MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nƣớc có vai trò vô cùng quan trọng đối với con ngƣời và bất cứ sinh vật nào trên trái đất, tuy nhiên tài nguyên nƣớc trong đó có nƣớc dƣới đất không phải là vô tận. Những năm gần đây, nguồn tài nguyên nƣớc dƣới đất ở Việt Nam đang có xu hƣớng suy giảm cả về số lƣợng và chất lƣợng do ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu, các hoạt động của con ngƣời và hoạt động khai thác tài nguyên nƣớc. Sự suy giảm về chất lƣợng nƣớc dƣới đất ngày càng gia tăng cả về mức độ và quy mô, nhƣng việc kiểm soát vấn đề này lại ngày càng khó khăn.
Nguyên nhân gây ô nhiễm nƣớc dƣới đất có thể do tác động của sự phát triển công nghiệp, làng nghề cũng nhƣ sử dụng phân bón, hóa chất bảo vệ thực vật trong nông nghiệp, trong khi việc xử lý nguồn nƣớc thải hầu nhƣ không đƣợc chú trọng. Bên cạnh đó, quá trình khoáng hóa trầm tích do thay đổi môi trƣờng do khai thác nƣớc dƣới đất cũng là một nguyên nhân tiềm tàng. Hà Nam là tỉnh có địa hình trũng, có nhiều ao, hồ và các con sông nhƣ: Sông Đáy, sông Nhuệ, sông Sắt, sông Châu. chảy qua và là địa bàn có trữ lƣợng lớn về nguồn tài nguyên nƣớc dƣới đất.
Theo rất nhiều nghiên cứu những năm gần đây, do đặc tính tự nhiên, nƣớc dƣới đất khu vực đồng bằng sông Hồng đã bị ô nhiễm một số kim loại nặng nhƣ As, Mn và hợp chất của Nitơ (amoni) đặc biệt là các quận huyện khu vực phía nam Hà Nội, các tỉnh Hà Nam, Nam Định. Hiện nay, theo báo cáo hiện trạng môi trƣờng quốc gia, nguồn nƣớc dƣới đất đang có nguy cơ ô nhiễm cao. Khu vực Hà Nam, tại nhiều khu vực, nguồn nƣớc đã bị ô nhiễm một số hợp chất nhƣ amoni, nitrat, Asen. Vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc sẽ ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe con ngƣời và sự phát triển bền vững của đất nƣớc.
Do vậy, việc kiểm soát ô nhiễm nguồn nƣớc tại khu vực này đã và đang là một vấn đề cần đƣợc quan tâm của các nhà quản lý cũng nhƣ các nhà khoa học. Các thông tin khoa học về sự phân bố, nguồn gốc cũng nhƣ mức độ ô nhiễm sẽ giúp cho các cơ quan quản lý đƣa ra các biện pháp thích hợp để bảo vệ nguồn nƣớc mặt. Luan van 3 Từ những lý do trên, tôi quyết định chọn đề tài: “Đánh giá mức độ ô nhiễm và rủi ro môi trƣờng các hợp chất Nitơ trong nƣớc ngầm tại huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam” làm đề tài nghiên cứu cho luận văn cao học. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của Luận văn Mục tiêu nghiên cứu: - Đánh giá mức độ ô nhiễm và sự phân bố các dạng hợp chất Nitơ vô cơ trong nƣớc ngầm tại huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam - Đánh giá rủi ro môi trƣờng do sự có mặt của các hợp chất Nitơ vô cơ trong nƣớc ngầm tại khu vực nghiên cứu.
Nội dung nghiên cứu: - Nội dung 1: Tổng quan về các vấn đề liên quan đến đặc tính nƣớc dƣới đất tầng, điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của tỉnh Hà Nam và huyện Duy Tiên. + Thu thập số liệu về các hoạt động kinh tế - xã hội phát sinh nƣớc thải, chất thải rắn; + Thu thập số liệu về hoạt động kinh tế ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc nói chung và vấn đề ô nhiễm Nitơ nói riêng tại một số khu vực thuộc phạm vi nghiên cứu của đề tài; + Khảo sát thực tế để đánh giá tình hình sử dụng nƣớc dƣới đất tại địa phƣơng và đánh giá sơ bộ các tác động đến nguồn nƣớc dƣới đất. - Nội dung 2: Đánh giá hàm lƣợng các dạng hợp chất Nitơ vô cơ trong nƣớc dƣới đất tại huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam. + Khảo sát thực tế, lựa chọn địa điểm, lập kế hoạch lấy mẫu; + Lấy mẫu tại khu vực nghiên cứu các chỉ tiêu NO3-, NO2-, NH4+, Tổng Nitơ.
Dự kiến tiến hành lấy 01 đợt mẫu: gồm 30 mẫu nƣớc dƣới đất. + Xử lý, phân tích mẫu tại phòng thí nghiệm Luan van 4 - Nội dung 3: Đánh giá mức độ ô nhiễm và sự phân bố các dạng hợp chất Nitơ vô cơ trong nƣớc dƣới đất tại huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam + Xử lý số liệu, đánh giá mức độ ô nhiễm các hợp chất nghiên cứu; + Xây dựng bản đồ phân bố của các hợp chất nitơ vô cơ tại khu vực nghiên cứu. - Nội dung 4: Đánh giá rủi ro môi trƣờng do sự có mặt của các hợp chất Nitơ vô cơ trong nƣớc dƣới đất tại khu vực nghiên cứu. Luan van 5 CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về Nitơ và các hợp chất của nitơ 1. Nitơ và chu trình của nitơ trong tự nhiên a) Khái quát chung về nitơ Nitơ là nguyên tố thuộc nhóm VA của bảng tuần hoàn, có số hiệu nguyên tử là 7, nguyên tử khối là 14,01. Tại điều kiện bình thƣờng nitơ là một chất khí không màu, không mùi, không vị và trơ, không tham các phản ứng.
Trong khí quyển, nitơ chiếm khoảng 78,09% [1]. Nitơ sẽ hóa lỏng ở -196oC, hóa rắn ở -210oC, là một chất rất ít tan trong nƣớc. Nitơ có bảy mức oxi hóa là: -3, 0, +1, +2, +3, +4, +5, chỉ tham gia phản ứng ở nhiệt độ cao. Tùy thuộc vào sự thay đổi về số oxi hóa mà nitơ sẽ thể hiện tính khử hoặc tính oxi hóa.
Nitơ là một chất thƣờng đƣợc dùng để sản xuất các loại phân bón, hay là các hợp chất oxy hóa, hoặc là nhiên liệu lỏng cho các tên lửa. Nitơ phân tử sẽ sử dụng nhiều trong bảo quản để chống lại sự oxi hóa và là một trong những chất làm lạnh phổ biến. Nitơ cũng sẽ đƣợc sử dụng sản xuất linh kiện điện tử, hoặc sản xuất thép không gỉ, hoặc sử dụng để bơm vào lốp ô tô và máy bay,… Một phần lớn nitơ cũng đƣợc dùng để tổng hợp amoniac và từ đó sản xuất ra các loại phân đạm, axit nitric. Nitơ ở có khả năng làm cứng các mô ngay khi tiếp xúc ở dạng lỏng, cùng là tác nhân làm lạnh phổ biến.
Nitơ dạng lỏng thƣờng ứng dụng phổ để bảo quản thực phẩm, hay bảo quản mô, cơ thể con ngƣời, tế bào sống, trong y học… b) Chu trình của nitơ trong tự nhiên Nitơ trong môi trƣờng sẽ có thể tồn tại ở nhiều dạng hóa học khác nhau nhƣ Nitơ hữu cơ nhƣ amoni (NH4+), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), dinitơ oxit (N2O), nitric oxit (NO), hoặc nitơ vô cơ nhƣ khí nitơ (N2). Trong bầu khí quyển có tới 3,9 x 1015 tấn nitơ (chiếm khoảng 75% khối lƣợng không khí hoặc 78% so với thể tích không Luan van 6 khí). Chu trình nitơ trong tự nhiên đã đƣợc khép kín là nhờ vào quá trình cố định nitơ của chính nhóm vi sinh vật này. Vòng tuần Nitơ trong tự nhiên đã đƣợc tóm tắt bao gồm 6 quá trình: (1) Sự cố định N2 của vi sinh vật sống tự do hoặc vi sinh vật cộng sinh; (2) Quá trình đồng hóa nitơ của thực vật do sự tiêu thụ các dạng Nitơ; (3) Quá trình amon hoá; (4) Quá trình nitrat hoá; (5) Quá trình khử nitrat; (6) Quá trình amôn hoá kỵ khí.
Trong lớp đất mặt dày khoảng 30 cm bao quanh Trái Đất sẽ có khoảng 3 - 7,5 tỷ tấn nitơ mà phần lớn sẽ tồn tại trong các hợp chất hữu cơ. Qúa trình phân giải các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ dƣới tác dụng của vi sinh vật thành NH4+ hoặc NH3 là quá trình amon hóa. Vi sinh vật khi tham gia vào quá trình này đƣợc gọi là vi sinh vật amon. Các phản ứng chính diễn ra trong chu trình tuần hoàn của Nitơ bao gồm: + Phản ứng cố định nitơ : 3(CH2O) 2N2 3H2O 4H VKPhizobium 3CO2 4NH4 + Phản ứng nitrat hóa NH3: NH4 32 O2 VKNitromonas NO2 H2O H NO2 12 O2 VKNitrobacter NO3 + Phản ứng khử nitrat thành NO2-: 2NO3 C(H2O) VK 2NO2 H2O CO2 + Phản ứng khử NO3-, NO2- thành N2: 4NO3- + 5C(H2O) + 4H+ 2N2↑ + 5CO2 + 7H2O VSV Hình dƣới đây thể hiện chu trình tuần hoàn của Nitơ trong tự nhiên [2]: Luan van 7 Hình 1-1.
Chu trình tuần hoàn của Nitơ trong tự nhiên Nguồn: Giáo trình Sinh học đại cương, Nguyễn Như Huyền, 2005. Các hợp chất nitơ vô cơ và nguồn phát sinh trong môi trường Các dạng hợp chất nitơ vô cơ chủ yếu trong nƣớc là amoni (NH4+), nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-).Trong môi trƣờng đất, amon chỉ tồn tại rất ngắn trong đất và dễ dàng chuyển thành amoni (NH4+), rồi tiếp tục chuyển hóa thành nitrit (NO2-) và sau đó sẽ thành nitrat nếu ở điều kiện môi trƣờng thích hợp. Amoni (NH4+) và nitrat (NO3-) có khả năng hòa tan và chuyển động cùng với nƣớc vì vậy dễ sẽ thấm sâu vào trong đất và đi vào nguồn nƣớc dƣới đất. Hợp chất nitơ vô cơ phổ biến nhất trong nƣớc dƣới dƣới đất có thể kể đến là amoni.
Amoni thƣờng chuyển hóa thành nitrat dƣới tác dụng của vi sinh vật trong quá trình nitrat hóa. Amoni có mặt trong nƣớc dƣới đất là kết quả chính của quá trình phân huỷ yếm khí các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên và do các nguồn thải hữu cơ phát sinh từ các hoạt động của con ngƣời. Ngoài ra, amoni còn xuất hiện từ các nguồn gốc tự sinh, tức là đã có sẵn ngay tại nguồn mà không phải do từ nơi khác xâm nhập vào mà là bản thân nguồn nƣớc dƣới đất đã bị nhiễm bẩn trƣớc đó từ quá trình trầm tích nguyên thủy đã có sự phân hủy các hợp chất hữu cơ tại chỗ [3]. Luan van 8 Hợp chất nitơ vô cơ thứ hai thƣờng có mặt trong nƣớc dƣới đất là nitrit - một dạng trung gian của quá trình nirat hóa (nitrification).
Nitrit thƣờng có hàm lƣợng cao trong đất nhƣng hàm lƣợng lại rất thấp trong môi trƣờng nƣớc. Hợp chất nitơ vô cơ thứ ba là nitrat, một dạng điển hình, khá phổ biến và là chất có thể chuyển động cùng với nƣớc. Nitrat là chất có hàm lƣợng đáng kể trong môi trƣờng đất, còn trong môi trƣờng nƣớc, hàm lƣợng của nó phụ thuộc vào điều kiện của môi trƣờng (Eh, pH). Nitrat và nitrit xuất hiện trong nƣớc dƣới đất là do quá trình nhƣ sử dụng phân bón quá nhiều trong nông nghiệp, do nƣớc thải từ bể phốt hoặc từ các hệ thống xử lý nƣớc thải, chất thải động vật, chất thải công nghiệp hoặc từ ngành công nghiệp chế biến thực phẩm.