Hiện trạng ô nhiễm và khả năng hấp thụ kim loại nặng trong đất của một số loài thực vật tại khu vực khai thác khoáng sản huyện đồng hỷ, tỉnh thái nguyên

Hiện trạng ô nhiễm và khả năng hấp thụ kim loại nặng trong đất của một số loài thực vật tại khu vực khai thác khoáng sản huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên

HÀ THỊ LAN

HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM VÀ KHẢ NĂNG HẤP THỤ KIM LOẠI NẶNG TRONG ĐẤT CỦA MỘT SỐ LOÀI THỰC VẬT TẠI KHU VỰC KHAI THÁC KHOÁNG SẢN HUYỆN

ĐỒNG HỶ - TỈNH THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành : Khoa học môi trường

Mã số : 60 85 02

Thái Nguyên, năm 2011

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Đàm Xuân Vận đã hết lòng tận tụy hướng dẫn tôi thực hiện đề tài, đồng thời tôi xin chân thành cảm ơn Th.s Trần Thị Phả đã giúp đỡ tôi hoàn thành tốt đề tài của mình

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên và cổ vũ tôi trong suốt quá trình học tập

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Người thực hiện luận văn

Hà Thị Lan

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng: số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn

là trung thực và chưa hề bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và thông tin trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Người thực hiện luận văn

Hà Thị Lan

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Ý nghĩa của đề tài 3

PHẦN I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng trong đất 4

1.1 Khái niệm ô nhiễm kim loại nặng và ô nhiễm đất 4

1.2 Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất 4

1.3 Đặc điểm hoá học của Pb, Zn, Cd và As trong đất 7

1.2 Hoạt động khai thác khoáng sản và các vấn đề môi trường liên quan 9

1.2.1 Hoạt động khai thác khoáng sản ở Việt Nam 11

1.2.2 Ảnh hưởng của hoạt động khai thác khoáng sản đến môi trường đất ở Việt Nam 17

1.3 Các phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng 20

1.3.1 Các nguyên tác chính để xử lý đất bị ô nhiễm 21

1.3.2 Các phương pháp truyền thống làm sạch đất ô nhiễm 21

1.4 Tổng quan về xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật 23

1.4.1 Cơ sở khoa học của công nghệ xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất bằng thực vật 23

1.4.2 Một số kết quả nghiên cứu khả năng hấp thụ một số kim loại nặng bằng thực vật 27

1.4.3 Triển vọng của công nghệ thực vật xử lý kim loại nặng trong đất 28

PHẦN II: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 30

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 30

2.1.2 Phạm vi nghiêm cứu 30

2.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 30

2.2.1 Địa điểm nghiên cứu 30

2.2.2 Thời gian nghiên cứu 30

2.3 Nội dung nghiên cứu 30

2.4 Phương pháp nghiên cứu 31

2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu, thống kê, kế thừa truyền thống 31

2.4.2 Phương pháp lấy mẫu đất và mẫu thực vật 31

2.4.3 Phương pháp thiết kế thí nghệm 32

2.4.4 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm 32

2.4.5 Phương pháp xử lý số liệu 33

PHẦN III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội huyện Đồng Hỷ 34

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 34

3.1.2 Điều kiện kinh tế - xã hội 35

3.1.3 Hiện trạng khai thác khoáng sản tại khu vực mỏ sắt Trại Cau và mỏ Chì Kẽm Làng Hích huyện Đồng Hỷ - tỉnh Thái Nguyên 39

3.1.3.1.Hiện trạng khu vực khai thác khoáng sản mỏ Sắt Trại Cau 39

3.1.3.2 Hiện trạng khu vực khai thác khoáng sản tại mỏ làng Hích 41

3.2 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất và sự tích luỹ kim loại trong thực vật tại khu vực khai thác khoáng sản huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên .38

3.2.1 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất tại khu vực mỏ sắt Trại Cau và mỏ chì, kẽm làng Hích - huyện Đồng Hỷ 42

3.2.1.1 Độ pH của đất 42

3.2.1.2 Đánh giá hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất 43

3.2.2 Sự tích lũy kim loại nặng trong một số loài thực vật tại khu vực mỏ sắt Trại Cau và mỏ chì, kẽm làng Hích - huyện Đồng Hỷ 48

3.3 Nghiên cứu khả năng hấp thụ kim loại nặng của cây sậy, và cỏ lá tre bò trên đất bị ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản 53

3.3.1 Đánh giá sự thay đổi nồng độ kim loại nặng trong các mẫu đất trồng thí

nghí nghiệm 53

3.3.1.1 Đánh giá độ pH của đất nghiên cứu 53

3.3.1.2 Đánh giá sự thay đổi hàm lượng kim loại nặng trong đất trồng thí nghiệm 54

3.3.2 Khả năng tích luỹ kim loại nặng trong thân, lá và rễ của các loài thực vật nghiên cứu 57

3.3.2.1 Đánh giá sự sinh trưởng phát triển của thực vật nghiên cứu trong đất ô nhiễm kim loại nặng 57

3.3.2.2 Sự thay đổi hàm lượng kim loại nặng trong các thực vật nghiên cứu 58 3.4 Đề xuất biện pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

1 Kết luận 64

2 Kiến nghị 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu viết tắt Diễn giải đầy đủ nội dung

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Hàm lượng kim loại nặng trong giáng thủy 5

Bảng 1.2.Hàm lượng trung bình một số kim loại nặng trong đá và đất 5

Bảng 1.3 Hàm lượng kim loại nặng trong nguồn phân bón nông nghiệp 6

Bảng 1.4 Biến đổi hàm lượng kim loại nặng trong đất do các hoạt động khai khoáng theo thời gian 7

Bảng 1.5 Tình hình khai thác chì, kẽm một số mỏ tại tỉnh Thái Nguyên 16

Bảng 1.6 Tình hình khai thác sắt, thiếc một số mỏ trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên 17

Bảng 1.7 Diện tích rừng và đất rừng bị thu hẹp, thoái hóa ở một số mỏ 18

Bảng 1.8 Mức độ ô nhiễm đất nông nghiệp do khai thác mỏ 19

Bảng 3.1 pH của đất nghiên cứu 42

Bảng 3.2 Hàm lượng kim loại nặng trong đất 43

Bảng 3.3 Hàm lượng các kim loại nặng trong cây sậy và cây dương xỉ 48

Bảng 3.4 pH của đất nghiên cứu 53

Bảng 3.5: Hàm lượng kim loại nặng trong đất nghiên cứu 54

Bảng 3.6 Khả năng sinh trưởng của cây Sậy trong đất ô nhiễm kim loại nặng 58

Bảng 3.7 Hàm lượng kim loại trong các bộ phận của các loài thực vật nghiên cứu trước và sau khi trồng thí nghiệm 58

DANH MỤC HÌNH

Hình 4.1 Hàm lượng Asen trong đất nghiên cứu 44

Hình 4.2 Hàm lượng chì trong đất nghiên cứu 45

Hình 4.3 Hàm lượng Cadimi trong đất nghiên cứu 46

Hình 4.4 Hàm lượng Kẽm trong đất nghiên cứu 47

Hình 4.5 Hàm lượng Asen trong các loài thực vật nghiên cứu 49

Hình 4.6 Hàm lượng Chì trong các loài thực vật nghiên cứu 50

Hình 4.7 Hàm lượng Cadimi trong các loài thực vật nghiên cứu 51

Hình 4.8 Hàm lượng Kẽm trong một số loài thực vật nghiên cứu 52

Hình 4.9 Hàm lượng Kẽm trong đất nghiên cứu 54

Hình 4.10 Hàm lượng Chì trong đất nghiên cứu 55

Hình 4.11 Hàm lượng Cadimi trong đất nghiên cứu 56

Hình 4.12 Hàm lượng Asen trong đất nghiên cứu 56

Hình 4.13 Hàm lượng Kẽm trong thực vật trước và sau khi trồng thí nghiệm 59

Hình 4.14 Hàm lượng Chì trong thực vật trước và sau khi trồng thí nghiệm 60 Hình 4.15 Hàm lượng Cadimi trong thực trước và sau khi trồng thí nghiệm 60 Hình 4.16 Hàm lượng Asen trong thực vật trước và sau khi trồng thí nghiệm 61

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn nạn của toàn thế giới Không chỉ môi trường nước, môi trường không khí mà môi trường đất cũng đang ngày càng bị ô nhiễm nặng nề bởi nhiều hoạt động khác nhau của con người Trong đó ô nhiễm đất do KLN đã và đang trở thành mối quan tâm đặc biệt của nhiều quốc gia trên thế giới

Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành công nghiệp, nông nghiệp và khai khoáng thì quy mô và cường độ ô nhiễm KLN cũng ngày càng gia tăng Do đó, việc nghiên cứu, tìm kiếm các phương pháp xử lý kim loại nặng trong đất, góp phần cải tạo ô nhiễm môi trường đất là hết sức cần thiết nhất là khi

xu thế tài nguyên đất trên thế giới đang bị suy giảm nhanh chóng về diện tích và chất lượng, đe doạ đến an ninh lương thực và sự phát triển bền vững

Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều các phương pháp khác nhau xử để

lý kim loại nặng trong đất được đưa ra và sử dụng như: Công nghệ rửa đất, công nghệ cố định tại chỗ, Tuy nhiên, các phương pháp này đều có chi phí cao, chỉ phù hợp tiến hành với quy mô nhỏ trong khi tình trạng ô nhiễm đất lại xảy ra trên diện rộng, không những thế một số phương pháp còn có thể làm phát sinh các chất ô nhiễm mới trong đất, Do đó, hiệu quả của việc áp dụng các phương pháp trên là không cao Vậy, vấn đề đặt ra là cần phải tìm ra một phương pháp

xử lý kim loại nặng trong đất sao cho vừa hiệu quả, vừa dễ thực hiện, chi phí thấp mà lại thân thiện với môi trường

Năm 1990, phương pháp sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất lần đầu tiên đã được đưa ra giới thiệu như một loại công nghệ thương mại [10] Với việc đáp ứng được những tiêu chí nêu trên phương pháp này đang được sử dụng khá rộng rãi ở nhiều quốc gia trên thế giới và ở nước

ta phương pháp này cũng đang được nghiên cứu để đưa vào áp dụng rộng rãi

Qua khảo sát mỏ sắt Trại Cau cho thấy ở khu vực khai thác này sậy và dương xỉ phát triển rất tốt; đối với khu vực gần bãi thải của mỏ chì kẽm Làng Hích thì cây cỏ lá tre bò cũng phát triển rất tốt Phải chăng các loại thực vật này

có khả năng hấp thụ các kim loại nặng trong đất để sinh trưởng và phát triển

Xuất phát từ thực tế đó, dưới sự hướng dẫn của thầy TS Đàm Xuân Vận và sự giúp đỡ của cô ThS Trần Thị Phả, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề

tài: “Hiện trạng ô nhiễm và khả năng hấp thụ kim loại nặng trong đất của một số loài thực vật tại khu vực khai thác khoáng sản huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên”

2 Mục tiêu của đề tài

2.1 Mục tiêu chung

Đánh giá hiện trạng ô nhiễm KLN trong đất tại khu vực khai thác khoáng sản huyện Đồng hỷ - tỉnh Thái Nguyên Từ đó, tìm ra một loại cây có khả năng xử lý kim loại nặng trong đất phù hợp nhất làm cơ sở cho việc đề xuất việc ứng dụng mô hình sử dụng loại cây trên để xử lý kim loại nặng trong đất khu vực các mỏ khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên

- Trên cơ sở các kết quả đạt được, đề xuất một số biện pháp xử lý ô nhiễm KLN cho các khu vực nghiên cứu

3 Ý nghĩa của đề tài

3.1 Ý nghĩa khoa học:

- Nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần làm sáng tỏ khả năng sinh trưởng

và hấp thụ các KLN: Pb, Zn, Cd, As của thực vật bản địa tại các khu vực mỏ khai thác khoáng sản

- Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học đóng góp vào việc nghiên cứu và phát triển công nghệ thực vật để xử lý ô nhiễm trong đất

3.2 Ý nghĩa thực tiễn:

Nghiên cứu của đề tài sẽ đóng góp cơ sở xác định tính khả thi của việc ứng dụng thực vật bản địa để cải tạo đất bị ô nhiễm KLN trong điều kiện môi trường đất ở Thái Nguyên nói riêng và ở Việt Nam nói chung Đây sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn các giải pháp phòng chống suy thoái tài nguyên đất, bảo vệ môi trường cũng như tăng cường nghiên cứu ứng dụng các công nghệ thân

thiện với môi trường

PHẦN I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng trong đất

1.1 Khái niệm ô nhiễm kim loại nặng và ô nhiễm đất

Thuật ngữ kim loại nặng được từ điển hoá học định nghĩa là các kim

Đối với các nhà độc tố học, thuật ngữ “kim loại nặng” chủ yếu được dụng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề về môi trường, bao gồm: Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, Co, V, Ti, Fe, Mn, Fe, Ag, Sn Ngoài ra, các

á kim như As và Se cũng được xem là các KLN

Các KLN thường ở dạng vết trong môi trường đất tự nhiên Các KLN phổ biến nhất là: Cd, Cr, Cu, Hg, Pb và Zn Trong đó, Cu và Zn là nguyên tố

vi lượng, có vai trò quan trọng đối với quá trình trao đổi chất trong tế bào và

là thành phần, cấu trúc của các protein và enzyme Tuy nhiên, các nguyên tố

vi lượng nói riêng và các KLN nói chung ở nồng độ cao là yếu tố cực kỳ độc hại đối với quá trình trao đổi chất của tế bào [2]

Ô nhiễm đất được xem như là tất cả các hiện tượng làm nhiễm bẩn môi trường đất bởi các chất gây ô nhiễm gây ảnh hưởng xấu đến đời sống của sinh vật và con người

1.2 Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất

1.2.1 Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất

a Nguồn tự nhiên

* Nguồn ô nhiễm KLN trong đất từ lắng đọng khí quyển

KLN tồn tại trong không khí thường ở dạng bụi hoặc sol khí Các sol

tro nhiên liệu bụi kim loại) và từ 10 - 80m (trong tro đốt lò) Các yếu tố quyết định dạng tồn tại và xâm nhập của các KLN vào đất qua đường khí

quyển gồm có: cỡ hạt, độ hoà tan, khoảng cách từ nguồn phát thải đến nơi tiếp nhận, độ axit của nước mưa [2]

Các phần tử kim loại lớn nhất sẽ rơi xuống đất dưới dạng kết tủa khô hoặc theo nước mưa mang thành phần kim loại hoà tan Hàm lượng một số kim loại nặng có trong nước mưa được thể hiện qua bảng sau:

Bảng 1.1 Hàm lượng kim loại nặng trong giáng thủy

(Nguồn: Fergusson,1991) [24]

* Quá trình khoáng hoá đá:

Nguồn từ quá trình phong hoá đá: Nguồn này phụ thuộc nhiều vào đá

mẹ nhưng hàm lượng các kim loại nặng trong đá thường rất thấp, vì vậy nếu không có các quá trình tích lũy do xói mòn, rửa trôi… thì đất tự nhiên ít có khả năng có hàm lượng kim loại nặng cao

Bảng 1.2.Hàm lượng trung bình một số kim loại nặng trong đá và đất

Đơn vị: ppm

Nguyên

tố (Ba selt) Đá bazo

Đá Axit (Granite)

Đá trầm tích

Vỏ phong hóa

Dao động trong đất

Trung bình trong đất

* Ô nhiễm KLN do hoạt động sản xuất công nghiệp:

Song song với quá trình công nghiệp hoá thì chất thải công nghiệp phát sinh ngày càng nhiều và có tính độc hại ngày càng cao, nhiều loại rất khó bị phân huỷ sinh học, đặc biệt là các KLN Các KLN có thể được tích luỹ trong đất trong thời gian dài gây ra nguy cơ tiềm tàng đối với môi trường

Các chất thải có khả năng gây ô nhiễm KLN trong đất ở mức độ lớn như chất thải công nghiệp tẩy rửa, công nghệ phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, thuốc nhuộm, màu vẽ, công nghiệp sản xuất pin, thuộc da, công nghiệp sản xuất khoáng chất

* Ô nhiễm KLN do hoạt động sản xuất nông nghiệp

Quá trình sản xuất nông nghiệp đã làm gia tăng đáng kể các KLN trong đất Các loại thuốc BVTV thường chứa As, Hg, Cu trong khi các loại phân bón hoá học lại chứa nhiều Cd, Pb, As,

Hàm lượng của một số KLN trong phân bón nông nghiệp được thể hiện

Bùn cống thải

Phân chuồng

2.1.2.2 Ô nhiễm kim loại nặng do hoạt động khai thác khoáng sản

Hoạt động khai thác khoáng sản thải ra một lượng lớn KLN vào dòng nước và góp phần gây ô nhiễm cho đất nhất là tại các mỏ khai thác theo phương pháp truyền thống và những mỏ khai thác thổ phỉ Lượng phát thải các KLN liên quan đến hoạt động này không ngừng tăng lên trên quy mô toàn thế giới

Bảng 1.4 Biến đổi hàm lượng kim loại nặng trong đất do các hoạt động

khai khoáng theo thời gian

( Nguồn: Nriagu & Pacyna,1988) [23]

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 đất thấp và hàm lượng KLN trong đất rất cao [12]

1.3 Đặc điểm hoá học của Pb, Zn, Cd và As trong đất

1.3.1 Chì (Pb)

Chì nguyên chất hoà tan kém Pb tồn tại chủ yếu ở dạng hoá trị II và thường gặp với Zn Chì trong đất được chia làm 10 dạng, theo các nhà khoa học Mỹ bao gồm: hoà tan trong nước, trao dổi, có khả năng thay thế bởi Ag, cacbonat, dạng dễ khử, phức liên kết với chất hữ cơ, kết hợp với oxit Fe ở dạng tinh thể, dạng sunfit và các dạng khác

Các dạng chì gây ô nhiễm đất do hoạt động nhân tạo có thể là PbClBr,

Mặc dù Pb không bị hoà tan hoàn toàn trong đất nhưng nó vẫn được hấp thụ qua lông rễ và được dự trữ trong tế bào Một số nghiên cứu cho rằng

Pb có ảnh hưởng độc đến một số quá trình như quang hợp, sự phân bào, sự thu hút nước, tuy nhiên dấu hiệu độc trong thực vật là không đặc trưng

1.3.2 Kẽm (Zn)

Tổng lượng Zn trong đất thay đổi từ 10 - 300mg/kg, trung bình vào khoảng 80mg/kg Những nhân tố quan trọng kiểm soát sự linh động của Zn trong đất là pH, chất hữu cơ, thành phần cơ giới, hàm lượng photphat trong đất Trong đất axit, kẽm dễ tiêu hơn và ngược lại trong đất kiềm độ dễ tiêu của Zn thấp Theo Lindsay,1976 thì chất sét và hữu cơ trong đất có khả năng giữ Zn khá mạnh Người ta thường tìm thấy ZN trong tầng đất hữu cơ và tầng đất than bùn

Kẽm có trong phế thải của nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp luyện kim màu, sản xuất ôtô, công nghiệp hoá chất Bằng các con đường khác nhau như lắng đọng, khai thác khoáng sản, sử dụng bùn thải, trầm tích để bón ruộng, Zn và những hợp chất của nó được đưa vào đất, tích luỹ trong đất làm tăng hàm lượng vượt ngưỡng cho phép gây ra ô nhiễm Zn

Zn là một nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể Tuy nhiên nếu hàm lượng Zn cao có thể gây độc cho cây trồng vật nuôi và con người

1.3.3 Cadimi (Cd)

Cd thường tìm thấy trong tự nhiên ở dạng hoá trị II Trong môi trường đất, tính linh động của Cd phụ thuộc vào: pH, loại đất, thành phần vật lý, hàm lượng hữu cơ, trong đó pH được coi là chỉ tiêu quan trọng quyết định tính di động của Cd Trong môi trường địa hoá thường thấy Cd đi cùng với Zn và có

ái lực lớn với S Cd linh động trong môi trường axit hơn Zn Adriano đã tổng hợp các dạng tồn tại của Cd như sau: Dạng trao đổi, dạng khử, dạng cacbonat, dạng hữ cơ, dạng lattice, dạng sunfit và dạng hoà tan

Đối với thực vật, mặc dù Cd được xem là nhân tố không cần thiết nhưng vẫn được hấp thụ qua là và rễ Cd độc với cây trồng khi nó được tích luỹ trong than và ảnh hưởng đến sự sinh trưởng phát triển của cây

1.3.4 Asen (As)

Asen được biết đến là nguyên tố độc hại tuỳ thuộc vào dạng tồn tại của

nó Các hợp chất khác nhau thì tính độc của As cũng khác nhau và trong đất trồng không phải dạng As nào cũng độc Cây trồng hấp thu rất ít As vì vậy hàm lượng As trong đất trồng thường không gây nguy hiểm

Hai dạng tồn tại chủ yếu của As trong môi trường là asen (III) và asen (V) Trong môi trường oxi hoá và thoáng khí, dạng tồn tại chủ yếu của As trong nước và trong đất là asenat

Những phản ứng của asen trong đất bị ảnh hưởng bởi mức oxi hoá của

nó Tuy nhiên các ion asenat bị cố định chặt bởi những hợp chất trong đất như các loại sét keo photphat, mùn, canxi, Nhưng chất giữ chặt nhất là các oxit nhôm, sắt đã bị hidrat hoá [3]

1.2 Hoạt động khai thác khoáng sản và các vấn đề môi trường liên quan

Hoạt động khai thác khoáng sản phát triển mạnh từ thập kỷ trước ở nhiều quốc gia giàu tài nguyên như Nga, Mỹ, Australia, Campuchia, Indonesia, Phillipines, Trung Quốc, Ấn Độ, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng gia tăng nguyên liệu khoáng sản khác, mặc dù khai thác khoáng sản là nguồn thu quan trọng, thúc đẩy tăng trưởng kinh tế của nhiều quốc gia Tuy nhiên ngành này cũng gắn liền với nhiều tác động môi trường và xã hội nghiêm trọng, đặc biệt là hiện tượng mất đất canh tác, xói lở, suy thoái tài nguyên và nguồn nước Do đặc thù nên ngành khai thác khoáng sản dẫn tới suy thoái tài nguyên đất, tài nguyên rừng, tài nguyên nước, là rất lớn

Các phương pháp khai thác mỏ hiện nay như nổ mìn hoặc khoan đều rất thô sơ Tác động môi trường tiêu cực từ khai thác mỏ thường xảy ra ngay

trong chính bản thân quá trình khai thác và các hoạt động liên quan như dọn mặt bằng mỏ, vận chuyển và chế biến quặng Suy thoái rừng và ô nhiễm nước

do khai thác khoáng sản không chỉ tác động tới hệ sinh thái mà còn tác động tới sinh kế của người dân sống phụ thuộc vào nguồn tài nguyên này

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

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

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

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

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

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

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

- Chất lượng nước ở các vùng khai thác khoáng sản bị ảnh hưởng Phần lớn nước ở các vùng khai thác khoáng sản đều bị ảnh hưởng bởi độ đục cao

do lượng bùn mịn trong nước thải cao Các loại thuốc tuyển còn dư trong bùn thải cũng có khả năng gây ô nhiễm nguồn tiếp nhận Ở một số khu vực đất đá thải còn có tiềm năng hình thành dòng axit mỏ có khả năng hòa tan các kim

loại nặng độc hại là nguồn ô nhiễm tiềm tàng đối với nước mặt và nước ngầm khu vực

- Các sự cố và rủi ro môi trường tại các vùng khai thác như trượt lở, sập hầm, [12]

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

1.2.1 Hoạt động khai thác khoáng sản ở Việt Nam

Việt Nam là quốc gia có nguồn tài nguyên khoáng sản đa dạng, phong phú với gần 5.000 mỏ và điểm quặng của khoảng 60 loại khoáng sản khác nhau Những năm gần đây, vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do tình trạng hoạt động khai thác khoáng sản đang là vấn đề bức xúc diễn ra trên khắp cả nước Một thực tế không thể phủ nhận rằng, không dễ dàng kết hợp hài hoà giữa phát triển kinh tế - xã hội với bảo vệ môi trường, khai thác và sử dụng một cách hiệu quả tài nguyên thiên nhiên, nhất là đối với nước ta, trong giai đoạn đầu của thời kỳ công nghiệp hoá - hiện đại hoá, khi mà nền kinh tế

về cơ bản vẫn phải dựa vào nguồn tài nguyên thiên nhiên vốn có hạn [16]

1.2.1.1 Hiện trạng khai thác một số khoáng sản

Theo kết quả của công tác điều tra, khảo sát, thăm dò địa chất cho thấy, Việt Nam có tiềm năng khoáng sản khá phong phú, đa dạng Nhiều khoáng sản có trữ lượng lớn như bôxit, quặng sắt, đất hiếm, apatit,… chủng loại khoáng sản đa dạng

Hiện trạng khai thác và chế biến một số khoáng sản kim loại chính:

* Quặng sắt:

Ở Việt Nam hiện nay đã phát hiện và khoanh định được trên 216 vị trí

có quặng sắt, có 13 mỏ trữ lượng trên 2 triệu tấn, phân bố không đều, tập trung chủ yếu ở vùng núi phía Bắc

Trong tất cả các mỏ quặng sắt của Việt Nam, đáng chú ý nhất là có hai

mỏ lớn đó là mỏ sắt Quý Xa ở Lào Cai và mỏ sắt Thạch Khê ở Hà Tĩnh Năng lực khai thác quặng sắt hiện nay có thể đáp ứng sản lượng là 500.000 tấn/năm

* Bô xít:

Nước ta có tiềm năng rất lớn về quặng bôxít với tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo đạt khoảng 5,5 tỷ tấn, phân bố chủ yếu ở tỉnh Đắc Nông, Lâm Đồng, Gia Lai, Bình Phước,…

Nhìn chung, nước ta có trữ lượng tài nguyên bôxít lớn, chất lượng tương đối tốt, phân bố tập trung, điều kiện khai thác thuận lợi Mặt khác, thị trường cung - cầu sản phẩm alumin trên thị trường thế giới hiện nay rất thuận lợi cho phát triển ngành công nghiệp nhôm ở nước ta

* Quặng titan:

Theo kết quả điều tra, thăm dò địa chất, cho tới nay đã phát hiện 59 mỏ

và điểm quặng titan, trong đó có 6 mỏ lớn có trữ lượng từ 1 đến 5 triệu tấn, 8

mỏ trung bình có trữ lượng > 100.000 tấn và 45 mỏ nhỏ và điểm quặng

Ngành Titan hoạt động với giá trị xuất khẩu quặng tinh titan 20-30 triệu USD/năm, có hiệu quả kinh tế đáng kể, đặc biệt có ý nghĩa kinh tế xã hội với nhiều địa phương suốt dọc ven biển từ Thanh Hoá đến Bình Thuận

* Quặng thiếc:

Ở nước ta, thiếc được khai thác sớm nhất tại vùng Pia Oắc - Cao Bằng khoảng cuối thế kỷ XVIII Đến 1945, người Pháp đã khai thác khoảng 32.500

Liên Xô (cũ) thiết kế và trang bị bắt đầu hoạt động từ 1954 Đây cũng là mỏ thiếc lớn đầu tiên khai thác, chế biến có quy mô công nghiệp

Hiện nay, công nghệ luyện thiếc bằng lò điện hồ quang do Viện Nghiên cứu Mỏ và Luyện kim nghiên cứu thành công và chuyển giao, ứng dụng vào

sản xuất đã đạt được những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tiên tiến Bằng việc nghiên cứu ứng dụng điện phân thiếc đạt thiếc thương phẩm loại I: 99,95%; Viện Nghiên cứu Mỏ và Luyện kim và Công ty Luyện kim mầu Thái Nguyên

đã xây dựng các xưởng điện phân thiếc với công suất: 500-600tấn/năm Hiện nay, có ba xưởng điện phân thiếc thương phẩm loại I xuất khẩu với tổng công suất là 1.500tấn/năm - 1.800tấn/năm

* Quặng đồng:

Quặng đồng phát hiện ở Việt Nam cho tới nay đáng kể nhất là ở mỏ

đồng Sinh Quyền - Lào Cai, sau đó là mỏ đồng Niken - Bản Phúc

Công nghệ khai thác lộ thiên kết hợp với hầm lò Công nghệ tuyển nổi đồng để thu được quặng tinh đồng, tinh quặng đất hiếm và tinh quặng manhêtit Khâu luyện kim áp dụng phương pháp thuỷ khẩu sơn (luyện bể) cho

ra đồng thô, sau đó qua lò phản xạ để tinh luyện và đúc dương cực, sản phẩm đồng âm cực được điện phân cho đồng thương phẩm

* Quặng kẽm chì:

Các mỏ kẽm chì ở nước ta đã được phát hiện và khai thác, chế biến từ hàng trăm năm nay Hiện nay, Công ty Kim loại mầu Thái Nguyên đã xây dựng xong nhà máy điện phân kẽm kim loại tại khu Công nghiệp Sông Công Thái Nguyên với công nghệ, thiết bị của Trung Quốc công suất kẽm điện phân là: 10.000 tấn/năm

Từ nguồn nguyên liệu là tinh quặng tuyển nổi và bột kẽm từ 100.000 tấn quặng nguyên khai/năm, sẽ tiến hành xây dựng hai nhà máy điện phân kẽm tại Tuyên Quang và Bắc Cạn với công suất mỗi nhà máy khoảng 20.000 tấn kẽm/năm Xây dựng một nhà máy luyện chì và tách bạc với công suất 10.000 tấn chì thỏi và 15.000 kg bạc/năm Các nhà máy điện phân kẽm

50.000-và luyện chì dự kiến sẽ xây dựng trong giai đoạn 2008-2015

Như vậy, trữ lượng tài nguyên nước ta đang được khai thác và chế biến phục vụ trong nước và xuất khẩu Nhiều công ty, nhà máy khai thác chế biến khoáng sản được thành lập với sản lượng lớn phục vụ mục tiêu tăng trưởng kinh tế [5]

1.2.1.2 Hoạt động khai thác khoáng sản trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên

Thái Nguyên là một tỉnh nằm ở trung du và miền núi Bắc Bộ, có diện

trong vùng sinh khoáng Đông Bắc Việt Nam, thuộc vành đai sinh khoáng Thái Bình Dương Thái Nguyên có nguồn khoáng sản rất phong phú, hiện có khoảng 34 loại hình khoáng sản phân bố tập trung ở các vùng giáp thành phố Thái Nguyên, Trại Cau (Đồng Hỷ), Thần Sa (Võ Nhai),… khoáng sản ở Thái Nguyên có thể chia làm 4 loại, bao gồm: than mỡ (trên 15 triệu tấn), than đá (trên 90 triệu tấn); nhóm khoáng sản kim loại bao gồm 47 mỏ và điểm quặng; titan có 18 mỏ và điểm quặng; kim loại màu (thiếc, vonfram, chì, kẽm, vàng, đồng,…); kim loại khác, bao gồm: pyrits, barit, photphorit,… tổng trữ lượng khoảng 60.000 tấn; nhóm khoáng sản để sản xuất vật liệu gồm đá xây dựng, đất sét, đá sỏi,… với trữ lượng lớn khoảng 84,6 triệu tấn

Theo số mỏ và điểm quặng, trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên đã phát hiện

177 điểm quặng và mỏ khoáng sản rắn và một mỏ nước khoáng Tính đến 31/12/2005 tổng số mỏ đưa vào khai thác (kể cả khai thác tận thu và khai thác cát sỏi) là 45 mỏ

Trong đó:

- Khai thác than: 6 mỏ;

- Khai thác quặng sắt: 1 mỏ;

- Khai thác titan: 3 mỏ;

- Khai thác quặng chì kẽm: 4 mỏ (1 mỏ đang làm thủ tục đóng cửa mỏ);

- Khai thác quặng wonfram đa kim: 1 mỏ;

- Khai thác quặng thiếc: 1 mỏ;

- Khai thác đá vôi: 12 mỏ;

- Khai thác đất sét xi măng: 1 mỏ;

- Khai thác đất sét gạch ngói: 2 mỏ;

- Khai thác đolomit: 3 mỏ, trong đó 1 mỏ đã đóng cửa;

- Khai thác cao lanh: 1 mỏ;

- Khai thác barit: 4 mỏ, trong đó 3 mỏ đã đóng cửa;

- Khai thác nước khoáng: 1 mỏ;

- Khai thác cát sỏi: 5 khu vực

Thái nguyên cũng là tỉnh có nhiều kim loại Những mỏ kim loại có trữ lượng lớn và khai thác mỏ là mỏ chì làng Hích, mỏ sắt Trại Cau, mỏ barit - Hợp Tiến I ở Đồng Hỷ; mỏ thiếc, pirit - Hà Thượng ở Đại Từ

a Hoạt động của các doanh nghiệp được cấp giấy phép

Hiện nay trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên có 46 đơn vị, tổ chức, doanh nghiệp hoạt động khai thác khoáng sản; trong đó có 13 doanh nghiệp nhà nước, 02 công ty liên doanh, 17 công ty cổ phần, 07 công ty TNHH, 06 doanh nghiệp tư nhân, 03 hợp tác xã Theo thống kê mới nhất của Sở Tài nguyên & Môi trường tỉnh Thái Nguyên, toàn tỉnh hiện có 111 mỏ, điểm mỏ khoáng sản

đã được cấp giấy phép khai thác, trong đó có 7 mỏ khoáng sản làm nguyên liệu xi măng, 37 mỏ vật liệu thông thường, chủ yếu là mỏ khai thác đá, cát sỏi

Phần lớn các đơn vị thực hiện đúng quy định của pháp luật trong khai thác khoáng sản, hoàn chỉnh, bổ sung theo hướng dẫn của cơ quan chức năng các thủ tục pháp lý của khai thác khoáng sản, đăng ký sử dụng vật liệu nổ công nghiệp, thuê đất, lập báo cáo định kỳ theo quy định kính gửi cơ quan có chức năng các mỏ đã dần đổi mới công nghệ, thiết bị khai thác, đầu tư máy

móc chuyên dụng, giải phóng sức lao động của công nhân, nâng cao chất lượng, tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu khoáng sản

b Hoạt động khai thác khoáng sản trái phép

Hoạt động khai thác khoáng sản trái phép trên địa bàn tỉnh rộ lên từ năm 2003 tập trung ở những khu vực có titan, quặng sắt, vàng Những điểm nóng phải kể đến là mỏ quặng sắt ở Trại Cau (huyện Đồng Hỷ), mỏ titan tại

xã Động Đạt (huyện Phú Lương), mỏ vàng tại xã Thần Sa (huyện Võ Nhai)

Các hoạt động khai thác tuyển rửa, vận chuyển trái phép quặng sắt trong vùng mỏ Trại Cau; quặng chì kẽm tại khu vực mỏ kẽm chì làng Hích xã Tân Long huyện Đồng Hỷ và khai thác quặng thiếc khu vực xã Tân Thái huyện Đại Từ về cơ bản đã được ngăn chặn, kiểm soát Tuy nhiên, hiện tượng nêu trên vẫn tiềm ẩn nguy cơ bùng phát do tác động của thị trường và điều kiện địa hình xa xôi, hẻo lánh, khó khăn trong công tác quản lý

Ngoài ra còn có các hiện tượng khai thác cát sỏi trên sông Cầu và sông Công gây sạt lở đất ven bờ, cản trở giao thông thủy, thay đổi dòng chảy đã được kiểm tra, xử lý nhưng chưa triệt để [13]

Tình hình khai thác các mỏ kim loại và sản lượng khai thác được thể hiện như bảng 1.5

Bảng 1.5 Tình hình khai thác chì, kẽm một số mỏ tại tỉnh Thái Nguyên

Đơn vị: tấn nguyên liệu

Tên mỏ

Công suất thiết

576

31.119

21.500 k.k.t

806 c.k.t

22.306

5.765 k.k.t

418 10.000

16.183

21.000 đ.c.m 3.078 3.600

27.678

(Nguồn: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên) [13]

Ghi chú: c.h.đ - chưa hoạt động; k.k.t - không khai thác; đ.c.m - đóng cửa mỏ

Bảng 1.6 Tình hình khai thác sắt, thiếc một số mỏ trên địa

bàn tỉnh Thái Nguyên

Đơn vị: tấn nguyên liệu

Tên mỏ

Công suất thiết kế (1000)

536.534 17.200

37.1.100

431.666 17.000 k.b.c k.b.c

502.977 17.000

- 5.227

332.967 17.000

d.k.t

(Nguồn: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên) [13]

Ghi chú: c.h.đ - chưa hoạt động; k.b.c - không báo cáo; d.k.t - dừng khai thác

1.2.2 Ảnh hưởng của hoạt động khai thác khoáng sản đến môi trường đất

Trong quá trình khai thác bằng cơ giới hoặc thủ công đòi hỏi các thiết bị cho hầm lò, cho sàng tuyển, xăng dầu cho các dầu Diezen, toa goòng, các loại

xe vận tải, các loại máy gạt hóa chất,… đều có tác động đến môi trường đất

Hơn nữa, công nghệ khai thác hiện nay chưa hợp lý, đặc biệt các mỏ kim loại và các khu mỏ đang khai thác hầu hết nằm ở vùng núi và trung du

Vì vậy việc khai thác khoáng sản trước hết tác động đến rừng và đất rừng xung quanh vùng mỏ

* Giảm diện tích đất rừng, gia tăng suy thoái đất

Khai thác khoáng sản đã làm thu hẹp đáng kể diện tích đất nông lâm nghiệp và ảnh hưởng đến sản xuất như: chiếm dụng đất nông, lâm nghiệp để làm khai trường (bảng 1.7), bãi thải, thải các chất thải rắn như cát, sỏi, bùn ra đất nông nghiệp, thải nước từ các hệ tuyển làm ô nhiễm đất nông nghiệp và giảm sút năng suất cây trồng (bảng 1.8):

Bảng 1.7 Diện tích rừng và đất rừng bị thu hẹp, thoái hóa ở một số mỏ

Stt Tên mỏ, khu khai thác Đất lâm nghiệp

bị phá (ha) Mức độ suy thoái

1 Khu khai thác Antimoan -

Mậu Duệ (Hà Giang) 25

Đất rừng bị đòa phá và bỏ hoang hóa

2 Khai thác vàng Antimoan -

Chiêm Hóa (Tuyên Quang) > 720

Thu hẹp rừng tự nhiên và rừng trồng, đất rừng bị đào phá, xáo trộn

3 Khai thác mangan - Chiêm

Hóa (Tuyên Quang) 2 Đất đồi bị đào phá hoang hóa

4 Khai thác thiếc Bắc Lũng

Đất đồi bị đào phá, thu hẹp diện tích rừng nguyên sinh

5 Khai thác than Thái Nguyên 671 Rừng và đất rừng bị thu hẹp để làm

khai trường, bãi thải

6 Khai thác Barit Ao Sen,

Thượng Ấm 150 Đất đồi hoang hóa do đào phá

7 Khai thác Vonfram - Thiện

9 Khai thác vàng 114,5 Đất rừng bị sử dụng làm khai

trường và đá, cát thải bừa bãi

10 Khai thác đá 91 Đất rừng bị thu hẹp do mở rộng

làm khai trường

11 Quỳ Hợp - Nghệ An 85 Rừng bị phá, đào bới

12 Khu khai thác Quỳ Châu 200 Rừng bị phá, đào bới

(Nguồn: Nguyễn Đức Quý, 1996) [12]

Bảng 1.8 Mức độ ô nhiễm đất nông nghiệp do khai thác mỏ

Stt Tên mỏ, khu

khai thác

DT đất lâm nghiệp bị phá (ha)

3

Các mỏ vàng ở

Bắc Kạn và Thái

Nguyên

114.5 Chiếm dụng đất để làm khai trường, bãi

thải gây ô nhiễm đất

4

Các mỏ ở Quỳ

Hợp - Nghệ An 145 Đất nông nghiệp bị ô nhiễm do lắng bùn, cát

29 Thiếu nước, suy giảm năng suất

5 Các mỏ ở Quỳ

Châu - Nghệ An 193.8

Đất nông nghiệp bị đào bới, bỏ hoang, thiếu nước

(Nguồn: Nguyễn Đức Quý, 1996) [12]

Do đặc thù của khai thác mỏ là một hoạt động công nghiệp không giống các hoạt động công nghiệp khác về nhiều mặt, như phải di dời một khối lượng lớn đất đá ra khỏi lòng đất tạo nên một khoảng trống rất lớn và rất sâu Một khối lượng lớn chất thải rắn được hình thành do những vật liệu có ích thường chỉ chiếm một phần nhỏ của khối lượng quặng được khai thác, dẫn đến khối lượng đất đá thải vượt khối lượng quặng nằm trong lòng đất

Chất thải rắn, không sử dụng được cho các mục đích khác, đã tạo nên trên bề mặt đất địa hình mấp mô, xen kẽ giữa các hố sâu và các đống đất, đá Đặc biệt ở những khu vực khai thác “thổ phỉ”, tình hình còn khó khăn hơn nhiều Một số diện tích đất xung quanh các bãi thải quặng có thể bị bồi lấp do sạt lở, xói mòn của đất đá từ các bãi thải, gây thoái hoá lớp đất mặt Việc đổ

bỏ đất đá thải tạo tiền đề cho mưa lũ bồi lấp các sông suối, các thung lũng và đồng ruộng phía chân bãi thải và các khu vực lân cận Khi có mưa lớn thường

gây ra các dòng bùn di chuyển xuống vùng thấp, vùng đất canh tác, gây tác hại tới hoa màu, ruộng vườn, nhà cửa, vào mùa mưa lũ thường gây ra lũ bùn

đá, gây thiệt hại tới môi trường kinh tế và môi trường xã hội

Cho đến nay, việc giải quyết các hậu quả về môi trường một cách chủ động đối với các mỏ đã ngừng và sắp ngừng khai thác còn nhiều bất cập vì trước đây vấn đề bảo vệ môi trường trong quá trình phát triển khoáng sản (từ khi mở mỏ đến khi ngừng khai thác) chưa được đặt ra một cách đúng mức trong các phương án khai thác mỏ Gần đây bắt đầu có một số mỏ đã ngừng khai thác thì ngoài việc san gạt một cách tương đối một số mỏ có thể san gạt được, các diện tích còn lại vẫn giữ nguyên hiện trường, chưa có phương án sử dụng đất đai có hiệu quả về kinh tế và môi trường

Như vậy, có thể thấy ảnh hưởng của hoạt động khai thác khoáng sản tới môi trường đất của nước ta là rất lớn, việc cải tạo đất và phục hồi những diện tích đất sau khai thác khoáng sản chưa được các chủ mỏ quan tâm, ô nhiễm môi trường đất do hoạt động khai thác khoáng sản đang là vấn đề cấp bách hiện nay

1.3 Các phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng

Có nhiều giải pháp công nghệ khác nhau để xử lý ô nhiễm đất, tuy nhiên khi áp dụng bất cứ một giải pháp nào để làm sạch đất cũng cần quan tâm đến hiệu quả của quá trình được thể hiện thông qua các khía cạnh chính

như sau:

- Khả năng ứng dụng hiệu quả vào thực tiễn

- Chi phí giá thành hợp lý

- Phương pháp tiến hành đơn giản, dễ vận hành

- Cần nguồn tài nguyên và năng lượng để có thể duy trì quá trình xử lý

ở mức tối thiểu

- Tính bền vững cao, giảm được rủi ro lâu dài với môi trường đất

- Thời gian xử lý nhanh

- Khả năng dễ dàng chấp nhận của phương pháp

- Tách các yếu tố ô nhiễm bằng cách phá vỡ cấu trúc do hoá học, nhiệt học

- Tách các yếu tố ô nhiễm bằng việc làm suy thoái sinh học Ví dụ như các kỹ thuật làm đất trồng cây và các lò phản ứng bùn sinh học

- Tách các yếu tố ô nhiễm bằng việc hấp thu các chất sinh học hoặc sự huy động sinh học

1.3.2 Các phương pháp truyền thống làm sạch đất ô nhiễm

1.3.2.1 Phương pháp đào và chuyển chỗ (Dig anh 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 đơm 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

1.3.2.2 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 rác đốt (kiln dust) 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 tái nhân liên kết hoặc thay đổi pH đất Phương pháp cố định hoặc cô đặc không xử lý được chất ô nhiễm từ ma trận đất (soil matrix) nhưng nó có thể nén các chất ô nhiễm lại trong môi trường đất

1.2.3.3 Phương pháp thuỷ tinh hoá (Vitrification)

Phương pháp thuỷ tinh hoá là quá trình xử lý bởi nhiệt, có thể được xử 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

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 thập 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

1.2.3.4 Phương pháp rửa đất (Soil washing)

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

có thể đuợc 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,

ra một dịch lỏng với nồng độ 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 đất ô nhiễm với nhiều phức chất khác nhau sử dụng phương pháp này sẽ rất tốn kém [4]

1.4 Tổng quan về xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật

1.4.1 Cơ sở khoa học của công nghệ xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất bằng thực vật

Công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm (phytoremediation) là phương pháp

sử dụng thực vật để hấp thụ, chuyển hoá, cố định hoặc phân giải các chất ô nhiễm trong đất, nước

Công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm có thể dùng để xử lý các chất như KLN, thuốc trừ sâu, dung môi, thuốc súng, dầu mỏ, các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm, nước rỉ rác nước thải nông nghiệp, chất thải khai khoáng và các chất ô nhiễm phóng xạ,

Trong thời gian qua, một số các tạp chí hàng đầu thế giới đã xuất bản các ấn phẩm tập trung vào các khía cạnh khác nhau của công nghệ này như Salt & nnk,1995, 1998; Chaney & nnk, 1997; Raskin & nnk, 1997, Chaudhry

& nnk,1998; Wenzel & nnk,1999; Meagher 2000; Navari-Izzo & Quartacci 2001; Lasat 2002; McGrath & nnk, 2002; McGrath & Zhao 2003; McIntyre

2003 [22,23,25,26,27,28,29]

Qua trình hút tách KLN nhờ thực vật (Phytoextraction) hay còn gọi là quá trình tích luỹ nhờ thực vật (Phytoacumulation) là quá trình hấp thụ và chuyển hoá các KLN trong đất thông qua rễ vào các cơ quan khí sinh của thực vật Các loài thực vật có khả năng này được gọi là các loài thực vật siêu tích

tụ (hyperacumulator), chúng có khả năng hấp thụ một lượng lớn các KLN một cách không bình thường so với các loài thực vật khác

Quá trình hút tách các chất nhờ thực vật là việc sử dụng các loài thực vật siêu tích tụ để loại bỏ các KLN trong đất bằng cách hấp thụ từ rễ chuyển

lên thân, sau đó các chất ô nhiễm trong thân sẽ được thu hoạch, xử lý tiếp như đem thiêu đốt hoặc ủ để phục hồi KLN Nếu cần thiết thì quá trình này có thể lặp lại để loại bỏ các chất ô nhiễm đến dưới giới hạn cho phép Cũng có thể sử dụng nhiều loài thực vật trên cùng một vị trí hoặc là trồng cùng 1 lúc hoặc trồng theo thứ tự thời gian để loại bỏ nhiều hơn 1 chất ô nhiễm

Nếu thực vật được thiêu đốt, tro phải được xử lý như đối với chất thải nguy hại Tuy nhiên, lượng tro mang đi xử lý sẽ ít hơn 10% so với phương pháp chôn lấp đất ô nhiễm thông thường [15]

1.4.1.1 Cơ chế của công nghệ thực vật xử lý kim loại nặng trong đất

a Cơ chế chiết tách chất ô nhiễm bằng thực vật (Phytoextraction)

Quá trình triết tách chất ô nhiễm bằng thực vật là quá trình khử chất độc, đặc biệt là KLN bằng cách sử dụng các loài thực vật hút các chất ô nhiễm qua rễ, sau đó chuyển hóa lên các cơ quan trên mặt đất của thực vật Chất ô nhiễm tích lỹ vào thân cây và lá, sau đó thu hoạch và loại bỏ khỏi môi trường Cơ chế này được chia ra thành 2 loại: loại có tính kế tục (continuous) và kết hợp (induced) (Salt

&nnk, 1998) Cơ chế kế tục là sử dụng thực vật tích luỹ các chất ô nhiễm độc hại với mức cao một cách đặc biệt trong suốt quá trình sống của nó (đó chính là các loài siêu tích tụ), trong khi đó cơ chế kết hợp là cách tiếp cận nhằm nâng cao khả năng tích luỹ chất độc bằng cách bổ sung các chất xúc tác (accelerants) hoặc chất tạo phức (chelators) vào đất Trong trường hợp chất ô nhiễm là KLN, chất tạo phức như EDTA giúp cho KLN linh động hơn và sau đó dễ hấp thụ hơn như Pb,

Cd, Cr, Cu, Ni, Zn đối với cây mù tạc Ấn Độ (Brassica juncea), cây hướng dương (Helianthus anuus) [21,33] Các chất tạo phức khác như CDTA, DTPA, EGTA, EDDHA và NTA để nâng cao khả năng tích luỹ kim loại đã được khảo sát ở một

số loài thực vật khác nhau

Tuy nhiên, có một số rủi ro liên quan đến chất tạo phức như tính tan trong nước của phức chất ô nhiễm độc hại-chất tạo phức có thể đẫn đến xâm

nhập vào các tầng đất sâu hơn (Wu & nnk,1999; Lombi & nnk,2001), có nguy

cơ gây ô nhiễm nước ngầm và nước mặt

b Cơ chế cố định chất ô nhiễm bằng thực vật (Phytostabilization)

Quá trình xói mòn, rửa trôi và thẩm thấu có thể di chuyển chất ô nhiễm

từ đất vào nước mặt và nước ngầm Cơ chế cố định chất ô nhiễm nhờ thực vật

là cách mà các chất ô nhiễm tích luỹ ở rễ cây và kết tủa trongđất Quá trình diễn ra là nhờ chất tiết ở rễ thực vật cố định chất ô nhiễm và làm giảm khả năng linh động của kim loại trong đất Thực vật trồng trên các vùng đất ô nhiễm cũng cố định được đất và có thể che phủ bề mặt dẫn đến làm giảm sói mòn đất

và ngăn chặn khả năng tiếp xúc trực tiếp giữa chất ô nhiễm và động vật

c Cơ chế xử lý chất ô nhiễm bằng quá trình thoát hơi nước ở thực vật (phytovolatilization)

Thực vật có thể loại bỏ chất độc trong đất thông qua cơ chế thoát hơi nước Đối với quá trình này, chất ô nhiễm hoà tan được hấp thụ cùng với nước vào rễ, chuyển hoá lên lá và bay hơi vào không khí thông qua khí khổng Ví dụ điển hình nhất là quá trình bay hơi thuỷ ngân (Hg) bằng cách chuyển dạng cơ bản trong cây Arabidopsis chuyển gen và cây dương vàng chứa enzym mer A Selen (Se) cũng là dạng kim loại đặc biệt được thực vật hấp thụ và bay hơi

1.4.1.2 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ kim loại nặng của thực vật

Khả năng linh động và tiếp xúc sinh học của KLN chịu ảnh hưởng lớn bởi các đặc tính lý hóa của môi trường đất như: pH, Hàm lượng khoáng sét, chất hữu cơ, CEC và nồng độ KLN trong đất Thông thường pH thấp, thành phần cơ giới nhẹ, độ mùn thấp, thực vật hút KLN mạnh

Để phát triển hiệu quả công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm, các đặc tính của thực vật và các đặc tính của môi trường đất cần được khảo sát, đánh giá kĩ

lưỡng Quá trình canh tác và khả năng di truyền của thực vật cần được tối ưu hóa để phát triển công nghệ này

Khả năng tích lũy kim loại trong thân với hàm lượng cao có thật sự quan trọng đối với quá trình xử lý kim loại trong đất hay không đã được bàn luận Một số kết quả nghiên cứu cho thấy, thực vật có sinh khối cao trồng trong môi trường đất ô nhiễm và pH thấp, khả năng hấp thụ Zn tăng và tính độc của Zn đã làm giảm 50% sản lượng Ví dụ như ngô và cải trong điều kiện thuận lợi, các loài thực vật có thể đạt 20 tấn sinh khối khô/ha Trong trường hợp đất ô nhiễm đồng thời cả Zn và Cd ở mức 100mg Zn, 1mg Cd cây trồng

bị giảm sản lượng đáng kể khi hàm lượng Zn trong thân đạt 500mg/kg lúc thu hoạch Bởi vì Cd ít độc hơn Zn 100 lần, độc tính đối với thực vật của Zn là yếu tố kiểm soát sản lượng thực vật Khi sản lượng giảm 50% (10tấn/ha), sinh khối khô chứa 500mg/kg, thực vật chỉ loại bỏ 5kg Zn/ha/năm Cây T.caerulescens có thể loại bỏ cả Zn và Cd, có sản lượng thấp hơn các loài trên nhưng có thể chống chịu cao đến 25,000mgZn/kg mà không bị giảm sản lượng Thậm chí khi sản lượng thấp (5 tấn/ha) điểm bắt đầu giảm sản lượng -

Zn được loại bỏ cũng tới 125kg/ha Như vậy, có thể kết luận rằng khả năng siêu tích tụ và chống chịu cao quan trọng hơn khả năng cho sinh khối cao Một số tác giả khác cho rằng sản lượng quan trọng hơn 2 lần so với đặc điểm siêu tích tụ, nhưng các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa đều cho thấy các loài đó có thể đạt được 5 tấn/ha trước khi sinh sản để tăng cả sản lượng và nồng độ kim loại trong thân Hơn nữa việc tái chế kim loại trong thân với mục đích thương mại đối với các loài siêu tích tụ tốt hơn là phải trả tiền để xử lý sinh khối

Trong một số trường hợp, để xử lý 1 nguyên tố trong đất bằng thực vật đòi hỏi phải bổ sung vào đất các yếu tố khác, bởi vì hóa tính đất hoặc thực vật làm giảm khả năng hấp thụ và chuyển hóa lên thân Khi thêm yếu tố kiềm như

HEDTA, EDTA vào đất khả năng hòa tan và linh động của KLN tăng, tiếp xúc với thực vật dễ dàng hơn [4]

1.4.2 Một số kết quả nghiên cứu khả năng hấp thụ một số kim loại nặng bằng thực vật

1.4.2.1 Khả năng hấp thụ Cadimi (Cd)

Khả năng hấp thụ Cd trong đất cũng đã được công bố trong những năm gần đây Cây T.caerulescens được đánh giá là loài thực vật có khả năng tích luỹ Cd với hàm lượng lớn Tích luỹ Cd của loài thực vật này tuỳ thuộc vào từng kiểu sinh thái Ở một kiểu sinh thái nhất định chúng có thể tích luỹ Cd lên đến 12.500 mg/kg Cd trọng lượng khô mà không có dấu hiệu độc; tuy nhiên ở một số kiểu sinh thái khác chỉ tích luỹ 2.300 mg/kg Cd trọng lượng khô Trong khi đó, Cosio (2004) và Kupper (2000) cho rằng cây Arabidopsis halleri mới chính là siêu tích luỹ Cd Trong khi một nghiên cứu khác của Salt

và các cộng sự (1997) lại nghi ngờ cây B.juncea cũng là loài siêu tích luỹ Cd

Hấp thụ gián tiếp thông qua tác nhân chuyển là các ion hoá trị II Gen zip chuyển Zn và Fe trong thực vật được cho là có vai trò trong vận chuyển

Cd Trong môi trường dư thừa cation hoá trị II ví dụ như Zn sẽ làm giảm hấp thụ Cd ở nhiều loài thực vật kể cả cây T caerulescens Prayon [10]

1.4.2.2 Khả năng hấp thụ Kẽm (Zn)

Zn là một yếu tố vi lượng cần thiết nhưng khi ở nồng độ cao chúng lại gây độc cho cả động vật và thực vật (Cobbet và Goldsbrough, 2002 ; Gupta

UC và Gupta SC,1998)

Loài siêu tích luỹ Zn đầu tiên được xác định là cây T caerulescens Cây

Mặc dù tốc độ hấp thụ Zn thấp hơn nhưng rễ cây T.arvense tích luỹ Zn

về cơ bản cao hơn loài T.caerulescens Sự khác nhau này là do sự vận chuyển

Zn lên lá tốt hơn ở loài siêu tích luỹ Cây T.caerulescens chứa Zn trong chất lỏng của thân gỗ cao hơn 5 lần và vận chuyển lên thân cao hơn 10 lần so với cây T.arvense (Lasat và cộng sự, 1998) [10]

12.4.2.3 Khả năng hấp thụ Chì (Pb)

Pb là một KLN cực kỳ độc, nó là mối đe doạ đối với các loài động, thực vật và sức khoẻ con người Một số kết quả nghiên cứu cho thấy, cây Sesbania đrummonii, một loài cây họ đậu và nhiều cây họ cải có thể tích luỹ

Pb với hàm lượng khá lớn trong rễ (Blaylock và cộng sự,1997; Sahi và cộng

sự 2002; Wong và cộng sự, 2001) và Piptathertan miliacetall, một loài cỏ tích luỹ Pb trực tiếp khi môi trường đất bị ô nhiễm mà không có dấu hiệu nhiễm độc sau 3 tuần

Khó khăn nhất trong việc xử lý Pb bằng thực vật là do Pb hoà tan rất thấp, chỉ có khoảng 0,1% Pb trong đất là ở dạng di động Nỗ lực xử lý Pb bằng thực vật đã được tăng cường nhờ việc sử dụng thành phần bổ sung vào trong đất như EDTA để tăng khả năng hấp thụ Pb Bổ sung một số chất vào đất sẽ làm tăng khả năng hoà tan và hấp thụ Pb, nhưng lượng Pb chuyển lên thân vẫn thấp hơn trong đất và nước ngầm Triển vọng của công nghệ xử lý

Pb còn phụ thuộc vào sự phát triển của hệ thống Pb hoà tan và việc chuyển hoá Pb từ rễ lên lá Cuối cùng người ta đã tìm thấy công cụ chuyển là glutahione-Cd trong không bào của cây Arabidopsis có khả năng làm tăng khả năng chống chịu và khả năng tích luỹ Pb (Song và cộng sự, 2003).[10]

1.4.3 Triển vọng của công nghệ thực vật xử lý kim loại nặng trong đất

Trong những năm gần đây, người ta quan tâm rất nhiều về công nghệ

sử dụng thực vật để xử lý môi trường bởi nhiều lý do: diện tích đất bị ô nhiễm ngày càng tăng, các kiến thức khoa học về cơ chế, chức năng của sinh vật và

hệ sinh thái, áp lực của cộng đồng, sự quan tâm về kinh tế và chính trị, Hai

mươi năm trước đây, các nghiên cứu về lĩnh vực này còn rất ít, nhưng ngày nay, nhiều nhà khoa học đặc biệt là ở Mỹ và châu Âu đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ này như một công nghệ mang tính chất thương mại Hạn chế của công nghệ này là ở chỗ không thể xem như một công nghệ xử lý tức thời và phổ biến ở mọi nơi Tuy nhiên, chiến lược phát triển các chương trình nghiên cứu cơ bản có thể cung cấp được các giải pháp

xử lý đất một cách thân thiện với môi trường và bền vững Năm 1998, Cục môi trường Châu Âu (EEA) đánh giá hiệu quả kinh tế của các phương pháp

xử lý KLN trong đất bằng phương pháp truyền thống và phương pháp sử dụng thực vật tại 1.400.000 vị trí bị ô nhiễm ở Tây Âu, kết quả cho thấy chi phí trung bình của phương pháp truyền thống trên 1 hecta đất từ 0,27 đến 1,6 triệu USD, trong khi phương pháp sử dụng thực vật chi phí thấp hơn 10 đến 1000 lần Và nếu không chỉ quan tâm ở khía cạnh môi trường mà kể cả các khía cạnh về kinh tế như trồng rừng, tận thu kim loại quý trong chất thải khai khoáng thì công nghệ thực vật trong xử lý ô nhiễm cũng được xem là giải pháp khả thi [1]

PHẦN II: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Một số loài thực vật bản địa: cây sậy thường (Phragmites australis), cây dương xỉ thường (Cyclosorus parasiticus) và cây cỏ lá tre bò (thuộc chi Paspalum, họ hòa thảo poaceace);

- Đất tại khu vực khai thác khoáng sản huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên;

- KLN: Pb, Zn, As, Cd trong đất khu vực nghiên cứu

2.1.2 Phạm vi nghiêm cứu

Nghiên cứu về hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất sau khai thác khoáng sản và khả năng hấp thụ kim loại nặng của một số loài thực vật bản địa tại khu vực mỏ Sắt Trại Cau và mỏ chì kẽm làng Hích - Thái Nguyên

2.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu

2.2.1 Địa điểm nghiên cứu

- Địa điểm lấy mẫu đất và mẫu cây: tại khu vực mỏ sắt Trại Cau và mỏ chì kẽm Làng Hích:

+ Khu vực mỏ Chỏm Vung - Mỏ sắt Trại Cau;

+ Khu vực mỏ tầng 49 - Mỏ sắt Trại Cau;

+ Khu vực Thác Lạc - Mỏ sắt Trại Cau;

+ Khu vực rìa bãi thải - mỏ Chì Kẽm Làng hích

- Địa điểm bố trí thí nghiệm: tại khu nhà lưới Khoa Nông học - Đại học Nông Lâm - Thái Nguyên

2.2.2 Thời gian nghiên cứu

- Từ tháng 8 năm 2010 đến tháng 9 năm 2011

2.3 Nội dung nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu vào các nội dung sau:

- Khái quát điều kiện tự nhiên - kinh tế xã hội tại khu vực nghiên cứu huyện Đồng Hỷ tỉnh Thái Nguyên

- Hiện trạng khai thác khoáng sản các khu vực mỏ sắt Trại Cau và mỏ Chì kẽm làng Hích huyện Đồng Hỷ - tỉnh Thái Nguyên

- Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất do khai thác khoáng sản tại khu vực mỏ sắt Trại Cau và mỏ chì kẽm Làng Hích - huyện Đồng Hỷ - tỉnh Thái Nguyên

- Đánh giá khả năng tích luỹ KLN trong thân, lá và rễ một số loài thực vật nghiên cứu

- Đề xuất một số giải pháp khắc phục ô nhiễm KLN trong môi trường đất tại các khu vực nghiên cứu

2.4 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp sử dụng để thực hiện đề tài gồm có:

2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu, thống kê, kế thừa truyền thống

Thu thập tất cả các tài liệu có liên quan đến vấn đề nghiên cứu Kế thừa những thông tin, số liệu khoa học đã có phục vụ cho nội dung nghiên cứu của

đề tài: các văn bản pháp luật liên quan đến môi trường đất, trên sách báo, internet,

Đây là phương pháp phổ biến khi thực hiện nghiên cứu một đề tài vì vừa nhanh và vừa hiệu quả

2.4.2 Phương pháp lấy mẫu đất và mẫu thực vật

- Mẫu đất tại các khu vực nghiên cứu được lấy ở tầng mặt có độ sâu từ

0 - 20cm, trên diện tích đất sau khai thác Các mẫu đất sau khi lấy được đựng vào các túi riêng, có ghi kí hiệu ngoài bao bì

- Thực vật được chọn lấy mẫu là những loài phát triển ưu thế tại các khu vực nghiên cứu Các mẫu cây được đựng vào các túi riêng và ghi kí hiệu tương ứng với các mẫu đất tại các khu vực đó