CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về ô nhiễm đất và ô nhiễm kim loại nặng trong đất 1. Khái niệm về ô nhiễm đất Ô nhiễm đất được xem là tất cả các hiện tượng làm nhiễm bẩn môi trường đất bởi các tác nhân gây ô nhiễm.
Đất bị ô nhiễm có chứa một số độc tố, chất có hại cho cây trồng vượt quá nồng độ đã được quy định. Các nguồn chính gây ô nhiễm đất là: Các loại vi khuẩn, kí sinh trùng phát sinh do việc sản xuất chăn nuôi không hợp vệ sinh, dùng phân tươi bón cây.; các loại chất thải rắn, phóng xạ, chất dẻo, nilông, kim loại, amiăng phát sinh từ các nguồn thải công nghiệp đưa vào đất; các loại hoá chất độc hại sinh ra do sự phân huỷ các loại hoá chất sử dụng trong nông nghiệp, trong chiến tranh hoá học. ngấm vào đất, [19, 31]. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh của công nghiệp, tốc độ đô thị hóa diễn ra ngày càng nhanh, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, nguyên nhân là do khí thải từ các nhà máy, các xe cơ giới làm ô nhiễm bầu không khí, chất thải từ các nhà máy và khu dân cư đô thị làm ô nhiễm nguồn nước, không khí.
Khi nước bị ô nhiễm thì đất cũng bị ô nhiễm theo. Ô nhiễm đất còn dẫn đến ô nhiễm các môi trường khác như nước ngầm, nước mặt, không khí. Chất ô nhiễm có thể hoà tan, thấm xuống nước ngầm hoặc có thể bị dòng nước di chuyển đi nơi khác tạo nên sự ô nhiễm nước trên mặt đất. Gió thổi có thể chuyển chất ô nhiễm đi xa làm cho diện tích ô nhiễm mở rộng hơn.
Bởi vậy, khi đất ô nhiễm cũng có thể trở thành nguồn gây ô nhiễm đối với nước và không khí. Ô nhiễm đất không những làm giảm khả năng sản xuất của đất mà còn ảnh hưởng tới thực vật, động vật và người - một số nguyên tố vi lượng hoặc siêu vi lượng có tính độc hại tích lũy lại trong nông sản, đi vào chuỗi thức ăn gây tác hại nghiêm trọng đối với động vật và con người, [52, 112]. Chính vì sự nguy hại của ô nhiễm đất mà ngày càng có nhiều nghiên cứu về biện pháp quản lý, giảm thiểu, tiến đ ế n loại bỏ yếu tố ô nhiễm khỏi đất. Mỗi phương pháp xử lý ô nhiễm có ưu và nhược điểm riêng, tùy từng điều kiện cụ thể cũng như nguyên nhân gây nên ô nhiễm mà áp dụng cho phù hợp.
Như vậy, lựa 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chọn biện pháp xử lý ô nhiễm đất là bước đi quan trọng không chỉ với mục tiêu phục hồi các vùng đất đã bị ô nhiễm, mà còn đảm bảo nhiều lợi ích trên phương diện kinh tế, xã hội. Kim loại nặng và ô nhiễm kim loại nặng trong đất Thuật ngữ “Kim loại nặng” được từ điển hóa học định nghĩa là các kim loại có tỷ trọng lớn hơn 4,5 g/cm3. Trong tự nhiên có hơn 70 nguyên tố KLN. Đối với các nhà độc tố học, thuật ngữ “Kim loại nặng” chủ yếu dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề môi trường bao gồm: As, Cd, Pb, Cu, Zn, Hg, Ni, Mn, Cr.
Theo cơ quan thống kê các chất độc và bệnh Hoa Kỳ (ATSDR) và Cơ quan bảo vệ Môi trường của Mỹ (US EPA), trong số này, As, Cd, Pb, và Hg nằm trong nhóm 20 chất nguy hại hàng đầu [85]. Một số kim loại là thành phần thiết yếu của các enzym, protein hô hấp và trong các cấu trúc của cơ thể sinh vật, đó là các nguyên tố vi lượng như: Fe, Zn, Cu, Mn, Mo. Tuy nhiên, ở hàm lượng quá cao hay quá thấp của các nguyên tố cần thiết này đều là điều kiện bất lợi với cơ thể sinh vật. Sự tích tụ KLN trong môi trường đất, nước gây nguy hiểm cho sức khoẻ con người và các hệ sinh thái.
Theo nhiều nghiên cứu, tích tụ KLN trong cơ thể con người có thể gây ra một số rối loạn bao gồm các bệnh về tim mạch, ung thư, suy giảm nhận thức, thiếu máu mãn tính, tổn thương thận, hệ thần kinh, não, da và xương [93]. KLN tồn tại trong đất thông qua các quá trình tự nhiên và nhân tạo, gây ra nhiều tác động độc hại đối với hoạt động sinh học đất do đó ảnh hưởng không nhỏ đến các quá trình chuyển hóa trao đổi chất cũng như chức năng của hệ sinh thái [31]. Các dạng tồn tại của As, Cd, Pb, Hg trong đất và nước 1. As, Cd, Pb, Hg trong đất * Asen (As) trong đất Asen tồn tại dưới dạng hợp chất chủ yếu như arsenit (AsO43-) trong điều kiện ôxy hoá.
Chúng bị hấp phụ mạnh bởi các khoáng sét, sắt, mangan ôxyt hoặc hyđrôxyt và các chất hữu cơ. Trong các đất chua, As có nhiều ở dạng arsenit với sắt và nhôm (FeAsO4; AlAsO4). Ở các đất kiềm và đất cácbonat, Asen có nhiều ở dạng Ca3(AsO4)2. Asen có xu hướng được tích tụ trong quá trình phong hóa, trên mặt cắt 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com của vỏ phong hóa và trong đất As thường tồn tại ở phần trên (0 - 1,5m) do bị hấp phụ bởi vật liệu hữu cơ, keo hyđrôxyt sắt và sét.
Trong điều kiện khí hậu khô các hợp chất của As thường tồn tại dưới dạng ít linh động, còn trong điều kiện khí hậu ẩm ướt các hợp chất của asen sufua bị hòa tan và bị rửa trôi. Lượng As trong đất chuyển vào nước khoảng 5 - 10% tổng lượng As trong đất, [46, 66]. * Cadimi (Cd) trong đất Cadimi tồn tại ở dạng các hợp chất không tan như CdO, CdCO3, Cd3(PO4)2 trong điều kiện oxi hóa. Trong các điều kiện khử (Eh ≤ - 0,2V), Cd tồn tại nhiều dưới dạng CdS.
Trong các đất chua, Cd tồn tại ở dạng linh động hơn (Cd2+). Tuy nhiên, nếu đất có nhiều sắt, nhôm, mangan, chất hữu cơ thì Cd bị chúng liên kết làm giảm khả năng linh động của Cd. Thông thường Cd tồn tại trong đất ở dạng hấp phụ trao đổi chiếm 20 - 40%, dạng các hợp chất cacbonat là 20%, hidroxit và oxit là 20%. Phần liên kết với các hợp chất hữu cơ chiếm tỉ lệ nhỏ [61, 79].
* Chì (Pb) trong đất Chì (Pb) chủ yếu tồn tại ở dạng hóa trị 2 và được chia ra thành 10 dạng: hoà tan trong nước, trao đổi, cacbonat, dạng dễ khử, phức liên kết với chất hữu cơ, kết hợp với oxit Fe ở dạng vô định hình, kết hợp với oxit Fe ở dạng tinh thể, dạng sunfit và các dạng còn lại. Trạng thái tồn tại của Pb trong đất phụ thuộc rất nhiều vào pH của đất, khi pH đất thấp thì khả năng di động của Pb tăng và ngược lại khi pH đất cao thì Pb bị cố định dưới dạng kết tủa Pb(OH)2 [11]. * Thuỷ ngân (Hg) trong đất Thủy ngân (Hg) tồn tại dưới dạng nguyên tố, các hợp chất hữu cơ và vô cơ, phổ biến nhất là dạng nguyên tố (kim loại), Clorit thủy ngân và metyl thủy ngân. Thủy ngân hóa trị 1 và 2 là 2 dạng bền vững trong điều kiện oxi hóa.
Trong điều kiện khử, Hg vô cơ hoặc hữu cơ dễ dàng bị khử thành Hg nguyên tố, sau đó bị chuyển hóa thành dạng alkyl hóa. Hg hữu cơ và vô cơ có thể bị chuyển hóa thành dạng alkyl hóa dưới tác dụng của VSV, ví dụ như VSV khử lưu huỳnh và cũng có thể hình thành Hg nguyên tố khi metyl Hg bị demetyl hóa hoặc các hợp chất Hg2+ bị khử. Trong môi trường axit (pH<4), metyl Hg chiếm ưu thế trong khi ở môi trường kiềm chủ yếu tồn tại các hợp chất của HgS, [47]. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Các dạng tồn tại của As, Cd, Pb, Hg trong nước * Asen trong nước: Asen có mặt trong nước tự nhiên với nồng độ thấp, chỉ khoảng vài 1µg/L hoặc nhỏ hơn. Nồng độ asen trong nước biển ở khoảng 1 - 8µg/L, trong nước ngọt không ô nhiễm là 1 - 10µg/L và tăng cao đến 100 – 5.000µg/L tại những vùng có khoáng hóa sulfur và vùng mỏ. Trong nước, asen thường tồn tại ở dạng asenat (As(V)) hoặc asenit (As(III)). Hàm lượng asen trong nước ngầm thường là 1 - 2µg/L.
Ở những vùng có đá núi lửa và các cặn khoáng sulfur, hàm lượng asen đo được có khi cao hơn 3. Kết quả khảo sát chất lượng nước ngầm cho thấy các khu vực có tầng ngậm nước được phát hiện bị ô nhiễm asen với nồng độ trên 50µg/L như: Ấn Độ, Bangladesh, Nepal, Myanmar, Cambodia, Trung Quốc, Đài Loan, Việt Nam, Hungary, Rumania, Argentina, Chile, Mexico và nhiều vùng trên nước Mỹ. Từ những năm 1999 trở lại đây tại Việt Nam đã tiến hành những khảo sát về tình trạng ô nhiễm asen ở quy mô rộng hơn, mang tính hệ thống hơn. Kết quả cho thấy tình trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm ở Việt Nam được khẳng định là hiện thực và hiện tượng này tương đối phổ biến ở các vùng đồng bằng thuộc lưu vực 2 sông: sông Hồng và sông Mê Kông, [106].
* Cadimi trong nước: Cd tồn tại chủ yếu ở dạng hoá trị 2, rất dễ bị thuỷ phân trong môi trường kiềm. Ngoài dạng hợp chất vô cơ, Cd liên kết với các hợp chất hữu cơ đặc biệt là axit humic tạo thành phức chất có khả năng hấp phụ tốt trên các hạt sét, chiếm 60 - 75% nồng độ tổng số trong nước. Trong nước thiên nhiên, cadimi tồn tại chủ yếu hóa trị 2, gồm cả dạng các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Độ hòa tan của nó giảm khi tăng pH và độ kiềm [108].
* Chì trong nước: Chì (Pb) trong nước có 3 dạng tồn tại là hoà tan, lơ lửng ở dạng keo và phức chất. Trong môi trường nước, tính năng của hợp chất chì được xác định qua độ tan. Độ tan của chì phụ thuộc vào pH và các yếu tố như hàm lượng ion khác trong nước và điều kiện ôxy hoá khử. Trong nước mặt sử dụng cho nông nghiệp nếu pH = 7, Pb nằm dạng ở keo.
Nhờ tác dụng ngoại lực của chất hữu cơ mà các phức keo của chì ở 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dạng Pb(CH3)32+, Pb(CH3)4 và Pb(CH3)22+ thường lắng đọng ở bùn cặn đáy kênh mương, ruộng. Pb trong nước tự nhiên chủ yếu tồn tại dưới dạng hoá trị 2. Chì thường không hòa tan trong nước ở điều kiện bình thường. Tuy nhiên chì bị hòa tan trong nước dưới dạng PbCO3 hoặc Pb(CO3)22-.
Chì thường được bó chặt với sulphur trong sulphide (S2-), hoặc với phốt pho dạng PO43-, [113].