ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Lê Sĩ Hưng NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ NGUỒN GỐC CÁC CHẤT DINH DƯỠNG N, P VÀ SỰ TRAO ĐỔI KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ T
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
Lê Sĩ Hưng
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ NGUỒN GỐC CÁC CHẤT DINH DƯỠNG (N, P)
VÀ SỰ TRAO ĐỔI KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ TRẦM TÍCH TẠI LƯU VỰC SÔNG CẦU, ĐỊA PHẬN TỈNH HẢI DƯƠNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - 2014
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
Lê Sĩ Hưng
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ NGUỒN GỐC CÁC CHẤT DINH DƯỠNG (N, P)
VÀ SỰ TRAO ĐỔI KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ TRẦM TÍCH TẠI LƯU VỰC SÔNG CẦU, ĐỊA PHẬN TỈNH HẢI DƯƠNG
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60440118
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Tạ Thị Thảo
Hà Nội - 2014
Trang 3MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 2
CHƯƠNG 1 Tổng quan Error! Bookmark not defined 1.1 Ô nhiễm môi trường nước do sự dư thừa các chất dinh dưỡng (N, P) Error! Bookmark not defined
1.2 Trao đổi kim loại nặng trong môi trường nước và trầm tích Error! Bookmark not defined
1.3 Xác định nguồn ô nhiễm N sử dụng phương pháp phân tích đồng thời đồng vị
N15, O18 trong nitrat trong nước Error! Bookmark not defined 1.4 Phương pháp phân tích, thống kê đa biến xác định nguồn ô nhiễm Error! Bookmark not defined
1.4.1 Nguyên tắc Error! Bookmark not defined 1.4.2 Ứng dụng PCA, CA, FA trong xác định nguồn gốc ô nhiễmError! Bookmark not defined
CHƯƠNG 2 Thực nghiệm Error! Bookmark not defined 2.1 Hóa chất và thiết bị Error! Bookmark not defined 2.1.1 Hóa chất Error! Bookmark not defined
2.1.2 Dụng cụ, thiết bị Error! Bookmark not defined 2.2 Khu vực nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.3 Phương pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.3.1 Quy trình khảo sát, lấy mẫu và phân tích Error! Bookmark not defined 2.3.2 Các phương pháp xử lý số liệu Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3 Kết quả và thảo luận Error! Bookmark not defined 3.1 Chất lượng nước sông tại lưu vực sông Cầu tỉnh Hải Dương Error! Bookmark not defined
Trang 43.1.1 Đặc điểm chất lượng nước mặt tại các điểm theo dõi Error! Bookmark not defined
3.1.2 Mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong nước và trầm tích sông Error! Bookmark not defined
3.2 Phân loại sơ bộ mức độ ô nhiễm tại các điểm lấy mẫu sử dụng kĩ thuật phân tích
nhóm (CA) Error! Bookmark not defined
3.3 Xác định các nguồn ô nhiễm sử dụng kĩ thuật phân tích thành phần chính (PCA)
và kĩ thuật phân tích nhân tố (FA) Error! Bookmark not defined 3.4 Sự trao đổi kim loại nặng trong môi trường nươc và trầm tíchError! Bookmark not defined
3.5 Xác định nguồn gốc ô nhiễm N trong nước sông sử dụng phương pháp phân tích đồng thời 2 đồng vị bền N15 và O18 trong NO3- Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined
TÀI LIỆU THAM KHẢO 3
Trang 5Danh mục bảng
Bảng 2.1 Vị trí, tọa độ 22 điểm lấy mẫu trên hệ thống sông Cầu tình Hải Dương
Error! Bookmark not defined
Bảng 3.1 Kết quả chất lượng nước sông thuộc lưu vực sông Cầu, tình Hải Dương tại
Bảng 3.2 Hàm lượng 1 số kim loại nặng trong trầm tích tại một số điểm trong khu
Bảng 3.3 Nồng độ 1 số kim loại nặng trong nước sông tại một số điểm trong khu
Bảng 3.4 Trị số của từng biến ứng với từng yếu tố cho nhóm các điểm ít ô nhiễm
Error! Bookmark not defined
Bảng 3.5 Trị số của từng biến ứng với từng yếu tố cho nhóm điểm ô nhiễm vừa
Error! Bookmark not defined Bảng 3.6 Trị số của từng biến ứng với từng yếu tố cho nhóm ảnh hưởng cao Error! Bookmark not defined
Bảng 3.7 Mối tương quan giữa các chỉ tiêu kim loại nặng trong khu vực lấy mẫu
Error! Bookmark not defined
Bảng 3.8 Giá trị của Log KD tại 1 số điểm theo dõi Error! Bookmark not defined
Bảng 3.9 Lưu lượng nước chảy tại 7 điểm được chọn theo dõi giá trị đồng vị của
Bảng 3.10 Kết quả phân tích đồng thời đồng vị N15
và O18 trong nitrat trong nước tại 7 điểm theo dõi thuộc lưu vực sông Cầu, địa bản tỉnh Hải Dương Error! Bookmark not defined
Bảng 3.11 Tổng nitơ vô cơ hòa tan trong nước sông tại 7 điểm theo dõi giá trị dồng
Trang 6Danh mục hình
Hình 1.1 Giá trị của δN15 thu được với các đối tượng mẫu có chứa nitơ khác nhau
Error! Bookmark not defined
Hình 1.2 Khoảng giá trị δN15 và δO18 trong nitrat trong các nguồn phát thải và các
quá trình chuyển hóa N tương ứng Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống EA-IRMS Error! Bookmark not defined
Hình 2.1 Bản đồ lưu vực sông Cầu tình Hải Dương (Các điểm lấy mẫu được đánh
dấu) Error! Bookmark not defined
Hình 3.1 Sự thay đổi DO tại 22 điểm quan trắc từ năm 2010-2014 Error! Bookmark not defined
Hình 3.2 Biến thiên nồng độ NH4+ tại 22 điểm quan trắc từ năm 2010-2014 Error! Bookmark not defined
Hình 3.3 Biến thiên nồng độ NO2- tại 22 điểm quan trắc từ năm 2010-2014 Error! Bookmark not defined
Hình 3.4 Biến thiên giá trị COD tại 22 điểm quan trắc theo thời gian từ năm
2010-2014 Error! Bookmark not defined
Hình 3.5 Biến thiên giá trị BOD trong nước sông tại 22 điểm quan trắc từ năm
2010-2014 Error! Bookmark not defined
Hình 3.6 Biến thiên giá trị TSS trong nước sông tại 22 điểm lấy mẫu từ 2010-2014
Error! Bookmark not defined
Hình 3.7 Biến thiên giá trị PO43- - P trong nước sông tại 22 điểm lấy mẫu từ
2010-2014 Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Phân nhóm các điểm lấy mẫu sử dụng kĩ thuật phân tích nhóm Error! Bookmark not defined
Hình 3.9 Sơ đồ mô tả hướng và lưu lượng nước chảy ở 7 điểm theo dõi giá trị đồng
vị của N15
và O18 Error! Bookmark not defined
Hình 3.10 Liên hệ giữa tổng chất Nitơ vô cơ hòa tan và giá trị δN15trong nước sông
tại 7 điểm lấy mẫu Error! Bookmark not defined
Trang 7Hình 3.11 Liên hệ giữa giá trị δO18 và δN15 trong Nitrat trong nước sông tại 7
điểm lấy mẫu Error! Bookmark not defined
Trang 8Danh mục viết tắt
BOD: Nhu cầu oxi sinh hóa
CA: Phân tích nhóm
COD: Nhu cầu oxi hóa học
COR: Phân tích tương quan
DO: Oxi hòa tan
FA: Phân tích nhân tố
PCA: Phân tích thành phần chính
QCVN: Quy chuẩn Việt Nam
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
TDS: Tổng chắt rắn hòa tan
TSS: Tổng chất rắn lơ lửng
Trang 9MỞ ĐẦU
Như đã biết mặc dù nước là một phần thiết yếu việc duy trì cuộc sống của con người và các loại sinh vật khác trên trái đất, nhưng sự thật là gần một nửa dân
số trên thế giới không được tiếp cận với nguồn nước sạch Ở Việt Nam, theo Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn phấn đấu tới năm 2015 85% dân số ở nông thôn được tiếp cận với các hệ thống cung cấp nước sạch tiêu chuẩn Hiện tại phần lớn người dân vẫn phải sử dụng hệ thống nước ngầm, nước mặt, các hệ thống sông ngòi, kênh rạch để cung cấp nước cho các nhu cầu sinh hoạt cơ bản của mình Sự phát triển của công nghiệp và nông nghiệp cùng với sự bùng nổ của dân số, đã làm cho nhu cầu khai thác và sử dụng nước sông tăng cao và ngày càng làm suy giảm trầm trọng chất lượng nước Trên các hệ thống sông, khu vực hạ lưu của lưu vực sông thường là nơi tiếp nhận nước thải cũng như chất ô nhiễm từ phía thượng nguồn của lưu vực sông khác đổ về Sự tích tụ các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, kim loại nặng do địa hình trũng của hạ lưu sẽ sinh ra các dấu hiệu của hiện tượng phú dưỡng, tăng hàm lượng kim loại nặng tích tụ trong trầm tích Trong môi trường nước, N, P là chất dinh dưỡng vô cùng cần thiết cho nhiều loại thực và động vật, nhưng sự dư thừa nitơ (hiện tượng phú dưỡng) sẽ dẫn đến sự ô nhiễm, ảnh hưởng tới môi trường nước Các nguồn phát thải N, P chủ yếu tới từ khí quyển, phân đạm
dư thừa, nước thải từ trang trại, cơ sở chăn nuôi, khu dân cư…[4] Việc thải trực tiệp chất thải từ các nguồn này ra sông là nguyên nhân chính gây ra sự thiếu hụt lượng oxi trong nước (do lượng tảo phát triển, sinh sôi mạnh, sử dụng hết lượng oxi trong nước, cản trở ánh sáng mặt trời làm các loại thực vật phía dưới không quang hợp sinh oxi được, hoặc vi khuẩn trong nước sử dụng oxi nhiều hơn để phân hủy các chất ô nhiễm…), gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới việc nuôi trồng và đánh bắt thủy sản, gây ô nhiễm nguồn nước thậm chí gây hại tới sức khỏe của con người khi sử dụng các nguồn nước này Trong môi trường trầm tích, các kim loại nặng tham gia vào các quá trình hóa học phức tạp mà các quá trình như hấp thu/giải hấp hay kết tủa/hòa tan được được khống chế bằng một loạt các chỉ số phức tạp như nhiệt độ, hàm lượng ôxi hòa tan, pH, các chất tạo phức, cỡ hạt, hay thành phần của trầm
Trang 10tích[12,2] Thêm vào đó, các hoạt động sinh học ảnh hưởng mạnh đến quá trình hóa học này: làm thay đổi sự phân bố giữa pha rắn và pha hòa tan, cũng như trao đổi trong trầm tích và giữa trầm tích với lớp nước bên trên
Việc nghiên cứu được các quá trình sinh địa hóa xảy ra trong trầm tích và biến đổi hàm lượng kim loại nặng cũng như các chất phú dưỡng và các chỉ tiêu hóa học khác trong môi trường nước sẽ giúp đánh giá được nguồn gốc chất ô nhiễm, sự trao đổi và biến đổi hàm lượng kim loại nặng trong môi trường nước, trầm tích theo địa hình và chiều sâu cũng như dự báo được sự biến đổi hàm lượng các chất trong tương lai khi thay đổi nguồn gây ô nhiễm Riêng tại Việt Nam, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về kim loại nặng trong trầm tích nhưng chủ yếu các kết quả là phân tích làm lượng tổng số còn các nghiên cứu phân tích dạng còn hạn chế chủ yếu là do thiếu thiết bị lấy mẫu, chuẩn bị mẫu dạng chuyên dụng
Địa điểm nghiên cứu được chọn là tỉnh Hải Dương, một tỉnh nằm ở cuối lưu vực sông Cầu cộng thêm mạng lưới sông ngòi khá dày đặc đổ vào sông chính và là nơi có mật độ dân số đứng thứ hai trong toàn bộ lưu vực, tổng số khu và cụm công nghiệp của toàn tỉnh chiếm đến 30%, nghiên cứu này nhằm tới mục nghiên cứu đánh giá nguồn gốc các chất dinh dưỡng (N, P) và sự trao đổi kim loại nặng trong môi trường nước và trầm tích từ đó rút ra được mối quan hệ giữa hàm lượng kim loại nặng và nồng độ các chất dinh dưỡng, tìm ra nguồn phát tán chất ô nhiễm
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Adams, D.D., Darby, D.A and Young, R.J., (1980), “Selected analytical
techniques for characterizing geology of fine grained sediments and
interstitial water in Contaminants and Sediments”, Ann Arbor Science
Publishers, 2, p.3
Trang 112 Adeline Charriau, Ludovic Lesven, Yue Gao, Martine Leermakers, Willy
Baeyens, et al , (2010), “Trace metal behaviour in riverine sediments: role
of organic matter and sulphides”, Applied Geochemistry Elsevier, 26 (1), p.80-90
3 Aggett, and O’ Brien, G.A , (1985), “Detailed model for the mobility of arsenic
in lacustrine sediments based on measurements in Lake Ohakuri”,
Environmental Science and Technology, 19(3), p.231-238
4 Barbara Deutsch, Petra Kahle, Maren Voss (2006), “Assessing the source of
nitrate pollution in water using stable N and isotope”, p.263
5 Batley, G E và Giles, M S., (1979), Water research, Vol 13, 1979, p.879-886
6 Davis, J.A and Leckie, J.O., (1978), “Surface ionization and complexation at the
oxide/water interface II Surface properties of amorphous iron oxhydroxide
and adsorption of metal ions”, J Colloid Interface Sci., 67, p.90-107
7 Kendal, Carol and Ramon, (2000), “Nitrate isotopes in groundwater systems in
Environmental Tracers in Subsurface Hydrology”, Kluwer Âcdemic
Publishers, p.261-297
8 KendalL C & McDonnell, J J., (1998), “Isotope Tracers in Catchment
Hydrology”, Elsevier, Amsterdam
9 Kendall, C & Aravena, R., (2000), “Nitrate isotopes in groundwater systems in
Environmental Tracers in Subsurface Hydrology”, Eds P Cook & A
Herczeg, p.261–297
10 Kresic, N., (2007), “Groundwater chemistry, Hydrogeology and groundwater
modeling: Boca Raton, Taylor & Francis Group”, p.828
11 Lehmann, M.F., Reichert, P., Bernasconi, S.M., et al (2003), “Modeling
nitrogen and oxygen isotope fractionation during denitrification in a
Trang 12lacustrine redox-transition zone”, Geochimica et Cosmochimica Acta, 67,
p.2529–2542
12 Lesley A Warren, Elizabeth A Haack, (2001), “Biogeochemical controls on
metal behaviour in freshwater environments”, Earth-Science Reviews, 54, p.261–320
13 Limnol Oceanogr., (2012), “Inc Anammox and denitrification in the oxygen
minimum zone of the eastern South Pacific”, Association for the Sciences of Limnology and Oceanography, 57(5), p.1331–1346
14 Schwarz, N., Servay, W, & Kumpf, M., (1985), “Attribution of arousal as a
mediator of the effectiveness of fear-arousing communications”, Journal
of Applied Social Psychology, 15, p.74-84
15 Sigman, D M., et al (2001), A bacterial method for the nitrogen isotopic
analysis of nitrate in seawater and freshwater, Anal Chem, 73, 4145-4153
16 S Ramamoorthy, B R Rust, (1978), “Heavy metal exchange processes in
sediment-water systems”, Environmental Geology, 2(3), p.165-172
17 S Shrestha, F Kazama, (2007), “Assessment of surface water quality using
multivariate statistical techniques: A case study of the Fuji river basin,
Japan”, Environmental Modelling & Software, 22, 464-475
18 Sunda,W.G and R.R.L Guillard, (1976), “The relationship between cupric ion
activity and the toxicity of copper to phytoplankton”, J Marine Res., 34,
p.511-529
19 Steven E Bufflap, Herbert E Allen, (1995), “Sediment pore water collection
method for trace metal analysis: a review”, Water Research, 29(1), p.165–
177
Trang 1320 Stumm, W and J Morgan, (1981), “Aquatic Chemistry”, Wiley Newyork, 2,
p.57
21 Von L Melander und W H Saunders, Jr Wiley, (1980), “Reaction Rates of
Isotopic Molecules”, XIV, p.391
22 Widory, D., Petelet-Giraud, E., Negrel, P & Ladouche, B., (2005), “Tracking
the sources of nitrate in groundwater using coupled nitrogen and boron
isotopes: A synthesis”, Environmental Science and Technology, 39(2),
p.539–548