Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của nước thải khu công nghiệp Sông Công đến sự tích luỹ một số kim loại nặng trong trầm tích suối Văn Dương tỉnh Thái Nguyên

Chia sẻ: Cỏ Xanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:123

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định mức độ ô nhiễm và các dạng tồn tại của một số KLN (Pb, Zn, Cd) trong mẫu trầm tích suối Văn Dương. Đánh giá ảnh hưởng của nước thải từ KCN Sông Công đến sự tích luỹ KLN trong trầm tích suối Văn Dương. Đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm KLN trong trầm tích suối nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của nước thải khu công nghiệp Sông Công đến sự tích luỹ một số kim loại nặng trong trầm tích suối Văn Dương tỉnh Thái Nguyên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Minh Hải NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NƢỚC THẢI KHU CÔNG NGHIỆP SÔNG CÔNG ĐẾN SỰ TÍCH LŨY KIM LOẠI NẶNG TRONG TRẦM TÍCH SUỐI VĂN DƢƠNG, TỈNH THÁI NGUYÊN Chuyên ngành: Khoa học Môi trƣờng Mã số: 60 85 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Giáo viên hƣớng dẫn: PGS.TS . Nguyễ Xuân Cự HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: NGƢỜI PGS.TS. NGUYỄN XUÂN CỰ Hà Nội - 2012
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. 0 BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................. 1 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. 5 DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................................. 7 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 8 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................ 10 1.1. KHÁI QUÁT, ĐẶC ĐIỂM VÀ TÁC HẠI CỦA KIM LOẠI NẶNG .................... 10 1.1.1. Khái niệm về kim loại nặng ...................................................................... 10 1.1.2. Đặc điểm và tác hại của một số kim loại nặng ........................................ 10 1.1.2.1. Đặc điểm chung của kim loại nặng .................................................. 10 1.1.2.2. Hàm lƣợng và độc tính của một số kim loại nặng ........................... 11 1.2. Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM ........................ 15 1.2.1. Nguồn gốc gây ô nhiễm kim loại nặng trong môi trƣờng đất, nƣớc và trầm tích ............................................................................................................... 15 1.2.1.1. Nguồn phát tán kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc .................... 15 1.2.1.2. Nguồn gốc của kim loại nặng trong đất ........................................... 18 1.2.1.3. Nguồn gốc phát tán kim loại nặng trong trầm tích sông hồ ............ 20 1.2.2. Ô nhiễm kim loại nặng trong đất và nƣớc trên thế giới và Việt Nam .. 24 1.2.2.1. Ô nhiễm kim loại nặng trong đất và trầm tích trên thế giới ............ 24 1.2.2.2. Hiện trạng ô nhiễm môi trƣờng đất, nƣớc tại Việt Nam .................. 25 1.3. CÁC DẠNG TỒN TẠI CỦA KIM LOẠI NẶNG TRONG ĐẤT, TRẦM TÍCH VÀ PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ......................................................................................... 26 1.4. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........... 32 1.4.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội ............................................................ 32 1.4.1.1. Điều kiện tự nhiên ............................................................................ 32 2
1.4.1.2. Địa hình, địa mạo ............................................................................ 35 1.4.1.3. Điều kiện khí hậu, thủy văn ............................................................. 35 1.4.1.4. Tình hình kinh tế- xã hội khu vực thị xã Sông Công....................... 37 1.4.1.5. Hiện trạng hạ tầng kỹ thuật ............................................................. 41 1.4.1.6. Hiện trạng sử dụng đất trên địa bàn thị xã Sông Công ................... 41 1.4.2. Thực trạng hoạt động sản xuất của Khu công nghiệp Sông Công ....... 43 1.4.2.1. Tình hình sản xuất của Khu công nghiệp sông Công ...................... 43 1.4.2.2. Thực trạng thu gom và xử lý chất thải của KCN sông Công .......... 46 1.4.3. Đặc điểm suối Văn Dƣơng ........................................................................ 48 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.. 50 2.1. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU........................................................... 50 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 50 2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................. 50 2.3.1. Phƣơng pháp thu thập số liệu thứ cấp..................................................... 50 2.3.2. Phƣơng điều tra, phỏng vấn ngoài thực địa ............................................ 50 2.3.3. Phƣơng pháp thu mẫu và phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm ...... 51 2.3.3.1. Phƣơng pháp lấy mẫu nƣớc, mẫu đất và trầm tích trên thực địa ..... 51 2.3.3.2. Phƣơng pháp phân tích trong phòng thí nghiệm .............................. 55 2.2.4. Phƣơng pháp kiểm soát chất lƣợng (QC)................................................ 57 2.2.5. Phƣơng pháp xử lý số liệu ......................................................................... 57 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................... 58 3.1. HIỆN TRẠNG MÔI TRƢỜNG NƢỚC VÀ ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU . 58 3.1.1. Hiện trạng môi trƣờng nƣớc..................................................................... 58 3.1.2. Hiện trạng môi trƣờng đất ........................................................................ 61 3.2. ẢNH HƢỞNG CỦA NƢỚC THẢI KHU CÔNG NGHIỆP SÔNG CÔNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG NƢỚC SUỐI VĂN DƢƠNG..................................................................... 62 3
3.3. ẢNH HƢỞNG CỦA NƢỚC THẢI ĐẾN SỰ TÍCH LŨY KIM LOẠI NẶNG TRONG TRẦM TÍCH SUỐI VĂN DƢƠNG ....................................................................... 64 3.3.1. Một số tính chất của nƣớc suối Văn Dƣơng tại các điểm lấy mẫu trầm tích ......................................................................................................................... 64 3.3.2. Thành phần cấp hạt và chất hữu cơ tổng số trong trầm tích suối Văn Dƣơng ................................................................................................................... 65 3.3.3. Ảnh hƣởng của nƣớc thải đến sự tích lũy kim loại nặng trong trầm tích suối Văn Dƣơng ................................................................................................... 67 3.3.3.1. Hàm lƣợng Pb, Cd, Zn tổng số trong trầm tích suối Văn Dƣơng .... 68 3.3.3.2. Các dạng kim loại Pb, Zn, Cd trong trầm tích suối Văn Dƣơng ..... 71 3.3.3.3. Đánh giá ảnh hƣởng của nƣớc thải khu công nghiệp Sông Công đến môi trƣờng nƣớc và tích lũy kim loại nặng trong trầm tích suối Văn Dƣơng ............... 77 3.3.4. Quan hệ giữa các yếu tố môi trƣờng đến sự tích lũy kim loại nặng trong trầm tích ..................................................................................................... 78 3.4. ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP QUẢN LÝ VÀ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRÊN SUỐI VĂN DƢƠNG .......................................................................... 82 3.4.1. Biện pháp quản lý ..................................................................................... 82 3.4.2. Biện pháp kỹ thuật .................................................................................... 82 3.4.2.1. Các phƣơng án khống chế ô nhiễm không khí ................................ 82 3.4.2.2. Các phƣơng án khống chế ô nhiễm nguồn nƣớc ............................. 83 3.4.2.3. Xử lý chất thải nguy hại ................................................................... 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 84 1. KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 84 2 . KIẾN NGHỊ..................................................................................................................... 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 87 TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT ..................................................................................................... 87 TÀI LIỆU TIẾNG ANH ..................................................................................................... 88 4
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Nồng độ kim loại nặng trong một số loại nƣớc thải………………………….16 Bảng 2. Hàm lƣợng kim loại nặng trong nƣớc mƣa ở một số vùng trên thế giới (g/l) 17 Bảng 3. Phát thải kim loại nặng do hoạt động khai thác mỏ trên toàn cầu ( 103 tấn) .... 18 Bảng 4. Sự tích lũy sinh học Hg theo chuỗi thức ăn ở hồ Paijanne (Phần Lan) ............ 18 Bảng 5. Nguồn các kim loại nặng bổ sung vào đất nông nghiệp ................................... 19 Bảng 6. Tỷ lệ % các dạng tồn tại của Cd trong trầm tích ở các khu vực khác nhau ..... 23 Bảng 7 : Quy trình chiết liên tục của A.Tessier (1979)[20] ........................................... 28 Bảng 8 : Quy trình chiết liên tục của Galan (1999) ....................................................... 29 Bảng 9: Quy trình chiết liên tục của Hiệp hội Địa chất Canada (GCS) (Benitez và Dubois 1999) .................................................................................................................. 30 Bảng 10: Quy trình chiết liên tục của J. Zerbe (1999) [29] ........................................... 31 Bảng 11: Quy trình chiết liên tục cải tiến của Tessier (Vũ Đức Lợi, 2010 [3]) ............ 31 Bảng 12. Tổng lƣợng mƣa các tháng trong năm ............................................................ 36 Bảng 13. Diện tích, dân số, mật độ dân số 2009 ........................................................... 40 Bảng 14. Cơ cấu sử dụng đất của thị xã Sông Công năm 2009 ..................................... 42 Bảng 15. Các ngành nghề sản xuất hiện nay trong Khu công nghiệp Sông Công I ...... 44 Bảng 16. Ký hiệu và đặc điểm của các mẫu nghiên cứu ............................................... 52 Bảng 17. Thành phần nƣớc thải của Khu công nghiệp sông Công ................................ 59 Bảng 18. Kết quả phân tích nƣớc suối Văn Dƣơng ....................................................... 60 Bảng 19. Thành phần các chất trong nƣớc ngầm ở khu vƣ̣c nghiên cứu ....................... 61 Bảng 20. Hàm lƣợng kim loại năng tổng số trong đất nghiên cứu ................................ 62 Bảng 21. Thành phần của nƣớc suối Văn Dƣơng trƣớc và sau điểm tiếp nhận nƣớc thải của Khu B- Khu công nghiệp sông Công I .................................................................... 63 Bảng 22. Một số tính chất của nƣớc tại các vị trí lấy mẫu trầm tích ................................. 65 Bảng 23. Thành phần cơ giới của trầm tích suối Văn Dƣơng........................................ 67 5
Bảng 24: Kết quả phân tích Cd, Pb, Zn trong mẫu trầm tích chuẩn ............................ 68 Bảng 25. Nồng độ kim loại Pb, Zn, Cd tổng số trong trầm tích suối Văn Dƣơng vào mùa khô và mùa mƣa (mg/kg) ....................................................................................... 69 Bảng 26. Kết quả phân tích các dạng tồn tại của Pb trong trầm tích suối Văn Dƣơng vào mùa khô ................................................................................................................... 72 Bảng 27. Kết quả phân tích các dạng tồn tại của Pb trong trầm tích suối Văn Dƣơng vào mùa mƣa .................................................................................................................. 72 Bảng 28. Kết quả phân tích các dạng tồn tại của Cd trong trầm tích suối Văn Dƣơng vào mùa khô ................................................................................................................... 73 Bảng 29. Kết quả phân tích các dạng tồn tại của Cd trong trầm tích suối Văn Dƣơng vào mùa mƣa .................................................................................................................. 74 Bảng 30. Kết quả phân tích các dạng tồn tại của Zn trong trầm tích suối Văn Dƣơng vào mùa khô ................................................................................................................... 75 Bảng 31. Kết quả phân tích các dạng tồn tại của Zn trong trầm tích suối Văn Dƣơng vào mùa mƣa .................................................................................................................. 75 Bảng 32. Một số tiêu chuẩn chất lƣợng trầm tích của Canada năm 2002 ..................... 78 Bảng 33. Hệ số tƣơng quan Pearson R2 giữa hàm lƣợng kim loại nặng và các yếu tố môi trƣờng ...................................................................................................................... 80 6
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất và nƣớc. ...................................... 15 Hình 2. Vị trí địa lý thị xã sông Công ............................................................................ 33 Hình 3. Sơ đồ vị trí suối Văn Dƣơng ............................................................................. 48 Hình 4. Suối Văn Dƣơng trƣớc và sau điểm tiếp nhận nƣớc thải của Khu công nghiệp sông Công....................................................................................................................... 49 Hình 5. Sơ đồ vị trí lấy mẫu ........................................................................................... 54 Hình 6. Quy trình tách chiết các dạng kim loại nặng trong trầm tích ............................ 56 Hình 7. Hàm lƣợng Pb, Cd và Zn trong nƣớc suối Văn Dƣơng .................................... 64 Hình 8. Đồ thị biến thiên hàm lƣợng các kim loại tổng số Pb, Zn, Cd trong trầm tích suối Văn Dƣơng vào mùa mƣa và mùa khô ................................................................... 70 Hình 9. Phần trăm đóng góp của các dạng kim loại trong các mẫu trầm tích ............... 76 Hình 10. Dạng trao đổi của các kim loại trong các mẫu trầm tích ................................ 76 Hình 11. Đồ thị tƣơng quan giữa các kim loại Pb, Zn, Cd với sét và hợp chất hữu cơ ........... 80 Hình 12. Mối tƣơng quan giữa hàm lƣợng sét với Pb, Zn, Cd trong trầm tích suối Văn Dƣơng ........................................................................................................................................ 81 Hình 13. Sự tƣơng quan giữa hàm lƣợng CHC với Pb, Zn, Cd trong trầm tích suối Văn Dƣơng ........................................................................................................................................ 81 7
MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, sự phát triển kinh tế xã hội trong khu vực thị xã Sông Công và địa bàn Thành phố Thái Nguyên diễn ra rất mạnh mẽ, đem lại nhiều lợi ích cho nền kinh tế, góp phần giải quyết công ăn việc làm và nâng cao đời sống cho ngƣời dân. Tuy nhiên, ngoài lợi ích kinh tế xã hội đạt đƣợc thì hiện trạng ô nhiễm môi trƣờng do mặt trái của những hoạt động trên gây ra đang ở mức báo động. Môi trƣờng nói chung và môi trƣờng nƣớc nói riêng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, đe dọa đến sức khỏe và chất lƣợng cuộc sống của cộng đồng dân cƣ trong vùng. Khu công nghiệp Sông Công tuy mới đƣợc hình thành và đi vào hoạt động nhƣng đã tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm môi trƣờng do chƣa có hệ thống xử lý chất thải hoàn chỉnh. Thực tế hiện nay, phần lớn nƣớc thải của các cơ sở sản xuất trong Khu công nghiệp Sông Công chƣa đƣợc xử lý đảm bảo tiêu chuẩn, xả thải trực tiếp vào suối Văn Dƣơng, đã làm ô nhiễm nguồn nƣớc và trầm tích gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến đời sống các sinh vật thủy sinh. Theo Báo cáo kết quả quan trắc hiện trạng môi trƣờng tỉnh Thái Nguyên từ năm 2005 đến nay, nƣớc thải Khu công nghiệp sông Công chủ yếu ô nhiễm các kim loại nặng, đây là một trong những chất gây ô nhiễm nghiêm trọng trong môi trƣờng bởi độc tính, tính bền vững và khả năng tích lũy sinh học của chúng (Tam and Woong, 2000 [38]). Các nghiên cứu về ô nhiễm kim loại nặng trong các sông, hồ trên thế giới chỉ ra rằng hàm lƣợng các kim loại nặng trong trầm tích thƣờng lớn hơn rất nhiều so với trong nƣớc (Forstner, 1979 [26]). Do đó, trầm tích đƣợc xem là một chỉ thị quan trọng đối với sự ô nhiễm môi trƣờng nƣớc (P. S. Harikumar, 2009). Ở những hóa trị (trạng thái oxi hóa), dạng liên kết khác nhau thì độc tính, hoạt tính sinh học, sinh địa hóa… của các kim loại cũng khác nhau. Chẳng hạn, dạng AsIII độc hơn dạng AsV; các dạng Asen vô cơ thƣờng có độc tính cao hơn các dạng Asen cơ kim. Với Asen, những dạng AsIII đƣợc đào thải ra khỏi cơ thể qua nƣớc tiểu, còn những dạng AsV đƣợc đào thải theo cơ chế giải độc của gan, nghĩa là chuyển sang dạng axít monometylarsenic và dimetylarsenic. 8
Chính vì vậy, trong sinh-y học, sinh địa hóa, môi trƣờng thì việc nghiên cứu về dạng tồn tại của các nguyên tố hàm lƣợng vết để hiểu đƣợc các quá trình tích lũy sinh học, sự vận chuyển, sự chuyển hóa sinh hóa, độc tính và sự tiến triển độc tính, bản chất sinh học của các độc chất là cực kỳ quan trọng. Hàm lƣợng tổng của kim loại nặng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm trầm tích. Tuy nhiên, hàm lƣợng tổng của kim loại trong trầm tích không cung cấp đƣợc các thông tin về khả năng tích lũy sinh học và khả năng di động của kim loại trong những điều kiện của môi trƣờng khác nhau. Do vậy, việc phân tích, đánh giá tổng hàm lƣợng dạng kim loại trong trầm tích là chƣa đủ mà còn phải xác định các dạng tồn tại của chúng. Để đánh giá đầy đủ mức độ ô nhiễm kim loại nặng trên suối Văn Dƣơng do khu công nghiệp Sông Công gây ra, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của nước thải khu công nghiệp Sông Công đến sự tích luỹ một số kim loại nặng trong trầm tích suối Văn Dương tỉnh Thái Nguyên” đƣợc thực hiện nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong nƣớc suối Văn Dƣơng, đặc biệt là trong trầm tích do tác động của khu công nghiệp Sông Công. Các mục tiêu nghiên cứu chủ yếu của đề tài bao gồm: • Xác định mức độ ô nhiễm và các dạng tồn tại của một số KLN (Pb, Zn, Cd) trong mẫu trầm tích suối Văn Dƣơng. • Đánh giá ảnh hƣởng của nƣớc thải từ KCN Sông Công đến sự tích luỹ KLN trong trầm tích suối Văn Dƣơng • Đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm KLN trong trầm tích suối nghiên cứu. 9
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. KHÁI QUÁT, ĐẶC ĐIỂM VÀ TÁC HẠI CỦA KIM LOẠI NẶNG 1.1.1. Khái niệm về kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5g/cm3 và thông thƣờng chỉ những kim loại hoặc các á kim liên quan đến sự ô nhiễm và độc hại. Tuy nhiên chúng cũng bao gồm những nguyên tố kim loại cần thiết cho một số sinh vật ở nồng độ thấp (Adriano, 2001)[18]. Kim loại nặng đƣợc đƣợc chia làm 3 nhóm chính: các kim loại có độc tính cao (Hg, Cr, Pb, Ni, Cd, As, Sn,…), những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…), các kim loại phóng xạ (U, Th, Ra, Am,…) (Bishop, 2002)[21]. Kim loại trong môi trƣờng có thể tồn tại ở các dạng khác nhau nhƣ dạng muối tan, dạng ít tan nhƣ oxit, hydroxit, muối kết tủa và dạng tạo phức với chất hữu cơ. Tùy thuộc vào dạng tồn tại đó mà khả năng tích lũy trong trầm tích và khả năng tích lũy sinh học của kim loại là khác nhau. Các cơ thể sống luôn cần một lƣợng rất nhỏ một số kim loại nặng (gọi là các nguyên tố vi lƣợng), nhƣng nếu liều lƣợng vƣợt quá mức cho phép có thể gây hại cho cơ thể. Sự tích lũy của các kim loại này trong một thời gian dài trong cơ thể sống có thể gây nên nhiều bệnh tật nguy hiểm. 1.1.2. Đặc điểm và tác hại của một số kim loại nặng 1.1.2.1. Đặc điểm chung của kim loại nặng Kim loại nặng không bị phân hủy sinh học (Tam & Wong, 1995)[38], không độc khi ở dạng nguyên tố không hòa tan nhƣng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ở dạng cation do khả năng gắn kết với các chuỗi cacbon ngắn dẫn đến sự tích tụ trong cơ thể sinh vật (Shahidul & Tanaka, 2004)[36]. Đối với con ngƣời, có khoảng 12 nguyên tố kim loại nặng gây độc hại cao nhƣ chì, thủy ngân, nhôm, arsen, cadmi và nicken… Một số kim loại nặng đƣợc tìm thấy trong cơ thể và có vai trò 10
thiết yếu cho sức khỏe con ngƣời, chẳng hạn nhƣ sắt, kẽm, coban, mangan, molybden và đồng nhƣng với lƣợng rất ít. Tuy nhiên, ở mức độ cao các nguyên tố này sẽ gây nguy hại đến đời sống của sinh vật. Hầu hết các nguyên tố kim loại nặng đều có độc tính cao và gần nhƣ không có vai trò dinh dƣỡng trong đời sống sinh vật nhƣ thủy ngân, niken, chì, arsen, cadmi, platin khi đi vào cơ thể sinh vật và tích lũy trong tế bào sẽ có khả năng gây độc rất cao. Đối với con ngƣời, kim loại nặng có khả năng gây độc hại không chỉ ở hàm lƣợng cao mà ngay cả khi ở hàm lƣợng thấp nhƣng thời gian kéo dài do quá trình tích lũy sinh học đạt đến hàm lƣợng gây độc. Tính độc của các nguyên tố này có thể ở nồng độ rất thấp khoảng 0,1-10 mg/l (Alkorta et al., 2004)[17]. 1.1.2.2. Hàm lượng và độc tính của một số kim loại nặng Tính độc của kim loại nặng đã đƣợc khẳng định từ lâu nhƣng không phải tất cả chúng đều độc hại đến môi trƣờng và sức khoẻ của con ngƣời. Độ độc và không độc của kim loại nặng không chỉ phụ thuộc vào bản thân kim loại mà nó còn liên quan đến hàm lƣợng trong đất, trong nƣớc và các yếu tố hoá học, vật lý cũng nhƣ sinh vật. Một số các kim loại nhƣ Pb; Cd; Hg... khi đƣợc cơ thể hấp thu chúng sẽ làm mất hoạt tính của nhiều enzim, gây nên một số căn bệnh nhƣ thiếu máu, sƣng khớp....Trong tự nhiên kim loại nặng thƣờng tồn tại ở dạng tự do, khi ở dạng tự do thì độc tính của nó yếu hơn so với dạng liên kết, ví dụ khi Cu tồn tại ở dạng hỗn hợp Cu-Zn thì độc tính của nó tăng gấp 5 lần khi ở dạng tự do. - Cadmi (Cd) Trong đất, Cd có mặt rất phổ biển trong tự nhiên nhƣng với hàm lƣợng thấp, trung bình khoảng 0,1 mg/kg. Tuy nhiên hàm lƣợng cao hơn có thể tìm thấy trong các loại đá trầm tích, đặc biệt là trong trầm tích phosphate biển, thƣờng chứa khoảng 15 mg/kg. Hàng năm sông ngòi vận chuyển một lƣợng lớn Cd khoảng 15.000 tấn đổ vào các đại dƣơng (GESAMP, 1984 trích trong WHO, 1992)[41]. Hàm lƣợng Cd đã đƣợc báo cáo có thể lên đến 5 mg/kg trong các trầm tích sông và hồ, từ 0,03 đến 1 mg/kg trong các 11
trầm tích biển (Korte, 1983 trích trong WHO, 1992)[41]. Hàm lƣợng Cd trung bình trong đất ở những vùng không có sự hoạt động của núi lửa biến động từ 0,01 đến 1mg/kg, ở những vùng có sự hoạt động của núi lửa hàm lƣợng này có thể lên đến 4,5mg/kg (Korte, 1983, trích trong WHO, 1992)[41]. Tuy nhiên theo Murray (1994) [33] hàm lƣợng Cd trong đất trung bình chỉ vào khoảng 0,06-1,1 ppm. Hàm lƣợng của Cd trong phân lân biến động khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc của quặng phosphate. Phân lân có nguồn gốc từ quặng phốt phát Bắc Carolina chứa khoảng 0,054 g Cd/kg, phân lân có nguồn gốc từ từ quặng Sechura chứa 0,012 g Cd/kg, trong khi đó phân lân có nguồn gốc từ quặng phosphate Gafsa chứa 0,07 g Cd/kg (Bolan et al., 2003)[22]. Cadmi ở hàm lƣợng cao có khả năng gây tổn hại đến thận và xƣơng. Nghiên cứu trên 1021 ngƣời bị nhiễm độc Cd ở Thụy Điển cho thấy nhiễm độc kim loại này có liên quan đến gia tăng nguy cơ gãy xƣơng ở độ tuổi trên 50 (Tobias Alfvens, 2004)[39]. Bệnh itai-itai là bệnh do ngộ độc Cd trầm trọng. Tất cả những bệnh nhân với bệnh này điều bị tổn hại thận; xƣơng đau nhức, giòn và dễ gãy (Nogawa et al., 1999)[34]. - Chì (Pb) Chì là kim loại tồn tại phổ biến trong tất cả các môi trƣờng, trong nhiều pha khác nhau và trong tất cả các hệ thống sinh học. Chì tồn tại ở dạng số oxi hóa +2. Ở pH cao, chì trở nên ít tan và khả năng tích lũy sinh học thấp do tạo phức với chất hữu cơ, liên kết với oxit và silica của sét, và kết tủa dạng cacbonat và hiđroxit [5, 6, 46]. Chì là một nguyên tố có độc tính cao với con ngƣời và động vật.Chì tác động lên hệ thống tổng hợp hem của hemoglobin do kìm hãm các enzim tham gia xúc tác ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình tổng hợp hem. Enzim Delta-aminolevulinic- dehydrotase (ALAD) bị kìm hãm khi nồng độ chì trong máu cao hơn 10 g/dl. Khi nồng độ chì trong máu cao hơn 50 g/dl sẽ gây ra nguy cơ mắc triệu chứng thiếu máu, thiếu sắc tố da, màng hồng cầu kém bền vững [44]. 12
Với nồng độ chì cao hơn 80 g/dl trong máu gây ra các bệnh về não với các biểu hiện lâm sàng là: mất điều hòa, vận động khó khăn, giảm ý thức, ngơ ngác, hôn mê và co giật. Khi phục hồi thƣờng kèm theo các di chứng nhƣ động kinh, sự đần độn và trong một vài trƣờng hợp bị bệnh thần kinh về thị giác và mù. Ở trẻ em, tác động này xảy ra khi nồng độ chì trong máu là 70 g/dl. Ngoài ra, trẻ còn bị triệu chứng hoạt động thái quá (năng động), thiếu tập trung và sự giảm nhẹ chỉ số IQ [44]. Chì thâm nhập vào cơ thể qua đƣờng nƣớc uống, thực phẩm, hô hấp. Khả năng loại bỏ chì khỏi cơ thể rất chậm, chủ yếu qua đƣờng nƣớc tiểu. Chu kì bán rã của chì trong máu khoảng một tháng, trong xƣơng 20-30 năm. Tiêu chuẩn của FAO (Food and Agriculture Organization) cho phép là 3 mg/tuần [6]. Ở nƣớc ta, lƣợng bụi chì trung bình trong không khí đô thị và nông thôn khoảng 1 mg/m3 và 0,1-0,2 mg/m3, và con ngƣời phải hít vào tƣơng ứng là 1,5-20 mg/ngày và 1,5-4,0 mg/ngày. Theo quy định Tổ chức sức khoẻ thế giới (WHO), giới hạn bụi chì nơi làm việc phải nhỏ hơn 0,01 mg/m3 không khí; còn ở khu dân cƣ thì phải nhỏ hơn 0,005 mg/m3. Tuy nhiên, bụi chì trong không khí khu sản xuất công nghiệp cao hơn nhiều lần cho phép. Dọc các trục lộ giao thông, dù giờ đây không dùng xăng pha chì nữa, nhƣng lƣợng bụi chì cũng không giảm đáng kể [43]. Theo Lê Huy Bá, chì có trong các nguyên liệu làm đồ chơi cho trẻ và cả những vật dụng hàng ngày. Đây là một kiểu gây hại sức khoẻ ghê gớm cho trẻ nhƣng lại khó nhìn, khó phát hiện, chỉ trừ khi ngộ độc cấp tính, mà lúc đó thì đã quá trễ [43]. Gần đây, Trung tâm Chống độc - Bệnh viện Bạch Mai đã tiến hành xét nghiệm một số loại thuốc cam, là vị thuốc đông y đƣợc sử dụng rất phổ biến tại các địa phƣơng để chữa trị bệnh cho trẻ bị hăm mông, hăm tã, lở loét miệng... và cho kết quả trong loại “thuốc cam” màu đỏ này có hàm lƣợng chì cao. Một số trẻ em sử dụng loại thuốc cam này đã bị nhiễm độc chì, khiến trẻ chậm phát triển cả về thể chất và trí tuệ [48]. - Kẽm (Zn) 13
Kẽm cũng là một nguyên tố vi lƣợng rất cần thiết cho cơ thể với trạng thái oxi hóa +2. Ở pH thấp, kẽm có độ linh động vừa phải, liên kết yếu với sét và chất hữu cơ. Khi pH tăng, kẽm liên kết với oxit, aluminosilicat và mùn, khả năng hòa tan của nó thấp hơn. Trong đất và trầm tích bị ô nhiễm bởi kẽm, kẽm thƣờng tồn tại ở dạng kết tủa với oxit, hiđroxit và hiđro-cacbonat. Các dạng này làm giới hạn khả năng hòa tan của kẽm ở pH > 6. Trong môi trƣờng khử, sự linh động của kẽm cũng bị hạn chế bởi sự tạo thành ZnS ít tan [5, 6, 47]. Kẽm là một nguyên tố vi lƣợng rất cần thiết. Có khoảng 100 loại enzim cần có kẽm để hình thành các phản ứng hóa học trong tế bào. Trong cơ thể có khoảng 2-3 g kẽm, hiện diện trong hầu hết các loại tế bào và các bộ phận của cơ thể, nhƣng nhiều nhất tại gan, thận, lá lách, xƣơng, ngọc hành, tinh hoàn, da, tóc móng. Kẽm cần thiết cho thị lực, còn giúp cơ thể chống lại bệnh tật, kích thích tổng hợp protein, giúp tế bào hấp thu chất đạm để tổng hợp tế bào mới, tăng liền sẹo, bạch cầu cần có kẽm để chống lại nhiễm trùng và ung thƣ. Nhu cầu về kẽm hàng ngày khoảng 10-15 mg. Nguồn thức ăn nhiều kẽm là từ động vật nhƣ sò, thịt, sữa, trứng, thịt gà, cá, tôm, cua và nƣớc máy… [45]. Do kẽm là dinh dƣỡng thiết yếu, nên việc thiếu hụt hay dƣ thừa kẽm sẽ gây ra các chứng bệnh nhƣ ngộ độc hệ thần kinh và hệ miễn nhiễm [6]. Việc thiếu hụt kẽm có thể làm đàn ông sụt cân, giảm khả năng tình dục và có thể mắc bệnh vô sinh. Phụ nữ có thai thiếu kẽm sẽ giảm trọng lƣợng trẻ sơ sinh, thậm chí có thể bị lƣu thai. Thiếu kẽm dẫn đến chậm lớn, bộ phận sinh dục teo nhỏ, dễ bị các bệnh ngoài da, giảm khả năng đề kháng…Một số ngƣời có vị giác hay khứu giác bất thƣờng do thiếu kẽm. Điều này giải thích tại sao một số các loại thuốc chống kém ăn, điều trị biếng ăn có thành phần chứa kẽm [49]. Oxit kẽm (ZnO) ở kích thƣớc nano là vật liệu đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và y học do khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, xúc tác...Tuy nhiên, những nghiên cứu ban đầu của Minghong Wu và các cộng sự tại Đại học Thƣợng Hải về độc tính của phần tử nano ZnO trên tế bào thần kinh của chuột cho thấy: sau 24 giờ, 14
nhiều tế bào biểu hiện dấu hiệu của quá trình chết nhƣ biến đổi hình thái, gãy nhân, vỡ màng, tỷ lệ tế bào có dấu hiệu của quá trình chết tỷ lệ với nồng độ ZnO đƣa vào. Tuy tác dụng gây độc mới đƣợc thử nghiệm trên tế bào trong môi trƣờng nuôi cấy nhƣng các nhà khoa học cũng khuyến cáo cần những nghiên cứu tiếp theo để khẳng định ảnh hƣởng của các phần tử nano đến cơ thể con ngƣời - một vấn đề quan trọng trong sản xuất và sử dụng các vật liệu, chế phẩm nano [45]. 1.2. Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.2.1. Nguồn gốc gây ô nhiễm kim loại nặng trong môi trƣờng đất, nƣớc và trầm tích 1.2.1.1. Nguồn phát tán kim loại nặng trong môi trường nước Kim loại nặng hiện diện trong tự nhiên đều có trong đất và nƣớc, hàm lƣợng của chúng thƣờng tăng cao do tác động của con ngƣời. Đặc biệt là các nguyên tố nhƣ As, Cd, Cu, Ni và Zn, lƣợng thải ra do các hoạt động sản xuất của con ngƣời là cao hơn nhiều lần so với nguồn phát thải trong tự nhiên, ví dụ nhƣ chì cao gấp 17 lần (Kabata-Pendias & Adriano, 1995)[30]. Nguồn kim loại nặng đi vào đất và nƣớc bằng nhiều con đƣờng khác nhau nhƣ bón phân, bùn cống rãnh, thuốc bảo vệ thực vật, khai khoáng và quá trình lắng đọng từ không khí (Hình 1). Phân bón Nƣớc Chất thải Thuốc Khai Lắng tƣới và bùn bảo vệ khoáng và đọng từ cống thực vật giao thông khí quyển ĐẤT Trầm tích NƢỚC MẶT NƢỚC DƢỚI ĐẤT Hình 1. Nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất và nước (Singh & Steinnes, 1994). 15
Nhiễm bẩn kim loại nặng trong nƣớc có thể do nhiều con đƣờng khác nhau. Trƣớc hết là do nƣớc thải bẩn đổ vào các sông là tình trạng phổ biến hiện nay ở các thành phố, các khu công nghiệp. Quá trình hòa tan và rửa trôi kim loại nặng trong đất sẽ dần dần gây ô nhiễm các nguồn nƣớc kể cả nƣớc ngầm. Những kim loại nặng gây ô nhiễm nƣớc thƣờng đƣợc nghiên cứu bao gồm As, Cd, Zn, Cu, Hg, Ni. Trong đó tùy theo nguyên tố và các điều kiện cụ thể mà quá trình gây ô nhiễm xảy ra khác nhau. Sự nhiễm bẩn Pb trong nƣớc là do nguồn thải của công nghiệp in, ắc quy, đúc kim loại, giao thông. Còn Cd lại có nguồn gốc chủ yếu từ các nguồn nƣớc thải công nghệ mạ, nhà máy sơn, phân huỷ và đốt cháy nhựa, phân huỷ xăm lốp, cộng nghệ pin, công nghệ sản xuất phân bón và sử dụng phân bón đặc biệt là phân lân. As xâm nhập vào nƣớc chủ yếu từ các công đoạn khai khoáng, từ nƣớc thải công nghiệp, nông nghiệp, thuốc trừ sâu diệt cỏ ở dạng các chất hữu cơ nhƣ methylarsenic axit, dimethylarsinic axit, arsenocholine, arsenobentaine. Các nguồn nƣớc thải công nghiệp, nƣớc thải đô thị và từ các vùng khai khoáng thƣờng chứa khá nhiều kim loại nặng (Bảng 1). Đây đƣợc xem là nguồn quan trọng gây ô nhiễm đất và nguồn nƣớc trong tự nhiên. Bảng 1. Nồng độ kim loại nặng trong một số loại nước thải Kim loại nặng Loại nƣớc thải Địa điểm Hàm lƣợng (g/l) Nƣớc mƣa Durham, Mỹ 1000-12000 Pb Mỏ Nga 7 000- 9000 Nƣớc cống thải Khu công nghiệp 100-500 Công nghiệp New York 3-20 Cd Công nghiệp Tây Đức 220 Mỏ Nam Phi 6-52 Hg Công nghiệp Tây Đức 7 Nguồn: Jack E.Fergusson, 1991 [28] Bên cạnh đó, dòng chảy tràn đô thị cũng là một nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng quan trọng đối với nguồn nƣớc. Nguyên nhân do các sol khí kim loại trong khí quyển có đƣờng kính khác nhau từ 0,01-1,0 m (Pb trong khói dầu, khói luyện kim); 1,0- 100m (tro nhiên liệu, bụi luyện kim) và 10-80m (tro đốt lò) đƣợc giải phóng vào khí 16
quyển trên mặt đất sau đó sẽ khuyếch tán lên cao. Các phần tử kim loại lớn rơi xuống đất dƣới dạng kết tủa khô. Mƣa mang phần kim loại hoà tan từ khí quyển nhƣ là kết tủa ƣớt. Hàm lƣợng Hg trong nƣớc mƣa từ 0,001-4 g/l, hàm lƣợng cao hơn thƣờng liên quan đến các khu công nghiệp. Hàm lƣợng Pb trong giáng thuỷ thay đổi từ 1000 g/l trong các khu vực đông đúc, với giá trị tập trung trong khoảng từ 5-30 g/l. Hàm lƣợng kim loại nặng trong nƣớc mƣa, ở một số khu vực công nghiệp đạt tới 30-500g/l nhƣng phần lớn
do khai thác khoáng sản trên thế giới đã có sự gia tăng liên tục theo thời gian (Bảng 3). Bảng 3. Phát thải kim loại nặng do hoạt động khai thác mỏ trên toàn cầu ( 103 tấn) Kim loại Trƣớc 1850- 1900- 1950 1960 1970 1980 nặng 1850 1900 1940 Cu 45 13 49 2650 4212 6026 7660 Zn 50 15 50 1970 3286 5469 5220 Pb 55 25 51 1670 2378 3395 3096 Cd - - - 6 11 17 15 Hg - - - 1 1,4 1,5 1,2 Nguồn: Nriagu&Pacyna, 1988 [35]. Ngoài ra, có nhiều loại thuốc diệt nấm, trừ sâu, vật gây hại cho mùa màng là các muối kim loại nặng rất độc. Ví dụ, clorua thuỷ ngân và các hợp chất thuỷ ngân hữu cơ (thuốc trừ sâu), CuSO4, Na3AsO4 (thuốc diệt động vật hại, ví dụ nhƣ sên cạn H.aspersa) (Godan, 1983). Trong quá trình con ngƣời sử dụng, một lƣợng nhất định các hoá chất trên bị rơi xuống đất. Do đặc tính phân huỷ trong đất rất chậm (6 tháng đến 2 năm) nên chúng tạo ra dƣ lƣợng đáng kể trong đất và bị lôi cuốn vào chu trình đất- nƣớc- cây- động vật- ngƣời, gây nên hiện tƣợng phóng đại sinh học. Bảng 4. Sự tích lũy sinh học Hg theo chuỗi thức ăn ở hồ Paijanne (Phần Lan) Đối tƣợng Hàm lƣợng Hg (g/kg) Trầm tích 87-114 Thực vật nổi 15 Thực vật bậc cao hơn 9 Động vật nổi 13 Động vật đáy ăn thực vật 77 Động vật đáy ăn thịt 83 Cá ăn cỏ 332-500 Cá ăn thịt 604-1510 Vịt ăn sâu bọ 240 Chim ăn cá 2512-13685 Nguồn: Sarkka và nnk., 1978 1.2.1.2. Nguồn gốc của kim loại nặng trong đất Sự ô nhiễm các kim loại nặng trong đất nông nghiệp rất ít khi bắt nguồn từ các 18
quá trình địa hoá mà thƣờng do các hoạt động nhân tạo nhƣ khi mỏ, nấu quặng, đốt nhiên liệu hoá thạch hoặc sử dụng quá nhiều bùn thải, nƣớc thải, phân bón hoá học không tinh khiết, khí thải từ các phƣơng tiện giao thông và thuốc trừ sâu có chứa Cu, Hg, As. Ví dụ, ở Thuỵ Điển, trong giai đoạn 1900-1990, các nguồn kim loại nặng quan trọng xâm nhập vào đất nông nghiệp gồm có phân bón hoá học thƣơng phẩm có chứa Cd, thuốc diệt nấm có chứa Cu, Hg, lắng đọng từ khí quyển (chủ yếu là Cd, Pb, Hg), trong khi bùn thải là một nguồn kim loại nặng quan trọng đối với đất thƣờng xuyên tiếp nhận bùn thải, Bảng 5. Bảng 5. Nguồn các kim loại nặng bổ sung vào đất nông nghiệp, mg/kg Kim loại Phân Phân Vôi Bùn Phân Nƣớc Thuốc nặng lân* đạm thải chuồng tƣới trừ sâu** Cd 0,1-190
nặng trong phân photphat là: Cu 1-300 mg/kg, Zn 50-1450 mg/kg; Pb 7-225 mg/kg và Cd 1-170 mg/kg. Phân nitrat có chứa Cd 0,05-8,5 mg/kg, hàm lƣợng Cd thấp hơn trong phân urê 0,008 mg/kg (Nguyễn Thị An Hằng (1998)[2] trích trong Alloway và nnk., 1988). Nguồn bổ sung qua các hoạt động nông nghiệp đáng kể nhất là đối với kim loại nặng Zn, Pb. Hàm lƣợng Cu bổ sung vào đất (9kg/ha/năm) gần với giới hạn đƣợc xác định bởi luật của Cộng đồng châu Âu (12 kg/ha/năm). Giá trị tối đa cho phép đối với việc bổ sung Zn vào đất là 250 mg Zn/1g đất, nếu trƣớc đó chƣa có sự bổ sung nào và nếu pH đất đƣợc duy trì ≥6,5 (Greeland và Hayes, 1981). Các thí nghiệm nông hoá lâu dài nghiên cứu sự tích luỹ và chuyển hoá các kim loại nặng cho thấy việc sử dụng phân khoáng một cách có hệ thống có xu hƣớng tích luỹ kim loại nặng trong đất. Đặc tính này đƣợc biểu hiện rõ nhất đối với hàm lƣợng Cd trong đất. Trong bùn thải có chứa đến gần 50% chất hữu cơ và nhiều chất dinh dƣỡng khác nhƣ N (1-7%), lân (1-5% P2O5), kali (0,1-3% K2O). Do vậy, bùn thải đƣợc xem là loại phân bón tốt, rẻ tiền. Đồng thời, với đặc tính giải phóng chậm, hạn chế đƣợc đáng kể mất chất dinh dƣỡng do dòng chảy (thƣờng xảy ra với các loại phân bón hoá học) nên bùn thải có vai trò quan trọng trong sản xuất nông nghiệp ở một số nƣớc trên thế giới. Tuy nhiên, hiện nay việc sử dụng bùn thải làm phân bón trong nông nghiệp đã giảm đáng kể do sự có mặt của các kim loại nặng với hàm lƣợng cao trong bùn thải... Do đó, giải pháp tốt nhất là ngăn chặn ngay từ đầu sự nhiễm bẩn đất bởi các kim loại nặng thông qua việc thiết lập giới hạn cho phép đối với hàm lƣợng các kim loại nặng trong bùn thải dùng trong nông nghiệp. 1.2.1.3. Nguồn gốc phát tán kim loại nặng trong trầm tích sông hồ Trầm tích là các vật chất tự nhiên bị phá vỡ bởi các quá trình xói mòn hoặc do thời tiết, sau đó đƣợc các dòng chảy chất lỏng vận chuyển đi và cuối cùng đƣợc tích tụ thành lớp trên bề mặt hoặc đáy của một khu vực chứa nƣớc nhƣ biển, hồ, sông, suối. Quá trình trầm tích là một quá trình tích tụ và hình thành các chất cặn lơ lửng để tạo nên các 20