Nghiên cứu ứng dụng sử dụng cây sậy (Phragmites australis) trong xử lý đất ô nhiễm sau khai thác khoáng sản tại vùng mỏ chì (Pb) – kẽm (Zn) Tú Lệ, huyện Văn Chấn, tỉnh Yên Bái.

Người ta thường sử dụng những phương pháp truyền thống để xử lý đất ô nhiễm như: rửa đất, cố định các chất ô nhiễm bằng hóa học hoặc vật lý, xử lý nhiệt, trao đổi ion, oxi hóa hoặc khử c

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

-

ĐẶNG HUY NGỌC

Tên đề tài:

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SỬ DỤNG CÂY SẬY (Phragmites

australis) TRONG XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM SAU KHAI THÁC

KHOÁNG SẢN TẠI VÙNG MỎ CHÌ (Pb) – KẼM (Zn) TÚ LỆ,

HUYỆN VĂN CHẤN, TỈNH YÊN BÁI”

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo : Chính quy Chuyên ngành : Khoa học môi trường Khoa : Môi Trường

Khóa học : 2010 - 2014 Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Thị Phả

Thái Nguyên – năm 2014

LỜI CẢM ƠN

Được sự đồng ý của Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, khoa Tài Nguyên và Môi trường và giáo viên hướng dẫn TS Trần Thị Phả, em tiến

hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng sử dụng cây sậy (Phragmites

australis) trong xử lý đất ô nhiễm sau khai thác khoáng sản tại vùng mỏ chì (Pb)

– kẽm (Zn) Tú Lệ, huyện Văn Chấn, tỉnh Yên Bái”

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn cô TS Trần Thị Phả - giáo viên hướng dẫn đề tài đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài này, cùng toàn thể các thầy cô, cán bộ khoa Môi trường, trường Đại học Nông lâm – Đại học Thái Nguyên đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường

Em xin chân thành cảm ơn cán bộ ban lãnh đạo xã Tú Lệ, bạn bè và những người thân trong gia đình đã động viên khuyến khích và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành đề tài

Do thời gian có hạn, năng lực còn hạn chế nên bài khóa luận tốt nghiệp của em không thể tránh khỏi những thiết sót Em rất mong các thầy cô và bạn

bè đóng góp ý kiến để bài khóa luận của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Người thực hiện đề tài

Đặng Huy Ngọc

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

PHẦN 1 1

MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

1.3 Ý nghĩa của đề tài 3

1.3.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu 3

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

PHẦN 2 4

TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 Ô nhiễm đất do kim loại nặng 4

2.1.1 Khái niệm kim loại nặng 4

2.1.2 Nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng 4

2.1.2.1 Từ quá trình khoáng hóa đá 4

2.1.2.2 Nguồn ô nhiễm KLN do các hoạt động khai khoáng 5

2.1.2.3 Nguồn ô nhiễm KLN trong đất do các hoạt động công nghiệp và nước thải đô thị 5

2.1.2.4 Ô nhiễm kim loại do hoạt động nông nghiệp 6

2.1.3 Tính độc của một số kim loại nặng 7

2.1.4 Tiêu chuẩn đánh giá mức độ ô nhiễm KLN trong đất 9

2.1.5 Một số phương pháp truyền thống xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất 10

2.2 Hiện trạng ô nhiễm KLN trong đất ở Việt Nam 11

2.3 Công nghệ xử lý ô nhiễm KLN trong đất bằng thực vật 14

2.3.1 Khái quát về công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm KLN 14

2.3.2 Cơ chế xử lý ô nhiễm KLN bằng thực vật 16

2.3.3 Phương pháp xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật 17

2.3.4 Ưu điểm và hạn chế của biện pháp sử dụng thực vật xử lý KLN trong đất 18 2.4 Giới thiệu về cây sậy và tiềm năng ứng dụng của nó trong bảo vệ môi trường 20

2.4.1 Nguồn gốc của cây sậy 20

2.4.2 Đặc điểm hình thái của cây sậy 21

2.4.3 Đặc điểm sinh thái cây sậy 21

2.4.4 Ứng dụng của cây sậy trong cải tạo môi trường 23

PHẦN 3 24

ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

3.1 Đối tượng nghiên cứu 24

3.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 24

3.2.1 Địa điểm nghiên cứu 24

3.2.2 Thời gian nghiên cứu 24

3.3 Nội dung nghiên cứu 24

3.4 Phương pháp nghiên cứu và chỉ tiêu theo dõi 25

3.4.1 Phương pháp điều tra thu thập số liệu, tài liệu thứ cấp 25

3.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm và các chỉ tiêu theo dõi 25

3.4.3 Các phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu 26

3.4.4 Phương pháp xử lý số liệu 26

PHẦN 4 27

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 27

4.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội 27

4.2 Đánh giá chất lượng môi trường đất trước khi trồng sậy 32

4.3 Đánh giá khả năng sinh trưởng phát triển của cây sậy trong đất ô nhiễm sau khai thác khoáng sản tại vùng mỏ chì – kẽm Tú Lệ 35

4.4 Đánh giá khả năng tích lũy KLN của cây sậy trong đất ô nhiễm sau khai thác khoáng sản tại vùng mỏ chì – kẽm Tú Lệ 37

4.5 Khả năng xử lý KLN của cây sậy trong đất ô nhiễm sau khai thác khoảng sản

tại vùng mỏ chì – kẽm Tú Lệ 40

4.6 Tương quan giữa hàm lượng KLN trong đất với hàm lượng KLN trong cây 42 PHẦN 5 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 44

5.1 Kết luận 44

5.2 Kiến nghị 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

KLN : Kim loại nặng QCVN : Quy chuẩn Việt Nam UBND : Ủy ban nhân dân

KT – XH : Kinh tế - Xã hội BTNMT : Bộ Tài nguyên môi trường

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Hàm lượng trung bình một số KLN trong đá và đất (ppm) 4

Bảng 2.2 Hàm lượng KLN trong chất thải của một số mỏ vàng điển hình tại Úc 5

Bảng 2.3 Hàm lượng các kim loại trong bùn – nước cống rãnh đô thị 6

Bảng 2.4 Hàm lượng các KLN trong nguồn phân bón nông nghiệp (ppm) 6

Bảng 2.5 Giới hạn hàm lượng tổng số của một số KLN trong đất 10

Bảng 2.6 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao 15

Bảng 2.7 Ưu điểm và hạn chế của công nghệ sử dụng thực vật xử lý KLN 19

Bảng 2.8 Đặc điểm hình thái của sậy 21

Bảng 4.1 pH và hàm lượng KLN trong đất trước khi trồng cây 34

Bảng 4.2 Kết quả theo dõi khả năng sinh trưởng của cây sậy trong môi trường đất ô nhiễm KLN 36

Bảng 4.3 Khả năng tích lũy KLN của cây sậy trên đất ô nhiễm sau khai thác khoáng sản 37

Bảng 4.4 Hàm lượng KLN còn lại trong đất sau khi trồng sậy tại vùng mỏ chì – kẽm Tú Lệ 40

Bảng 4.5 Hàm lượng KLN trong cây sậy sau thời gian thí nghiệm 42

Hình 4.6 Tương quan giữa hàm lượng KLN trong rễ cây sậy và hàm lượng KLN trong đất 43

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 4.1 Hàm lượng KLN trong đất trước khi trồng cây 34 Hình 4.2 Khả năng sinh trưởng của cây sậy trong môi trường đất ô nhiễm KLN 36 Hình 4.3 Hàm lượng KLN trong thân + lá cây sậy trên đất ô nhiễm sau khai thác khoáng sản 38 Hình 4.4 Hàm lượng KLN trong rễ cây sậy trên đất ô nhiễm sau khai thác khoáng sản 38 Hình 4.5 Hàm lượng KLN còn lại trong đất sau khi trồng sậy 40 Hình 4.6 Tương quan giữa hàm lượng KLN trong thân + lá cây sậy và hàm lượng KLN trong đất 42 Hình 4.7 Tương quan giữa hàm lượng KLN trong rễ cây sậy và hàm lượng KLN trong đất 43

PHẦN 1

MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Những năm gần đây, nước ta đang đẩy mạnh quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước Đi cùng với quá trình đó là sự phát triển của ngành công nghiệp nói chung, và công nghiệp khai khoáng nói riêng Tỉnh Yên Bái với cấu trúc địa chất phức tạp thuộc miền uốn nếp Tây Bắc Việt Nam với các nếp lồi, nếp lõm và các đứt gãy kiến tạo là tiền đề thuận lợi cho việc hình thành các điểm mỏ khoáng sản quý, nổi bật nhất là chì – kẽm, vàng, sắt,… Vùng mỏ chì – kẽm Tú Lệ thuộc huyện Văn Chấn là một vùng như thế, bao gồm nhiều khu chứa quặng khác nhau: Huổi Pao, Cogisan, Tusan,… với trữ lượng quặng lên đến 36.385 tấn trong

đó 21.705 tấn chì và 14.680 tấn kẽm Hoạt động khai thác khoáng sản đã góp phần không nhỏ trong việc thúc đẩy kinh tế của tỉnh Yên Bái nói riêng và cả nước nói chung

Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích đạt được, đây cũng là ngành chiếm dụng diện tích đất lớn, quá trình đó đã làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, những nguyên tố vi lượng tích lũy trong đất làm suy thoái đất, giảm năng suất cây trồng, suy giảm đa dạng sinh học, tích lũy trong nông phẩm gây tác động không nhỏ đối với con người và động vật

Việc xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng rất phức tạp và thường không triệt để

do tính chất đất bị thay đổi khi liên kết với kim loại nặng Người ta thường sử dụng những phương pháp truyền thống để xử lý đất ô nhiễm như: rửa đất, cố định các chất ô nhiễm bằng hóa học hoặc vật lý, xử lý nhiệt, trao đổi ion, oxi hóa hoặc khử các chất ô nhiễm,… Nhược điểm của các phương pháp này là hạn chế về diện tích, phương tiện kĩ thuật, chi phí cao đối với nước đang phát triển như Việt Nam, bên cạnh bài toán phát triển kinh tế cân bằng với bảo vệ môi trường Vì thế, việc sử

dụng thực vật để xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng đã và đang được các nhà khoa học thế giới chú ý và nghiên cứu áp dụng với những ưu điểm mà nó đem lại như chi phí thấp, phù hợp với điều kiện môi trường từng vùng, đơn giản, thân thiện và

an toàn với môi trường Theo nghiên cứu, có ít nhất 400 loài thuộc 45 họ thực vật

có khả năng hấp thụ, tích lũy kim loại cao gấp hàng trăm lần so với các loài thực vật khác Và thực vật sau khi hấp thu kim loại nặng sẽ được thu hoạch và xử lý như

xử lý chất thải nguy hại

Cây sậy (Phragmites australis) là một loài cây lớn thuộc họ Hòa thảo (Poaceae) có nguồn gốc ở những vùng đất lầy ở cả khu vực nhiệt đới và ôn đới của

thế giới Cây sậy có khả năng phát triển khá tốt ngay cả khi được bổ sung lượng nước thải chứa kim loại nặng Vì thế cây sậy đang được áp dụng tại rất nhiều tỉnh thành ở Việt Nam nhằm mục đích xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng, trong đó bao gồm cả vùng mỏ chì – kẽm Tú Lệ Xuất phát từ thực tế này, được sự nhất trí của Ban Giám hiệu nhà trường, Ban Chủ nhiệm khoa Môi trường, trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên, với sự hướng dẫn của Th.S Trần Thị Phả, với mong muốn

góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm kim loại nặng, em thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng sử dụng cây sậy (Phragmites australis) trong xử lý đất ô nhiễm sau khai thác khoáng sản tại vùng mỏ chì (Pb) – kẽm (Zn) Tú Lệ, huyện Văn Chấn, tỉnh Yên Bái.”

1.2 Mục tiêu đề tài

Đánh giá hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất tại vùng mỏ chì – kẽm

Tú Lệ, huyện Văn Chấn, tỉnh Yên Bái

Đánh giá khả năng hấp thụ, tích lũy KLN của cây sậy; khả năng chống chịu, sống sót sau khi hấp thu và ảnh hưởng tới vùng đất trồng

Ứng dụng đưa vào thực tiễn xử lý triệt để vùng đất ô nhiễm sau khai thác khoáng sản trên diện rộng của cây sậy Làm tăng diện tích đất canh tác sau khi xử

lý

1.3 Ý nghĩa của đề tài

1.3.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu

Trau dồi kiến thức, nâng cao kĩ năng, rút kinh nghiệm phục vụ công tác nghiên cứu sau này và áp dụng lý thuyết vào thực tiễn

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đánh giá khả năng tích lũy KLN trong thân, rễ và lá của cây sậy

Đánh giá chất lượng môi trường đất sau khi sử dụng cây sậy

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Ô nhiễm đất do kim loại nặng

2.1.1 Khái niệm kim loại nặng

Kim loại nặng là thuật ngữ dùng để chỉ những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 4 hoặc 5 Chúng bao gồm: Pb (d=11,34), Cd (d=8,60), Ag (d=10,50), Bi (d=9,80),

Co (d=8,90), Cu (d=8,96), Cr (d=7,10), Fe (d=7,87), Hg (d=13,52), Mn (d=7,44),

Ni (d=8,90), Zn (d=7,10), Ngoài ra các á kim như As, Se cũng được xem như các KLN (Bjerrgard M H., Depledge J M., 1991) [14]

2.1.2 Nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng

2.1.2.1 Từ quá trình khoáng hóa đá

Nguồn này phụ thuộc nhiều vào đá mẹ nhưng hàm lượng các KLN trong đá thường rất thấp, vì vậy nếu không có các quá trình tích lũy do xói mòn, rửa trôi… thì đất tự nhiên ít có khả năng có hàm lượng KLN cao

Bảng 2.1 Hàm lượng trung bình một số KLN trong đá và đất (ppm)

Nguyên

tố

Đá bazơ (Baselt)

Đá axit (Granite)

Đá trầm tích

Vỏ phong hóa

Dao động trong đất

TB trong đất

2.1.2.2 Nguồn ô nhiễm KLN do các hoạt động khai khoáng

Các hoạt động khai mỏ thải ra một lượng lớn các KLN vào dòng nước và góp phần gây ô nhiễm cho đất Môi trường đất tại các mỏ khai thác vàng mới khai trương thường có độ kiềm cao (pH: 8-9), ngược lại các mỏ khai thác vàng cũ thường có độ axit mạnh (pH:2,5-3,5); dinh dưỡng đất thấp và hàm lượng KLN rất cao Chất thải ở đây thường là nguồn gây ô nhiễm môi trường, cả phần trên bề mặt

và dưới tầng đất sâu Ở Úc, chất thải từ các mỏ vàng chứa hàm lượng KLN vượt tiêu chuẩn cho phép rất nhiều lần

Bảng 2.2 Hàm lượng KLN trong chất thải của một số mỏ vàng điển hình tại Úc

vẽ, thuộc da, pin, khoáng chất

Nước thải từ cống rãnh thành phố bao gồm cả nước thải sinh hoạt và công nghiệp cũng chưa nhiều KLN

Bảng 2.3 Hàm lượng các kim loại trong bùn – nước cống rãnh đô thị

2.1.2.4 Ô nhiễm kim loại do hoạt động nông nghiệp

Quá trình sản xuất nông nghiệp đã làm tăng đáng kể các KLN trong đất Các loại TBVTV thường chứa As, Hg, Cu… trong khi các loại phân hóa học lại chứa các nguyên tố Cd, Pb, As

Bảng 2.4 Hàm lượng các KLN trong nguồn phân bón nông nghiệp (ppm)

Bùn cống thải

Phân chuồng

Nước tưới

Thuốc BVTV

2.1.3 Tính độc của một số kim loại nặng

Tính độc của KLN đã được khẳng định từ lâu nhưng không phải tất cả chúng đều độc hại đến môi trường và sức khỏe của con người Độ độc và không độc của KLN không chỉ phụ thuộc vào bản thân kim loại mà nó còn liên quan đến hàm lượng trong đất, trong nước và các yếu tố hóa học, vật lý cũng như liên quan đến hàm lượng trong đất, trong nước và các yếu tố hóa học, vật lý cũng như sinh vật Một số kim loại như Pb, Cd, Hg… khi được cơ thể hấp thu chúng sẽ làm mất hoạt tính của nhiều enzyme, gây nên một số căn bệnh như thiếu máu, sưng khớp… Trong tự nhiên KLN thường tồn tại ở dạng tự do, khi ở dạng tự do thì độc tính của

nó yếu hơn so với dạng liên kết, ví dụ như Cu tồn tại ở dạng hỗn hợp Cu-Zn thì độc tính của nó tăng gấp 5 lần khi ở dạng tự do

a Chì (Pb)

Chì là một kim loại mềm, nặng, độc hại và có thể tạo hình Chì có màu trắng xanh khi mới cắt nhưng bắt đầu xỉn màu thành xám khí tiếp xúc với không khí Chì dùng trong xây dựng, ắc quy chì, đạn, và là một phần của nhiều hợp kim Chì có số nguyên tố cao nhất trong các nguyên tố bền

Khi tiếp xúc ở một mức độ nhất định, chì là chất độc đối với động vật cũng như con người Nó gây tổn thương cho hệ thần kinh và gây ra rối loạn não Tiếp xúc ở mức cao cũng gây ra rối loạn máu ở động vật Giống với thủy ngân, chì

là chất độc thần kinh tích tụ trong mô mềm và trong xương

b Cadimi (Cd)

Là một kim loại chuyển tiếp tương đối hiếm, mềm, màu trắng ánh xanh và

có độc tính, cadimi tồn tại trong các quặng kẽm và được sử dụng chủ yếu trong các loại pin Cadimi là một trong rất ít nguyên tố không có ích lợi gì cho cơ thể con người Nguyên tố này và các dung dịch các hợp chất của nó là những chất cực độc thậm chí chỉ với nồng độ thấp, và chúng sẽ tích lũy sinh học trong cơ thể cũng như trong các hệ sinh thái

Hít thở phải bụi có chứa cadimi nhanh chóng dẫn đến các vấn đề đối với hệ

hô hấp và thận, có thể dẫn đến tử vong (thông thường là do hỏng thận) Nuốt phải một lượng nhỏ cadimi có thể phát sinh ngộ độc tức thì và tổn thương gan và thận Các hợp chất chứa cadimi cũng là các chất gây ung thư Ngộ độc cadimi là nguyên nhân của bệnh itai-itai, tức "đau đau" trong tiếng Nhật Ngoài tổn thương thận, người bệnh còn chịu các chứng loãng xương và nhuyễn xương

Khi làm việc với cadimi một điều quan trọng là phải sử dụng tủ chống khói trong các phòng thí nghiệm để bảo vệ chống lại các khói nguy hiểm Khi sử dụng các que hàn bạc (có chứa cadimi) cần phải rất cẩn thận Các vấn đề ngộ độc nghiêm trọng có thể sinh ra từ phơi nhiễm lâu dài cadimi từ các bể mạ điện bằng cadimi

c Asen (As)

Asen là một á kim gây ngộ độc khét tiếng và có nhiều dạng thù hình: màu vàng (phân tử phi kim) và một vài dạng màu đen và xám (á kim) chỉ là số ít mà người ta có thể nhìn thấy Ba dạng có tính kim loại của asen với cấu trúc tinh thể

khác nhau cũng được tìm thấy trong tự nhiên (các khoáng vật asen sensu stricto và

hiếm hơn là asenolamprit cùng parasenolamprit), nhưng nói chung nó hay tồn tại dưới dạng các hợp chất asenua và asenat

Asen và nhiều hợp chất của nó là những chất độc cực kỳ có hiệu nghiệm Asen phá vỡ việc sản xuất ATP thông qua vài cơ chế Asen nguyên tố và các hợp chất của asen được phân loại là "độc" và "nguy hiểm cho môi trường" tại Liên minh châu Âu theo chỉ dẫn 67/548/EEC IARC công nhận asen nguyên tố và các hợp chất của asen như là các chất gây ung thư nhóm 1, còn EU liệt kê triôxit asen, pentôxit asen và các muối asenat như là các chất gây ung thư loại 1

d Kẽm (Zn)

Kẽm là một nguyên tố kim loại lưỡng tính, có màu trắng xanh, óng ánh và nghịch từ, là một chất khoáng vi lượng thiết yếu cho sinh vật và sức khỏe con người Thiếu kẽm ảnh hưởng đến khoảng 2 tỷ người ở các nước đang phát triển và liên quan đến nguyên nhân một số bệnh

Mặc dù kẽm là vi chất cần thiết cho sức khỏe, tuy nhiên nếu hàm lượng kẽm vượt quá mức cần thiết sẽ có hại cho sức khỏe Hấp thụ quá nhiều kẽm làm ngăn chặn sự hấp thu đồng và sắt Ion kẽm tự do trong dung dịch là chất có độc tính cao đối với thực vật, động vật không xương sống, và thậm chí là cả động vật có xương sống

2.1.4 Tiêu chuẩn đánh giá mức độ ô nhiễm KLN trong đất

Tùy theo từng mục đích sử dụng đất, từng điều kiện kinh tế xã hội, các quốc gia khác nhau đưa ra các tiêu chuẩn để xác định mức đọ ô nhiễm KLN trong đất khác nhau

Ở Việt Nam, dựa vào mục đích sử dụng đất, tiêu chuẩn cho phép đối với từng kim loại được quy định khác nhau được quy định trong QCVN:03-2008/BTNMT

Bảng 2.5 Giới hạn hàm lượng tổng số của một số KLN trong đất

Đơn vị tính: mg/kg đất khô

Thông số

Đất sử dụng cho mục đích lâm nghiệp

Đất sử dụng cho mục đích dân sinh vui chơi

Đất sử dụng cho mục đích thương mại

và dịch vụ

Đất sử dụng cho mục đích nông nghiệp

Đất sử dụng cho mục đích công nghiệp

Nguồn: Quy chuẩn Việt Nam (QCVN): 03-2008/BTNMT [11]

2.1.5 Một số phương pháp truyền thống xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất

Trước thực trạng ô nhiễm môi trường đất như hiện nay, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu để bảo vệ nguồn tài nguyên quan trọng của trái đất Để xử lý đất ô nhiễm người ta thường sử dụng các phương pháp truyền thống như: rửa đất;

cố định các chất ô nhiễm bằng hoá học hoặc vật lý; xử lý nhiệt; trao đổi ion, ôxi hoá hoặc khử các chất ô nhiễm; đào đất bị ô nhiễm để chuyển đi đến những nơi chôn lấp thích hợp…

a Phương pháp đào và chuyển chỗ

Đào và chuyển chỗ là phương pháp xử lý đất chuyển vị, nhằm di chuyển các chất độc hại đi đến một nơi khác an toàn và ít ảnh hưởng tới sức khỏe con người và môi trường xung quanh Hiện nay, phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhưng cần phải tìm kiếm một phương pháp khác có hiệu quả kinh tế hơn Với phương

pháp này, chất ô nhiễm không được loại bỏ khỏi đất mà đơn giản chỉ là đào lên và chuyển đi chỗ khác

b Phương pháp rửa đất

Rửa đất là công nghệ xử lý có thể sử dụng để xử lý đất ô nhiễm KLN Quá trình này dựa vào cơ chế hút và tách vật lý để loại bỏ chất ô nhiễm ra khỏi đất Quá trình vật lý loại bỏ những KLN có kích thước lớn và chuyển các chất vào pha lỏng Dung dịch làm sạch đất có thể trung hòa hay có chứa các yếu tố hoạt động bề mặt Các chất thường dùng trong các dung dịch làm sạch đất là HCl, EDTA, HNO3, CaCl2 Quá trình này sẽ làm giảm nồng độ kim loại cao và sẽ tiếp tục xử lý Ở những nơi có nhiều chất ô nhiễm hỗn hợp, phương pháp này sẽ gặp khó khăn vì khó xác định dung dịch rửa thích hợp để xử lý các chất theo mục đích Hơn nữa, đất ô nhiễm với nhiều phức chất khác nhau, nếu xử lý bằng phương pháp này sẽ rất tốn kém (U.S.EPA, 1991)

2.2 Hiện trạng ô nhiễm KLN trong đất ở Việt Nam

Ở Việt Nam, trong thời gian quá, tình trạng khai thác khoáng sản trái phép

đã diễn ra tràn lan ở một số địa phương (như khai thác vàng, than thổ phỉ ở Thái Nguyên, thiếc ở Tĩnh Túc Cao Bằng…) Các chất thải từ các hoạt động khai thác khoáng sản có chứa KLN như: Pb, Zn, Cd, As, Ni, Cu… thường được thải trực tiếp

ra môi trường mà không qua xử lý, làm cho môi trường đất bị ô nhiễm Đồng thời một số diện tích lớn rừng đã bị ảnh hưởng và tác động, làm cho môi trường đất bị suy thoái

Ảnh hưởng của sự suy thoái và ô nhiễm đất sẽ gây ra những hậu quả nghiêm trọng, dẫn đến làm giảm năng suất cây trồng, làm nghèo thảm thực vật, suy giảm đa dạng sinh học đồng thời chúng có tác động ngược lại làm cho quá trình xói mòn, rửa trôi thoái hóa diễn ra nhanh hơn Nhiều diện tích đất canh tác nông nghiệp phải bỏ hoang, diện tích đất trống đồi trọc tăng lên Sự tích tụ cao các chất độc hại, các KLN

trong đất sẽ làm tăng khả năng hấp thụ các nguyên tố có hại trong cây trồng, vật nuôi

và gián tiếp gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người

Theo ước tính, năm 2007 có khoảng gần 4 triệu tấn phân bón các loại (chiếm 55-60%) bị lãng phí do cây trồng không hấp thụ được, cộng với việc sử dụng 75.000 tấn thuốc bảo vệ thực vật đã gây mất cân bằng sinh thái, ô nhiễm đất tại nhiều vùng nông thôn

Hoạt động nhập, phá dỡ tàu cũ ở Hải Phòng và một số tỉnh cũng đặt môi trường đất khu vực vào tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng các chất thải độc hại như: dầu mỡ, bụi xỉ chứa KLN, nguy cơ gây ô nhiễm môi trường trên diện rộng Theo kết quả nghiên cứu Ngân hàng thế giới (Word Bank), 10 tỉnh thành phố có tỷ lệ ô nhiễm cao nhất Việt Nam là: TP Hồ Chí Minh, Hà Nội, Hải Phòng, Bình Dương, Đồng Nai, Thái Nguyên, Phú Thọ, Đà Nẵng, Bà Rịa – Vũng Tàu và Cần Thơ Trong đó chọn ra 10 xã của mỗi tỉnh có tỷ lệ ô nhiễm cao nhất với 3 loại hình: ô nhiễm đất, nước và không khí Tại Hà Nội, ô nhiễm đất chiếm 46,9% KLN của vùng công nghiệp trọng điểm phía Bắc Trong khi đó tại TP Hồ Chí Minh, ô nhiễm đất chiếm 57,2% hóa chất, 52,2% kim loại của tổng lượng các chất gây ô nhiễm của toàn vùng công nghiệp trọng điểm phía Nam Khảo sát chất lượng nông nghiệp vùng ngoại thành và các tỉnh đứng trước thực trạng ô nhiễm KLN ngày càng tăng

do chất thải từ các khu công nghiệp, làng nghề, phân bón hóa học tích trữ qua nhiều năm Ô nhiễm đất ở Việt Nam ngoài các loại chai, lo bằng thủy tinh, nhựa, các loại phế thải sắt, nhôm, chì, thiếc, các bao bì, bao nylon, còn có các loại hóa chất độc tồn động sau chiến tranh

Tại TP HCM, kết quả phân tích hiện trạng ô nhiễm KLN trong đất vùng trồng lúa khu vực phía Nam thành phố cho thấy hàm lượng đồng, kẽm, chì, thủy ngân, crôm trong đất trồng lúa chịu ảnh hưởng trực tiếp của nước thải công nghiệp phía Nam thành phố đều tương đương hoặc cao hơn ngưỡng cho phép (TCVN

7209:2002) đối với đất sử dụng cho mục đích nông nghiệp Trong đó hàm lượng cadimi vượt quá tiêu chuẩn cho phép 2,3 lần; kẽm vượt quá 1,76 lần

Rác sinh hoạt, đặc biệt rác thải đô thị cũng là một nguồn gia tăng lượng kim loại nặng trong đất Tại đa số đô thị hiện nay, tỉ lệ thu gom rác còn thấp, thậm chí

có một số đô thị chưa có đơn vị thu gom và nơi tập kết rác

Hà Nội, một trong những đô thị có tỉ lệ thu gom rác cao nhất, cũng chỉ đạt tỉ lệ dao động khoảng 70-80%/năm Lượng rác thải còn lại tồn đọng ở các nước ao hồ, ngõ xóm, kênh mương, theo dòng nước mưa chảy tràn gây ô nhiễm môi trường

Theo các nhà khoa học, khoảng 70 — 80% các nguyên tố KLN trong nước thải lắng xuống bùn trên đường đi của nó Do đó việc sử dụng bùn thải làm phân bón được coi là một trong những nhân tố cao có nguy cơ gây ô nhiễm KLN

Ngoài ra, hoạt động nông nghiệp cũng chính là một nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng Việc lạm dụng các loại phân bón hóa học, hóa chất bảo vệ thực vật đã làm gia tăng lượng tồn dư các kim loại như Asen, Cadimi, thủy ngân và kẽm trong đất

Sự phát triển và mở rộng các làng nghề thủ công đi kèm với việc sử dụng ngày càng nhiều hóa chất song hầu hết các làng nghề ở nước ta hiện nay đều không

có biện pháp xử lý chất thải, gây ô nhiễm môi trường, trong đó có môi trường đất

Có thể nói rằng vấn đề ô nhiễm nói chung và ô nhiễm KLN đã và đang thách thức môi trường Việt Nam, các loại ô nhiễm thường thấy tại các đô thị Việt Nam là

ô nhiễm nguồn nước mặt, ô nhiễm bụi

2.3 Công nghệ xử lý ô nhiễm KLN trong đất bằng thực vật

2.3.1 Khái quát về công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm KLN

Làm sạch đất ô nhiễm là một quá trình đòi hỏi công nghệ phức tạp và vốn đầu tư cao Hầu hết các phương pháp xử lý đất ô nhiễm KLN truyền thống rất tốn kém về kinh phí, giới hạn về kỹ thuật và hạn chế về diện tích, Gần đây, nhờ những hiểu biết về cơ chế hấp thụ, chuyển hoá, chống chịu và loại bỏ kim loại nặng của một số loài thực vật, người ta đã bắt đầu chú ý đến khả năng sử dụng thực vật để xử lý môi trường như một công nghệ môi trường đặc biệt Khả năng làm sạch môi trường của thực vật đã được biết từ thế kỷ XVIII bằng các thí nghiệm của Joseph Priestley, Antoine Lavoissier, Karl Scheele và Jan Ingenhousz Tuy nhiên, mãi đến những năm 1990 phương pháp này mới được nhắc đến như một loại công nghệ mới dùng đề xử lý môi trường đất và nước bị ô nhiễm bởi các kim loại, các hợp chất hữu cơ, thuốc súng và các chất phóng xạ

Bảng 2.6 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao

Tên loài

Nồng độ kim loại tích luỹ trong thân (µg/g trọng lượng khô)

Tác giả và năm công

bố

Arabidopsis halleri

(Cardaminopsis halleri) 13.600 Zn Ernst, 1968

Thlaspi caerulescens 10.300 Zn Ernst, 1982

Thlaspi caerulescens 12.000 Cd Mádico et al, 1992

Thlaspi rotundifolium 8.200 Pb Reeves & Brooks,

1983

Minuartia verna 11.000 Pb Ernst, 1974

Thlaspi geosingense 12.000 Ni Reeves & Brooks,

Berkheya codii 11.600 Ni Brooks, 1998

Psychotria douarrei 47.500 Ni Baker et al., 1985

Miconia lutescens 6.800 Al Bech et al., 1997

thái, áp lực của cộng đồng, sự quan tâm về kinh tế và chính trị, Hai mươi năm trước đây, các nghiên cứu về lĩnh vực này còn rất ít, nhưng ngày nay, nhiều nhà khoa học đặc biệt là ở Mỹ và châu Âu đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ này như một công nghệ mang tính chất thương mại Hạn chế của công nghệ này là ở chỗ không thể xem như một công nghệ xử lý tức thời và phổ biến ở mọi nơi Tuy nhiên, chiến lược phát triển các chương trình nghiên cứu

cơ bản có thể cung cấp được các giải pháp xử lý đất một cách thân thiện với môi trường và bền vững Năm 1998, Cục môi trường Châu Âu (EEA) đánh giá hiệu quả kinh tế của các phương pháp xử lý KLN trong đất bằng phương pháp truyền thống

và phương pháp sử dụng thực vật tại 1.400.000 vị trí bị ô nhiễm ở Tây Âu, kết quả cho thấy chi phí trung bình của phương pháp truyền thống trên 1 hecta đất từ 0,27 đến 1,6 triệu USD, trong khi phương pháp sử dụng thực vật chi phí thấp hơn 10 đến 1000 lần [13]

2.3.2 Cơ chế xử lý ô nhiễm KLN bằng thực vật

Có ít nhất 400 loài phân bố trong 45 họ thực vật được biết là có khả năng hấp thụ kim loại Các loài này là các loài thực vật thân thảo hoặc thân gỗ, có khả năng tích luỹ và không có biểu hiện về mặt hình thái khi nồng độ kim loại trong thân cao hơn hàng trăm lần so với các loài bình thường khác Các loài thực vật này thích nghi một cách đặc biệt với các điều kiện môi trường và khả năng tích luỹ hàm lượng kim loại cao có thể góp phần ngăn cản các loài sâu bọ và sự nhiễm nấm

Có nhiều giải thuyết đã được đưa ra để giải thích cơ chế và triển vọng của loại công nghệ này

a Giả thuyết sự hình thành phức hợp: cơ chế loại bỏ các kim loại độc của các

loài thực vật bằng cách hình thành một phức hợp Phức hợp này có thể là chất hoà tan, chất không độc hoặc là phức hợp hữu cơ - kim loại được chuyển đến các bộ

phận của tế bào có các hoạt động trao đổi chất thấp (thành tế bào, không bào), ở

đây chúng được tích luỹ ở dạng các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ bền vững [13,16]

b Giả thuyết về sự lắng đọng: các loài thực vật tách kim loại ra khỏi đất, tích luỹ

trong các bộ phận của cây, sau đó được loại bỏ qua lá khô, rữa trôi qua biểu bì

hoặc bị đốt cháy

c Giả thuyết hấp thụ thụ động: sự tích luỹ kim loại là một sản phẩm phụ của cơ

chế thích nghi đối với điều kiện bất lợi của đất (ví dụ như cơ chế hấp thụ Ni trong

loại đất serpentin)

d Sự tích luỹ kim loại là cơ chế chống lại các điều kiện stress vô sinh hoặc hữu

sinh: hiệu lực của kim loại chống lại các loài vi khuẩn, nấm ký sinh và các loài

sinh vật ăn lá đã được nghiên cứu [13]

2.3.3 Phương pháp xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật

Thực vật có nhiều cách phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường Hầu hết, các loài thực vật rất nhạy cảm với sự có mặt của các ion kim loại, thậm chí ở nồng độ rất thấp Tuy nhiên, vẫn có một số loài thực vật không chỉ có khả năng sống được trong môi trường bị ô nhiễm bởi các kim loại độc hại mà còn có khả năng hấp thụ và tích các kim loại này trong các bộ phận khác nhau của chúng

Xử lý KLN trong đất bằng thực vật có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào từng cơ chế loại bỏ các KLN như:

- Phương pháp làm giảm nồng độ kim loại trong đất bằng cách trồng các loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại cao trong thân Các loài thực vật này phải kết hợp được 2 yếu tố là có thể tích luỹ kim loại trong thân và cho sinh khối cao

Có rất nhiều loài đáp ứng được điều kiện thứ nhất, nhưng không đáp ứng được điều kiện thứ hai Vì vậy, các loài có khả năng tích luỹ thấp nhưng cho sinh khối

cao cũng rất cần thiết Khi thu hoạch các loài thực vật này thì các chất ô nhiễm cũng được loại bỏ ra khỏi đất và các kim loại quý hiếm như Ni, Au, có thể được chiết tách ra khỏi cây

- Phương pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại trong đất hoặc bùn bởi

sự hấp thụ của rễ hoặc kết tủa trong vùng rễ Quá trình này làm giảm khả năng linh động của kim loại, ngăn chặn ô nhiễm nước ngầm và làm giảm hàm lượng kim loại khuếch tán vào trong các chuỗi thức ăn

2.3.4 Ưu điểm và hạn chế của biện pháp sử dụng thực vật xử lý KLN trong đất

Biện pháp sử dụng thực vật để xử lý đất ô nhiễm KLN được coi là một phương pháp kinh tế đặc biệt Năm 1998, Cục môi trường Châu Âu (EEA) đánh giá hiệu quả kinh tế của các phương pháp xử lý KLN trong đất bằng phương pháp truyền thống và phương pháp sử dụng thực vật tại 1.400.000 vị trí bị ô nhiễm ở Tây Âu, kết quả cho thấy chi phí trung bình của phương pháp truyền thống trên 1 hecta đất từ 0,27 đến 1,6 triệu USD, trong khi phương pháp sử dụng thực vật chi phí thấp hơn 10 đến 1000 lần

Một ưu điểm rất thiết thực của việc sử dụng thực vật so với các phương pháp hóa lý ở chỗ, sau khi xử lý bằng các phương pháp hóa lý, đất thu hồi thường không thể trồng cây lại vì các phương pháp này khi xử lý chất ô nhiễm thường cũng loại

bỏ luôn các hoạt động sống của các sinh vật bao gồm cả các vi sinh vật có lợi như

vi khuẩn cố định đạm, nấm cũng như hệ động vật trong đó Còn với công nghệ sử dụng thực vật thì đất sau khi được cải tạo vẫn có thể trồng cây hoàn toàn bình thường

Trong thực tế, biện pháp xử lý ô nhiễm bằng thực vật đòi hỏi phải đáp ứng một số điều kiện cơ bản như dễ trồng, có khả năng vận chuyển nhanh các chất ô nhiễm từ đất lên thân, chống chịu được với nồng độ các chất ô nhiễm cao và cho

sinh khối lớn Tuy nhiên, hầu hết các loài thực vật có khả năng tích lũy KLN cao là những loài phát triển chậm và có sinh khối nhỏ, trong khi các loài thực vật cho sinh khối lớn thường rất mẫn cảm với nồng độ có KLN cao

Bảng 2.7 Ưu điểm và hạn chế của công nghệ sử dụng thực vật xử lý KLN

Dùng ánh sáng mặt trời Sinh khối giới hạn

Xử lý tại chỗ và chuyển chỗ Chỉ giới hạn cho tầng đất nông, nước chảy và

nước ngầm Được chấp nhận rộng rãi và

thân thiện với môi trường

Tích lũy nhiều chất ô nhiễm độc hại sẽ gây độc

cho cây Chi phí thấp: 10 - 20% so với

các phương pháp truyền thống

Khả năng hấp thụ sinh học và độc tính của các sản phẩm phân hủy chưa được xác định

Ít chất thải thứ cấp hơn Chậm hơn các phương pháp truyền thống

Không có mùi hôi thối Chất ô nhiễm có khả năng đi vào chuỗi thức ăn

thông qua động vật ăn cây cỏ Đất sau xử lý có thể tiếp tục sử

dụng

Các chất ô nhiễm có khả năng ngấm sâu hơn

vào nước ngầm theo rễ cây

(Nguồn: Jeanna R.Henry, 2000)[15]

Mặc dù vẫn còn một số tồn tại, biện pháp này hiện nay vẫn là biện pháp hứa hẹn, có hiệu quả cao về khía cạnh kinh tế, môi trường và đang trở thành biện pháp đầy triển vọng của thế kỷ 21 ở cả các nước phát triển và đang phát triển (Ghosh, M., Singh, S.P., 2005)