NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THAN SINH HỌC SẢN XUẤT TỪ RƠM RẠ VÀ TRO BAY ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG DO KHAI THÁC KHOÁNG SẢN

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung Tên đề tài: Nghiên cứu sử dụng than sinh học sản xuất từ rơm rạ và tro bay để xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản Mã số: B2016 TNA 04 Chủ nhiệm đề tài: GS.TS. Đặng Văn Minh Tổ chức chủ trì: Đại học Thái Nguyên Thời gian thực hiện: Từ tháng 3 năm 2016 đến tháng 3 năm 2018 Gia hạn 6 tháng. 2. Mục tiêu Điều tra, đánh giá được nguồn phát sinh và thành phần, tính chất của nguyên liệu hấp phụ kim loại nặng: than sinh học và tro bay trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên. Đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng (Pb, Zn, Cd) của các vật liệu nghiên cứu (than sinh học, tro bay) trên đất sau khai khoáng sản mò chì kẽm làng Hích bị ô nhiễm kim loại nặng. Đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển và tích lũy kim loại nặng (Pb, Zn, Cd) của cây ngô trên đất ô nhiễm do khai khoáng đã được xử lý bằng các vật liệu hấp phụ (than sinh học, tro bay). 3. Tính mới và sáng tạo Đề tài tái sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ) để sản xuất than sinh học và tái sử dụng tro bay của nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn làm vật liệu nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản. Trong quá trình nghiên cứu, đề tài đã sử dụng những vật liệu hấp phụ sẵn có và rẻ tiền kết hợp với quặng apatit để cố định các kim loại nặng linh động trong đất sau khai thác khoáng sản ở mỏ Chì Kẽm làng Hích mang lại hiệu quả tốt.

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THAN SINH HỌC SẢN XUẤT TỪ RƠM RẠ

VÀ TRO BAY ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG DO

KHAI THÁC KHOÁNG SẢN

Mã số: B2016 - TNA - 04

Chủ nhiệm đề tài: GS.TS Đặng Văn Minh

Thái Nguyên, năm 2018

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THAN SINH HỌC SẢN XUẤT TỪ RƠM RẠ

VÀ TRO BAY ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG DO

KHAI THÁC KHOÁNG SẢN

Mã số: B2016 - TNA - 04

Xác nhận của cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài

Thái Nguyên, năm 2018

I Những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài

TT Họ và tên

Đơn vị công tác

và lĩnh vực chuyên môn

Nội dung nghiên cứu cụ thể được

- Đánh giá nguồn nguyên liệu, phương thức sản xuất và thu gom rơm rạ, sản xuất than sinh học, tro bay

- Lên kế hoạch thiết kế thí nghiệm

- Thiết kế bố trí thí nghiệm chậu vại tại Phòng thí nghiệm

2 Văn Hữu

Tập

Giảng viên khoa Khoa học Môi trường và Trái đất, Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

- Theo dõi và quan trắc thí nghiệm hấp phụ và giải hấp của hỗn hợp phối trộn tro bay bay và than sinh học

- Viết báo cáo đánh giá khả năng hấp phụ và giải hấp phụ của hỗn hợp phối trộn tro bay và than sinh học

- Theo dõi và quan trắc thí nghiệm hấp phụ và giải hấp Kim loại nặng của than sinh học

- Viết báo cáo đánh giá khả năng hấp phụ của than sinh học

3 Dương Thị

Minh Hòa

Giảng viên khoa Môi trường, Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên

- Theo dõi và quan trắc thí nghiệm hấp phụ và giải hấp Kim loại nặng của tro bay

- Viết báo cáo đánh giá khả năng hấp phụ của tro bay

- Phân tích mẫu đất trước và sau thí nghiệm

- Phân tích hàm lượng Kim loại nặng trong dung dịch hấp phụ trong dung dịch hấp phụ của các thí nghiệm

- Phân tích hàm lượng Kim loại nặng trong dung dịch giải hấp của các thí nghiệm

ngoài nước nghiên cứu Họ và tên người đại diện

PGS.TS Trần Văn Điền

Trường Đại học Khoa học

- Đại học Thái Nguyên

Triển khai thực hiện các thí nghiệm sử dụng than sinh học để xử lý kim loại nặng trong đất sau khai

thác khoáng sản

GS.TS Lê Thị Thanh Nhàn

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC BẢNG iii

DANH MỤC CÁC HÌNH v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU viii

INFORMATION OF RESEARCH RESULTS xiii

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 3

1.1 Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG ĐẤT 3

1.1.1 Khái niệm về ô nhiễm kim loại nặng 3

1.1.2 Sự tồn tại và chuyển hóa kim loại nặng trong đất 4

1.1.3 Tình hình ô nhiễm KLN do các hoạt động khai thác khoáng sản 7

1.1.4 Một số phương pháp truyền thống xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng 13

1.1.5 Tiêu chuẩn đánh giá đất ô nhiễm kim loại nặng 16

1.2 TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT VÀ ỨNG DỤNG THAN SINH HỌC 19

1.2.1 Đặc tính của than sinh học 19

1.2.2 Ứng dụng của than sinh học 21

1.2.3 Tải lượng than sinh học của đất và các tác động bất lợi 29

1.3. TỔNG QUAN VỀ TRO BAY 33

1.3.1 Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của Tro bay 33

1.3.2 Đặc điểm của Tro bay 37

1.3.3 Sản lượng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới 39

1.3.4 Khả năng ứng dụng của tro bay trong nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm 42

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44

2.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 44

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 44

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 44

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 44

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45

2.3.1 Phương pháp kế thừa 45

2.3.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 46

2.3.4 Phương pháp phân tích đất và vật liệu hấp phụ 48

2.3.5 Phương pháp xử lý và tổng hợp số liệu 50

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 51

3.1 NGUỒN NGUYÊN LIỆU HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG (THAN SINH HỌC, TRO BAY) TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THÁI NGUYÊN 51

3.1.1 Đánh giá nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ sau thu hoạch) để tạo than sinh học và quy trình sản xuất than sinh học 51

3.1.2 Tình hình phát sinh và thành phần tính chất của tro bay nhà máy nhiệt điện 54

3.2 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG CỦA CÁC VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU TRÊN ĐẤT KHAI KHOÁNG BỊ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG 56

3.2.1 Đặc điểm của đất khai khoáng bị ô nhiễm KLN 56

3.2.2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng của than sinh học và tro bay trên đất khai khoáng bị ô nhiễm kim loại nặng 57

3.3. THÍ NGHIỆM TRỒNG CÂY NGÔ TRÊN ĐẤT Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG DO KHAI KHOÁNG ĐÃ ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG CÁC VẬT LIỆU HẤP PHỤ (THAN SINH HỌC, TRO BAY) ĐỂ ĐÁNH GIÁ HÀM LƯỢNG KIM LOẠI NẶNG DI ĐỘNG ĐƯỢC HẤP PHỤ TRONG CÂY 79

3.3.1 Đánh giá khả năng sinh trưởng của ngô trên đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản đã được xử lý bằng tro bay 79

3.3.2 Đánh giá khả năng sinh trưởng của ngô trên đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản đã được xử lý bằng than sinh học 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93

1 Kết luận 93

2 Kiến nghị 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Khả năng linh động của một số nguyên tố KLN trong đất 4

Bảng 1.2 Hàm lượng KLN trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon 8

Bảng 1.3 Hàm lượng kim loại nặng trong chất thải của một số mỏ vàng điển hình ở Úc 8

Bảng 1.4 Kết quả phân tích mẫu kim loại nặng tại một số điểm mỏ trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên 11

Bảng 1.5 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao 15

Bảng 1.6 Mức độ ô nhiễm KLN ở Anh 16

Bảng 1.7 Đánh giá mức ô nhiễm kim loại trong đất ở Hà Lan 16

Bảng 1.8 Hàm lượng tối đa cho phép của các KLN được xem là độc đối với thực vật trong đất nông nghiệp 17

Bảng 1.9 Đánh giá ô nhiễm đất mặt bởi các KLN ở Ba Lan 17

Bảng 1.10 Giới hạn tối đa cho phép hàm lượng tổng số đối với As, Cd, Cu, Pb và Zn trong đất (tầng đất mặt) 18

Bảng 1.11 Thành phần còn lại sau nhiệt phân dưới tác động của nhiệt độ và thời gian lưu khác nhau 19

Bảng 1.12 Phạm vi tương đối của bốn thành phần chínhcủa than sinh học 20

Bảng 1.13 Thành phần các nguyên tố có trong một số loại than sinh học 20

Bảng 1.14 Một số tính chất lý hóa của than sinh học 30

Bảng 1.15 Thành phần hóa học của tro bay theo Quốc gia 34

Bảng 1.16 Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau 34

Bảng 1.17 Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 35

Bảng 1.18 Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel [66] 38

Bảng 1.19 Kích thước hạt tro bay thương phẩm 39

Bảng 1.20 Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước 41

Bảng 1.21 Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030 42

Bảng 3.1 Lượng rơm rạ phát sinh trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên 51

Bảng 3.2 Tiềm năng sản xuất than sinh học từ rơm rạtại tỉnh Thái Nguyên 52

Bảng 3.3 Thành phần, tính chất của than sinh học sản xuất từ rơm rạ

sử dụng trong nghiên cứu này 53Bảng 3.4 Nguồn tro bay của các nhà máy nhiệt điện trên địa bàn tỉnh

Thái Nguyên 54Bảng 3.5 Thành phần, tính chất của tro bay từ Công ty nhiệt điện

Cao Ngạn 55Bảng 3.6 Đặc điểm của đất bãi thải cũ sau khai thác khoáng sản mỏ Chì

Kẽm làng Hích 56Bảng 3.7 Giá trị pH và EC của đất bãi thải cũ mỏ Chì Kẽm làng Hích

ở các công thức thí nghiệm sau 30 ngày, 60 ngày và 90

ngày ủ 60Bảng 3.8 Các dạng tồn tại của kim loại nặng trong đất sau 90 ngày ủ 61Bảng 3.9 Kết quả quét vùng bề mặt BC và BCA trong công thức thí

nghiệm và BC ban đầu 75Bảng 3.10 Khả năng sinh trường và phát triển của cây ngô trên đất ô

nhiễm kim loại nặng do khai khoáng đã được xử lý bằng tro

bay 80Bảng 3.11 Khả năng hấp thụ kim loại nặng của cây ngô trên đất ô

nhiễm kim loại nặng do khai khoáng đã được xử lý bằng tro

bay 83Bảng 3.12 Khả năng sinh trường và phát triển của cây ngô trên đất ô

nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản đã được xử lý

bằng than sinh học 87Bảng 3.13 Khả năng hấp thụ kim loại nặng của cây ngô trên đất ô

nhiễm kim loại nặng do khai khoáng đã được xử lý bằng

than sinh học 89

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc dưới kính hiển vi của than sinh học [73] 21Hình 1.2 Quy trình sản xuất than sinh học từ rơm rạ 32Hình 1.3 Sự tương phản về kích thước tro bay 37Hình 1.4 Biểu diễn đặc trưng dạng cầu của các hạt trong khoảng kích

thước thường thấy nhiều hơn 37Hình 1.5 Cấu trúc hạt tro bay sau khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF 38Hình 1.6 Biểu đồ sản lượng tro bay và phần trăm sử dụng tro bay ở

Mỹ từ 1966-2012 39Hình 1.7 Biểu đồ lượng tro bay tạo thành, tro bay sử dụng và phần

trăm sử dụng tro bay ở Trung Quốc từ 2001-2008 40Hình 3.1 FTIR của các vật liệu hấp phụ (BC, FA Apatite) trong

nghiên cứu 57Hình 3.2 Tỉ lệ % Pb với các dạng tồn tại khác nhau trong các công

thức thí nghiệm sau 90 ngày ủ 63Hình 3.3 Tỉ lệ % Zn với các dạng tồn tại khác nhau trong các công

thức thí nghiệm sau 90 ngày ủ 65Hình 3.4 Tỉ lệ % Cd với các dạng tồn tại khác nhau trong các công

thức thí nghiệm sau 90 ngày ủ 67Hình 3.5a Tương quan giữa pH và Pb, Zn và Cd linh động trong đất

bãi thải sau khai thác mỏ Chì Kẽm làng Hích sau 90 ngày ủ

với than sinh học 69Hình 3.5b Tương quan giữa pH và Pb, Zn và Cd trao đổi trong đất bãi

thải sau khai thác mỏ Chì Kẽm làng Hích sau 90 ngày ủ với

Tro bay 70Hình 3.6a Tương quan giữa EC và Pb, Zn và Cd linh động trong đất

bãi thải sau khai thác mỏ Chì Kẽm làng Hích sau 90 ngày ủ

với than sinh học 70Hình 3.6b Tương quan giữa EC và Pb, Zn và Cd trao đổi trong đất bãi

thải sau khai thác mỏ Chì Kẽm làng Hích sau 90 ngày ủ với

Tro bay 71

Hình 3.7a Phân tích ICP-MS các nồng độ nguyên tố từ đường quét

của BC qua các công thức thí nghiệm Pb, Zn và Cd như là

các biến đáp ứng Hiển thị ô x điểm, biểu đồ Y tương quan

Y và Y giải thích sự khác nhau 71Hình 3.7b Phân tích ICP-MS của các nguyên tố từ đường cong quét

trong của công thức thí nghiệm kết hợp BC và apatit Pb

và Zn là các biến đáp ứng Hiển thị ô x điểm, biểu đồ Y

tương quan Y và Y giải thích sự khác nhau 72Hình 3.7c Phân tích ICP-MS của các nguyên tố từ đường cong đường

quét ngoài của công thức thí nghiệm kết hợp BC và apatit

Pb, Zn và Cd như là các biến đáp ứng Hiển thị ô x điểm,

biểu đồ Y tương quan Y và Y giải thích sự khác nhau 72Hình 3.8 a) Ảnh điện tử (SEM) bề mặt của BC; b) phân tích EDS bề

mặt BC; c) ảnh điện tử thứ hai của một khu vực có sự hình

thành tinh thể đáng chú ý với các chú thích của các khu vực

mà một tập hợp các yếu tố cụ thể đã được phát hiện thông

qua giản đồ tia X (d) 76Hình 3.9 Ảnh STEM và phân tích PCA các giai đoạn khác nhau 78Hình 3.10.Tương quan giữa hàm lượng Pb trong đất đã được xử lý

bằng tro bay và hàm lượng Pb trong cây ngô 84Hình 3.11 Tương quan giữa hàm lượng Cd trong đất đã được xử lý

bằng tro bay và hàm lượng Cd trong cây ngô 85Hình 3.12 Tương quan giữa hàm lượng Zn trong đất đã được xử lý

bằng tro bay và hàm lượng Zn trong cây ngô 86Hình 3.13 Tương quan giữa hàm lượng Pb trong đất đã được xử lý

bằng than sinh học và hàm lượng Pb trong cây ngô 90Hình 3.14 Tương quan giữa hàm lượng Cd trong đất đã được xử lý

bằng than sinh học và hàm lượng Cd trong cây ngô 91Hình 3.15 Tương quan giữa hàm lượng Zn trong đất đã được xử lý

bằng than sinh học và hàm lượng Zn trong cây ngô 91

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Viết đầy đủ

BC : Biochar - Than sinh học BCA : Than sinh học - Apatit

BFA : Than sinh học - Tro bay - Apatit BTNMT : Bộ Tài Nguyên và Môi trường CEC : Dung tích trao đổi cation trong đất

FA : Fly ash - Tro bay

QCVN : Quy chuẩn Việt Nam

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Đại học Thái Nguyên

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung

- Tên đề tài: Nghiên cứu sử dụng than sinh học sản xuất từ rơm rạ và

tro bay để xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản

- Mã số: B2016 - TNA - 04

- Chủ nhiệm đề tài: GS.TS Đặng Văn Minh

- Tổ chức chủ trì: Đại học Thái Nguyên

- Thời gian thực hiện: Từ tháng 3 năm 2016 đến tháng 3 năm 2018 - Gia hạn 6 tháng

2 Mục tiêu

- Điều tra, đánh giá được nguồn phát sinh và thành phần, tính chất của nguyên liệu hấp phụ kim loại nặng: than sinh học và tro bay trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên

- Đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng (Pb, Zn, Cd) của các vật liệu nghiên cứu (than sinh học, tro bay) trên đất sau khai khoáng sản mò chì kẽm làng Hích bị ô nhiễm kim loại nặng

- Đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển và tích lũy kim loại nặng (Pb,

Zn, Cd) của cây ngô trên đất ô nhiễm do khai khoáng đã được xử lý bằng các vật liệu hấp phụ (than sinh học, tro bay)

3 Tính mới và sáng tạo

Đề tài tái sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ) để sản xuất than sinh học và tái sử dụng tro bay của nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn làm vật liệu nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản Trong quá trình nghiên cứu, đề tài đã sử dụng những vật liệu hấp phụ sẵn có và rẻ tiền kết hợp với quặng apatit để cố định các kim loại nặng linh động trong đất sau khai thác khoáng sản ở mỏ Chì Kẽm làng Hích mang lại hiệu quả tốt

4 Kết quả nghiên cứu

Qua nghiên cứu đề tài đã đưa ra được một số kết quả chính:

1./ Lượng tro bay phát sinh từ Công ty nhiệt điện Cao Ngạn và Công ty

cổ phần nhiệt điện An Khánh rất lớn (312.617 tấn/năm) Tro bay có tính kiềm,

có độ dẫn điện cao, thế oxy hóa khử thấp, có kim loại nặng nhưng hàm lượng rất nhỏ, Pb bằng 1,44 mg/kg; Zn bằng 1,91 mg/kg và Cd bằng 0,13 mg/kg Tương tự, tiềm năng sản xuất than sinh học từ rơm rạ tại Thái Nguyên cũng rất lớn với 108.242 tấn/năm Than sinh học có pH rất cao, pH = 11,14; có độ dẫn điện cao >1990 µS/cm; Có Eh cao hơn của tro bay, 166,97 mV; hàm lượng kim loại nặng rất nhỏ

2./ Than sinh học từ rơm rạ (BC), tro bay (FA) và apatite đều có khả năng hấp phụ đáng kể các KLN linh động và chuyển thành dạng cố định làm giảm các ảnh hưởng xấu đến môi trường BC lại hấp phụ Zn và Cd linh động tốt hơn FA nhưng hấp phụ Pb lại kém hơn một chút

Trong các công thức thí nghiệm, công thức kết hợp cả ba vật liệu BFA3 cho hiệu quả hấp phụ các KLN linh động tốt hơn so với các công thức khác Sau 90 ngày ủ ở công thức này, nồng độ Pb, Zn và Cd linh động giảm từ 466 mg/kg, 506 mg/kg và 13,79 mg/kg (công thức ĐC) xuống còn tương ứng 143 mg/kg, 127 mg/kg và 2,75 mg/kg tương ứng giảm được 0,3 lần, 0,25 lần và 0,20 lần Hiệu suất xử lý Pb, Zn và Cd ở công thức này đạt tương ứng 30,69%, 25,10% và 19,94%

Tương quan giữa pH, EC với các KLN linh động trong đất ở các công thức thí nghiệm hấp phụ bằng BC và FA đều là tương quan tương đối chặt đến chặt theo hàm bậc 2 Trong đó, tương quan của pH, EC với KLN ở các công thức hấp phụ bằng BC cao hơn so với FA R2 trong khoảng từ 0,539 (tương quan EC với Cd với thí nghiệm hấp phụ bằng BC) đến 0,954 (tương quan của EC với Zn linh động với thí nghiệm bằng BC)

3./ Cây ngô sinh trưởng và phát triển tốt trên đất ô nhiễm kim loại nặng sau khai khoáng được xử lý bằng than sinh học và tro bay Chiều cao, số lá và khối lượng cây ngô trồng trên đất sau khai thác khoáng sản được xử lý bằng tro bay và than sinh học cao hơn so với chiều cao cây ngô trồng trên đất khai

khoáng không được xử lý (đạt cao nhất ở công thức FBA3 là 67,47 cm, 4,65 lá/cây ngô và 63,51 g/cây

Hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong cây ngô trồng trên đất ở các công thức xử lý bằng than sinh học, tro bay và apatit thấp hơn so với công thức ĐC Hàm lượng Pb tích lũy trong thân lá và rễ cây ngô thấp nhất thuộc công thức BFA3 (tương ứng 3,40 mg/kg và 10,21 mg/kg), thấp hơn so với đối chứng tương ứng là 0,17 lần và 0,09 lần Hàm lượng Zn tích lũy trong thân lá

và rễ cây ngô đạt thấp nhất ở công thức BFA3 (tương ứng là 31,57 mg/kg và 41,01 mg/kg) thấp hơn so với ở công thức ĐC tương ứng là 0,35 và 0,22 lần Hàm lượng Cd tích lũy trong thân lá và rễ cây ngô thấp nhất ở công thức BFA3, đạt 0,30 mg/kg (thân, lá) và 1,13 mg/kg (rễ), thấp hơn so với đối chứng lần lượt là 0,11 lần (thân, lá) và 0,34 lần (rễ)

Mối tương quan giữa hàm lượng kim loại nặng trong đất sau khai thác khoáng sản được xử lý bằng than sinh học và hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong thân lá và rễ cây ngô đều là tương quan thuận Nguyên tố tích lũy trong cây có mối tương quan chặt chẽ nhất là nguyên tố Cd (R2 = 0,854 - 0,952), tiếp đến là Zn (R2

surfaces”, Environmental Technology, DOI: 10.1080/09593330.2018.1468487

2 Đặng Văn Minh, Dương Thị Minh Hòa, Văn Hữu Tập, Mai Thị Lan Anh, Nguyễn Nhật Hiếu (2017), “Đánh giá nguồn nguyên liệu sản xuất than sinh học (bichar) và tro bay và nhu cầu xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng do

khai thác khoáng sản tại tỉnh Thái Nguyên”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ

- Đại học Thái Nguyên, 169(09), tr 17 - 22

3 Đặng Văn Minh, Văn Hữu Tập, Mai Thị Lan Anh, Dương Thị Minh Hòa (2017), “Ô nhiễm kim loại nặng trong đất sau khai thác khoáng sản tại

khu vực mỏ chì kẽm làng Hích, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên”, Tạp chí

Khoa học đất - Hội khoa học đất Việt Nam, Số 51, tr 42 - 47

4 Đặng Văn Minh, Văn Hữu Tập, Mai Thị Lan Anh, Hoàng Trung Kiên, Dương Thị Minh Hòa (2017), “Nghiên cứu sử dụng tro bay và apatit để xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản tại tỉnh Thái Nguyên”,

Tạp chí Khoa học đất - Hội khoa học đất Việt Nam, Số 51, tr 23-27

5.2 Sản phẩm đào tạo

- Đào tạo thạc sỹ:

1 Nguyễn Nhật Hiếu (2017), 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 Khoa học Môi trường, trường Đại học

Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên

- Đào tạo đại học:

1 Nguyễn Thu Thủy (2017), Nghiên cứu xử lý đất sau khai thác khoáng

sản của mỏ chì kẽm làng Hích bằng than sinh học, Khóa luận tốt nghiệp đại

học chuyên ngành Khoa học Môi trường, trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên

2 Trần Huyền Trang (2017), Nghiên cứu xử lý đất sau khai thác khoáng

sản của mỏ chì kẽm làng Hích bằng tro bay, Khóa luận tốt nghiệp đại học

chuyên ngành Khoa học Môi trường, trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên

3 Lý Thị Tâm (2016), Nghiên cứu khả năng hấp phụ của than sinh học

biến tính với chì (Pb) trong đất tại mỏ chì kẽm làng Hích, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên, Khóa luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành Khoa học Môi

trường, trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

4 Trần Thùy Ninh (2016), Nghiên cứu khả năng hấp phụ kẽm (Zn) trong

đất bằng tro bay tại mỏ chì kẽm làng Hích, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên, Khóa luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành Khoa học Môi trường,

trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

5 Trần Thành Đạt (2016), Nghiên cứu khả năng hấp phụ kẽm (Zn) trong

đất bằng than sinh học biến tính tại mỏ chì kẽm làng Hích, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên, Khóa luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành Khoa học Môi

trường, trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

6 Hoàng Mạnh Đoan (2016), Đánh giá hiện trạng môi trường đất sau

khai khoáng ở mỏ chì - kẽm làng Hích, Đồng Hỷ, Thái Nguyên, Khóa luận tốt

nghiệp đại học chuyên ngành Quản lý Tài nguyên Môi trường, trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

- Hướng dẫn sinh viên nghiên cứu khoa học:

1 Tô Thị Ngọc Uyên và Hà Thị Lan (2017), Bước đầu thử nghiệm vật

liệu hấp phụ kim loại nặng trong đất mỏ chì – kẽm làng Hích, Đồng Hỷ, Thái Nguyên, Báo cáo đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học, trường Đại học Khoa

học - Đại học Thái Nguyên

5.3 Sản phẩm ứng dụng

- Vật liệu hấp phụ: Than sinh học và tro bay

6 Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu

- Phương thức chuyển giao: Đề tài tổ chức 02 hội thảo có mời chuyên gia về xử lý kim loại nặng trong đất sau khai thác khoáng sản để đánh giá, góp ý nâng cao chất lượng khoa học của đề tài, đăng các bài báo khoa học thể hiện kết quả nghiên cứu trên các tạp chí khoa học chuyên ngành uy tín trong nước và quốc tế

- Địa chỉ ứng dụng: Khu vực khai khoáng tại Thái Nguyên và một số tỉnh khác có hoạt động khai thác khoáng sản

- Tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu: Kết quả nghiên cứu ứng dụng để cải tạo, xử lý các vùng đất ô nhiễm kim loại do hoạt động khai thác khoáng sản; phương pháp dễ thực hiện, giá thành rẻ; tái sử dụng được

nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp và tro bay của các nhà máy nhiệt điện

INFORMATION OF RESEARCH RESULTS

1 General information

Project title: Research on immobilization of heavy metals in

contaminated soil after mining activity by using straw biochar and fly ash

Code number: B2016 - TNA - 04

Coordinator: Prof Dr Dang Van Minh

Implementing institution: Thai Nguyen University

Duration: from March 2016 to March 2018

2 Objective(s):

- Investigation and evaluation of source, components, and characteristics

of several adsorbents for heavy metals, including: Biochar and fly ash in Thai Nguyen province

- Evaluation of heavy metal adsorption capacity of research materials (staw biochar, fly ash) in contaminated soil after mining activity in Hich Lead-Zine mining village

- Evaluation of the ability of growing, heavy metal accumulation from corn which was planted in heavy metal contaminated soil after adsorption by straw biochar and fly ash)

3 Creativeness and innovativeness:

In this project, biochar from agricultural by product (straw) and industrial by product (fly ash) from Cao Ngan power plant were used as adsorbent materials for heavy metals from contaminated soil after mining activity (The soil in Hich Lead-Zine mining village) The use of available and low-cost adsorbent materials combined with apatite ore to stabilize heavy metals in the soil after mining activity at Hich Lead-Zine mining village with good results

4 Research results:

1./ Fly ash generated from Cao Ngan power plant and An Khanh power Joint Stock Company (312,617 tons/year) Fly ash is alkaline, high conductivity, low redox potential and very low concentration of heavy metals (Pb: 1,44 mg/kg; Zn: 1,91 mg/kg and Cd: 0,13 mg/kg) Similarly, the potential for making biochar from straw in Thai Nguyen is very high with 108,242 tons per year Biochar has very high pH (11,14); high conductivity

EC (> 1990 μS/cm) and Eh (166,97 mV - higher than that of fly ash but very low concentration of heavy metat (Pb, Zn and Cd)

2./ Straw biochar (BC), fly ash (FA) and apatite are capable of significantly adsorbing exchangeable heavy metals and convert them into a immobilization form to reduces the negative effects on the environment The adsorption capacity of BC for exchangeable Zn and Cd was better than FA but slightly less than for exchangable Pb

The adsorption efficiency of heavy metals from the treatment with combination of three adsorbents (BFA3) was better than others After 90 days

of incubation, the Pb, Zn and Cd concentrations decreased dynamically from

466 mg/kg, 506 mg/kg and 13,79 mg/kg to 143 mg/kg, 127 mg/kg and 2,75 mg/kg, respectively The immobilization efficiency of Pb, Zn and Cd in FBA3 treatment reached 30,69%, 25,10% and 19,94%, respectively

The correlation between pH, EC and soil exchangeable heavy metals in

BC and FA treatments is a relatively strong correlation with tightness of the second order function In which, the correlation of pH, EC with exchangeable heavy metals that adsorbed by BC was higher than the FA R2 ranged from 0.539 (EC correlation with Cd in BC treatments) to 0,954 (EC correlation with exchangeable Zn in BC treatments)

3./ A corn grew well in the above contaminated soil of heavy metals after adsorbed by biochar and fly ash Height, leaf numbers and mass of corn planted on this soil (BC and FA treatments) were higher than that of the corn from control treatment (the highest in The FBA3 treatment was 67,47 cm, 4,65 leaves/corn and 63,51 g/corn, respectively

The accumulated content of heavy metals (Pb, Zn and Cd) in the corn from FBA3 treatment was lower than that of control treatment (DC) The lowest content of Pb in leaf stems and roots was achieved from BFA3 treatment (3,40 mg/kg and 10,21 mg/kg, respectively) and lower than that of control treatment of 0,17 and 0,09 times, respectively The accumulated content of Zn in the leaf stems and roots of the corn was the lowest in BFA3 treatment (31,57 mg/kg and 41,01 mg/kg, respectively), compared with the control treatment of 0,35 and 0,22 times Similarly, the accumulated content

of Cd in leaf stems and roots of corn was the lowest in BFA3, reaching 0,30 mg/kg (stem, leaf) and 1,13 mg/kg (roots), lower than control treatment of 0,1 times (stem, leaf) and 0,34 times (roots)

The correlation between the content of exchangeable heavy metals in heavy metal contaminated soil after mining activity treated by biochar and the heavy metal content accumulated in the leaves and roots of the corn were positively correlated The closely cumulative elements in the corn was Cd (R2 = 0,854 - 0,952), followed by Zn (R2 = 0,553 - 0,967) and Pb (R2 = 0,515 - 0,967)

surfaces”, Environmental Technology, DOI: 10.1080/09593330.2018.1468487

2 Dang Van Minh, Duong Thi Minh Hoa, Van Huu Tap, Mai Thi Lan Anh, Nguyen Nhat Hieu (2017), “Study material sources to produce biochar and fly ash and its potential use to remediate heavy metal in contaminated

soils after mining in thai nguyen province”, Journal of Science and

Technology - Thai Nguyen university, 169(09), pp 17 - 22

3 Dang Van Minh, Van Huu Tap, Mai Thi Lan Anh, Duong Thi Minh Hoa (2017), “Heavy metal pollution in soils after mineral mining at the zinc

and lead mine at Hich village, Dong Hy district, Thai Nguyen province”,

Vietnam soil Science, No 51, pp 42 - 47

4 Dang Van Minh, Van Huu Tap, Mai Thi Lan Anh, Hoang Trung Kien, Duong Thi Minh Hoa (2017), “Using flying ash and apatite to treat soil contaminated by heavy metals after mineral mining in Thai Nguyen

province”, Vietnam soil Science, No 51, pp 23 - 27

5.2 Training products

- Master training:

1 Nguyen Nhat Hieu (2017), Research on immobilization of some heavy

metals by biochar and fly ash to treat contaminated soil caused by mining activity, Master thesis of Environmental Science, TNU-University of

Agriculture and Forestry

- Bachelor training:

1 Nguyen Thu Thuy (2017), Research on contaminated soil after mining

activity in Hich village Lead-Zinc mine by biochar, Bachelor thesis of

Environmental Science, University of TNU-Agriculture and Forestry University

2 Tran Huyen Trang (2017), Research on contaminated soil after

mining activity in Hich village Lead-Zinc mine by Fly ash, Bachelor thesis of

Environmental Science, University of TNU-Agriculture and Forestry University

3 Ly Thi Tam (2016), Research on the adsorption capacity of Lead (Pb)

from contaminated soil in Hich village Lead-Zinc mine in Dong Hy district, Thai Nguyen province by using modified biochar Bachelor thesis of

Environmental Science, TNU-University of Sciences

4 Tran Thuy Ninh (2016), Research on the adsorption capacity of Zinc

(Zn) from contaminated soil in Hich village Lead-Zinc mine in Dong Hy district, Thai Nguyen province by using Fly ash, Bachelor thesis of

Environmental Science, TNU-University of Sciences

5 Tran Thanh Dat (2016), Research on the adsorption capacity of Zinc

(Zn) from contaminated soil in Hich village Lead-Zinc mine in Dong Hy district, Thai Nguyen province by using modified biochar, Bachelor thesis of

Environmental Science, TNU-University of Sciences

6 Hoàng Mạnh Đoan (2016), Assessment of the status of soil

environment after mining activity in Hich village Lead-Zinc mine in Dong Hy district, Thai Nguyen province, Bachelor thesis of Resources and

Environmental Management, TNU-University of Sciences

- Guide students to scientific research:

1 To Thi Ngoc Uyen and Ha Thi Lan (2017), Apsorption testing of

heavy metal from contaminated soil in Hich village Lead-Zinc mine in Dong

Hy district, Thai Nguyen province, University of Science - Thai Nguyen

University

5.3 Aplication products

- Adsorption materials: Straw biochar and fly ash

6 Transfer alternatives, application institution, impacts and benefits of research results:

- Transferring method: The topic of 02 workshops were organized with invitation of experts for heavy metal treatment in the contaminated soil after mining activity to assess and improve the scientific quality of the project, publishing papers in scientific journals in Vietnam and international

- Address of application: Mining area in Thai Nguyen and other provinces involved in mining

- Impacts and benefits of research results: The results from this project can be applied for improving and treating heavy metals from the contaminated oil in mining activities; easy to implement, low cost; reuse of agricultural by-product residues and fly ash from power plants

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Những năm gần đây, do nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội của đất nước

và trong điều kiện mở cửa của kinh tế thị trường, các hoạt động khai thác khoáng sản đang diễn ra với quy mô ngày càng lớn Công nghiệp khai thác khoáng sản đã có nhiều đóng góp quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội, góp phần tích cực vào sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Tuy nhiên, bên cạnh những mặt tích cực đạt được, trong quá trình khai thác khoáng sản, con người đã làm biến đổi môi trường xung quanh Các hoạt động khai thác than, quặng, phi quặng và vật liệu xây dựng như: tiến hành xây dựng mỏ, khai thác thu hồi khoáng sản, đổ thải, thoát nước mỏ… đã phá vỡ cân bằng sinh thái được hình thành từ hàng chục triệu năm, gây ô nhiễm nặng đối với môi trường đất và ngày càng trở thành vấn đề cấp bách mang tính chất

xã hội và chính trị của cộng đồng

Thái Nguyên hiện có nhiều đơn vị hoạt động khai thác khoáng sản Hiện có 171 giấy phép khai thác khoáng sản có hiệu lực, số mỏ khai thác thản là 14, sắt là 21, chì kẽm là 5, antimony là 2, titan là 4… 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, mỏ than Khánh Hòa, mỏ than Phấn Mễ… Nhiều 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 cũng đang bị ô nhiễm Cụ thể, hàm lượng asen tại mỏ sắt Trại Cau và mỏ thiếc Đại Từ vượt chuẩn 12 mg/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 Tại mỏ chì kẽm Làng hích, hàm lượng As có mẫu vượt QCVN đến 78 lần, Pb có vượt đến 185 lần, Cd vượt đến 96,6 lần và Zn vượt đến 48 lần [25]

Hiện nay, rất nhiều biện pháp đã được sử dụng để xử lý ô nhiễm, giải quyết hậu quả môi trường liên quan đến các hoạt động khai thác tài nguyên không hợp lý Trong đó một số phương pháp truyền thống đã được ứng dụng thực tế như sử dụng thực vật hấp thụ Trong những năm gần đấy, sử dụng than sinh học có nguồn gốc thực vật để hấp phụ kim loại nặng trong đất đang

được quan tâm nhiều trên thế giới [29], [36], [39], [61], [110] Ngoài ra sử dụng một số vật liệu có diện tích bề mặt lớn như tro bay, khoáng vật đất [41], [47], [96] cũng là lựa chọn tốt để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng

Kim loại nặng có thể tồn tại ở dạng trao đổi (linh động), hay không trao đổi (cố định) Để xử lý kim loại nặng trong đất thường cố 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 kim loại nặng trong đất sau khai khoáng Các nguồn nguyên liệu này rất sẵn có hiện nay và rẻ tiền

Với mục đích tái sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp và tro bay làm nguyên liệu cải tạo và phục hồi những vùng đất ô nhiễm, chúng tôi tiến hành

nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu sử dụng than sinh học sản xuất từ rơm rạ

và tro bay để xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản”

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề tài được thực hiện với những mục tiêu sau đây:

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

Mục tiêu cụ thể:

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ KLN của các loai than sinh học (sản xuất

từ phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ) và tro bay từ phế thải của các nhà máy nhiệt điện

- Thử nghiệm khả năng sinh trưởng và hấp thụ KLN của cây ngô trên đất

ô nhiễm kim loại nặng do khai khoáng đã được xử lý bằng các vật liệu hấp phụ

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU

1.1 Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG ĐẤT

1.1.1 Khái niệm về ô nhiễm kim loại nặng

Thuật ngữ “Kim loại nặng” được từ điển hóa học định nghĩa là các kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5 Đối với các nhà độc tố học, thuật ngữ “kim loại nặng” chủ yếu dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề môi trường bao gồm: Cu, Zn, Pb, Hg, Ni, Mn, Cr, Fe, Mn, Ti, Fe, Ag, Sn Ngoài ra, các phi kim như As và Se cũng được xem là các kim loại nặng (KLN) [42] Các kim loại nặng là tác nhân ô nhiễm nguy hiểm đối với hệ sinh thái đất, chuỗi thức ăn và con người Những kim loại nặng có độc tính cao, nguy hiểm là thủy ngân (Hg), Cadimi (Cd), chì (Pb), niken (Ni); các kim loại có độc tính mạnh là Asen (As), crom (Cr), mangan (Mn), kẽm (Zn) và thiếc (Sn) [26], [42] Như vậy, kim loại nặng là một khái niệm không chặt chẽ, nó chủ yếu đề cập đến những kim loại nặng và á kim có liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường và có độc tính cao đối với cơ thể sống

Theo Lê Văn Khoa và cs (1996) [11], kim loại nặng có thể cần thiết cho cây trồng Chúng tham gia vào quá trình sinh lý, sinh hóa trong cây như những nguyên tố khác Nhiều loại thực vật thể hiện khả năng tích lũy độc đáo Thí dụ, nhôm tích lũy trong cây chè; bạc được tích lũy trong cây hành, tỏi; kẽm trong cây hướng dương, đậu đỗ; crom trong cây thuốc lá; đồng trong cây ngô, cây chè,… [6]

Một số kim loại không cần thiết cho sự sống, không có chức năng sinh hóa, được gọi là các nguyên tố vết không chính yếu như asen, chì, thủy ngân… Những kim loại này khi vào cơ thể sinh vật ngay cả dạng vết cũng có thể gây tác động độc hại [1]

Khi các kim loại nặng xâm nhập vào môi trường sẽ làm biến đổi điều kiện sống, tồn tại của sinh vật sống trong môi trường đó Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép

1.1.2 Sự tồn tại và chuyển hóa kim loại nặng trong đất

Trong đất, các kim loại độc hại có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, liên kết với các hợp chất hữu cơ, vô cơ hoặc tạo thành các phức chất (chelat) Khả năng dễ tiêu của chúng đối với thực vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

pH, CEC và sự phụ thuộc lẫn nhau vào các kim loại khác Ở đất có CEC cao, chúng bị giữ lại nhiều trên các phức hệ hấp phụ Nhìn chung, KLN có khả năng linh động lớn ở đất chua (pH < 5,5)

Bảng 1.1 Khả năng linh động của một số nguyên tố KLN trong đất

1.1.2.1 Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố chì (Pb) trong đất

Chì là nguyên tố KLN có khả năng linh động kém, có thời gian bán hủy trong đất từ 800 đến 6000 năm [8] Dạng tồn tại của Pb trong đất chủ yếu là các muối dễ tan (clorua, bromua), hợp chất hữu cơ hấp phụ trên keo sét, axit humic và các hợp chất khó tan (cacbonat, hydroxyt…) Dạng tồn tại của Pb trong đất phụ thuộc chủ yếu vào thành phần cơ học, hàm lượng hợp chất hữu

cơ, pH, v.v… Điều kiện khí hậu hình thành đất ảnh hưởng rất lớn tới dạng tồn tại của Pb Trong đất vùng khô, Pb tồn tại ở dạng ion hấp phụ, cacbonat hữu

cơ, sunfua Trong đất vùng nhiệt đới Pb ở dạng hydroxyt chiếm ưu thế [9] Trong tự nhiên chì có nhiều dưới dạng PbS và bị chuyển hóa thành PbSO4 do quá trình phong hóa Pb2+ sau khi được giải phóng sẽ tham gia vào nhiều quá trình khác nhau trong đất như bị hấp phụ bởi các khoáng sét, chất

hữu cơ hoặc oxyt kim loại Hoặc bị cố định trở lại dưới dạng các hợp chất Pb(OH)2, PbCO3, Pbs, PbO, Pb3(PO4)2, Pb5(PO4)3OH Chì bị hấp phụ trao đổi chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ (< 5%) hàm lượng chì có trong đất Các chất hữu cơ có vai trò lớn trong đất do hình thành các phức hệ với chì Đồng thời chúng cũng làm tăng tính linh động của Pb khi các chất hữu cơ này có tính linh động cao [8] Chì cũng có khả năng kết hợp với các chất hữu cơ hình thành các chất bay hơi như (CH3)4Pb Trong đất chì có tính độc cao, nó hạn chế hoạt động của các vi sinh vật và tồn tại khá bền vững dưới dạng các phức hệ với chất hữu cơ Pb2+ trong đất có khả năng thay thế ion K+ trong các phức hệ hấp phụ

có nguồn gốc hữu cơ hoặc khoáng sét Khả năng hấp phụ chì tăng dần theo thứ tự sau: montmorillonit < axit humic < kaolinit < allophane < oxyt sắt Khả năng hấp phụ chì tăng dần đến pH mà tại đó hình thành kết tủa Pb(OH)2 [8]

1.1.2.2 Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố kẽm (Zn) trong đất

Zn có trong thành phần khoáng như biotit, amphibol, phyroxen Phong hóa khoáng và đá chuyển Zn thành hợp chất hòa tan và hấp thụ ở dạng Zn2+

Hàm lượng Zn trung bình trong đất cũng như đá khoảng 0,005% Trong đất

có phản ứng axit thì tính linh động của Zn2+ tăng và độ dễ tiêu cũng tăng [8] Khoáng vật nguyên sinh quan trọng nhất của Zn là sphalerit (ZnS) Trong đới oxy hóa, sphalerit bị oxy hóa do oxy hoặc các chất oxy hóa khác chẳng hạn như Fe2(SO4)3 theo các phương trình phản ứng sau:

ZnS + 2O2 = ZnSO4

ZnS + Fe2(SO4)3 + 3 O2 + 2H2SO4 = 2 ZnSO4 + 2 H2SO4

Tương tự như đối với một số sunfua khác

Zn là một trong những nguyên tố linh động nhất trong đới oxy hóa, khác hẳn với nguyên tố luôn đồng hành với nó là Pb Trong khi Pb có xu thế tích tụ trong đới oxy hóa thì Zn lại có xu thế phân tán Khả năng phân tán của Zn thậm chí còn hơn cả Cu Độ hòa tan của ZnSO4 đạt tới 531,2 g/l cao hơn hẳn CuSO4 (172 g/l), hơn nữa ZnSO4 rất bền vững Trong điều kiện các đá vây quanh là cacbonat, ZnSO4 tác dụng với cacbonat, chẳng hạn canxit (CaCO3) tạo thành cacbonat kẽm (ZnCO3) khoáng vật smisonit Đây là khoáng vật có

độ hòa tan trong nước rất thấp (0,04 g/l ở nhiệt độ 18oC) Trong điều kiện các

đá vây quanh không phải là cacbonat, Zn có xu thế phân tán và dễ dàng đi vào dòng tiêu thoát, đôi khi với hàm lượng đáng kể [28]

1.1.2.3 Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố cadimi (Cd) trong đất

Cd tồn tại ở dạng các chất rắn như CdO, CdCO3, Cd(PO4)2 trong điều kiện oxy hóa Trong các điều kiện khử (Eh ≤ - 0,2 V), Cd tồn tại nhiều ở dạng CdS Độ chua của đất có ảnh hưởng rất lớn đối với khả năng linh động của Cd trong đất Trong đất chua, Cd tồn tại ở dạng linh động hơn (Cd2+

) Tuy nhiên, nếu đất có nhiều Fe, Al, Mn, chất hữu cơ thì Cd lại bị chúng liên kết làm giảm khả năng linh động của Cd Trong các đất trung tính hoặc kiềm do bón vôi,

Cd bị kết tủa dưới dạng CdCO3 [19]

Khả năng hấp phụ Cd của các chất trong đất giảm dần theo thứ tự: hydroxyt, oxyt sắt nhôm, halloysit > allophane > kaolinit, axit humic > montmorillonit Quá trình hấp phụ Cd trong đất xảy ra khá nhanh, 95% Cd đưa vào đất bị hấp phụ trong vòng 10 phút và 100% trong vòng 1 giờ Thông thường Cd tồn tại trong đất ở dạng hấp phụ trao đổi chiếm 20 – 40%, dạng các hợp chất cacbonat là 20%, hydroxyt và oxyt là 20% Phần liên kết với các hợp khác là 20%

Trong đất ô nhiễm KLN, hàm lượng Cd có quan hệ thuận với hàm lượng

Zn, nếu Zn nhiều thì Cd cũng nhiều Ở các vùng lân cận nhà máy luyện kẽm,

ở tầng đất mặt có thể chứa 1700 mg/kg Cd Cd trong đất có thể ở dạng hòa tan trong nước (ion và phức chất hữu cơ chiếm tỷ lệ nhỏ nhất) hoặc dạng không tan trong nước (dạng hấp thụ, dạng kết tủa và dạng phức khó tan) Hai dạng này có thể chuyển hóa lẫn nhau tùy điều kiện môi trường

Cd gây độc cho cây chủ yếu khi ở dạng hòa tan [22]

Ion Cd có thể hình thành hợp chất không tan, thường hydrat hóa với cacbonat, asenat, photphat hoặc ion oxalat Ô nhiễm Cd trong đất ngoài nguồn gốc từ đá mẹ còn do nhiều tác nhân khác như: bùn thải (chủ yếu do hoạt động công nghiệp), phân bón, lắng đọng, khí quyển và chất thải phóng xạ [31]

1.1.3 Tình hình ô nhiễm KLN do các hoạt động khai thác khoáng sản

1.1.3.1 Tình hình ô nhiễm KLN trên thế giới

Hiện nay, các khu vực khai thác mỏ, khoáng sản, các khu công nghiệp và các thành phố lớn là những nguồn phát thải ra một lượng lớn KLN, chúng có khả năng tồn tại trong môi trường, vấn đề không đáng lo ngại nhiều nếu chúng không xâm nhập được vào cơ thể sinh vật và hệ sinh thái Điều đáng quan tâm là KLN có tính bền vững khó phân hủy, có khả năng xâm nhập và tích lũy đến mức độ gây độc cho con người, sinh vật và hệ sinh thái

Ở Kabwe và Zambia, khi các mỏ chì lớn được phát hiện gần Kabwe năm

1902, Zambia là một thuộc địa của Anh, và có rất ít quan tâm tới ảnh hưởng của kim loại độc hại với người dân Đáng buồn thay, tình trạng này tới nay hầu như không được cải thiện Và cho dù công việc khai thác, chế biến chì không còn hoạt động nhưng mức ô nhiễm chì ở Kabwe là rất lớn Tính trung bình, mức nhiễm chì ở trẻ em cao hơn chuẩn cho phép của Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ từ 5-10 lần, và thậm chí còn cao hơn mức gây tử vong Song cũng có một tia hy vọng khi Ngân hàng Thế giới gần đây đã thông báo một dự

án làm sạch môi trường trị giá 40 triệu USD [43]

Công trình nghiên cứu của Kabata và Henryk (1985) [20] tại 53 thành phố, thị xã ở nước Anh cho thấy hầu hết đất có hàm lượng Pb tổng số vượt trên 200 mg/l, ở nhiều vùng công nghiệp đã vượt quá 500 mg/l, năm 1993 có khoảng 200.000 ha đất bị ô nhiễm KLN

Khi nghiên cứu nước mưa chảy ra từ các đường cao tốc một số vùng tây nam Scotland theo nghiên cứu của hai tác giả Neill Mc.A và Olley S.(1998) [20] nhận thấy rằng do ảnh hưởng của hoạt động giao thông, các chất thải ra từ các động cơ đốt trong của các phương tiện tham gia giao thông chính là các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng cho nước mặt Theo hai tác giả này trong tổng số 63 mẫu nghiên cứu, nồng độ Cu (không hoà tan) dao động từ 0,001 – 0,036 mg/l, đạt trung bình là 0,011 mg/l, nồng độ Zn tổng số dao động trong khoảng 0,001 – 0,132 mg/l, trung bình đạt 0,029 mg/l [20]

Những tác động đến môi trường của hoạt động khai thác khoáng sản không chỉ dừng lại trong quá trình khai thác mà sau khi hoạt động khai thác kết thúc ảnh hưởng của hoạt động vẫn tiếp diễn đặc biệt là môi trường đất Một số nhà khoa học đã tiến hành lấy mẫu và xác định nồng độ kim loại nặng chứa trong đất để tiến hành đánh giá hiện trạng đất thì thấy rằng đất ở những khu vực này vẫn còn bị ô nhiễm kim loại nặng với nồng độ cao Như tại mỏ vàng - bạc Soncheon của Hàn Quốc, Lim H.S và cộng sự đã xác định được

hàm lượng các kim loại nặng tại một số loại đất như bảng sau [77]

Bảng 1.2 Hàm lượng KLN trong một số loại đất ở khu mỏ hoang

Đất trang trại

Đất bình thường trên thế giới

30 -749

125 - 50.803

580 - 7541 0,09 - 1,01

695 - 3.082 1,32

36 - 89

63 - 428

115 - 795 0,19 - 0,55

7 - 626 0,75

13 - 673

23 - 290

63 - 110 0,09 - 4,90

6 0,35

30

35

90 0,06

Nguồn: Theo Lim H S và cộng sự (2004)[77] Theo các tác giả Lim H.S thì bãi thải đuôi quặng ở đây là nguồn điểm

gây ô nhiễm các kim loại cho đất ở những khu vực xung quanh Hàm lượng các kim loại cao trong đất trang trại là do sự phát tán kim loại bởi gió, nước từ các bãi quặng đuôi Đa số cây trồng ở các khu đất bị nhiễm kim loại đã bị nhiễm As và Zn ở mức cao

Bảng 1.3 Hàm lượng kim loại nặng trong chất thải

Môi trường đất tại các mỏ vàng mới khai thác thường có độ kiềm cao (pH: 8 - 9), ngược lại ở các mỏ vàng cũ, thường có độ axit mạnh (pH: 2,5 - 3,5); dinh dưỡng trong đất thấp và hàm lượng kim loại nặng rất cao Chất thải

ở đây thường là nguồn gây ô nhiễm môi trường, cả phần trên mặt đất và phần dưới mặt đất Ở Úc, chất thải từ các mỏ vàng chứa hàm lượng các kim loại nặng vượt tiêu chuẩn cho phép rất nhiều lần [30]

Một số vùng thuộc các nước như Đan Mạch, Nhật, Anh và Ailen có hàm lượng Pb trong đất cao hơn 100 mg/kg đã phản ánh tình trạng ô nhiễm Pb Trong khi đó hàm lượng Pb ở Alaska lại khá thấp chỉ khoảng 20 mg/kg trên

lớp đất mặt [77]

Các nguyên tố KLN như: Cu, Pb, Zn, Cd, Hg, Cr, As… thường chứa trong phế thải của ngành luyện kim màu, sản xuất ô tô Khi nước thải chứa 13

mg Cu/l, 10 mg Pb/l, 1 mg Zn/l đã gây ô nhiễm đất nghiêm trọng Hàm lượng

Cd trong đất Thuỵ Sỹ có thể lên tới 3 mg/kg trong vòng 20 – 30 năm tới Tính

di động gây độc của các KLN còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: sự thay đổi điện thế oxy hoá - khử, pH, số lượng muối và các phức chất… có khả năng hoà tan những KLN đó ở trong đất [25]

Đánh giá chung: nhìn chung các khu vực khai thác khoáng sản ở nhiều

nơi trên thế giới đều là những nguồn phát thải ô nhiễm KLN gây tác động xấu đến môi trường Đó là ô nhiễm Pb ở Kabwe và Zambia, Đan Mạch, Nhật, Anh và Ailen … Ô nhiễm đất bởi các KLN từ hoạt động khai thác vàng - bạc

ở Soncheon của Hàn Quốc Ô nhiễm Cu, Pb, Zn, Cd, Hg, Cr, As… thường chứa trong phế thải của ngành luyện kim màu, sản xuất ô tô

1.1.3.2 Tình hình ô nhiễm KLN ở Việt Nam

Việt Nam là nước có nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú và đa dạng với hơn 5000 điểm mỏ thuộc 60 loại khoáng sản khác nhau được phát hiện và khai thác Nhưng hầu hết các loại khoáng sản có trữ lượng lớn sau khai thác được đều xuất khẩu thô sang các nước khác mà có ít khoáng sản được tinh luyện ngay trong nước như dầu mỏ, than đá … Ngành khai thác khoáng sản ở Việt Nam đã có lịch sử phát triển hàng trăm năm, tuy nhiên sự phát triển và hiệu quả đóng góp của ngành đối với nền kinh tế còn chưa xứng đáng với tiềm năng [21],[27]

Nguyễn Ngọc Quỳnh và cộng sự (2002), tại TP HCM, kết quả phân tích hiện trạng ô nhiễm KLN trong đất vùng trồng lúa khu vực phía Nam thành phố cho thấy hàm lượng đồng, kẽm, chì, thủy ngâm, crom, trong đất trồng lúa chịu ảnh hưởng trực tiếp của nước thải công nghiệp phía Nam thành phố đều tương đương hoặc cao hơn ngưỡng cho phép (TCVN 7209:2002) đối với đất

sử dụng cho mục đích công nghiệp Trong đó hàm lượng cadimi vượt quá tiêu chuẩn cho phép 2,3 lần, kẽm vượt quá 1,76 lần [20]

Các kết luận tương tự cũng được Hồ Thị Lam Trà và Kazuhiko Egashira (2001) [22] đưa ra khi nghiên cứu hàm lượng Cu, Pb, Zn trong các loại đất: phù

sa, đất vàng nhạt trên đá cát, đất nâu đỏ phát triển trên đá vôi, đất nâu đỏ phát triển trên đá bazan ở một số vùng của Việt Nam Kết quả nghiên cứu cho thấy trong đất nâu đỏ phát triển trên đá vôi lấy tại Ninh Bình có hàm lượng Cu và

Zn khá cao (106 mg/kg và 153 mg/kg) nhưng lại thấp trong đất vàng nhạt trên

đá cát lấy tại Bắc Giang (16 mg/kg và 32 mg/kg)

Tại Thành phố Đà Nẵng, với 6 khu công ngiệp và 300 doanh nghiệp đang hoạt động, có tốc độ phát triển công nghiệp nhanh nhưng đi kèm với nó

là dấu hiệu ô nhiễm môi trường ngày một gia tăng Khu vực hạ lưu sông Cu

Đê nơi nhận nguồn nước thải của khu công nghiệp (KCN) Hòa Khánh và KCN Liên Chiều có hàm lượng KLN vượt từ 1 - 10 lần tiêu chuẩn cho phép

Ô nhiễm KLN ở Việt Nam chưa xảy ra trên diện rộng tuy nhiên, đã có hiện tượng ô nhiễm cục bộ ở một số khu vực đặc biệt là một số KCN và các làng nghề tái chế kim loại [2]

1.1.3.3 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng ở Thái Nguyên

Thái Nguyên là một tỉnh có nhiều điểm quặng Theo báo cáo của UBND tỉnh, Thái Nguyên đã phát hiện và đánh giá 177 điểm quặng và mỏ bao gồm

đá vôi, đất sét, than đá, quặng sắt, quặng titan, volfram, quặng chì, thiếc, vàng Một số điểm tập trung ở huyện Đại Từ, Đồng Hỷ, Phú Lương và Võ Nhai Mặc dù đem lại nhiều lợi ích kinh tế nhưng những tác động tiêu cực tới môi trường như ô nhiễm môi trường không khí, ô nhiễm môi trường nước, ô nhiễm môi trường đất… do hoạt động sản xuất, khai thác và chế biến là không thể tráng khỏi [24]

Bảng 1.4 Kết quả phân tích mẫu kim loại nặng tại một số điểm mỏ

trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên

Trung bình As

Trung bình

Ở mỏ chì kẽm Cuội Nắc, hàm lượng Zn gấp 8,2 - 11,5 lần, hàm lượng

Pb gấp 4,2 - 4,9 lần, hàm lượng Cd gấp 10 - 17 lần; hàm lượng As gấp 14,7 - 20,9 lần tiêu chuẩn cho phép (QCVN 03-MT:2015/BTNMT) Hàm lượng Zn tại đây cao nhất trong 5 mỏ nghiên cứu là do cấu tạo địa chất của mỏ Cuội Nắc và do quá trình tuyển rửa, khai thác lượng Zn theo nước thải và chất thải rắn không được xử lý nên đã tích tụ ngày càng nhiều trong đất dẫn tới ô nhiễm nghiêm trọng

Mỏ titan Cây Châm 1 có hàm lượng Zn gấp 5,7 - 9,36 lần, hàm lượng Pb gấp 2,7 - 5 lần, hàm lượng Cd gấp 9,1 - 15,2 lần, hàm lượng As gấp 9,5 - 21,3 lần tiêu chuẩn cho phép (QCVN 03-MT:2015/BTNMT)

Mỏ titan Cây Châm 2 có hàm lượng Zn gấp 5,7 - 8,8 lần, hàm lượng Pb gấp 10,2 - 25,8 lần, hàm lượng Cd gấp 1,5 - 3,4 lần, hàm lượng As gấp 4,4 - 12,9 lần tiêu chuẩn cho phép (QCVN 03-MT:2015/BTNMT) Hàm lượng Pb trung bình là 1365,21 mg/kg và cao hơn 4 mỏ còn lại do nước thải và chất thải rắn không được xử lý đổ bừa bãi ra khai trường và khu vực xử lý

Mỏ sắt Trại Cau có hàm lượng Zn gấp 8,2 - 11,1 lần, hàm lượng Pb gấp 2,5 - 5,4 lần, hàm lượng Cd gấp 15,7 - 18,6 lần, hàm lượng As gấp 15,1 - 33,6 lần tiêu chuẩn cho phép (QCVN 03-MT:2015/BTNMT) Tại đây, lượng Cd,

As cao hơn so với các mỏ khác là do Cd, As luôn đi kèm với các loại quặng sắt, sau quá trình khai thác không được quản lý khoa học nên lượng Cd càng nhiều trong môi trường đất

Mỏ chì kẽm Làng Hích có hàm lượng Zn, Pb, Cd và As gấp lần lượt tương ứng là 5,4 - 11 lần, 14,5 - 18,5 lần, 2,3 - 2,9 lần, 5,1 - 10,8 lần tiêu chuẩn cho phép (QCVN 03-MT:2015/BTNMT)

Số liệu phân tích trên cho chúng ta thấy, sau quá trình khai thác, môi trường đất tại các mỏ hiện đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, vượt QCVN 03-MT:2015/BTNMT rất nhiều Có thể dễ dàng nhận thấy hàm lượng KLN tại sườn đồi thấp hơn so với tại chân đồi do quá trình rửa trôi các KLN theo dòng nước và gió

1.1.3.3 Hiện trạng bãi thải mỏ chì kẽm Làng Hích

Mỏ chì kẽm Làng Hích được giao cho Công ty TNHH MTV kim loại màu Thái Nguyên khai thác từ năm 1996 Năm 2010 sản lượng khai thác đạt 19.188 tấn/năm, năm 2011 đạt 30.000 tấn/năm, năm 2015 sản lượng đạt 24.005 tấn/năm

Công nghệ khai thác của mỏ là công nghệ hầm lò, công nghệ tuyển là tuyển bằng hóa chất Lượng bùn thải phát sinh sau tuyển sẽ được dẫn bằng đường ống thoát thải Ф 159 về bể chứa có dung tích 100 m3

của trạm bơm trung gian, bể chứa của trạm bơm trung gian sẽ làm nhiệm vụ chứa bùn thải

của trạm bơm trung gian trong trường hợp sự cố bơm bùn thải không hoạt động, không để bùn nước tràn ra suối gây ảnh hưởng tới môi trường Sau đó trạm bơm trung gian sẽ bơm bùn thải theo đường ống Ф 180 dẫn ra hồ lắng

Sa Lung cách xưởng tuyển 1 km về phía Nam Hồ lắng làm nhiệm vụ tiếp nhận và lắng trong toàn bộ phần đuôi thải sau khi tuyển nổi Hồ lắng được quy hoạch trong thung lũng phía Nam khu Sa Lung, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên, bốn xung quanh là đồi núi Hồ lắng có diện tích 31.000 m2, chiều sâu trung bình 4,5 m, với dung tích chứa 135.000 m3 [4]

Kết quả phân tích tại bảng 1.4 cho thấy, bãi thải Mỏ chì kẽm Làng Hích

có hàm lượng Zn, Pb, Cd và As gấp lần lượt tương ứng là 5,4 - 11 lần, 14,5 - 18,5 lần, 2,3 - 2,9 lần, 5,1 - 10,8 lần tiêu chuẩn cho phép (QCVN 03-MT:2015/BTNMT) [15]

1.1.4 Một số phương pháp truyền thống xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng

1.1.4.1 Phương pháp đào và chuyển chỗ (Dig and Haul)

Đào và chuyển chỗ là phương pháp xử lý chuyển chỗ (ex-situ) đất nhằm

di chuyển các chất độc hại đến một nơi khác an toàn hơn

Với phương pháp này, các chất ô nhiễm không được loại bỏ khỏi đất ô nhiễm mà đơn giản chỉ là đào lên và chuyển đất ô nhiễm đi chỗ khác với hy vọng là không bị ô nhiễm ở những nơi cần thiết [58]

1.1.4.2 Phương pháp cố định hoặc cô đặc (Stabilization/Solidification)

Cố định hoặc cô đặc chất ô nhiễm có thể là phương pháp xử lý tại chỗ hoặc chuyển chỗ Phương pháp này liên quan đến hỗn hợp các chất đặc trưng được thêm vào đất, hoặc là các thuốc thử, các chất phản ứng với đất ô nhiễm

để làm giảm tính linh động và hoà tan của các chất ô nhiễm

Các tác nhân liên kết được sử dụng bao gồm tro (fly-ash), xi măng (cement) hoặc than hoạt tính Mặc dù quá trình này đã được chứng minh là hiệu quả với chất ô nhiễm là kim loại nặng nhưng lại có khả năng là tác nhân liên kết hoặc thay đổi pH đất [58]

1.1.4.3 Phương pháp thuỷ tinh hoá (Vitrification)

Phương pháp thuỷ tinh hoá là quá trình xử lý bởi nhiệt, có thể được sử dụng để xử lý đất tại chỗ hay chuyển chỗ Đây là quá trình chuyển chất ô nhiễm thành dạng thuỷ tinh cố định (Stable glassy form)

Đối với phương pháp này, cho dòng điện chạy qua một dãy điện cực than chì, làm nóng chảy đất ở nhiệt độ rất cao (1500 - 20000C) Thuỷ tinh bền được hình thành, kết hợp chặt chẽ và cố định kim loại khi đất được làm lạnh Một nắp đậy khí thải được nắp đặt trên vùng xử lý Nắp này được sử dụng để thu nhận và xử lý các khí thải (các kim loại bay hơi) được thải ra trong suốt quá tình xử lý

Hiện nay phương pháp này được sử dụng khá rộng rãi nhưng chỉ được áp dụng trên diện tích nhỏ, chi phí giá thành cao, yêu cầu kỹ thuật hiện đại nên người ta cần tìm kiếm những phương pháp khác có hiệu quả kinh tế cao hơn, thân thiện hơn với môi trường [59]

1.1.4.4 Phương pháp rửa đất (Soil washing)

Rửa đất là công nghệ xử lý đất chuyển vị (ex-Situ treatment technology),

có thể được sử dụng để xử lý đất ô nhiễm KLN Quá trình này dựa vào cơ chế hút và tách vật lý để loại bỏ chất ô nhiễm ra khỏi đất Quá trình vật lý loại bỏ những hạt kim loại có kích thước lớn và vận chuyển các chất ô nhiễm vào pha lỏng Dung dịch làm sạch đất có thể trung tính hoặc chứa các yếu tố hoạt tính

bề mặt Các chất thường dùng trong các dung dịch làm sạch đất là HCl, EDTA, HNO3 và CaCl2 Quá trình này sẽ làm giảm hàm lượng kim loại trong đất và tạo ra một dịch lỏng với hàm lượng kim loại cao và tiếp tục xử lý

Ở những nơi có nhiều chất ô nhiễm hỗn hợp, phương pháp này sẽ gặp khó khăn vì khó xác định dung dịch rửa thích hợp Hơn nữa đối với đất ô nhiễm với nhiều phức chất khác nhau thì sử dụng phương pháp này sẽ rất tốn kém [52]

1.1.4.5 Phương pháp xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng bằng thực vật

Xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào từng cơ chế loại bỏ các kim loại nặng như:

- Phương pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại trong đất hoặc bùn bởi sự hấp thụ của rễ hoặc kết tủa trong vùng rễ Quá trình này làm giảm khả năng linh động của kim loại, ngăn chặn ô nhiễm nước ngầm và làm giảm hàm lượng kim loại khuếch tán vào trong các chuỗi thức ăn

Bảng 1.5 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao

Tên loài

Kim loại tích luỹ trong than (g/g P khô)

Tác giả và năm công bố

Thlaspi caerulescens 12.000 Cd Madico và cs, 1992 Thlaspi rotundifolium 8.200 Pb Reeves & Brooks, 1983

Thlaspi geosingiense 12.000 Ni Reeves & Brooks, 1983 Alyssum bertholonii 13.400 Ni Brooks & Radford,1978 Alyssum pintodasilvae 9.000 Ni Brooks & Radford,1978

Psychotria douarrei 47.500 Ni Baker và cs, 1985

Melastomamalabathricum 10.000 Al Watanabe và cs, 1998

Nguồn: [30]

- Phương pháp làm giảm hàm lượng kim loại nặng trong đất bằng cách trồng các loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại cao trong thân Các loài thực vật này phải kết hợp được 2 yếu tố là có thể tích luỹ kim loại trong thân

và cho sinh khối cao Có rất nhiều loài đáp ứng được điều kiện thứ nhất, nhưng không đáp ứng được điều kiện thứ hai Vì vậy, các loài có khả năng tích luỹ thấp nhưng cho sinh khối cao cũng rất cần thiết Khi thu hoạch các loài thực vật này thì các chất ô nhiễm cũng được loại bỏ ra khỏi đất và các kim loại quý hiếm như Ni, Ti, Au, có thể được chiết tách ra khỏi cây

Đánh giá chung: Các nghiên cứu ở trong nước cho thấy, Việt Nam cũng

đang bị ô nhiễm đất do KLN từ hoạt động của công nghiệp như ở khu vực trồng lúa phía Nam TP HCM, một số khu công nghiệp ở Đà Nẵng Thái Nguyên có nhiều điểm quặng, nhiều mỏ khai thác quặng Kết quả của các nhóm nghiên cứu đã chỉ ra vùng đất ở nhiều điểm khai thác khoáng sản bị ô nhiễm KLN như mỏ chì kẽm Cuội Nắc, mỏ titan Cây Châm, mỏ sắt Trại Cau,

mỏ chì kẽm Làng Hích Tuy nhiên, việc áp dụng các giải pháp để xử lý KLN trong đất sau khai thác khoáng sản hầu như vẫn còn bỏ ngỏ hoặc chưa có giải pháp thích hợp để loại bỏ nguồn ô nhiễm này Vì vậy, việc nghiên cứu, tìm các giải pháp để xử lý nguồn ô nhiễm KLN trong đất sau khai thác khoáng sản cho các vùng mỏ ở Thái Nguyên là cần thiết

1.1.5 Tiêu chuẩn đánh giá đất ô nhiễm kim loại nặng

1.1.5.1 Tiêu chuẩn đánh giá đất ô nhiễm kim loại nặng của một số nước trên thế giới

Việc xây dựng ngưỡng độc hại đối với các KLN rất khó khăn và tùy thuộc vào mục đích sử dụng đất Tùy theo từng nước mà công việc kiểm soát đánh giá đất ô nhiễm có khác nhau Ở Anh, mức độ đánh giá các KLN được trình bày ở bảng sau

Nguồn: Trích theo Lê Văn Khoa và nnk, 2008 [11]

Ở Hà Lan, chính phủ đã xây dựng hệ thống gồm 3 mức: giá trị chấp nhận được hay giá trị nền, giá trị chứng tỏ quá trình nhiễm bẩn đang xảy ra và giá trị cần thiết phải làm sạch (bảng 1.7)

Bảng 1.7 Đánh giá mức ô nhiễm kim loại trong đất ở Hà Lan

Nhiều nước còn đưa ra quy định giới hạn KLN đối với đất dùng cho mục đích nông nghiệp Mục tiêu của giới hạn này là bảo vệ tính năng sản xuất của đất, môi trường và sức khỏe con người

Bảng 1.8 Hàm lượng tối đa cho phép của các KLN được xem là độc đối

với thực vật trong đất nông nghiệp

Nguồn: Trích theo Lê Văn Khoa và nnk, 2008 [11]

Đất bị ô nhiễm KLN không những làm giảm năng suất sinh học của cây trồng mà còn ảnh hưởng đến chất lượng nông sản dẫn tới tác động xấu đến sức khỏe con người Vì vậy, nhiều nước đã quy định mức ô nhiễm đối với mỗi nhóm đất và phương thức sử dụng đất Ví dụ ở Ba Lan đưa ra 6 mức ô nhiễm đối với 3 nhóm đất khác nhau

Bảng 1.9 Đánh giá ô nhiễm đất mặt bởi các KLN ở Ba Lan

1.1.5.2 Tiêu chuẩn đánh giá đất ô nhiễm kim loại nặng của Việt Nam

Ở Việt Nam, nhìn chung đất bị ô nhiễm KLN chưa phải là phổ biến

Tuy nhiên, sự ô nhiễm cũng đã xuất hiện mang tính cục bộ ở các vùng xung quanh các khu công nghiệp, các nơi khai thác quặng và các làng nghề tái chế, đặc biệt là tái chế kim loại

Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN 03-MT:2015/BTNMT đưa ra giới hạn tối

đa cho phép hàm lượng tổng số của As, Cd, Cu, Pb, Zn trong đất dùng cho mục đích khác nhau ở Việt Nam được trình bày trong bảng sau

Bảng 1.10 Giới hạn tối đa cho phép hàm lượng tổng số đối với As, Cd,

Đất dân sinh

Đất công nghiệp

Đất thương mại, dịch vụ

1.2 TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT VÀ ỨNG DỤNG THAN SINH HỌC 1.2.1 Đặc tính của than sinh học

Than sinh học (TSH) là một sản phẩm giàu cacbon thu được khi nhiệt phân các vật liệu hữu cơ như gỗ, phân chuồng, lá cây, phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ) ở nhiệt độ (<7000C) trong điều kiện thiếu và không có oxy [73] Tổng hợp từ nhiều nguồn TSH cho thấy lượng TSH thu được là 28,5%, hàm lượng cacbon trong TSH là 79,6% và năng suất cacbon là 49,9% [63] Các yếu tố chính quyết định đặc tính của TSH là: (1) Loại chất hữu cơ dùng để nhiệt phân; (2) Môi trường nhiệt phân ví dụ nhiệt độ, khí; (3) Chất bổ sung trong quá trình nhiệt phân Nguồn hữu cơ cung cấp cho nhiệt phân than có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng TSH, hàm lượng dinh dưỡng và chất dễ tiêu [63]

Bảng 1.11 Thành phần còn lại sau nhiệt phân dưới tác động

của nhiệt độ và thời gian lưu khác nhau

Chất lỏng (%)

Than sinh học (%)

Khí tổng hợp (%)

Quá trình khí

hóa

Nhiệt độ cao, ~8000C, thời

Nguồn: Verheijen và cs, 2010 [106]