SỰ XUẤT HIỆN ĐỒNG THỜI CỦA ARSENIC VÀ FLUORIDE TRONG NƯỚC NGẦM Ở CÁC VÙNG BÁN KHÔ HẠN TẠI MỸ LATIN: NGUỒN GỐC, BIẾN ĐỘNG VÀ KHẮC PHỤC. Tóm tắt Hàng triệu người trên thế giới đang tiếp xúc với một lượng rất lớn arsenic (As) và fluoride (F) thông qua nước uống. Mặc dù những tác động độc hại riêng biệt của As và F đã được phân tích, nhưng vẫn còn rất ít những nghiên cứu có liên quan đến sự có mặt đồng thời của chúng và các giải pháp xử lý trong nước. Một số nghiên cứu được tiến hành trong vùng khô hạn và bán khô hạn của khu vực Mỹ Latin cho thấy sự xuất hiện đồng thời của As và F trong nước uống có liên kết với các hạt bụi hình thành từ hoạt động của núi lửa trong hoàng thổ hoặc phù sa, độ pH kiềm, và sự tiếp nước hạn chế. Kết quả ô nhiễm As và F từ sự tương tác đá nước và có thể được tăng cường bằng các hoạt động địa nhiệt và khai khoáng, cũng như khai thác quá mức tầng ngậm nước Các loại ô nhiễm đặc biệt này thể hiện rõ rệt ở các vùng khô hạn và bán khô hạn, nơi nồng độ As cao thường cho thấy một mối quan hệ trực tiếp với nồng độ F cao. F tăng thường có liên quan tới sự phân huỷ F và nó cũng liên kết với nồng độ Cl, Br và V cao. Các phương pháp loại bỏ As và F, như kết tủa hoá học bằng cách lọc và thẩm thấu ngược đang được sử dụng với nhiều mô hình và sắp xếp ở khu vực Mỹ Latin. Mặc dù có nhiều công nghệ có sẵn tại đây, nhưng cần phải khẩn trương phát triển các công nghệ và các phương pháp có khả năng giám sát và loại bỏ đồng thời cả hai chất ô nhiễm này trong nước uống, với một trọng tâm đặc biệt đồi với hoạt động nông thôn quy mô nhỏ.
Trang 1SỰ XUẤT HIỆN ĐỒNG THỜI CỦA ARSENIC VÀ FLUORIDE TRONG NƯỚC NGẦM Ở CÁC VÙNG BÁN KHÔ HẠN TẠI MỸ LATIN: NGUỒN GỐC, BIẾN ĐỘNG VÀ KHẮC PHỤC.
Tóm tắt
Hàng triệu người trên thế giới đang tiếp xúc với một lượng rất lớn arsenic (As) và fluoride (F) thông qua nước uống Mặc dù những tác động độc hại riêng biệt của As
và F đã được phân tích, nhưng vẫn còn rất ít những nghiên cứu có liên quan đến sự
có mặt đồng thời của chúng và các giải pháp xử lý trong nước Một số nghiên cứu được tiến hành trong vùng khô hạn và bán khô hạn của khu vực Mỹ Latin cho thấy
sự xuất hiện đồng thời của As và F trong nước uống có liên kết với các hạt bụi hình thành từ hoạt động của núi lửa trong hoàng thổ hoặc phù sa, độ pH kiềm, và sự tiếp nước hạn chế Kết quả ô nhiễm As và F từ sự tương tác đá - nước và có thể được tăng cường bằng các hoạt động địa nhiệt và khai khoáng, cũng như khai thác quá mức tầng ngậm nước Các loại ô nhiễm đặc biệt này thể hiện rõ rệt ở các vùng khô hạn và bán khô hạn, nơi nồng độ As cao thường cho thấy một mối quan hệ trực tiếp với nồng độ F cao F tăng thường có liên quan tới sự phân huỷ F và nó cũng liên kết với nồng độ Cl, Br và V cao Các phương pháp loại bỏ As và F, như kết tủa hoá học bằng cách lọc và thẩm thấu ngược đang được sử dụng với nhiều mô hình và sắp xếp ở khu vực Mỹ Latin Mặc dù có nhiều công nghệ có sẵn tại đây, nhưng cần phải khẩn trương phát triển các công nghệ và các phương pháp có khả năng giám sát và loại bỏ đồng thời cả hai chất ô nhiễm này trong nước uống, với một trọng tâm đặc biệt đồi với hoạt động nông thôn quy mô nhỏ
1 Giới thiệu
Sự xuất hiện của As và F trong nước ngầm đã được thông báo rộng rãi ở Mỹ Latin, đặc biệt ở các vùng khô hạn và bán khô hạn như Mexico, Argentina và Chile Không may, thường là trường hợp F không được coi là một vấn đề, lý do mà sự hiện diện của nó thậm chí không được xác định ở nhiều nơi ở Mỹ Latin Do tính
Trang 2độc hại cao của As, các kỹ thuật loại bỏ nó đã được tập trung nghiên cứu rộng rãi trong suốt hai thập kỹ qua [1] Thú vị thay, sự xuất hiện đồng thời mang tính địa chất của các chất ô nhiễm đã được thông báo bằng nhiều cuộc điều tra từ EI Salvador, Peru, Bolivia, Nicaragua, Ecuador, Colombia, và Guatemala [2-4] Có một xác xuất cao cho thấy F có thể xuất hiện trong các khu vực khác của Mỹ Latin, đặc biệt ở các nơi có điều kiện khô hạn và bán khô hạn, nơi mà As trong nước uống được phát hiện và nơi mà tầng ngậm nước đã được mô tả đặc điểm bằng một hỗn hợp trầm tích đá vôi và đá magma, đá thì như phiến sét và đá sa thạch, hoặc nước ngầm kiềm có chứa dạng Na-HCO3- Mặc dù nghiên cứu này chỉ tập trung ở khu bực Mỹ Latin, nhưng vấn đề nồng độ F và As cao có ảnh hưởng rất lớn Các khu vực mà không quan trắc F có thể tìm thấy sự hiện diện với nồng độ cao, và những phát triển mới trong khu vực khô hạn có thể lợi dụng sự có sẵn nước ngầm, kéo nước từ những chỗ sâu hơn của tầng ngậm nước, nơi những chất ô nhiễm có thể có nồng độ cao hơn [6, 7] Trong phần cuối của bàn viết này, phân tích và thảo luận về các cách xử lý nước có chứa chất ô nhiễm As và F áp dụng cho tất cả các khu vực khô hạn với nguồn lực kinh tế hạn chế, và không bị giới hạn ở Mỹ Latin
Tại nhiều khu vực Mỹ Latin, nồng độ As và F hoà tan cho thấy sự xuất hiện đồng thời đáng chú ý [7-9], vì cậy nâng cao sức khoẻ có nguy cơ gây ra bởi HACRE (viết tắt tiếng tây ban nha Hidroarsenicismo Crónico Regional Endémico - bệnh mãn tính do dùng nước nhiễm As địa phương) [10] và/ hoặc nhiễm F, có trong răng hoặc xương [11] Hàng triệu người ở Mỹ Latin có thể hiện đang tiếp xúc với F và
As qua nước uống [9-14] Chỉ tính riêng tại Mexico, xấp xĩ 6 triệu người đang tiếp xúc với cả hai chất ô nhiễm [15-17]
Ít hiểu biết về những tác động độc hại xuất phát từ việc tiếp xúc đồng thời As và F [6,17], nhưng nó cũng có thể dẫn tới HACRE và dịch F địa phương Sự tiếp xúc As hoặc F biểu hiện bằng cách giảm chỉ số IQ và chức năng trí tuệ ở trẻ em [18-20] Những nghiên cứu gần đây đã khoả sát tác động của việc tiếp xúc cả hai chất ô
Trang 3nhiễm này vào tế bào miễn dịch trong quần thể người có tiếp xúc mãn tính thông qua nước uống Sự hiện diện của cả F và As có thề thấy bằng cách so sánh biểu hiện gen của người tiếp xúc với cả hai chất ô nhiễm với người tiếp xúc mỗi chất riêng biệt Sự tương tác giữa As và một số nguyên tố khác có thể là chìa khoá giải thích đầy đủ về cơ chế phân tử có liên quan tới việc phát triển của các bệnh viêm nhiễm và ác tính [21,22]
Giải pháp cho vấn đề nước uống có chứa As và F yêu cầu cần phải khai thác các nguồn nước thay thế hoặc xử lý nước ô nhiễm Một số quy trình thông thường loại
bỏ từng chất ô nhiễm, nhưng chỉ có một số có thể loại bỏ đồng thời cả hai chất ô nhiễm [1,2,23] Rất nhiều trong số những phương pháp này là kết hợp giữa các công nghệ truyền thống và nâng cao, mà chủ yếu được dùng để xử lý nồng độ As trong nguồn nước ngầm đô thị Một lần nữa, loại bỏ F lại không được xem xét một cách quan trọng như As, mặc dù nó có thể xuất hiện đồng thời cùng As trong hầu hết các vùng bán khô hạn ở Mỹ Latin
Bản thảo này trình bày một tổng quan ngắn gọn về việc có mặt đồng thời As và F trong các nguồn nước uống bằng phương pháp của vài nghiên cứu quan trọng được tiến hành ở các nước Mỹ Latin như Mexico, Argentina và Chile Mặc dù các kết quả đã được báo cáo riêng phần và độc lập ở những nơi khác nhau, mục đích của các tác giả là vẽ ra một bức tranh lớn hơn về các yếu tố tác động đến sự xuất hiện của As và F, nhấn mạnh vào những nét tương đồng và khác biệt giữa các khu vực nghiên cứu Cùng với sự xuất hiện đồng thời của chúng, nghiên cứu này cũng thảo luận về nguồn gốc và biến động của những chất ô nhiễm này, đề xuất những cách
xử lý đang được sử dụng để loại bỏ As và F ở một số khu vực bị ảnh hưởng tại Mỹ Latin
2 Sự xuất hiện đồng thời của As và F trong nước ngầm
2.1 Mexico
Trang 4Ở Mexico, khoảng 75% tổng dân số dựa vào nước ngầm để uống Một số nơi đã được chuẩn đoán với HACRE và nhiễm F trong nước, đặc biệt ở những vùng khô hạn và bán kô hạn tại trung tâm và phía đông bắc Mexico [3,4,8,15,24,25] Sự hiện diện của As ở những vùng này đã được thông báo trong thập kỹ qua, trong khi sự xác định F chỉ được thực hiện gần đây Nhiều khu vực chứa As và F ở mức cao hơn tiêu chuẩn trong nước uống ở Mexico tương ứng từ 0.25 - 1.5mg/L
Địa chất chủ yếu trong vùng khô hạn và bán khô hạn được phân tích trong nghiên cứu này được đặc trưng bởi các mỏm đá trầm tích Paleozoic và Mesozoic, đá núi lửa thuộc kỷ Đệ Tam, đầm lầy và hồ lắng đọng Dọc theo bờ biển của Sonora, các mạch nước ngầm bao gồm đá trầm tích và đá có nguồn gốc từ biển Lắng đọng do gió từ kỷ Đệ Tứ hình thành các thung lũng đầy với các mảnh đá vụn và đất phù sa [32-35] Vật liệu nham thạch, cùng với các mảnh đá vụn và phù sa Đệ Tứ có nguồn gốc từ nó, được tin là nguồn gốc của As và F trong nhiều tầng ngậm nước ở nhà nước Chihuahua, Sonora, Durango và San Luis Potosí [36,37] Các thành phần địa chất nói trên, cùng với điều kiện khô cằn đã tạo ra nồng độ cao As và F, được tăng cường bởi sự bay hơi, mưa ngắn hạn, sự dao động mực nước là kết quả của việc khai thác nước quá mức [38]
Vùng khí hậu khô hạn hoặc bán khô hạn bao trùm từ phía bắc Mexico đến trung tâm nhà nước San Luis Potosi, Jalisco, và Michoacán; nơi có lượng mưa hàng năm thay đổi từ 200mm ở khu vực phía bắc và 900mm ở trung tâm [39]
Nghiên cứu này xác định ba môi trường địa chất thuỷ văn chính có chứa nồng độ
As và F cao: những khu vực có hoạt động địa nhiệt (trung tâm và bắc Mexico), tầng ngậm nước phú sa (bắc Mexico), và những khu vực có hoạt động khai thác mỏ (trung bắc Mexico)
2.1.1 Những khu vực có hoạt động địa nhiệt
Hầu hết nồng độ As và F cao xuất hiện ở nơi có sự phun trào nước đặc trưng bởi các khu vực địa nhiệt và núi lửa trong những lưu vực khép kín Sự phun trào nước
Trang 5này cho thấy một sự tương quan khả thi giữa As và F do điều kiện chất lượng nước
có lợi cho sự di chuyển của hai nguyên tố [40]
Hình 1 Môi trường địa chất thuỷ văn ở Mexico
Los Azufres, Michoacán (hình 1, vị trí 13), cho thấy một sư ô nhiễm tự nhiên AS và
F của địa nhiệt (tương ứng 5.1-24 mg/L và 9-17mg/L) Thêm vào đó, nồng độ tại Los Azufres tăng từ năm 1982, sau khi thành lập một nhà máy năng lượng sử dụng nước bay hơi và đôi khi bơm nước thải vào tầng ngậm nước Một nghiên cứu trong vòng hai năm cho thấy nồng độ As tăng (từ 2 đến 32mg/L) và F (10-90mg/L) trong nước ngầm ở Los Azufres [41] Mặc dù nước này định dùng trong công nghiệp và
có những điều kiện khác nhau, nó cho thấy kết quả bốc hơi như thế với việc tăng nồng độ As và F; có thể ngoại suy ra việc bốc hơi xày ra trong những khu vực khô cằn
Trang 6Las Tres Vírgenes (hình 1, vị trí 1) cũng được tìm thấy với khí hậu khô hạn và bao gồm các tầng ngậm nước nằm trên một tầng hầm chứa ngũ cốc [32,33] Nồng độ
As ở Las Tres Vírgenes là tương đối ổn định (6.5-6.7mg/L) và nguyên căn chắc hẳn được báo cáo như là sự hoà tan của các khoáng chính tiếp theo là sự phân tán As [41] Ở cả kho địa nhiệt Los Azufres và Las Tres Vírgenes, dữ liệu cho thấy nồng
độ As tương đối ổn định trong những điều kiện nhiệt độ khác nhau, dao động từ 230-250oC, các điề kiện ổn định và tối ưu được cung cấp cho sự biến động As [41] Khu vực suối nước nóng Araró nằm ở bắc Michoacán (hình 1, khu vực 12) Khu vực này có khí hậu ôn hoà tới bàn khô hạn, với lượng mưa trung bình năm là 906mm Nơi này bao gồm tại đây bởi vì nồng độ cao As và F tìm thấy trong nước,
do một phần hoạt động địa nhiệt [33,34] Nồng độ Arsenic thay đổi từ 0.01 đến 63mg/L, và nồng độ F từ 0.7 tới 4.2mg/L Nồng độ cao nhất của As và F được tìm thấy tại các địa điểm mà nhiệt độ nước gần với nhiệt độ sôi của nó (89-93oC) Thêm vào đó, nồng độ As trong nước ở đây cho thấy mối quan hệ trực tiếp tới nồng độ F
và Cl-
2.1.2 Các tầng ngậm nước phù sa Bắc Mexico
Reyes Gómez et al [37] đã nghiên cứu sự xuất hiện và nguồn gốc giả định của As
và F trong các tầng ngậm nước của Tabalaopa–Aldama–Laguna de Hormigas (GTALH), nhà nước Chihuahua (hình 1, vị trí 6-8) Những tảng đá được tiếp xúc chủ yếu là Riolit gồm thạch anh, khoáng Octocla, sanidin, illite và thuỷ tinh núi lửa (>10 và một lượng chứa fluoroapatite ít hơn (0.1-1.0%) Hàm lượng As trong các dãy đá và trầm tích từ 2.3 đến 540mg/kg Khoáng apatit Fluoro được phát hiện có trong 8/14 mẫu phân tích (tỷ lệ 0.1% và 1%) với sự ước tính trung bình 41mg/kg F (giả sử 0.1%) Nhiệt độ cao nhất của nước (32oC) được tìm thấy gần thị trấn của Aldama Các giếng ô nhiễm F trùng khớp với các giếng ô nhiễm As Mối quan hệ giữa As-F và sự biến đổi dựa vào nhiệt độ nước tạo ra một xu hướng rõ ràng khẳng định sự xuất hiện đồng thời của As và F [37]
Trang 7Sự hiện diện của As và F trong tầng ngậm nước GTALH rất có thể do những nguồn gốc địa cầu, như sự có mặt của ryolite và phiến sét Các chất trước đó chưa As trong khuôn của nó và các chất sau chứa apatite fluoro và các khoáng mang As [43,44] việc khai thác nước ngầm sâu góp phần vào sự giải phóng As và F mà nó ảnh hưởng bởi tỷ lệ bay hơi cao [45] Một vài nghiên cứu đã thông báo sự xuất hiện đồng thồi As và F trong nước ngầm, trong số đó, các hệ số tương quan (tương ứng với xác xuất chỉ số p) giữa As và F đã được báo cáo ở Sonora (r = 0.92, p < 0.05), San Luis Potosí (r = 0.68, p < 0.001), Chihuahua (0.55 < r < 0.66, p < 0.001) và nước địa nhiệt (r = 0.68, p < 0.001) [37,42,44,46] Các tầng ngậm nước phù sa ở Sonora (hình 1, vị trí 2-5) cho thấy nồng độ As nằm giữa 0.018 và 0.031 mg/L, nồng độ F tầm 1.5 - 7mg/L [33,46] Sự có mặt đồng thời của những chất ô nhiễm được quan sát ở vùng tây bắc và nam Sonora (0.65 < r < 0.92, p < 0.05) [46]
Trong các khu vực khô cằn của Guadiana (Durango) và Comarca Lagunera (Durango-Coahuila) (hình 1, tương ứng vị trí 9-10), nồng độ As và F trong tầng ngậm nước phù sa biến đổi tương ứng từ 0.02-0.4mg/L đến 1.2-16mg/L [24-26,30,31] Trong cả hai trường hợp, nguồn gốc của As và F có liên quan đến quá trình hình thành magma, và có thể là sự có mặt của một hệ thống nước ngầm thuỷ nhiệt cổ xưa đã cung cấp nồng độ lớn các nguyên tố vi lượng như Li, B, As và F Khu vực giữa thành phố Torreón và Francisco l Madero đã bị ảnh hưởng bởi một nguồn điểm As, trong khi phía tây bắc thung lũng Villa de Juárez cho thấy dấu hiệu
ô nhiễm As, F, nitrate và Sulfate, trong số những nơi khác [24,25,31]
2.1.3 Những khu vực khai thác mỏ ở phía bắc - trung Mexico
Sự hiện diện của các chất thải khai thác mỏ và khoáng sản có nguồn gốc từ địa chất thuỷ văn có thể là một yếu tố góp phần tạo tạo As trong đất, trầm tích, thậm chí là trong nước ngầm [47] As thường nằm trong đất và ít biến động, tuy nhiên, trong một số trường hợp, nó có thể phóng thích vào tầng ngậm nước Việc xác định
Trang 8những nồng độ bất thường trên bề mặt đất và trầm tích có thể giải thích sự có mặt chất ô nhiễm trong nước ngầm [49,50]
Kỹ thuật phân tích thâm dò dữ liệu (Exploratory Data Analysis - EDA) áp dụng cho
dữ liệu địa hoá trầm tích (n= 2,046) ở bắc mexico Khu vực này chủ yếu là các lưu vực lớn đầy phù sa, xen kẽ với nhiều giếng Một số giếng này có hàm lượng As và
F cao [47,51] Mỏm núi lửa thuộc kỷ Đệ Tam (gồm khoáng rhyolite và ignimbrite) được quan sát qua khu vực nghiên cứu, xe kẽ với đá vôi và đá phiến sét lộ thiên Khu vực này chứa đựng tiềm năng địa hoá quan trọng có tính kinh tế với khoáng
Ag, Pb và Zn [52] Một mối tương quan mạnh mẽ giữa As và F được quan sát ở địa phương, nơi báo cáo có số lượng As nhiều (bảng 1) (hệ số tương quan > 0.5, p < 0.001) cho thấy sự xuất hiện đồng thời của các nguyên tố Arsenic trong trầm tích tương quan với Al (r2 = 0.42, p < 0.0001), Fe (r2 = 0.44, p < 0.0001) và mức thấp hơn là Cu (r2 = 0.30, p < 0.001) Mức độ nền và bất thường của hàm lượng As trong trầm tích sử dụng giản đồ Tuckey kèm theo ở bảng 2 Các vị trí bất thường của As được thể hiện ở hình 2 Sau khi chồng lên quan sát trực quan những bất thường As,
Fe, Cu đến các vị trí của các mỏ, một biểu đồ hiện ra với sự bất thường của cả ba cụm nguyên tố xung quang và trực tiếp xuôi dòng theo các lắng đọng khoáng dạng đại chất thuỷ văn lớn (ví dụ mỏ San Antonio, sản xuất Ag và Pb) [52,53]
Nồng độ cao As (lên đến 0.12mg/L) và F (lên đến 16mg/L) đã được thông báo ở khu vực phía đông bắc lưu vực độc lập (hình 1, vị trí 11) [54] Nồng độ As và F cao
có liên quan đến nồng độ Na+ và HCO3- cao [54,55] chủ yếu xuất phát từ việc hoà tan các khoáng có trong đá rhyolite-igimbrite dẫn đến sự nút gãy tầng ngậm nước
và tầng ngậm nước cạn nhỏ phía trên nó Sự hoà tan As có sẵn trong khoáng được xem xét là quá trình thứ hai làm tăng As, trong khi tăng F có liên quan đến sự hoà tan Fluorite, sự có mặt nồng độ Li+, Cl-, Cs và Br- cao và nhiệt độ nước ngầm cao [54]
Trang 9Bảng 1 Hệ số tương quan Pearson (p < 0.001, 2 phần dư) của As và F trong các mẫu nước thu thập từ các thành phố khác nhau ở Chihuahua, Mexico (dữ liệu từ Alarcón - Herrera)
Thành phố (thứ tự mẫu) Hệ số tương quan % trong mẫu >
0.025mg/L As
Phần trăm các mẫu chứa nồng độ As cao hơn tiêu chuẩn của Mexico 0.025mg/L cũng được ghi chú
Trang 10Hình 2 Những vị trí có sự thay đôi As ở Mexico
2.2 Đồng bằng Choco - Pampa
Đồng bằng Chaco-Pampean là lớn nhất và khu vực đông dân nhất ở Argentina Khu vực kéo dài từ biên giới phía bắc Paraguay đến cao nguyên Patagonia ở phía nam
và những ngọn đồi Pampean về phía đông (Hình 3) Nước ngầm có độ mặn cao là nguồn nước duy nhất trong những khu vực rộng lớn, cản trở cho con người sử dụng Nhiều khu vực của lưu vực cho thấy tương quan đáng kể giữa nồng độ As và