Chiến lược giảm phát thải ô nhiễm không khí từ các tòa nhà dân cư đô thị

Điểm nổi bật

• Lượng khí thải từ các tòa nhà dân cư không được định lượng đầy đủ.

• Việc thực hiện các giải pháp giảm ô nhiễm sẽ đòi hỏi những quy định nghiêm ngặt.

• Các chiến lược giảm thiểu ô nhiễm không khí tích hợp có thể đạt được kết quả tốt hơn.

• Các giải pháp dựa trên thiên nhiên hứa hẹn sẽ làm giảm mức độ ô nhiễm không khí.

• Việc sử dụng bộ lọc chuyên dụng trong HVAC và thiết bị di động có thể phản tác dụng.

Tóm tắt

Khi các thành phố tiếp tục phát triển, việc xây dựng các chiến lược giảm thiểu là rất quan trọng để giảm thiểu sự gia tăng tương ứng của các chất ô nhiễm không khí. Một nguồn ô nhiễm không khí có khả năng kiểm soát được là khí thải từ các tòa nhà dân cư. Chúng tôi đã tiến hành tổng quan tài liệu để kiểm tra một cách có hệ thống khí thải ô nhiễm không khí từ các tòa nhà dân cư ở khu vực đô thị, xác định các chất ô nhiễm và nguồn gốc của chúng; nghiên cứu các loại can thiệp nhằm giảm thiểu theo lĩnh vực ứng dụng hoặc nghiên cứu, và cuối cùng đã liệt kê và thảo luận các chiến lược để giảm nồng độ chất ô nhiễm không khí trong các tòa nhà dân cư. Tổng hợp của chúng tôi cho thấy trong số các giải pháp dựa trên thiên nhiên, tường xanh mang lại mức giảm ô nhiễm không khí tương đối cao nhất (−15% NO2 và −23% PM10 ) . Trong số các giải pháp dựa trên xây dựng, sơn quang xúc tác hiện có có thể đạt được mức giảm 25% NO, 23% NOx và 19% NO2 . Các giải pháp dựa trên công nghiệp hứa hẹn mức giảm cao, nhưng chúng phải được điều chỉnh cho phù hợp với các tòa nhà dân cư. Việc tích hợp các giải pháp giảm thiểu hiện có và có khả năng điều chỉnh khác nhau có thể đạt được tỷ lệ giảm ô nhiễm thậm chí còn cao hơn ở các khu vực đô thị.

Tóm tắt đồ họa

1. Giới thiệu

Đô thị hóa toàn cầu đóng vai trò quan trọng trong phát triển con người, giảm nghèo và tăng trưởng kinh tế ( Huang và cộng sự, 2021 ). Sự gia tăng nhanh chóng của các khu vực đô thị đã trở thành một trong những nguồn ô nhiễm ngoài trời chính, gây ra mối quan ngại đáng kể về các vấn đề sức khỏe liên quan đến nó ( Cohen và cộng sự, 2017 ; Landrigan và cộng sự, 2018 ; Sicard và cộng sự, 2023 ). Trong khi ô nhiễm không khí đô thị là do nhiều nguồn gây ra, bao gồm giao thông đường bộ, công nghiệp và các nguồn từ hộ gia đình ( Huang và cộng sự, 2021 ), thì khí thải từ phương tiện vẫn là một trong những tác nhân lớn nhất ( Karagulian và cộng sự, 2015 ; Anenberg và cộng sự, 2017 ). Tuy nhiên, cần phải xem xét các nguồn ô nhiễm có liên quan khác ở khu vực đô thị, chẳng hạn như các tòa nhà dân cư, nơi có dữ liệu hạn chế ( Guo và cộng sự, 2022 ; Manzueta và cộng sự, 2022 ).

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng chất lượng không khí trong nhà bị ảnh hưởng bởi không khí ngoài trời, nhưng nghiên cứu của ( Dorregaray-Oyaregui và cộng sự, 2022 ; Zuazua-Ros và cộng sự, 2023 ) cho thấy không khí thở ra từ các tòa nhà dân cư cũng chứa các chất ô nhiễm có thể trở thành một nguồn ô nhiễm ngoài trời khác, ảnh hưởng đến chất lượng không khí tổng thể trong các thành phố. Do đó, một chu trình được dự đoán sẽ tồn tại, trong đó một phần ô nhiễm không khí trong nhà cuối cùng có thể được duy trì hoặc thậm chí được tăng cường bởi không khí thở ra quay trở lại chính tòa nhà dân cư mà nó đã đi ra thông qua các kênh trao đổi thông thường, ví dụ như hệ thống thông gió. Mặc dù phạm vi của vòng phản hồi như vậy vẫn chưa được biết rõ, nhưng chắc chắn nó đòi hỏi các chiến lược giảm thiểu có mục tiêu hoặc tích hợp các giải pháp hiện có.

Trong nghiên cứu này, trước tiên chúng tôi đề xuất và sau đó đánh giá các chiến lược khác nhau để giảm thiểu ô nhiễm không khí trong các tòa nhà dân cư trước khi chúng thải ra môi trường đô thị, hy vọng sẽ giúp phá vỡ vòng luẩn quẩn và giảm mức độ ô nhiễm không khí đô thị nói chung. Các giải pháp này sẽ hỗ trợ các cơ quan quản lý chất lượng không khí đô thị. Chúng tôi phân tích các khía cạnh khác nhau của các chiến lược, chẳng hạn như chi phí triển khai, bảo trì, tỷ lệ giảm ô nhiễm, tác động môi trường và xã hội. Các biện pháp can thiệp từ các lĩnh vực nghiên cứu khác cũng được đề xuất, thường không được xem xét để giải quyết loại vấn đề này, do đó lấp đầy khoảng trống về các chiến lược giảm thiểu. Bài viết này trình bày tổng quan về khí thải ảnh hưởng đến các khu vực đô thị và các giải pháp khác nhau, vượt ra ngoài giới hạn của các giải pháp dựa vào thiên nhiên và tích hợp các giải pháp từ các lĩnh vực khác như xây dựng và công nghiệp. Bài viết cho thấy các giải pháp giảm nồng độ ô nhiễm có tác động đến các khu vực đô thị hiện nay không thể chỉ giới hạn ở một khu vực nghiên cứu duy nhất. Theo cách này, cần nghiên cứu các giải pháp tích hợp và các dự án trong tương lai, mở rộng các giải pháp từ các lĩnh vực khác sang môi trường dân cư . Khi đánh giá các chiến lược và đề xuất, chúng tôi tính đến hiệu quả tương đối của chúng về mặt giảm nồng độ chất ô nhiễm cũng như chi phí lắp đặt và bảo trì có thể có, cùng với các khía cạnh khác, để lựa chọn những chiến lược và đề xuất tối ưu áp dụng cho các tòa nhà dân cư.

2. Phạm vi và phương pháp

Phạm vi của bài đánh giá này tập trung vào các chiến lược giảm thiểu ô nhiễm không khí ở các khu vực đô thị xung quanh các tòa nhà dân cư. Trong phần đầu tiên, các tài liệu hiện có đã được tìm kiếm một cách có hệ thống theo Mục báo cáo ưu tiên cho các bài đánh giá có hệ thống và phân tích tổng hợp (PRISMA) của nghiên cứu do Liberati và cộng sự (2009) thực hiện . Các từ khóa được chọn là: 'giảm thiểu', 'khu vực đô thị', 'ô nhiễm không khí', 'ô nhiễm không khí ngoài trời', 'chiến lược' và 'can thiệp'. Các cơ sở dữ liệu khoa học được truy vấn bao gồm Scopus, ScienceDirect và Web of Science. Chúng tôi không lọc theo khu vực địa lý mà giới hạn tìm kiếm của mình đối với các bài báo đánh giá bằng tiếng Anh được xuất bản từ năm 2000 đến tháng 7 năm 2024. Chúng tôi đã xem xét các bài báo trên các tạp chí được lập chỉ mục, không bao gồm các lĩnh vực chủ đề không liên quan đến môi trường, năng lượng, công nghiệp, kỹ thuật, kiến trúc và ô nhiễm không khí ngoài trời. Việc tìm kiếm đã mang lại 76 bài đánh giá, cộng với bốn bài báo đánh giá bổ sung khác được xác định trong một cuộc khảo sát trước đó, nâng tổng số bài báo lên 80. Sau khi xem xét tóm tắt của 76 bài báo từ tìm kiếm có hệ thống, 49 bài báo đã bị loại vì không liên quan đến vấn đề. 24 bài báo còn lại đã được phân tích chuyên sâu. 15 bài trong số này đã bị loại thêm vì chúng không đáp ứng tất cả các tiêu chí cho một bài báo tổng quan. Chín bài đánh giá còn lại cộng với bốn bài đánh giá bổ sung được xác định từ các nguồn khác, tổng cộng có 13 bài báo tổng quan đã được sử dụng trong phân tích như thể hiện trong Bảng 1. Bốn bài báo từ các nguồn khác ( Abhijith và cộng sự, 2017 ; Shafique và cộng sự, 2020 ; O'Hara và cộng sự, 2022 ; Kuittinen và cộng sự, 2023 ) không bao gồm các từ khóa được sử dụng trong tìm kiếm có hệ thống và do đó không thể xuất hiện trong kết quả tìm kiếm. Tuy nhiên, việc đưa chúng vào được coi là quan trọng dựa trên nội dung của chúng. Nghiên cứu của Abhijith và cộng sự (2017) đã xem xét các tài liệu đã xuất bản về tác động của các biện pháp can thiệp không gian xanh đối với chất lượng không khí tại khu vực lân cận. Shafique và cộng sự (2020) đã chứng minh tiềm năng của mái nhà xanh như một biện pháp giảm thiểu biến đổi khí hậu thông qua khả năng của mái nhà xanh trong việc giảm phát thải CO2 theo cách trực tiếp (lớp mái xanh) và gián tiếp (tiêu thụ năng lượng của các tòa nhà). O'Hara và cộng sự (2022) đã xem xét mối quan hệ cộng sinh giữa mái nhà xanh đô thị và sức khỏe bệnh viện/bệnh nhân dưới góc nhìn bền vững, khám phá những lợi ích của không gian xanh và mái nhà xanh, đồng thời cung cấp các nghiên cứu điển hình về mái nhà xanh tại các bệnh viện ở Hoa Kỳ. Và nghiên cứu của Kuittinen và cộng sự (2023)đã cung cấp bản đánh giá về các công nghệ lưu trữ carbon khả thi dựa trên tài liệu và kinh nghiệm chuyên môn, đề xuất phân loại các phương pháp tiếp cận khác nhau, đánh giá hiệu quả lưu trữ carbon ròng và mức độ sẵn sàng của chúng, đồng thời đề xuất xếp hạng dựa trên khả năng áp dụng, hiệu quả và mức độ sẵn sàng của chúng.

Bảng 1. Tóm tắt các chiến lược khác nhau để giảm phát thải ô nhiễm không khí đô thị và loại can thiệp mà chúng áp dụng, dựa trên đánh giá có hệ thống các bài báo tổng quan được thực hiện trong phần đầu của bản thảo.

Trong phần thứ hai, chúng tôi đã biên soạn và phân tích các bài báo nghiên cứu được kiểm tra bởi 13 bài đánh giá được liệt kê trong Bảng 1. Chúng tôi phân loại các tài liệu tham khảo này thành các giải pháp dựa trên thiên nhiên ( Bảng 2 , n = 32 bài báo nghiên cứu) và các giải pháp dựa trên xây dựng ( Bảng 3 , n = 6 bài báo nghiên cứu). Chúng tôi đã thêm vào đó 13 bài báo nghiên cứu bổ sung về các chiến lược lọc và làm sạch không khí cho các tòa nhà dân cư làm cơ sở cho Hình 2 , bảy tài liệu tham khảo nghiên cứu về các giải pháp dựa trên công nghiệp và hơn ba mươi tài liệu tham khảo bổ sung hỗ trợ nghiên cứu và kinh nghiệm trước đây của tác giả về việc triển khai các chiến lược này trong các hệ thống HVAC ( Bảng 4 ). Do đó, toàn bộ ngữ liệu được xem xét trong bài viết này bao gồm 108 tài liệu tham khảo được hiển thị trong Hình 1 .

Bảng 2. Tóm tắt các bài báo nghiên cứu về giải pháp dựa trên thiên nhiên với những phát hiện có liên quan nhất được đề cập trong các bài đánh giá ở Bảng 1. Chữ số trên chỉ ra các trích dẫn bổ sung trong các bài đánh giá.

Bảng 3. Tóm tắt các bài báo nghiên cứu giải pháp dựa trên xây dựng với những phát hiện phù hợp nhất được đề cập trong các đánh giá trong Bảng 1.

Bảng 4. Dễ ứng dụng và chi phí triển khai hệ thống HVAC với bộ lọc thông gió hoặc sử dụng chất tẩy rửa di động trong các tòa nhà dân cư. Các yếu tố tương tự được nghiên cứu bởi (Rawat và Kumar, 2023) trong các trường học được bao gồm. (Hình 1 màu xanh lá cây) đại diện cho một khía cạnh dễ giải quyết, (Hình 2 màu vàng) một khía cạnh cần được thực hiện một cách thận trọng và tham khảo ý kiến của một chuyên gia, (Hình 3 màu đỏ) đề cập đến một khía cạnh chắc chắn cần được tư vấn / thực hiện bởi một chuyên gia.

Hình 1. Sơ đồ quy trình về phạm vi và phương pháp của bài báo. 80 bài báo tổng quan hoặc khái niệm đã được xem xét, trong đó 13 bài đáp ứng tất cả các tiêu chí đủ điều kiện (khung liền màu đỏ). Các bài báo nghiên cứu được đưa vào các bài tổng quan, cùng với các bài báo nghiên cứu bổ sung mô tả các chiến lược lọc và làm sạch không khí hoặc hỗ trợ kinh nghiệm nghiên cứu của nhóm, được sắp xếp thành các loại giải pháp và chiến lược (một số bài báo sẽ đề cập đến nhiều hơn một chiến lược) và sơ đồ quy trình ra quyết định dựa trên 51 bài báo nghiên cứu. Điểm mới của bài báo (khung liền nét đỏ) nằm ở việc kết hợp phân tích và phân loại các nghiên cứu hiện có hỗ trợ các chiến lược giảm thiểu và các giải pháp dựa trên thiên nhiên, công nghiệp và xây dựng (108 bài báo). Các mũi tên đen mô tả quy trình lọc và phân loại cho các bài báo được tổng quan, và các mũi tên đứt nét đỏ mô tả việc trích xuất hoặc hình thành các chiến lược được tìm thấy trong các bài báo khác.

3. Các loại khí thải

3.1 . Khí thải đô thị

Thuật ngữ phát thải mô tả các loại khí và hạt thải vào không khí từ nhiều nguồn khác nhau. Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào bốn loại phát thải đô thị chính: phát thải giao thông, phát thải xây dựng, phát thải sinh hoạt và phát thải công nghiệp. Theo Anenberg và cộng sự, 2019 , ô nhiễm phát ra từ các phương tiện giao thông ở khu vực đô thị tại Châu Âu là nguyên nhân chính gây ra các ca tử vong do ô nhiễm liên quan đến giao thông vào năm 2015 và giao thông chiếm 11,4% số ca tử vong do PM 2.5 và ôzôn. WHO (2021) đã khuyến nghị một số chính sách liên quan đến giao thông có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm không khí, chẳng hạn như sản xuất năng lượng bền vững, cải thiện mạng lưới đi bộ và đạp xe trong thành phố và chuyển sang sử dụng các loại xe và nhiên liệu diesel hạng nặng thân thiện với môi trường hơn. Nhiều thành phố ở Châu Âu cũng đã triển khai các khu vực phát thải thấp (LEZ). Ferreira và cộng sự (2015) đã phân tích dữ liệu chất lượng không khí trước và sau khi triển khai LEZ tại Lisbon, cho thấy sự tiến triển tích cực khi so sánh giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2013, chuỗi thời gian được chia thành hai giai đoạn, trước và sau ngày 16 tháng 9 năm 2012, tương ứng với ngày áp dụng những thay đổi về giao thông. Năm 2013, nồng độ PM 10 trung bình hàng năm giảm 23% và nồng độ NO 2 trung bình hàng năm giảm 12% so với năm 2011 ( Ferreira và cộng sự, 2015 ). Huang và cộng sự (2021) đã phân tích hiệu quả của các chiến lược khác nhau để giảm ô nhiễm không khí trên đường. Họ phát hiện ra rằng các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng không khí trên đường là tình trạng giao thông, hình dạng hẻm núi, điều kiện khí hậu và phản ứng hóa học. Một số cải tiến về quy hoạch đô thị, ví dụ như rào chắn vỉa hè như cây cối và hàng rào hoặc hàng rào chống ồn, có thể điều chỉnh các yếu tố này, ví dụ như thay đổi tình trạng hẻm núi hoặc đường giao thông, hoặc làm chậm các phản ứng quang hóa dưới bóng cây.

70% lượng khí thải nhà kính (GHG) hiện nay đến từ các khu vực đô thị và theo Liên hợp quốc (2021) , 'Ba phần tư cơ sở hạ tầng sẽ tồn tại vào năm 2050 vẫn chưa được xây dựng'. Đây sẽ là một vấn đề ô nhiễm trong tương lai. Kiến trúc 2030 (2023) lưu ý rằng 'Môi trường xây dựng chịu trách nhiệm cho khoảng 42% lượng khí thải CO 2 toàn cầu hàng năm ', trong khi lượng khí thải từ xi măng, sắt, thép và vật liệu nhôm được sử dụng cho cơ sở hạ tầng chịu trách nhiệm cho khoảng 7,3% lượng khí thải CO 2 toàn cầu hàng năm trong quá trình sản xuất của chúng. Hoạt động xây dựng cũng góp phần vào mức độ vật chất dạng hạt trong không khí ở khu vực xung quanh công trường xây dựng ( Tsiouri và cộng sự, 2015 ). Chỉ thị về Hiệu suất Năng lượng của Tòa nhà của EU nêu rõ rằng việc giảm mức tiêu thụ năng lượng không chỉ phụ thuộc vào thiết kế của các tòa nhà mà còn phụ thuộc vào việc xây dựng, vận hành và sử dụng chúng ( Janda, 2011 ). Giảm thiểu biến đổi khí hậu trong xây dựng bao gồm việc triển khai các chiến lược, công nghệ và phương pháp thiết kế có thể giảm nhu cầu và mức tiêu thụ năng lượng của một tòa nhà từ giai đoạn ý tưởng, xây dựng, bàn giao, cải tạo và kết thúc vòng đời hữu ích. Đầu tư vào nhiên liệu carbon thấp, tối đa hóa cơ hội hấp thụ carbon của các tòa nhà và thúc đẩy sự chuyển đổi sang lối sống bền vững là một số phương pháp để đạt được mục tiêu giảm thiểu biến đổi khí hậu ( Longo và cộng sự, 2018 ).

Các thành phố chịu trách nhiệm cho một phần đáng kể mức tiêu thụ năng lượng và lượng khí thải CO 2 của thế giới . Các khu vực đô thị ở EU dự kiến sẽ tiêu thụ 75% nhu cầu năng lượng, tăng từ 69% vào năm 2006 ( Kamal-Chaoui và Robert, 2009 ). Nhiên liệu nấu ăn trong gia đình cũng góp phần gây ô nhiễm không khí ngoài trời, nguyên nhân gây ra khoảng nửa triệu ca tử vong sớm ( Lim và cộng sự, 2012 ). Lượng khí thải từ quá trình đốt cháy trong gia đình phụ thuộc vào loại nhiên liệu, chất lượng hoặc đặc tính của nhiên liệu, loại thiết bị đốt cháy và giai đoạn đốt cháy ( Kuye và Kumar, 2023 ). Một số biện pháp, bao gồm việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, đã được đề xuất để giảm mức tiêu thụ năng lượng ở các khu vực đô thị; triển khai các hệ thống nhiệt điện kết hợp sử dụng khí mê-tan tạo ra từ chất thải sinh học; và đưa việc tạo ra năng lượng đến gần hơn với người dùng cuối ( Longo và cộng sự, 2018 ). Việc giảm mức tiêu thụ năng lượng trong các tòa nhà liên quan đến những thay đổi trong toàn bộ cấu trúc xã hội, không chỉ về hình thức và bản chất của các tòa nhà ( Janda, 2011 ).

Một nguồn khác gây suy giảm chất lượng không khí ở khu vực đô thị nằm ở các cơ sở công nghiệp, là nguồn phát sinh các chất ô nhiễm như VOC ( Lee và Cho, 2003 ; Sofia và cộng sự, 2020 ). Do sự hiện diện của các ngành công nghiệp gần các thành phố và phát thải nhiều chất ô nhiễm khác nhau, các chính phủ đã ban hành luật và chính sách nghiêm ngặt để giảm ô nhiễm không khí do các hoạt động công nghiệp gây ra ( Jonidi Jafari và cộng sự, 2021 ). Mọi ngành công nghiệp nên thực hiện các biện pháp kiểm soát ô nhiễm môi trường phù hợp với loại ô nhiễm mà ngành đó tạo ra ( Li và cộng sự, 2020 ; Jonidi Jafari và cộng sự, 2021 ). Xem xét đến tuổi đời của một số ngành công nghiệp và sự tiến bộ của kiến thức khoa học, việc cải thiện cơ cấu công nghiệp được coi là biện pháp quan trọng và hiệu quả nhất để giảm ô nhiễm ở khu vực đô thị ( Sofia và cộng sự, 2020 ; Jonidi Jafari và cộng sự, 2021 ). Việc xây dựng các chiến lược tổng hợp giải quyết ô nhiễm không khí là điều cần thiết để đảm bảo chúng ta tối đa hóa lợi ích và sẵn sàng ứng phó với biến đổi khí hậu trong tương lai ( Chae và Park, 2011 ). Phát thải PM10 chủ yếu do quá trình đốt cháy công nghiệp và quy trình sản xuất gây ra. Việc sử dụng các công nghệ sạch mới có thể giúp giảm 10% lượng khí thải. Có một số công nghệ sạch, bao gồm các bộ khuếch tán hiệu suất cao như lốc xoáy, bộ lọc bụi tĩnh điện, và các biện pháp xử lý quy trình công nghiệp tốt, các chương trình phát hiện rò rỉ và sửa chữa ( Duque và cộng sự, 2016 ).

Các nguồn gây ô nhiễm đô thị khác đáng được đề cập đến là những nguồn được nhiều tổ chức quốc tế ghi nhận. Theo Cơ quan Môi trường Châu Âu (EEA), giao thông vận tải chịu trách nhiệm cho khoảng 45% lượng khí thải nitơ oxit (NO) của EU; sản xuất và phân phối năng lượng là nguồn chính tạo ra lưu huỳnh oxit (SO x ) và là nguồn phát thải NOx đáng kể; và sưởi ấm các tòa nhà thương mại, cơ quan và dân cư chịu trách nhiệm cho 53% lượng khí thải hạt mịn (PM 2.5 ) ( EEA, 2023 ). Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) tuyên bố rằng ô nhiễm không khí từ giao thông vận tải góp phần gây ra khói bụi và chất lượng không khí kém; ngành giao thông vận tải chịu trách nhiệm cho khoảng 45% tổng lượng khí thải NO x ở Hoa Kỳ và dưới 10% VOC, 10% lượng khí thải PM 2.5 và PM 10 ở Hoa Kỳ ( EPA, 2024 ).

3.2 . Khí thải dân dụng

Ô nhiễm có nguồn gốc từ các tòa nhà dân cư thường là kết quả của các hoạt động chung của con người diễn ra bên trong. Do đó, chúng tôi quyết định kiểm tra lượng khí thải được chia thành bốn loại: sử dụng nhà vệ sinh, nhà bếp, khu vực sinh hoạt chung và nhà để xe. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng nấu ăn là một trong những nguồn chính gây ô nhiễm không khí trong nhà, thậm chí còn vượt quá sự đóng góp của các nguồn ngoài trời ( Stieb và cộng sự, 2008 ; Wallace và cộng sự, 2008 ; Kearney và cộng sự, 2011 ; Dobbin và cộng sự, 2018 ). Wheeler và cộng sự (2011) đã báo cáo rằng trong thời gian nấu bữa tối, nồng độ trong nhà vượt quá giá trị trung bình hàng ngày là 160% đối với Hạt siêu mịn (UFP) và 60% đối với PM 2.5 . Một mối quan tâm khác là bếp gas tự nhiên, tạo ra mức nitơ dioxide cao trong nhà ( Nagda và cộng sự, 1989 ; Mullen và cộng sự, 2016 ). Một số nghiên cứu đề xuất giảm các chất ô nhiễm liên quan đến nấu ăn bằng cách sử dụng quạt hút; tuy nhiên, họ cũng chỉ ra rằng hiệu quả của quạt hút phụ thuộc vào nhiều yếu tố và do đó chúng không thể là giải pháp dứt điểm để giảm ô nhiễm nhà bếp trong nhà ( Rim và cộng sự, 2012 ; Hao và cộng sự, 2014 ; Singer và cộng sự, 2017 ). Phong cách nấu ăn thay đổi tùy theo văn hóa và vị trí địa lý, và việc mô tả đặc điểm khí thải do các phương pháp nấu ăn khác nhau tạo ra trở nên quan trọng vì mỗi phong cách sử dụng các thành phần và kỹ thuật khác nhau ảnh hưởng đến việc tạo ra và vận chuyển ô nhiễm trong nhà bếp ( Zhang và cộng sự, 2010 ). Phòng tắm là nguồn ô nhiễm chính do các hạt sinh học và các hợp chất dễ bay hơi mang mùi, ảnh hưởng đến cả chất lượng môi trường trong nhà và sức khỏe thể chất và tinh thần của cư dân ( Ding và cộng sự, 2022 ). Một thí nghiệm do Johnson và cộng sự thực hiện (2013) cho thấy nồng độ hạt trong không khí lên tới 512,6 μm/m 3 được tạo ra trong quá trình xả bồn cầu. Jung và Abdelaziz Mahmoud (2023) chỉ ra rằng sau khi sử dụng phương pháp chiết xuất cơ học trong ba tuần trong phòng tắm, formaldehyde (HCHO) có tỷ lệ giảm khoảng 20% và tổng hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (TVOC) có tỷ lệ giảm là 90%. Trong nhà ở gia đình đơn lẻ, ống thông gió có chức năng thông khí từ khoang chứa nước thải ra khí quyển ( Zuazua-Ros và cộng sự, 2023 ). Ống thoát nước dẫn nước thải đến hệ thống cống rãnh, nhưng chúng phải hoạt động cùng với ống thông gió để đảm bảo thoát nước hiệu quả ( Zuazua-Ros và cộng sự, 2023 ).

Nhiều hoạt động khác của con người như dọn dẹp, phơi quần áo trong nhà, đốt nhiên liệu sinh hoạt, hút thuốc và thắp hương trong nhà cũng gây ô nhiễm trong nhà ( Martins và Carrilho da Graça, 2018 ; Cheung và Jim, 2019 ; Zhai và Albritton, 2020 ; Lizana và cộng sự, 2020 ). Các hoạt động của con người này, cũng như việc đốt nhiên liệu để sưởi ấm, cùng với việc tiếp xúc với các vật liệu nguy hiểm thải ra từ các tòa nhà như vật liệu xây dựng, dẫn đến việc giải phóng các loại khí đơn giản như carbon monoxide, ozone hoặc radon; các hơi phức tạp như hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC); và các hạt nhỏ (PM 10 , PM 2.5 , PM 1 ) ( Bani Mfarrej và cộng sự, 2020 ). Nhìn chung, chúng có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe khác nhau ( WHO, 2010 ), bao gồm các tổn thương như ung thư và ảnh hưởng đến hệ tim mạch, tiêu hóa, miễn dịch, thần kinh và hô hấp ( Bani Mfarrej và cộng sự, 2020 ). Vì lý do này, việc thông gió nhà ở hoạt động bình thường trở nên rất quan trọng, cung cấp không khí trong lành, sạch sẽ bên trong nhà để giảm thiểu tiếp xúc với các chất ô nhiễm nguy hiểm bằng cách pha loãng và loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi không khí ( Carrer và cộng sự, 2018 ).

Nồng độ VOC cao thường được tìm thấy trong gara của các tòa nhà dân cư do khí thải ô nhiễm từ xe cộ, thùng chứa và các vật dụng được lưu trữ trong chính gara ( Batterman và cộng sự, 2006 ). Khi gara là một phần không thể thiếu của tòa nhà, khí thải VOC này có thể được đưa vào không khí xung quanh và không gian sống ( Zuazua-Ros và cộng sự, 2023 ). Hệ thống thông gió cơ học thường được lắp đặt trong các gara lớn, kín để loại bỏ các chất ô nhiễm không khí ra khỏi không khí kịp thời nhằm duy trì chất lượng không khí ở mức tốt ( Obidullah và cộng sự, 2012 ). Các tiêu chuẩn xây dựng của Tây Ban Nha (CTE, Código Técnico de La Edificación, 2023 ) yêu cầu tốc độ thông gió tối thiểu và hệ thống phát hiện carbon monoxide kích hoạt quạt khi phát hiện nồng độ ở ngưỡng ( Ministerio de Fomento, 2023 ). Cần lưu ý rằng phần lớn không khí ô nhiễm trong gara được thải ra ngoài qua mái nhà, theo cách tự nhiên hoặc cơ học ( Zuazua-Ros và cộng sự, 2023 ), trực tiếp vào khí quyển, góp phần làm tăng mức độ ô nhiễm ngoài trời. Các tiêu chuẩn thông gió tòa nhà đã thiết lập các biện pháp để giải quyết mức độ ô nhiễm trong gara và việc truyền chất ô nhiễm vào không gian sống ( ASHRAE, 2022 ).

4. Các loại chiến lược

4.1 . Chiến lược đô thị

Trong thập kỷ qua, các giải pháp dựa vào thiên nhiên (NbS) đã nổi lên như một biện pháp can thiệp giúp giảm thiểu ô nhiễm đô thị. Ủy ban Châu Âu định nghĩa chúng là ' các giải pháp lấy cảm hứng và được hỗ trợ bởi thiên nhiên, tiết kiệm chi phí, đồng thời mang lại lợi ích về môi trường, xã hội và kinh tế và giúp xây dựng khả năng phục hồi. Các giải pháp như vậy mang lại nhiều hơn và đa dạng hơn các đặc điểm và quy trình tự nhiên và thiên nhiên vào các thành phố, cảnh quan và cảnh quan biển, thông qua các biện pháp can thiệp có hệ thống, hiệu quả về tài nguyên và được điều chỉnh theo địa phương' ( Ủy ban Châu Âu, 2024 ). Cơ sở hạ tầng xanh (GI), bao gồm cây xanh, hàng rào và bụi rậm, tường xanh và mái nhà xanh, là một yếu tố chính của NbS. Việc tăng khoảng cách giữa các nguồn và thụ thể giúp cải thiện sự pha loãng và phân tán các chất ô nhiễm và giảm nồng độ tại các thụ thể; một số NbS được áp dụng ở các khu vực đô thị để hỗ trợ khoảng cách này là cây xanh, hàng rào hoặc bụi rậm nằm giữa các phương tiện giao thông đường bộ và người đi bộ ( Hewitt và cộng sự, 2020 ).

Các loại can thiệp này là các giải pháp ở cấp độ đô thị và không thể áp dụng cho các tòa nhà dân cư ngoại trừ giai đoạn quy hoạch đô thị, trong khi đó mái nhà xanh và mặt tiền xanh hoặc tường xanh có ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường của các tòa nhà dân cư và có thể được cải tạo. Một số nghiên cứu cung cấp bằng chứng về hiệu quả của việc sử dụng mái nhà xanh ( Currie và Bass, 2008 ; Vijayaraghavan, 2016 ; Shafique và cộng sự, 2018 , Shafique và cộng sự, 2020 ). Hơn nữa, theo công trình được thực hiện vào năm 2007 bởi Yang và cộng sự (2008) , lượng chất ô nhiễm không khí hàng năm (SO 2 , NO 2 , PM 10 , O 3 ) của 19,8 ha mái nhà xanh với các loại thảm thực vật khác nhau ở Chicago là 1675 kg/năm. Mái nhà xanh cũng có thể tạo ra các chất gây ô nhiễm, với phấn hoa do thực vật tạo ra (không phải là chất gây ô nhiễm tự nó, nhưng là một chất gây dị ứng quan trọng cộng với chất gây dị ứng đến từ công viên, vườn và khu vực đô thị) và xói mòn chất nền trong điều kiện gió dẫn đến ô nhiễm hạt tăng lên. Ngoài ra, chúng có thể phát ra các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), góp phần tạo ra O3 (Yang và cộng sự, 2008 ) . Các khía cạnh khác cần xem xét là giảm lượng nước mưa chảy tràn, tiết kiệm năng lượng, giảm các đảo nhiệt đô thị và kéo dài tuổi thọ của mái nhà ( Yang và cộng sự, 2008 ). Chi phí liên quan đến việc xây dựng và bảo trì mái nhà xanh có thể được giảm thiểu thông qua việc thiết lập các tiêu chuẩn công nghiệp và triển khai một hệ thống toàn diện để sản xuất, cung cấp và lắp đặt mái nhà xanh ( Yang và cộng sự, 2008 ). Người ta cũng thấy rằng lợi ích về môi trường của mái nhà xanh không chỉ giới hạn ở các tòa nhà mới mà còn hứa hẹn cho các dự án cải tạo ( Berardi và cộng sự, 2014 ).

Tường xanh có thể là một giải pháp hữu ích để tăng cường mảng xanh trong môi trường đô thị, tận dụng diện tích bề mặt đáng kể của tường thành phố ( Ysebaert và cộng sự, 2021 ). Tường xanh không cản trở thông gió tự nhiên và có thể được đặt gần nguồn ô nhiễm ( Litschke và Kuttler, 2008 ; Janhäll, 2015 ; Abhijith và cộng sự, 2017 ). Một nghiên cứu vào tháng 6 năm 2016 của Weerakkody và cộng sự. (2018) chỉ ra kết quả bẫy trung bình khoảng 122,08 ± 6,9 × 10 7 PM 1 , 8,24 ± 0,72 × 10 7 PM 2,5 và 4,45 ± 0/33 × 10 7 PM 10 in 100 cm 2 của bức tường xanh được sử dụng từ ngày 23 tháng 6 năm 2016 đến ngày 1 tháng 9 năm 2016. Một yếu tố quan trọng cần xem xét khi tối đa hóa hiệu quả của các bức tường xanh là loại loài thực vật được sử dụng. Nghiên cứu của Weerakkody et al. (2018) cho thấy việc sử dụng các loài cây lá kim và các loài lá nhỏ hơn có thể nâng cao hiệu quả lọc PM so với các loài lá rộng. Ngoài việc cung cấp bóng râm và làm mát bằng bay hơi, thảm thực vật trên tường xanh có thể cải thiện vi khí hậu vào mùa đông, hoạt động như một lớp cách nhiệt ( Koyama et al., 2013 ). Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các hệ thống này có thể điều chỉnh sự truyền nhiệt, dẫn đến tăng cường sự hài lòng về nhiệt trong nhà và giảm mức sử dụng năng lượng để sưởi ấm và làm mát ( GhaffarianHoseini và cộng sự, 2013 ). Tuy nhiên, một số loại cây leo có thể gây hư hại cho bề mặt tòa nhà bằng cách mọc qua các vết nứt và lỗ rỗng và phá hủy nó bằng rễ của chúng ( Manso và Castro-Gomes, 2015 ). Chi phí triển khai phụ thuộc vào loại hệ thống được sử dụng, quy mô diện tích, khả năng tiếp cận và nhu cầu bảo trì như tưới tiêu, chất dinh dưỡng và thay thế cây. Tường xanh trực tiếp và gián tiếp có thể có giá dưới 75 €/m 2 ; chi phí cũng phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu được sử dụng và độ phức tạp của hệ thống, lên tới 1200 €/m 2 ( Manso và Castro-Gomes, 2015 ).

Mặt tiền nước là một khái niệm liên quan đến việc sử dụng nước để hấp thụ các chất ô nhiễm giống như nước mưa làm sạch không khí bằng cách hấp thụ các chất ô nhiễm không khí và bụi mịn, từ đó hòa tan chúng một cách hiệu quả ( Shukla và cộng sự, 2008 ). Mặc dù các bức tường hoặc rèm nước này có thể hỗ trợ loại bỏ chất gây ô nhiễm, nhưng có một số nhược điểm bắt nguồn từ các vấn đề như khan hiếm nước và chi phí vận hành cao ở nhiều quốc gia ( Rezazadeh và cộng sự, 2021 ). Vật liệu mặt tiền có thể có nguy cơ bị xói mòn do hàm lượng muối trong nước; những nhược điểm khác bao gồm những hạn chế khi triển khai trên nhiều vùng khí hậu và mùa khác nhau, bán kính tác động bị hạn chế, chi phí tiêu thụ nước tăng và khả năng nước đóng băng trong thời tiết lạnh ( Bastanfard, 2018 ; Rezazadeh và cộng sự, 2021 ). Yu (2014) đề xuất phương pháp phun nước, bao gồm việc phun nước vào khí quyển trên đỉnh các tòa nhà như thể đó là một khu vườn tưới nước. Cơ chế này dựa trên khái niệm rằng lượng mưa có thể loại bỏ ô nhiễm không khí trong nửa giờ nếu đủ nước được thải vào khí quyển theo cách phù hợp ( Shukla và cộng sự, 2008 ). Cơ chế này chứng minh khả năng giảm nhanh chóng ô nhiễm PM 2.5 trong khí quyển từ mức 100 μg/ m3 xuống mức thấp tới 35 μg/ m3 trong vòng vài phút đến vài giờ hoặc vài ngày, tùy thuộc vào đặc điểm lượng mưa ( Yu, 2014 ).

Một ứng dụng khác là mặt tiền tảo siêu nhỏ. Tảo siêu nhỏ khai thác quá trình quang hợp để chuyển đổi ánh sáng mặt trời và carbon dioxide thành năng lượng. Chúng tạo ra khoảng 75% lượng oxy cần thiết cho con người và động vật bằng cách hấp thụ carbon dioxide từ không khí; những sinh vật này có thể phát triển trong mọi môi trường sống dưới nước, chẳng hạn như nước lợ, nước thải và nhà vệ sinh, mà không cần nước sạch ( Rezazadeh và cộng sự, 2021 ). Mặt tiền tảo được tạo ra nhờ quá trình nuôi cấy quang dưỡng trong các lò phản ứng quang sinh khép kín (PBR) ( Alabi và cộng sự, 2009 ). Các PBR có chi phí sản xuất (sinh khối tảo) là 23 € cho mỗi lít dầu tảo, dẫn đến chi phí cho mỗi kg tảo là 6,85 € ( Alabi và cộng sự, 2009 ). Trong số các chi phí cần xem xét có việc chuẩn bị cấu trúc tấm, cung cấp tảo siêu nhỏ và các chất dinh dưỡng cần thiết để nuôi tảo siêu nhỏ ( Rezazadeh và cộng sự, 2020 ). Không khí bị ô nhiễm phải được bơm đều từ môi trường bên ngoài vào địa điểm nuôi cấy; trong thí nghiệm của Rezazadeh và cộng sự (2020) , một máy bơm bể cá đã được sử dụng để cung cấp liên tục không khí bên ngoài cùng với quá trình lưu thông chất dinh dưỡng. Hanafi (2021) đã thực hiện một nghiên cứu kiểm tra hiệu quả năng lượng và khả năng cô lập carbon của một tòa nhà thương mại ở Giza, Ai Cập; họ kết luận rằng mặt tiền bằng tảo có khả năng giảm lượng khí thải CO 2 xuống 6 tấn/năm trong khu vực lò phản ứng sinh học rộng 200 m 2 với 300 ngày sản xuất/năm. Bảng 2 tóm tắt các phát hiện có liên quan từ các tài liệu tham khảo được trích dẫn bởi tương đối ít bài báo hiện có trong bài đánh giá của chúng tôi về các giải pháp dựa trên thiên nhiên, cho biết tần suất các tài liệu tham khảo này xuất hiện trong các bài báo khác nhau. Sáu tài liệu tham khảo xuất hiện ba lần và do đó được coi là có liên quan nhất: Yang và cộng sự (2008) ; Berardi và cộng sự (2014) ; Janhäll (2015) ; Gallagher và cộng sự (2015) ; Vijayaraghavan (2016) ; và Abhijith và cộng sự (2017) . Bốn tài liệu tham khảo khác xuất hiện hai lần ( Berardi và cộng sự, 2014 ; Mullaney và cộng sự, 2015 ; Salmond và cộng sự, 2016 ; Shafique và cộng sự, 2018 ). Một đánh giá cụ thể cũng được thực hiện trên các tạp chí nơi loại bài báo này được xuất bản. Môi trường Khí quyển là tạp chí được trích dẫn thường xuyên nhất, tiếp theo là các tạp chí Đánh giá Năng lượng Tái tạo và Bền vững và Lâm nghiệp Đô thị & Xanh hóa Đô thị.

4.2 . Các chiến lược thay thế

Là một giải pháp xây dựng (CbS), nhu cầu về các lớp vỏ động có khả năng tương tác với môi trường, giống như trường hợp của các sinh vật tự nhiên, đã làm tăng cường nghiên cứu về sự phát triển của các công nghệ và vật liệu tiên tiến cho các ứng dụng tiềm năng cho các tòa nhà ( Sommese và cộng sự, 2023 ). Sơn quang xúc tác đã trở thành một phương pháp như vậy để giảm ô nhiễm khí quyển. Những loại sơn này chứa chất xúc tác quang sử dụng dải tia cực tím của ánh sáng mặt trời tự nhiên hoặc ánh sáng nhân tạo bằng cách thúc đẩy sự hình thành các chất có khả năng phản ứng cao có thể oxy hóa nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ có trong không khí ( Marolt và cộng sự, 2011 ; Del Cacho và cộng sự, 2013 ; Ben Ghida, 2022 ). Quá trình oxy hóa của quang xúc tác thường liên quan đến việc titan dioxide thu hút và giữ các phân tử nước từ không khí xung quanh khi tiếp xúc với tia cực tím; các phân tử nước này bắt giữ các hạt mịn cùng với nitơ oxit ( Del Cacho và cộng sự, 2013 ; Ben Ghida, 2022 ). Kết quả giám sát do Guerrini (2012) thực hiện cho thấy nồng độ NO giảm 25%, NO x giảm 23% và NO 2 giảm 19% sau khi áp dụng sơn quang xúc tác trên một đường hầm ở Rome, so sánh mức độ ô nhiễm của đường hầm với các trạm quan trắc chính thức được thiết lập gần đó. Hoạt tính quang xúc tác của sơn phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm tương đối; dựa trên kết quả giám sát quá trình phân hủy isopropanol do Marolt và cộng sự (2011) thực hiện , hoạt tính quang xúc tác giảm tuyến tính tốc độ phân hủy ở trạng thái ổn định từ gần 80 ppm h -1 xuống dưới 10 ppm h -1 khi độ ẩm tương đối tăng từ 2% lên 75%.

Mặc dù CO2 thường không được coi là chất gây ô nhiễm mà là một thành phần khí quyển bình thường có hiệu ứng nhà kính, nhưng các chiến lược sau đây được trình bày vì các nhà nghiên cứu coi chúng có liên quan đến thế giới của các tòa nhà dân cư, vì các đề xuất giảm ô nhiễm ở khu vực đô thị phải bắt đầu từ việc đồng thiết kế các tòa nhà. Sử dụng phương pháp bảo dưỡng cacbonat để sản xuất các sản phẩm xây dựng có thể cung cấp một quy trình xi măng hóa tiết kiệm năng lượng và một phương pháp khả thi về mặt kinh tế để lưu trữ CO2 . Trong phương pháp bê tông bảo dưỡng bằng CO2 , CO2 phản ứng với các khoáng chất kim loại kiềm để tạo thành các sản phẩm cacbonat trong phản ứng cacbonat hóa khoáng chất ( Huang và cộng sự, 2019b ). Bằng cách khuếch tán CO2 qua ma trận xi măng, cấu trúc lỗ rỗng được làm đặc lại, với canxi silicat và các sản phẩm ngậm nước được chuyển đổi thành các sản phẩm cacbonat ( Huang và cộng sự, 2019a , Huang và cộng sự, 2019b ). Giải pháp này không trực tiếp góp phần giảm ô nhiễm không khí từ các tòa nhà dân cư nhưng giúp giảm ô nhiễm do quá trình xây dựng tạo ra trong môi trường đô thị.

Công nghệ thu giữ không khí trực tiếp (DAC) là một giải pháp khác dựa trên xây dựng, trong đó CO 2 được thu giữ trực tiếp từ khí quyển ( Kuittinen et al., 2023 ). CO 2 có thể được thu giữ từ các tòa nhà và chuyển đổi thành nhiên liệu hydrocarbon nhưng phải được xử lý và nén trước khi có thể lưu trữ hoặc sử dụng ( Kuittinen et al., 2023 ). Có những nghiên cứu đề xuất rằng việc tích hợp hệ thống DAC vào các thiết bị điều hòa không khí trong môi trường xây dựng có khả năng giảm ô nhiễm không khí ( Dittmeyer et al., 2019 ). Ngược lại, Kuittinen et al. (2023) đề cập rằng việc triển khai hệ thống DAC trong môi trường xây dựng có tiềm năng hạn chế. Nghiên cứu trong tương lai có thể giải quyết câu hỏi về giải pháp giảm phát thải CO 2 từ các tòa nhà dân cư về tiềm năng thực tế là gì. Bảng 3 tóm tắt những phát hiện có liên quan từ các tài liệu tham khảo có trong các bài báo đánh giá về các giải pháp dựa trên xây dựng, loại can thiệp mà họ đã thực hiện, tạp chí nơi họ xuất bản và quốc gia nơi các nghiên cứu được phát triển.

Các ngành công nghiệp đã phát triển nhiều cơ chế khác nhau để giảm thiểu lượng ô nhiễm lớn mà họ tạo ra. Các giải pháp này được thiết kế để triển khai trong các ngành công nghiệp, do đó hiệu quả giảm thiểu ô nhiễm của chúng trong các tòa nhà dân cư không thể được chứng minh trực tiếp. Để áp dụng các công nghệ này trong các tòa nhà dân cư, chúng phải được tùy chỉnh để phù hợp với các cơ sở hiện có. Việc kiểm soát công nghiệp đối với việc thải ra các chất ô nhiễm không khí có thể được điều chỉnh có thể được chia thành ba loại: giảm thiểu và giảm thiểu chất thải tại nguồn; ngăn chặn; và loại bỏ bằng cách sử dụng một hoặc nhiều công nghệ xử lý ( Woodard và Curran, 2006 ).

Máy lọc khô là thiết bị "không có bộ phận chuyển động" dựa trên khái niệm bộ thu gom khí xoáy, bằng cách cung cấp các điều kiện tĩnh lặng, cho phép các hạt lắng xuống và tách ra để di chuyển không khí qua các hệ thống HVAC, nếu không chúng sẽ bị cuốn trôi do lực cản khí động học ( Woodard và Curran, 2006 ). Chúng bao gồm một xi lanh thẳng đứng có đáy hình nón và các ống vào và ra, khoang khí và phễu xả, khiến không khí đi vào quay quanh tâm ( Woodard và Curran, 2006 ; Bộ lọc CPE, 2023 ). Các bộ thu gom khí xoáy trong nước đã được chứng minh là có thể lọc 99,99% bụi đi vào và 96,02% mảnh vụn ( Mohamad Wazir và Nurfaizey, 2020 ). Các thiết bị khí xoáy nhỏ thường được lắp đặt để kiểm soát ô nhiễm từ các nguồn di động, đạt hiệu quả lên tới 90% khi lọc các hạt lớn hơn 20 μm ( Igwe và cộng sự, 2022 ). Những cuộc điều tra này cho thấy tiềm năng của hệ thống này khi được tích hợp vào hệ thống Sưởi ấm, Thông gió và Điều hòa không khí (HVAC) trong các tòa nhà dân cư.

Máy lọc ướt có hiệu quả trong việc loại bỏ cả các hạt và khí khỏi luồng khí thải. Luồng khí thải bị ô nhiễm được dẫn qua chất lỏng lọc, thường là nước; các hạt và khí được thu thập trong chất lỏng lọc và khí thải được thải vào khí quyển không có chất gây ô nhiễm ( EPA, 2023a ). Tuy nhiên, chất lỏng lọc thu được phải được xử lý trước khi thải bỏ ( Kiang, 2018 ). Nếu luồng khí chứa cả vật chất dạng hạt và khí, máy lọc ướt thường là thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí duy nhất có thể loại bỏ cả hai chất gây ô nhiễm và có thể loại bỏ hơn 99% vật chất dạng hạt trong không khí ( EPA, 2023a ). Một hệ thống khác là túi lọc vải có thể loại bỏ các hạt khỏi luồng khí bị ô nhiễm bằng cách lắng đọng các hạt trên vật liệu vải, thường có hiệu suất hơn 99% ( EPA, 2023b ). Bộ lọc thường ở dạng túi vải hình trụ. Khi các hạt được lọc tích tụ trên bề mặt vải, lớp này trở thành bộ lọc bổ sung, thường hiệu quả hơn cả bản thân vải ( Woodard và Curran, 2006 ).

4.3 . Chiến lược lọc và làm sạch không khí

Công nghệ lọc và làm sạch không khí được sử dụng để giảm thiểu sự tiếp xúc với các chất gây ô nhiễm trong tòa nhà bằng cách loại bỏ chúng khỏi không khí một cách có chủ đích, cải thiện chất lượng không khí trong nhà và đôi khi giảm nhu cầu thông gió ngoài trời ( ASHRAE, 2024 ). Những phương pháp này có tiềm năng cung cấp các lựa chọn khả thi và/hoặc bổ sung cho các phương pháp hiện có nhằm giảm thiểu sự tiếp xúc bằng cách nâng cao hiệu quả thông gió thông qua việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm có nguồn gốc trong nhà ( ASHRAE, 2024 ). Mặc dù các phương pháp loại bỏ hạt và khí có thể khác nhau, hầu hết các công nghệ đều dựa vào bộ lọc, bẫy, chất trung hòa hoặc chất phản ứng.

Nhìn chung, cách tốt nhất để xử lý khí thải trong nhà là kiểm soát hoặc loại bỏ các nguồn gây ô nhiễm hoặc sự xâm nhập của chúng (luồng không khí qua các vết nứt và rò rỉ trong lớp vỏ tòa nhà, một con đường chính để không khí ngoài trời và các hạt vật chất xâm nhập vào các tòa nhà dân cư ( Gurmu et al., 2024 ) và thông gió cho ngôi nhà bằng không khí ngoài trời sạch, nhưng điều này không phải lúc nào cũng khả thi do những hạn chế như điều kiện thời tiết hoặc các chất ô nhiễm trong không khí ngoài trời ( EPA, 2018 ). Ví dụ, tỷ lệ chất ô nhiễm trong nhà/ngoài trời (I/O) thấp ( Xu et al., 2023 ) kết hợp với hệ số thâm nhập cao (tỷ lệ các hạt trong không khí xâm nhập đi qua lớp vỏ tòa nhà, Chen và Zhao (2011) có thể dẫn đến mức độ các hạt trong nhà tăng lên, bất kể nguồn gốc của chúng, cần phải loại bỏ.

Thông gió giúp hạn chế ô nhiễm môi trường từ hoạt động của con người ở mức độ phù hợp. Nếu không có thông gió đầy đủ, môi trường trong nhà sẽ bị xuống cấp, có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe. Thông gió trong tòa nhà có thể là tự nhiên hoặc cơ học. Trong thông gió tự nhiên, không khí được làm mới bằng cách mở cửa sổ hoặc cửa ra vào, cũng như bằng cách xâm nhập không kiểm soát qua lớp vỏ ( Campano và cộng sự, 2023 ).

Có hai loại thông gió cơ học: đơn giản và đôi. Thông gió cơ học đơn giản dựa vào việc quạt hút không khí cũ, tạo ra sự chênh lệch áp suất cho phép không khí trong lành đi vào qua các đường dẫn khí có thể điều chỉnh được ở các bức tường ngoài ( Morales và cộng sự, 2010 ). Trong trường hợp thông gió cơ học đôi, không khí đầu vào, được lọc và làm nóng trước vào mùa đông, cũng được dẫn đến các phòng và khu vực kín của tòa nhà, nơi không khí thường đi vào qua các bộ khuếch tán trên trần giả. Luồng khí tạo ra sẽ huy động, giữ lại và vận chuyển các chất ô nhiễm khác nhau mà nó gặp phải trên đường đến các lưới gió hồi, từ đó không khí được hút cơ học qua một ống dẫn khác ( Morales và cộng sự, 2010 ). Khi không thể thông gió, nên sử dụng bộ lọc không khí và các thiết bị làm sạch không khí khác được thiết kế đặc biệt để loại bỏ các chất ô nhiễm không khí trong nhà ( EPA, 2018 ; Rawat và Kumar, 2023 ). Các thiết bị này có thể được lắp đặt trong các ống dẫn của hệ thống HVAC trung tâm và lọc ô nhiễm trong nhà nói chung hoặc là máy lọc không khí di động mặc dù chúng chỉ lọc được ô nhiễm ở không gian nơi chúng được đặt ( EPA, 2018 ).

Lọc không khí, còn được gọi là lọc không khí cơ học, hút không khí (chủ động hoặc thụ động) qua một thiết bị thu giữ hoặc loại bỏ các chất gây ô nhiễm trong không khí. Để loại bỏ các hạt, các hệ thống này thường sử dụng bộ lọc HEPA (Không khí hạt hiệu suất cao) hoặc MERV (Giá trị báo cáo hiệu suất tối thiểu) để thu giữ các chất ô nhiễm như bụi, phấn hoa, lông thú cưng và các chất gây dị ứng khác. Bộ lọc HEPA có hiệu quả cao, thu giữ các hạt nhỏ tới 0,3 μm với hiệu suất ít nhất là 99,97% ( Luengas và cộng sự, 2015 ; EPA, 2018 ). Bộ lọc MERV có thể thu giữ các hạt nhỏ hơn (0,3 μm - 1,0 μm, 75% hoặc lớn hơn), nhưng chúng cũng hạn chế luồng không khí và gây ra sụt áp HVAC, giống như bộ lọc HEPA ( EPA, 2023c ). Bộ lọc điện tử cũng có thể được sử dụng để loại bỏ các hạt khỏi luồng không khí. Các quy trình điển hình có thể bao gồm việc tích điện cho các hạt thông qua dây corona hoặc tạo ion, sau đó thu thập chúng trên các tấm lắng đọng tích điện trái dấu (bẫy tĩnh điện), tăng cường khả năng loại bỏ chúng bằng các bộ lọc phương tiện thông thường hoặc hướng chúng về phía bề mặt xung quanh ( ASHRAE, 2024 ).

Hiệu quả của bộ lọc không khí cơ học và điện tử khác nhau tùy theo thiết kế của bộ lọc và kích thước của các hạt mà chúng thu giữ. Đối với hầu hết các công nghệ, việc loại bỏ hạt kém hiệu quả nhất thường xảy ra ở kích thước 0,2 hoặc 0,3 μm; trên và dưới kích thước này, hiệu quả loại bỏ được cải thiện. Việc bảo trì máy lọc không khí điện tử cũng đóng một vai trò trong việc xác định hiệu quả của chúng ( EPA, 2018 ; ASHRAE, 2024 ). Tái chế không khí trong nhà bằng bộ lọc và trộn không khí ngoài trời với không khí hồi lưu có thể nâng cao đáng kể hiệu quả của hệ thống lọc. Lọc không khí ngoài trời trước khi đi vào không gian có người ở là một cách hiệu quả để giảm nồng độ các hạt không khí ngoài trời trong không gian trong nhà, đặc biệt là trong các tòa nhà kín ( ASHRAE, 2024 ). Máy lọc không khí dựa trên Năng lượng diệt khuẩn cực tím (UV-C), còn được gọi là Chiếu xạ diệt khuẩn cực tím (UVGI), sử dụng đèn UV để vô hiệu hóa (tiêu diệt hoặc vô hiệu hóa) các vi sinh vật như vi-rút, vi khuẩn và bào tử và mảnh nấm lơ lửng trong không khí hoặc phát triển trên bề mặt ( EPA, 2018 ). Tia UV có thể xuyên qua cấu trúc bên ngoài của tế bào vi sinh vật và làm thay đổi DNA của chúng, ngăn chặn sự nhân lên và gây chết tế bào. Việc sử dụng UVGI nên được bổ sung (không phải để thay thế) cho các hệ thống lọc hạt thông thường, vì UVGI không thực sự bắt giữ hoặc loại bỏ các hạt ( EPA, 2018 ; ASHRAE, 2024 ).

Máy lọc không khí hấp phụ sử dụng hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học để bẫy các chất gây ô nhiễm dạng khí từ luồng không khí. Hấp phụ vật lý liên quan đến việc hấp phụ các chất gây ô nhiễm dạng khí vào các vật liệu xốp rắn, dẫn đến ngưng tụ trong các lỗ rỗng nhỏ. Chất hấp phụ phổ biến nhất được sử dụng là than hoạt tính; nhôm hoạt tính, zeolit tự nhiên và tổng hợp ở dạng hạt, oxit silic, sàng phân tử và nhiều loại polyme khác nhau cũng được sử dụng ( ASHRAE, 2024 ). Các hệ thống dựa trên chất hấp phụ có thể loại bỏ hiệu quả nhiều loại chất gây ô nhiễm với hiệu suất từ trung bình đến cao. Tốc độ hấp phụ bị ảnh hưởng bởi tốc độ các phân tử chất gây ô nhiễm tiếp xúc với bề mặt của môi trường, tỷ lệ được hấp phụ và tốc độ giải hấp. Máy lọc không khí sử dụng Oxy hóa quang xúc tác (PCO) sử dụng môi trường có diện tích bề mặt lớn được phủ một chất xúc tác như titan dioxit để hấp phụ các chất ô nhiễm dạng khí ( Cheek và cộng sự, 2021 ). PCO có độ giảm áp suất thấp, xử lý nhiều hợp chất khác nhau và có vòng đời phản ứng dài. Tuy nhiên, nó cũng liên quan đến năng lượng đèn, chi phí thay thế và khả năng tạo ra ozone (ví dụ, đèn UV-V ở bước sóng ∼185 nm tạo ra ozone) ( ASHRAE, 2024 ). Cũng có thể có quá trình oxy hóa không hoàn chỉnh, tạo ra các sản phẩm phụ của phản ứng có thể độc hại hoặc có hại hơn (ví dụ, formaldehyde).

Với máy lọc không khí plasma, khí đầu vào bị ion hóa bằng phóng điện áp cao, phá vỡ liên kết hóa học của chúng và thay đổi thành phần hóa học của chúng ( Cheek và cộng sự, 2021 ). Tuy nhiên, một số sản phẩm phụ có hại được biết là hình thành, bao gồm các hạt, ozone, carbon monoxide và formaldehyde. Trong các loại máy lọc không khí khác, thường để kiểm soát mùi hôi, ozone được tạo ra một cách có chủ đích bằng đèn UV hoặc phóng điện corona. Ở nồng độ cao, ozone có thể chuyển đổi các chất ô nhiễm hóa học thành các hợp chất khác và có thể tiêu diệt hoặc vô hiệu hóa các chất ô nhiễm sinh học ( EPA, 2018 ). Tuy nhiên, ozone là một chất oxy hóa mạnh có thể gây kích ứng phổi và do đó không được khuyến khích sử dụng trong không gian có người ở ( EPA, 2018 ; ASHRAE, 2024 ). Nhiều yếu tố sẽ ảnh hưởng đến việc lựa chọn chiến lược sẽ được sử dụng trong nhà ở, chẳng hạn như tính khả thi, lắp đặt và đưa vào vận hành. Hình 2 tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của các loại chiến lược lọc và máy lọc không khí khác nhau. Điều quan trọng nữa là phải xem xét chi phí liên quan đến lắp đặt, vận hành và bảo trì. Bảng 4 trình bày việc áp dụng các chiến lược này trong các tòa nhà dân cư và chi phí liên quan dựa trên tiêu chí phù hợp.

Hình 2. Tổng quan về ưu điểm và nhược điểm của các loại chiến lược lọc và máy lọc không khí khác nhau có sẵn để sử dụng trong hệ thống HVAC và với bộ lọc di động.

5. Thảo luận

Bước đầu tiên trong việc triển khai các chiến lược giảm thiểu ô nhiễm không khí trong các tòa nhà dân cư là nắm rõ loại khí thải và có dữ liệu định lượng về các loại khí thải này. Có bằng chứng cho thấy có sự thiếu hụt trong dữ liệu liên quan đến khí thải từ phòng tắm, nhà để xe và khu vực chung. Trong số các chiến lược đô thị được trình bày, các giải pháp dựa vào thiên nhiên, mái nhà xanh và tường xanh dường như cho thấy khả năng giảm nồng độ ô nhiễm không khí cao nhất. Tuy nhiên, các chiến lược này cần được phân tích trước khi triển khai vì hiệu quả loại bỏ tương đối không phải là yếu tố duy nhất liên quan. Các yếu tố khác, chẳng hạn như chi phí lắp đặt, bảo trì, loại thảm thực vật được sử dụng và tiềm năng giảm thiểu của chúng, cần được xem xét. Tường xanh có hiệu quả giảm thiểu cao hơn mái nhà xanh vì chúng có thể được triển khai trên các bề mặt lớn hơn. Tuy nhiên, các lợi ích phụ trợ, chẳng hạn như tạo bóng râm và làm mát bằng hơi nước, cải thiện vi khí hậu vào mùa đông và hoạt động như một lớp cách nhiệt, có thể đủ để bù đắp cho những bất lợi. Các chiến lược khác có thể được triển khai trong các tòa nhà dân cư, nhưng cần lưu ý rằng hiệu quả của chúng trong việc giảm nồng độ ô nhiễm không khí là không chắc chắn và chúng có thể đồng nghĩa với chi phí lắp đặt và bảo trì cao hơn.

Trong số ba chiến lược được trình bày như các giải pháp xây dựng, sơn quang xúc tác đã mang lại hiệu quả giảm thiểu ô nhiễm khí quyển đáng kể về mặt định lượng. Chi phí lắp đặt và bảo trì là những điểm cần xem xét để xác định hiệu quả của nó. Bê tông đóng rắn bằng CO2 và công nghệ thu giữ không khí trực tiếp là những công nghệ cần được thử nghiệm nhiều hơn trước khi có thể triển khai trong các tòa nhà dân cư. Mặc dù các giải pháp công nghiệp có hiệu quả hơn 90% trong việc giảm nồng độ ô nhiễm khí quyển, nhưng những dữ liệu này không thể được áp dụng trực tiếp cho các tòa nhà dân cư. Do đó, đây là một lĩnh vực nghiên cứu cần được phát triển. Thông gió thích hợp trong nhà đã được coi là một biện pháp hiệu quả để giảm thiểu tiếp xúc với các chất ô nhiễm phát sinh từ hoạt động của con người trong nhà. Có những giải pháp trên thị trường giúp cải thiện hiệu quả của hệ thống thông gió nhà ở, nhưng chúng phải được triển khai một cách cẩn thận vì một số giải pháp có thể mang theo các sản phẩm phụ có hại như ozone hoặc formaldehyde. Việc giải quyết các giải pháp kiểm soát ô nhiễm tại điểm xuất phát hay tập trung tại một địa điểm cũng phụ thuộc vào các quyết định chiến lược. Điều này có nghĩa là việc xác định xem ô nhiễm trong một ngôi nhà nên được quản lý trong đơn vị cụ thể đó, nhóm lại với các ngôi nhà khác (theo sàn hoặc theo chiều dọc), hay hợp nhất thành một vị trí trung tâm để ngăn chặn ô nhiễm phát tán ra bên ngoài.

Kinh nghiệm của các tác giả trong thiết kế, triển khai và trên hết là bảo trì các hệ thống và cơ sở năng lượng cho thấy giải pháp tốt nhất trong trung và dài hạn là chuyển toàn bộ dịch vụ lên tầng lửng kỹ thuật hoặc mái nhà, để các cơ sở này, vốn hoạt động trong một số giờ đáng kể mỗi năm, có thể được bảo trì đúng cách. Việc triển khai này là hợp lý xét về mặt giảm thiểu ô nhiễm không khí mà các tòa nhà thải ra bên ngoài, nhưng nó cũng hàm ý việc chiếm dụng nhiều hơn các không gian kỹ thuật và không gian bảo trì, cũng như các lối đi an toàn phòng cháy chữa cháy có thể dự đoán được khi các khu vực khác nhau giao tiếp với nhau. Đây là một sự phức tạp mà các nhà phát triển và nhà thầu có thể thấy là gánh nặng, đó là lý do tại sao cần phải có sự tham gia của ban quản lý và tạo ra một quy định bắt buộc phải thực hiện ma trận các giải pháp được đề xuất trong nghiên cứu này. Hình 3 cho thấy sơ đồ quyết định cho các chiến lược khác nhau để giảm nồng độ ô nhiễm không khí trong các tòa nhà dân cư đô thị, trong trường hợp tòa nhà mới hoặc tòa nhà hiện có.

Hình 3. Sơ đồ quyết định cho các chiến lược khác nhau nhằm giảm nồng độ ô nhiễm không khí trong các tòa nhà dân cư đô thị, trong trường hợp tòa nhà mới hoặc tòa nhà hiện hữu. CbS: giải pháp dựa trên xây dựng; NbS: giải pháp dựa trên thiên nhiên; HVAC: lắp đặt hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí.

6. Kết luận , khuyến nghị và công việc trong tương lai

Những kết luận chính có thể rút ra từ nghiên cứu này là:

• Mặc dù có vô số bài viết về chất lượng không khí trong nhà và chất lượng không khí đô thị, nhưng hầu như không có nghiên cứu nào về ô nhiễm không khí do các tòa nhà thải ra trung tâm đô thị. Đây chắc chắn là một hướng nghiên cứu sẽ có tầm quan trọng lớn trong tương lai.

• Trước nhu cầu cấp thiết phải cải thiện chất lượng không khí ở các thành phố và phải thực hiện việc này một cách nhanh chóng và khả thi về mặt kinh tế, vấn đề không phải là tạo ra các công nghệ mới mà là xuất khẩu các giải pháp lọc đã có sẵn trong các lĩnh vực khác như công nghiệp sang kiến trúc nhà ở.

• Nghiên cứu về các giải pháp dựa trên thiên nhiên đang cung cấp dữ liệu đầy hứa hẹn để giảm mức độ ô nhiễm không khí, nhưng cần phải thử nghiệm nhiều hơn trong môi trường thực tế để chứng minh hiệu quả của chúng.

• Mọi công nghệ lọc và làm sạch không khí đều phải kèm theo dữ liệu chứng minh hiệu suất loại bỏ chất gây ô nhiễm; dữ liệu này phải dựa trên các tiêu chuẩn thử nghiệm đã được thiết lập trong ngành.

Những khuyến nghị sau đây được rút ra từ nghiên cứu:

• Không nên sử dụng các thiết bị sử dụng phản ứng của ôzôn để làm sạch không khí ở những nơi có người ở vì có thể gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe khi tiếp xúc với ôzôn và các sản phẩm phản ứng của nó.

• Lợi ích của các chiến lược được trình bày là vì lợi ích chung của nhân loại. Do đó, chúng tôi khuyến nghị quá trình ra quyết định không chỉ có sự tham gia của người sử dụng nhà ở mà còn của các chuyên gia về chất lượng không khí, chuyên gia xây dựng và chính phủ.

• Để chứng minh cam kết của mình đối với các vấn đề môi trường mà nhân loại đang phải đối mặt, các tòa nhà dân cư mới phải đề xuất thực hiện các giải pháp nhằm giảm ô nhiễm không khí ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu.

Các bước tiếp theo trong lĩnh vực nghiên cứu này sẽ bao gồm việc tạo ra một ma trận các chất ô nhiễm, hệ thống thông gió và loại hình công trình để phân tích loại lọc phù hợp nhất cho từng trường hợp. Các giải pháp mới đồng nghĩa với các quy định mới, vì vậy sự tham gia của chính quyền là rất cần thiết để loại nghiên cứu này thực sự có thể được triển khai chứ không chỉ đơn thuần là nghiên cứu học thuật.

Tuyên bố đóng góp tác giả của CRediT

Robiel Manzueta: Viết – rà soát & biên tập, Viết – bản thảo gốc, Phương pháp luận, Nghiên cứu, Khái niệm hóa. Prashant Kumar: Viết – rà soát & biên tập, Giám sát, Phương pháp luận. Arturo H. Ariño: Viết – rà soát & biên tập. César Martín-Gómez: Viết – rà soát & biên tập, Giám sát, Khái niệm hóa.

Tuyên bố về lợi ích cạnh tranh

Các tác giả tuyên bố rằng họ không có bất kỳ lợi ích tài chính cạnh tranh hoặc mối quan hệ cá nhân nào có thể ảnh hưởng đến công trình được báo cáo trong bài báo này.

Lời cảm ơn

CMG, AHA và RM ghi nhận sự hỗ trợ nhận được từ Bộ trưởng Tây Ban Nha, Innovación y Universidades để tài trợ cho dự án nghiên cứu Định lượng chất ô nhiễm có nguồn gốc từ việc thở ra của các tòa nhà trong môi trường đô thị EXHAL ( PID2019-104083RB-I00 ). RM ghi nhận sự hỗ trợ nhận được từ Ayudas para la Formación de Profesorado Universitario của Ministryio de Universidades, Tây Ban Nha ( FPU2020/04936 ), Ayudas de Movilidad Predoctoral Internacional 2023, Chính phủ Navarra, Tây Ban Nha và Chương trình Erasmus+ của Liên minh Châu Âu . PK ghi nhận sự hỗ trợ nhận được từ dự án RECLAIM Network Plus do UKRI (EPSRC, NERC, AHRC) tài trợ ( EP/W034034/1 ) và dự án Thành phố xanh do NERC tài trợ ( NE/X002799/1 ).

THeo SCIENCE DIRECT