Nghiên cứu Ảnh hƣởng của nƣớc tƣới Ô nhiễm Đến hàm lƣợng nitơ (n) và phốtpho (p) trong nƣớc ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện gia lâm, thành phố hà nội

Hàm lượng P tổng số trong các tầng đất dưới ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm sử dụng phân bón .... Ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm sử dụng phân bón cho lúa đến hàm lượng N, P trong nước n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN PHAN VIỆT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC TƯỚI Ô NHIỄM ĐẾN HÀM LƯỢNG NITƠ (N) VÀ PHỐTPHO (P) TRONG NƯỚC NGẦM TẦNG NÔNG KHU VỰC TRỒNG LÚA

HUYỆN GIA LÂM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN PHAN VIỆT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC TƯỚI Ô NHIỄM ĐẾN HÀM LƯỢNG NITƠ (N) VÀ PHỐTPHO (P) TRONG NƯỚC NGẦM TẦNG NÔNG KHU VỰC TRỒNG LÚA

HUYỆN GIA LÂM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI

Ngành: Kỹ thuật cấp thoát nước

Mã số: 9580213

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 TS Đinh Thị Lan Phương

2 TS Nguyễn Thị Ngọc Dinh

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Phan Việt

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu nghiêm túc và đạt được kết quả như ngày hôm nay, tác giả xin trân trọng cảm ơn TS Đinh Thị Lan Phương và TS Nguyễn Thị Ngọc Dinh đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu này

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu; Phòng Đào tạo; Bộ môn cấp thoát nước;

Bộ môn Hoá Môi Trường – Trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện hỗ trợ tác giả Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu; Khoa Tự động và Phương tiện kỹ thuật phòng cháy, chữa cháy, cứu nạn, cứu hộ – Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy –

Bộ Công an đã tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành Luận án

Lời cảm ơn cuối cùng, tác giả xin dành cho gia đình đã luôn tin tưởng, động viên tinh thần lẫn vật chất để tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 11

1 Tính cấp thiết 11

2 Mục tiêu nghiên cứu 12

3 Nội dung nghiên cứu 13

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

4.1 Đối tượng nghiên cứu 13

4.2 Phạm vi nghiên cứu 13

5 Phương pháp nghiên cứu 13

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 14

6.1 Ý nghĩa khoa học 14

6.2 Ý nghĩa thực tiễn 14

7 Đóng góp mới của luận án 14

8 Cấu trúc luận án 14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 15

1.1 Khái quát về nước ngầm 15

1.2 Nguyên nhân gây ô nhiễm nước ngầm 15

1.3 Quy chuẩn về chất lượng nước ngầm của Thế giới và Việt Nam với N và P 18

1.3.1 Trên thế giới 18

1.3.2 Tại Việt Nam 19

1.4 Quá trình chuyển hóa nitơ (N) và phốt pho (P) trong đất ngập nước 20

1.4.1 Quá trình chuyển hóa nitơ (N) 20

1.4.2 Sự chuyển hóa phốt pho (P) 23

1.5 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm và phân bón đến N, P trong nước ngầm tầng nông 26

1.5.1 Trên thế giới 26

1.5.2 Tại Việt Nam 30

1.5.3 Thực trạng ô nhiễm N và P trong các hệ thống tưới ở Việt Nam 33

1.6 Giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm N, P trong nước ngầm 36

1.6.1 Sử dụng than sinh học (Biochar) 36

1.6.2 Quản lý tưới 39

1.6.3 Quản lý phân bón và kết hợp phụ phẩm nông nghiệp 40

1.7 Tổng quan khu vực nghiên cứu 42

1.7.1 Điều kiện tự nhiên 42

1.7.2 Đặc điểm hệ thống thủy lợi và hiện trạng chất lượng nước tưới nhiễm N và P 45

1.8 Diễn biến mực nước ngầm tại khu vực nghiên cứu 48

1.9 Luận giải vấn đề nghiên cứu của luận án 50

1.10 Kết luận chương 1 51

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 52

2.1 Cơ sở khoa học lựa chọn thí nghiệm 52

2.1.1 Lựa chọn các thông số nghiên cứu về N và P trong nước ngầm 52

2.1.2 Lựa chọn các kỹ thuật tưới 55

2.1.3 Cơ chế thấm qua tầng đế cày trên ruộng lúa 57

2.1.4 Chất lượng nước khu vực nghiên cứu 58

2.1.5 Lựa chọn khu vực thí nghiệm và độ sâu mực nước ngầm tầng nông 59

2.1.6 Lựa chọn giống lúa 61

2.1.7 Lựa chọn sử dụng biochar và điều chỉnh tỉ lệ phân bón cho thí nghiệm giảm thấm N xuống nước ngầm 62

2.2 Phương pháp nghiên cứu 62

2.2.1 Phương pháp thu thập số liệu 63

2.2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 63

2.2.3 Phương pháp lấy mẫu 77

2.2.4 Phương pháp phân tích đất và nước 79

2.2.5 Phương pháp theo dõi các chỉ tiêu sinh trưởng, phát triển và năng suất lúa 80

2.2.6 Phương pháp phân tích thống kê 81

2.3 Kết luận chương 2 81

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 82

3.1 Thực trạng chất lượng nước ngầm tầng nông tại tại huyện Gia Lâm 82

3.2 Hàm lượng N và P trong các tầng đất 84

3.2.1 Hàm lượng N tổng số trong các tầng đất dưới ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm sử dụng phân hoá học 84

3.2.2 Hàm lượng P tổng số trong các tầng đất dưới ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm

sử dụng phân bón 86

3.3 Ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm sử dụng phân bón cho lúa đến hàm lượng N, P trong nước ngầm tầng nông 89

3.3.1 Nước tưới ô nhiễm sử dụng phân bón (CT1) 90

3.3.2 Nước tưới ô nhiễm, không sử dụng phân bón (CT3) 103

3.3.3 Nước tưới sạch sử dụng phân bón (CT2) 111

3.3.4 Nhận xét chung 119

3.4 Ảnh hưởng của kỹ thuật tưới ngập và tưới tiết kiệm nước đến hàm lượng N và P trong nước ngầm tầng nông 119

3.4.1 Hàm lượng NO3- 120

3.4.2 Hàm lượng NH4+ 123

3.4.3 Hàm lượng NO2- 125

3.4.4 Hàm lượng PO43- 127

3.5 Kết quả sử dụng than sinh học (Biochar) và điều chỉnh phân bón kiểm soát N trong nước mặt ruộng 129

3.5.1 Kiểm soát NO3-, NO2-, NH4+ trong nước mặt ruộng bởi biochar 129

3.5.2 Kiểm soát NO3-, NO2-, NH4+ trong nước mặt ruộng bởi kết hợp biochar và điều chỉnh phân bón 132

3.5.3 Năng suất 136

Bảng 3.4 Kết quả phân tích năng suất của các công thức thí nghiệm 136

3.6 Kết luận chương 3 137

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 140

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 142

TÀI LIỆU THAM KHẢO 143

PHỤ LỤC 149

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mô tả nước ngầm tầng nông [6] 15

Hình 1.2 Nguyên nhân ô nhiễm nguồn nước ngầm [7] 16

Hình 1.3 Nước ô nhiễm từ tầng nông xuống tầng sâu qua thành giếng [8] 16

Hình 1.4 Quá trình phản nitrat hóa trong đất [13] 22

Hình 1.5 Chu trình P trong đất, bao gồm nguồn vào, dạng dễ tiêu và không dễ tiêu cho thực vật và các dạng P thất thoát [14] 24

Hình 1.6 Hàm lượng NH4+ , NO3 - và N tổng số trong nước ngầm tại vùng nông nghiệp trung cận nhiệt đới Trung Quốc [26] 27

Hình 1.7 Phân bố nồng độ hòa tan theo độ sâu ở một số khu vực trồng trọt tại Mỹ [19] 28

Hình 1.8 Nồng độ photpho hòa tan (P) (mg/L), trong các điều kiện thủy văn khác nhau tại mỗi vùng đất [19] 29

Hình 1.9 Nồng độ photpho hòa tan (mg/L) trong nước ngầm dưới đồng ruộng và vùng ven sông [19] 29

Hình 1.10 Bản đồ các khu vực nước ngầm Hà Nội có hàm lượng amoni cao [39] 33

Hình 1.11 nhiễm hệ thống thủy lợi nước tưới Đồng bằng sông Hồng [42] 35

Hình 1.12 Bản đồ địa giới hành chính huyện Gia Lâm [60] 42

Hình 1.13 Lượng mưa các tháng trong năm 2021, 2022, 2023 của thành phố Hà Nội 43

Hình 1.14 Mực nước ngầm tầng Holocene hạ (qh1) quan trắc từ 01/2021 – 12/2023 50

Hình 2.1 Cấu trúc lớp các lớp dưới đất lúa 54

Hình 2.2 Nguồn gốc và sự vận chuyển P trong đất 55

Hình 2.3 Phẫu diện tầng đất khu vực nghiên cứu 60

Hình 2.4 Khu vực bố trí thí nghiệm 63

Hình 2.5 Sơ đồ mặt bằng tổng thể khu vực bố trí thí nghiệm 63

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 1 66

Hình 2.7 Chi tiết biện pháp chống thấm ngang, ống thu mẫu nước 67

Hình 2.8 Sơ đồ phối cảnh lấy mẫu nước thí nghiệm 68

Hình 2.9 Ô công thức thí nghiệm và ống PVC lấy mẫu nước 69

Hình 2.10 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tưới ngập 72

Hình 2.11 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tưới tiết kiệm nước 73

Hình 2.12 Sơ đồ bố trí thí nghiệm chậu trong nhà lưới (bổ sung thành 36 chậu) 75

Hình 2.13 Phơi đất thí nghiệm trong nhà lưới 77

Hình 2.14 Lấy mẫu đất 78

Hình 3.1 Ảnh nước sông Cầu Bây bị ô nhiễm chảy qua địa bàn huyện Gia Lâm 83

Hình 3.2 Hàm lượng P tổng số trong các tầng đất dưới ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm sử dụng phân bón 87

Hình 3.3 Nước tưới khu ruộng thí nghiệm 90

Hình 3.4 Hàm lượng NO3 các tầng khảo sát của CT1 vụ mùa 2021 92

Hình 3.5 Hàm lượng NO3 các tầng khảo sát của CT1 vụ xuân 2022 92

Hình 3.6 Hàm lượng NO3 các tầng khảo sát của CT1 vụ mùa 2022 92

Hình 3.7 Hàm lượng NO3- các tầng khảo sát của CT1 vụ xuân 2023 93

Hình 3.8 Hàm lượng NH4+ các tầng khảo sát của CT1 96

Hình 3.9 Hàm lượng NO2 các tầng khảo sát của CT1 99

Hình 3.10 Hàm lượng PO43- các tầng khảo sát của CT1 103

Hình 3.11 Hàm lượng NO3 các tầng khảo sát của CT3 104

Hình 3.12 Hàm lượng NH4+ các tầng khảo sát của CT3 107

Hình 3.13 Hàm lượng NO2 các tầng khảo sát của CT3 108

Hình 3.14 Hàm lượng PO4 các tầng khảo sát của CT3 110

Hình 3.15 Hàm lượng NO3 các tầng khảo sát của CT2 112

Hình 3.16 Hàm lượng NH4+ các tầng khảo sát của CT2 114

Hình 3.17 Hàm lượng NO - các tầng khảo sát của CT2 116

Hình 3.18 Hàm lượng PO43- các tầng khảo sát của CT2 119 Hình 3.19 Hàm lượng NO3-

trong nước ngầm tầng nông của các công thức tưới 122 Hình 3.20 Hàm lượng NH4+

ở các công thức tưới ngập và tưới tiết kiệm nước 125 Hình 3.21 Hàm lượng NO2- trong các tầng của công thức tưới ngập và tưới tiết kiệm nước 127 Hình 3.22 Hàm lượng PO43-

trong các công thức tưới tiết kiệm nước và tưới ngập 129 Hình 3.23 Kiểm soát NO3- trong nước mặt ruộng bởi biochar 130 Hình 3.24 Hàm lượng NO2-

trong nước mặt ruộng trong công thức áp dụng biochar 131 Hình 3.25 Hàm lượng NH4+

trong nước mặt ruộng trong công thức áp dụng biochar 132 Hình 3.26 Hàm lượng NO3- trong nước mặt ruộng dưới sự áp dụng biochar và điều chỉnh phân bón 132 Hình 3.27 Hàm lượng NO2-

trong nước mặt ruộng dưới sự áp dụng biochar và điều chỉnh phân bón 134 Hình 3.28 Hàm lượng NH4+ trong nước mặt ruộng dưới sự áp dụng biochar và điều chỉnh phân bón 135 Hình 3.29 Năng suất lúa của các công thức 137

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số chất lượng nước dưới đất ở các dạng N khu vực Hà Nội 32

Bảng 1.2 Lượng mưa năm 2021, 2022, 2023 tại trạm khí tượng Láng, Tp.Hà Nội 43

Bảng 1.3 Kết quả phân tích chất lượng nước tại một số sông trên địa bàn huyện Gia Lâm 47

Bảng 1.4.Tổng hợp độ sâu mực nước ngầm Holocene hạ (qh1) năm 2021,2022,2023 của TT Trâu Quỳ - Gia Lâm 49

Bảng 2.1 Vị trí các điểm lấy mẫu nước trên sông Cầu Bây 58

Bảng 2.2 Kết quả phân tích nước sông Cầu Bây trên địa bàn huyện Gia Lâm 58 Bảng 2.3 Một số tính chất đất đại diện của khu vực nghiên cứu 59

Bảng 2.4 Các công thức thí nghiệm 76

Bảng 2.5 Các các chỉ tiêu và phương pháp phân tích nước 79

Bảng 2.6 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích đất 80

Bảng 3.1 Khảo sát chất lượng nước ngầm tầng nông tại Gia Lâm tại độ sâu 1,2 m 82

Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả khảo sát chất lượng nước ngầm tầng nông huyện Gia Lâm 83

Bảng 3.3 Kết quả phân tích hàm lượng Ntổng số (%) trong các tầng đất của các công thức thí nghiệm 84

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

BTN&MT: Bộ Tài nguyên và Môi trường BYT: Bộ Y tế

CT: Công thức ĐBSH: Đồng bằng Sông Hồng HTTL: Hệ thống thuỷ lợi NN&PTNT: Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

N, P, K: Đạm, lân, kali PTN: Phòng thí nghiệm QCVN: Quy chuẩn Việt nam TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam TN&MT: Tài nguyên và Môi trường TT: Thị trấn

TN: Thí nghiệm

NH 4 + Amoni (NH4 + tính theo N)

NO 3 - Nitrat (NO3- tính theo N)

NO 2 - Nitrit (NO2- tính theo N)

PO 4 3- Phốt phát (PO43- tính theo P)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Nước ngầm chiếm khoảng 30% lượng nước ngọt toàn cầu, được đánh giá là một trong những tài nguyên thiên nhiên quan trọng nhất trên thế giới Đây đang là nguồn nước được khai thác phục vụ cho khoảng 2 tỉ người phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất với lượng sử dụng lên đến 982 km3/năm [1] Ở nhiều nơi, tỷ lệ sử dụng nước ngầm có thể lên tới 100% cho mục đích sinh hoạt, tưới tiêu và công nghiệp Tuy nhiên, nguồn nước ngầm hiện đã và đang bị ô nhiễm Cho đến nay trên toàn cầu

đã có khoảng 60% các khu vực bị ô nhiễm N trong nước ngầm, tình trạng ô nhiễm thường xảy ra ở các vùng nông nghiệp Nguyên nhân chính là do các khu vực trồng lúa sử dụng nước tưới ô nhiễm và sử dụng phân bón quá mức khuyến cáo Ô nhiễm nước ngầm đã được WHO cảnh báo ảnh hưởng đáng kể đến sức khỏe con người Khi nước ngầm bị ô nhiễm N hoặc P ở mức vượt quá giới hạn cho phép sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe con người nếu khai thác và sử dụng trực tiếp nguồn nước đó Do đó, bảo vệ nguồn nước ngầm để phục vụ cho kinh tế, dân sinh là nhiệm vụ hết sức cấp bách

Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường trong những năm gần đây nguồn nước ngầm huyện Gia Lâm đang có dấu hiệu ô nhiễm N, chưa có dấu hiệu ô nhiễm P Nguyên nhân chính xuất hiện ô nhiễm N trong nước ngầm huyện Gia Lâm là do ô nhiễm nước bề mặt và các hệ thống nước tưới [2] Nguồn nước ngầm huyện Gia Lâm hiện tại vẫn được sử dụng cho cấp nước sinh hoạt trong nhiều hộ gia đình Mặc dù nguồn nước cấp sinh hoạt cho huyện Gia Lâm do nhà máy nước Sông Đuống cung cấp

đã đi vào hoạt động trong nhiều năm Tuy nhiên, tại nhiều xã người dân vẫn còn khai thác và sử dụng nước ngầm cho sinh hoạt Nguyên nhân một phần do nguồn nước máy chưa ổn định dẫn đến không đủ lưu lượng, một phần do tập quán của người dân vẫn khai thác và sử dụng các giếng thông qua hệ thống bể lọc cát phục vụ cho sinh hoạt

Theo kết quả đánh giá chất lượng đất sản xuất nông nghiệp phục vụ chuyển đổi cơ cấu cây trồng của sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn thành phố Hà Nội năm

2024, huyện Gia Lâm có 1.354,49 ha đất phù sa trung tính trồng lúa chiếm 49,9% diện tích đất sản xuất nông nghiệp Do đó nhu cầu nước tưới cho lúa trên toàn huyện

rất lớn, tuy nhiên nhiều hệ thống tưới cho huyện Gia Lâm đang trong tình trạng ô nhiễm Điển hình nước trên hệ thống Bắc Hưng Hải có hàm lượng N và P cao hơn QCVN 08-MT:2015/BTNMT từ 2,48 – 4,15 lần [3]; hệ thống thủy lợi Bắc Đuống giai đoạn 2019 - 2021 có hàm lượng N vượt QCVN 08-MT:2015 BTNMT từ 36,3% – 100% [4] Bên cạnh đó, tình hình sử dụng phân bón theo định tính, thiếu kiểm soát của người dân đã dẫn tới tình trạng chất lượng nước tưới đang dư thừa dinh dưỡng đạm và dinh dưỡng lân trong đất lúa

Đất có khả năng dự trữ P nhưng khả năng dự trữ N hạn chế, khi khả năng hấp phụ N của đất bị vượt quá dẫn đến lượng dư thừa bị thấm rửa di chuyển theo nước thấm xuống nước ngầm tầng nông So với P, tình trạng ô nhiễm N trong nước ngầm tầng nông phổ biến hơn và đã được ghi nhận ở nhiều nước Trong bối cảnh gia tăng ô nhiễm các nguồn tưới tại huyện Gia Lâm, sử dụng nước tưới ô nhiễm trong một thời gian dài tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm cho khai thác sinh hoạt Do đó, làm rõ các tác động của phân bón đến nước ngầm tầng nông trong điều kiện nguồn nước tưới ô nhiễm để bảo vệ nước ngầm huyện Gia Lâm cho cấp nước sinh hoạt là hết sức cấp thiết

Cho đến thời điểm hiện tại, chưa có công trình khoa học nào công bố các nghiên cứu

về ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm đến N và P trong nước ngầm tầng nông huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội Trong đó, tồn tại cần được làm rõ giữa nước tưới ô nhiễm sử dụng phân bón khuyến cáo có làm gia tăng hàm lượng N, P trong nước

ngầm tầng nông không Do đó, luận án „„Nghiên cứu ảnh hưởng của nước tưới ô

nhiễm đến hàm lượng nitơ (N) và phốt pho (P) trong nước ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội“ được thực hiện Kết quả của luận án

cung cấp cơ sở khoa học về quản lý phân bón và kiểm soát, xử lý ô nhiễm nước tưới

để bảo vệ nguồn nước ngầm phục vụ cho mục đích khai thác và đảm bảo chất lượng cho người sử dụng

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm sử dụng trong canh tác lúa đến hàm lượng của hai nguyên tố N, P trong nước ngầm tầng nông, làm cơ sở cho việc khai thác và sử dụng nước ngầm đảm bảo chất lượng phục vụ sinh hoạt và sản xuất

- Đề xuất được giải pháp giảm thiểu tác động của phân bón và nước tưới ô nhiễm trên đất lúa đến chất lượng nước ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội

3 Nội dung nghiên cứu

- Ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm có bón phân cho lúa đến thấm rửa N, P xuống nước ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội;

- Nghiên cứu giải pháp giảm phân bón và áp dụng Biochar để giảm tác động của phân bón xuống nước ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

- Hàm lượng nitrat (NO3-), nitrit (NO2-), amoni (NH4+) và phốt phát (PO43-) trong nước tưới

và nước ngầm tầng nông (nước dưới đất) tại các độ sâu -35 cm, -70 cm, -120 cm khu vực canh tác lúa;

- Nước ngầm tầng nông dưới tác động của nước tưới bị ô nhiễm có sử dụng phân bón

+ Thời gian: Thí nghiệm tiến hành trong 02 năm (từ tháng 6/2021 đến tháng 05/2023)

+ Nguồn nước: Sông cầu Bây từ toạ độ (20o99’54”N - 105o92’84”E) đến (21o 01’11”N

- 105o92’84”E)

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập số liệu

- Phương pháp bố trí thí nghiệm

- Phương pháp lấy mẫu

- Phương pháp phân tích

- Phương pháp theo dõi chỉ tiêu, sinh trưởng và năng suất

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

sử dụng phân bón vùng chuyên canh lúa nước của đồng bằng sông Hồng

7 Đóng góp mới của luận án

- Làm rõ được nước tưới ô nhiễm sử dụng chế độ phân 120 kg N + 90 kg P2O5 + 90 kg

K2O/ha/vụ làm thấm NO3- và NH4+ xuống nước ngầm tầng nông tới độ sâu –70 cm, không làm thấm NO2- và PO43- Từ đó đưa ra khuyến cáo nên giảm lượng phân đạm trong điều kiện nước tưới ô nhiễm để giảm thấm N xuống nước ngầm tầng nông mà không ảnh hưởng đến năng suất

- Làm rõ được những ảnh hưởng của kỹ thuật tưới ngập và tưới tiết kiệm nước đến thấm N xuống nước ngầm tầng nông Tưới ngập với nước tưới ô nhiễm làm thấm NO3-xuống nước ngầm tầng nông tới độ sâu -120 cm, làm thấm NH4+ xuống tới độ sâu -70

cm, không làm thấm NO2- và PO43- Tưới tiết kiệm nước với nước tưới ô nhiễm chỉ làm thấm NO3- xuống tầng –35 cm và không làm thấm NH4+, NO2- và PO43-

8 Cấu trúc luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận luận án có 3 chương

Chương 1 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát về nước ngầm

Nước ngầm (nước dưới đất) là nguồn nước nằm bên dưới bề mặt đất, được tích trữ trong các không gian rỗng của đất và trong các khe nứt của lớp đất đá trầm tích, và các không gian rỗng này có sự liên thông với nhau [5]

Nước ngầm tầng nông là tầng nước ngấm, tạo ra từ nước trên mặt đất thấm xuống Nước ngầm tầng nông nằm ở tầng trên cùng tiếp giáp với nước bề mặt, tiếp nhận tất cả vật chất thấm xuống cùng với nước bề mặt Do nước ngầm tầng nông thường không có lớp ngăn cách với địa hình bề mặt, nên thành phần và mực nước biến đổi nhiều, phụ thuộc vào trạng thái của nước mặt dẫn đến nước ngầm tầng nông rất dễ bị ô nhiễm [6]

Dựa vào các tài liệu tham khảo, luận án mô tả nước ngầm tầng nông như sau:

Hình 1.1 Mô tả nước ngầm tầng nông [6]

1.2 Nguyên nhân gây ô nhiễm nước ngầm

- Nước ngầm đóng vai trò quan trọng, cung cấp nước sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp

và công nghiệp cho hàng tỷ người trên toàn cầu Tuy nhiên, nguồn tài nguyên quý giá này đang bị đe dọa nghiêm trọng bởi tình trạng ô nhiễm ngày càng gia tăng

- Những nguyên nhân chính gây ô nhiễm nước ngầm, bao gồm: Nguồn tự nhiên, Hệ thống tự hoại, Xử lý chất thải nguy hại không đúng cách, Sản phẩm dầu mỏ, Chất thải

rắn, Đầm chứa bề mặt, Hóa chất nông nghiệp, Giếng phun,…các nguyên nhân trên sẽ làm tăng nguy cơ suy thoái về chất lượng của nước ngầm [7]

Hình 1.2 Nguyên nhân ô nhiễm nguồn nước ngầm [7]

- Nước ngầm tầng nông bị ô nhiễm và lan truyền xuống nước ngầm tầng sâu qua các lỗ khoan giếng do chỗ tiếp giáp giữa đất và thành giếng (ống vách) không được xử lý tốt

Hình 1.3 Nước ô nhiễm từ tầng nông xuống tầng sâu qua thành giếng [8]

Theo điều tra của Sở TNMT thành phố Hà Nội khảo sát tại 190 giếng khoan khai thác quy mô công nghiệp và 1000 giếng khoan khai thác nước nhỏ lẻ, trong đó có giếng khoan Unicef của các hộ gia đình Với 150 mẫu nước được lấy từ các điểm khoan qua

kiểm tra phân tích, đồng thời kết hợp với các tài liệu quan trắc nước dưới đất tại nhiều khu vực của Hà Nội cho thấy diện tích nguồn nước ngầm bị ô nhiễm đang có dấu hiệu

mở rộng Kiểm tra tại khu vực phía tây Hà Nội và các khu vực huyện ngoại thành thì nguồn nước ngầm ở cả 2 tầng chưa nước nông và sâu cũng bị ô nhiễm các chất như amoni và asen [9]

- Phương trình mô tả quá trình thấm và lan truyền chất trong môi trường đất

Nước dưới đất là một bộ phận trong chu trình thủy văn Nước ngấm xuống và vận động trong lòng đất theo trọng lực của dòng chảy tự nhiên, thực vật, con người Dòng chảy ngầm chỉ tồn tại trong các lỗ rỗng trong lòng đất Định luật thấm Darcy đã khẳng định Lưu lượng dòng chảy qua một môi trường lỗ rỗng tỉ lệ với cột nước tổn thất và tỉ

lệ nghịch với chiều dài của quãng đường dòng chảy [10]

Định luật thấm Darcy được biểu diễn qua biểu thức [10]

Hoặc:

Hay :

Trong đó:

V – Vận tốc dòng chảy Darcy

K – Hệ số thấm

Q – Lưu lượng

A – Diện tích mặt cắt ngang

Δh – Chênh lệch đầu nước

Thực ra dòng chảy chỉ tồn tại trong các lỗ rỗng, vì thế tốc độ thấm thực trung bình sẽ bằng:

Trong đó: α – Độ rỗng của môi trường lỗ rỗng

Như vậy có thể thấy nếu chất lượng nước tầng nông bị ô nhiễm có thể thấm xuống tầng sâu hơn ảnh hưởng đến chất lượng nước khai thác và sử dụng cho sinh hoạt

1.3 Quy chuẩn về chất lượng nước ngầm của Thế giới và Việt Nam với N và P

1.3.1 Trên thế giới

Ở Mỹ, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đặt ra tiêu chuẩn chính cho các chất gây ô nhiễm trong nước uống, bao gồm nitrat và nitrit, để bảo vệ sức khỏe con người Các tiêu chuẩn này áp dụng cho cả nước mặt và nước ngầm được sử dụng làm nguồn nước uống, nhằm đảm bảo an toàn sức khỏe cho người dân Nitrat (NO₃⁻): Mức cho phép tối đa (Maximum Contaminant Level - MCL) là 10 mg/L tính theo nitơ Nồng độ này nhằm giảm nguy cơ mắc bệnh trẻ xanh (blue baby syndrome - methemoglobinemia) ở trẻ sơ sinh Nitrit (NO₂⁻): Mức giới hạn là 1 mg/L tính theo nitơ

WHO: Giới hạn nitrat trong nước uống (bao gồm cả nước ngầm) là 50 mg/L, tương đương khoảng 11 mg/L nitơ dưới dạng nitrat Đây là mức phổ biến được nhiều quốc gia áp dụng, bao gồm các tiêu chuẩn của EU và Việt Nam

Tại Trung Quốc áp dụng tiêu chuẩn GB/T 14848-2017 để đánh giá chất lượng nước ngầm Theo tiêu chuẩn này: Nồng độ nitrat (NO₃⁻) trong nước ngầm không được vượt quá 20 mg/L tính theo nitơ, nhằm đảm bảo an toàn sức khỏe, đặc biệt là ngăn ngừa nguy cơ bệnh trẻ xanh (blue baby syndrome) tương tự như các tiêu chuẩn quốc tế Tiêu chuẩn cũng áp dụng các quy định về hàm lượng ammoniac (NH₃-N) và nitrit (NO₂⁻), mặc dù giới hạn cụ thể có thể thay đổi tùy từng loại nước ngầm và mục đích sử dụng Tiêu chuẩn này được phát triển để bảo vệ sức khỏe cộng đồng, quản lý tài nguyên nước ngầm và ngăn ngừa ô nhiễm nước ngầm trong bối cảnh phát triển kinh tế và công nghiệp nhanh chóng của Trung Quốc

Tại Australia áp dụng các quy định về nitrate (NO3–N) trong nước ngầm dựa trên các Hướng dẫn Chất lượng Nước Uống của Australia (Australian Drinking Water Guidelines) Theo đó, mức giới hạn an toàn cho nồng độ nitrate được đặt ở mức tối đa

là 10 mg/L NO3-N để đảm bảo không gây nguy hại đến sức khỏe người sử dụng Mức này phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế, ví dụ của WHO và Mỹ, nhằm hạn chế rủi ro đối với trẻ sơ sinh và các nhóm nhạy cảm khác Tuy nhiên, tại một số khu vực ở Australia, nồng độ nitrate trong nước ngầm có thể vượt quá mức này, đặc biệt ở các tầng ngậm nước nông gần nguồn ô nhiễm như phân bón nông nghiệp, hệ thống xử lý chất thải, và chăn nuôi Những khu vực này cần được giám sát và xử lý cẩn thận để giảm thiểu tác động đến môi trường và sức khỏe con người

P thường không được quy định nghiêm ngặt trong nước uống hoặc nước ngầm do không có độc tính trực tiếp ở nồng độ thấp Ở Mỹ, Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) không có tiêu chuẩn quốc gia chung cho hàm lượng P trong nước ngầm vì mức độ ô nhiễm và yêu cầu bảo vệ thay đổi tùy theo từng khu vực và hệ sinh thái Thay vào đó, EPA khuyến nghị các tiểu bang phát triển tiêu chí riêng dựa trên dữ liệu địa phương và các hướng dẫn kỹ thuật do EPA cung cấp Các tiêu chuẩn cụ thể cho P thường tập trung vào việc bảo vệ chất lượng nước ở các nguồn nước bề mặt hơn là nước ngầm, vì P chủ yếu được liên kết với quá trình phú dưỡng (eutrophication) và sự phát triển tảo trong các hồ, sông, và vùng nước ven biển Một

số mức khuyến nghị cho nước bề mặt, như trong một số vùng sinh thái (ecoregions), thường dao động từ 10–50 μg/L đối với tổng lượng P, nhưng các con số này cần được điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện địa phương

Trung Quốc không có một tiêu chuẩn quốc gia cụ thể cho P trong nước ngầm như đối với các chất ô nhiễm khác, nhưng tiêu chuẩn chất lượng nước ngầm được quy định trong GB/T 14848-2017, chủ yếu tập trung vào các chất như kim loại nặng và các hợp chất hóa học khác P trong nước ngầm chủ yếu được theo dõi liên quan đến nguy cơ ô nhiễm môi trường, đặc biệt là trong các khu vực nông thôn hoặc các vùng có hoạt động nông nghiệp mạnh

1.3.2 Tại Việt Nam

Ở Việt Nam, tiêu chuẩn nước ngầm liên quan đến nồng độ N chủ yếu được quy định trong QCVN 09-MT:2015/BTNMT về chất lượng nước ngầm Tiêu chuẩn này tập trung vào các chất gây ô nhiễm chính như kim loại nặng, chất hữu cơ, và các hợp chất nitrat, nitrit có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người Nitrat (NO₃⁻): Tiêu chuẩn nồng

độ nitrat trong nước ngầm không vượt quá 15 mg/L tính theo nitơ (NO₃-N), phù hợp với quy định của nhiều quốc gia và tổ chức quốc tế như WHO, nhằm bảo vệ sức khỏe người dân, đặc biệt là phòng ngừa bệnh methaemoglobin huyết ở trẻ em Nitrit (NO₂⁻): Mức giới hạn cho nitrit trong nước ngầm là 1 mg/L tính theo nitơ (NO₂-N) Amoni (NH4+): Mức giới hạn cho amoni trong nước ngầm là 1 mg/L tính theo nitơ (NH4-N) Những mức giới hạn này nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là đối với các nguồn nước sử dụng trong sinh hoạt và tiêu dùng trực tiếp

QCVN 09-MT:2015/BTNMT về chất lượng nước ngầm không quy định mức cụ thể cho hàm lượng P Tuy nhiên, tiêu chuẩn này kiểm soát các chất gây ô nhiễm khác, chẳng hạn như kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ P trong nước ngầm thường được theo dõi để ngăn ngừa ô nhiễm và bảo vệ chất lượng nguồn nước, đặc biệt là đối với các khu vực bị ảnh hưởng bởi nông nghiệp và xử lý nước thải

1.4 Quá trình chuyển hóa nitơ (N) và phốt pho (P) trong đất ngập nước

1.4.1 Quá trình chuyển hóa nitơ (N)

Quá trình chuyển hóa N trong đất bao gồm: Cố định; đồng hóa N; khoáng hóa sinh khối thành mùn hữu cơ và denitrat hóa, hấp thụ để sinh trưởng và phát triển của thực vật Dạng N vô cơ phổ biến nhất trong đất là nitrat (NO3-), amoni (NH4+) và các dạng khí khác nhau, bao gồm: N2O, NO và N2 Nitrat là một anion mang điện âm nên hòa tan tốt trong nước và ít bị giữ bởi keo đất Amoni là một cation mang điện dương nên

bị hấp phụ mạnh trên bề mặt các hạt keo đất thông qua các quá trình trao đổi cation, và

nó cũng có thể được hấp phụ vào hợp chất hữu cơ của đất

Ngoài các dạng nitrat, amoni, nitơ có thể được tìm thấy trong đất dưới các hợp chất hữu cơ như axit amin, protein và các chất chứa N khác Trong đất thoáng khí, quá trình nitrat hóa thường diễn ra nhanh chóng và nitrat là nguồn N chính cung cấp dinh dưỡng đạm cho cây trồng Ngược lại trong đất ngập nước như đất lúa hình thành môi trường khử nên dạng amoni chiếm ưu thế và là nguồn cung cấp dinh dưỡng cho lúa Nitrat dễ dàng hòa tan trong dung dịch đất và sự linh động này dẫn đến nồng độ nitrat có thể thay đổi nhanh chóng trên các ruộng lúa, có nơi nồng độ nitrat có thể thay đổi gấp 100 lần [11] Một số quá trình chuyển hóa N trong đất như sau:

1.4.1.1 Quá trình khoáng hóa

Các hợp chất hữu cơ chứa nitơ có trong nước thải hoặc nước ô nhiễm sẽ bị phân hủy rất nhanh nhờ vi khuẩn Peudomonas Quá trình phân hủy này xảy ra do enzim proteaza của vi khuẩn này tạo ra Vi khuẩn Peudomonas thường gặp ở hầu hết các loại nước thải và các hệ thống tưới ô nhiễm, chúng hầu như có thể đồng hóa được mọi chất hữu cơ, kể cả các hợp chất hữu cơ tổng hợp và khó phân hủy, tồn tại lâu trong môi trường nước

Các axit amin sinh ra nhờ quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ trước khi chuyển hóa thành NH3, NH4+ bởi các sinh vật dị dưỡng:

C2H5NO2 + 3[O] + H+  2CO2 + NH4+ + H2O (1.1) Amoni là dạng dinh dưỡng được cây lúa hấp thu qua rễ Bên cạnh đó, amoni mang điện dương nên dễ tham gia các phản ứng trao đổi cation với keo đất và được giữ lại trên bề mặt keo đất Amoni có thể bị mất vào khí quyển thông qua quá trình bay hơi hoặc có thể bị hấp phụ bởi keo đất, hoặc được thực vật hấp thụ để sinh trưởng Quá trình phân hủy hiếu khí N trong đất ngập nước được biểu thị bằng các phản ứng [12]

(CH2ON)x + xO2 + 4xH+  xCO2 + xH2O + xNH4+ (1.2)

Quá trình phân hủy yếm khí:

(CH2ON)x + xNO3- + 10xH+  xCO2 + 2xH2O + 2xNH4+ (1.3)

1.4.1.2 Quá trình nitrat hóa

Trong điều kiện đất ở vùng nhiệt đới, ẩm, thoáng khí dưới sự tham gia của các vi sinh vật háo khí amoni có thể được chuyển thành nitrat thông qua quá trình nitrat hóa Ngoài ra, các sinh vật tự dưỡng chuyển hóa NH4+ thành nitrit (NO2-) và NO3- theo hai giai đoạn được gọi là quá trình nitrat hóa

2NH4+ + 3O2 Nitrosomonas 4H+ + 2NO2- + 2H2O + năng lượng (1.4)

NO2- + O2 Nitrobacter 2NO

3- + năng lượng (1.5)

Nhiều loài thực vật hấp thụ nitơ trong đất dưới dạng nitrat Tuy nhiên, một số loài thực vật như cây lúa lại có thể hấp thụ nitơ dưới dạng amoni (NH4+) Khi bón quá nhiều phân đạm vào đất, thực vật có thể hấp thu một lượng nitrat dư thừa Nếu sử dụng các loại thực vật này làm thức ăn sẽ gây hại đối với sức khỏe cho con người và động vật

1.4.1.3 Quá trình phản nitrat hóa

Nitrat rất linh động trong dung dịch đất và biến đổi theo nhiều cách khác nhau Nitrat có thể được chuyển hóa thành NO và N2 thông qua quá trình denitrat trong đất bão hòa Ion

NO3- không bị giữ bởi keo đất, tồn tại rất linh động trong dung dịch và dễ mất khỏi đất do thấm rửa Bên cạnh đó, còn xảy ra quá trình mất nitơ do phản nitrat hóa được thực hiện bởi vi khuẩn kị khí xảy ra ở những vùng đất bí, chặt và ngập nước

NO3- 2[O]NO2-

→ N2O [O]NO  [O]N2 (1.6)

Đất lúa: Quá trình khử nitơ thường xảy ra trong các vùng đất ngập nước, denitrat hóa

hay phản nitrat hóa là quá trình chuyển hóa nitrat (NO3-) qua các vi sinh vật trung gian thành N2 và N2O Đây là quá trình làm mất nitơ trong đất ngập nước và ở ruộng lúa Trong hầu hết các hệ sinh thái, quá trình khử N chỉ xảy ra ở trong đất hoặc trầm tích, các vùng đất ngập nước Quá trình phản nitrat hoá được mô phỏng như sau:

Hình 1.4 Quá trình phản nitrat hóa trong đất [13]

1.4.1.4 Quá trình cố định nitơ

Có khoảng 30 - 40% lượng nitơ được thực vật hấp thụ là nitơ tổng hợp có liên quan đến các nguồn nhân tạo như từ bón phân vào đất Các vi khuẩn cố định N2 chứa enzim nitrogenaza có khả năng bẻ gãy 3 liên kết của N2, kết hợp với H2 thành NH3 Trong môi trường đất ngập nước, NH3 thường chuyển thành dạng NH4+ Quá trình này được gọi là quá trình cố định nitơ sinh học, là nguồn cung cấp nitơ đáng kể cho một số loại đất ngập nước

1.4.2 Sự chuyển hóa phốt pho (P)

1.4.2.1 Quá trình chuyển hóa phốt pho (P) trong đất

Khác với nitơ trong đất dễ bị thấm rửa, phốt pho trong đất thường bị cố định dưới các dạng khoáng phốt phát Phốt pho linh động (gọi là phốt pho dễ tiêu) ở các dạng phốt phát bao gồm H2PO4-, HPO42- chỉ chiếm tỉ lệ 1 - 2% so với lượng phốt pho tổng số Giống như nitơ, phốt pho chỉ được cây trồng hấp thụ dưới dạng dễ tiêu

Hai dạng chủ yếu nhất của phốt phát trong đất là phốt phát hữu cơ và phốt phát vô cơ

Tỉ lệ phốt phát vô cơ và hữu cơ phụ thuộc vào các loại đất khác nhau Phốt phát hữu

cơ thường chiếm ưu thế ở đất có hàm lượng chất hữu cơ cao Dưới tác dụng phân giải của vi sinh vật, phốt phát hữu cơ sẽ chuyển hóa thành phốt phát vô cơ khó tan như

Ca3(PO4)2, FePO4, AlPO4…

Trong đất chua, phốt phát tạo kết tủa với các ion kim loại Al3+

và Fe3+, nên làm giảm hiệu lực của phân bón

Al3+ + H2PO4- + 2H2O  2H+

+ Al(OH)2H2PO4↓ (1.7) Trong đất kiềm (có giá trị pH cao), phốt phát phản ứng với canxi cacbonat tạo thành hidroxiapatit ít tan:

3HPO42- + 5CaCO3(r) + 2H2O Ca

5(PO4)3(OH) (r) + 5HCO3- + OH- (1.8)

Phản ứng trên chính là quá trình cố định P Do có phản ứng này mà phốt pho khó bị thấm rửa nên sử dụng phân bón có chứa P ít gây ra hiện tượng ô nhiễm nước

Hình 1.5 Chu trình P trong đất, bao gồm nguồn vào, dạng dễ tiêu và không dễ tiêu cho

thực vật và các dạng P thất thoát [14]

1.4.2.2 Chuyển hóa phốt pho (P) trong đất ngập nước

Trong đất ngập nước, một phần P sẽ chuyển sang dạng hòa tan và phức chất không tan

ở cả hai dạng vô cơ và hữu cơ Các dạng hòa tan vô cơ như: các anion (H2PO4-, HPO4-,

PO43-), phốt phát sắt (FeHPO4+), phốt phát canxi (CaH2PO4+) Dạng hữu cơ hòa tan như P – lipit, P-protein, P – glucoza Các dạng không hòa tan bao gồm: phức phốt phát – sét, các hydoxit phốt phát kim loại, apatit (Ca5(OH)2(PO4)5), P hữu cơ không tan liên kết trong các chất hữu cơ

Lượng P di động trong dung dịch đất phụ thuộc vào đặc điểm của đất, bao gồm: hàm lượng oxit Fe và khả năng kết tủa của chúng, hàm lượng chất hữu cơ trong đất, các vi sinh vật đất, hàm lượng P tổng số và độ pH Ở điều kiện đất chua có pH thấp thường

có hàm lượng P di động cao bởi ion H+

làm gia tăng sự hòa tan của các hợp chất Fe-P

và Al-P [14]

Tuy nhiên, một lượng nhỏ P có thể ra khỏi bề mặt oxit sắt dưới điều kiện ngập nước [15] Vi sinh vật sử dụng các chất nhận điện tử thay thế như NO3−, Mn4+, Fe3+ và SO42−

để duy trì quá trình trao đổi chất của chúng Các vi sinh vật như Geobacter

sulfurreducens sử dụng Fe3+ làm chất nhận điện tử dẫn đến Fe3+ bị khử thành Fe2+, giải phóng một lượng P liên kết đáng kể Kết quả là nồng độ P trong dung dịch đất sẽ tăng

lên cùng với Fe2+ hòa tan Cơ chế này dẫn đến tăng khả năng hòa tan P và Fe trong quá trình yếm khí, được gọi là quá trình hòa tan oxit Fe3+ qua trung gian vi sinh vật

Bón phân P hoặc phân giàu P trong thời gian dài sẽ tỷ lệ thuận với sự tích lũy P trong đất lên tới 2/3 lượng P được sử dụng Ví dụ, ở Tây Âu, trung bình hơn 1,1 tấn P/ha được bón vào đất trồng trọt từ năm 1965 đến năm 2007 trong khi ước tính chỉ có chưa đến 0,3 tấn/ha được thực vật hấp thụ trong cùng thời kỳ Kết quả này cho thấy có đến 73% lượng P bị cố định trong đất hàng năm từ lượng phân bón đưa vào đất [16] Thực vật chỉ có thể hấp thu các anion ortho phốt phát vô cơ Tuy nhiên một phần đáng

kể (30% đến 65%) P trong đất tồn tại dưới dạng P hữu cơ [17] Các dạng P hữu cơ trong đất này được hình thành khi thực vật và vi khuẩn hấp thụ anion ortho phốt phát,

cố định chúng thành các phân tử hữu cơ cần thiết cho sự sống (DNA, phốt pholipid, inositol phốt phát, ATP) và tích lũy trong đất sau khi các sinh vật này chết đi Vì thực vật chỉ có thể hấp thụ ortho phốt phát vô cơ, nên việc huy động các dạng P hữu cơ đòi hỏi phải thực hiện hai bước: đầu tiên là giải phóng P hữu cơ khỏi các chất kết tủa và các chất hấp phụ; tiếp theo là quá trình khoáng hóa những chất này thành P vô cơ dễ tiêu cho thực vật [18]

1.4.2.3 Yếu tố ảnh hưởng đến vận chuyển N và P xuống nước ngầm

Mức độ vận chuyển N và P phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất đất, tốc độ thấm, thời gian, tần suất tưới, lượng phân bón, lượng mưa, chế độ tưới tiêu (tưới ngập hay tưới tiết kiệm nước), sự bốc hơi nước, chế độ dòng chảy ) và chế độ canh tác cây trồng (luân canh và làm đất)

Các yếu tố khác như ảnh hưởng của các khoáng chất oxit sắt và độ pH đến di chuyển của P Các oxit sắt được cho là yếu tố kiểm soát quan trọng nhất đối với mức độ hòa tan ortho phốt phát trong nước Các quá trình khác có thể xảy ra bao gồm kết tủa khoáng P hoặc đồng kết tủa P với một khoáng chất khác như canxi cacbonat Độ pH của nước cũng ảnh hưởng đến vận chuyển P, pH cao giúp phốt phát được cố định trong các khoáng và ngăn cản sự di chuyển P xuống nước ngầm [19]

Ngoài ra, các yếu tố hấp thu của thực vật, điều kiện oxy hóa khử và điều kiện địa chất thủy văn có những ảnh hưởng đáng kể đối với việc vận chuyển nitrat vào nước ngầm

Nước ngầm là nguyên nhân chính để vận chuyển nitơ (chủ yếu ở dạng nitrat) Nhiều nghiên cứu chỉ ra hàm lượng NO3- rất cao ở vùng tiếp giáp giữa vùng nước ngầm và vùng bão hòa, khi mực nước ngầm dâng lên sẽ kéo theo các ion nitrat Nếu N bị thấm rửa dưới dạng nitrat thì các hợp chất của P thường ít hòa tan hơn nitrat nên sự vận chuyển P từ bề mặt đất đến các thủy vực thường xảy ra chủ yếu ở dạng các hạt chất rắn lơ lửng Cụ thể là, P được vận chuyển đến các thủy vực nhiều hơn, tại những khu vực có dòng chảy bề mặt do mưa lớn trên các triền đất dốc gây ra xói mòn Sự vận chuyển P ở đồng bằng ven biển cũng lớn hơn so với các khu vực khác

1.5 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm và phân bón đến N, P trong nước ngầm tầng nông

1.5.1 Trên thế giới

Nước ngầm tầng nông ở Trung Quốc đang bị ô nhiễm trầm trọng trong những năm gần đây, theo số liệu khảo sát của Bộ Tài nguyên Môi trường Trung Quốc năm 2020, trữ lượng nước ngầm nước này khoảng 855 tỷ mét khối, trong đó 80% nguồn nước ngầm tầng nông đang bị ô nhiễm nghiêm trọng Nguyên nhân gây ô nhiễm nước ngầm tầng nông chủ yếu là do nước tưới tiếp nhận nước thải từ các khu công nghiệp, nước thải sinh hoạt ở các khu đô thị và phân bón từ các hoạt động nông nghiệp

Trung Quốc là nước sản xuất và tiêu thụ phân bón cho nông nghiệp lớn nhất thế giới, riêng lượng phân đạm tiêu thụ hằng năm ước tính là 38 triệu tấn [20] Nhiều khu vực như nước ngầm tầng nông ở đồng bằng sông Châu Giang có hàm lượng nitrat khá cao, nguyên nhân chủ yếu thấm từ nước thải sinh hoạt và nước thải nông nghiệp [21] Việc

áp dụng quá nhiều phân bón đã gây ra những lo ngại ngày càng tăng về chất lượng nước ngầm tầng nông ở các vùng nông nghiệp của Trung Quốc Zhao và cs, 2007 [22]

đã khảo sát nồng độ NO3- trong nước ngầm trong 1139 giếng ở các loại sử dụng đất nông nghiệp khác nhau và nhận thấy rằng nồng độ NO3- trong nước ngầm trung bình đạt 11,9 mg N/L ở các tỉnh xung quanh Biển Hồ Hải ở phía Bắc Trung Quốc, trong đó

có khoảng 34,1% số mẫu vượt tiêu chuẩn WHO đối với nước uống (NO3- > 10 mg N/L) [23] Nồng độ NO3- trong nước ngầm tầng nông trung bình là 13,8 mg N/L trong khu vực canh tác rau, lúa ở Bắc Kinh, cao hơn 2,8 lần so với nước ngầm tầng nông dưới các vùng đất canh tác cây trồng khác [24] [25]

và chỉ một phần nhỏ các mẫu được phân loại là ô nhiễm NO3- dựa trên Tiêu chuẩn Chất lượng Môi trường Trung Quốc [26] Thậm chí mức độ tích lũy NO3- ở độ sâu 0–

300 cm có thể lên tới 1500 kg/ha sau 23 năm sử dụng phân bón ở mức 180 kg N /ha [27] Trước tình trạng lượng phân N tiêu thụ hằng năm trong ngành nông nghiệp ở Trung Quốc quá lớn lên đến 38 triệu tấn [28] Các nghiên cứu đánh giá mức độ ô nhiễm N trong nước ngầm tầng nông cho thấy nước ngầm ở Đồng bằng sông Châu Giang có hàm lượng nitrat khá cao [29]

Một nghiên cứu được thực hiện tại Mexico, nơi sử dụng 70% lượng nước thải của thành phố để tưới cho 80.000 ha rau màu ở Thung lũng Mezquital cho thấy nguồn nước ngầm tầng nông bị ô nhiễm N [30] Các nghiên cứu của Kissel và cs (1976) [31] xác định lượng N trong nước ngầm tầng nông dưới ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm, ở đây tác giả sử dụng nước tưới ô nhiễm Ca(NO3)2 Loại đất trồng cho thí nghiệm này là đất sét với tính chất rất mịn, xốp Sau 1 ngày, lượng N được phát hiện

ở độ sâu 1,32 m và cho thấy khoảng 2% lượng N trong nước tưới đã bị thấm rửa khỏi lớp đất trồng thấm xuống nước ngầm [32]

Các thí nghiệm tưới nước thải cho lúa của Owens và cs cho thấy nước thải có chứa nitrat bị thấm rửa và thấm xuống các tầng đất và thấm nước xuống nước ngầm tầng nông [32] Các nghiên cứu của Walters và Malzer cũng chỉ ra, dưới ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm, N bị thấm rửa từ đất cát có tưới, đất được bón phân urê xuống nước ngầm với tỉ lệ 10% N [33] Các nghiên cứu gần đây nhất của Abdul Ghaffar và

cs cũng cho thấy sử dụng nước thải công nghiệp và nước thải từ đô thị để tưới cho lúa

và rau ở vùng Punjab (Pakistan) đã làm ô nhiễm N trầm trọng trong nước ngầm tầng nông [34]

Khi phân N được bón cho đất nông nghiệp với lượng vượt quá sự hấp thu của cây trồng, các chất dinh dưỡng N dư thừa có thể ngấm vào nước ngầm Do đó, tình trạng ô nhiễm

N nghiêm trọng trong nước ngầm đang diễn ra phổ biến trên khắp thế giới, điển hình là những nơi sử dụng phân bón N để thâm canh Chẳng hạn như ở Hamadan, Iran đã tìm thấy nồng độ nitrat-N (NO3-N) trung bình là 49 mg/L trong nước ngầm [35]

Nồng độ P cao nhất được tìm thấy tại tầng đất gần bề mặt và giảm dần theo độ sâu

ở tất cả các vị trí Nồng độ P liên kết trong đất cao hơn ở tầng gần bề mặt cho thấy rằng sự bão hòa có thể xảy ra và dẫn đến sự di chuyển tiếp theo của P xuống các vùng sâu hơn

Hình 1.7 Phân bố nồng độ hòa tan theo độ sâu ở một số khu vực trồng trọt tại Mỹ [19]

Ptổng số bao gồm P hòa tan và P không hòa tan được tìm thấy trong ở dạng liên kết các

lượng P hòa tan thường bằng Ptổng số Các nghiên cứu ở bang Washington và Nebraska, hàm lượng các chất dinh dưỡng trong mẫu nước suối đã vượt quá 75% Tại các địa điểm có nồng độ cao trong nước ngầm, các dòng chảy có thể làm tăng nồng độ P trong các dòng suối Tại khu vực California, hầu hết nồng độ P trong dòng chảy thấp hơn tiêu chí, mặc dù nồng độ cao hơn được quan sát thấy trong nước ngầm Ở Indiana, nồng độ P thấp phát hiện ở vùng không bão hòa

Hình 1.8 Nồng độ photpho hòa tan (P) (mg/L), trong các điều kiện thủy văn khác

nhau tại mỗi vùng đất [19]

Hình 1.9 Nồng độ photpho hòa tan (mg/L) trong nước ngầm dưới đồng ruộng và vùng

ven sông [19]

Các nghiên cứu trên thế giới chỉ ra thấm N xảy ra chủ yếu từ phân bón hoặc nước tưới

ô nhiễm xuống nước ngầm Chỉ có một số nghiên cứu chỉ ra chất lượng P trong nước ngầm tại một số vùng vượt quá quy chuẩn nhưng nguyên nhân từ các sự cố ô nhiễm

mỏ hoặc nguồn nước ngầm chảy qua vùng địa chất có chứa hàm lượng P khá lớn Như vậy, sử dụng nước tưới ô nhiễm và phân bón hóa học chứa N và P sẽ tác động chủ yếu đến hàm lượng N trong nước ngầm do đặc tính P bị cố định trong các tầng đất

1.5.2 Tại Việt Nam

Đánh giá của Bộ NN & PTNN (2021) cho thấy nước ngầm ở nhiều vùng có dấu hiệu ô nhiễm, trong đó ô nhiễm N đang rất nghiêm trọng ở các vùng nông thôn Các kết quả phân tích cho thấy chủ yếu ô nhiễm do hàm lượng NO3-, NH4+ trong nước ngầm Nguyên nhân tác động là do nguồn nước thải từ các nhà máy sản xuất nông nghiệp, làng nghề Hơn nữa, hằng năm ngành nông nghiệp Việt Nam tiêu thụ khoảng 11 triệu tấn phân bón, riêng canh tác lúa chiếm 65% Nhiều nông dân trồng lúa sử dụng phân bón cao hơn mức khuyến cáo, trong khi lượng phân bón sử dụng có hiệu quả thấp do

bị thất thoát bằng nhiều con đường: thấm, bốc hơi hoặc thấm rửa [36]

Ô nhiễm nước ngầm chủ yếu là do các thông số tổng lượng chất rắn hoà tan (TDS),

NH4+, kim loại nặng (Mn, As, Cd, Pb), nhiễm khuẩn vi sinh vật và xâm nhập mặn Hàm lượng NH4+ trong nước ngầm đã ghi nhận giá trị cao nhất vượt nhiều lần giới hạn cho phép của QCVN 09-MT:2008/BTNMT tại một số điểm thuộc một số vùng trên cả nước, trong đó cao nhất tại đồng bằng Bắc Bộ Riêng khu vực Tây Nguyên chưa ghi nhận hiện tượng ô nhiễm NH4+ trong nước ngầm

Theo báo cáo mới nhất của Bộ TNMT năm 2021, nước ngầm tại nhiều vùng ở Việt Nam đã có dấu hiệu ô nhiễm N, trong đó có huyện Gia Lâm do ô nhiễm các nguồn nước mặt và nước tưới trong nông nghiệp [37] Theo hội Khoa học Đất Việt Nam, diện tích đất phù sa trung tính ở vùng ĐBSH chiếm tỉ lệ hơn 70% với thành phần cơ giới 21,4 – 31,4% sét, 54,2 – 57,2% limon, 14,4 – 21,4% cát, có tính chất xốp cao ở tầng mặt và độ ẩm tối đa thấp hơn loại đất khác Đặc điểm này dẫn đến nước tưới cho lúa

có thể thấm xuống tầng nông

Sự ô nhiễm N trong nước ngầm có xu hướng gia tăng trong những năm gần đây Theo

số liệu thống kê gần đây của Cục Quản lý Tài nguyên nước – Bộ Tài nguyên và Môi trường, khoảng 40% lượng nước cấp cho đô thị và gần 80% lượng nước sử dụng cho sinh hoạt ở nông thôn được khai thác từ nước ngầm Chất lượng nước ngầm đang xuất hiện tình trạng ô nhiễm cục bộ, trong đó phát hiện hàm lượng N vượt tiêu chuẩn cho phép Tại một số vùng nông thôn, nguồn nước ngầm bị nhiễm vi sinh đã vượt ngưỡng cho phép Theo báo cáo tại một số địa phương như Bắc Ninh, Hà Nam, Nam Định… nước ngầm đã có dấu hiệu ô nhiễm (NO3-, NH4+), kim loại nặng (Fe, As) và đặc biệt ô

nhiễm vi sinh (Coliform, E.coli) [38]

1.5.2.1 Khu vực Đồng bằng Sông Hồng

Tại thành phố Hà Nội, khảo sát nước ngầm từ Bắc đến Nam thành phố cho thấy khu vực Mai Dịch có hàm lượng sắt, mangan và amoni nhỏ nhất, thấp hơn cả các tiêu chuẩn nước cấp Càng về phía Nam, Tây Nam nồng độ amoni càng cao, cao nhất là khu vực Pháp Vân (trung bình gần 19 mg/L), sau đó là khu vực Tương Mai (14 mg/L),

Hạ Đình (13 mg/L) Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm chủ yếu từ quá trình trầm tích nguyên thủy đã có sự phân hủy hợp chất hữu cơ tại chỗ Ngoài ra, có một hiện tượng phổ biến là nơi nào nguồn nước ngầm có hàm lượng sắt cao, độ nhiễm bẩn hữu cơ lớn thì ở đó phần nhiều hàm lượng amoni cũng cao, và ngược lại [39]

Theo Công ty Cổ phần nước và môi trường Việt Nam, qua khảo sát hiện trạng cấp nước cho đô thị, các giếng ngầm cho thấy, các giếng tại các quận ở phía Nam và Đông Nam thành phố thuộc các nhà máy nước: Pháp Vân, Hạ Đình, Tương Mai bị ô nhiễm nặng; nước ngầm không bảo đảm chất lượng, hàm lượng amoni rất cao và có dấu hiệu

bị nhiễm bẩn bởi nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp Nguyên nhân là do khu vực này có địa hình thấp, toàn bộ nước bề mặt chưa được xử lý chảy về hướng này, ngấm xuống làm bẩn những tầng chứa nước nằm sâu dưới lòng đất

Báo cáo điều tra, đánh giá tài nguyên nước vùng thủ đô Hà Nội năm 2024 của Liên đoàn

Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước miền Bắc cho thấy tầng chứa nước Holocen là tầng chứa nước nằm nông, chịu tác động của các yếu tố nhân tạo do đó chất lượng nước

dễ bị ảnh hưởng Ô nhiễm N-NH4+ trong nước dưới đất tầng chứa nước Holocen (qh) đã được phát hiện trong các kết quả phân tích mẫu trên toàn vùng dự án Ô nhiễm N-NO-

được phát hiện tại hầu hết các mẫu nước với hàm lượng khác nhau, giá trị của chỉ tiêu này dao động trong khoảng từ 0,0 mg/L đến 48,6 mg/L; trung bình 5,24 mg/L Hàm lượng

NO3- lớn nhất có giá trị 48,6 mg/L thuộc tỉnh Hưng Yên Có tổng số 33 mẫu vượt tiêu chuẩn cho phép, trong đó khu vực Hải Dương có 11 mẫu vượt tiêu chuẩn Khu vực tỉnh Bắc Ninh có 9 mẫu vượt tiêu chuẩn, khu vực tỉnh Hưng Yên có 9 mẫu vượt tiêu chuẩn Tỉnh Vĩnh Phúc có 2 mẫu vượt tiêu chuẩn, khu vực Hòa Bình không phát hiện mẫu nào vượt tiêu chuẩn cho phép Hàm lượng N-NO2- được phát hiện tại hầu hết các mẫu nước với hàm lượng khác nhau, dao động trong khoảng từ 0,0 - 29 mg/L, trung bình 1,1 mg/L

Để đánh giá đặc điểm thông số chất lượng nước ở các dạng N dưới đất trên địa bàn Hà Nội cho mục đích sinh hoạt, các kết quả được so sánh với QCVN 09-MT:2015/BTNMT được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Bảng 1.1 Thông số chất lượng nước dưới đất ở các dạng N khu vực Hà Nội

đánh giá

Số mẫu nghiên cứu

Giá trị đặc trưng (mg/L)

QCVN MT:2015/BTNMT

Tầng chứa nước Holocen (qh)

1.5.2.2 Khu vực huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội

Mặc dù hàm lượng N và P trong nước ngầm khu vực Gia Lâm ở thời điểm hiện tại chưa có nhiều tài liệu công bố, nhưng số liệu nghiên cứu của Tổng cục Thủy lợi cho thấy chất lượng nước ngầm không xử lý ở khu vực ngoại thành Hà Nội bị ô nhiễm N nặng, tập trung tại các huyện Thanh Trì, Gia Lâm Theo bản đồ chất lượng nước ngầm

Hà Nội, nước ngầm khu vực Gia Lâm ô nhiễm NH4+ ở mức nồng độ cao

Hình 1.10 Bản đồ các khu vực nước ngầm Hà Nội có hàm lượng amoni cao [39] Bên cạnh đó, các hệ thống nước tưới cho lúa chảy qua địa bàn khu vực Gia Lâm đều trong tình trạng ô nhiễm, bao gồm hai HTTL: Bắc Hưng Hải và Bắc Đuống Các sông, kênh chảy qua khu vực Gia Lâm như các kênh nhánh dọc lưu vực sông Cầu Bây chạy qua huyện Gia Lâm thuộc HTTL Bắc Hưng Hải, các sông kênh chảy qua Đặng Xá (Gia Lâm) thuộc HTTL Bắc Đuống đều bị ô nhiễm Trong đó, NH4+ gấp 2,48 lần;

PO43- gấp 4,15 lần giới hạn QCVN 08-MT:2015/BTNMT [39]

Các nghiên cứu trên cho thấy nước ngầm tại nhiều vùng ở Việt Nam có dấu hiệu ô nhiễm N, trong đó hàm lượng NH4+ từ 1,13 – 4,25 mg/L ở tầng đất sâu -35 cm, NO3-

từ 0,69 – 0,91 mg/L ở tầng đất sâu -70 cm, từ 0,4 – 0,7 mg/l tầng đất sâu -120 cm Nhìn chung nước ngầm chưa có dấu hiệu ô nhiễm P, bên cạnh đó quy định về hàm lượng P trong nước ngầm của cả quy chuẩn QCVN08-MT:2015/BTNMT và QCVN 09-MT:2015BTNMT về chất lượng nước ngầm đều không có nên các kết quả khảo sát ban đầu không có cơ sở để so sánh

1.5.3 Thực trạng ô nhiễm N và P trong các hệ thống tưới ở Việt Nam

Đặc điểm chung của các hệ thống thủy lợi (HTTL) vùng đồng bằng sông Hồng nằm

Mặc dù pháp luật Việt Nam có quy định bắt buộc các ngành phải xử lý nước thải, nhưng chỉ có 10% nước thải công nghiệp được xử lý Do vậy lượng lớn nước thải từ khu công nghiệp cũng xả thải ra môi trường [40]

Từ kết quả điều tra thống kê cũng như báo cáo môi trường Quốc gia đến năm 2020 của

Bộ TNMT, nước thải từ hoạt động chăn nuôi và trồng trọt ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước mặt Theo đánh giá của Bộ TNMT về chất lượng nước các lưu vực sông đến năm 2020, tại lưu vực sông Hồng, có những điểm ô nhiễm cục bộ trong đó có 32% điểm quan trắc có chỉ số chất lượng nước Water Quality Index (WQI) ở mức trung bình và 31% điểm quan trắc có chỉ số WQI ở mức kém Trong đó, hàm lượng các dạng ion hòa tan của N như NO2-, NH4+ tương đối cao nhưng thấp hơn giá trị giới hạn cho phép về chất lượng nước mặt quy định tại QCVN08-MT:2015/BTNMT (mức B) Song, hàm lượng ion phốt phát cao hơn 3,9 - 5,7 giá trị giới hạn cho phép về chất lượng nước mặt sử dụng cho mục đích tưới tiêu, thủy lợi Kết quả quan trắc chất lượng nước của Bộ TNMT đã đánh giá được các chỉ tiêu ô nhiễm nước trong HTTL Bắc Hưng Hải các số liệu mới nhất cho thấy hàm lượng COD tăng 8,6 lần, NH4+ tăng 2,48 lần; PO43- tăng 4,15 lần và Coliform tăng 91,6 lần Kết quả phân vùng ô nhiễm nước của

83 sông, kênh dựa trên các tiêu chí về chỉ số chất lượng nước (WQI), mô tả thực địa về màu, mùi và mức độ ảnh hưởng đến sự sống của các loài sinh vật trên sông, kênh cho thấy, tất cả các dòng sông đều đã bị ô nhiễm ở mức độ khác nhau, trong đó, 19/83 sông, kênh bị ô nhiễm rất nghiêm trọng, 21/83 sông, kênh bị ô nhiễm nghiêm trọng, 23/83 sông, kênh bị ô nhiễm ở mức trung bình và 20/83 sông, kênh bị ô nhiễm nhẹ

Theo các nghiên cứu tính đến năm 2018, tổng lượng nước thải xả vào HTTL Bắc Hưng Hải khoảng 453.000 m3, trong đó, mới chỉ có khoảng 99.000 m3

đã có hệ thống

xử lý nước thải, chiếm khoảng 21,85% tổng khối lượng nước thải phát sinh Gần 100% nước thải sinh hoạt, làng nghề, cơ sở sản xuất kinh doanh chưa được xử lý Khoảng 60% hộ chăn nuôi có bể biogas để xử lý chất thải nhưng hầu hết không đủ công suất và vận hành không đúng kỹ thuật nên chất thải chăn nuôi vẫn là nguồn gây ô nhiễm môi trường So với 10 năm trước, tổng lượng nước thải xả vào HTTL Bắc Hưng Hải đã tăng khoảng 154%, trong khi tỷ lệ nước thải được xử lý chỉ tăng khoảng 12,5% Hầu hết các đơn vị khai thác công trình thủy lợi đều chưa thống kê được khối lượng nước

thải, thanh phần các loại nước thải, tỷ lệ nước thải đã được xử lý để có biện pháp quản

lý phù hợp [41]

Tại hệ thống tưới Sông Nhuệ, kết quả công bố chất lượng nước năm 2020 của Tổng Cục Môi trường, Bộ TNMT cho thấy, đoạn từ Cầu Diễn đến đập Đồng Quan: qua các đợt giám sát đều cho thấy NH4+ từ 0,04 đến 10,29 mg/L và NO3- từ 0,04 đến 12,51 mg/L Tổng lượng nước thải xả vào HTTL sông Nhuệ khoảng 800.000 m3/ngày đêm, trong đó, nước thải sinh hoạt 550.000 m3/ngày đêm, nước thải công nghiệp tại Hà Nội khoảng 56.100 m3/ngày, nước thải từ các làng nghề (ước tính khoảng 450 làng nghề và hàng nghìn cơ sở sản xuất) thải ra khoảng 55.000 m3

÷ 65.000 m3/ngày đêm Theo các

số liệu thống kê của Sở Tài nguyên Môi trường Hà Nội, có hơn 1.300 điểm xả thải các loại ảnh hưởng đến chất lượng nước HTTL sông Nhuệ Hầu hết các nguồn xả thải có quy mô nhỏ lẻ, tự phát nên chất thải, nước thải đều không được quy hoạch vị trí tập trung hoặc xử lý trước khi xả trực tiếp xuống các kênh tiêu, kênh tưới đối tượng phải xin cấp giấy phép xả nước thải theo quy định [42]

HTTL Bắc Nam Hà lấy nước từ sông Hồng qua các trạm bơm Như Trác, Hữu Bị I và Hữu Bị II Kết quả quan trắc năm 2017 của Tổng cục Thủy lợi tại cống lấy nước của trạm bơm Như Trác cho thấy, NH4+ từ 0,113 đến 1,923 mg/L và NO3- từ 0,004 đến 0,097 mg/L đều đạt giới hạn B1 dùng cho mục đích tưới tiêu

Hình 1.11 Ô nhiễm hệ thống thủy lợi nước tưới Đồng bằng sông Hồng [42]

Các kết quả nghiên cứu trên chỉ ra nước tưới tại nhiều hệ thống thủy lợi ở Việt Nam đang trong tình trạng ô nhiễm đến rất ô nhiễm, hàm lượng N và P trong nước tưới tại một số hệ thống đều ở mức vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, hàm lượng ion phốt phát cao hơn từ 3,9 - 5,7 lần hàm lượng NO3- giá trị giới hạn cho phép về chất lượng nước mặt sử dụng cho mục đích tưới tiêu, thủy lợi

Lượng phân bón cho lúa được xây dựng trên cơ sở nhu cầu dinh dưỡng của cây cho toàn bộ quá trình sinh trưởng Tuy nhiên, cây lúa chỉ có nhu cầu N nhất định, nên khi tưới nước ô nhiễm kết hợp lượng phân bón theo khuyến cáo có thể dẫn đến dư thừa N trong đất lúa [43] Dư lượng N đó có thể bị thất thoát: một phần được chuyển hóa thành N2O, một phần NO3- thấm rửa xuống nước ngầm và một phần chuyển hóa thành

NH4+ Sự tích tụ nitrat trong đất cao và quá trình thấm là nguyên nhân NO3- thấm xuống lớp đất bên dưới và đi vào nước ngầm, tốc độ thấm càng gia tăng khi lượng tưới mặt ruộng cao hoặc gặp mưa lớn Bên cạnh đó, sự ô nhiễm nitrat trong nước ngầm cũng gia tăng khi có sự tích hợp giữa phân bón và hàm lượng nitrat trong nước tưới cao [44]

1.6 Giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm N, P trong nước ngầm

1.6.1 Sử dụng than sinh học (Biochar)

Các nghiên cứu gần đây quan tâm nhiều đến việc sử dụng các vật liệu hấp phụ từ tự nhiên, phụ phẩm nông nghiệp là những vật liệu có chi phí thấp được dùng để sản xuất biochar, biochar biến tính với mục đích nâng cao hiệu quả xử lý và để thay thế các vật liệu thương mại có chi phí cao

Biochar có ưu điểm là diện tích bề mặt lớn giúp tăng khả năng hấp phụ của vật liệu Yiging Zhu và cs (2016) đã nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni của than hoạt tính được chế tạo từ hạt bơ sử dụng axit methanesulfonic là tác nhân biến tính (ký hiệu AAC - MA) Kết quả cho thấy AAC - MA có khả năng hấp phụ amoni Nồng độ amoni ban đầu, pH, thời gian ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Khả năng hấp phụ amoni tối đa tại pH = 5 Nồng độ chất hấp phụ tăng ở giai đoạn hấp phụ ban đầu sau

đó giảm và ổn định Các dữ liệu cân bằng được tìm thấy phù hợp nhất với mô hình đẳng nhiệt Langmuir (R2 = 99,5%), dung lượng hấp phụ cực đại là 5,4 mg/g [45]

Zhanghong Wang (2015) đã nghiên cứu sử dụng hóa chất LaCl3 trong nhiệt phân chậm (300 – 600oC) để sản xuất La – biochar từ mùn cưa của cây gỗ sồi Thành phần của mùn cưa bao gồm xenluloza, hemicenluloza, lignin, tro Vật liệu chuẩn bị được sử dụng để hấp phụ amoni Kết quả nghiên cứu cho thấy, nhiệt độ nhiệt phân thấp thì khả năng hấp phụ amoni tốt hơn Theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir, khả năng hấp phụ tối đa NH4+ của La - biochar là 10,1 mg/g và được cải thiện 1,9 lần so với biochar ban đầu Sự hấp phụ NH4+ chủ yếu liên quan đến các nhóm chức bề mặt có tính axit, đó là gốc (-OH) trên phenol (C6H5-OH) và nhóm chức cacboxyl (-COOH) [46]

Năm 2018, Ahmed Khalil đã nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni của biochar từ rơm

rạ biến tính bằng tác nhân NaOH 0,1M (ký hiệu RSII) Tác giả đã nghiên cứu các đặc điểm hóa lý của biochar biến tính, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ (nồng

độ NH4+ ban đầu, thời gian tiếp xúc của vật liệu hấp phụ, pH của dung dịch) và nghiên cứu các mô hình động học Kết quả cho thấy, RSII đạt hiệu quả loại bỏ 43% NH4+, dung lượng hấp phụ tối đa là 2,9 mg/g với nồng độ ban đầu của NH4+ là 12 mg/L và

pH là 7,5 [47]

Trong nghiên cứu tổng hợp biochar từ phế phẩm nông nghiệp hấp phụ amoni và ortho-phốt phát trong nước, Nguyễn Thị Cẩm Tiên và cs (2021) đã sử dụng vật liệu biochar được tổng hợp từ một số loại phế phẩm nông nghiệp và biến tính với MgCl210% Hiệu suất và dung lượng hấp phụ NH4+ đạt giá trị tương đương 69,2% và 90,08% Động học phản ứng và mô hình đẳng nhiệt hấp phụ của NH4+ bằng biochar

từ vỏ trấu biến tính MgCl2 10% phù hợp với phương trình giả động học bậc 2 và mô hình đẳng nhiệt Langmuir Kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng lớn trong việc tổng hợp và biến tính biochar từ trấu để làm vật liệu hấp phụ chất ô nhiễm dinh dưỡng trong nước [48]

Bùi Thị Lan Anh (2016) đã nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ dừa để xử lý amoni trong nước thải bệnh viện [49] Nghiên cứu cho thấy, tốc độ lọc thấp 0,5 L/h thì hiệu suất xử lý amoni của than xơ dừa trung bình trong khoảng 78,79% Nguyễn Mạnh Khải và cs (2021) đã tiến hành nghiên cứu khả năng xử lý và thu hồi phốt phát

triển kinh tế tuần hoàn Khả năng xử lý phốt phát của than rơm chỉ đạt cao nhất là 93,53%, trong khi than trấu có thể đạt 96,35% [50]

Theo Tổ chức Năng lượng Quốc tế (IEA), chất lượng và sản lượng biochar phụ thuộc rất lớn vào quá trình nhiệt phân Nguyên liệu khác nhau sẽ có thành phần cấu tạo và nguyên tố khác nhau, thể hiện các tính chất khác nhau Vì vậy, hiệu suất và dung lượng hấp phụ của các biochar khác nhau đối với NH4+ là khác nhau

Nhìn chung, tất cả các loại phế phẩm nông nghiệp đều có thể tổng hợp và biến tính với MgCl2 10% để tạo thành vật liệu hấp phụ NH4+ trong nước Trong khi đó, hiệu suất hấp phụ NH4+ chỉ đạt trung bình khoảng 52,2% Kết quả này tương đối phù hợp với báo cáo của Zheng về hiệu quả hấp phụ NH4+ (40 - 45%) bằng biochar Sau quá trình hấp phụ, pH dung dịch đều tăng lên khoảng 9

Việc bón quá nhiều phân P đã khiến P thẩm thấu vào nước ngầm và thúc đẩy quá trình phú dưỡng nước mặt Trên toàn cầu, 300×104 tấn đến 400×104 tấn P2O5 di chuyển từ đất vào nước ngầm mỗi năm làm suy thoái chất lượng nước và phú dưỡng, đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe môi trường Do đó, nhiều công nghệ thân thiện với môi trường đã được phát triển để giữ lại P trong đất đồng thời đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng

P của cây trồng Hammer và cộng sự (2014) đã áp dụng than sinh học dạng viên gỗ cho khả năng hấp phụ P là 7,7161 mg/g [51] Qincheng Chen và cs (2018) đã tổng hợp

ra biochar từ phân bò và biến tính bằng Mg để giảm quá trình thấm rửa P từ đất Kết quả cho thấy khả năng chống oxy hóa của biochar biến tính Mg được cải thiện nhờ sự hình thành MgO trên bề mặt [52]

Than sinh học có tiềm năng lớn trong việc tăng khả năng lưu trữ chất dinh dưỡng P của đất nhằm hạn chế thấm rửa P Tuy nhiên, theo thời gian, than sinh học dần dần phân hủy và giải phóng P di động Do đó, nhóm tác giả Ping Xue và cs (2023) đã sử dụng phương pháp siêu âm để tách than sinh học ban đầu (TB) thành than sinh học có khả năng di chuyển (DB) và than sinh học còn lại (RB) Thành phần nguyên tố và đặc điểm lỗ rỗng của các loại than sinh học TB, DB và RB đã được phân tích Cả ba loại than sinh học trên đã được áp dụng cho đất đen để làm rõ cơ chế hấp phụ và khả năng thấm rửa của phốt pho trong đất Chế độ hấp phụ chính của phốt pho lên bề mặt than