Bê tông nhựa nóng (BTNN) là một loại vật liệu rất quan trọng và phổ biến được sử dụng làm lớp mặt kết cấu áo đường trong xây dựng đường bộ. Kết cấu mặt đường bộ bằng BTNN được sử dụng rộng rãi và là sự lựa chọn hàng đầu khi thiết kế các công trình đường cao tốc và đường cấp cao. Ở Việt Nam tỷ lệ sử dụng mặt đường BTNN trong thi công các tuyến đường bộ cao cấp là rất lớn, chiếm đến trên 80%. Với nhu cầu sử dụng ngày càng tăng, công nghệ sản xuất và thi công mặt đường BTNN ngày càng được cải tiến và nâng cao. Tuy đạt được được những bước tiến nhất định nhưng đây cũng là lĩnh vực tiêu thụ nhiều năng lượng và có nhiều tác động đáng lo ngại tới môi trường, đặc biệt là ô nhiễm môi trường không khí do bụi và khí thải. Bài viết trình bày các tác động tới môi trường không khí trong toàn bộ vòng đời của vật liệu mặt đường BTNN, bao gồm: giai đoạn khai thác nguyên vật liệu, vận chuyển, sản xuất hỗn hợp BTNN, thi công mặt đường, khai thác sử dụng, bảo trì và kết thúc vòng đời sản phẩm.
Vòng đời của vật liệu mặt đường BTNN
Các sản phẩm, dịch vụ hay quá trình đều có vòng đời (life cycle). Vòng đời của một sản phẩm bắt đầu từ công đoạn khai thác nguyên vật liệu, qua các công đoạn xử lý và chế tạo thành sản phẩm, phân phối đến người sử dụng, sau đó sản phẩm được thải bỏ, tái chế hay tái sử dụng. Vì vậy, vòng đời của một sản phẩm có thể coi là các quá trình nối tiếp và liên quan đến nhau từ khi sản phẩm sinh ra đến lúc mất đi (kết thúc).
Vòng đời của vật liệu mặt đường BTNN thường được chia thành 6 giai đoạn chính (khai thác nguyên vật liệu; sản xuất hỗn hợp BTNN tại trạm trộn; vận chuyển; thi công mặt đường; bảo trì và giai đoạn kết thúc vòng đời) Hình 1. Mỗi giai đoạn lại bao gồm các quy trình khác nhau và mỗi quy trình đều có ảnh hưởng nhất định đến môi trường một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.
Hình 1. Các giai đoạn trong vòng đời của vật liệu mặt đường BTNN
Các nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí trong vòng đời của vật liệu mặt đường BTNN
Trong vòng đời của vật liệu mặt đường BTNN, nguồn phát sinh bụi và khí thải liên quan chủ yếu đến các hoạt động khai thác, xử lý, sử dụng cốt liệu (cốt liệu mới và vật liệu mặt đường tái chế), các hoạt động sản xuất và sử dụng năng lượng (chủ yếu là điện năng và nhiên liệu hóa thạch) để vận hành các máy móc, thiết bị, phương tiện vận chuyển, đốt cháy nhiên liệu (dầu diesel, dầu FO, khí đốt tự nhiên…) để cấp nhiệt, quá trình oxy hóa và lão hóa bitum và từ các công đoạn chế tạo, thi công. Các nguồn phát sinh bụi và khí thải của các hoạt động kể trên cụ thể như sau.
Giai đoạn sản xuất nguyên vật liệu: Vòng đời của vật liệu mặt đường bắt đầu từ quá trình khai thác, sản xuất các nguyên vật liệu đầu vào, bao gồm: đá dăm, cát, bột khoáng, nhựa đường, phụ gia (nếu có). Các nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí trong giai đoạn này phát sinh từ hoạt động khai thác, sản xuất cốt liệu như nổ mìn, nghiền, sàng cốt liệu; khai thác và chế biến dầu mỏ để sản xuất nhựa đường. Việc khai thác và chế biến đá gây ô nhiễm bụi từ quá trình nổ mìn, đập nghiền và bốc xúc đá. Ngoài bụi, quá trình khai thác còn phát sinh ra các khí CO, NOx, SO2, H2S,… do nổ mìn và sử dụng dầu diesel. Tải lượng các chất ô nhiễm trong quá trình sản xuất nguyên vật liệu phụ thuộc vào công nghệ, thiết bị máy móc, loại năng lượng sử dụng. Trong Bảng 1 dưới đây thể hiện tải lượng phát thải một số khí ô nhiễm trong quá trình sản xuất nguyên vật liệu xây dựng cho hỗn hợp BTNN.
Bảng 1. Tải lượng một số khí ô nhiễm trong quá trình sản xuất nguyên vật liệu
| Vật liệu | Khí thải, kg/tấn | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CO2 | SO2 | NOx | CO | CH4 | N2O | VOC | |
| Nhựa đường | 1.74 E+02 | 7.80
E-01 |
7.70
E-01 |
6.10
E-01 |
6.00
E-01 |
– | 7.80
E-01 |
| Cốt liệu | 1.42 E+00 | 7.88
E-04 |
1.23
E-04 |
1.49
E-03 |
3.82
E-06 |
3.61 E-05 | 8.90
E-04 |
| Nhũ tương nhựa đường (60% nhựa đường) | 2.03 E+01 | 8.76
E-01 |
8.35
E-01 |
6.29
E-01 |
6.40
E-01 |
– | 3.38
E-01 |
| Nhựa đường biến tính | 2.96 E+02 | 1.63 E+00 | 1.38 E+00 | 6.70
E-01 |
1.09 E+00 | – | 4.01
E-01 |
Giai đoạn sản xuất hỗn hợp BTNN tại trạm trộn: Các công đoạn trong quy trình sản xuất hỗn hợp BTNN bao gồm: Xúc cốt liệu từ bãi tập kết vào phễu cốt liệu nguội, tải cốt liệu nguội lên tang sấy, sấy cốt liệu (nhiệt độ sấy 160 ÷ 180oC), gia nhiệt nhựa đường (nhiệt độ gia nhiệt 150 ÷ 160oC), tải cốt liệu nóng lên sàng rung nhờ gàu tải, sàng rung phân loại cốt liệu theo kích thước hạt vào từng phễu cốt liệu nóng, cân cốt liệu nóng, cân bột khoáng, cân nhựa đường nóng, phun nhựa đường và trộn các thành phần của hỗn hợp BTNN với tỷ lệ nhất định trong buồng trộn. Nguồn phát sinh khí thải và bụi trong giai đoạn này chủ yếu là do đốt các nhiên liệu (dầu diesel, dầu FO, khí đốt tự nhiên…) nhằm cung cấp nhiệt cho cốt liệu và chất kết dính; sử dụng điện năng để vận hành máy móc thiết bị (cân, băng truyền, sàng rung, băng tải gàu…); vận chuyển và sấy cốt liệu và quá trình oxy hóa nhựa đường ở nhiệt độ cao (Hình 1.2).
Hình 2. Các nguồn phát thải bụi và khí thải trong giai đoạn sản xuất hỗn hợp BTNN
Tại trạm trộn BTNN, các loại cốt liệu được tiếp nhận và lưu trữ theo các bãi. Tại đây, bụi có thể phát tán vào môi trường không khí, đặc biệt trong thời tiết gió tovà phát sinh trong quá trình xúc cốt liệu từ các bãi tập kết và đổ vào các phễu nhập liệu nguội. Tuy nhiên, do trước khi sấy, cốt liệu có độ ẩm nhất định, thường từ 3 đến 7%, vì vậy, tổng lượng bụi lơ lửng, đặc biệt là bụi PM10 phát tán vào môi trường không nhiều.
Nguồn phát sinh bụi sau công đoạn sấy cốt liệu bao gồm sàng cốt liệu nóng, bin cốt liệu nóng, cân định lượng và máy trộn. Phát thải bụi PM10 từ những nguồn này thường lớn hơn nhiều lần so với các công đoạn trước khi sấy. Nguyên nhân là do sau khi sấy, độ ẩm của cốt liệu thấp kèm theo nhiều công đoạn vận chuyển cốt liệu trước khi vào buồng trộn với bitum.
Quá trình đốt các nhiên liệu (dầu diesel, dầu FO, khí đốt tự nhiên…) nhằm cung cấp nhiệt cho cốt liệu và chất kết dính là nguồn phát sinh chủ yếu các khí thải. Thành phần của khí thải bao gồm: CO2, CO, SO2, NOx,VOC và các hợp chất hữu cơ độc hại. Quá trình sấy cốt liệu phát sinh lượng khí thải CO2 lớn nhất, chiếm 60÷70% tổng lượng khí thải carbon; trong khi đó gia nhiệt nhựa đường chiếm khoảng 14% và trộn hỗn hợp bê tông chỉ chiếm khoảng 11% tổng lượng khí thải CO2. Tổng lượng phát thải trong quá trình sấy cốt liệu và gia nhiệt nhựa đường và trộn hỗn hợp bê tông làm phát thải hơn 80% lượng khí CO2 trong toàn bộ quá trình chế tạo, do đó các quá trình này có tác động lớn nhất đến phát thải CO2. Các công đoạn còn lại có ảnh hưởng không lớn đến tổng phát thải khí CO2 (chiếm gần 20%). Điều này cho thấy, biện pháp giảm nhiệt độ sấy cốt liệu sẽ giảm lượng phát thải CO2 một cách hiệu quả nhất.
Lượng khí thải phát sinh trong quá trình đốt cháy nhiên liệu tỷ lệ thuận với lượng nhiên liệu bị đốt cháy. Mặt khác, lượng nhiên liệu cần sử dụng trong quá trình chế tạo BTNN phụ thuộc vào công nghệ sản xuất, các thông số kỹ thuật của thiết bị, loại nhiên liệu sử dụng, độ ẩm của cốt liệu và nhiệt độ cần gia nhiệt của cốt liệu và nhựa đường. Với cùng một công nghệ, cùng một thành phần thiết kế và cùng loại nhiên liệu như nhau thì lượng nhiên liệu tiêu thụ phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ cần gia nhiệt. Về mặt lý thuyết, nhiệt độ gia nhiệt càng cao thì mức tiêu thụ nhiên liệu càng lớn, tương đương với tải lượng phát thải khí ô nhiễm càng cao. Vì vậy, các nguồn phát thải khí ô nhiễm trong quá trình sản xuất hỗn hợp BTNN có thể được xác định một cách gián tiếp thông qua điều tra thành phần, lượng nhiên liệu và thiết bị máy móc ở các công đoạn khác nhau.
Loại béc đốt sử dụng trong tang sấy có ảnh hưởng trực tiếp đến khí thải từ việc đốt cháy nhiên liệu. Đốt cháy nhiên liệu không hoàn toàn trong béc đốt tang sấy làm tăng lượng khí thải CO và các hợp chất hữu cơ độc hại. Đầu đốt tang sấy có thể được thiết kế để hoạt động trên hầu hết mọi loại nhiên liệu, bao gồm khí tự nhiên, khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), dầu nhiên liệu nhẹ và dầu nhiên liệu thải. Loại nhiên liệu và hàm lượng lưu huỳnh của nó sẽ ảnh hưởng đến hàm lượng các khí thải. Khi sử dụng khí đốt tự nhiên để sấy cốt liệu thì lượng phát thải khí CO2 thấp hơn so với trường hợp sử dụng dầu FO. Khí tự nhiên với đặc tính “cháy sạch”, công suất tỏa nhiệt cao và hiệu suất cháy cao nên phát thải ít khí thải CO2 trong quá trình đốt. Để tạo ra cùng một nhiệt lượng như khí đốt tự nhiên, dầu FO sẽ phát sinh lượng khí thải lớn hơn do có thành phần hóa học phức tạp hơn, chứa nhiều hydrocacbon phân tử khối cao hơn và quá trình đốt cháy thường không hoàn toàn.
Trong công nghệ chế tạo bê tông asphalt nóng, bitum được gia nhiệt đến độ nhớt phù hợp từ 140-160oC với loại bitum quánh. Khi bị đun nóng, một số thành phần hydrocacbon nhẹ của bitum có thể bị bay hơi. Bên cạnh đó, nhiệt độ cao có thể dẫn tới một số phản ứng hóa học như phản ứng oxy hóa làm thay đổi thành phần hóa học của bitum và phát thải một số chất ở dạng khí. Phát thải bitum được định nghĩa là hỗn hợp phức tạp của sol khí, hơi và khí từ bitum nóng và hợp chất khác của bitum. Trong đó, các thành phần dạng khí, bao gồm các khí, các hạt rắn, hơi ngưng tụ và giọt bitum lỏng, được gọi là hơi bitum (bitumen fume). Thành phần của hơi bitum khác nhau tùy thuộc vào nhiệt độ, quy trình sản xuất, quy trình thi công trải đường, sự hiện diện của chất phụ gia và chất biến tính. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, bên cạnh các khí ô nhiễm thông thường, trong thành phần khói bitum thường xuất hiện các hợp chất thơm đa vòng (PAH) và các chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) (Bảng 2).
Bảng 2. Nồng độ các chất ô nhiễm dạng khí trong bồn nấu bitum
| Các khí ô nhiễm | Đơn vị đo | Nồng độ |
|---|---|---|
| CO | Ppm | 6.0 |
| NO2 | Ppm | 0.1 |
| SO2 | Ppm | 2.0 |
| H2S | Ppm | 1.5 |
| C6H5OH | Ppm | 1.0 |
| O3 | Ppm | 0.1 |
| Hydrocacbon C1-C14 | Ppm | 1.5 |
| Hydrocacbon C2-C6 | Ppm | 1.0 |
| Các hợp chất thơm đa vòng (tổng số) | mg/m3 | 0.00036 |
| Bụi Ni | mg/m3 | 0.00004 |
| Bụi Cd | mg/m3 | 0.00005 |
| Chì và các chất vô cơ khác | mg/m3 | 0.00005 |
Nhìn chung, quá trình chế tạo hỗn hợp BTNN phát thải khoảng 20÷30 kg CO2-eq/tấn bê tông.
Hoạt động vận chuyển nguyên vật liệu: Ở Việt Nam, hầu hết các loại cốt liệu như đá dăm và bột khoáng được khai thác, sản xuất ở các mỏ đá tự nhiên trong nước và được vận chuyển đến các trạm trộn bê tông bằng xe tải. Một số loại nguyên vật liệu không sản xuất ở trong nước như phụ gia, bitum được vận chuyển về Việt Nam chủ yếu bằng tàu thủy hoặc bằng các phương tiện vận chuyển đường bộ và đường sắt. Tại các nơi tập kết này, chúng được phân phối đến các trạm trộn theo đơn hàng bằng xe bồn (đối với bitum đã gia nhiệt hoặc bitum đã pha trộn phụ gia) hoặc xe tải (đối với phụ gia, bitum thùng). Hỗn hợp BTNN sau khi được chế tạo ở trạm trộn được vận chuyển đến công trường thi công bằng xe tải. Như vậy, các nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí trong giai đoạn này chủ yếu liên quan đến việc sử dụng nhiên liệu của các phương tiện vận chuyển và bụi phát sinh trong quá trình vận chuyển.
Hoạt động vận chuyển nguyên vật liệu được xem là một trong những nguồn gây ô nhiễm lớn đối với môi trường không khí, đặc biệt là các phương tiện tải trọng lớn. Các chất gây ô nhiễm không khí chủ yếu sinh ra do khí thải từ quá trình đốt cháy nhiên liệu động cơ bao gồm CO, NOx, SO2, hơi xăng dầu (CnHm, VOCs) và bụi do đất cát cuốn bay lên từ mặt đường trong quá trình di chuyển.
Sự phát thải của các phương tiện cơ giới đường bộ phụ thuộc rất nhiều vào chủng loại và chất lượng phương tiện, nhiên liệu, đường xá… Nhìn chung, xe có tải trọng càng lớn thì hệ số phát thải ô nhiễm càng cao, sử dụng nhiên liệu càng sạch thì hệ số phát thải ô nhiễm càng thấp. Ở Việt Nam hiện nay, các phương tiện vận tải vật liệu xây dựng chủ yếu sử dụng nhiên liệu hóa thạch (chủ yếu là xăng, dầu diezen), cùng với chất lượng phương tiện còn hạn chế (xe cũ, không được bảo dưỡng thường xuyên), cơ sở hạ tầng giao thông còn nhiều hạn chế làm gia tăng đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí. Hệ số phát thải đối với xe tải hạng nặng (>16 tấn) được thể hiện trong Bảng 3.
Bảng 3. Hệ số phát thải đối với xe tải hạng nặng (>16 tấn)
| Khí thải | Khói bụi | SO2 | NOx | CO | VOC |
| Hệ số phát thải, g/km | 1.6 | 7.0 | 18.2 | 7.3 | 5.8 |
Bên cạnh khí thải, các phương tiện vận chuyển còn phát sinh bụi do cuốn lên từ đường theo lốp xe trong khi vận chuyển. Lượng bụi này phụ thuộc vào loại nguyên vật liệu vận chuyển, khối lượng vận chuyển của từng xe, độ ẩm vật liệu, độ che phủ của vật liệu chuyên chở, mức độ sạch của xe (bánh xe). Trung bình, hàm lượng bụi phát sinh từ hoạt động vận chuyển vật liệu và đất đá vượt giới hạn cho phép theo QCVN05:2009/BTNMT từ 2 ÷ 3 lần. Vào ngày gió to, trời nắng và không có biện pháp che đậy hiệu quả bụi phát sinh có thể vượt giới hạn cho phép đến 7÷8 lần.
Hoạt động thi công mặt đường: Việc thi công mặt đường bao gồm nhiều hoạt động đa dạng: giải phóng mặt bằng, đào, gia cố nền móng, thi công lớp base, rải, lu nèn, đầm lén hỗn hợp BTNN và lắp đặt các loại thiết bị khác nhau cần thiết trên tuyến đường (thiết bị chiếu sáng đường, biển báo, hàng rào an toàn…). Áp lực lên môi trường không khí liên quan đến giai đoạn này là do tiêu thụ nhiên liệu của các thiết bị và máy xây dựng, phát thải vào không khí từ lớp mặt đường BTNN, cũng như phát thải của các phương tiện giao thông khi bị ùn tắc cục bộ tại đoạn đường thi công.
Giai đoạn sử dụng mặt đường: Các tác động môi trường trong giai đoạn sử dụng mặt đường chủ yếu là do hoạt động của các phương tiện giao thông vận tải trên đường, chiếu sáng, nguy cơ rò rỉ nhiên liệu từ các phương tiện giao thông vận tải… Tuy nhiên, trong giai đoạn này, yếu tố ùn tắc giao thông thường được lược bỏ do tính phức tạp trong việc thu thập thông tin.
Giai đoạn bảo trì mặt đường: Công tác bảo trì mặt đường nhằm bảo đảm và duy trì sự làm việc bình thường, an toàn của công trình theo quy định của thiết kế trong quá trình khai thác sử dụng. Nội dung bảo trì mặt đường bao gồm: Kiểm tra, quan trắc, kiểm định chất lượng, bảo dưỡng và sửa chữa. Tùy thuộc vào nội dung bảo trì mà giai đoạn này có các tác động môi trường khác nhau.
Có nhiều biện pháp sửa chữa mặt đường khác nhau tùy thuộc vào loại hư hỏng và mức độ hư hỏng của mặt đường. Một ví dụ được đưa ra là mặt đường có mức độ hư hỏng vừa và nặng, cần thay thế bởi lớp mặt đường bê tông nhựa mới theo hai phương án: (1) Vật liệu mặt đường hỏng sau khi cào bóc lên được vận chuyển về trạm trộn bê tông, tại đây nó được tái chế để sản xuất hỗn hợp bê tông nhựa tái chế ấm với hàm lượng RAP là 50%. Hỗn hợp bê tông nhựa ấm tái chế này được chuyên chở ra mặt đường cũ để rải, lu lèn tương tự như với hỗn hợp BTNN truyền thống. (2) Vật liệu mặt đường hỏng sau khi cào bóc lên được vận chuyển đến bãi chôn lấp để thải bỏ. Mặt đường cũ được thay thế bằng hỗn hợp BTNN truyền thống.
Kết quả tính toán cho thấy, bảo trì mặt đường theo phương án 1 và 2 phát thải tương ứng là 37.9 kg CO2-eq/tấn và 53.0 kgCO2-eq/tấn.
Giai đoạn kết thúc vòng đời: Đây là giai đoạn cuối cùng, xảy ra khi mặt đườnghết tuổi thọ sử dụng của nó. Ở giai đoạn này mặt đường nhựa có thể được xử lý bằng nhiều cách khác nhau như: bỏ hoang; giữ nguyên và được sử dụng như một phần trong kết cấu đường mới; cào bóc lên và tái chế/tái sử dụng hoặc cào bóc lên và thải bỏ dưới hình thức chôn lấp. Tác động đến môi trường trong giai đoạn này rất khác nhau tùy thuộc vào phương án xử lý mặt đường.
Phân tích tỷ lệ phát thải khí nhà kính từ các nguồn khác nhau, cho thấy hoạt động chế tạo hỗn hợp bê tông ở trạm trộn và hoạt động sản xuất nguyên vật liệu đầu vào có tỷ lệ phát thải KNK cao nhất trong các giai đoạn trong vòng đời trong vòng đời sản xuất và sử dụng mặt đường BTNN (Hình 3).
Hình 3. Tỷ lệ các nguồn phát thải KNK trong vòng đời của mặt đường BTNN
Như vậy, có thể thấy, các nguồn phát sinh bụi và khí thải trong vòng đời của vật liệu mặt đường BTNN rất phong phú, đa dạng. Nhiệt độ cao là nguyên nhân chủ yếu khiến cho lượng khí thải và khói bụi tăng lên ở các trạm trộn BTNN và công trường thi công. Điều này gây ảnh hưởng lớn tới chất lượng môi trường không khí cũng như sức khỏe của công nhận tại trạm trộn và người dân khu vực xung quanh. Đứng trước nhu cầu phát triển của công nghiệp bê tông nhựa và các áp lực lên môi trường mà nó mang lại, cần có nhiều nghiên cứu nhằm cải tiến công nghệ chế tạo bê tông nhựa để tạo ra sản phẩm bê tông nhựa thân thiện với môi trường, cho phép giảm nhiệt độ chế tạo và thi công, tương đương với giảm phát thải các khí độc hại và bụi, góp phần bảo vệ môi trường.
ThS. Phạm Thị Ngọc Thùy, TS. Lư Thị Yến, ThS. Nguyễn Thị Phương Dung
Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường số 9/2020)
