996	120	4.5	130-270	450000	365
2	OK2	592359	2222019	31	3.5	90	300000	825
3	OK3	592401	2221930	44	2.5	130	175000	315
4	OK4	592368	2222024	43	3.0	130	96000	295

*Số liệu khí tượng

Để có được file khí tượng dạng mặc định để chạy phần mềm AERMOD, cần thu thập hai loại dữ liệu là “Surface data” và “ Upper air data”. Surface Data là các số liệu quan trắc được ghi nhận sau mỗi 1/2 giờ bao gồm các loại dữ liệu sau:

- Hướng gió

- Vận tốc gió

- Nhiệt độ không khí

- Độ ẩm

- Áp suất khí quyển

- Lượng mưa

- Độ che phủ của mây

- Bức xạ mức trời

Upper Air Data là dữ liệu được quan trắc 2 lần trong ngày vào lúc 0 GMT (7:00 LST) và 12 GMT (19:00 LST) bao gồm dữ liệu về độ cao xáo trộn. Các dữ liệu này được cung cấp bởi NOAA.

*Dữ liệu địa hình tại khu vực công ty xi măng Bỉm sơn

File địa hình do Sở Tài nguyên và Môi trường thị xã Bỉm Sơn cung cấp, qua các bước xử lý trên mapinfo và surfer ta được dữ liệu địa hình để chạy trên AERMOD. Xem hình 2.

Hình 3. Địa hình 3D Bỉm Sơn đã qua xử lý

4. HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH

* Vị trí, phương pháp và thiết bị đo đạc phục vụ kiểm chứng mô hình

Vị trí kiểm chứng được chỉ ra trên  trong Hình 4. Độ cao các điểm kiểm chứng đều như nhau và bằng độ cao tại vị trí đặt nhà máy. Một số điểm lấy mẫu nằm trong khu vực nhà máy. Một số điểm nằm trong phạm vi 2000 m so với nhà máy, ví dụ điểm DN1000 là khu ruộng lúa của phường Lam Sơn Thị xã Bỉm sơn. Các thiết bị đo đạc để kiểm chứng mô hình được sự hỗ trợ của sở Khoa học Công nghệ Thanh Hóa và Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (Bảng 2. Các thông số, phương pháp và thiết bị đo đạc sử dụng).

Hình 4. Các vị trí đo đạc kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình

Bảng 2. Các thông số, phương pháp và thiết bị đo đạc sử dụng

Số liệu dùng để hiệu chỉnh và kiểm chứng được thực hiện từ ngày 20 đến 27 tháng 9 năm 2010. Sai số giữa tính toán theo mô hình và phép đo được tính theo công thức:

Trong đó d là sai số, T là kết quả tính theo mô hình, D là kết quả thực đo.

Kết quả phân tích cho thầy NO₂ có sai số lớn nhất là 41.5% và sai số nhỏ nhất là 23.2%. Trong đó có 100% có sai số dưới 50%. CO có sai số lớn nhất là 75.5% và sai số nhỏ nhất là 61.4%. Trong đó có 100% có sai số trên 50%. SO₂ có sai số lớn nhất là 62.1% và sai số nhỏ nhất là 40.6%. Trong đó có 40% có sai số dưới 50%. Theo kết qủa kiểm chứng thì Bụi lơ lửng sai số lớn nhất là 61.6% và sai số nhỏ nhất là 40.4%. Trong đó có trên 80% có sai số nhỏ hơn 50%.  Như vậy CO là thông số có sai số lớn nhất và nhiều nhất. Điều này có thể do đo đạc và ảnh hưởng từ nguồn thải khác. NO₂ có sai số ít nhất và điều này có thể phù hợp với kết quả mô phỏng sự lan truyền chất ô nhiễm.

Tuy nhiên, có thể khẳng định mô hình AERMOD có thể áp dụng đối với vị trí địa hình của  Bỉm sơn, Thanh Hóa và các vùng phụ cận có thể áp dụng tốt viêc mô phỏng và dự váo cũng như quản lý môi trường. Đặc biệt Bỉm sơn, Thanh Hóa là vùng Phía bắc Bỉm sơn bị che chắn bởi dãy núi đá vôi kéo dài từ Hòa Bình xuống, chạy dài theo hướng Tây Bắc – Đông Nam. Thị xã Bỉm Sơn lại nằm ở sườn khuất gió đối với gió mùa Đông – Bắc thịnh hành về mùa Đông nên nói chung khu vực thị xã ở trong trạng thái sự lưu thông của dòng khí luẩn quẩn (dòng giáng động học), hậu quả là bụi và khí độc không lan truyền xa được, bị lắng đọng trong khu vực thị xã Bỉm Sơn. Gió cuốn bụi xi măng không lan tỏa được vì gặp các đồi núi thấp án ngữ, chỉ gây ô nhiễm trong phạm vi chạy dọc theo hướng gió hoặc quanh quẩn trong các thung lũng nhỏ. Như vậy mô hình AERMOD rất phù hợp cho việc lưu ý tới yếu tố địa hình.

5. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG Ô NHIỄM

Kết quả tính toán mô phỏng lan truyền bụi nhẹ bằng phần mềm AERMOD cho các tháng 1, 4, 7 và 9 năm 2009 được thể hiện trên các Hình 5- Hình 8

6. KẾT LUẬN

Việc phát thải ra các chất ô nhiễm trong quá trình sản xuất đó là điều không mong muốn và khó   tránh khỏi, nhhất là đối với ngành sản xuất xi măng, một nghành sản xuất mà chất thải phụ thuộc nhiều vào chất lượng nguyên vật liệu, công nghệ sản xuất, vị trí nhà máy và các biện pháp bảo vệ môi trường. Trong khi chất lượng môi trường chưa được kiểm soát và quản lý một cách khoa học cho nên  khắc phục, kiểm soát là điều các công ty xi măng hiện nay đang chú ý rất nhiều nhằm hạn chế những thiệt hại về uy tín, hình ảnh doanh nghiệp và bảo vệ chính sức khỏe cho cán bộ công nhân viên trong công ty. Kết quả ứng dụng AERMOD tại nhà máy xi măng Bỉm Sơn, dù chỉ là bước đầu nhưng cũng góp phần cung cấp các luận cứ có cơ sở khoa học cho các nhà quản lý về tình trạng môi trường không khí chịu sự tác động bởi các nguồn thải từ Công ty Xi măng Bỉm sơn trong điều kiện địa hình phức tạp. Tính khoa học của đề tài thể hiện ở chỗ mô hình này cho phép lưu ý tới yếu tố địa hình núi xung quanh từ  của Công ty Xi măng Bỉm Sơn mà các mô hình khác chưa thể lưu ý được. Dù gặp nhiều khó khăn về mặt số liệu đo đạc nhưng công trình cố gắng tiến hành kiểm nghiệm, hiệu chỉnh mô hình thích hợp cho điều kiện tự nhiên ở Thanh Hóa.  Kết quả này cần tiếp tục được kiểm chứng và hiệu chỉnh để có thể áp dụng rộng rãi cho các vùng khác của đất nước.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Bùi Tá Long, 2006. Hệ thống thông tin môi trường. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp. HCM, 334 trang.

2. Báo cáo đánh giá tác động môi trường Dự án Đầu tư xây dựng dây chuyền mới Công ty xi măng Bỉm Sơn công suất 2 triệu tấn xi măng/năm đã được phê chuẩn theo Quyết định số 1740/QĐ-BTNMT ngày 10/11/2003 của Bộ Tài nguyên và Môi trường.

3. Báo cáo đánh giá tác động môi trường Dự án cải tạo hiện đại hoá Nhà máy Xi măng Bỉm Sơn đã được phê duyệt theo Quyết định số 2009/QĐ-BKHCNMT ngày 22/11/1999 của Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường.

4. Báo cáo đánh giá tác động môi trường của 2 mỏ nguyên liệu Công ty Xi măng Bỉm Sơn đã phê duyệt theo Quyết định số 553 QĐ/MTg ngày 03/9/1998 của Sở KHCN&MT Thanh Hoá.

5. Kế hoạch kiểm soát môi trư­ờng Công ty Cổ phần Xi măng Bỉm Sơn ngày 02/03/2009.

6. Kết quả phân tích hiện trạng môi trường tại khu vực Nhà máy Xi măng Bỉm Sơn do Trung tâm Tư vấn Chuyển giao Khoa học và Công nghệ Thanh Hoá kết hợp với Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Thanh Hoá thực hiện ngày 14 đến ngày 16 tháng 9 năm 2009.

7. Hồ Thị Ngọc Hiếu, Bùi Tá Long, Lê Thị Quỳnh Hà, 2008. Xây dựng mô hình giám sát chất lượng không khí cho các nhà máy công nghiệp – Lấy nhà máy xi măng Luks Thừa Thiên Huế làm ví dụ nghiên cứu, Tạp chí Khí tượng Thuỷ văn. Số 753 tháng 9/2008, tr. 34-43.

8. http://www.epa.gov/ttn/scram/7thconf/aermod.

9. http://www.epa.gov/scram001/7thconf/aermod

• Tình hình phát sinh chất thải rắn sinh hoạt đô thị ở Việt Nam (06/07/2012)
• Công nghệ xử lý nước, nước thải ở Việt Nam - thực trạng và thách thức (06/07/2012)
• Quyết định số 432/QĐ-TTg Phê duyệt Chiến lược Phát triển bền vững Việt Nam giai đoạn 2011 – 2020 (06/07/2012)
• Hội thảo Ứng dụng kiểm kê nguồn ô nhiễm (PSI) (06/07/2012)
• Chỉ thị số 02/CT-TTg : Về việc quản lý nhà nước đối với các hoạt động khoáng sản (05/07/2012)