NGUYÊN LÝ SUY THOÁI VÀ BẢO VỆ ĐẤT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGUYÊN LÝ SUY THOÁI VÀ BẢO VỆ ĐẤT GV. TRẦN THỊ THÚY NHÀN KHOA CNSH & KTMT tranthuynhan@gmail.com CHƯƠNG 4: SỰ DI CHUYỂN CÁC CHẤT GÂY Ô NHIỄM TRONG ĐẤT Các dạng tồn tại của chất gây ô nhiễm MT đất; Cơ chế phát sinh và phương thức chuyển hóa các chất gây ô nhiễm MT đất; Sự di chuyển các chất gây ô nhiễm trong MT đất; Tác động tương hỗ của dung dịch đất và sự chuyển hóa chất gây ô nhiễm; Tác động của quá trình sinh học

GV TRẦN THỊ THÚY NHÀN KHOA CNSH & KTMT tranthuynhan@gmail.com

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGUYÊN LÝ SUY THOÁI

VÀ BẢO VỆ ĐẤT

CHƯƠNG 4: SỰ DI CHUYỂN CÁC CHẤT GÂY Ô NHIỄM TRONG ĐẤT

1 Các dạng tồn tại của chất gây ô nhiễm MT đất;

2 Cơ chế phát sinh và phương thức chuyển hóa

các chất gây ô nhiễm MT đất;

3 Sự di chuyển các chất gây ô nhiễm trong MT

đất;

4 Tác động tương hỗ của dung dịch đất và sự

chuyển hóa chất gây ô nhiễm;

5 Tác động của quá trình sinh học

I CÁC DẠNG TỒN TẠI CỦA

CHẤT GÂY Ô NHIỄM

MÔI TRƯỜNG ĐẤT

Các dạng tồn tại của chất gây ô

nhiễm MT đất

1 Hòa tan và bay hơi

2 Sự hòa tan các chất gây ô nhiễm HC

3 Sự bốc hơi của các chất gây ONHC

4 Sự làm bay hơi

HÒA TAN

- Phân tử các chất gây ô nhiễm hoặc những ion chuyển

từ dạng nguyên chất sang lỏng gọi là hòa tan

- Phụ thuộc vào điện tích, các ion vô cơ phản ứng mạnh với nguyên tử oxy của phân tử nước và thể hiện tính hòa tan lớn

- Yếu tố chính trong hòa tan là năng lượng cần thiết để

bẻ gãy mối liên kết giữa các phân tử của thể rắn và sự

có mặt của những thành phần hòa tan khác mà chúng có khả năng liên kết với ion

- Trong những điều kiện tự nhiên, sự tương tác của những ion kiềm (Li+, Na+, K+) và kiềm thổ (Ca2+, Mg2+) với những thành phần hòa tan khác tương đối yếu nên các ion vô cơ vẫn tồn tại ở trạng thái hòa tan

- Độ hòa tan nước của các hợp chất vô cơ được coi là

“sản phẩm hòa tan” – Ksp, nó được xác định dưới điều kiện lý tưởng với việc sử dụng những hợp chất nguyên chất và nước nguyên chất

- Trong đất, độ tan của ion thường nhỏ hơn giá trị Ksp

dự báo Hơn nữa nó thường giảm sút cùng với số lượng của ion trong hệ

SỰ HÒA TAN CỦA CÁC CHẤT GÂY Ô

NHIỄM HỮU CƠ

- Độ hòa tan nước của các chất gây ô nhiễm hữu cơ phụ thuộc nhiều vào mức độ tương tác của các phân tử chất gây ô nhiễm và nước

- Trong đa số trường hợp, nước thể hiện mạnh tính có cực, do đó sự hòa tan nước cúa các hợp chất hữu cơ phụ thuộc nhiều vào mức độ có cực của các phân tử

- Do nước dễ phản ứng với những hợp chất có cực khác nên các chất tan trong nước của các ion hay các hợp chất hữu cơ có cực thường tương đối cao

- Và tình hình chung, độ hòa tan của các hợp chất không có cực thấp hơn nhiều so với những hợp chất ion hay có cực

Hợp chất Công thức

Độ tan trong nước (mg/l)

Áp suất hơi (mmHg a )

Hằng số Henry (H)

76

22

~0,5 0,2

0,18 0,23 0,02 0,00005

Chất lỏng không cực

Chất lỏng có cực

- Một tính chất quan trọng của các hợp chất hữu cơ dạng lỏng là khả năng phối trộn với nước – gọi là tính pha tạp

- Tính hòa tan của các chất gây ô nhiễm hữu cơ trong nước là 1 chức năng của các tương tác phân tử nước – chất gây ô nhiễm và các chất gây ô nhiễm với nhau và phụ thuộc trước hết vào các tính chất của các hợp chất thành phần

- Tuy nhiên, những yếu tố khác cũng có thể tác động đến độ hòa tan như nhiệt độ Hầu hết các hợp chất hữu cơ trở nên hòa tan nhiều hơn khi tăng nhiệt Nhìn chung, độ hòa tan của hầu hết các hệ tự nhiên thay đổi từ 0 – 35oC

- Độ mặn hoặc ái lực ion cũng có thể gây nên sự giảm nhẹ độ hòa tan của các hợp chất không có cực qua 1 quá trình gọi là hiệu ứng thoát muối

- Sự tách các hợp phần vào trong nước được kiểm soát bởi độ hòa tan nước của hợp phần và thành phần của chất lỏng

-Một cách đơn giản để đánh giá độ hòa tan của các chất lỏng hỗn hợp là sự giả định hình vi lý tưởng trong

cả 2 thể nước và hữu cơ theo định luật Raoult:

C w.i = X o.i S w.i

SỰ BỐC HƠI VÀ BAY HƠI

Định

nghĩa

Chuyển dời từ rắn (lỏng) nguyên chất đã ô nhiễm khí Chuyển từ lỏng khí

Tính chất Phụ thuộc vào liên kết phân

tử:năng lượng liên kết giữa các phân tử của chất ô nhiễm càng lớn thì áp suất hơi của nó càng thấp

Phụ thuộc vào yếu tố môi trường và tính hoà tan hợp chất Độ hòa tan của chất ô nhiễm vào

không khí càng lớn thì áp suất hơi của nó càng lớn

Ví dụ Sự chuyển các phân tử benzen

từ bể dầu hỏa vào không khí

Sự chuyển các phân tử benzen từ nước vào KK

Cơ chế phát sinh và phương thức chuyển hóa các chất gây ÔN MT đất

6 Các phản ứng chuyển hóa phi SH

Cơ chế phát sinh và phương thức chuyển

hóa các chất gây ô nhiễm MT đất

Phương thức chuyển hoá các chất

Hấp phụ CON vô cơ Hấp phụ CON hữu cơ

Đặc điểm Sử dung liên kết ion Sử dụng quy luật hào tan

Ion ở trên điểm trao đổi(X) sẽ được thay thể bằng ion trong dung dịch bởi ái lực hấp phụ

Nhờ vào hiệu ứng ghét nước

 chất ON HC được liên kết với vật liệu hữu cơ đất vì cực giống nhau

Yếu tố ảnh

hưởng

Kích thước cation( càng nhỏ càng dễ bị thay đổi Hóa trị ( càng cao càng khó đổi)

Tính chất hóa l{ của đất CEC hàm lượng sét và hàm lượng các oxit kim loại của đất

Điện tích của chất ô nhiễm hữu cơ

Đất ở KCN bị nhiễm kim loại nặng

Đường đẳng nhiệt hấp phụ

• Là cách mô tả đơn giản mối quan hệ về số lượng giữa nồng độ chất ON được đất hấp phụ và nồng độ trong nước

• Có nhiều dạng đường nhưng dạng tuyến tính (chất hữu

cơ không cực) là đơn giản nhất và dựa vào định luật Henry:

S=KC w

S-nồng độ chất ô nhiễm được đất hấp phụ (mg/kg) K-hệ số hấp phụ;

Cw-nồng độ chất ON trong nước (mg/l)

K càng lớn  mức độ chất ON được đất hấp phụ càng lớn

Hấp phụ không tuyến tính( chất hữu cơ có cực)

S=Kf.Cnw

K: hệ số hấp phu Freundlich

n: hàm động lực liên quan đến cơ chế hấp phụ (s)

• Sử dụng đường đẳng nhiệt hấp phụ được dựa trên sự cân bằng giữa các pha rắn và pha lỏng

• Tốc độ hấp phụ chậm thường do sự khuếch tán chậm những phân tử chất ô nhiễm vào khoảng không gian trong đất có độ hổng thấp

• Những phân tử ô nhiễm có thể cần nhiều thời gian để di

chuyển từ bề mặt vào bên trong chất hữu cơ ô nhiễm có cấu trúc polyme

• Một số loại đất có các hạt rắn với ít lỗ hổng thì phân tử chất ô nhiễm khuếch tán cũng rất chậm vào bên trong

Sự di chuyển các chất ô nhiễm bị hấp phụ

• Hấp phụ làm giảm tốc độ di chuyển các chất ô nhiễm vào dung dịch đất theo thời gian;

• Chất ô nhiễm bị hấp phụ càng lâu thì càng hạn chế sự chuyển của nó vào dung dịch đất và chất ô nhiễm cũng

Các phản ứng chuyển hóa phi sinh học

Quá trình thủy phân:

• Nước là 1 hợp phần phân bố rộng của các

hệ đất;

• Các chất ô nhiễm gần như thường xuyên tiếp xúc với nước ở các mức độ khác;

• Các chất ô nhiễm phản ứng với nước bằng quá trình thủy phân theo phản ứng:

RX+H2O  X- + H+ + ROH

• RX: hợp chất hữu cơ và X thể hiện nhóm

chức năng như một halogenua;

• Yếu tố chủ chốt trong phản ứng thủy phân

là tính chất mang điện của những phân tử chất ô nhiễm và pH;

–Tính chất mang điện dẫn đến phản ứng giữa phân tử và nước;

–pH quyết định sự xảy ra và tốc độ p/ư

Các phản ứng chuyển hóa phi sinh học

• Phân hủy phóng xạ là một phần phản ứng

chuyển hóa quan trọng đối với các chất ô nhiễm đặc trƣng - các nguyên tố phóng xạ;

• Do sự phân rã của các hạt nhân trong nguyên

tử: các hạt proton, neutron hoặc electron phát

• Tốc độ phân hủy phóng xạ được minh họa bằng động học bậc 1:

• kJ- hằng số phân hủy phóng xạ (1/T);

• Thời gian phân hủy 1/2 chất phóng xạ có thể tính với việc sử dụng phương trình

Phân hủy phóng xạ

Các chất tan trong nước và áp suất hơi

đối với một số CHC

Hợp chất Công thức Độ tan

trong nước (mg/l)

Áp suất hơi (mm Hg)

Hằng số Henry (H)

Trạng thái (STP)

Benzen C6H6 1780 76 0,18 Chất lỏng

ko cực Toluen C6H5CH3 515 22 0,23 CL ko cực Naphthalen C6H5CH3OH 30 0,5 0,02 CL ko cực Phenol C6H5OH 82.000 0,2 0,00005 CL có cực

KIỂM TRA 20’

• Vẽ và giải thích Đồ thị

đường cong không tuyến tính cho khả năng hấp phụ chất gây ÔN trong MT đất (theo giá trị n)

• SỰ DI CHUYỂN CHẤT GÂY

Ô NHIỄM TRONG MT ĐẤT

1 Sự di chuyển chất hòa tan

c) Sự di chuyển vật liệu bị xói mòn

d) Sự DC liên quan đến thể keo phân tán

Sự di chuyển các chất gây ô

nhiễm trong MT đất

Ảnh hưởng của nhiệt độ

• Độ hòa tan của chất gây ÔN vô cơ,

hữu cơ;

• Ảnh hưởng đến các phản ứng hóa học biến đổi các chất;

• Hoạt động của các VSV

Tác động tương hỗ của dung dịch đất và

sự chuyển hóa chất gây ô nhiễm

1 Cân băng axit-bazơ

2 Các quá trình oxi hóa-khử và hòa

tan kim loại

3 Sự liên kết tàn dư

4 Các dạng chuyển hóa hóa học

Sự biến đổi các chất gây ON

Trao đổi ion

và hấp phụ

Giáng thủy và hòa tan chất

rắn

Hình thành phức chất

CÁC DẠNG CHUYỂN HÓA HÓA HỌC CỦA CHẤT GÂY Ô NHIỄM

TRONG MT ĐẤT

Các dạng chuyển hóa hóa học

• Nitrat hóa và phản nitrat hóa

• Chuyển hóa phospho

• Chuyển hóa các chất ô nhiễm KLN

b) Sự chuyển hóa các hóa chất hữu cơ

nguy hại

• Các phản ứng oxi hóa trong chuyển

hóa thuốc trừ sâu

• Các PƯ khử và thủy phân TTS tổng

hợp có VSV tham gia

• Thủy phân parathion

Tác động của quá trình sinh học đến hành vi

và di chuyển của chất ON hữu cơ nguy hại

1 Tác động sinh học đến chất ô nhiễm

2 Quá trình tổng thể của phân hủy sinh học

học chất ô nhiễm nguy hại

– Oxy

– Các quần thể VSV và hàm lượng chất HC

– Ni tơ

Tác động của quá trình sinh học đến hành vi

và di chuyển của chất ON hữu cơ nguy hại

4 Cấu trúc của chất ô nhiễm nguy hại

– Phân hủy sinh học hiếu khí

• Hydrocacbon béo mạch thẳng

• Hydrocacbon mạch vòng

• Hydrocacbon thơm – Phân hủy sinh học kị khí

Sự hiện diện của các VSV trong đất và nước có thể tác động đến sự phân bố, sự di chuyển và nồng độ các chất ON thông qua quá

trình gọi là sự phân hủy sinh học

Tác động sinh học đến chất ô nhiễm

Đối với những chất ô nhiễm, tác động của các VSV có thể bị giới hạn do các nguyên nhân khác nhau:

Quá trình tổng thể của phân hủy sinh học

Phân hủy sinh học là sự bẻ gãy các hợp chất hữu cơ qua hoạt tính sinh học

Các bước phân hủy sinh học các chất hữu

cơ gây nên sự oxi hóa các chất hữu cơ nguyên khai

Quá trình này cung cấp cacbon và năng lượng cho tăng trưởng và tái sinh các tế bào

Vi sinh vật +

Nguồn Cacbon (glucose = C 6 H 12 O 6 ) +

Nguồn Nito (NH 3 )

+ Các chất dinh dưỡng cần thiết +

O 2

Hình 4: khoáng hóa hiếu khí một hợp chất hữu cơ

Khối lượng tế bào mới (C 5 H 7 O 2 )

Mỗi bước phân hủy được các chất xúc tác đặc trưng làm thuận lợi hoặc enzyme xuất hiện khi phân hủy tế bào

Enzyme nội bào và ngoại bào đều rất

cần thiết cho quá trình phân hủy

Sự phân hủy sẽ ngừng lại bất cứ lúc nào nếu một loạt enzyme phù hợp không có mặt

Quá trình tổng thể của phân hủy sinh học

Các bước phân hủy hợp chất HC

Tác động của môi trường đến sự phân hủy sinh học chất ô nhiễm nguy hại

•Sự đầy đủ oxi, hàm lượng chất hữu cơ, độ dễ tiêu nito và độ dễ tiêu sinh học rất quan trọng trong kiểm soát sự phân hủy sinh học chất ô nhiễm nguy hại trong môi trường

•Sự dễ tiêu của các chất dinh dưỡng, sự trù phú của các VSV trong một môi trường được xác định bằng nhiều yếu tố hóa lý khác nhau như pH, nhiệt độ, thành phần cơ giới và độ ẩm đất

OXY

Oxi rất quan trọng trong việc xác định độ lớn và tốc độ phân hủy sinh học diễn ra nhanh hơn

Nếu hoạt tính VSV xảy ra mạnh thì việc cung cấp oxi sẽ nhanh chóng bị hạn chế

Sự bổ sung không khí hoặc oxi thường cải thiện tốc độ phân hủy sinh học, đặc biệt trong những tầng đất dưới hàm lượng sét cao

Các quần thể VSV và hàm lượng chất HC

Số lượng vi khuẩn ở lớp đất mặt dao động từ

106 - 109 cá thể/g đất

Ngược lại các quần thể VSV ở những tầng đất sâu hơn thường thấp hơn 2 đến 3 lần

VSV giảm nhanh theo chiều sâu tầng đất do sự khác biệt về hàm lượng chất hữu cơ  quần thể VSV phân hủy chất ô nhiễm cũng thấp

 Sự phân hủy sinh học trong các lớp đất mặt diễn ra rất mạnh trong điều kiện hiếu khí

 Sự phân hủy sinh học trong lớp đất để cày ban đầu cũng xảy ra trong điều kiện hiếu khí

 Sự phân hủy sinh học trong vùng nước ngầm ban đầu có số lượng thấp, nhưng có thể trở nên

kị khí do thiếu oxi

Các quần thể VSV và hàm lượng chất HC

Cấu trúc của chất ô nhiễm nguy hại

•Tốc độ phân tử chất ON nguy hại bị phân hủy phụ thuộc vào cấu trúc của nó

•Nếu tốc độ hòa tan trong nước của chất ON thấp

 tính dễ tiêu phân hủy sinh học thấp

•Những hiểu biết về sự tác động của cấu trúc chất ô nhiễm đến sự phân hủy sinh học trong môi trường, những cố gắng đang tập trung vào sự phát triển và

sử dụng các hợp chất “thân thiện môi trường” Ví dụ: thuốc trừ sâu phân hủy sinh học chậm đang dần thay thế thuốc trừ sâu phân hủy sinh học nhanh hơn

Các phương thức phân hủy sinh học

chất gây ÔN

Các phương thức phân hủy sinh học

Hoạt động của con người bổ sung vào đất nhiều hóa chất công, nông nghiệp, dầu lửa, dung môi clo hóa và thuốc trừ sâu;

Chúng phân hủy trong môi trường do sự tương đồng đối với những vật liệu hữu cơ được sản sinh trong quá trình quang hợp

Phân hủy sinh học

hiếu khí

Phân hủy sinh học hiếu khí

– Nhiều biến thể cấu trúc thông thường có thể làm giảm đáng kể sự phân hủy sinh học

Hydrocacbon béo mạch thẳng

• Sự phân hủy SH các hợp chất dãy béo xảy ra do nối ghép hay tích hợp trực tiếp phân tử oxy nhờ enzyme  dẫn đến hình thành acid béo nguyên thủy

• Các hydrocacbon dãy béo bị halogen hóa bị phân hủy theo 2 kiểu phản ứng xảy ra trong điều kiện hiếu khí:

 Thứ nhất là sự thay thế, là phản ứng ƣa nhân

Thứ hai là phản ứng oxy hóa đòi hỏi chất thu nhận electron bên ngoài

– Sự phân hủy sinh học hydrocacbon mạch vòng xảy ra kết quả hoạt động của một nhóm VSV

Phương thức phân hủy sinh học trong

điều kiện kỵ khí

Phương thức phân hủy sinh học trong

điều kiện kỵ khí

– Khi thiếu oxy, các hợp chất hữu cơ có thể bị khoáng hóa qua hô hấp kỵ khí mà trong đó một chất nhận electron khác với oxy được sử dụng – Các chất nhận electron thay đổi trong môi trường kể cả sắt, nitrat, Mn, SO42-, CO3-, chúng

được sắp xếp theo thứ tự oxy hóa mạnh nhất đến khử mạnh nhất

Phương thức phân hủy sinh học trong

• Các công nghệ được phát triển để sử dụng việc

xử lý tuần tự kỵ khí – hiếu khí nhằm tối ưu hóa

sự phân hủy những hợp chất bị halogen hóa cao

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ RỦI RO, CÁC

NỘI DUNG, QUÁ TRÌNH ĐÁNH GIÁ RỦI RO

MT

Thu thập, đánh giá số liệu:

- Thu thập, phân tích dữ liệu;

- Xác định hóa chất cần quan tâm

Đánh giá độc tố:

Thông tin về số lượng, chất lượng độc tố;

Giá trị độc tố tương ứng

Đánh giá sự xuất hiện:

-Phân tích các chất gây ÔN;

-Xác định quần thể xuất hiện;

-Ước tính mức độ xuất hiện các

chất độc hại trên đường vào;

Mô tả rủi ro:

- Mô tả rủi ro tiềm tàng tác động tới SK;

- Đánh giá rủi ro;

- Tổng hợp thông tin rủi ro

ĐÁNH GIÁ RỦI RO

• Đánh giá rủi ro hồi cố

• Đánh giá rủi ro dự báo

• Phương pháp đánh giá rủi ro MT đất

Các dạng chất ÔN có mặt trong đất

− Các chất ÔN dạng hạt;

− Các màng lỏng xung quanh các phần tử đất;

− Hấp phụ trên bề mặt các phần tử đất;

− Hấp thụ trong các phần tử đất (các chất hữu cơ);

− Tan trong pha nước và các khoảng hổng của

phần tử đất;

− Có mặt trong các pha lỏng hoặc pha rắn của

phần tử đất