Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

Mã số: 60 44 03 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Đặng Văn Minh

THÁI NGUYÊN - 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được xuất phát từ yêu cầu thực tế để từ đó hình thành lên hướng nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo GS TS Đặng Văn Minh Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng quy định và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực chưa từng được ai công bố trước đây

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình!

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017

Học viên

Nguyễn Nhật Hiếu

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo GS TS Đặng Văn Minh - Trường Đại học Thái Nguyên, người đã định hướng đề tài, cung cấp tài liệu và tận tình hướng dẫn chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ này Em xin được gửi lời cảm ơn tới Khoa Môi trường - Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên cùng các thầy cô giáo trong Khoa đã tận tình giảng dạy

và truyền đạt những kiến thức, những kinh nghiệm quý báu cũng như những tình cảm tốt đẹp cho em trong suốt thời gian học tập tại Trường

Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Phòng Đào tạo sau đại học - Đại học Nông Lâm Thái Nguyên các thầy cô giáo đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất cho chúng em được học và nghiên cứu

Cuối cùng, em xin dành một tình cảm biết ơn đến gia đình và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh, động viên, chia sẻ cùng em trong suốt thời gian học tập cũng như quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017

Học viên

Nguyễn Nhật Hiếu

iii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Quy định mức giới hạn kim loại nặng trong đất 6

Bảng 1.2 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao 8

Bảng 1.3 Một số loài thực vật cho sinh khối nhanh có thể sử dụng để xử lý kim loại nặng trong đất 9

Bảng 1.4 Số lượng rơm tính theo các loại cây trồng ở Trung Quốc năm 2002 18

Bảng 1.5 Ứng dụng rơm rạ trong nông nghiệp 21

Bảng 1.6 Thành phần hóa học của vỏ trấu 21

Bảng 1.7 Thành phần hóa học của tro bay theo Quốc gia 23

Bảng 1.8 Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau 24

Bảng 1.9 Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 25

Bảng 1.10 Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel 28

Bảng 1.11 Kích thước hạt tro bay thương phẩm 28

Bảng 1.12 Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước 31

Bảng 1.13 Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030 31

Bảng 3.1 Nguồn tro bay của các nhà máy nhiệt điện trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên 42

Bảng 3.2 Thành phần, tính chất của tro bay 43

Bảng 3.3 Phân tích mức độ ô nhiễm kim loại trong đất mỏ chì kẽm Làng Hích 44

Bảng 3.4 Lượng rơm rạ phát sinh trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên 45

Bảng 3.5 Tiềm năng sản xuất than sinh học từ rơm rạ tại tỉnh Thái Nguyên 46

Bảng 3.6 Thành phần, tính chất của than sinh học sản xuất từ rơm rạ 46

Bảng 3.7 Bảng kết quả phân tích thành phần của đất trước phân tích 47

Bảng 3.8 Bảng kết quả các chỉ tiêu pH trong quá trình ủ Biochar, tro bay 48

Bảng 3.9 Bảng kết quả các chỉ tiêu Eh trong quá trình ủ Biochar, tro bay 49

Bảng 3.10 Bảng kết quả các chỉ tiêu EC trong quá trình ủ Biochar, tro bay 50

Bảng 3.11 Bảng kết quả các chỉ tiêu kim loại Pb, Zn, Cd (Tất cả kim loại thuộc dạng di động) sau 90 ngày ủ Biochar, tro bay 51

iv

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Ước tính lượng rơm rạ ngoài đồng ruộng của một số tỉnh vùng

đồng bằng Sông Hồng 18 Hình 1.2 Sự tương phản về kích thước tro bay 27 Hình 1.3 Biểu diễn đặc trưng dạng cầu của các hạt trong khoảng kích thước

thường thấy nhiều hơn 27 Hình 1.4 Cấu trúc hạt tro bay sau khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF 27 Hình 1.5 Biểu đồ sản lượng tro bay và phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ

từ 1966-2012 29 Hình 1.6 Biểu đồ lượng tro bay tạo thành, tro bay sử dụng và phần trăm sử

dụng tro bay ở Trung Quốc từ 2001-2008 30 Hình 3.1 Sơ đồ hành chỉnh tỉnh Thái Nguyên 40

v

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH iv

MỤC LỤC v

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu 2

3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 2

3.1 Ý nghĩa khoa học 2

3.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài 3

1.1.1 Cơ sở khoa học 3

1.1.2 Thực tiễn đề tài 3

1.2 Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm KLN trong đất do khai thác khoáng sản 4

1.2.1 Tại Việt Nam 4

1.2.2 Tại nước ngoài 5

1.2.3 Ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng 6

1.2.4 Các phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm 7

1.3 Tổng quan về than sinh học 10

1.3.1 Than sinh học (TSH) là gì? 10

1.3.2 Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của TSH 10

1.3.3 Đặc điểm của TSH 14

1.3.4 Khả năng ứng dụng của TSH 14

1.3.5 Sản xuất TSH 16

1.4 Tổng quan về phế phụ phẩm nông nghiệp 17

1.4.1 Định nghĩa và nguồn gốc phát sinh của phế phụ phẩm nông nghiệp 17

1.4.2 Hiện trạng phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới và trong nước 17

1.4.3 Tổng quan về một số loại phế phẩm nông nghiệp tại Việt Nam 19

vi

1.5 Tổng quan về tro bay 22

1.5.1 Tro bay là gì? 22

1.5.2 Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của Tro bay 22

1.5.3 Đặc điểm của Tro bay 26

1.5.4 Sản lượng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới 29

1.5.5 Khả năng ứng dụng của tro bay trong nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm 32

1.5.6 Tình hình nghiên cứu xử lý và ứng dụng tro bay ở Việt Nam 32

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 36

2.1.1 Đối tượng 36

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 36

2.2 Nội dung nghiên cứu 36

2.3 Phương pháp nghiên cứu 36

2.3.1 Cách tiếp cận 36

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu 37

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 40

3.1 Thực trạng việc khai thác khoáng sản và đất bị ô nhiễm KLN trên đất khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên 40

3.2 Đánh giá nguồn nguyên liệu sản xuất than sinh học (biochar) và tro bay tại tỉnh Thái Nguyên 42

3.2.1 Tình hình phát sinh và thành phần tính chất của tro bay nhà máy nhiệt điện 42

3.2.2 Nguồn nguyên liệu rơm rạ và thành phần tính chất của than sinh học sản xuất từ rơm rạ 44

3.3 Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng của than hoạt tính, tro bay trên đất sau khai khoáng 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

1 Kết luận 54

2 Kiến nghị 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có số lượng mỏ khoáng sản lớn Đất tại những vùng sau khi khai thác khoáng sản rất nghèo kiệt và suy thoái nghiêm trọng (Đặng Văn Minh và cs, 2011) Việc suy thoái và ô nhiễm môi trường đất đã làm cho những vùng đất này không có khả năng canh tác nông nghiệp hoặc nếu trồng được cây nông nghiệp nhưng hiệu quả thấp và sản phẩm nông nghiệp trồng trên đất này không an toàn cho người sử dụng (Đặng Văn Can và Đào Ngọc Phong, 2000, Phạm Quang Hà, 2002) Một số nguyên tố kim loại nặng có tính độc hại cao trong đất sau khai khoáng có thể gây hại tới động, thực vật và con người (Trịnh Thị Thanh, 2002)

Kim loại nặng (KLN) có thể tồn tại ở trạng thái phản ứng (linh động), hay không phản ứng (cổ định) Để xử lý kim loại nặng trong đất thường cổ định và ngăn chặn chúng chuyển sang trạng thái linh động Hướng tiếp cận chính của đề tài này là: sử dụng than sinh học (từ phế phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ), tro bay (chất thải của nhà máy nhiệt điện) phối hợp đá apatit hấp phụ và cố định KLN trong đất sau khai khoáng Các nguồn nguyên liệu này rất sẵn có hiện nay và rẻ tiền

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… 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

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

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 cũng đang bị ô nhiễm Cụ thể, hàm lượng asen 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 mức cao; hàm lượng kẽm, chì tại một số khu vực cũng vượt chuẩn cho phép

2

Đáng chú ý,tại nhiều khu vực mỏ ở Trại Cau, Đồng Hỷ và một vài điểm ở Phú Lương, Đại Từ xuất hiện không ít những doanh nghiệp khai thác không phép, không có thiết kế mỏ, khiến tài nguyên bị tổn thất và môi trường bị ô nhiễm nặng nề

Nhận thức được ảnh hưởng xấu của đất bị ô nhiễm do khai thác khoáng sản,

dưới sự định hướng của GS.TS Đặng Văn Minh, tôi lựa chọn đề tài ”Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để

xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản” nhằm đưa ra giải pháp công nghệ góp

phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất bị ô nhiễm sau khai khoáng

3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

3.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu về tính chất của than sinh học và tro bay và thành phần kim loại nặng có trong đất sau khai khoáng Phân tích, đánh giá được những chỉ tiêu trong đất và hàm lượng kim loại nặng trong đất thay đổi như thế nào với các công thức ủ than sinh học và tro bay khác nhau

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu khả năng xử lý đất bị ô nhiễm do bị ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản bằng các vật liệu rẻ tiền và sẵn có tại các địa phương như than sinh học, tro bay

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

1.1.1 Cơ sở khoa học

Than sinh học (TSH) được sản xuất từ rơm rạ hiện thường được coi là phế phụ phẩm nông nghiệp Các loại TSH đều có đặc điểm chung: Độ xốp cao có khả năng giữ không khí, giữ nước, chất dinh dưỡng, môi trường sống thích hợp cho một số vi khuẩn và sự phát triển của thực vật, đồng thời có khả năng hấp thụ của các KLN

Tro bay là một loại chất thải rắn sinh ra từ quá trình đốt than từ các nhà máy nhiệt điện Mỗi năm, các nhà máy nhiệt điện Việt Nam tiêu thụ gần 14 triệu tấn than

và thải ra khoảng 4,5 triệu tấn tro xỉ phế thải Đến năm 2020, lượng tro xỉ thải lên đến 16 triệu tấn/năm Thành phần hóa học của tro bay chủ yếu là hỗn hợp các ôxit

một trong những tính chất quan trọng để xử lý đất ô nhiễm KLN

khả năng cố định các kim loại nặng Dùng apatit để xử lý kim loại nặng trong đất là phương pháp mới đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới với các tên gọi khác nhau như in-situ remediation technicques (Canađa), phot-phát - induce metal stabilization (Mỹ)

1.1.2 Thực tiễn đề tài

Qua khảo sát của các nhà khoa học cho thấy, đất đai một số địa phương trong

cả nước tập trung nhiều mỏ khoáng sản đã và đang khai thác bị ô nhiễm kim loại nặng Ví như tại Thái Nguyên, ở 4 vùng khai thác mỏ đặc trưng (mỏ than Núi Hồng, sắt Trại Cau, chì - kẽm làng Hích, xã Tân Long và thiếc núi Pháo, Hà Thượng), hàm lượng các kim loại như chì (Pb), kẽm (Zn), asen (As), cadami (Cd) trong đất cao gấp nhiều lần mức cho phép Trong đó phải kể đến là khu vực Hà Thượng, huyện Đại Từ, hàm lượng As trong một số mẫu đất cao hơn quy chuẩn cho phép là 1262 và 467 lần, tương ứng Tại huyện Yên Lãng, hàm lượng As trong đất cao hơn quy chuẩn cho phép của Việt Nam là 308 lần,… Tại huyện Đồng Hỷ, hàm lượng Cd, Pb và Zn ở trong đất Làng Hích, xã Tân Long cao hơn ở các điểm thu mẫu khác Đặc biệt, hàm lượng Pb ở trong 03 mẫu là 108,5; 45,1 và 51,3 ppm, đều

4

vượt Quy chuẩn Việt Nam Hàm lượng Zn trong các điểm mẫu đó cao hơn quy chuẩn cho phép khoảng 45 lần Hàm lượng As và Cd ở 3 điểm lấy mẫu nêu trên cũng cao hơn khi so với đất không ô nhiễm… (Viện Công nghệ môi trường, 2010 Báo cáo tổng hợp kết quả Khoa học công nghệ đề tài KC 08.04/06-10:)

1.2 Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm KLN trong đất do khai thác khoáng sản

1.2.1 Tại Việt Nam

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 vật liệu hấp phụ bằng thực vật

Đất là một trong những thành phần chủ yếu của môi trường, do đó công tác quản lý đất là hết sức quan trọng và cấp thiết có thể gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng, môi trường đất Các hoạt động đô thị, khai khoáng, nông nghiệp là nguyên nhân gây suy giảm chất lượng đất và các hình thức bảo vệ nguồn tài nguyên đất là yêu cầu khẩn cấp, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng trong đất

Việc khai thác, sản xuất và sử dụng các sản phẩm hóa học (ví dụ như ắc quy, chất thải công nghiệp, cặn bùn,…) gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất Bản thân kim loại nặng cũng tồn tại tự nhiên trong đất nhưng hiếm khi tồn tại ở mức độ độc hại

Sự tích lũy kim loại nặng quá mức trong đất gây độc hại cho người dân và những động vật khác Các thói quen thải kim loại nặng bừa bãi (trong thời gian dài) làm thay đổi chuỗi thức ăn Ngộ độc cấp tính từ kim loại nặng hiếm khi do ăn vào hoặc tiếp xúc qua da nhưng cũng hoàn toàn có thể Việc tiếp xúc với kim loại nặng lâu ngày sẽ gây nên các loại bệnh:

- Chì: Gây thần kinh mệt mỏi và rối loạn

- Cd: Ảnh hưởng đến gan, thận và bộ phận GI

- Arsenic: Đầu độc da, thận và hệ nơ ron trung ương

Vấn đề thường gây ra bởi các cation kim loại (những nguyên tố trong đất là

quanh thường là (những nguyên tố trong đất kết hợp với oxy và có điện tích âm:

KHCN và QLMT thành phố HCM)

Bên cạnh đó, tro bay và diatomit được biến tính sau đó đưa vào đất ô nhiễm

Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full