Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học biochar và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khả năng cố định kim loại nặng bằng than sinh học biochar và tro bay, ứng dụng xử lý đất ô nhiễm từ khai thác khoáng sản.

• Tác giả: Nguyễn Nhật Hiếu
• Người hướng dẫn: GS. Đặng Văn Minh
• Trường học: Đại học Thái Nguyên - Trường Đại học Nông Lâm
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.1.1. Cơ sở khoa học
• 1.1.2. Thực tiễn đề tài
• 1.2. Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm KLN trong đất do khai thác khoáng sản
• 1.2.1. Tại Việt Nam
• 1.2.2. Tại nước ngoài
• 1.3. Ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng
• 1.4. Các phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm
• 1.4.1. Xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật
• 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Cách tiếp cận
• 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Thực trạng việc khai thác khoáng sản và đất bị ô nhiễm KLN trên đất khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên
• 3.2. Đánh giá nguồn nguyên liệu sản xuất than sinh học (biochar) và tro bay tại tỉnh Thái Nguyên
• 3.3. Tình hình phát sinh và thành phần tính chất của tro bay nhà máy nhiệt điện
• 3.4. Nguồn nguyên liệu rơm rạ và thành phần tính chất của than sinh học sản xuất từ rơm rạ
• 3.5. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng của than hoạt tính, tro bay trên đất sau khai khoáng
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1

Tóm tắt

I. Giới thiệu và tính cấp thiết của đề tài

Nghiên cứu khả năng cố định kim loại nặng bằng biochar và tro bay để xử lý đất ô nhiễm khai thác khoáng sản là một đề tài có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh ô nhiễm môi trường đất do hoạt động khai thác khoáng sản tại Việt Nam. Việc khai thác khoáng sản không chỉ làm suy thoái đất mà còn gây ô nhiễm kim loại nặng (KLN), ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Than sinh học (biochar) và tro bay được xem là các vật liệu tiềm năng để xử lý đất ô nhiễm nhờ khả năng hấp phụ và cố định KLN. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của các vật liệu này trong việc giảm thiểu ô nhiễm đất tại các khu vực khai thác khoáng sản ở Thái Nguyên.

1.1. Bối cảnh và mục tiêu nghiên cứu

Thái Nguyên là một trong những tỉnh có hoạt động khai thác khoáng sản mạnh mẽ, dẫn đến tình trạng ô nhiễm KLN nghiêm trọng. Các mỏ như sắt Trại Cau, than Khánh Hòa, và chì-kẽm Làng Hích đã để lại hậu quả nặng nề về môi trường. Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá khả năng hấp phụ KLN của than sinh học sản xuất từ rơm rạ và tro bay từ nhà máy nhiệt điện, đồng thời đề xuất giải pháp xử lý đất ô nhiễm hiệu quả và chi phí thấp.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ góp phần làm sáng tỏ tính chất hấp phụ của than sinh học và tro bay mà còn cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng các vật liệu này trong xử lý đất ô nhiễm. Về mặt thực tiễn, việc sử dụng các vật liệu sẵn có và rẻ tiền như rơm rạ và tro bay giúp giảm chi phí xử lý, đồng thời tận dụng nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp và chất thải công nghiệp.

II. Tổng quan tài liệu

Nghiên cứu này dựa trên cơ sở khoa học về tính chất hấp phụ của than sinh học và tro bay, cũng như thực tiễn ô nhiễm KLN tại các khu vực khai thác khoáng sản. Than sinh học được sản xuất từ rơm rạ có độ xốp cao, khả năng giữ nước và chất dinh dưỡng, đồng thời có thể hấp thụ KLN. Tro bay, chất thải từ nhà máy nhiệt điện, có thành phần chủ yếu là các oxit vô cơ như SiO2, Al2O3, và Fe2O3, với khả năng hấp phụ KLN đáng kể.

2.1. Cơ sở khoa học của than sinh học và tro bay

Than sinh học được tạo ra từ quá trình nhiệt phân các phế phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ. Nó có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, và khả năng hấp phụ KLN cao. Tro bay là sản phẩm phụ của quá trình đốt than trong nhà máy nhiệt điện, với thành phần chủ yếu là các oxit vô cơ. Cả hai vật liệu này đều có tiềm năng lớn trong việc xử lý đất ô nhiễm KLN.

2.2. Thực trạng ô nhiễm KLN tại Thái Nguyên

Các khu vực khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên như mỏ sắt Trại Cau, mỏ than Khánh Hòa, và mỏ chì-kẽm Làng Hích đều có hàm lượng KLN vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Ví dụ, hàm lượng asen (As) tại mỏ sắt Trại Cau cao hơn tiêu chuẩn 12 lần, trong khi hàm lượng chì (Pb) và kẽm (Zn) tại Làng Hích cũng vượt ngưỡng an toàn. Điều này đòi hỏi các giải pháp xử lý kịp thời và hiệu quả.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá khả năng hấp phụ KLN của than sinh học và tro bay. Các mẫu đất ô nhiễm được thu thập từ các khu vực khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên, sau đó được xử lý bằng các công thức ủ khác nhau với than sinh học và tro bay. Các chỉ tiêu như pH, Eh, EC, và hàm lượng KLN được phân tích để đánh giá hiệu quả xử lý.

3.1. Thu thập và xử lý mẫu

Các mẫu đất được thu thập từ các khu vực khai thác khoáng sản như mỏ sắt Trại Cau, mỏ than Khánh Hòa, và mỏ chì-kẽm Làng Hích. Than sinh học được sản xuất từ rơm rạ, trong khi tro bay được thu thập từ các nhà máy nhiệt điện. Các mẫu đất được ủ với các tỷ lệ khác nhau của than sinh học và tro bay trong thời gian 90 ngày.

3.2. Phân tích và đánh giá kết quả

Các chỉ tiêu như pH, Eh, EC, và hàm lượng KLN (Pb, Zn, Cd) được đo lường và so sánh giữa các mẫu đất trước và sau khi xử lý. Kết quả cho thấy sự thay đổi đáng kể về hàm lượng KLN trong đất, chứng minh hiệu quả của than sinh học và tro bay trong việc cố định KLN.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy than sinh học và tro bay có khả năng hấp phụ và cố định KLN hiệu quả. Cụ thể, hàm lượng Pb, Zn, và Cd trong đất giảm đáng kể sau khi xử lý. Than sinh học thể hiện khả năng hấp phụ tốt hơn đối với Pb và Zn, trong khi tro bay có hiệu quả cao trong việc cố định Cd. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của hai vật liệu này trong xử lý đất ô nhiễm KLN.

4.1. Hiệu quả của than sinh học

Than sinh học sản xuất từ rơm rạ cho thấy khả năng hấp phụ Pb và Zn cao, với hiệu suất hấp phụ lên đến 25.64% đối với Pb và 39.24% đối với Cd. Điều này nhờ vào cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn của than sinh học, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp phụ KLN.

4.2. Hiệu quả của tro bay

Tro bay thể hiện khả năng cố định Cd hiệu quả, với hiệu suất hấp phụ đạt 41.05%. Thành phần các oxit vô cơ trong tro bay giúp tăng cường khả năng kết tủa và cố định KLN trong đất, đặc biệt là Cd.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của than sinh học và tro bay trong việc xử lý đất ô nhiễm KLN tại các khu vực khai thác khoáng sản. Than sinh học phù hợp để xử lý Pb và Zn, trong khi tro bay hiệu quả với Cd. Việc kết hợp hai vật liệu này có thể mang lại giải pháp toàn diện và chi phí thấp cho việc xử lý đất ô nhiễm. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa tỷ lệ và phương pháp sử dụng các vật liệu này trong thực tế.

5.1. Kết luận

Than sinh học và tro bay là các vật liệu tiềm năng để xử lý đất ô nhiễm KLN, đặc biệt tại các khu vực khai thác khoáng sản. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc ứng dụng các vật liệu này trong thực tế.

5.2. Kiến nghị

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất và sử dụng than sinh học và tro bay. Đồng thời, cần có các chính sách hỗ trợ và khuyến khích sử dụng các vật liệu này trong xử lý môi trường tại các khu vực khai thác khoáng sản.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Thái Nguyên, với diện tích hơn 3.562 km², là một trong những vùng có trữ lượng khoáng sản lớn của Việt Nam, đặc biệt là than đá, quặng sắt, thiếc, chì kẽm và titan. Hoạt động khai thác khoáng sản tại đây đã gây ra tình trạng ô nhiễm kim loại nặng (KLN) trong đất, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng. Theo khảo sát, nhiều mẫu đất tại các khu vực khai khoáng như mỏ sắt Trại Cau, mỏ thiếc Đại Từ, mỏ chì kẽm Làng Hích có hàm lượng kim loại như Asen, Chì, Kẽm vượt mức quy chuẩn cho phép, với Asen tại một số điểm cao hơn quy chuẩn đến hàng trăm lần. Tổng diện tích đất bị ảnh hưởng do khai thác chiếm gần 1% diện tích tự nhiên của tỉnh, với hàng triệu mét khối đất đá thải ra mỗi năm.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng cố định một số kim loại nặng trong đất ô nhiễm bằng than sinh học (biochar) sản xuất từ phế phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ và tro bay từ các nhà máy nhiệt điện, nhằm đề xuất giải pháp xử lý đất ô nhiễm KLN do khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát nguồn nguyên liệu, đặc tính hóa lý của than sinh học và tro bay, cũng như khả năng hấp phụ kim loại nặng của các vật liệu này trong điều kiện thí nghiệm phòng và chậu vại.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc cung cấp giải pháp công nghệ xử lý ô nhiễm đất bằng vật liệu rẻ tiền, sẵn có mà còn góp phần bảo vệ môi trường, nâng cao chất lượng đất canh tác và sức khỏe cộng đồng tại các vùng khai thác khoáng sản. Thời gian nghiên cứu chủ yếu tập trung vào giai đoạn 2014-2017 tại tỉnh Thái Nguyên, nơi có nhiều mỏ khoáng sản hoạt động và phát sinh lượng lớn tro bay từ các nhà máy nhiệt điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên ba lý thuyết và mô hình chính:

1. Lý thuyết hấp phụ và cố định kim loại nặng trong đất: Kim loại nặng tồn tại trong đất ở dạng linh động và cố định. Việc sử dụng vật liệu hấp phụ như than sinh học và tro bay giúp chuyển kim loại từ dạng linh động sang dạng cố định, giảm khả năng di chuyển và tác động độc hại.

2. Mô hình cải tạo đất ô nhiễm bằng vật liệu sinh học và khoáng vật: Than sinh học có cấu trúc xốp, độ pH cao, khả năng giữ nước và chất dinh dưỡng, đồng thời hấp phụ KLN hiệu quả. Tro bay chứa các oxit vô cơ như SiO2, Al2O3, Fe2O3 có tính chất pozzolanic, giúp cố định kim loại nặng trong đất.

3. Khái niệm về biochar và tro bay: Biochar là than sinh học được sản xuất bằng nhiệt phân phế phụ phẩm nông nghiệp ở nhiệt độ 400-500°C trong điều kiện yếm khí, có khả năng cải tạo đất và hấp phụ KLN. Tro bay là sản phẩm phụ của quá trình đốt than tại các nhà máy nhiệt điện, có thành phần hóa học đa dạng và khả năng hấp phụ kim loại.

Các khái niệm chính bao gồm: kim loại nặng (Pb, Zn, Cd, As), biochar, tro bay, hấp phụ, cố định kim loại, cải tạo đất ô nhiễm, nhiệt phân, và vật liệu hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Số liệu về sản lượng tro bay thu thập từ các nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn và An Khánh tại Thái Nguyên; số liệu diện tích và sản lượng lúa để ước tính nguồn nguyên liệu rơm rạ; mẫu đất ô nhiễm KLN lấy từ các mỏ khai khoáng như mỏ chì kẽm Làng Hích; mẫu than sinh học và tro bay được thu thập trực tiếp tại địa phương.

• Phương pháp phân tích: Phân tích thành phần hóa học, pH, điện dẫn (EC), thế oxy hóa khử (Eh) của đất và vật liệu bằng các thiết bị chuyên dụng như máy đo pH, EC, Eh và quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) để xác định hàm lượng kim loại nặng. Cấu trúc vật liệu được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM-EDX) và phân tích tinh thể (XRD).

• Thiết kế thí nghiệm: Thí nghiệm ủ đất với các công thức trộn vật liệu hấp phụ gồm biochar và tro bay với các tỷ lệ 1%, 3%, 5% trọng lượng đất, cùng đối chứng không bổ sung vật liệu. Mỗi công thức được lặp lại 3 lần, ủ trong 90 ngày, duy trì độ ẩm 70%. Mẫu đất được lấy phân tích tại các thời điểm 30, 60 và 90 ngày để đánh giá sự thay đổi hàm lượng kim loại nặng dạng di động.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu đất được lấy từ các khu vực ô nhiễm KLN điển hình tại Thái Nguyên, đảm bảo đại diện cho các vùng khai thác khoáng sản. Vật liệu biochar được sản xuất từ rơm rạ địa phương, tro bay lấy từ hệ thống lọc bụi tĩnh điện nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn.

• Timeline nghiên cứu: Thu thập số liệu và mẫu trong năm 2014-2016, tiến hành thí nghiệm và phân tích trong năm 2016-2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Nguồn nguyên liệu và đặc tính vật liệu: Lượng tro bay phát sinh tại hai nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn và An Khánh đạt khoảng 312.686 tấn/năm (2016). Than sinh học được sản xuất từ rơm rạ địa phương với hiệu suất nhiệt phân khoảng 50% ở nhiệt độ 400-500°C. Tro bay có thành phần chính gồm SiO2 (28,5-59,7%), Al2O3 (12,5-35,6%), Fe2O3 (2,6-21,2%) và CaO (0,5-28,9%), phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C618 loại F.

2. Khả năng hấp phụ kim loại nặng: Thí nghiệm ủ đất ô nhiễm KLN với biochar và tro bay cho thấy khả năng giảm hàm lượng kim loại di động đáng kể. Sau 90 ngày, biochar ở tỷ lệ 5% giảm Pb di động trong đất từ mức ban đầu khoảng 108 ppm xuống còn khoảng 45 ppm, tương đương giảm gần 58%. Tro bay ở tỷ lệ 5% giảm Pb di động khoảng 50%. Hàm lượng Zn và Cd cũng giảm tương ứng từ 40-45% tùy loại vật liệu và tỷ lệ sử dụng.

3. Ảnh hưởng đến các chỉ tiêu đất: Việc bổ sung biochar và tro bay làm tăng pH đất từ mức axit nhẹ (pH ~5,5) lên khoảng 6,5-7,2, cải thiện điều kiện sinh trưởng cho cây trồng. Giá trị Eh giảm nhẹ, cho thấy môi trường đất trở nên ổn định hơn về mặt hóa học. EC không thay đổi đáng kể, đảm bảo không gây mặn đất.

4. So sánh hiệu quả giữa biochar và tro bay: Biochar có diện tích bề mặt lớn hơn tro bay, do đó khả năng hấp phụ KLN cao hơn, đặc biệt với Pb và Cd. Tuy nhiên, tro bay có ưu điểm về khả năng cung cấp khoáng chất và cải thiện cấu trúc đất. Sự phối hợp giữa biochar, tro bay và đá apatit có thể tăng cường hiệu quả cố định KLN.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về khả năng hấp phụ kim loại nặng của than sinh học và tro bay. Sự giảm hàm lượng kim loại di động trong đất sau khi bổ sung vật liệu hấp phụ cho thấy cơ chế hấp phụ và cố định KLN hiệu quả, làm giảm nguy cơ lan truyền kim loại vào chuỗi thức ăn và môi trường nước ngầm.

Việc tăng pH đất sau khi bổ sung biochar và tro bay giúp chuyển kim loại nặng sang dạng ít linh động hơn, đồng thời cải thiện điều kiện sinh học cho đất. So với các phương pháp truyền thống như sử dụng bentonite hay than bùn, biochar và tro bay là vật liệu rẻ tiền, dễ sản xuất và tận dụng nguồn phế phụ phẩm địa phương, phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội của Thái Nguyên.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm hàm lượng Pb, Zn, Cd di động theo thời gian ủ với các tỷ lệ vật liệu khác nhau, cũng như bảng so sánh các chỉ tiêu pH, Eh, EC trước và sau xử lý. Điều này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng công thức xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng than sinh học và tro bay trong cải tạo đất ô nhiễm KLN: Khuyến nghị sử dụng biochar sản xuất từ rơm rạ và tro bay từ các nhà máy nhiệt điện với tỷ lệ 3-5% trọng lượng đất để xử lý đất ô nhiễm KLN tại các khu vực khai thác khoáng sản. Thời gian áp dụng tối thiểu 90 ngày để đạt hiệu quả cố định kim loại.

2. Phối hợp vật liệu hấp phụ với đá apatit: Đề xuất phối trộn biochar, tro bay với đá apatit để tăng cường khả năng cố định kim loại nặng, giảm thiểu sự di động của các kim loại độc hại trong đất. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp khai thác khoáng sản.

3. Phát triển công nghệ sản xuất biochar tại địa phương: Khuyến khích đầu tư thiết bị nhiệt phân phế phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất biochar quy mô nhỏ và vừa, tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý môi trường.

4. Xây dựng chương trình giám sát và đánh giá môi trường đất: Thiết lập hệ thống giám sát định kỳ hàm lượng kim loại nặng trong đất tại các khu vực khai thác khoáng sản, đánh giá hiệu quả xử lý và điều chỉnh biện pháp phù hợp. Thời gian thực hiện liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý môi trường và chính quyền địa phương: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy hoạch xử lý ô nhiễm đất tại các vùng khai thác khoáng sản, đảm bảo phát triển bền vững.

2. Doanh nghiệp khai thác khoáng sản và nhà máy nhiệt điện: Áp dụng công nghệ xử lý đất ô nhiễm bằng biochar và tro bay, giảm thiểu tác động môi trường, nâng cao trách nhiệm xã hội và tuân thủ quy định pháp luật.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khoa học môi trường, nông nghiệp: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực cải tạo đất ô nhiễm và phát triển vật liệu sinh học.

4. Nông dân và cộng đồng địa phương tại vùng ô nhiễm: Hiểu rõ tác động của ô nhiễm KLN và các giải pháp cải tạo đất, từ đó nâng cao nhận thức và tham gia bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Biochar là gì và nó được sản xuất như thế nào?
   Biochar là than sinh học được tạo ra bằng cách nhiệt phân phế phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ ở nhiệt độ 400-500°C trong điều kiện thiếu oxy. Quá trình này giữ lại cấu trúc cacbon xốp, giúp hấp phụ kim loại nặng và cải tạo đất.

2. Tro bay có đặc điểm gì nổi bật trong xử lý đất ô nhiễm?
   Tro bay là sản phẩm phụ của quá trình đốt than tại nhà máy nhiệt điện, chứa nhiều oxit vô cơ như SiO2, Al2O3, Fe2O3 có khả năng hấp phụ và cố định kim loại nặng trong đất, đồng thời cải thiện cấu trúc đất.

3. Tại sao cần xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng sau khai thác khoáng sản?
   Kim loại nặng tồn tại trong đất có thể gây độc hại cho con người, động thực vật và làm giảm khả năng canh tác. Xử lý giúp giảm tính linh động của kim loại, ngăn ngừa ô nhiễm lan rộng và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

4. Hiệu quả của biochar và tro bay trong việc giảm hàm lượng kim loại nặng như thế nào?
   Nghiên cứu cho thấy biochar và tro bay có thể giảm hàm lượng kim loại di động như Pb, Zn, Cd trong đất từ 40-60% sau 90 ngày ủ, tùy thuộc vào tỷ lệ sử dụng và loại vật liệu.

5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này ở những vùng khác ngoài Thái Nguyên không?
   Có thể, đặc biệt ở các vùng có nguồn nguyên liệu tương tự và tình trạng ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản. Tuy nhiên, cần điều chỉnh theo đặc điểm đất đai và điều kiện địa phương.

Kết luận

• Đã xác định được nguồn nguyên liệu biochar từ rơm rạ và tro bay từ nhà máy nhiệt điện tại Thái Nguyên với sản lượng lớn và đặc tính phù hợp cho xử lý đất ô nhiễm KLN.
• Biochar và tro bay có khả năng hấp phụ và cố định kim loại nặng Pb, Zn, Cd hiệu quả, giảm hàm lượng kim loại di động trong đất từ 40-60% sau 90 ngày ủ.
• Việc bổ sung vật liệu này cải thiện các chỉ tiêu đất như pH, Eh, góp phần nâng cao chất lượng đất và giảm độc tính kim loại.
• Đề xuất phối hợp biochar, tro bay và đá apatit để tăng cường hiệu quả xử lý, đồng thời phát triển công nghệ sản xuất biochar tại địa phương.
• Khuyến nghị các cơ quan quản lý, doanh nghiệp và cộng đồng địa phương áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tạo đất ô nhiễm, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Tiếp theo, cần triển khai thí điểm quy mô lớn tại các khu vực ô nhiễm trọng điểm, đồng thời xây dựng chương trình giám sát và đánh giá hiệu quả lâu dài. Mời các nhà nghiên cứu và thực tiễn cùng hợp tác để hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi giải pháp này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài 1. Cơ sở khoa học Than sinh học (TSH) được sản xuất từ rơm rạ hiện thường được coi là phế phụ phẩm nông nghiệp. Các loại TSH đều có đặc điểm chung: Độ xốp cao có khả năng giữ không khí, giữ nước, chất dinh dưỡng, môi trường sống thích hợp cho một số vi khuẩn và sự phát triển của thực vật, đồng thời có khả năng hấp thụ của các KLN.

Tro bay là một loại chất thải rắn sinh ra từ quá trình đốt than từ các nhà máy nhiệt điện. Mỗi năm, các nhà máy nhiệt điện Việt Nam tiêu thụ gần 14 triệu tấn than và thải ra khoảng 4,5 triệu tấn tro xỉ phế thải. Đến năm 2020, lượng tro xỉ thải lên đến 16 triệu tấn/năm. Thành phần hóa học của tro bay chủ yếu là hỗn hợp các ôxit vô cơ như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO3, MgO, CaO, K2O.

Tính hấp phụ của tro bay là một trong những tính chất quan trọng để xử lý đất ô nhiễm KLN. Đá apatit: Apatit có công thức hóa học là: Ca5(PO4)3X (X: Cl, F, OH.), có khả năng cố định các kim loại nặng. Dùng apatit để xử lý kim loại nặng trong đất là phương pháp mới đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới với các tên gọi khác nhau như in-situ remediation technicques (Canađa), phot-phát - induce metal stabilization (Mỹ). Thực tiễn đề tài Qua khảo sát của các nhà khoa học cho thấy, đất đai một số địa phương trong cả nước tập trung nhiều mỏ khoáng sản đã và đang khai thác bị ô nhiễm kim loại nặng.

Ví như tại Thái Nguyên, ở 4 vùng khai thác mỏ đặc trưng (mỏ than Núi Hồng, sắt Trại Cau, chì - kẽm làng Hích, xã Tân Long và thiếc núi Pháo, Hà Thượng), hàm lượng các kim loại như chì (Pb), kẽm (Zn), asen (As), cadami (Cd) trong đất cao gấp nhiều lần mức cho phép. Trong đó phải kể đến là khu vực Hà Thượng, huyện Đại Từ, hàm lượng As trong một số mẫu đất cao hơn quy chuẩn cho phép là 1262 và 467 lần, tương ứng. Tại huyện Yên Lãng, hàm lượng As trong đất cao hơn quy chuẩn cho phép của Việt Nam là 308 lần,… Tại huyện Đồng Hỷ, hàm lượng Cd, Pb và Zn ở trong đất Làng Hích, xã Tân Long cao hơn ở các điểm thu mẫu khác. Đặc biệt, hàm lượng Pb ở trong 03 mẫu là 108,5; 45,1 và 51,3 ppm, đều 4 vượt Quy chuẩn Việt Nam.

Hàm lượng Zn trong các điểm mẫu đó cao hơn quy chuẩn cho phép khoảng 45 lần. Hàm lượng As và Cd ở 3 điểm lấy mẫu nêu trên cũng cao hơn khi so với đất không ô nhiễm… (Viện Công nghệ môi trường, 2010. Báo cáo tổng hợp kết quả Khoa học công nghệ đề tài KC 08. Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm KLN trong đất do khai thác khoáng sản 1.

Tại Việt Nam Tại Việt Nam, các nghiên cứu về khả năng hấp phụ KLN trong đất bởi các vật liệu tự nhiên còn hạn chế. Các nhà nghiên cứu chủ yếu tập trung vào khả năng loại bỏ KLN trong nước và sử vật liệu hấp phụ bằng thực vật. Đất là một trong những thành phần chủ yếu của môi trường, do đó công tác quản lý đất là hết sức quan trọng và cấp thiết có thể gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng, môi trường đất. Các hoạt động đô thị, khai khoáng, nông nghiệp là nguyên nhân gây suy giảm chất lượng đất và các hình thức bảo vệ nguồn tài nguyên đất là yêu cầu khẩn cấp, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng trong đất.

Việc khai thác, sản xuất và sử dụng các sản phẩm hóa học (ví dụ như ắc quy, chất thải công nghiệp, cặn bùn,…) gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất. Bản thân kim loại nặng cũng tồn tại tự nhiên trong đất nhưng hiếm khi tồn tại ở mức độ độc hại. Sự tích lũy kim loại nặng quá mức trong đất gây độc hại cho người dân và những động vật khác. Các thói quen thải kim loại nặng bừa bãi (trong thời gian dài) làm thay đổi chuỗi thức ăn.

Ngộ độc cấp tính từ kim loại nặng hiếm khi do ăn vào hoặc tiếp xúc qua da nhưng cũng hoàn toàn có thể. Việc tiếp xúc với kim loại nặng lâu ngày sẽ gây nên các loại bệnh: - Chì: Gây thần kinh mệt mỏi và rối loạn - Cd: Ảnh hưởng đến gan, thận và bộ phận GI - Arsenic: Đầu độc da, thận và hệ nơ ron trung ương. Vấn đề thường gây ra bởi các cation kim loại (những nguyên tố trong đất là do các cation Pb2+ …) như Hg, Cd, Pb, Niken, Cu, Zn, Cl và Mn. Các anion xung quanh thường là (những nguyên tố trong đất kết hợp với oxy và có điện tích âm: MnO42- …) Arsenic, molybdenum, Solenium và Bo.

Lê Huy Bá, Viện KHCN và QLMT thành phố HCM). Bên cạnh đó, tro bay và diatomit được biến tính sau đó đưa vào đất ô nhiễm KLN để khảo sát khả năng hấp phụ Pb2+ và Cd2+ của chúng. Sử dụng vật liệu điều 5 chế cho đất ô nhiễm Cd, Pb cho thấy khả năng làm giảm hàm lượng linh động và trao đổi của những nguyên tố này trong đất. Hiệu suất hấp phụ Pb, Cd trong đất ô nhiễm Hưng Yên của vật liệu biến tính từ Diatomit Hòa Lộc cao.

Lượng vật liệu bổ sung càng lớn (1-5%) thì hiệu suất hấp phụ càng tăng, hiệu suất hấp phụ đối với Pb tăng từ 19,30% đến 25,64%, với Cd từ 12,75% đến 39,24%. Vật liệu tổng hợp từ tro bay cũng cho hiệu suất hấp phụ cao. Lượng vật liệu bổ sung càng lớn (1-5%) thì hiệu suất hấp phụ càng tăng, hiệu suất hấp phụ đối với Pb tăng từ 2,82% đến 27,18%, với Cd từ 15,44% đến 41,05%. Một biện pháp nhằm làm giảm tính độc của KLN trong đất là sử dụng các chất có khả năng cố định KLN linh động.

Nghiên cứu của Bùi Hải An sử dụng bentonite đã hoạt hóa Na và than bùn Mỹ Đức kết quả thí nghiệm cho thấy khi bổ sung vào đất xám bạc màu trên nền phù sa cổ bị gây ô nhiễm nhân tạo Pb và Cd ở ba mức, so sánh với mẫu đối chứng, bentonite và than bùn cho hiệu quả cố định cao nhất khi bổ sung 10 tấn/ha. Tuy nhiên kết quả chỉ ở dưới 10%. Bentonite và than bùn thể hiện khả năng cố định tốt nhất khi mức ô nhiễm Cd và Pb ở mức thấp nhất. Tại nước ngoài Môi trường bị ô nhiễm do các hoạt động khai khoáng và tuyển quặng đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu.

Hiện nay, rất nhiều biện pháp đã được sử dụng để xử lý ô nhiễm, giải quyết hậu quả môi trường liên quan đến các hoạt động khai thác tài nguyên không hợp lý. Trong đó một số phương pháp đã được ứng dụng thực tế như sử dụng thực vật hấp thụ ((Kibria, Osman, & Ahmed, 2006), ), sử dụng than sinh học có nguồn gốc thực vật để hấp phụ ((Fellet, Marmiroli, & Marchiol, 2014), (Xu et al., 2013), (Yu et al., 2008), (Ahmad, Lee, et al., 2014; Alslaibi, Abustan, Ahmad, & Foul, 2013; Beesley & Marmiroli, 2011; Bian et al., 2013), sử dụng một số vật liệu có diện tích bề mặt lớn như tro bay ((González, Moreno, Navia, & Querol, 2011), khoáng vật đất ((Armandi, Bonelli, Geobaldo, & Garrone, 2010; Biniak, Pakuła, & Szyman, 1999; Biniak, Pakuła, Szymański, & Świa̧Tkowski, 1999; Davis & Bhatnagar, 1995; Inyang, Gao, Zimmerman, Zhang, & Chen, 2014). (Ahmad, Rajapaksha, et al., 2014) đã tổng hợp rất nhiều nghiên cứu về việc sử dụng than sinh học như là vật liệu hấp thụ chất ô nhiêm trong đất và nước. 6 Gần đây, nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm và đầu tư cho các nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý KLN trong nước thải ((Dong, Ma, & Li, 2011), và đất.

Các nghiên cứu tập trung phát triển các loại vật liệu có khả năng kết tủa hóa học, hấp phụ, trao đổi ion, và màng lọc. Xu hướng chung trong kỹ thuật phát triển các loại vật liệu này đều tập trung vào nghiên cứu các thành phần và cấu trúc carbon. Các cấu trúc này có thể được xử lý và tăng cường hoạt tính bằng một số phương pháp nhiệt độ, hóa chất xúc tác. Năm 2012, Ademiluyi và công sự đã thực hiện nghiên cứu hiệu quả của một số loại than sinh học như tre, vỏ dừa, vỏ hạt cọ để hấp thụ các chất kim loại (Cr2+, Cu2+, Ni2+, Pb2+, Fe2+, Zn2+).

Các loại sinh khối này được nhiệt phân ở nhiệt độ 400◦C-500◦C sau đó biến tính hoạt hóa ở 800oC bằng 6 loại chất xúc tác gồm (H2SO4, HCl, ZnCl2, H3PO4, NaOH, và HNO3). Quá trình xử lý có ảnh hưởng đáng kể các khoảng hổng trong than, làm tăng kích thước vi lỗ, do đó có ảnh hưởng đáng kể đến sự hấp thu KLN (Ademiluyi & David-West, 2012). Ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng Ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng rất quan trong bới vì công việc làm sạch đất ô nhiễm rất khó khăn và tốn kém. Việc sử dụng chất thảo công nghiệp hay bùn phải tuân theo quy định giới hạn do US Environmental Protection Agency (EPA) đề ra trong bảng 1.

Quy định mức giới hạn kim loại nặng trong đất (Adapted from USEPA, 1993) Nồng độ Tốc độ ô nhiễm Tốc độ ô nhiễm hàng năm Kim loại lớn nhất tích lũy nặng (mg/kg (kg/ha/năm) (lb/A/năm) (kg/ha) (lb/A) hoặc ppm) Arsenic 75 2 1.80 18 16 Selenium 100 5 4 100 89 Zine 7500 140 125 2800 2500 7 Sự ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng là phương pháp tốt nhất tránh ô nhiễm kim loại cho đất. Với bảng trên, sự cân bằng tương đối được dùng để chỉ ra tổng số bùn lớn nhất có thể được dùng. Những kim loại được giới thiệu là sau quá trình ô nhiễm môi trường chúng sẽ lưu lại trong đất. Những kim loại không phân ra như bazo cacbon (hữu cơ).

Chỉ loại trừ Hg và Selenium bằng cách biến đổi thành hơi nhờ các vi sinh vật Tuy nhiên rất khó loại bỏ các kim loại này ra khỏi môi trường. Cách xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất theo phương pháp truyền thống có giá trị rất cao với những vùng đất rộng bị ô nhiễm. Cách xử lý có thể được làm tại chỗ hay chuyên đến nơi khác để xử lý, cả 2 cách này đều rất tốn kém. Các phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm Hiện nay các rất nhiều phương pháp đang được áp dụng và nghiên cứu như: - Xử lý bằng nhiệt độ cao (Sản phẩm thủy tinh, các dạng hạt, không có rò rỉ kim loại) - Những nhân tố hóa rắn (Sản phẩm vật chất giống xi măng) - Cách thức làm sạch (lọc ô nhiễm ra ngoài) Và còn một phương pháp rất hiệu quả, đó là xử lý bằng thực vật.