NGUỒN GỐC CỦA CÁC CHẤT Ô NHIỄM NITRATE VÀ AMMONIUM TRONG NƯỚC NGẦM DƯỚI SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC SIÊU ĐÔ THỊ CHÂU Á

Các dạng tồn tại của nitrate NO3 nitrit NO2 và ammonium NH4+ trong nước ngầm và cách thức biến đổi từ nguồn, vận chuyển và phân bố được nghiên cứu đối với các thành phố ở Đông Nam Á: Metro Manila, Bangkok, Jakarta. Được quan trắc bằng hệ thống thông tin địa lý và kỹ thuật đồng vị kép (đối với N15 và O18) cho rằng chính các công trình cống rãnh thoát nước rò rỉ là nguồn của những chất ô nhiễm ở khu vực đô thị Manila, Jakarta. Ngoài ra, tính chất của những chất này phụ thuộc vào cách sử dụng đất nông nghiệp ở vùng ngoại ô: ở Jakarta nồng độ nitrate cao và ở Bangkok nồng độ nitrate thấp, thành phần chính là NH4+.Sự tăng nhanh chóng theo cấp số mũ của dạng NO3 N15 kéo theo đó là sự giảm NO3 và tỷ lệ 2 đồng vị ON chỉ ra rằng có diễn ra quá trình khử. Những hệ thống có bề mặt thiếu khí kết hợp với cấu trúc địa tầng tự nhiên và những bờ hồ nhân tạo thì tạp chất NO3 sẽ thông qua phản ứng khử và phản ứng phản nitro hóa.Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng NO3 và NH4+ trong nước ngầm ở Manila, Bangkok, Jakarta thì không quá nhiều, nguy cơ thấp đối với nguồn nước ngầm mà đang sử dụng. tuy nhiên, sự tăng lượng nito và việc tăng tổng sản phẩm nội địa ở các thành phố phát triển có thể làm gia tăng lượng nito trong tương lai. Nên tiếp tục quan trắc và quản lý nguồn nước ngầm để hạn chế tối đa việc ô nhiễm trong những khu vực này, những thông tin này nên được cập nhật cho những quốc gia có cấu trúc địa lý và nền văn hóa tương tự như những khu vực khảo sát.I. Giới thiệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

Topic 14:

NGUỒN GỐC CỦA CÁC CHẤT Ô NHIỄM NITRATE VÀ AMMONIUM TRONG NƯỚC NGẦM DƯỚI SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC SIÊU ĐÔ THỊ CHÂU Á

GVHD: Ts Tô Th Hi n ị ề

Nhóm 8:

Lê Th Th ị ươ ng Giang 1022070

Lê Hoài Thanh

TP.HCM, tháng 11 năm 2013

M c L c ụ ụ

I Gi i thi u ớ ệ 3

II Đ c đi m các khu v c ặ ể ự 4

2.1 Tính ch t, đ c đi m c a các đô th phía nam châu á ấ ặ ể ủ ị 4

2.2 Metro Manila 5

2.3 Bangkok 6

2.4 Jakarta 6

III Ph ươ ng pháp 6

3.1 L y m u ấ ẫ 6

3.2 Ph ươ ng pháp phân tích 7

3.3 D li u ữ ệ 7

IV K t qu phân tích ế ả 8

4.1 Đ th ồ ị 8

4.2 Tính ch t dinh d ấ ưỡ ng c a h th ng n ủ ệ ố ướ 10 c 4.3 Tính ch t các ch t dinh d ấ ấ ưỡ ng t ng n ở ầ ướ c nông 11

4.4 S phân b c a 2 đ ng v N15 và O18 trong nitrate ự ố ủ ồ ị 11

V Th o lu n ả ậ 11

5.1 Các y u t ki m soát s phân b NH ế ố ể ự ố 4 trong t ng nông n ầ ướ c ng m ầ 12

5.2 Các y u t ki m soát s phân b NO3- trong t ng nông n ế ố ể ự ố ầ ướ c ng m ầ 13

5.3 S suy gi m NO ự ả 3- trong h th ng n ệ ố ướ c ng m ầ 14

VI K t lu n ế ậ 15

Tóm tắt

Các dạng tồn tại của nitrate NO3- nitrit NO2- và ammonium NH4+ trong nước ngầm và cách thức biến đổi từ nguồn, vận chuyển và phân bố được nghiên cứu đối với các thành phố

ở Đông Nam Á: Metro Manila, Bangkok, Jakarta Được quan trắc bằng hệ thống thông tin địa lý và kỹ thuật đồng vị kép (đối với N15 và O18) cho rằng chính các công trình cống rãnh thoát nước rò rỉ là nguồn của những chất ô nhiễm ở khu vực đô thị Manila, Jakarta Ngoài ra, tính chất của những chất này phụ thuộc vào cách sử dụng đất nông nghiệp ở vùng ngoại ô: ở Jakarta nồng độ nitrate cao và ở Bangkok nồng độ nitrate thấp, thành phần chính là NH4+

Sự tăng nhanh chóng theo cấp số mũ của dạng NO3- N15 kéo theo đó là sự giảm NO3- và

tỷ lệ 2 đồng vị O/N chỉ ra rằng có diễn ra quá trình khử Những hệ thống có bề mặt thiếu khí kết hợp với cấu trúc địa tầng tự nhiên và những bờ hồ nhân tạo thì tạp chất NO3- sẽ thông qua phản ứng khử và phản ứng phản nitro hóa

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng NO3- và NH4+ trong nước ngầm ở Manila, Bangkok, Jakarta thì không quá nhiều, nguy cơ thấp đối với nguồn nước ngầm mà đang sử dụng tuy nhiên, sự tăng lượng nito và việc tăng tổng sản phẩm nội địa ở các thành phố phát triển có thể làm gia tăng lượng nito trong tương lai Nên tiếp tục quan trắc và quản lý nguồn nước ngầm để hạn chế tối đa việc ô nhiễm trong những khu vực này, những thông tin này nên được cập nhật cho những quốc gia có cấu trúc địa lý và nền văn hóa tương tự như những khu vực khảo sát

I Gi i thi u ớ ệ

Nước ngầm là nguồn nước không thể thiếu cho các thành phố phát triển đặc biệt là những nơi nước không tồn tại do cơ sở hạ tầng dày đặc và tình trạng kém phát triển Nguồn chất ô nhiễm chủ yếu trong nước ngầm là NO3-, NO2- Trên thực tế có nồng độ NO3- cao là

sự phối hợp của một trong nnhững tác nhân đẫn đầu là methemoglobinemia, sự hiện diện của hồng cầu trong máu ( Fewtrell, 2004) Tiêu chuẩn chất lượng nước uống của WHO và EU là

50 mg NO3-/l, ngoài ra tiêu chuẩn của Nhật và Mỹ là 10mg N/l Thông thường thì lượng ammonium trong nước là thành phần chính gây nên hiện tượng hòa tan nito vô cơ DIN, đây

ko phải là tác nhân chính gây bệnh, nồng độ NH4+ cao có liên quan tới sự có mặt của tạp chất từ nông nghiệp hoặc đô thị, chẳng hạn như là tác nhân gây bệnh hoặc là thuốc trừ sâu Hơn nữa, với sự trộn lẫn không khí trong nước ngầm, nồng độ NH4+ có thể tăng lên thông qua các phản ứng của NO3- Đây là điều quan trọng trong nghiên cứu về ô nhiễm nito ở các thành phố lớn châu Á bởi vì sự gia tăng chất ô nhiễm cùng với sự kết hợp các thành phần nito được nghi ngờ tại khu vực này( Nixon, 1995) 10 trong top 20 thành phố trung bình có

sự gia tăng dân số từ 2006 đến 2020 là sự tập trung ở các thành phố lớn ở phía Đông, Đông Nam, và khu vực Nam Á, mặc dù có nhiều nghiên cứu đã trình bày nguồn, và cách thức biến đổi của những chất này trong nước ngầm, những nghiên cứu này có thể đã phân loại thành 2 dạng: các nghiên cứu dạng vết của các chất từ những nguồn điểm có liên hệ tới những lưu vực nhỏ với hệ thống nước ngầm chảy ngang và những khảo sát này nói lên xu hướng của những tạp chất này từ những nguồn lan rộng hơn, bao gồm cả nguồn diện trong khu vực với

sự phức hợp về diện tích đất sử dụng và khu vực rộng lớn của tầng nước ngầm Điển hình là những dạng nghiên cứu liên quan đến những thí nghiệm tại chỗ sử dụng những nhãn đánh dấu, những nguyên tố dạng vết sẽ được phân tích bằng phương pháp đồng vị ổn định SI như

là nguyên tố vết tự nhiên, và thêm việc quan trắc tính chất hóa học theo khoảng cách mà nguồn đó tạo ra Quan trắc bằng GIS để xem hướng đi và tính toán lượng N có thể rỉ ra từ nguồn Ở khu vực đô thị, nguồn nito khác nhau như là nguồn điểm, nguồn diện, nguồn trung gian tồn tại, do đó thường gây ra sự khó khan trong việc xác định sự biến đổi của các tạp chất ô nhiễm trong nước ngầm để so sánh với nước ngầm tự nhiên ở các vùng ngoại ô Việc ứng dụng các phương pháp latter có thể giúp phân loại cơ chế biến đổi của các chất ô nhiễm tại các thành phố này

Ở Châu Âu và Bắc Mỹ sử dụng phương pháp đồng vị phóng xạ cho trường hợp N15 và O18, tuy nhiên kiến thức tích lũy ở các nước phương tây chưa thể cung cấp hướng dẫn cho các thành phố Châu Á như là về tự nhiên, văn hóa chưa kể môi trường sống cũng khác nhau Chúng tôi giả thiết rằng sự tăng nhanh các siêu đô thị và sự liên hệ với việc không quan tâm tới việc phát triển và tình hình tài chính thiếu hụt có thể dẫn tới tích lũy tình trạng ô nhiễm trong nước ngầm từ nước cống và sự lắng đọng từ không khí Tuy nhiên, dòng trạng thái của chất thải vẫn chưa được bổ sung trong cuộc khảo sát ở những khu vực này

Do đó, trong nghiên cứu này, đầu tiên chúng tôi kiểm tra trạng thái của NO3- và NH4 ở trong hệ thống nước dùng ở các siêu đô thị này Hơn nữa, việc thành lập các cơ quan quản lý

về nguồn nước trong tương lai, chúng tôi cố gắng tra ra các nguồn của những tạp chất này bằng việc kết hợp các thành phần hóa học và dữ liệu GIS về môi trường nước mặt Chúng tôi khảo sát tại các thành phố Đông Nam Á là: Manila, Bangkok, Jakarta Chúng được đặt tại những nơi có đặc điểm khí hậu tương đồng, nhưng khác về nền thủy văn và nền văn hóa

II Đ c đi m các khu v c ặ ể ự

2.1 Tính ch t, đ c đi m c a các đô th phía nam châu á ấ ặ ể ủ ị

Mùa mưa và mùa khô được điều tiết bởi hệ thống gió mùa chính điều này tạo nên đặc điểm thủy văn tại nơi đây

Biểu đồ này thể hiện lượng mưa và nhiệt độ hàng năm tại đây và so với các khu vực khác trên thế giới Các giá trị so sánh ở các đô thị Đông Nam Á khá tương đồng với một vài thành phố ở Châu Âu và Bắc Mỹ Tuy nhiên, lượng mưa thì cao hơn 1000 mm và nhiệt độ cao hơn

10 độ Sự tác động mạnh mẽ của khí hậu đến nguồn nước uống và nguồn nước dùng cho nông nghiệp, cũng như minh chứng 70 % đất ẩm của thế giới tập trung ở Châu Á

Khu vực khảo sát dựa trên những khu tập trung đô thị, ví dụ như Manila và Jakarta, xung quanh khu vực Manila và Jakarta, trong khi mẫu nước ở Bangkok được quản lý thông qua đường phân nước, mở rộng về phía xa khu Bangkok

2.2 Metro Manila

Manila là thủ đô Phillipine và 15 thành phố xung quanh giữa vịnh Manila và vịnh Laguna de, phần đảo phía nam của Luzon Mật độ dân số tăng lên từ 1970 tới năm 2000, nơi

mà mật độ dân ở trung tâm Jakarta và Bangkok bắt đầu giảm trong cùng thời gian

Vùng duyên hải bồi tụ từ 10 tới 60 m độ dày, tạo ra cát và lương đất sét Sự phát triển ko giới hạn tầng nước ngầm dưới lớp sét tạo thành những đới sâu 60 đến 90m theo dạng Gualalupe, gồm những tầng lớp nằm liên tục với nhau từ lớp đá, đất, đá bùn, kế đó là lớp bồi tụ, và dưới cùng là đới nước ngầm Từ vùng đất nông nghiệp tới những cánh rừng và những vùng ở Metro Manila dần bị đô thị hóa Nước ngầm và nước mặt là nguồn quan trọng cho cả sinh hoạt và công nghiệp do nhu cầu sử dụng ngày càng tăng Tuy nhiên, sự khai thác nước quá mức làm mực nước ngầm giảm đáng kể điều này dẫn tới việc xâm nhập mặn, đặc biệt là những vùng ven biển rất nhiều những giếng bị bỏ hoang mặc dù nước giếng vẫn là nguồn cần thiết

2.3 Bangkok

Đô thị Bangkok cách 25 km về phía bắc của Thái lan, trên vùng đồng bằng của sông Chao Phraya Sau khi luật bơm nước ngầm bị điều chỉnh năm 1985 và nguồn cấp nước đô thị phụ thuộc vào sông này, sự sụt lún của vùng này hầu như không còn Diện tích lớn đất bị sụt lún còn được quan sát thấy vào năm 2005 do nhu cầu sử dụng nước ngầm ở vùng này tăng lên

Khu vực này chịu ảnh hưởng của thủy triều khá nhiều trong nghiên cứu địa tầng đã chỉ

ra có sự thay đổi ở các tầng đất với lớp cuội sỏi và lớp sét hình thành những tầng nước ngầm những dòng ngầm này bắt đầu từ phía đông và tây và chảy đến Gulf của Thái lan ở miền Nam Vì có sự phân chia giữa các tầng ngầm, nên có từ 2 đến 4 tầng nằm phía trên Việc khai thác nước ngầm phục vụ cho sinh hoạt và công nghiệp làm ảnh hưởng tới cả hệ thống nước ngầm dưới Bangkok Khu vực đô thị hóa kéo dài dọc theo các con đường chính và sông bao quanh khu vực này Tuy nhiên, vùng đất thấp trũng nơi đây vẫn còn chiếm diện tích khá lớn

2.4 Jakarta

Là thủ đô của Indonesia, nằm trên vùng đất trũng của rìa phía tây Java thuộc 1 mảng kiến tạo của Ấn Độ theo mảng Âu, vùng này còn được dọi là ”jobotabek” lấy những chữ cái đứng đầu của Jakarta, Bongor, Tangerang, Bekasi Jakarta là một vùng đồng nhất về khu vực thành thị nhưng không đồng nhất về vùng đất sử dụng trải dài phía ngoài Jakarta và rìa thành phố

Dòng cơ bản của hệ thống nước ngầm ở Jobotabek và vùng ranh giới phía Nam có lớp Tertiary không thấm nước Lớp đệm của tro núi lửa thì có khả năng thấm, giữ nước tốt hơn nền Tertiary Lượng nước ngầm nơi đây thì ít hơn nước mặt, chính phủ lo ngại lượng nước ngầm không đủ dùng Tuy nhiên ước tính sơ bộ cho thấy rằng cần có sự quản lý cho việc khai thác nước giếng

III Ph ươ ng pháp

3.1 L y m u ấ ẫ

Về mùa mưa mỗi nơi mỗi khác nên việc lấy mẫu cũng phụ thuộc vào từng địa điểm Lấy mẫu bắt đầu vào mùa mưa tháng 5( Manila), t6( Bangkok), t9(Jakarta) vào năm 2006 Lấy từ

20 đến 50 mẫu ở mỗi khu vực nghiên cứu đặc biệt là nước ngầm dùng cho sinh hoạt Lượng mẫu lấy ở Bangkok thì ít vì hầu hết các giếng bị bỏ hoang nhiều năm dẫn tới sự suy giảm chất lượng nước ở nhiều nơi, lấy mẫu nước ngầm phải lấy ở các giếng quan trắc gần đó hoặc giếng đào Những chỗ ko lấy được phải hứng từ những van rỉ nước ra Lấy 5-15 mẫu ở các sông - đây là nơi phản ánh chất lượng khi sử dụng và là nguồn bổ cập vào nước ngầm

Mẫu nước giếng được thu bằng cách dùng những gàu hoặc bơm lên ở những giếng thường và lấy thùng múc lên ở những giếng đào Có những mẫu nước lấy lên phải lọc qua giấy lọc cellulose 0.45 µM Những mẫu phân tích thành phần dinh dưỡng và đồng vị thì phải làm đông cho tới khi phân tích trong khi những mẫu phân tích các ion thì bảo quan lạnh

3.2 Ph ươ ng pháp phân tích

Các anion: NO3-, Cl-, SO42- và cation Na+, K+, Mg2+, Ca2+ phân tích bằng sắc kí ion(

ICS-90, Dionex, Sunnyvale, CS, USA)

Dùng phương pháp chuẩn độ : HCO

3-Phương pháp so màu: NO3-, NH4+, NO

2-Phương pháp denitrifier: phân tích đồng vị N15, O18, (NO2-- NO3-)

Hỗn hợp (NO2-- NO3-) được chuyển về N2O bởi hoạt động của vi sinh vật, N2O sẽ thoát

ra trong quá trình lấy mẫu thông qua các thao tác Trong phân tích cũng dùng khí mang trong sắc ký, dùng sắc ký khí và sắc ký khối phổ Tỷ lệ N15/N14 và O18/O16 có mối liên hệ với thành phần có trong không khí

3.3 D li u ữ ệ

Nồng độ của DIN và sự hình thành chúng ở tầng nông phù hợp với các dữ liệu về phần đất được sử dụng trên bề mặt trong khi cũng có sự thay đổi theo các điều kiện trong quá trình vận chuyển Bởi có sự khác nhau về địa chất nên sẽ có những tác nhân khác nhau tác động tới DIN và sự hình thành của chúng cũng như phần đất được dùng Để hiểu hơn về cách thức chuyển thành trạng thái của DIN trong nước ngầm, các cách phân tích các thành phần cố định mang theo là (NO2-+ NO3-), NH4+ dùng phần mềm của Stacel ver.2 (OMS-Publishing, Saitama, Japan)

Tại mỗi địa điểm, sự khác nhau giữa(NO2-+ NO3-)/ NH4+ được so sánh dựa trên kiểm tra

về việc sử dụng đất hoặc cấu trúc địa chất Trong bộ lấy mẫu không để lộn xộn mà phân chia thành những mẫu lấy để kiểm tra về cách sử dụng đât và những mẫu quán sát về mặt địa chất Phải có tính đồng nhất giữa các dữ liệu mẫu để tránh phân tích lộn xộn

IV K t qu phân tích ế ả

4.1 Đ th ồ ị

Đồ thị trên cho thấy chất lượng nước biến đổi theo nồng độ( mEq/L) của các thành phần hóa học Mặc dù đặc điểm nước mặt ở các thành phố tương tự nhau, tính chất nước ngầm còn phụ thuộc vào từng địa phương Tại Manila và Jakarta 50-60% nước ngầm tầng nông tồn tại dạng Ca(HCO3)2 Mặt khác, 40% nước ngầm tầng nông ở Jakarta đặc biệt là những vùng đất khô trên vùng núi lửa thì tồn tại dạng CaSO4, CaCl2 và cả Ca2+, Cl-, SO42- Nước ngầm tầng nông gần biển thì chứa NaSO4, NaCl Vì nước bị xâm nhập mặn thông qua việc khai thác nước ngầm Tại Bangkok, một vài mẫu nước lấy ở tầng ngầm sâu khoảng 100- 250m cũng phân tích được như trên, thậm chí tìm thấy có hiện tượng xâm nhập mặn ở những nơi cách xa bờ biển 50km Vì những khu vực này có lớp trầm tích được hình thành từ biển, có thể sự giải phóng từ lớp sét nên làm tăng lượng Cl- trong nước Ngoài ra, hơn 80% các mẫu thu được ở tầng nước sâu tại Manila và Jakarta cho thấy sự hiện diện của NaHCO3, với việc nhận thấy có Ca2+ và HCO3 -trong nước tầng sâu, ion Na+ trong trầm tích giải phóng ra và thay thế Ca2+ như thế làm tăng

Na+ trong nước lên

4.2 Tính ch t dinh d ấ ưỡ ng c a h th ng n ủ ệ ố ướ c

Bảng 2 như trên thể hiện tính chất của các chất dinh dưỡng được quan sát trong hệ thống nước của mỗi thành phố [ NO3-] cho thấy rằng nitrate được hình thành từ NO3-+ NO2-và

NO2-là thành phần thường thấy trong các mẫu nước đem so sánh với NO3- và NH4+ Hơn nữa

là [NO3-]/[NH4+ ]cao hay thấp đều được tìm thấy ở mỗi khu vực nghiên cứu, do các hoạt động của con người gây nên Kết quả cho thấy sự phân bố nồng độ các hợp chất nito trong

hệ thống nước có sự khác nhau về lượng ở mỗi khu vực Tuy nhiên các dữ liệu cho biết thêm rằng tính chất của các DIN trong nước ngầm ở Jakarta thì cao hơn so với các thành phố còn lại chủ yếu dựa trên sự phân bố của NO3-, và DIN ở sông Manila dựa trên sự phân bố của

NH4+

Trung bình thì nồng độ NO3- trong mẫu nước tầng nông vào khoảng 240, 126, 32 µM tại Jakarta, Manila, Bangkok Trong khi đó NH4+ được thấy nhiều nhất ở Bangkok, ở tầng nước sâu, NH4+ = là thành phần chính trong nghiên cứu này, [ NO3-] thì ít hơn 5µM Hầu hết các DIN ở những suối là dạng NH4+ ở Manila và NO3- ở Bangkkok và Jakarta Các tạp chất dinh dưỡng này được tìm thấy trong mẫu nước của Manila, đem so với nồng độ 30-40 µM

NO3- ở Bangkok và Jakarta

4.3 Tính ch t các ch t dinh d ấ ấ ưỡ ng t ng n ở ầ ướ c nông.

Mỗi khu vực có sự tồn tại của từng dạng DIN và nồng độ trong tầng nước nông khác nhau Hình 6 Nước đầu nguồn ở Bangkok, NH4+ chiếm ưu thế cả ở vùng đất thành thị và nông nghiệp, bảng 3 Cũng vậy, [NO3-] được thấy rằng cao hơn so với [NH4+]cả ở 2 nơi là đô thị và nông thôn Mặt khác NH4+ ở Bangkok và NO3- ở Jakarta thì được so với những nơi có cấu trúc địa chất tương tự việc so sánh được thực hiện nhưng không rõ ràng từng nhân tố ( đất sử dụng, địa chất, tính chất của DIN) ở Jakarta nhận thấy rõ nhất là NO3- và NH4+, NO3

-thì tháy trong nơi có núi lửa và vùng đất khô, còn NH4+ thì thấy ở khu vực thành thị

4.4 S phân b c a 2 đ ng v N15 và O18 trong nitrate ự ố ủ ồ ị

Tính chất của 2 dạng đồng vị này thể hiện trong bảng 4 và hình 8 với từng vị trí mẫu nhiều nhất về đồng vị N15 là những mẫu nước ngầm ở Manila( 35.8%0), Jakarta 34.5, và thấp nhất ở Bangkok là 17.6 tương tự vậy, điều này có nghĩa là đồng vị N15 ở tầng nước sâu trung bình là 10-20 %0 thâp hơn tầng nước nông ở cả 3 khu vực So sánh với các mẫu, thì mẫu nước ngầm có nồng độ nhỏ hơn nước sông

Nitrate có đồng vị O18 cũng được xếp hạng từ -19 tới 18 %0 trong các mẫu nước mặt và nước ngầm mặc dù có kết quả cao hơn trong nước mưa O18 này có giá trị tăng lên cùng với N15 trong các mẫu nước thu về ở manila và Jakarta trong khi điều này ko thấy ở