Nghiên cứu ứng dụng than sinh học từ phụ phẩm cây lúa để cải tạo môi trường đất xám bạc màu

Ngoài ra, TSH có thể tồn tại nhiều năm trong đất với cấu trúc tơi xốp, diện tích bề mặt lớn và độ hấp phụ các chất cao nhờ đó còn được sử dụng để xử lý ô nhiễm trong môi trường đất và mô

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS Phạm Quang Hà PGS TS Nguyễn Mạnh Khải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn trực tiếp của tập thể cán bộ hướng dẫn, các số liệu trình bày trong luận án là trung thực từ các kết quả nghiên cứu thực hiện luận án của cá nhân tôi Để thực hiện luận án, tôi đã trực tiếp tham gia một số đề tài nghiên cứu liên quan và đã được các chủ trì đồng ý để phục vụ cho luận án nghiên cứu sinh của tôi như là kết quả tham gia đào tạo của đề tài Một số kết quả đã được chúng tôi công bố trên tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả phù hợp với các qui định hiện hành

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này và các kết quả nghiên cứu trong luận án của mình

Tác giả luận án

Trần Viết Cường

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án này tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy, cô trong Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình và có nhiều nhận xét, góp ý quý báu trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Phạm Quang Hà và PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng chuyên môn, quan tâm giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình công tác cũng như thực hiện luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Mai Văn Trịnh, chủ nhiệm đề tài

về sản xuất và ứng dụng than sinh học cấp thành phố của Sở KH & CN Hà Nội năm 2010 -2011, đã cho phép tôi cùng tham gia thực hiện và hoàn thành một số kết quả nghiên cứu của luận án này

Tôi xin gửi lời cảm ơn của mình tới Lãnh đạo Viện Môi trường Nông nghiệp, lãnh đạo các đơn vị và đồng nghiệp nơi tôi làm việc luôn quan tâm,

hỗ trợ, chia sẻ, động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Lãnh đạo trường Đại học Hà Tĩnh và tập thể cán bộ Khoa Sư phạm Tự nhiên đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành Luận án này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo và người dân ở xã Bắc Phú, huyện Sóc Sơn, Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai thí nghiệm ứng dụng TSH

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và sự biết ơn sâu sắc đến gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành tốt mọi công việc trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả

Trần Viết Cường

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC BẢNG 4

DANH MỤC HÌNH 5

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 - TỔNG QUAN 11

1.1 Tình hình sử dụng phụ phẩm cây lúa 11

1.1.1 Tình hình sử dụng phụ phẩm cây lúa trên thế giới 11

1.1.2 Tình hình thu gom và sử dụng phụ phẩm cây lúa ở Việt Nam 13

1.1.3 Ảnh hưởng của một số hình thức xử lý phụ phẩm cây lúa đến môi trường đất và chu trình các bon 17

1.2 Đất xám bạc màu 20

1.2.1 Sự phân bố, phân loại đất xám bạc màu 21

1.2.2 Tính chất đất xám bạc màu 22

1.2.3 Kim loại nặng trong đất xám bạc màu 22

1.2.4 Các biện pháp cải tạo đất xám bạc màu 23

1.3 Ô nhiễm kim loại nặng và các biện pháp xử lý 27

1.3.1 Nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất 27

1.3.2 Các dạng kim loại nặng trong đất 29

1.3.3 Sự tồn tại và chuyển hóa Cu, Pb và Zn trong đất 29

1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính linh động của kim loại nặng trong môi trường đất 31

1.3.5 Mối quan hệ giữa kim loại nặng trong môi trường đất và nước 35 1.3.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hút thu kim loại nặng của thực vật 37

1.3.7 Một số phương pháp xử lý đất ô nhiễm KLN 38

1.3.8 Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước 41

1.4 Tổng quan về sản xuất và ứng dụng than sinh học 46

1.4.1 Đặc tính của TSH 47

1.4.2 Than sinh học cô lập các bon trong đất và giảm phát thải khí nhà kính 50 1.4.3 Than sinh học cải tạo đất và nâng cao năng suất cây trồng 52

1.4.4 Than sinh học xử lý môi trường đất ô nhiễm 55

1.4.5 Tải lượng than sinh học của đất và các tác động bất lợi 60

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 62

2.1 Đối tượng nghiên cứu 62

2.2 Phương pháp nghiên cứu 63

2.2.1 Phương pháp điều tra và thu thập tài liệu 63

2.2.2 Phương pháp lấy mẫu và xử lý mẫu 63

2.2.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm và các chỉ tiêu theo dõi 63

2.2.4 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích 73

2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu 74

Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 75

3.1 Tính chất lý hóa của đất bạc màu và TSH 75

3.2 Tính chất lý hóa của vật liệu phối trộn sau 4 tuần ủ 77

3.2.1 Mối quan hệ giữa điện tích bề mặt và pH của đất sau khi bổ sung TSH 82 3.3 Khả năng xử lý Cu, Pb và Zn của TSH 84

3.3.1 Khả năng đệm pH của TSH 84

3.3.2 Khả năng xử lý Cu của TSH 86

3.3.3 Khả năng xử lý Pb của TSH 87

3.3.4 Khả năng xử lý Zn của TSH 87

3.4 Khả năng xử lý Cu, Pb và Zn của đất sau khi bổ sung TSH 88

3.4.1 Khả năng xử lý Cu của đất sau khi bổ sung TSH 89

3.4.2 Khả năng xử lý Pb của đất sau khi bổ sung TSH 93

3.4.3 Khả năng xử lý Zn của đất sau khi bổ sung TSH 97

3.5 Khả năng cố định Cu, Pb và Zn trong môi trường đất 102

3.5.1 Khả năng cố định KLN của TSH dưới tác động của dịch chiết CaCl 2 0,01 M 103

3.5.2 Ảnh hưởng của TSH đến các chỉ tiêu sinh trưởng và sự tích lũy KLN của cây rau muống 110

3.6 Ảnh hưởng của TSH đến năng suất và một số tính chất đất bạc màu trồng lúa 117

3.6.1 Ảnh hưởng của than sinh học đến năng suất lúa 118

3.6.2 Ảnh hưởng của than sinh học đến tính chất đất 122

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 130

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AAS Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

AC Than hoạt tính (Activated carbon)

ANC Khả năng trung hòa axit (Acid Neutralizing Capacity)

BF Hệ số tích lũy sinh học (Bioaccumulation Factor)

BLC Khả năng chịu tải than sinh học của đất

(Biochar Loading Capacity)

CEC Khả năng trao đổi cation

PAH Polycyclic aromatic hydrocarbons

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

SOM Chất hữu cơ trong đất (Soil Organic Matter)

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Sản lượng lúa và phụ phẩm cây lúa trên thế giới năm 2009 11

Bảng 1.2 Một số hình thức sử dụng rơm rạ và trấu ở các nước trên thế giới 12 Bảng 1.3 Tỷ lệ các hình thức sử dụng rơm rạ tại một số tỉnh ở Việt Nam 14

Bảng 1.4 Tỷ lệ các hình thức sử dụng trấu tại một số tỉnh ở Việt Nam 15

Bảng 1.4 Thành phần trong một số chất đốt 16

Bảng 1.5 Thành phần một số loại tro 16

Bảng 1.6 Hàm lượng trung bình Cu, Pb, Cu và Cd (mg.kg-1 đất) trong đất xám theo các loại đá mẹ khác nhau 23

Bảng 1.7 Thành phần kim loại vết trong một số khoáng vật điển hình 28

Bảng 1.8 Thành phần còn lại sau nhiệt phân dưới tác động của nhiệt độ và thời gian lưu khác nhau 48

Bảng 1.9 Phạm vi tương đối của bốn thành phần chính của than sinh học 49

Bảng 1.10 Thành phần các nguyên tố có trong một số loại TSH 49

Bảng 2.1 Tính chất TSH sản xuất theo phương pháp nhiệt phân gián tiếp từ vật liệu rơm rạ và trấu 62

Bảng 2.2 Tỉ lệ phối trộn vật liệu và nồng độ gây nhiễm của các KLN 70

Bảng 2.3 Các công thức và lượng các bon có trong TSH bón vào thí nghiệm 71

Bảng 2.4 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích 73

Bảng 3.1 Một số tính chất lý hóa của đất xám bạc màu và TSH 75

Bảng 3.2 Một số tính chất hóa lý của đất thay đổi sau khi bổ sung TSH 78

Bảng 3.3 Sự thay đổi pH của dung dịch Cu 2+ sau khi bổ sung TSH 86

Bảng 3.4 Sự thay đổi pH của dung dịch Pb 2+ sau khi bổ sung TSH 87

Bảng 3.5 Sự thay đổi pH của dung dịch Zn 2+ sau khi bổ sung TSH 87

Bảng 3.6 Các tham số mô tả động học hấp phụ Cu của vật liệu 90

Bảng 3.7 Các tham số mô tả động học hấp phụ Pb của vật liệu 94

Bảng 3.8 Các tham số mô tả động học hấp phụ Zn của vật liệu 98

Bảng 3.9 Hàm lượng Cu, Pb và Zn và hệ số tích luỹ sinh học của cây rau muống sau thí nghiệm 115

Bảng 3.10: Hàm lượng KLN tích lũy trong cây và hàm lượng KLN chiết được bằng dung dịch CaCl 2 0,01 M 116

Bảng 3.11 Năng suất lúa trong 4 vụ thí nghiệm 119

Bảng 3.12 Các chỉ tiêu hóa học đất sau 4 vụ canh tác lúa 122

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc dưới kính hiển vi của TSH 49

Hình 3.1 pH của đất xám bạc màu sau khi bổ sung TSH 79 Hình 3.2 CEC của đất xám bạc màu sau khi bổ sung TSH 79

màu sau khi bổ sung TSH 80 Hình 3.4 Độ kiềm tổng số của đất xám bạc màu sau khi bổ sung TSH 80 Hình 3.5 Khả năng giữ nước của đất xám bạc màu sau khi bổ sung TSH 81 Hình 3.6 Sự phụ thuộc điện tích bề mặt vào pH của đất sau khi bổ sung TS.82

sung TSH và đối chứng 85 Hình 3.8 Động học quá trình hấp phụ Cu bởi vật liệu theo thời gian 89 Hình 3.9 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Cu của vật liệu 91 Hình 3.10 Ảnh hưởng giữa tỉ lệ vật liệu/ nồng độ Cu và hàm lượng Cu bị hấp phụ 92 Hình 3.11 Động học quá trình hấp phụ Pb bởi vật liệu theo thời gian 93 Hình 3.12 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Pb bởi vật liệu 95 Hình 3.13 Ảnh hưởng giữa tỉ lệ vật liệu/ nồng độ Pb và hàm lượng Pb bị hấp phụ 96 Hình 3.14 Động học quá trình hấp phụ Zn bởi vật liệu theo thời gian 97 Hình 3.15 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Zn của vật liệu 99 Hình 3.16 Ảnh hưởng giữa tỉ lệ vật liệu/ nồng độ Zn và hàm lượng Zn bị hấp phụ 100

Hình 3.24 Khối lượng tươi của cây rau muống trong thí nghiệm gây nhiễm

Cu, Pb, Zn trong đất có bổ sung TSH 111 Hình 3.25 Khối lượng khô của cây rau muống trong thí nghiệm gây nhiễm

Cu, Pb, Zn trong đất có bổ sung TSH 112 Hình 3.26 Chiều cao của cây rau muống trong thí nghiệm gây nhiễm Cu, Pb,

Zn trong đất có bổ sung TSH 112 Hình 3.27 Diện tích lá cây rau muống trong thí nghiệm gây nhiễm Cu, Pb, Zn trong đất có bổ sung TSH 113 Hình 3.28 Ảnh hưởng của hàm lượng các bon bón vào đất và năng suất lúa

120

Hình 3.29 Ảnh hưởng giữa hàm lượng các bon bón vào đất và một số tính chất đất 123 Hình 3.30 Màu sắc tầng đất 0 - 30 cm sau 4 vụ thí nghiệm 124

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong canh tác nông nghiệp việc lạm dụng thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật, bón phân không hợp lý,… tạo ra nguy cơ gây ô nhiễm môi trường đất, đặc biệt là kim lọai nặng (KLN) tích lũy dần trong đất qua các mùa vụ canh tác Bên cạnh đó, đất nông nghiệp ở nước ta phần lớn là đất xám bạc màu, với đặc tính chua, nghèo kiệt chất dinh dưỡng, dung tích hấp thu thấp, thường khô hạn, chai cứng và có thành phần cơ giới nhẹ vì vậy dễ bị tác động bởi quá trình xói mòn, rửa trôi dinh dưỡng Điều này càng làm suy giảm sức sản xuất của đất dẫn đến giảm năng suất cây trồng Nếu đất bị ô nhiễm, KLN

dễ dàng bị hút thu bởi cây trồng, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng nông sản hoặc chúng dễ bị rửa trôi gây ô nhiễm nguồn nước Do đó, cần có những biện pháp cải tạo và xử lý ô nhiễm trong đất

Thực tế hiện nay, do điều kiện kinh tế phát triển và sản xuất nông nghiệp bằng cơ giới hóa, từ đó thói quen sử dụng phụ phẩm cây lúa của người dân đã thay đổi dẫn đến dư thừa một lượng rất lớn, chúng không được quản lý tốt ở khắp các vùng miền ở Việt Nam Tình trạng vứt bỏ rơm rạ trên đồng ruộng, trấu ở các kênh rạch từ các nhà máy xay xát Sự lãng phí này dẫn đến chất hữu cơ dư thừa bị phân hủy tạo ra khí metan ô nhiễm không khí, sự phân hủy chất hữu cơ có thể làm rửa trôi phốt pho, kim loại nặng trong môi trường đất làm ô nhiễm nguồn nước Ngoài ra, việc đốt rơm, rạ không những gây ô nhiễm môi trường, làm gia tăng khí nhà kính trong khí quyển mà còn ảnh hưởng tới sức khỏe con người

Than sinh học (TSH) là sản phẩm được nhiệt phân yếm khí từ các loại sinh khối hữu cơ giàu các bon và có nhiều tác dụng trong sản xuất và đời sống Không phải ngẫu nhiên mà TSH được các nhà khoa học ví như “vàng đen” của ngành nông nghiệp Sự đề cao này xuất phát từ những đặc tính ưu việt của TSH trong việc cải thiện tính chất đất và nâng cao năng suất cây

trồng Ngoài ra, TSH có thể tồn tại nhiều năm trong đất với cấu trúc tơi xốp, diện tích bề mặt lớn và độ hấp phụ các chất cao nhờ đó còn được sử dụng để

xử lý ô nhiễm trong môi trường đất và môi trường nước bởi các tác nhân như: KLN, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ,…

Xuất phát từ những yêu cầu khoa học và thực tiễn nêu trên, đề tài

“Nghiên cứu ứng dụng than sinh học từ phụ phẩm cây lúa để cải tạo môi

trường đất xám bạc màu” được tiến hành

2 Mục tiêu nghiên cứu

Luận án này được tiến hành với những mục tiêu sau đây:

- Đánh giá được khả năng cố định KLN trong môi trường đất xám bạc màu của TSH

- Đánh giá được khả năng ứng dụng TSH từ phế phụ phẩm cây lúa để cải tạo tính chất đất xám bạc màu và nâng cao năng suất cây trồng

3 Luận điểm khoa học

Đặt ra nghiên cứu này dựa trên những luận điểm sau:

Việc nghiên cứu cải tạo đất xám bạc màu đã được tiến hành từ thập niên 70 của thế kỷ trước và đã có nhiều phương pháp cải tạo được đề xuất như bón vôi, cày sâu, bón phù sa sông, bón phân hữu cơ,… Các phương pháp đưa

ra đều nhằm mục đích nâng cao độ phì của đất, trong đó bao gồm cải thiện tính chất hóa lý của đất và tăng khả năng cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng Tuy nhiên hiện nay, việc lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật, bón phân không hợp lý,… dẫn đến KLN tích lũy dần trong đất gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến chất lượng nông sản Các biện pháp cải tạo trước đây ít nhiều cũng gặp hạn chế trong việc cải tạo môi trường đất bị ô nhiễm KLN

Bên cạnh đó, nước ta là nước sản xuất lúa gạo nên lượng phụ phẩm từ cây lúa dư thừa ngày càng nhiều, một trong các lý do đó là tập quán sử dụng phụ phẩm của người dân đã thay đổi

Thành phố Hà Nội cũng như một số thành phố lớn trên cả nước hiện nay đang chịu tác động bởi ô nhiễm khói bụi từ việc đốt phụ phẩm dư thừa

sau mỗi vụ thu hoạch ở các vùng ven đô thị Sóc Sơn là một huyện ven đô của thành phố Hà Nội, có diện tích đất xám bạc lớn nhất so với các huyện còn lại (trên 10.500 ha) Chính vì vậy, ở đây cần có phương thức xử lý phụ phẩm sao cho vừa cải tạo đất vừa giảm thiểu những tác động do việc đốt phụ phẩm gây nên

Than sinh học có cấu trúc các bon với độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn, có thể hoạt động như là một chất hấp phụ tương tự như một số đặc tính của than hoạt tính, nó có thể tồn tại trong đất với thời gian dài và do đó nó đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát các chất ô nhiễm trong môi trường và như một chất ổn định các bon trong đất

Than sinh học sản xuất từ phụ phẩm cây lúa ở quy mô nông hộ và nhóm nông hộ cũng đã được áp dụng ở một số tỉnh trên cả nước trong những năm gần đây Quy trình sản xuất TSH đơn giản, dễ thực hiện, người dân có thể tự sản xuất được

Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng TSH trong cải tạo môi trường đất sẽ góp phần làm giảm lượng phụ phẩm dư thừa, giảm phát thải khí nhà kính gây

ô nhiễm môi trường và có thể cải tạo môi trường đất xám bạc màu, trong đó cải thiện tính chất của đất và giảm tích lũy KLN trong nông sản và rửa trôi KLN vào nguồn nước

4 Nội dung nghiên cứu

4.1 Nội dung 1 Phân tích tính chất đất xám bạc màu, TSH và đánh giá

khả năng cải tạo một số tính chất lý hóa của đất sau khi bổ sung TSH

4.2 Nội dung 2 Nghiên cứu khả năng cải tạo đất xám bạc màu bị ô

4.2.3 Nghiên cứu khả năng hút thu KLN (Cu, Pb, Zn) của cây rau muống trong môi trường đất xám bạc màu có bổ sung TSH

4.3 Nội dung 3 Nghiên cứu ảnh hưởng của TSH đến năng suất lúa và

cơ sở dữ liệu về ứng dụng TSH trong cải tạo môi trường đất

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu góp phần cải tạo môi trường đất xám bạc màu, sử dụng phế phụ phẩm sau trồng lúa bị dư thừa, cải thiện tính chất lý hóa của đất, cố định KLN và nâng cao năng suất lúa, hạn chế ô nhiễm nguồn nước Nghiên cứu ứng dụng thành công TSH để nâng cao năng suất và cải tạo một số tính chất

lý hóa trên diện tích 500 m2 đất xám bạc màu trồng lúa tại Sóc Sơn, Hà Nội

6 Những đóng góp mới của đề tài

- Xác định được khả năng cải tạo và nâng cao một số tính chất lý hóa đất xám bạc màu của TSH sản xuất từ phụ phẩm cây lúa

- Xác định được khả năng cố định KLN của đất xám bạc màu có bổ sung TSH dưới tác động của một số yếu tố môi trường pH, thời gian, nồng độ các KLN và dung dịch chiết CaCl2 0,01 M

- Xác định được khả năng giảm hút thu KLN của đất xám bạc màu có

bổ sung TSH đối với cây rau muống và hàm lượng bổ sung TSH vào đất ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của cây rau muống

Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Tình hình sử dụng phụ phẩm cây lúa

1.1.1 Tình hình sử dụng phụ phẩm cây lúa trên thế giới

Lúa gạo là thực phẩm quan trọng đối với khoảng một nửa dân số thế giới Riêng khu vực châu Á đã sản xuất 618,24 triệu tấn, hơn 90% tổng sản lượng gạo toàn cầu (Bảng 1.1) Thống kê trong năm 2009 cho thấy, Trung Quốc đã sản xuất 196,7 triệu tấn lúa trên diện tích 29,8 triệu ha, trong khi

Ấn Độ đã sản xuất 133,7 triệu tấn lúa trên diện tích 41,9 triệu ha [81] Mặc dù Trung Quốc và Ấn Độ sản xuất lúa gạo lớn nhất trên thế giới nhưng số lượng xuất khẩu của họ là tương đối thấp do nhu cầu lớn từ dân

Trấub (triệu tấn)

xuất lúa gạo sẽ vẫn duy trì ổn định trong một thời gian dài, dẫn đến việc phụ phẩm từ cây lúa vẫn ở mức cao (Bảng 1.1)

Việc sử dụng phụ phẩm cây lúa cho các mục đích khác nhau ở các nước cũng khác nhau Ví dụ như ở Indonesia, phụ phẩm cây lúa chủ yếu được

sử dụng cho mục đích năng lượng hoặc đốt bỏ trên đồng ruộng Ở Philippin chủ yếu sử dụng cho cung cấp năng lượng, sản xuất phân bón hoặc đốt bỏ Ở Trung Quốc, phụ phẩm chủ yếu được sử dụng để sản xuất phân bón và làm thức ăn gia súc hoặc đốt bỏ (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Một số hình thức sử dụng rơm rạ và trấu ở các nước trên thế giới

Cung cấp năng lượng Indonesia , Nepal, Thái Lan, Malaysia,

Philippin, Thụy Sỹ, Nigeria

Phân bón Philippin, Israel, Trung Quốc

Thức ăn cho động vật Lebanon, Pakistan, Syria, Iraq, Israel,

Tanzania, Trung Quốc, châu Mỹ

Do việc đốt làm ảnh hưởng đến vấn đề sức khỏe và môi trường, nhiều quốc gia đã áp đặt các quy định mới để hạn chế các hoạt động đốt phụ phẩm trên đồng ruộng [102] Gần đây, rơm rạ và trấu đã được sử dụng làm vật liệu xây dựng [185], làm vật liệu hấp phụ KLN [114] và sử dụng vào mục đích sản xuất năng lượng và nhiên liệu

Rơm rạ và trấu giống như nhiều loại sinh khối khác có chứa nhiều xenlulo và có một số đặc tính phù hợp để làm nguyên liệu cho việc chuyển đổi sinh hóa thành nhiên liệu như ethanol [181] Rơm rạ cũng có tiềm năng

sử dụng như một nguồn sinh khối để sản xuất năng lượng, nhưng việc ứng dụng với quy mô lớn của nó khá hạn chế so với việc sử dụng trấu [48] Việc sử dụng trấu để sản xuất điện đã được áp dụng phổ biến ở những khu vực do có nguồn cung dồi dào từ các nhà máy xay xát lúa Ngược lại, việc thu gom rơm rạ là khó khăn hơn do các vấn đề liên quan đến vận chuyển,

xử lý và thu gom từ đồng ruộng [69]

1.1.2 Tình hình thu gom và sử dụng phụ phẩm cây lúa ở Việt Nam

Các hình thức thu gom, sử dụng và xử lý các phụ phẩm cây lúa chủ yếu

là rơm rạ, là khá đa dạng và không thống nhất Tùy theo điều kiện từng vùng

và tập quán sử dụng của từng địa phương mà hình thức thu gom, sử dụng và

xử lý rơm rạ sau thu hoạch cũng rất khác nhau

Với sản lượng lúa ước tính năm 2013 của cả nước trên 40 triệu tấn [24], nếu tính tỉ lệ thu hoạch là 1,0 và tỉ lệ giữa khối lượng trấu trên khối lượng hạt là 0,2 thì cả nước có trên 40 triệu tấn rơm rạ và trên 8 triệu tấn trấu Đây là một nguồn nguyên nhiên liệu rất lớn

Đặc điểm của sản xuất nông nghiệp ở nước ta có quy mô nhỏ, việc thu gom và sử dụng rơm rạ đều bằng các hình thức thủ công Rơm rạ thường được dự trữ ngoài trời nên phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết, chưa khai thác được hết lợi ích từ lượng rơm đã dự trữ

Theo kết quả điều tra trong năm 2015 cho thấy, việc sử dụng rơm ra ngày nay vẫn còn nhiêu mục đích khác nhau Tuy nhiên đa số rơm rạ được để lại tại ruộng sau đó đốt bỏ: 42,2%, hoặc vùi lại: 16,2%, làm thức ăn cho đại gia súc: 18%, Ủ làm phân: 5,5%, chất độn chuồng nuôi: 5,6%, tủ gốc: 4,7%, ngoài ra còn sử dụng làm nấm, chất đốt nhưng không đáng kể (Bảng 1.3)

Một số tỉnh vùng ĐBSCL rơm đã được thu gom, đóng bánh bằng cơ giới và bán cho thương lái

Bảng 1.3 Tỷ lệ các hình thức sử dụng rơm rạ tại một số tỉnh ở Việt Nam, (%)

Địa phương Đốt tại

ruộng

Vùi tại ruộng Ủ phân

Thức

ăn gia súc

Chất độn chuồng

Làm Nấm

Tủ gốc

Làm chất đốt

Bình Định 15,0 20,0 10,0 35,0 10,0 - 5,0 5,0 -

Tiền giang 32,0 12,0 7,5 6,0 8,5 - 6,0 - 28,0 Sóc Trăng 45,0 15,0 4,0 11,0 7,5 - 2,5 - 15,0

Nguồn: [3]

Đối với vỏ trấu nông dân chủ yếu sử dụng làm chất đốt, ở các tỉnh ĐBSCL có nhiều nhà máy xay xát, trấu được gom lại và cung cấp cho các nhà máy sấy, lượng trấu sử dụng làm chất đốt là 60,2%, dùng lót chuồng nuôi: 17,4%, Ủ phân: 14,1% (Bảng 1.4) Một số tỉnh đã có xưởng sản xuất thanh củi trấu như Bến Tre, Sóc Trăng, Tiền Giang, Nam Định

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu sử dụng các chế phẩm sinh học để xử lý rơm rạ rất được quan tâm, khi bổ sung vi sinh vật vào rơm rạ như

Arpergillus, Trichoderma, Penicillium, Pseudomonas, Bacillus và Azotobacter, Pleurotus sojarcaju và Trichoderma viride thì rơm rạ phân hủy nhanh hơn

Một trong những thành tựu gần đây của Viện Lúa ĐBSCL là nghiên cứu, tuyển

chọn và sản xuất thành công chế phẩm Trichoderma có khả năng xử lý rơm rạ

trực tiếp ngoài đồng với quy mô lớn, giảm chi phí thu gom rơm, vận chuyển và đánh đống ủ Kết quả bước đầu đã tận dụng được nguồn rơm rạ tại chỗ phục vụ cho sản xuất lúa, góp phần ổn định sự bền vững cho đất lúa thâm canh tăng năng suất, giảm chi phí phân bón hóa học và góp phần gia tăng hiệu quả kinh tế trồng lúa, đáp ứng chiến lược sản xuất nông nghiệp bền vững và bảo vệ tốt môi trường [31]

Bảng 1.4 Tỷ lệ các hình thức sử dụng trấu tại một số tỉnh ở Việt Nam, (%)

Địa phương Chất đốt Ủ phân Lót chuồng Than sinh

nó là vật liệu cách nhiệt tốt Khi đốt cháy vỏ trấu tạo ra một lượng tro khoảng 17

- 26%, cao hơn rất nhiều so với gỗ 0,2 - 2%, do đó, nó là một nguồn năng lượng tái tạo có giá trị [23]

Phương pháp xử lý rơm rạ bằng phương pháp đốt không thu hồi nhiệt lượng là phương pháp vốn được người nông dân Nam bộ sử dụng từ lâu để tiêu hủy lượng rơm rạ trên đồng ruộng và tro sau quá trình cháy được xem là phân bón Theo phân tích của Viện Thổ nhưỡng Nông hóa (2005), % hàm lượng tro trong một số loại chất đốt cho thấy tỷ lệ của vỏ trấu và rơm là cao hơn đáng kể (Bảng 1.4)

% tan trong HCl

đun nước, sưởi ấm Biện pháp này tuy có tận dụng được nhiệt lượng có trong chất thải nhưng hiệu suất sử dụng năng lượng không cao vì các bếp đun còn thủ công, tổn thất nhiệt lớn Mặt khác, biện pháp này cũng gây ô nhiễm cục

bộ trong không gian chật hẹp của các bếp đun ở vùng nông thôn [34]

Đốt thu hồi nhiệt lượng ở quy mô công nghiệp, như đã nói ở các phần trước, nhiệt trị của một số thành phần dễ cháy trong chất thải nông nghiệp tương đối cao [34] Nếu có những biện pháp thu gom và xử lý tập trung thì sẽ đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn, mặt khác phương pháp đốt quy mô công nghiệp có xử lý khói sẽ đảm bảo xử lý triệt để chất thải không gây ô nhiễm môi trường Năng lượng nhiệt trong quá trình đốt có thể được sử dụng cho: các lò hơi, lò sưởi, các thiết bị sấy, các ngành công nghiệp cần nhiệt và đặc biệt là để sản xuất nhiệt điện

Hiện tượng đốt rơm rạ ngay trên đồng ruộng hiện nay đã lan ra khá phổ biến ở vùng đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Trước kia, lượng rơm rạ này được bà con sử dụng làm nhiên liệu đun nấu, nhưng hiện nay một số hộ gia đình có điều kiện đã sử dụng bếp gas nên rơm rạ được đốt

bỏ gây lãng phí nguồn năng lượng và ảnh hưởng xấu đến môi trường không khí, gây ra hiện tượng khói mù cản trở tầm nhìn của người điều khiển phương tiện giao thông Biện pháp xử lý này vừa không đem lại hiệu quả kinh tế mà còn gây lãng phí, làm ô nhiễm môi trường và trong tương lai gần có thể phải loại bỏ [4]

1.1.3 Ảnh hưởng của một số hình thức xử lý phụ phẩm cây lúa đến môi trường đất và chu trình các bon

Vật chất hữu cơ tạo ra sự liên kết giữa sinh quyển, địa quyển, thủy quyển và khí quyển Do vậy nó đóng vai trò then chốt trong việc ổn định hệ sinh thái Tổng các bon hữu cơ trong đất ước tính khoảng 1,22x1018 - 2,46x1018 g [45] Lượng các bon trong bể chứa nhiên liệu hóa thạch ước tính

khoảng 5 x 1018 g Tuy nhiên bể chứa các bon này không hoạt động trừ khi bị đốt cháy Ngược lại, các bon hữu cơ của đất luôn tương tác với khí quyển nên

nó ảnh hưởng trực tiếp đến nồng độ các bon khí quyển Các bon trong đất đi vào khí quyển qua quá trình phân hủy các vật chất hữu cơ tạo thành CO2 và

CH4 Ngược lại CO2 khí quyển đi vào đất và cây chủ yếu qua quá trình quang hợp của cây trồng Lượng các bon được dự trữ trong đất lớn hơn gấp 3 - 4 lần

C trong sinh khối Do vậy, việc làm tăng khả năng lưu giữ các bon trong đất

có thể được cho là biện pháp bảo tồn các bon hiệu quả hơn là làm tăng lượng sinh khối trên mặt đất [46]

Chất hữu cơ trong đất (SOM) được coi là thành phần quan trọng liên quan đến độ phì của đất và năng suất cây trồng vì nó các tác động lớn đến tính chất vật lý, hóa học cũng như đặc tính sinh học của đất [153, 165] SOM tăng lên sẽ làm tăng độ phì nhiêu đất, ảnh hưởng tích cực đến quá trình tích lũy sinh khối trên mặt đất

Trong sản xuất nông nghiệp, hình thức đốt phụ phẩm có lợi trong việc dọn dẹp đồng ruộng nhanh chóng và có thể diệt mầm bệnh của vụ trước cho

vụ tiếp theo Tuy nhiên, hình thức đốt có thể gây ra tác hại lớn đến môi trường đất, quá trình đốt không chỉ làm gây ô nhiễm môi trường và gia tăng khí nhà kính (CO2, CO, NOx, ) mà còn làm ảnh hưởng đến môi trường đất Đốt rơm

rạ trực tiếp trên ruộng có tác động mạnh đến nhiệt độ đất, làm suy giảm đáng

kể số lượng các vi sinh vật trong đất Số lượng vi khuẩn ở tầng 0 - 2 cm giảm

đi 20 lần, xạ khuẩn và nấm giảm 5 lần ở cách đốt phân tán; trong khi ở cách đốt tập trung số lượng vi khuẩn giảm đi 250 lần, xạ khuẩn giảm 55 lần và nấm giảm 33 lần so với trước khi đốt Đốt rơm rạ tập trung tuy làm nhiệt độ đất tăng cao hơn so với đốt phân tán nhưng có ảnh hưởng trực tiếp mạnh hơn đến các vi sinh vật đất Tuy nhiên, đốt tập trung có ưu điểm hơn so với đốt phân

tán là diện tích bị tác động nhỏ nên sự phục hồi của khu hệ vi sinh vật đất sau khi đốt diễn ra nhanh chóng hơn [27]

Vùi rơm rạ vào đất là việc hoàn trả lại cho đất một phần các nguyên tố dinh dưỡng mà cây lúa đã lấy đi từ đất nên nó có tác dụng bảo toàn nguồn dự trữ dinh dưỡng của đất về lâu dài Vì thế, vùi rơm rạ vào đất có thể trở thành lợi ích bền vững lâu dài về nguồn cung cấp N, tuy nhiên điều này có thể bị ảnh hưởng bởi mầm bệnh từ vụ trước để lại

Ở Việt Nam, việc vùi rơm rạ vào đất lúa nước cũng được người dân áp dụng khá phổ biến Tuy nhiên, rơm rạ tươi phân hủy trong điều kiện ngập nước thường sản sinh ra các axit hữu cơ gây ra ngộ độc cho rễ lúa hay làm giảm khả năng hấp thụ dưỡng chất, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và năng

suất của lúa [14]

Quá trình ngập nước trong trồng lúa cũng có tác động mạnh đến sự phân hủy các chất hữu cơ và hình thành chất mùn đất Trong điều kiện kỵ khí, tốc độ phân hủy của các chất hữu cơ ở đất ngập nước xảy ra chậm hơn ở các đất khô [71] Sản phẩm của quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện ngập nước là rất đa dạng Sản phẩm phân hủy chất hữu cơ ở đất khô thường là CO2, NO3-, SO42-, H2O và các chất mùn bền vững, còn ở đất ngập nước là CO2, H2O, NH4+, CH4, H2S, các hợp chất amin, các axit mùn không hoàn toàn hoặc từng phần của chúng Tuy nhiên, giai đoạn đầu của quá trình phân hủy các chất hữu cơ ở cả điều kiện đất khô và đất ướt đều xảy ra tương

tự như nhau cho đến khi hình thành axit pyruvic Lúc này nếu trong điều kiện ngập nước, các sản phẩm trung gian sẽ bị khử đến rượu và một số axit hữu cơ khác Một phần trong chúng có thể tiếp tục bị khử thành CH4 hoặc CO2 [150] Trong môi trường đất ô nhiễm, KLN có thể tham gia vào một loạt các phản ứng hóa học và sinh học phức tạp Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tính di động của chúng là pH, chất hấp phụ, sự hiện diện của các

hợp chất hữu cơ và vô cơ, bao gồm cả axit humic và fulvic, các dịch tiết từ rễ cây và chất dinh dưỡng Hơn nữa, phản ứng oxi hóa khử, cả sinh học và phi sinh học, có tầm quan trọng trong việc kiểm soát trạng thái oxy hóa ảnh hưởng tới tính di động và độc tính của nhiều nguyên tố, chẳng hạn như Cr,

Se, Co, Pb, As, Ni và Cu Phản ứng oxi hóa khử có thể huy động hoặc cố định các kim loại, tùy thuộc vào từng kim loại và môi trường Vì vậy, trong canh tác lúa, việc vùi phụ phẩm hoặc sử dụng phân ủ com pốt chứa nhiều chất hữu

cơ trong môi trường ngập nước (có tính khử) có thể làm cho các KLN trở nên linh động hơn [175]

Tóm lại, các phương pháp sử dụng phụ phẩm nông nghiệp ở trên đều có những ưu điểm và nhược điểm trong canh tác nông nghiệp cũng như tác động đến môi trường Tuy nhiên xét ở góc độ thời gian thì các bon có trong chất hữu cơ sẽ sớm bị ô xi hóa hoặc khử thành CO2 hay CH4 quay trở lại khí quyển

và sẽ làm giảm quá trình cô lập các bon trong đất Bên cạnh đó, việc tìm thêm phương pháp sử dụng phụ phẩm nhằm làm giảm lượng phụ phẩm dư thừa

ngày càng nhiều cũng là việc cần được khuyến khích

1.2 Đất xám bạc màu

Đất xám bạc màu là tên gọi theo phân loại của Việt Nam cho loại đất

Haplic Acrisols theo FAO - UNESCO, thuộc nhóm đất xám (Acrisols) Đất

xám bạc màu chủ yếu phát triển trên nền phù sa cổ, đá macma axit và đá cát, phân bố tập trung ở Đông Nam bộ, Tây Nguyên và Trung du Bắc bộ [12]

Địa hình đại diện chung cho đất bạc màu là dốc thoai thoải hướng xuống đồng bằng phù sa mới Trên từng cánh đồng là ruộng bậc thang mấp

mô gợn sóng thường bị phân cắt bởi những dải đồi thấp hoặc ngòi suối Tùy thuộc nguồn gốc đá mẹ, địa hình, khí hậu, chế độ canh tác, … mà hình thái phẫu diện có khác nhau, song trong phẫu diện phổ biến thường có ba tầng rõ rệt: tầng bạc màu, tầng đế cày, tầng đất nền Đất xám bạc màu hình thành trên

phù sa cổ, các loại đá mẹ như granit, liparit, phiến thạch, sa thạch,… khi phong hóa có thành phần cơ giới nhẹ Do điều kiện địa hình nằm tiếp giáp giữa vùng trung du đồi thấp và vùng đồng bằng phù sa mới hiện đại Địa thế lồi lõm, thường gợn sóng, dốc thoải, nghiêng về phía đồng bằng phù sa các con sông lớn Chính do địa hình như vậy nên làm cho đất dễ bị bào mòn, rửa trôi các chất màu mỡ Bên cạnh đó, do nằm trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa, về mùa hè mưa nhiều và tập trung, nhiệt độ bình quân cao, từ tháng

5 đến tháng 10 nhiệt độ mặt đất thường 30 - 35oC, về mùa đông khô hanh, mùa đông xuân rất hạn Độ ẩm lớp đất mặt thấp, thường dưới 60% so với độ trữ ẩm cực đại, nhưng khi mưa thì lại sình dính nhão nhoét Mặt khác, vùng đất bạc màu đã trải qua nhiều chế độ canh tác lạc hậu, bóc lột đất như cấy chay, tưới tháo nước tràn bờ làm trôi màu của đất Ngoài hiện tượng rửa trôi trên bề mặt, còn có hiện tượng rửa trôi theo chiều thẳng đứng Các cation trao đổi như canxi, magiê,… và các hạt keo sét bị rửa trôi theo chiều sâu rồi tích tụ lại ở các tầng đất phía dưới làm cho phẫu diện đất trở nên không đồng nhất [17]

1.2.1 Sự phân bố, phân loại đất xám bạc màu

Diện tích đất xám bạc màu của cả nước khoảng 3 triệu ha Nhóm đất xám bạc màu phân bố chủ yếu ở Đông Nam bộ, Tây Nguyên và Trung du Bắc

bộ (Vĩnh Phúc, Bắc Giang, Bắc Ninh, Thái Nguyên…), chia thành các đơn vị như sau:

- Đất xám bạc màu trên đất phù sa cổ, diện tích khoảng 1,4 triệu ha

- Đất xám bạc màu glây trên phù sa cổ, diện tích khoảng 400 nghìn ha

- Đất xám bạc màu trên sản phẩm phong hóa của macma axit và đá cát, diện tích khoảng 1,3 triệu ha [9]

1.2.2 Tính chất đất xám bạc màu

Tuỳ theo đặc điểm phát sinh học và nông học của từng loại đất xám phát triển trên các nhóm đá mẹ khác nhau ở các vùng khí hậu, sinh vật khác nhau mà tính chất của từng loại đất xám cũng khác nhau Đất xám bạc màu thường có thành phần cơ giới từ nhẹ đến trung bình, dung trọng 1,30 - 1,50 g/cm3, tỷ trọng 2,65 - 2,70, độ ẩm mùa khô chỉ 21 - 24%, độ xốp 43 - 45%, sức chứa ẩm đồng ruộng 27 - 31%, độ ẩm cây héo 5 - 7% Đất có phản ứng từ chua vừa đến rất chua, pHKCl phổ biến từ 3,0 - 4,5; hàm lượng mùn tầng đất mặt từ nghèo đến rất nghèo (0,50 -1,50%); các chất tổng số và dễ tiêu đều nghèo Nghèo cation trao đổi (Ca++ + Mg++ < 2 meq/100g đất); độ no bazơ và dung tích hấp thu thấp [12]

Do đất xám bạc màu có nhược điểm là chua, nghèo dinh dưỡng nên thường bị khô hạn và rửa trôi mạnh Tuy nhiên, do địa hình bằng, thoải, thoáng khí, thoát nước, đất nhẹ dễ canh tác nên loại đất này thích hợp với nhu cầu sinh trưởng, phát triển của nhiều cây trồng như khoai lang, sắn, đậu đỗ, rau quả, cây ăn quả, cao su, điều…

1.2.3 Kim loại nặng trong đất xám bạc màu

Do áp lực về tăng trưởng kinh tế và dân số ở Việt Nam, kéo theo nó

là sự xuất hiện một loạt các khu đô thị và công nghiệp mới cũng như việc gia tăng năng suất và sản lượng cây trồng nên việc môi trường đất phải gánh chịu một lượng chất thải cũng như tích luỹ các KLN ngày càng lớn từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp, chất thải công nghiệp, đô thị, và sự tích luỹ các chất KLN này thông qua một số con đường cụ thể như: sử dụng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, sử dụng nước thải để tưới, sử dụng rác thải và bùn thải làm phân bón, sự tích đọng từ khói bụi trong khí quyển, Hàm lượng KLN trong nhóm đất xám bạc màu ở Việt Nam đa số đều nằm dưới ngưỡng so với QCVN 03:2008/BTNMT (Bảng 1.6) [8]

Bảng 1.7 Hàm lượng trung bình Cu, Pb, Cu và Cd (mg.kg-1 đất) trong đất

xám theo các loại đá mẹ khác nhau

Kim loại

Đất xám bạc màu trên sản phẩm phù sa

QCVN 03:2008/BTNMT Phù sa cổ Phù sa cổ có

cơ dẫn đến hiện ô nhiễm môi trường trong đó có ô nhiễm KLN Bên cạnh đó,

do đặc tính của đất xám bạc màu có thành phần cơ giới nhẹ, hàm lượng sét và chất hữu cơ thấp nên KLN dễ bị hút thu vào cây trồng cũng như chúng dễ bị rửa trôi vào nguồn nước, vì vậy cần có các biện pháp cải tạo nhằm tránh KLN

tích lũy vào cây trồng và ô nhiễm nguồn nước

1.2.4 Các biện pháp cải tạo đất xám bạc màu

Có nhiều biện pháp cải tạo đất bạc màu đã được triển khai ứng dụng, mục tiêu của các biện pháp này nhằm nâng cao độ phì nhiêu của đất và làm tăng năng suất cây trồng

1.2.4.1 Biện pháp cày sâu

Đất xám bạc màu thường có độ sâu tầng canh tác mỏng và rời rạc, việc tăng dần độ cày sâu nhằm mở rộng phạm vi hoạt động của rễ cây trồng, tăng thêm hàm lượng chất dinh dưỡng bị tích lũy ở tầng đế cày Có thể kết hợp việc cày sâu cùng với tăng phân bón thì sẽ có năng suất cao hơn Theo những thí nghiệm của Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam (1960 -

1965), mức cày sâu thích hợp là lật hết lớp đất vùng đất đế cày lên khoảng 18

cm, nếu nhiều phân bón có thể cày sâu hơn [9]

1.2.4.2 Bón phân hóa học

Hàm lượng dinh dưỡng trong đất xám bạc màu rất thấp Vì vậy, việc bón phân hóa học cho loại đất này rất cần thiết Nghiên cứu về ảnh hưởng của phân bón đa lượng đến năng suất lúa cho thấy, trong 3 nguyên tố đa lượng đối với cây lúa, đạm là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến năng suất lúa sau đó đến kali, dinh dưỡng từ lân chưa ảnh hưởng nhiều đến năng suất lúa Trong khi các nguyên tố dinh dưỡng đa lượng được nông dân quan tâm sử dụng thường xuyên thông qua việc bón phân Ure, DAP, KCl, thì ngược lại các nguyên tố trung lượng như canxi (Ca), magie (Mg), lưu huỳnh (S), chưa được chú ý và quan tâm đúng mức Chính tình trạng này làm cho cán cân dinh dưỡng giữa

đa lượng và trung lượng trong đất ngày một mất cân đối Trên đất xám bạc màu phối hợp bón đồng thời các nguyên tố S, Ca, Mg, Si với N, P, K có tác dụng tốt rõ rệt tới sinh trưởng của cây lúa, làm giảm sâu bệnh và tăng năng suất lúa (14 - 16%), tăng hiệu suất sử dụng phân bón (45 - 70%) ở cả 2 vụ xuân và mùa [7] Khi bón phối hợp các chất Ca, Mg, S với N, P, K đã làm tăng năng suất lúa so với chỉ bón N, P, K từ 5,0 - 25,4% ở vụ xuân và 8,0 -27,5% ở vụ mùa; 12,9 - 26,2%) ở vụ xuân và tăng 6,4 - 13,8% ở vụ mùa; tăng 16,7 - 25,8% ở vụ xuân và 10,9 - 20,1% ở vụ mùa [15]

nhất 1 tháng để phát huy tác dụng cải tạo đất và tránh ảnh hưởng tới cây trồng

và phân bón Đối với đất bạc màu bón 3 năm/lần với lượng bón 0,6 - 2,35 tấn.ha-1 [30]

1.2.4.4 Bón phù sa sông, đất đỏ và tro bay

Bổ sung phù sa sông để cải tạo đất xám bạc màu là một trong những biện pháp cải tạo đất bạc màu có hiệu nghiệm cao Khi khai thác phù sa sông

sẽ giải phóng được lòng sông, hạ được mức nước, đỡ công đắp đê, mặt khác làm cho đất được bổ sung thêm màu mỡ Nhưng phương pháp cải tạo này còn phụ thuộc vào điều kiện cơ giới hóa, phương tiện vận chuyển Theo thí nghiệm của Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, đất bạc màu bổ sung 10% đất phù sa sông Hồng cho năng suất tăng 134%, trộn với 10% đất đỏ feralit tăng 138% [30] Thí nghiệm tại Ba Vì, Hà Nội, bổ sung tro bay của nhà máy nhiệt điện trên đất xám bạc màu từ 5 - 15% đã cải thiện một số tính chất lý hóa đất bạc màu, tăng khả năng sinh trưởng và phát triển của cây lạc và đậu

cô ve đồng thời cải thiện hầu hết các nhóm VSV có ích của đất xám bạc màu (VSV phân giải Cellulose, vi khuẩn, nấm men và xạ khuẩn của đất, .) [21, 22]

1.2.4.5 Biện pháp thủy lợi

Do đất có thành phần cơ giới nhẹ nhưng lại chặt nên độ ẩm tối đa đồng ruộng thấp so với nhiều loại đất khác nhau Tuy nhiên, độ ẩm hữu hiệu lại tương đối cao, độ ẩm cây héo cũng thấp, do lượng nước khuếch tán khá nhiều, đặc điểm này nói lên khả năng huy động nước của cây tương đối lớn song mặt khác, khả năng giữ nước lại rất hạn chế Tầng canh tác trong mùa khô luôn bị thiếu ẩm Ở tầng đất nền, độ ẩm tương đối khá nhưng hoa màu ít tận dụng được vì sức hút bề mặt các phân tử nước rất cao (nước hấp ẩm lên tới 12 -16%) [17]

Một trong những nguyên nhân làm cho những tính chất nước của đất bạc kém là do tưới tiêu không hợp lý, không có nước tưới vào mùa khô hạn, không thoát được nước tưới khi gặp mưa to, kéo dài Vì vậy, xây dựng mạng lưới thủy lợi để điều hòa chế độ nước là biện pháp hữu hiệu

1.2.4.6 Luân canh tăng vụ cây trồng

Đây là biện pháp kĩ thuật nhằm đạt hiệu quả thu nhập cao trên cùng một đơn vị diện tích canh tác, góp phần bảo vệ và cải tạo đất bằng cách trả lại

độ màu mỡ lâu dài cho đất bạc màu thông qua hệ thống cây trồng được bố trí

hợp lý và có đầu tư thâm canh Luân canh cây họ đậu còn giúp cải thiện độ

phì nhiêu của đất do sự cố định đạm của nhiều vi khuẩn nốt sần từ bộ rễ của cây

Một số công thức trồng trọt có thể áp dụng trên đất bạc màu như:

+ Công thức 2 vụ: 1 vụ lúa và 1 vụ rau màu như ngô, lạc, đậu đỗ xen với rau

+ Công thức 3 vụ: 1 vụ lúa, 1 vụ rau màu hè thu và 1 vụ rau đông xuân

1.2.4.7 Tăng cường bón chất hữu cơ

Trong đất xám bạc màu hàm lượng mùn rất thấp, việc bón phân hữu cơ trên đất xám bạc màu có ý nghĩa hết sức quan trọng, nhiều nghiên cứu đã chỉ

ra rằng bón phân hữu cơ có thể tăng năng suất 21,5 - 32,8% [11]

- Phân chuồng: Trong phân chuồng chứa trung bình: 0,35% N, 0,15%

P2O5, 0,62% K2O Bón 1 tấn phân chuồng bình quân tăng được 52 kg thóc, liều lượng bón có thể thay đổi 10 - 30 tấn.ha-1

- Phân xanh: Bón kết hợp với phân chuồng Cây phân xanh được sử dụng như: điền thanh, muồng sợi, cốt khí, đậu chiều…

- Phân hữu cơ vi sinh: Sử dụng phụ phẩm nông nghiệp sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ rơm rạ được nghiên cứu và đề xuất sử dụng nhiều, sau vụ gặt nông dân chỉ cần thu gom rơm rạ vào một góc ruộng, hòa chế phẩm vi

sinh cùng với nước và phân NPK rồi tưới lên rơm rạ, che phủ bằng ni lông hoặc trát bùn kín, chỉ sau 17 - 25 ngày rơm rạ sẽ mủn ra và trở thành một loại phân bón rất tốt cho cây trồng Nếu dùng bón lót, loại phân này giúp giảm 20

- 30% lượng phân hóa học và làm tăng năng suất cây trồng 5 - 7% Biện pháp vùi phụ phẩm cây lúa: giúp trả lại chất dinh dưỡng cho đất, bổ sung dinh dưỡng cho cây vụ sau Chẳng hạn, rơm rạ có khoảng 0,6% N, 0,1% P, 1,5%

K, 5% Si, 0,1% S, 40% C do đó khối lượng rơm rạ khoảng 3 - 10 tấn.ha-1 là nguồn dinh dưỡng đáng kể Lượng rơm rạ vùi vào đất trả lại cho đất khoảng 8

- 12 kg P/ha/1 vụ Hàm lượng N trong thân lá lạc vùi vào đất 30 - 44 N kg làm tăng năng suất lúa 1 - 2 tấn.ha-1 Vùi 9 - 10 tấn thân lá cây họ đậu trên 1 ha có thể thay thế được 60 - 90 kg N.ha-1 [17]

Với những đặc tính nghèo dinh dưỡng, đất chua, khô kiệt, khả năng hấp phụ cation thấp, khả năng giữ dinh dưỡng và nước kém vì vậy, việc nghiên cứu tìm kiếm phương pháp cải tạo đất xám bạc màu cần tiếp tục được nghiên cứu nhằm nâng cao tính chất vật lý, hóa học của đất phù hợp với hiện trạng môi trường, những thay đổi trong hoạt động canh tác và tập quán sinh hoạt

của người dân

1.3 Ô nhiễm kim loại nặng và các biện pháp xử lý

1.3.1 Nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất

Bảng 1.8 Thành phần kim loại vết trong một số khoáng vật điển hình

Trạng thái

phong hoá Khoáng vật Hiện diện

Thành phần kim loại

macma và biến chất Mn, Co, Ni, Cu, Zn

Muscovite Granite, phiến thạch,

1.3.1.2 Nguồn gốc nhân tạo

Đây là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường đất trên phạm vi toàn thế giới cũng như ở Việt Nam

+ Ô nhiễm do chất thải công nghiệp:

Các hoạt động công nghiệp rất phong phú và đa dạng, chúng có thể là nguồn gây ô nhiễm đất một cách trực tiếp hoặc gián tiếp Quá trình phát triển công nghiệp và đô thị cũng ảnh hưởng đến tính chất lý và hóa học đất Những tác động về vật lý đất như: gây xói mòn, nén chặt và phá hủy cấu trúc đất do kết quả của các hoạt động xây dựng, sản xuất khai thác mỏ Những tác động về hóa học như: các chất thải rắn, lỏng và khí tác động đến đất

+ Ô nhiễm đất do sản xuất nông nghiệp:

Sử dụng phân bón và thuốc BVTV có hai mặt của một vấn đề: tích cực

và tiêu cực Tích cực là góp phần nâng cao năng suất và sản lượng nông sản;

tiêu cực là gây ô nhiễm môi trường Trong phân bón và thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) thường có sẵn KLN và chất khó phân hủy, khi tích lũy đến một giới hạn nhất định, chúng sẽ thành chất ô nhiễm

1.3.2 Các dạng kim loại nặng trong đất

Kim loại được tìm thấy trong một hoặc nhiều trạng thái, như: 1) Hòa tan trong dung dịch đất; 2) chiếm giữ ở các vị trí trao đổi ở thành phần đất vô cơ; 3) hấp phụ trên các thành phần vô cơ của đất; 4) kết hợp với chất hữu cơ không hòa tan; 5) kết tủa ở dạng các chất rắn tinh khiết hoặc hỗn hợp; 6) có mặt trong cấu trúc của các khoáng vật thứ cấp; 7) có mặt trong cấu trúc của khoáng sơ cấp

Trong các trường hợp trên, các kim loại đã được đưa vào môi trường thông qua các hoạt động của con người và các kim loại liên kết ở năm dạng đầu tiên Kim loại có nguồn gốc từ các khoáng vật có thể được liên kết với bất

kỳ của các dạng nào còn lại tùy thuộc vào lịch sử địa chất của khu vực Phần kim loại trong dung dịch và những phần có thể trao đổi với phần này được coi

là các phần quan trọng hàng đầu khi xem xét khả năng di chuyển của kim loại liên quan với đất [135]

Trong đất, các kim loại độc hại có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, liên kết với các hợp chất hữu cơ, vô cơ hoặc tạo thành các chất phức hợp (chelat) Khả năng dễ tiêu của chúng đối với thực vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: pH, dung tích trao đổi cation (CEC) và sự phụ thuộc lẫn nhau vào các kim loại khác Ở đất có CEC cao, chúng bị giữ lại nhiều trên các phức hệ hấp phụ Nhìn chung, KLN có khả năng linh động lớn ở đất chua (pH < 5,5)

1.3.3 Sự tồn tại và chuyển hóa Cu, Pb và Zn trong đất

1.3.3.1 Sự tồn tại và chuyển hóa đồng (Cu) trong đất

Đồng (Cu) được khai thác từ sản phẩm quặng sulfit và oxit đồng Hoạt động khai thác khoáng sản là nguồn ô nhiễm chính của đồng trong nước ngầm

và nước bề mặt Các nguồn ô nhiễm khác của đồng bao gồm thuốc diệt tảo, hóa chất (Asenat đồng crômat) dùng để xử lý gỗ thành phẩm và từ các ống dẫn làm bằng đồng Dung dịch đất và tính chất hóa học của đất ảnh hưởng lớn đến sự ô nhiễm đồng trong hệ thống nước ngầm Ở điều kiện hiếu khí và môi trường kiềm, đồng kết tủa ở dạng CuCO3 Thông thường, đồng ở các dạng phổ biến như: các ion Cu2+, CuOH+ và Cu(OH)2 Đồng tạo phức mạnh với dung dịch chứa các axit humic Ái lực của Cu với các humat tăng khi pH tăng

và cường độ ion giảm Trong môi trường yếm khí, khi có mặt lưu huỳnh thì CuS sẽ hình thành Khả năng linh động của đồng bị giảm bởi sự hấp phụ trên

bề mặt các khoáng chất Cu2+ bị hấp phụ mạnh trên bề mặt khoáng với dải pH rộng [74] Dạng ion Cu2+ là loại độc nhất của đồng Độc tính đồng cũng đã được chứng minh ở dạng CuOH+ và Cu2(OH)22+ [80]

1.3.3.2 Sự tồn tại và chuyển hóa chì (Pb) trong đất

Các nguồn ô nhiễm chì (Pb) chủ yếu từ ngành công nghiệp luyện kim

và sản xuất kim loại Pb thứ cấp như sản xuất ắc quy, bột màu và hóa chất và chất thải bị ô nhiễm Pb Ô nhiễm trên diện rộng do việc sử dụng xăng có chứa

Pb cũng được quan tâm Pb di chuyển vào nước ngầm, nước mặt và đất thường ở dạng oxit và hydroxit và phức [162]

Trạng thái oxy hóa của Pb là 0 hoặc +2, trong đó Pb2+ ở dạng phổ biến hơn Hầu hết các điều kiện môi trường, Pb2+ và phức Pb hydroxit là những hình thức ổn định nhất của chì [162] Các hợp chất hòa tan thấp được hình thành ở dạng tạo phức với các chất vô cơ (Cl-, CO32-, SO42-, PO43-) và các phối

tử hữu cơ (humic và fulvic axit, EDTA, axit amin) [50] Chì cacbonat hình thành ở pH > 6 và PbS là dạng rắn ổn định nhất khi hàm lượng sunfua cao có mặt ở điều kiện khử

Hầu hết Pb bị thải vào môi trường đều được giữ lại ở trong đất Các quá trình ảnh hưởng đến số trạng thái của chì trong đất bao gồm hấp phụ, trao đổi ion, kết tủa và tạo phức với các chất hữu cơ Các quá trình này hạn chế Pb di

chuyển vào trong nước mặt hay nước ngầm Lượng chì hòa tan trong nước mặt và nước ngầm phụ thuộc vào pH và nồng độ của các muối hòa tan và bề mặt của các chất khoáng có mặt Trong hệ thống nước mặt và nước ngầm, một phần đáng kể chì không tan và xảy ra kết tủa như (PbCO3, Pb2O(NO3)2, Pb(OH)2, PbSO4), bị hấp phụ ion hoặc tạo lớp phủ trên bề mặt các khoáng chất, hoặc là với các chất hữu cơ lơ lửng [80]

1.3.3.3 Sự tồn tại và chuyển hóa kẽm (Zn) trong đất

Kẽm (Zn) không tồn tại trong tự nhiên ở dạng nguyên tố Nó thường được tách ra từ quặng để tạo thành kẽm oxit (ZnO) Trong công nghiệp chủ yếu sử dụng kẽm làm lớp phủ chống ăn mòn cho sắt hoặc thép [162]

Kẽm thường tồn tại ở trạng thái ôxi hóa +II và tạo phức với một số anion, axit amin và axit hữu cơ Zn có thể kết tủa ở dạng như Zn(OH)2, ZnCO3, ZnS, hoặc Zn(CN)2 Kẽm là một trong những KLN hầu hết di động trong nước mặt và nước ngầm bởi vì các hợp chất của nó hòa tan ở các giá trị

pH trung tính và pH axit Tại giá trị pH cao hơn, kẽm có thể tạo ra các phức cacbonat và hydroxit Kẽm dễ kết tủa trong điều kiện khử và trong môi trường

ô nhiễm nặng có nồng độ cao và có thể đồng kết tủa với các oxit ngậm nước của sắt hoặc mangan [162] Sự hấp phụ với trầm tích hoặc chất rắn lơ lửng, khoáng sét và chất hữu cơ là trạng thái chính của kẽm trong môi trường nước

Sự hấp phụ kẽm tăng lên khi tăng pH và giảm độ mặn

1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính linh động của kim loại nặng trong môi trường đất

Tìm hiểu về các yếu tố chi phối tính linh động và khả năng dễ tiêu đối với thực vật của kim loại trong đất là điều cần thiết để dự đoán tác động môi trường của kim loại có trong đất nông nghiệp Các phản ứng trong môi trường đất, ví dụ axit/bazơ, kết tủa/hòa tan, quá trình oxy hóa/khử, hấp thụ hoặc quá trình trao đổi ion có thể ảnh hưởng đến sự thay đổi nồng độ và tính linh động kim loại trong môi trường đất Độc tính, tính di động và phản ứng phụ thuộc

vào đặc tính của từng kim loại và phụ thuộc vào một số điều kiện như pH, Eh, nhiệt độ, độ ẩm, [91]

1.3.4.1 Ảnh hưởng của pH

pH trực tiếp hoặc gián tiếp ảnh hưởng đến một số cơ chế lưu giữ kim loại trong đất Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng việc hấp phụ các kim loại tăng không đáng kể cho đến khi pH lớn hơn 7 Sự phụ thuộc vào pH của phản ứng hấp phụ cation kim loại một phần do sự hấp phụ ưu tiên kim loại thủy phân hơn so với các ion kim loại tự do [135] Tỷ lệ thủy phân của các kim loại tăng với mức tăng của pH

Sự hấp phụ Cu trong đất phụ thuộc pH nhiều hơn Cd [57] Phát hiện này là phù hợp với giả thuyết rằng sự thủy phân của Cu ở pH 6 làm tăng sự lưu giữ Cu trong đất, trong khi Cd không thủy phân cho đến khi pH 8 Kẽm được chứng minh bị giữ lại ở dạng có thể trao đổi ở độ pH thấp (pH=4) trong đất chứa nhiều Fe và Mn oxit nhưng trở thành dạng cố định khi pH tăng lên trên 5,5 Các nhà nghiên cứu cho rằng sự thay đổi trong cơ chế hấp phụ là do

sự thủy phân của Zn và sự hấp phụ của các loại kim loại bị thủy phân bởi bề mặt của các oxit [135]

Nhiều vị trí hấp phụ của các chất trong đất phụ thuộc vào pH như Fe và

Mn oxit, chất hữu cơ, cacbonat và các khoáng sét Khi pH giảm, số lượng các

vị trí mang điện tích âm sẽ giảm đi trong khi đó số lượng các vị trí cho hấp phụ anion tăng Cũng như pH trở nên axit hơn, các cation kim loại cũng phải đối mặt với sự cạnh tranh của các vị trí có điện tích vĩnh cửu của Al3+ và H+ Các kim loại thường hình thành kết tủa ở dạng hydroxit, oxit, cacbonat,

và phốt phát trong điều kiện môi trường kiềm Sự tan rã của các kết tủa kim loại phụ thuộc rất nhiều vào độ pH của hệ Oxit ngậm nước của Fe và Mn đóng vai trò chính trong việc lưu giữ các kim loại trong đất Độ hòa tan của

Fe và Mn oxit cũng liên quan tới pH Dưới pH 6, các oxit của Fe và Mn hòa tan, giải phóng ion kim loại hấp phụ vào dung dịch [125]

Nhìn chung, hấp phụ tăng lên cùng với tăng độ pH Cụ thể, giá trị pH thấp hơn các kim loại có thể được tìm thấy hơn trong các dung dịch và do đó nhiều kim loại linh động hơn Khi pH giảm xuống dưới 5, tính di động của kim loại được tăng cường do nồng độ proton tăng lên Tại các giá trị pH trên

7, một số KLN có xu hướng hình thành phức hydroxy do đó sẽ làm giảm độ hòa tan của kim loại [161]

1.3.4.2 Ảnh hưởng của các phức chất

Các cation kim loại tạo phức với các phối tử vô cơ và hữu cơ Kết quả của sự kết hợp này dẫn đến phức có điện tích dương thấp hơn so với các ion kim loại tự do và có thể không mang điện tích hoặc mang điện tích âm Ví dụ, kết quả của sự kết hợp giữa catmi với clorua trong loạt sau của catmi tích điện hoặc không tích điện: Cd2+, CdCl+, CdCl2o, CdCl3- Sự tương tác giữa các ion kim loại và phối tử tạo phức có thể dẫn đến phức có tính hấp phụ yếu lên bề mặt đất hoặc thành một phức có sự hấp phụ mạnh hơn so với các ion kim loại

tự do Nhìn chung, việc giảm điện tích dương trên phức kim loại làm giảm sự hấp phụ với tích điện âm bề mặt Một ngoại lệ được ghi nhận là có sự hấp phụ

ưu tiên các kim loại bị thủy phân (MOH+) hơn so với các kim loại hoá trị hai

tự do Thực tế hiệu quả của việc hình thành phức lên sự hấp phụ phụ thuộc vào tính chất của kim loại, loại hình và số lượng của các phối tử có mặt, đặc tính bề mặt của đất, thành phần dung dịch đất, pH và điều kiện oxi hóa khử [135]

1.3.4.3 Ảnh hưởng của cường độ ion

Lượng kim loại bị hấp phụ giảm khi gia tăng cường độ ion của khoáng chất có mật độ điện tích bề mặt vĩnh cửu Sự hấp phụ của Zn không phụ thuộc vào pH, khả năng hấp phụ của Zn là luôn luôn tốt hơn trong dung dịch CaCl2

pha loãng Điều này cho thấy phản ứng diễn ra trên bề mặt âm của chất keo Việc giảm cường độ ion làm cho điện tích bề mặt tiềm năng âm hơn và do đó hấp phụ cation lớn hơn

Sự hấp phụ có liên quan với CEC, điều này là hiển nhiên có ảnh hưởng đến hấp phụ ở mỗi giá trị của cường độ ion Bên cạnh đó, tăng cường độ ion làm giảm hấp phụ kim loại vì tăng khả năng cạnh tranh của các cation khác nhau tại vị trí hấp phụ Loại đất có cường độ ion cao hơn có thể có nhiều nguy

cơ rửa trôi kim loại sang loại đất có cường độ ion thấp hơn [161]

1.3.4.4 Ảnh hưởng của quá trình oxy hóa khử

Gần một nửa số kim loại có nhiều hơn một trạng thái ôxi hóa trong môi trường đất và bị ảnh hưởng trực tiếp bởi những thay đổi trong quá trình oxy hóa khử (redox) tiềm năng của đất Thế oxi hóa khử của hệ đất là thước đo về tiềm năng điện hóa hoặc các electron sẵn có bên trong hệ

Trong đất, điều kiện khử xảy ra bởi sự vắng mặt của oxy (kỵ khí) Điều này gây ra bởi lượng oxy trong đất bị sử dụng hoặc tiêu thụ với tốc độ lớn hơn mức nó được vận chuyển vào hệ thống đất Điều kiện khử xảy ra ở các loại đất ngập nước hoặc đất bị nhiễm các hợp chất tiêu thụ nhiều oxy Việc tiêu thụ ôxy có thể là hóa học hoặc sinh học Việc tiêu thụ sinh học của oxy là kết quả của các vi khuẩn sử dụng các chất gây ô nhiễm hữu cơ có trong hệ thống đất Điều kiện háo khí (aerobic) thường xảy ra ở trong đất thoát nước tốt cũng như đất chưa bị ô nhiễm các chất hữu cơ [161]

Mức độ oxy hóa hay khử được thể hiện phép đo oxi hóa khử tiềm năng Bốn khoảng về điều kiện oxi hóa khử được đưa ra theo đề nghị của Patrick và Mahapatra (1968) mà có thể gặp phải trong đất ở pH 7, đất bị oxy hóa > +400 mV; đất khử vừa từ +400 đến +100 mV; đất khử từ +100 đến -100 mV; đất có tính khử cao từ -100 đến -300 mV Trạng thái oxi hóa khử của đất thường liên quan chặt chẽ đến hoạt động của vi sinh vật và các loại chất nền có sẵn cho các sinh vật

Phản ứng oxi hóa khử có thể ảnh hưởng rất lớn đến sự vận chuyển chất gây ô nhiễm Ở môi trường có tính axit nhẹ đến kiềm, Fe (III) kết tủa như một

chất rắn có sự hút bám cao (hydroxit sắt), trong khi Fe (II) là rất dễ hòa tan và không giữ lại các kim loại khác Việc khử Fe(III) thành Fe(II) sẽ giải phóng các kim loại bị hấp phụ ở bề mặt hydroxit sắt đến vùng chứa trầm tích Nói chung, điều kiện oxy hóa có lợi cho duy trì của các kim loại trong đất, trong khi các điều kiện khử tăng sự linh động của kim loại [135]

1.3.4.5 Ảnh hưởng của thành phần cơ giới của đất

Thành phần cơ giới của đất đóng một vai trò quan trọng tới tính linh động của kim loại trong đất Thành phần cơ giới phản ánh sự phân bố kích thước hạt của đất và trong đó hàm lượng của các hạt mịn như các oxit và sét

có vai trò rất lớn Các hợp chất này là thành phần quan trọng để hấp phụ KLN trong đất Đất sét giữ số lượng lớn kim loại khi so sánh với đất cát Thành phần cơ giới của đất mịn có chứa hàm lượng Pb cao (3889 mgkg-1) và đất hạt thô chứa hàm lượng Pb thấp hơn (530 mgkg-1) Hàm lượng kim loại của lớp đất mặt và lớp đất giữa là tương đối cao hơn so với lớp dưới cùng của đất [161]

1.3.5 Mối quan hệ giữa kim loại nặng trong môi trường đất và nước

Tính chất hóa học và vật lý của chất ô nhiễm ảnh hưởng đến sự di chuyển của kim loại trong đất và nước KLN tồn tại ở ba dạng trong kết cấu đất: các chất ô nhiễm hòa tan trong dung dịch đất, chất ô nhiễm hấp phụ trên

bề mặt đất và chất ô nhiễm cố định hóa học dạng hợp chất rắn Các tính chất hóa học và vật lý của đất sẽ ảnh hưởng đến các dạng kim loại và tính linh động của nó, từ đó có thể lựa chọn công nghệ phù hợp để xử lý [80]

1.3.5.1 Mối quan hệ giữa các tính chất hóa học

Sự có mặt của các anion vô cơ (muối cacbonat, phốt phát, sulfit) trong dung dịch đất có thể ảnh hưởng đến khả năng cố định hóa học các kim loại trong đất Các anion có thể tạo ra các phức tương đối khó tan với các ion kim loại và gây ra hiện tượng hòa tan hoặc kết tủa khi có mặt của chúng Thông

thường giá trị pH đất trong khoảng giữa 4,0 và 8,5 với khả năng đệm bởi Al ở

pH thấp và khả năng đệm bởi CaCO3 ở pH cao [179] Các cation kim loại linh động trong điều kiện có tính axit trong khi các anion có xu hướng hấp phụ các khoáng oxit trong khoảng pH này [73] Tại pH cao, các cation kết tủa hoặc hấp phụ bề mặt khoáng chất và các anion kim loại lại trở nên linh động Sự hiện diện của các oxit kim loại ngậm nước của Fe, Al, Mn có thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến nồng độ kim loại vì các khoáng chất này có thể loại bỏ các cation và anion từ dung dịch bằng cách trao đổi ion, hấp phụ và kết tủa bề mặt [73] Sự hấp phụ của các cation kim loại với các oxit ngậm nước thường tăng khá mạnh với pH và tăng đáng kể tại các giá trị pH ở trên mức trung tính, trong khi đó hấp phụ các anion kim loại lớn ở pH thấp và giảm khi pH tăng Khả năng trao đổi cation (CEC) liên quan đến sự tập trung của các cation dễ dàng trao đổi trên một bề mặt khoáng chất và thường được sử dụng để chỉ ra mối quan hệ của đất với sự hấp thu của các cation như kim loại Khả năng trao đổi anion (AEC) liên quan đến các mối quan hệ của đất về sự hấp thu của các anion và thường là thấp hơn đáng kể so với CEC của đất Ngoài các oxit ngậm nước, khoáng sét cũng là vật liệu trao đổi ion quan trọng đối với kim loại [164] Sự hiện diện của các chất hữu cơ tự nhiên đã được chứng minh là

có ảnh hưởng đến hấp phụ các ion kim loại cho bề mặt khoáng chất Chất hữu

cơ đã được nghiên cứu khảo sát về tăng cường hấp phụ của Cu2+ ở pH thấp và

ức chế hấp phụ Cu2+ ở pH cao [80] Chất hữu cơ, đặc biệt là humic, có thể tạo phức với các kim loại và loại bỏ chúng ra khỏi dung dịch [37] Humic chứa các nhóm chức cacboxylic và phenol có thể tạo phức với các ion kim loại

1.3.5.2 Mối quan hệ giữa các tính chất vật lý đất

Kích thước cấp hạt của đất có thể ảnh hưởng đến mức độ ô nhiễm kim loại trong đất Cấp hạt mịn (<100 µm) có phản ứng mạnh hơn và có diện tích

bề mặt cao hơn so với cấp hạt thô Dẫn đến, phần cấp hạt mịn của đất thường