Luận văn Thạc sĩ: nghiên cứu sự phân bố asen trong nước ngầm và trầm tích

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sự phân bố asen trong nước ngầm và trầm tích tại khu vực tây bắc hà nội cho giáo dục đào tạo chuyên nghiệp

• Tác giả: Vũ Thị Duyên
• Người hướng dẫn: GS. Phạm Hùng Việt
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu sự phân bố hàm lượng asen trong nước ngầm và trầm tích tại khu vực Tây Bắc Hà Nội
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về ô nhiễm asen trong nước ngầm

Ô nhiễm asen trong nước ngầm là một vấn đề môi trường nghiêm trọng trên toàn cầu, đặc biệt tại các vùng đồng bằng bồi tích Đông Nam Á. Asen là một nguyên tố độc hại có khả năng tích tụ trong cơ thể người, gây ra các bệnh lý nguy hiểm như ung thư, bệnh tim mạch và các rối loạn thần kinh. Tại Việt Nam, khu vực Tây Bắc Hà Nội là một trong những địa điểm có nồng độ asen cao trong nước ngầm, ảnh hưởng đến sức khỏe của hàng triệu dân cư. Nghiên cứu sự phân bố asen trong nước ngầm và trầm tích giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nguồn gốc và cơ chế hình thành ô nhiễm, từ đó đưa ra các giải pháp xử lý hiệu quả.

1.1. Ô nhiễm asen trên thế giới

Ô nhiễm asen được ghi nhận ở hơn 70 quốc gia trên toàn thế giới, với hàng triệu người tiếp xúc hàng ngày. Các khu vực đặc biệt bị ảnh hưởng bao gồm Bangladesh, Ấn Độ, Pakistan, Indonesia, Thái Lan và Việt Nam. WHO đã cảnh báo về tác hại của asen đối với sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là ở những vùng sử dụng nước ngầm làm nguồn nước sinh hoạt chính.

1.2. Tình hình ô nhiễm asen tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nước ngầm nhiễm asen chủ yếu tập trung ở vùng Đông Nam Bộ và khu vực Hà Nội. Nồng độ asen vượt quá tiêu chuẩn QCVN (10 μg/L) ở nhiều địa điểm, gây nguy hiểm cho sức khỏe cộng đồng. Khu vực Tây Bắc Hà Nội có hàm lượng asen cao, yêu cầu các biện pháp nghiên cứu và quản lý nước ngầm khẩn cấp.

II. Cơ chế giải phóng asen vào tầng chứa nước

Cơ chế giải phóng asen từ trầm tích vào nước ngầm là quá trình phức tạp, liên quan đến các phản ứng hóa học và điều kiện môi trường nước ngầm. Trong điều kiện khử (anaerobic), các khoáng sắt oxit như goethite và hematite bị oxi hóa, giải phóng asen hấp phụ vào dung dịch nước. Đồng thời, quá trình cạnh tranh vị trí hấp phụ giữa các anion như phosphate, bicarbonate và asen cũng đóng vai trò quan trọng. Ngoài ra, oxi hóa quặng pyrit trong điều kiện nước mặt có chứa oxi cũng là nguồn giải phóng asen đáng kể. Hiểu rõ các cơ chế này giúp dự báo và kiểm soát ô nhiễm asen trong nước ngầm hiệu quả hơn.

2.1. Giải phóng asen dưới điều kiện khử

Trong điều kiện anaerobic (môi trường khử), Fe(III) oxide được khử thành Fe(II), đồng thời giải phóng asen hấp phụ vào dung dịch nước. Quá trình này được gọi là sự khử Fe(III). Asen As(V) cũng được khử thành As(III) độc hơn, làm tăng nguy hiểm ô nhiễm nước ngầm.

2.2. Cạnh tranh hấp phụ và oxi hóa pyrit

Các anion như HCO3-, HPO42-, và SiO4 cạnh tranh với asen trên bề mặt khoáng sắt oxit, làm asen được giải phóng vào nước. Ngoài ra, oxi hóa pyrit trong điều kiện có oxi tạo ra H2SO4 và asen, là nguồn chính của ô nhiễm asen.

III. Phương pháp phân tích asen trong trầm tích

Để xác định sự phân bố asen trong trầm tích, các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp phân tích hiện đại và kỹ thuật chiết rỉa. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) và ICP (Inductively Coupled Plasma) là những công cụ chính để đo hàm lượng asen tổng số trong các mẫu trầm tích. Ngoài ra, phương pháp chiết tuần tự giúp xác định asen trên các pha khoáng khác nhau như sắt oxide, khoáng silicat và vật chất hữu cơ. Các phương pháp phân tích này cần được tiến hành trong các phòng thí nghiệm có tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của kết quả phân tích asen.

3.1. Phương pháp quang phổ AAS và ICP

Phương pháp AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) là kỹ thuật cơ bản để xác định nồng độ asen trong các mẫu hòa tan. ICP-MS cho phép phát hiện asen ở nồng độ rất thấp (ppb level). Cả hai phương pháp đều có LOQ (giới hạn định lượng) thấp và độ chính xác cao trong phân tích asen trong nước và trầm tích.

3.2. Phương pháp chiết tuần tự

Phương pháp chiết rỉa tuần tự cho phép xác định hàm lượng asen trên các pha khoáng khác nhau trong trầm tích. Các bước chiết khác nhau giúp tách biệt asen được hấp phụ trên sắt oxide, khoáng silicat và vật chất hữu cơ, từ đó hiểu rõ sự phân bố asen trong các pha khác nhau của trầm tích.

IV. Ý nghĩa và ứng dụng của nghiên cứu sự phân bố asen

Nghiên cứu sự phân bố asen trong nước ngầm và trầm tích tại Tây Bắc Hà Nội có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất lớn. Thông qua việc xác định hàm lượng asen, đặc điểm môi trường nước ngầm và mối tương quan giữa asen trong trầm tích và nước, các nhà khoa học có thể dự báo vùng nước ngầm bị ô nhiễm asen và đề xuất các giải pháp xử lý nước ngầm phù hợp. Kết quả nghiên cứu hỗ trợ quản lý tài nguyên nước, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững. Dự án hợp tác giữa GEUS, HUS, HUMG và hỗ trợ từ Liên minh Châu Âu tạo ra dữ liệu chất lượng cao để ứng dụng trong quản lý và xử lý ô nhiễm asen ở Việt Nam và các quốc gia Đông Nam Á.

4.1. Dự báo và quản lý ô nhiễm asen

Bằng cách xác định sự phân bố asen, các chuyên gia có thể dự báo các vùng nước ngầm nguy hiểm và áp dụng các biện pháp quản lý phù hợp. Dữ liệu về nồng độ asen, đặc điểm khó khăn và cơ chế giải phóng asen giúp lập kế hoạch cấp nước sạch cho cộng đồng, giảm tác hại của asen đến sức khỏe.

4.2. Giải pháp xử lý nước ngầm nhiễm asen

Hiểu biết sâu về cơ chế hình thành asen trong nước ngầm giúp phát triển công nghệ xử lý asen hiệu quả như bộ lọc sắt oxide, phương pháp bầu khí và các biện pháp hóa học khác. Việc xác định pha khoáng chứa asen trong trầm tích cũng hỗ trợ lựa chọn vật liệu hấp phụ tối ưu để loại bỏ asen khỏi nước ngầm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 – TỔNG QUAN Nước là nền tảng cho mọi sự sống trên trái đất, do đó việc đảm bảo rằng các nguồn nước uống không bị ô nhiễm bởi bất kì loại hóa chất hay vi sinh vật gây bệnh là cần thiết để bảo vệ sức khỏe con người. Một số yếu tố hoặc do môi trường tự nhiên hoặc do con người tác động có thể làm giảm chất lượng và tính sẵn có của nguồn nước. Asen là một nguyên tố độc hại, nó là một trong những nguồn gây ô nhiễm nước và nó thường tác động trực tiếp đến sức khỏe con người với hơn 100 triệu người trên toàn thế giới tiếp xúc với nước uống bị ô nhiễm As. Ô nhiễm asen trong nước ngầm trên thế giới và Việt Nam Ô nhiễm nguồn nước ngầm, bởi asen hiện nay vẫn là vấn đề môi trường được quan tâm đặc biệt trên toàn thế giới.

Nồng độ cao của As trong nước ngầm đã được ghi nhận ở nhiều quốc gia trên thế giới như Chile, Mexico, Trung Quốc, Argentina, một phần của USA, cũng như ở Tây Bengal (Ấn Độ), Bangladesh và Việt Nam, với ước tính khoảng 150 triệu người trên toàn thế giới bị ảnh hưởng. Asen được biết như là một chất gây ung thư nổi tiếng, là “vua của các chất độc”. Phơi nhiễm và hấp thụ As trong thời gian dài (5-10 năm) thông qua nước uống, thực phẩm có thể dẫn đến nhiễm độc mãn tính với As. Các biểu hiện bao gồm sừng hóa da, ung thư da, ung thư nội tạng (bàng quang, thận, phổi), các bệnh về mạch máu ở chân và bàn chân, có thể bị mắc chứng đái tháo đường, tăng huyết áp và rối loạn sinh sản.

Các khu vực có hàm lượng As cao trong nước ngầm như đã được báo cáo thường là các đồng bằng châu thổ lớn hoặc những lưu vực dọc theo các con sông lớn trên thế giới như: đồng bằng Paraiba do Sul ở Brazil, đồng bằng Bengal, đồng bằng sông Mekong – Campuchia, lưu vực sông Danube ở Hungary, lưu vực sông Hetao ở Mông Cổ, lưu vực sông Zenne ở Bỉ, hồ Tulare ở Mỹ… [42]. Do độc tính của asen kể cả ở liều lượng thấp đối với sức khỏe, nên asen đã được bổ sung vào danh sách các nguyên tố cần kiểm tra khi đánh giá chất lượng nước và Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã hạ mức nồng độ tiêu chuẩn của As trong nước ăn uống từ 50 µg/l xuống còn 10 µg/l. Với giới hạn nồng độ này, có tới hơn 100 triệu 3 người trên thế giới có nguy cơ bị phơi nhiễm asen, trong số đó có hơn 45 triệu người dân chủ yếu là ở các nước đang phát triển có nguy cơ phơi nhiễm với nước ngầm có nồng độ As vượt quá 50 µg/l [42]. Ô nhiễm asen trên thế giới Ô nhiễm asen trong nước ngầm không còn là vấn đề mới, nó đã được phát hiện và báo cáo ở hơn 70 quốc gia trên thế giới với khoảng nồng độ biến đổi khá rộng từ nhỏ hơn 0,5 đến 5000 µg/l.

Trong đó trường hợp ô nhiễm asen nghiêm trọng nhất là ở các tầng chứa nước thuộc các nước Argentina, Mexico, Chile, Hungary, Bangladesh, Ấn Độ (Tây Bengal), Đài Loan, Việt Nam, một số khu vực của Mỹ đặc biệt là khu vực phía Tây Nam (Hình 1. Bản đồ sự phân bố ô nhiễm As trên thế giới [43] Hầu hết các khu vực bị ô nhiễm được đánh dấu chủ yếu bởi trầm tích Đệ Tứ (ít hơn 1,75 triệu năm tuổi), theo ghi nhận của Smedley và Kinninburgh (2002) thì các khu vực này có thể được phân chia dựa trên cơ sở tính tương đồng về địa mạo và địa chất. Ví dụ, tại Châu Á, hầu hết các khu vực bị ảnh hưởng thường là các vùng ngập lụt và đồng bằng châu thổ được bồi đắp bởi các con sông lớn bắt nguồn từ dãy 4 Himalaya như hệ thống sông Ganges-Brahmaputra-Meghna ở Ấn Độ và Bangladesh, đồng bằng Indus ở Pakistan, vùng châu thổ Irrawaddy ở Myanmar, vùng châu thổ sông Hồng ở Việt Nam và vùng châu thổ sông Mekong ở Lào và Campuchia. Một số vùng bị ô nhiễm khác xảy ra ở khu vực khô hạn và bán khô hạn như Nội Mông (Trung Quốc), sa mạc Atacma ở miền Bắc Chile, và Nevada ở Mỹ.

Asen trong các nguồn nước địa nhiệt và đá mắcma cũng đã được báo cáo ở một số khu vực như tầng chứa nước Chaco-Pampean ở Argentina, một số suối nước nóng ở Nhật Bản, New Zealand, Chile, Kamchatka, Iceland, Pháp, Dominica, và ở California, Nevada và công viên quốc gia Yellowstone, Mỹ [27]. Hiện nay, hầu hết các tầng chứa nước bị ô nhiễm As ở các vùng đồng bằng châu thổ Đệ Tứ được cho là có chứa As vận động dưới điều kiện thiếu khí bởi hoạt động của các loại vi khuẩn, và được thúc đẩy bởi nồng độ các hợp chất hữu cơ tự nhiên - NOM (natural organic matter) cao. As thường liên kết cùng với (oxyhydr)oxit kim loại đặc biệt là Fe và được giải phóng nhờ quá trình khử hòa tan các oxit này. Ví dụ điển hình nhất là vùng châu thổ Bengal, với nồng độ As cao nhất trong trầm tích Holocene (ít hơn 11500 tuổi), trong khi tầng chứa nước Pleistocene nằm thấp hơn (11500-1,75 triệu năm tuổi) có nồng độ As rất thấp.

Điều kiện tương tự cũng tìm thấy ở Campuchia, Việt Nam, Myanmar và một số nơi khác. Trong số các quốc gia phát hiện thấy ô nhiễm As trong các tầng chứa nước thì vùng châu thổ Bangladesh và Tây Bengal có mức độ nghiêm trọng nhất và nó được coi là trường hợp nhiễm độc As lớn nhất trong lịch sử, với hàng triệu người bị phơi nhiễm [15]. Nồng độ As trong nước ngầm ở những khu vực bị ảnh hưởng nằm trong khoảng <0,5 µg/l đến 3200 µg/l. Trong đó có khoảng 27% số giếng với độ sâu nông (<150m) ở Bangladesh có nồng độ As lớn hơn 50 µg/l.

Vùng bị ảnh hưởng xấu nhất là Đông Nam Bangladesh (Hình 1.2), nơi có một vài huyện có hơn 90% số giếng bị ô nhiễm. Vấn đề sức khỏe có liên quan đến As lần đầu tiên được xác định ở Tây Bengal vào những năm 1980, nhưng mãi tới năm 1993 những chuẩn đoán đầu tiên tại Bangladesh mới được thực hiện. Ở Bangladesh có khoảng 30-35 triệu người và ở Tây 5 Bengal có tới 6 triệu người được đánh giá là bị phơi nhiễm với As trong nước uống có nồng độ cao lên tới 50 µg/l (Bảng 1.2 Bản đồ phân bố As trong nước ngầm ở giếng nông (<150m) tại Bangladesh [43] Tầng chứa nước bị ô nhiễm nhìn chung là tầng Holocene với độ sâu nông (nhỏ hơn 100-150m), với trầm tích bao gồm mica, bùn, cát, và đất sét được bồi tụ bởi hệ thống sông Ganges, Brahmaputra và Meghna [43]. Các giếng có độ sâu lớn hơn 150- 200m có nồng độ As rất thấp thường nhỏ hơn 0,5 µg/l.

Các giếng khai thác nước từ tầng chứa nước có trầm tích già Pleistocene của miền Barind và Madhupur thuộc miền trung và miền bắc Bangladesh cũng không gặp phải vấn đề ô nhiễm As (Hình 1. Ô nhiễm As trong nước ngầm ở Đài Loan được phát hiện trong những năm 1960 với nồng độ As cao được tìm thấy ở hai khu vực phía tây nam và đông bắc. Năm 1968, Kuo đã quan sát thấy nồng độ As trong nước ngầm ở phía tây nam Đài Loan nằm trong khoảng 10-1800 µg/l (trung bình 500 µg/l) với hơn một nửa số mẫu có nồng độ trong khoảng 400-700 µg/l. Một nghiên cứu rộng hơn được thực hiện bởi 6 Viện Vệ sinh Môi trường Đài Loan cho thấy có tới 119 thị trấn có nồng độ As trong nước ngầm đạt trên 50 µg/l và 58 thị trấn có nồng độ As lớn hơn 350 µg/l.

Ở phía đông bắc Đài Loan, Hsu và cộng sự (1997) đã tìm thấy nồng độ As trong nước ngầm vượt quá 600 µg/l (trung bình 135 µg/l) [43]. Vùng Nội Mông, Trung Quốc có nồng độ As vượt quá 50 µg/l cũng được phát hiện trong nước ngầm ở tầng chứa nước thuộc vùng Ba Men và đồng bằng Tumet bao gồm cả lưu vực Huhhot. Ở lưu vực Huhhot, ô nhiễm As được tìm thấy trong nước ngầm tầng Holocene có chứa phù sa và tầng chứa nước thuộc hồ dưới điều kiện khử mạnh và trường hợp xấu nhất thuộc vùng thấp trũng nhất nằm trong lưu vực. Nồng độ As trong nước ngầm ở đây lên tới 1500 µg/l, với tỉ lệ đáng kể là 60 – 90% As có mặt ở dạng As(III) [43].

Nhóm tác giả Huaming Gou (2008) cũng thực hiện một nghiên cứu về ô nhiễm As ở vùng cao nguyên Nội Mông này cho thấy nồng độ As trong tầng chứa nước nông ở lưu vực Hetao nằm trong khoảng 0,6-572 µg/l. Trong đó, nước ngầm giàu As nhìn chung chỉ xuất hiện ở các tầng có trầm tích sông hồ với chủ yếu là cát đen hoặc xám đen đại diện cho môi trường khử. Và nghiên cứu này cũng chỉ ra dạng vô cơ của As(III) là chiếm chủ yếu, khoảng 75% tổng các dạng As [24]. Nồng độ As trong nước ngầm trên 50 µg/l đã được phát hiện liên quan tới trầm tích phù sa ở phía nam của Đại đồng bằng Hungari và một phần nước láng giềng Romalia (Hình 1.

Nồng độ As ở đây lên tới 150 µg/l (trung bình 32 µg/l) được phát hiện bởi Varsányi và cộng sự (1991). Khu vực này chứa chủ yếu là trầm tích Đệ Tứ với dạng nước thay đổi từ Ca-Mg-HCO 3 ở khu vực tầng nông đến dạng Na- HCO3 ở tầng sâu hơn. Nước ngầm có nồng độ As cao nhất nằm ở vùng thấp nhất của đồng bằng nơi có trầm tích ở dạng hạt mịn với nồng độ As lên tới 176 µg/l ở tầng chứa nước liên kết với Romalia [43]. Ngoài các trường hợp kể trên thì hiện tượng ô nhiễm As trong nước ngầm cũng được báo cáo ở nhiều nơi khác trên thế giới.

Một số trường hợp điển hình được liệt kê trong bảng 1. Tổng hợp một số khu vực trên thế giới có tầng chứa nước bị ảnh hưởng bởi As [27, 42, 43] Số dân bị phơi Vùng/Quốc gia nhiễm (người) Nồng độ As Loại tầng chứa nước Điều kiện nước ngầm (µg/l) Châu thổ Bengal, 35 triệu <0,5-2500 Bangladesh Trầm tích phù sa/châu thổ Khử mạnh, pH trung tính, độ kiềm cao Holocene giàu vật chất hữu cơ Châu thổ 6 triệu <1-3200 Bengal, Ấn Độ Oxi hóa, pH trung tính đến cao, chủ yếu Mexico 400 nghìn 8-620 Thuộc trầm tích núi lửa là As(V) Bắc Chile 500 nghìn 100-1000 Nhìn chung có điều kiện oxi hóa. Vùng Trầm tích Đệ tứ có nguồn gốc núi bán khô hạn có nồng độ B cao, nước lửa sông cũng có nồng độ As cao Nevada, USA - Lên tới 2600 Trầm tích Holocene hỗn hợp do Phần lớn điều kiện khử, một số pH cao.