Bài giảng Sinh thái học công nghiệp - Chương 3: Ô nhiễm môi trường - Tác động của ô nhiễm

----- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học & KTMT - Đại học Xây dựng 51 Hiệu ứng nhà kính: Khí hậu Trái Đất phụ thuộc vào sự cân bằng của các quá trình bức xạ của toàn thể đất, đại d−ơng, và khí quyển. Nh−ng khí quyển đóng vai trò nh− một cái lọc nhiệt l−ợng bằng cách "đánh bẫy" các tia bức xạ, thông qua vai trò trung gian của các chất khí, gây ra hiệu ứng nhà kính, bao gồm: CO2, CH4, CFC. Những loại khí xuất hiện một cách tự nhiên trong khí quyển có khả năng hấp phụ bức xạ hồng ngoại và phản xạ trở lại bề mặt trái đất gây ra hiệu ứng ấm đ−ợc gọi là khí nhà kính. Các khí nhà kính có tính năng hấp thụ bức xạ nhiệt sóng dài (b−ớc sóng > 4m). Nh− vậy hiệu ứng nhà kính là hiện t−ợng gây ra sự tăng nhiệt độ của bề mặt trái đất do sự hấp phụ bức xạ nhiệt từ mặt đất vào khí quyển bởi các khí nhà kính làm cho nhiệt độ khí quyển bao quanh trái đất bị tăng lên. Sở dĩ gọi là hiệu ứng nhà kính của khí quyển là vì tác dụng của các khí nhà kính trong khí quyển t−ơng tự nh− lớp kính của các nhà kính trồng rau xanh trong mùa đông, bức xạ Mặt trời là sóng ngắn nên dễ dàng xuyên qua lớp kính truyền vào trong nhà kính trồng rau, còn bức xạ nhiệt của bên trong nhà kính với nhiệt độ thấp, thuộc loại bức xạ sóng dài, không thể xuyên qua lớp kính truyền ra ngoài đ−ợc và kết quả là môi tr−ờng vi khí hậu trong nhà kính ấm hơn ngoài nhà. Nếu nh− Trái đất không có tác động của các khí nhà kính thì nhiệt độ bề mặt của nó đã đ−ợc −ớc tính là 255oK, t−ơng đ−ơng là -18oC hay 0oF. Khi có hiện t−ợng hiệu ứng nhà kính xảy ra thì nhiệt độ thực tế của bề mặt trái đất bị tăng thêm . Có thể nói tính chất nguy hại của hiệu ứng nhà kính hiện nay là làm tăng nồng độ của các khí nhà kính trong khí quyển dẫn tới làm tăng mức nhiệt độ từ ấm tới nóng do đó gây ra những vấn đề môi tr−ờng. Bảng 3.2. thể hiện đặc tính của nh−ũng khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu ( bảng 3.2. ) Bảng 3.2. Đặc tính của những khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu. CO2 CH4 N2O O3 CFC 11 CFC 12 Nồng độ hiện nay 354 ppm 1,7 ppm 310 ppb 20-40 ppb 280ppt 484 ppt Mức tăng hàng năm (%) 0,5 1 0,25 0,5-1 4 7 Thời gian tồn tại (năm) 50-200 10 150 0,1 60 120 Khả năng hấp thụ Bởi phân tử 21 206 2000 12400 15800 Ghi chú : (ppm: 10-6, ppb: 10-9, ppt: 10-12) Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 3- ô nhiễm môi tr−ờng- Tác động của ô nhiễm ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học & KTMT - Đại học Xây dựng 52 Thí dụ về sự gây độc hại của ammoniac: Ammoniac cân bằng trong n−ớc theo phản ứng sau: NH3 + H2O NH4 + + OH- Nồng độ NH3, chất gây độc, tăng lên khi tăng độ pH và nhiệt độ; kéo theo sự chết cá.; kéo theo sự chết cá. Thí dụ về tác động về sự gây độc hại của nitơ rát và nitơ rít đối với n−ớc sinh hoạt: Nh− đã trình bày ở ch−ơng 2, khi n−ớc bị nhiễm nitrat thì cũng bị nhiễm nitrit vì quá trình khử của nitrat. Những ion nitrat và nitrit có những tính chất rất khác nhau mặc dầu có sự giống nhau về cấu trúc. Ion nitrat (NO3 -) bền vững do đó ít hoạt động, và vì thế ít độc hại, trừ khi hấp thụ quá nhiều. Thậm chí nó còn đ−ợc dùng trong thuốc chữa bệnh. Ion nitrit (NO2-) không bền vững và rất hoạt động, chính vì thế gây độc hại. Tuy nhiên sự có mặt của nitrat cũng là điều không mong muốn vì khả năng chuyển hoá thành Nitrit. Những nitrat khi bị nuốt vào phần lớn bị hấp thụ bởi màng ruột một phần sau đó bị quay vòng qua tuyến mật tr−ớc khi bị thải bằng đ−ờng tiểu. Phần còn lại của nitrat bị chuyển hóa thành nitrit ở miệng, d−ới tác dụng của enzym (enzym khử nitrat). Nitrit có hai tác dụng gây độc chủ yếu bằng sự tạo thành methemoglobin và nitrosamin ( Hình 3.5.) Nitrat Hồng cầu Amin hay Amit Khử Methemoglobin Nitrit Nitrosamin Ngạt, thiếu oxy (Cyanose) Tác dụng gây ung th− Hình 3.5. Tác dụng gây độc sinh thái của nitơrit Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 3- ô nhiễm môi tr−ờng- Tác động của ô nhiễm ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học & KTMT - Đại học Xây dựng 53 Trong máu, các nitrit gây ra sự chuyển hóa hồng cầu thành methemoglobin, phân tử không đảm bảo sự chuyển giao oxy dẫn tới sự đầu độc máu. Đó là sự thiếu oxy/tím ng−ời. Những nitrosamin là những phân tử hình thành từ những phản ứng hóa học giữa nitrit và amin (có trong các cơ quan sống hay thức ăn). Chất đơn giản nhất là dimetylnitrosamin. Ngày nay ng−ời ta đã phân định đ−ợc 120 hợp chất thuộc dòng nitrosamin, một số trong dòng đó có tác dụng gây ung th− (gan, phổi, dạ dầy, thực quản...). Tất cả mọi điều kiện đều hợp lại ở thực quản để nitrit chuyển hóa thành nitrosamin (pH axit, nitrit tự do, amin thứ cấp có nguồn gốc thực phẩm hay thuốc chữa bệnh). Ng−ời ta vì thế có thể tìm thấy những vết nitrosamin trong một số loại thức ăn: thức ăn muối, cá, fomat, bia... Ngoài đồ uống nhiều loại rau chứa đựng nitrat và nitrit ( bảng 3.3. ) Bảng 3.3. Sự tích tụ nitrat và nitrit trong rau Loại rau NO3 - (mg/kg) NO2 - (mg/kg) Củ cải đỏ 2100 3,3 Cà rốt 180 1,5 Cần tây 1300 0,7 Rau diếp 1360 8,7 Nitrat và nitrit, ngoài ra còn đ−ợc dùng để bảo quản và nhuộm màu thịt và −ớp thịt (chống trực khuẩn). Việc sử dụng các chất này ngày càng bị kiểm soát chặt chẽ. Ví dụ về các tác động do m−a axit Sự tạo thành axit là do quá trình oxy hóa trong không khí của SO2 và NOx. Ng−ời ta −ớc l−ợng khoảng 30% là sự tham gia của NOx vào các trận m−a axit (60% do SO2). Những khu vực bị m−a axit rơi rất rộng và th−ờng xa những nơi phát thải (Trung Âu, phía Đông n−ớc Pháp). Những vụ m−a axit rơi gây nhiều hậu quả khác nhau: - Axit hóa và làm nghèo đất, kéo theo làm h− hại lớn đối với rừng thí dụ nh− ở Vosges; - Những sự cố về sức khỏe của ng−ời vì sự làm giàu nguồn n−ớc với các kim loại gây độc (chì, nhôm...). - Làm h− hại các công trình bằng xi măng và các kết cấu kim loại. Cũng nên ghi nhận rằng, đối với các NOx, sự chuyển hóa thành axit, chủ yếu xảy ra do quá trình oxy hóa trong pha khí: 2 NO + O2  2 NO2 2 NO+ H2O  HNO3 + HNO2 axit nitric axit nitrơ Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 3- ô nhiễm môi tr−ờng- Tác động của ô nhiễm ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học & KTMT - Đại học Xây dựng 54 Ví dụ về các tác động do ô nhiễm quang hóa học Dạng ô nhiễm này bao trùm từ 7 đến 10 km cách mặt đất. Chất gây ô nhiễm chính bị liên quan là ôzôn, chất này bình th−ờng có mặt trong không khí chỉ với nồng độ rất thấp. ở tầng đối l−u, những phản ứng hóa học giữa những tr−ờng hợp chất (oxyt nitơ, hợp chất hữu cơ, CO...) d−ới tác dụng của tia mặt trời dẫn tới sự sản sinh ra một loạt chất gây ô nhiễm mà chất chính là ôzôn, cùng với nhiều loại axit hay các chất gây ôxy hóa (aldehyt, nitơ hữu cơ, n−ớc oxy già...). Cơ chế của những tác hại này rất phức tạp và còn ít đ−ợc biết. Các oxyt nitơ đóng một vai trò quan trọng trong những phản ứng d−ới đây, dùng để minh họa, những cơ chế th−ờng đ−ợc đ−a ra: - ở tầng đối l−u, NO2 bị phân ly bởi bức xạ mặt trời. NO2 + h V  NO + O (< 430 nhà máy) (1) - Từ đó ôzôn cũng đ−ợc sinh ra: O2 + O  O3 (2) - Sự sản sinh ra ôzon,tuy nhiên, cũng bị hạn chế do phản ứng của nó với NO cung cấp bởi (1) NO + O3  NO2 + O2 (3) L−ợng ôzon đ−ợc tạo thành phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ NO2/NO. Những hậu quả của ô nhiễm quang hóa: Ô nhiễm quang hóa đẩy nhanh tốc độ h− hỏng của một số vật liệu (đặc biệt là chất dẻo) cũng nh− là gây m−a axit (tham gia vào quá trình oxy hóa SO2 và NO2). Ng−ời ta −ớc l−ợng độ tăng của hàm l−ợng ôzon ở tầng khí quyển thấp thuộc bán cầu Bắc khoảng 0,5 - 1%. Chất ôzon, rất hoạt động, tác dụng lên chức năng hô hấp, hợp đồng với các NOx và peroxy-axetyl-nitrat (PAN). Chất PAN cũng tác dụng lên mắt. Ôzôn làm biến đổi các hoạt động quang hợp của cây: làm giảm năng suất ... Vấn đề về tầng ôzon: Liên quan đến sự phá hoại của CFC hơn là vai trò phá huỷ của các oxyt nitơ. Clo bị mang lên tầng cao khí quyển bởi chất CFC nh−ng tác động của các oxyt nitơ cũng không thể loại trừ. Vì rằng oxyt nitơ là nguồn gốc của sự sinh ra ôzon trong tầng khí quyển thấp, chúng tham gia vào việc phá hoại khí quyển ở tầng cao bởi những chu trình xúc tác có dạng: O + NO2  NO + O2 NO + O3  NO2 + O2 O + O3  2O2 Tổng quan chung về những nguồn ô nhiễm gắn với các rối loạn chức năng của các chu trình ni tơ và carbon đ−ợc thể hiện ở Hình 3.6. Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 3- ô nhiễm môi tr−ờng- Tác động của ô nhiễm ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học & KTMT - Đại học Xây dựng 55 Tầng bình l−u 50 km Lớp ô zôn NOx, N2O, H2O, Clx 10 – 15 km Hiệu ứng nhà kính, CO2, N2O, CH4 ô nhiễm 2 km M−a a xít quang hoá, SO2, NO2, s−ơng mù, HCl NOx,COV, CO, CH4 chăn nuôi nông nghiệp đời sống đô thị N−ớc uống và thực phẩm Môi tr−ờng thuỷ sinh Gây độc cho ng−ời và gia súc Gây hiện t−ợng phú d−ỡng Gây độc cho cá Hình 3.6. Tổng quan chung về tác động ô nhiễm gắn với các rối loạn chức năng của các chu trình ni tơ và carbon NH4+, NO3-, NO2- Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 3- ô nhiễm môi tr−ờng- Tác động của ô nhiễm ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học & KTMT - Đại học Xây dựng 56 3.5. Các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm Có hai cách để đối phó với các chất thải rắn và chất thải nguy hiểm do chúng ta tạo nên: Quản lý chất thải và ngăn chặn ô nhiễm (chất thải). Quản lý chất thải là một sự tiếp cận chất thải mức độ cao đó là sự quan sát các sản phẩm chất thải nh− là một sản phẩm không thể tránh khỏi của sự phát triển kinh tế và chúng ta cố gắng quản lý các chất thải theo cách làm giảm ảnh h−ởng có hại của chúng tới môi tr−ờng - chủ yếu bởi quá trình chôn hay đốt chúng. Sự ngăn chặn ô nhiễm và chất thải là sự tiếp cận chất thải ở mức thấp đó là quan sát hầu hết các chất thải rắn và chất thải độc hại nh− là nguồn tiềm năng mà chúng ta có thể quay vòng, làm phân bón, sử dụng lại, hoặc không sử dụng ở trong các vị trí hàng đầu . Với h−ớng tiếp cận này, hệ thống kinh tế đ−ợc sử dụng để làm suy yếu việc tạo ra chất thải cổ vũ việc ngăn chặn chất thải. Theo tổ chức quốc gia của Mỹ về giáo dục khoa học, h−ớng tiếp cận chất thải ở mức thấp nên có các mục đích theo các b−ớc nh− sau: (1). Giảm chất thải và ô nhiễm; (2). Sử dụng lại một số thứ có thể đ−ợc; (3). Quay vòng và làm phân bón các chất thải ở mức nhiều nhất có thể; (4) Xử lý sinh học, hóa học hay thiêu đốt các chất thải mà không giảm đ−ợc, không sử dụng lại đ−ợc, hay quay vòng hoặc chế biến phân đ−ợc; (5) Chôn các chất thải mà sẽ cạn kiệt khi ở d−ới đất hay trong các hầm trên mặt đất sau khi đã xét tới mục đích đầu tiên Tại sao việc tạo ra ít chất thải và ít ô nhiễm là cách lựa chọn tốt nhất: (1) Tiết kiệm năng l−ợng và các nguồn năng l−ợng gốc; (2) Giảm sự khai thác, xử lý, sử dụng các nguồn mà tác động tới môi tr−ờng; (3) Tăng c−ờng sức khoẻ công nhân và sự an toàn bởi việc giảm sự xuất hiện các vật liệu có độc hay nguy hiểm; (4) Giảm chi phí điều khiển ô nhiễm và quản lý chất thải (chi phí này đang tăng rất nhanh hơn cả tỷ lệ tăng sản phẩm công nghiệp) và khả năng mắc phải trong t−ơng lai đối với chất thải độc hại và nguy hiểm; (5) Trong các vấn đề cơ bản của sự sống thì có chi phí thấp hơn là cố gắng loại bỏ ô nhiễm và quản lý chất thải mà nó tạo ra. Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 3- ô nhiễm môi tr−ờng- Tác động của ô nhiễm ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học & KTMT - Đại học Xây dựng 57 áp dụng công nghệ sản xuất sạch hơn: Theo định nghĩa của UNEP: “Sản xuất sạch hơn là việc áp dụng liên tục chiến l−ợc phòng ngừa tổng hợp về môi tr−ờng vào các quá trình sản xuất, sản phẩm và dịch vụ nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu rủi ro cho con ng−ời và môi tr−ờng”. Trong thực tế, các thay đổi không chỉ đơn thuần là thiết bị mà còn là các thay đổi trong vận hành và quản lý của một doanh nghiệp. Các thay đổi còn đ−ợc gọi là “giải pháp sản xuất sạch hơn”, có thể chia làm các loại: - Giảm chất thải tại nguồn: Quản lý nội vi là một loại giải pháp đơn giản nhất của sản xuất sạch hơn; Kiểm soát quá trình tốt hơn để đảm bảo các điều kiện sản xuất đ−ợc tối −u hoá về mặt tiêu thụ nguyên liệu, sản xuất và phát sinh chất thải; Thay đổi nguyên liệu là việc thay thế các nguyên liệu đang sử dụng bằng các nguyên liệu khác thân thiện với môi tr−ờng hơn; Cải tiến thiết bị là việc thay đổi thiết bị đã có thể nguyện liệu tổn thất ít hơn; Công nghệ sản xuất mới là việc lắp đặt các thiết bị hiện đại và có hiệu quả hơn. - Tuần hoàn: Tận thu và tái sử dụng tại chỗ là việc thu thập “chất thải” và sử dụng lại cho quá trình sản xuất; Tạo ra các sản phẩm phụ là việc thu thập (và xử lý) “các dòng thải” để có thể trở thành một sản phẩm mới hặc bán ra cho các cơ sở sản xuất khác. - Cải tiến sản phẩm: Xem xét lại sản phẩm và các yêu cầu đối với sản phẩm đó; Thay đổi về bao bì cũng có thể là yếu tố quan trọng Cách để giảm chất thải:  Tăng mức tiêu thụ  Thiết kế lại các qui trình sản xuất và sản phẩm để sử dụng ít nguyên liệu hơn.  Thiết kế các sản phẩm tạo ra ít ô nhiễm và ít các nguồn chất thải hơn khi sử dụng.  Loại bỏ sự đóng gói không cần thiết.  áp dụng công nghệ sản xuất không chất thải trong sản xuất. Mục tiêu của công nghệ này là hạn chế sử dụng tài nguyên và giảm thiểu chất thải, trong t−ơng lai có thể góp phần tạo ra công nghệ hiệu quả hơn, tạo ra quá trình sản xuất mới, cũng nh− bảo vệ và tái sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên kể cả việc chuyển hoá chất thải thành năng l−ợng. Sử dụng lại: Sử dụng lại là một dạng của việc làm giảm chất thải - mở rộng các nguồn cung cấp nguyên liệu và giảm năng l−ợng sự dụng và giảm ô nhiễm thậm chí hơn cả tái chế. Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 3- ô nhiễm môi tr−ờng- Tác động của ô nhiễm ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học & KTMT - Đại học Xây dựng 58 Hình 3.7. Giải pháp sản xuất không chất thải Công nghệ/ngành sản xuất không chất thải Công nghệ/ ngành tái chế Tái chế: Chai kiểu của quá trình tái chế các vật liệu nh− kim loại, thủy tinh, giấy và chất dẻo: chủ yếu và thứ cấp. Kiểu mong muốn nhất là kiểu chủ yếu hay còn gọi là vòng lặp kín trong đó chất thải của ng−ời tiêu thụ thải ra là đ−ợc tái chế để tạo ra sản phẩm mới với dạng t−ơng tự (giấy báo chuyển thành giấy báo, hộp nhôm chuyển thành hộp nhôm mới...). Vẫn sử dụng nh−ng có phần kém hơn là kiểu thứ cấp hay còn gọi là vòng lặp mở trong đó chất thải đ−ợc chuyển hóa thành một số sản phẩm khác. Quá trình tái chế chủ yếu giảm tổng số vật liệu nguyên chất để tạo thành sản phẩm đi 20-90%, trong khi quá trình tái chế thứ cấp làm giảm l−ợng vật liệu nguyên chất sử dụng chỉ khoảng 25%. Ngμnh B Ngμnh A Ng−ời tiêu dùng Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 3- ô nhiễm môi tr−ờng- Tác động của ô nhiễm ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học & KTMT - Đại học Xây dựng 59 Các ch−ớng ngại của vấn đề tái sử dụng và tái chế: Quá trình tái chế trở thành ngành kinh doanh có nhiều mạo hiểm và tác động chút ít về vốn đầu t−. Có 3 yếu tố cần l−u tâm: (1) Không bao gồm chi phí môi tr−ờng và sức khỏe vào giá vật liệu thô trong giá thị tr−ờng của ng−ời tiêu thụ; (2) loại bỏ nhiều loại thuế và thêm tiền trợ cấp với các ngành công nghiệp khai thác hơn là ngành công nghiệp tái chế; (3) thiếu một thị tr−ờng lớn và đều cho các vật liệu tái chế. Xuất khẩu chất thải: Một số thành phố của Mỹ thiếu các vùng bãi rác lấp đất cần thiết đã vận chuyển một phần các chất thải rắn của họ sang các bang khác hoặc các quốc gia khác. Tuy nhiên một số quốc gia từ chối sự chuyển nh−ợng này. Tạo ra cơ chế chính sách hợp lý cho quản lý chất thải: o Khuyến khích cho các nhà đầu t− bỏ vốn để xây dựng các nhà máy xử lý chất thải. o Đầu t− máy móc, công nghệ hiện đại cho các nhà máy đang hoạt động để nhằm giảm thiều chất thải. o Nghiêm cấm, xử phạt đối với những cơ sở sản xuất đổ thải rác thải của mình không đúng nơi qui định, hoặc đổ thải chất thải độc hại mà ch−a qua xử lý gây ô nhiễm môi tr−ờng đất, n−ớc, không khí xung quanh khu vực đó. o Tạo điều kiện thuận lợi cũng nh− khuyến khích các cơ sở sản xuất tự xử lý các chất thải độc hại của mình tr−ớng khi thải ra môi tr−ờng ngoài.