Nghiên cứu sử dụng than sinh học sản xuất từ phế phụ phẩm nông nghiệp để xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản

LÊ HUYỀN TRANG Tên đề tài: NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THAN SINH HỌC SẢN XUấT TỪ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG DO KHAI THÁC KHOÁNG SẢN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI H

LÊ HUYỀN TRANG

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THAN SINH HỌC SẢN XUấT

TỪ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM

KIM LOẠI NẶNG DO KHAI THÁC KHOÁNG SẢN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

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

Khóa học : 2012 -2016

THÁI NGUYÊN – 2016

LÊ HUYỀN TRANG

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THAN SINH HỌC SẢN XUấT

TỪ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM

KIM LOẠI NẶNG DO KHAI THÁC KHOÁNG SẢN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

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

Khóa học : 2012 -2016 Giáo viên hướng dẫn : Th.S Dương Thị Minh Hòa

THÁI NGUYÊN – 2016

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình đã luôn động viên, khuyến khích

và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ hoàn thành khóa luận

Do thời gian có hạn, năng lực bản thân còn hạn chế nên bài khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để bài khóa luận của em đƣợc hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2016

Sinh viên

Lê Huyền Trang

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Hàm lƣợng các KLN trong nguồn phân bón nông nghiệp (ppm) 13

Bảng 2.2: Tiềm năng nguồn sinh khối ở Việt Nam 18

Bảng 4.1: Hiện trạng sử dụng đất xã Hà Thƣợng năm 2009 26

Bảng 4.2: Tình hình khai thác khoáng sản trên địa bàn xã Hà Thƣợng 30

Bảng 4.3: Hiện trạng sử dụng đất của khu mỏ 31

Bảng 4.4: Hiện trạng quản lý đất sau khai thác khoáng sản 31

Bảng 4.5: Sử dụng lại đất sau khai thác khoáng sản 31

Bảng 4.6: Kết quả phân tích đất tại khu vực mỏ thiếc Hà Thƣợng 32

Bảng 4.7: Kết quả phân tích pH và CEC của TSH từ rơm rạ 33

Bảng 4.8: Hàm lƣợng các nguyên tố trong TSH từ rơm rạ 34

Bảng 4.9: Hàm lƣợng một số chất dinh dƣỡng trong TSH từ rơm rạ 34

Bảng 4.10: Kết quả phân tích pH đất sau 4 tuần 35

Bảng 4.11: Kết quả phân tích Pb di động sau 4 tuần 37

Bảng 4.12: Kết quả phân tích pH đất sau 8 tuần 39

Bảng 4.13: Kết quả phân tích Pb di động sau 8 tuần 40

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 4.1: Biểu đồ thể hiện giá trị pH sau 4 tuần 36

Hình 4.2: Biểu đồ thể hiện hàm lƣợng Pb2+ sau 4 tuần 37

Hình 4.3: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữ pH và nồng độ Pb2+ sau 4 tuần 38

Hình 4.4: Biểu đồ thể hiện giá trị pH sau 8 tuần 39

Hình 4.5: Biểu đồ thể hiện nồng độ Pb2+ sau 8 tuần 40

Hình 4.6: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa pH và nồng độ Pb2+ sau 8 tuần 41

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CEC Dung tích trao đổi cation của đất

UBND Ủy ban nhân dân

UNESCO Tổ chức Giáo dục, khoa học và văn hóa của Liên Hiệp Quốc

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC CÁC BẢNG ii

DANH MỤC CÁC HÌNH iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

MỤC LỤC v

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và yêu cầu của đề tài 2

1.2.1 Mục tiêu của đề tài 2

1.2.2 Yêu cầu của đề tài 2

1.3 Ý nghĩa của đề tài 3

1.3.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học 3

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 Cơ sở khoa học của đề tài 4

2.1.1 Cơ sở lý luận 4

2.1.2 Cơ sở pháp lý 5

2.2 Cơ sở thực tiễn 6

2.2.1 Thực trạng khai thác khoảng sản trên thế giới và Việt Nam 6

2.2.2.Tình hình sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới và Việt Nam 11

2.3 Ô nhiễm kim loại nặng trong đất và các phương pháp xử lý 12

2.3.1 Hiện trạng và nguyên nhân ô nhiễm KLN trong đất 12

2.3.2 Các biện pháp xử lý ô nhiễm KLN trong đất 14

2.3.3 Một số công trình nghiên cứu đã được công bố liên quan đến

đề tài 16

2.4 Tổng quan về than sinh học 17

2.4.1 Khái niệm than sinh học 17

2.4.2 Tiềm năng TSH ở Việt Nam 17

2.4.3 Lợi ích của TSH trong nông nghiệp 19

PHẦN 3.ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 22

3.2 Địa điểm và thời gian thực hiện 22

3.3 Nội dung nghiên cứu 22

3.4 Phương pháp nghiên cứu và các chỉ tiêu phân tích 22

3.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp 22

3.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 23

3.4.3 Chỉ tiêu theo dõi và phương pháp lấy mẫu 23

3.4.4 Phương pháp phân tích 23

3.4.5 Phương pháp xử lý số liệu 24

PHẦN 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 25

4.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội 25

4.1.1 Điều kiện tự nhiên 25

4.1.2 Điều kiện kinh tế - xã hội 27

4.2 Thực trạng ô nhiễm môi trường đất sau khai thác tại mỏ thiếc Hà Thượng 29 4.2.1 Tình hình khai thác quặng thiếc và việc quản lý, sử dụng đất sau khai thác thiếc trên địa bàn xã Hà Thượng 29

4.2.2 Thực trạng môi trường đất 32

4.3 Nghiên cứu thành phần, tính chất của than sinh học sản xuất từ rơm rạ 33 4.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất lý học của TSH từ rơm rạ 33

4.3.2 Thành phần, hàm lƣợng các nguyên tố có trong TSH từ rơm rạ 34

4.4 Nghiên cứu ứng dụng TSH sản xuất từ rơm rạ để xử lý Pb di động trong đất sau khai thác khoáng sản 35

4.4.1 Hiệu quả xử lý Pb di động sau 4 tuần nghiên cứu 35

4.4.2 Hiệu quả xử lý Pb di động sau 8 tuần nghiên cứu 39

PHẦN 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42

5.1 Kết luận 42

5.2 Kiến nghị 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN 1

MỞ ĐẦU 1.1.Đặt vấn đề

Hiện nay ô nhiễm môi trường đã trở thành vấn đề cấp bách của xã hội

Do nhiều nguyên nhân khác nhau mà môi trường ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng Đặc biệt không thể không kể đến sự ô nhiễm môi trường đất do hoạt động khai thác khoáng sản Việt Nam nói chungvà tỉnh Thái Nguyên nói riêng có số lượng mỏ khoảng sản khá lớn Đất tại những vùng sau khi khai thác khoáng sản thường bị suy thoái nghiêm trọng làm cho đất không có khả năng canh tác nông nghiệp hoặc nếu trồng được cây nông nghiệp thì hiệu quả thấp và sản phẩm nông nghiệp trồng trên đất này không được an toàn cho người sử dụng

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 nông nghiệp của người dân đã thay đổi dẫn đến dư thừa một lượng rất lớn Theo Báo Nông nghiệp Việt Nam ngày 05/03/2012, hoạt động sản xuất nông nghiệp phát thải trên 84,5 triệu tấn chất thải từ trồng trọt, chúng không được quản lý tốt ở khắp các vùng miền ở Việt Nam Tình trạng vứt bỏ rơm rạ, trấu ở trên đồng ruộng, kênh rạch dẫn đến việc phân hủy chất hữu cơ tạo ra khí metan, ô nhiễm không khí, sự phân hủy chất hữu cơ làm rửa trôi photpho, kim loại nặng trong môi trường đất gây 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 là sản phẩm được nhiệt phân yếm khí từ các loại sinh khối hữu cơ giàu cacbon và có nhiều tác dụng trong sản xuất và đời sống.Không phải ngẫu nhiên mà than sinh học 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 than sinh học trong việc cải thiện tính chất đất và nâng cao suất cây trồng Ngoài ra, than sinh học 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: kim loại nặng, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ,…

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó được sự nhất trí của Ban Giám hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm khoa Môi trường Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của ThS Dương Thị Minh Hòa, em tiến

hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu sử dụng than sinh học sản xuất từ phế

phụ phẩm nông nghiệp để xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản”

1.2.Mục tiêu và yêu cầu của đề tài

1.2.1 Mục tiêu của đề tài

-Nghiên cứu thành phần, tính chất của than sinh học sản xuất từ rơm rạ

- Nghiên cứu ứng dụng than sinh học sản xuất từ rơm rạ để xử lý Pb di động trong đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản

1.2.2 Yêu cầu của đề tài

- Thí nghiệm được bố trí trong Phòng Thí nghiệm, được thực hiện, theo dõi, ghi chép cụ thể

- Việc bố trí công thức thí nghiệm phải thực hiện 1 cách ngẫu nhiên

- Mẫu được lấy ngẫu nhiên

- Số liệu phải chính xác, khách quan

1.3 Ý nghĩa của đề tài

1.3.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học

- Giúp cho bản thân nắm được thực trạng ô nhiễm môi trường đất do khai thác khoáng sản và việc sử dụng than sinh học trong xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng

- Nâng cao kiến thức, kỹ năng và rút ra nhiều kinh nghiệm thực tế phục

vụ cho công tác sau này

- Vận dụng được các kiến thức đã học vào thực tiễn

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Góp phần cải tạo môi trường đất, sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp

bị dư thừa triệt để, cải thiện tính chất lý hóa của đất, cố định kim loại nặng và nâng cao năng suất nông nghiệp

- Góp phần giảm phát thải khí nhà kính thông qua hoạt động bón than sinh học trả lại cho đất

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Cơ sở khoa học của đề tài

2.1.1 Cơ sở lý luận

* Môi trường là gì?

Môi trường là tập hợp tất cả các thành phần của thế giới vật chất bao quanh, có khả năng tác động đến sự tồn tại và phát triển của mỗi sinh vật

- Theo UNESCO,môi trường được hiểu là “Toàn bộ các hệ thống tự

nhiên và các hệ thống do con người tạo ra xung quanh mình, trong đó con người sinh sống và bằng lao động của mình đã khai thác tài nguyên thiên nhiên hoặc nhân tạo nhằm thỏa mãn những nhu cầu của con người” (Hoàng Văn Hùng, 2008)

- Theo Luật Bảo vệ Môi trường Việt Nam 2014, chương 1, điều 3:

“Môi trường là hệ thống các yếu tố vật chất tự nhiên và nhân tạo có tác động đối với sự tồn tại và phát triển của con người và sinh vật” [10]

* Ô nhiễm môi trường là gì?

- Theo định nghĩa của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) thì “Ô nhiễm

môi trường là sự đưa vào môi trường các chất thải nguy hại hoặc năng lượng đến mức ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống sinh vật, sức khỏe con người hoặc làm suy thoái chất lượng môi trường”

- Theo Luật Bảo vệ Môi trường Việt Nam 2014, chương 1, điều 8:

“Ô nhiễm môi trường là sự biến đổi của các thành phần môi trường không phù hợp với quy chuẩn kỹ thuật môi trường và tiêu chuẩn môi trường gây ảnh hưởng xấu đến con người và sinh vật” [10]

* Khái niệm ô nhiễm môi trường đất:

“ Ô nhiễm môi trường đất được xem là tất cả các hiện tượng làm nhiễm bẩn môi trường đất bởi các chất gây ô nhiễm”(Lương Văn Hinh và

cs, 2014)[5]

* 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), Ngoài ra các á kim như As, Se cũng được xem như là các kim loại nặng

* Khái niệm ô nhiễm kim loại nặng trong đất

- Ô nhiễm kim loại nặng trong đất: Có một số hợp chất kim loại nặng bị thụ động và đọng lại trong đất, song có một số hợp chất có thể hòa tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau, nhất là do độ chua trong đất, của nước mưa Điều này tạo điều kiện để các kim loại nặng có thể phát tán rộng vào nguồn nước ngầm, nước mặt và gây ô nhiễm đất

- Hậu quả của ô nhiễm môi trường đất do kim loại nặng:Đất ô nhiễm gây tác động đến sức khỏe con người tiếp xúc trực tiếp (qua da) hoặc qua đường ăn uống (chất độc chuyển vào tế bào rau quả, khi ăn uống không rửa tay hoặc rau quả sạch sẽ ) Sự tích tụ các chất độc hại, các kim loại nặng trong đất sẽ làm tăng khả năng hấp thụ các nguyên tố có hại cho cây trồng, vật nuôi và gián tiếp gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người hay làm thay đổi cấu trúc tế bào gây ra nhiều bệnh di truyền, bệnh về máu, bệnh ung thư (Nguyễn Ngọc Nông, 2007)

2.1.2 Cơ sở pháp lý

Các văn bản mang tính pháp lý liên quan đến lĩnh vực đề tài đang

có hiệu lực:

- Luật Bảo vệ Môi trường năm 2014 được Quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam khóa XIII kỳ họp thứ 7 thông qua ngày 23 tháng 6 năm 2014 và có hiệu lực thi hành từ ngày 01 tháng 01 năm 2015

- Luật số 60/2010/QH12: Luật Khoáng sản có hiệu lực thi hành từ ngày

- QCVN 03: 2008/ BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về giới hạn cho phép kim loại nặng trong đất

Do đặc thù, nên ngành khai thác khoáng sản là ngành sử dụng diện tích đất rất lớn Hoạt động khai thác khoáng sản dẫn tới suy thoái tài nguyên đất, tài nguyên rừng, tài nguyên nước là rất lớn

Các phương pháp khai thác mỏ hiện nay như nổ mìn hoặc khoan đều rất thô sơ.Tác động môi trường tiêu cực từ khai mỏ thường xảy ra ngay trong chính bản thân quá trình khai thác và các hoạt động liên quan như dọn mặt bằng mỏ, vận chuyển và chế biến quặng Suy thoái rừng và ô nhiễm nước do khai thác khoáng sản không chỉ tác động tới hệ sinh thái mà còn tác động tới sinh kế của người dân sống phụ thuộc vào nguồn tài nguyên này

Điều đáng tiếc là các công ty khai khoáng ở các nước đang phát triển trên thế giới đều rất ít quan tâm đến tác động môi trường Vấn đề này lại càng trở nên trầm trọng hơn bởi một thực tế là thỏa thuận khai thác khoáng sản giữa chính phủ và các doanh nghiệp còn thiếu minh bạch, và nỗ lực nhằm kiểm soát nghiêm minh các hoạt động khai khoáng còn bị làm ngơ do sức hấp dẫn của lợi nhuận mang lại Những khu vực bị tàn phá do khai thác thường bị

bỏ quên, và tổn hại môi trường hầu như không thể ngăn chặn được

Sự phát triển của các ngành khai thác khoáng sản không đồng bộ với biện pháp bảo vệ, cải tạo, phục hồi môi trường đã để lại những hậu quả suy thoái môi trường tại các khu vực khai thác khoáng sản:

- Một diện tích lớn đất nông nghiệp, lâm nghiệp trước đây bị chiếm dụng cho mục đích khai thác khoáng sản vẫn để hoang hóa sau khi khai thác

- Tầng đất mặt bị xáo trộn gây khó khăn cho việc hoàn thổ, phục hồi môi trường sau khai thác

- Cân bằng nước khu vực bị phá vỡ, gia tăng các hiện tượng trượt lở, bồi lấp, tích tụ các chất rắn do sự biến đổi chế độ thủy văn của dòng chảy mặt

và dòng chảy ngầm

- Làm suy thoái thảm thực vật, suy giảm diện tích rừng, cạn kiệt trữ lượng gỗ,…

- Chất lượng nước ở các vùng khai thác khoáng sản bị ảnh hưởng Phần lớn nước ở các vùng khai thác khoáng sản đều bị ảnh hưởng bởi độ đục cao do lượng bùn mịn trong nước thải cao Các loại thuốc tuyển còn dư trong bùn thải cũng có khả năng gây ô nhiễm nguồn tiếp nhận Ở một số khu vực đất đá thải còn có tiềm năng hình thành dòng axit mỏ có khả năng hòa tan cáckim loại nặng độc hại là nguồn ô nhiễm tiềm tàng đối với nước mặt và nước ngầm khu vực

- Các sự cố và rủi ro môi trường tại các vùng khai thác như trượt lở, sập hầm…

Ở các nước có ngành công nghiệp khai thác mỏ phát triển như Anh, Thụy Điển, Australia, … và một số nước khác trong khu vực như Malaysia, Indonesia vấn đề hoàn thổ, phục hồi môi trường đã trở thành một quy chế bắt buộc Trước khi tiến hành các hoạt động khai thác, chủ mỏ bắt buộc phải lập

kế hoạch hoàn thổ phục hồi môi trường.Kế hoạch này như một bộ phận không thể tách rời của kế hoạch khai thác mỏ Trong kế hoạch hoàn thổ phục hồi môi trường những vấn đề như: hướng dẫn sử dụng đất sau khai thác, quy trình công nghệ hoàn thổ, tiến độ thực hiện và kinh phí được đề cập rất chi tiết với những hướng dẫn cụ thể và khoa học [11]

Như vậy, hoạt động khai thác khoáng sản trên thế giới đã góp phần không nhỏ trong phát triển kinh tế của các quốc gia Tuy nhiên, hoạt động này lại gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường, làm ô nhiễm, suy thoái môi trường

2.2.1.2 Ở Việt Nam

Việt Nam có hơn 5.000 điểm mỏ với khoảng 60 loại khoáng sản khác nhau và có 1.100 doanh nghiệp khai khoáng.Hiện ngành khai thác khoáng sản đang góp phần tích cực vào việc phát triển kinh tế đất nước Tuy nhiên, hoạt động khai thác khoáng sản đã và đang tác động xấu đến

môi trường xung quanh như: tác động đến cảnh quan và hình thái môi trường, tích tụ và phát tán chất thải, làm ảnh hưởng đến việc sử dụng nguồn nước, ô nhiễm nước, tiềm ẩn nguy cơ về dòng thải axit mỏ… Những hoạt động khai thác khoáng sản, đặc biệt khai thác than, titan, bôxítđang phá vỡ cân bằng hệ sinh thái, gây ô nhiễm nặng nề với môi trường, trở thành vấn đề cấp bách với cộng đồng Ông Lê Trình, Viện trưởng Viện Khoa học môi trường và Phát triển cho biết: Hiện hoạt động khai thác than đang gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

Để sản xuất 1 tấn than, doanh nghiệp cần bóc đi từ 8 đến 10 m³ đất phủ và thải từ 1 đến 3 m³ nước thải mỏ Chỉ tính riêng năm 2006, các mỏ than của Tập đoàn Công nghiệp Than và Khoáng sản Việt Nam đã thải ra môi trường 182,6 triệu m³ đất đá; khoảng 70 triệu m³ nước thải mỏ dẫn đến một số vùng thuộc tỉnh Quảng Ninh bị ô nhiễm đến mức báo động như Mạo Khê, Uông Bí, Cẩm Phả… Theo Trung tâm tư vấn và Công nghệ môi trường (Bộ Tài nguyên- Môi trường) việc khai tác titan tại tỉnh Bình Thuận đang gây ra ô nhiễm đất, nguồn nước và không khí và gây mất ổn định cuộc sống người dân xung quanh khu vực khai thác như: Xã Hoàn Thắng (Bắc Bình), xã Thuận Quý, xã Tân Thành (Hàm Thuận Nam)… Ngoài ra, khai thác titan còn gây ra ô nhiễm hóa chất và ô nhiễm phóng xạ ảnh hưởng đến sức khỏe người dân Ông Trình cũng đánh giá: Việc khai thác bôxít ở Tây nguyên sẽ thải ra một lượng lớn bùn đỏ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Doanh nghiệp muốn sản xuất 1 tấn alumina (Al2O3), phải khai thác ít nhất 2 tấn quặng bôxít và thải ra 1,5 tấn bùn đỏ Khi các

hồ chứa bùn đỏ tại các mỏ khai thác bôxít bị sói lở tràn ra sông suối và đổ

về sông Đồng Nai- nguồn nước sinh hoạt của 12 triệu dân khu vực phía Nam sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người dân [7]

*Thực trạng khai thác khoáng sản ở Thái Nguyên

Thái Nguyên hiện có 66 đơn vị hoạt động khai thác khoáng sản với tổng số mỏ được cấp phép khai thác lên tới 85, trong đó có 10 điểm khai thác than, 14 điểm khai thác quặng sắt, 9 điểm khai thác quặng chì kẽm,

24 điểm khai thác đá vôi, 3 điểm khai thác quặng titan, 01 điểm khai thác Vonfram đa kim, 04 điểm khai thác vàng, 02 điểm khai thác đôlômit, 02 điểm khai thác barit, 02 điểm khai thác Phôtphorit,… Tổng diện tích đất trong hoạt động khai thác chiếm hơn 3.191 ha tương ứng gần 1% diện tích đất tự nhiên của tỉnh [12]

Trong quá trình khai thác, các đơn vị đã thải ra một khối lượng lớn đất đá thải, làm thu hẹp và suy giảm diện tích đất canh tác, điển hình là các bãi thải tại mỏ sắt Trại Cau (gần 2 triệu m3

đất đá thải/năm), mỏ than Khánh Hòa (gần 3 triệu m3

đất đá thải/năm), mỏ than Phấn Mễ (hơn 1 triệu m3

đất đá thải/năm) [12]

Cũng theo khảo sát của nhóm tác giả thuộc Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đăng trên Tạp chí Khoa học Đất số 36/2011, hầu hết các mẫu đất tại các khu vực khai khoáng đều có biểu hiện ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt, một số mẫu gần khu sinh sống của dân cư đang bị ô nhiễm Cụ thể, hàm lượng As tại mỏ sắt Trại Cau và mỏ thiếc Đại Từ vượt chuẩn 12mg/kg; hàm lượng sắt trong tất cả các mẫu ở Trại Cau, Phấn Mễ,

Hà Thượng đều ở mứccao; hàm lượng kẽm, chì tại một số khu vực cũng vượt quy chuẩn cho phép [8]

Hoạt động khai thác có những ảnh hưởng rất lớn đến khả năng canh tác nông nghiệp tại các khu vực gần mỏ khai thác Ô nhiễm môi trường tại khu vực mỏ thiếc Đại Từ, mỏ sắt Trại Cau,…đã làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng đất canh tác nông nghiệp, ảnh hưởng đến năng suất cây trồng, ảnh hưởng rất lớn đến môi trường đất tại khu vực mỏ và xung

quanh mỏ Quá trình khai thác, bốc xúc lượng lớn đất đá và đổ thải đã làm giảm diện tích đất canh tác nông nghiệp, gây ô nhiễm lý hoá đất, làm khả năng giữ nước và các chất dinh dưỡng của đất bị suy giảm Bên cạnh đó, một số tác nhân gây ô nhiễm như KLN có khả năng tích luỹ trong đất, qua

đó có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nông sản và gián tiếp ảnh hưởng đến sức khoẻ con người [7]

2.2.2.Tình hình sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới và Việt Nam

2.2.2.1 Tình hình sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới

Nhu cầu gạo dự kiến sẽ vẫn mạnh mẽ trong vài thập kỷ tới do sự tăng trưởng kinh tế và dân số ở các nước châu Phi và châu Á Đến năm

2020, tổng lượng tiêu thụ gạo sẽ là 450 triệu tấn, tăng 6,6% so với 422 triệu tấn vào năm 2007 Nhìn chung, ngành sản 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 [3]

2.2.2.2 Tình hình sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam

Với sản lượng l ha ước tính năm 2013 của cả nước trên 40 triệu tấn, nếu tính tỉ lệ thu hoạch là 1,0 và tỉ lệ giữa trọng lượng trấu trên trọng 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.Ngoài ra, còn có phế phụ phẩm từ các loại cây khác như mía, ngô, đỗ… [3]

Đặc biệt ở nước ta 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 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 cần phải loại bỏ

2.3 Ô nhiễm kim loại nặng trong đất và các phương pháp xử lý

2.3.1 Hiện trạng và nguyên nhân ô nhiễm KLN trong đất

Ở Việt Nam những nghiên cứu bước đầu về KLN trong đất đã chỉ ra hàm lượng của các nguyên tố KLN (Cu, Pb, Zn, Cd,…) trong đất phụ thuộc nhiều vào nguồn gốc đá mẹ và mẫu chất hình thành nên các loại đất

đó Các tác giả Trần Công Tấu và Trần Công Khánh (1998) đã công bố hàm lượng KLN dạng tổng số và dễ tiêu ở tầng đất mặt 0 – 20 cm của một số loại đất: đất feralit, đất phù sa, đất xám, đất phèn… đã đưa ra 7 độc tố (Co, Cr, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) tập trung chủ yếu ở hai loại đất chính

ở Việt Nam, trong đó đất feralit có hàm lượng các nguyên tố (trừ Pb) cao nhất (Trần Công Tấu, 1998) [14]

*Nguyên nhân

 Nguồn gốc tự nhiên

Trong các khoáng vật hình thành nên đất thường chứa một hàm lượng nhất định KLN như đá macma (chứa Mn, Co, Ni, Cu, Zn,), đá nham thạch (chứa Cu),…

 Nguốn gốc nhân tạo

- Ô nhiễm do chất thải sinh hoạt

Ở các thành phố lớn, chất thải rắn sinh hoạt được thu gom, tập trung, phân loại và xử lý chủ yếu bằng chôn lấp, bùn từ hệ thống thu gom nước và nước rỉ từ các hầm ủ và bãi chôn lấp có tải lượng ô nhiễm chất hữu cơ rất cũng như các KLN: Cu , Zn, Pb, Al, Fe, Cd, Hg và cả các chất như P, N,… cũng cao Nước rỉ này sẽ ngấm xuống đất gây ô nhiễm đất và nuớc ngầm

- 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 Nguồn gây ô

nhiễm trực tiếp khi chúng được thải trực tiếp vào môi trường đất, nguồn gây ô nhiễm gián tiếp là chúng được thải vào môi trường nước, môi trường không khí nhưng do quá trình vận chuyển, lắng đọng chúng di chuyển đến đất và gây ô nhiễm đất

- Ô nhiễm KLN do hoạt động nông nghiệp

Quá trình sản xuất nông đã làm tăng đáng kể các KLN trong đất Các loại thuốc bảo vệ thực vật thường chứa As, Hg, Cu, trong khi các loại phân bón hoá học lại chứa các nguyên tố Cd, Pd, As

Bảng 2.1: Hàm lượng các KLN trong nguồn phân bón nông nghiệp (ppm)

Bùn cống thải

Phân chuồng

Nước tưới TBVTV

(Nguồn: Lê Văn Khoa,2004)[9]

Cadimi có trong nhiều nguyên liệu dùng để sản xuất phân lân và vôi Hàm lượng Cu, Zn, Pb, trong các loại phân hoá học (ure, Ca(HCO3)2, Sufat-Fe, Cu ) và khối lượng KLN nhiễm vào đất theo đường phân bón

là rất lớn Khả năng ngấm, rửa trôi và cây không hấp thụ hết là nguyên nhân gây ô nhiễm, suy thoái chất lượng đất

Có nhiều loại thuốc diệt nấm, trừ sâu gây hại cho mùa màng cũng là nguyên nhân tạo ra KLN trong đất Ví dụ như: HgCl2 và các hợp chất thuỷ ngân hữu cơ là thuốc diệt vật gây hại như sên cạn Trong quá trình sử dụng chắc chắn Hg sẽ xâm nhập vào chuỗi thức ăn, gây hiện tượng phóng đại sinh học.Khi đó tác động tới không chỉ động thực vật mà ngay cả sức khoẻ con người chúng ta [20]

2.3.2 Các biện pháp xử lý ô nhiễm KLN trong đất

a Xử lý kim loại nặng bằng thực vật

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

Tuy nhiên, hầu hết các loài thực vật có khả năng tích luỹ KLN cao là những loài phát triển chậm và có sinh khối thấp, trong khi các thực vật cho sinh khối nhanh thường rất nhạy cảm với môi trường có nồng độ kim loại cao

b Phương pháp xử lý đất bằng nhiệt

Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là làm bay hơi ở nhiệt độ cao (>800ºC) các kim loại nặng Tuy nhiên, hầu hết các kim loại nặng này thường tồn tại ở pha rắn, ít di chuyển và hoà tan trong dung dịch đất do các cơ chế hóa học và vật lý Do vậy chi phí xử lý phụ thuộc vào loại đất, hàm lượng nước trong đất và loại chất ô nhiễm Ước tính từ100 - 150 USD/tấn [13]

c Phương pháp xử lý đất bằng tách chiết, phân cấp cỡ hạt

Phương pháp này dựa vào việc rửa các kim loại nặng ra khỏi đất Quá trình rửa tập trung vào việc di dời các kim loại nặng và các hợp chất chứa kim loại nặng Quá trình này có thể được tiến hành với một vài loại tác nhân rửa khác nhau như các axit vô cơ (HCl, H2SO4 với pH=2), các axit hữu cơ (axit acetic, axit lactic…), các tác nhân tạo phức (EDTA - axit Etylen Diamin Tetraaxetic, DTPA - axit Dietylen Triamin Pentaacetic…) và sự kết hợp cả ba loại tác nhân trên

d Phương pháp xử lý đất bằng điện

Phương pháp xử lý đất bằng điện là phương pháp làm sạch dựa trên quá trình xảy ra khi có dòng điện một chiều phát ra giữa catot và anot được đặt ở một vị trí thích hợp trong đất.Sự di chuyển của các ion và các phần tử mang điện tích về các cực khác nhau được hình thành

e Phương pháp chiết tách hơi tại chỗ

Việc tách chất ô nhiễm trong đất bằng phương pháp làm bay hơi dựa trên khả năng bay hơi của các chất ô nhiễm Phương pháp này thích hợp cho việc xử lý tại chỗđất ô nhiễm các hợp chất bay hơi như: Tricloroetylen, pecloroetylen, toluen, benzen… và nhiều dung môi hữu cơ khác

f Phương pháp kết tủa hóa học

Phương pháp này phụ thuộc vào nồng độ các kim loại nặng trong dung dịch đất Việc tăng nồng độ các kim loại nặng trong pha nước xảy ra mạnh khi có mặt các axit mạnh (HCl, HNO3 và H2SO4), trong điều kiện môi trường kiềm hầu hết kim loại nặng sẽ bị kết tủa làm giảm tính độc hại của chúng

g Phương pháp phân hủy sinh học các chất ô nhiễm

Sự phân hủy sinh học đất ô nhiễm chủ yếu dựa vào việc sử dụng vi sinh vật để chuyển hóa các chất ô nhiễm, nhất là các chất ô nhiễm hữu cơ thành các chất không ô nhiễm Quá trình phân hủy sinh học tự nhiên các chất ô

nhiễm xảy ra trong môi trường đất là rất đa dạng, tuy nhiên điều kiện để phân hủy sinh học nhìn chung là không thuận lợi để đạt được hiệu quả làm sạch

Do vậy cần được bổ sung thêm những loại vi sinh vật để tăng cường quá trình phân hủy sinh học và cải thiện các điều kiện cho các vi sinh vật phân hủy Sự phân hủy sinh học có thể xảy ra ở cả điều kiện hiếu khí và kỵ khí nhưng nhìn chung điều kiện hiếu khí thường được áp dụng nhiều hơn [13]

2.3.3 Một số công trình nghiên cứu đã được công bố liên quan đến đề tài

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về khả năng hấp phụ KLN trong đất bởi các vật liệu tự nhiên còn hạn chế.Các nhà nghiên cứu chủ yếu tập trung vào khả năng loại bỏ KLN trong nước và sử dụng vật liệu hấp thụ bằng thực vật.Đến nay người ta đã phát hiện được trên 450 loài thực vật có khả năng hấp thụ kim loại nặng trong đất Điển hình như: cây dương xỉ, cỏ vetiver, lau, sậy,

cỏ mần trầu, cải xoong, rau muống…

Một số công trình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài:

- GS.TS Đặng Đình Kim Nghiên cứu sử dụng thực vật để cải tạo đất

bị ô nhiễm kim loại nặng tại các vùng khai thác khoáng sản

- Đặng Văn Minh, Nguyễn Duy Hải Nghiên cứu biện pháp xử lý sinh khối cây dương xỉ và vetiver hấp phụ kim loại nặng sau khi trồng trên đất sau khai khoáng Tạp chí Khoa học Công nghệ ĐHTN Tập 119, số 5, 2014

- Đặng Văn Minh, Nguyễn Duy Hải.Nghiên cứu biện pháp cải tạo, phục hồi và sử dụng đất sau khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên Tuyển tập kết quả nghiên cứu các đề tài thuộc dự án Khoa học Công nghệ Nông nghiệp

- Trần Thị Phả Nghiên cứu khả năng tích tụ một số kim loại nặng trong đất và trong rễ các loài thực vật chủ yếu tại khu vực khai thác quặng ở huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên

- Nguyễn Duy Hải Đánh giá thực trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất và nghiên cứu biện pháp sinh học để phục hồi đất sau khai thác thiếc tại huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên

- Mai Văn Trịnh, Trần Viết Cường, Vũ Dương Quỳnh, Nguyễn Thị Hoài Thu Nghiên cứu sản xuất than sinh học từ rơm rạ và trấu để phục vụ nâng cao độ phì đất, năng suất cây trồng và giảm phát thải khí nhà kính

- Mai Thị Lan Anh, Nguyễn Công Vinh, Nguyễn Văn Hiền, Trần Mạnh Hùng, Ngô Thị Hoan, Phạm Thị Anh Đánh giá chất lượng than sinh học sản xuất từ một số loại vật liệu hữu cơ phổ biến ở miền Bắc Việt Nam Tạp chí Khoa học và công nghệ ĐHTN năm 2012

2.4 Tổng quan về than sinh học

2.4.1 Khái niệm than sinh học

Than sinh học (Biochar) là loại than được sản xuất từ các nguồn sinh khối cây trồngkhác nhau như rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, lõi ngô, mùn cưa, phoi bào, rơm rạ, vỏ cà phê…hay rác thải hữu cơ thông qua quá trình nhiệt phân yếm khí mà cấu trúc tự nhiên của nó được duy trì và cacbon vẫn còn trong than với hàm lượng cao Than sinh học có thể cung cấp dinh dưỡng khoáng ở dạng dễ tiêu và tạo môi trường phát triển các tập đoàn sinh vật bộ rễ, chúng

có khả năng giữ dinh dưỡng, ngoài ra còn cải thiện độ chua đất Than sinh học

có thể tồn tại nhiều năm trong đất với cấu trúc tơi xốp, diện tích về mặt lớn và

độ hấp phụ các chất cao, nhờ đó cải tạo được đặc điểm vật lý cũng như tăng sức trữ ẩm của đất Ngoài ra than sinh học còn được sử dụng để xử lý ô nhiễm trong môi trường đất và môi trường nước bởi các tác nhân như: kim loại nặng, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ… [22,23]

2.4.2 Tiềm năng TSH ở Việt Nam

Theo thống kê năm 2013, tổng diện tích đất nông nghiệp là 262.805

km2 (chiếm tới 79,4%) bao gồm đất sản xuất nông nghiệp là 101.511 km2, đất

lâm nghiệp là 153.731 km2, đất nuôi trồng thuỷ sản là 7.120 km2

.Ngành nông nghiệp Việt Nam có một lợi thế to lớn, với hai vùng đồng bằng phì nhiêu là đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông Hồng, là những vùng trồng lúa được xếp vào loại tốt nhất của thế giới Theo kết quả nghiên cứu của Viện Môi trường nông nghiệp, mỗi năm Việt Nam sản xuất khoảng 42 triệu tấn lúa; 4,6 triệu tấn ngô, 10 triệu tấn sắn; 1,1 triệu tấn cà phê… Như vậy, bình quân mỗi năm chúng ta có thể khai thác được khoảng 60 triệu tấn phế phụ phẩm từ

những cây trồng chủ lực này

Bảng 2.2: Tiềm năng nguồn sinh khối ở Việt Nam

Nguồn sinh khối Số lượng (Triệu tấn/năm)

Các nguồn thải khác( Dừa, đậu, khoai mì…) 6,37

(Nguồn: Nguyễn Đặng Anh Thi, Bio-Energy in Vietnam, 2014)[15]