Tổng quan luận án

Tình trạng gia tăng dân số, tốc độ đô thị hóa nhanh và sự suy giảm trữ lượng các nguồn nước ngầm đang tạo ra áp lực lớn đối với an ninh tài nguyên nước tại nhiều quốc gia. Để giảm tải áp lực khai thác nước sạch và hướng đến phát triển bền vững, giải pháp tái sử dụng nước thải đô thị cho các hoạt động nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản đã được áp dụng rộng rãi tại nhiều nước đang phát triển, đặc biệt ở các vùng ngoại vi đô thị lớn như khu vực Đông Nam Á (Nguyễn Hoàng Anh, 2010). Tại Hà Nội, việc dẫn nước thải đô thị từ hệ thống sông thoát nước vào các ao, đầm nuôi cá giúp người nuôi tiết kiệm từ một phần đến toàn bộ chi phí thức ăn nhờ lượng chất hữu cơ và dinh dưỡng dư thừa, đồng thời hỗ trợ cải thiện sinh kế của các hộ nuôi trồng.

Tuy nhiên, nguồn nước cấp cho các ao nuôi cá vùng ngoại thành Hà Nội (đặc biệt tại quận Hoàng Mai và huyện Thanh Trì) được lấy trực tiếp từ các sông thoát nước chính như sông Tô Lịch, Kim Ngưu, Sét và Lừ. Hệ thống này tiếp nhận hỗn hợp nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện và nước thải công nghiệp từ hàng loạt cơ sở sản xuất vừa và nhỏ chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa đạt quy chuẩn (CEETIA, 2005; Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, 2006). Nguồn nước này mang theo các chất ô nhiễm khó phân hủy sinh học và có độc tính cao, nổi bật là các kim loại nặng và á kim như asen (As) và cadimi (Cd). Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào các thông số dinh dưỡng và vi sinh vật, chưa đánh giá đầy đủ về dạng tồn tại hóa lý, quy luật phân bố của As và Cd trong các hợp phần môi trường ao nuôi (nước, trầm tích, cá, rau muống), cũng như chưa định lượng mức độ rủi ro sinh thái và rủi ro sức khỏe con người khi tiêu thụ các sản phẩm này qua chuỗi thức ăn (Järup L, 2003; Craggs, 2005).

Nhằm giải quyết khoảng trống nghiên cứu trên, đề tài luận án tiến sĩ khoa học môi trường của nghiên cứu sinh Lê Thái Hà được thực hiện với các mục tiêu, nội dung và phạm vi cụ thể như sau:

Mục tiêu nghiên cứu: Đánh giá nguồn, sự phân bố và dạng tồn tại chủ yếu của As và Cd trong hệ thống ao nuôi cá sử dụng nước thải đô thị và đánh giá lượng hóa rủi ro đối với hệ sinh thái ao nuôi và sức khỏe con người, từ đó làm cơ sở cho nghiên cứu, đề xuất sử dụng hiệu quả nước thải đô thị đảm bảo an toàn cho thủy sinh vật, người tiêu thụ sản phẩm.

Nội dung nghiên cứu:

  • (1) Nghiên cứu hiện trạng sử dụng nước thải đô thị để nuôi cá tại Hà Nội, tập trung vào khu vực nghiên cứu là quận Hoàng Mai và huyện Thanh Trì.
  • (2) Nghiên cứu sự phân bố và dạng tồn tại của As và Cd trong các ao nuôi cá có sử dụng nước thải đô thị trên cơ sở xem xét hình thái tồn tại, mức ô nhiễm và phân bố các dạng tồn tại của As và Cd trong mẫu nước, trầm tích và thủy sinh (cá, rau) của hệ ao nuôi cá sử dụng nước thải đô thị.
  • (3) Đánh giá nguy cơ, rủi ro của As và Cd đối với hệ sinh thái ao nuôi cá và sức khỏe con người dựa trên dạng, nồng độ, sự phân bố trong nước, trầm tích và các thủy sinh vật (cá, rau) khi đi vào cơ thể con người qua chuỗi thức ăn.
  • (4) Đề xuất các giải pháp sử dụng hiệu quả nước thải đô thị, đảm bảo an toàn cho thủy sinh vật và người tiêu dùng khi sử dụng sản phẩm cá nuôi.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thành phần của As và Cd trong nước thải đô thị hệ thống sông Tô Lịch sử dụng trong nuôi thả cá; sự phân bố, tích lũy sinh học của As và Cd trong thủy sinh vật (cá, rau muống); nguy cơ và rủi ro đối với hệ sinh thái ao nuôi và sức khỏe con người.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm tại 01 ao nuôi cá sử dụng nước thải đô thị tại quận Hoàng Mai (Hà Nội) và 01 ao nuôi cá đối chứng không sử dụng nước thải tại huyện Đông Anh (Hà Nội); đồng thời khảo sát nguồn thải công nghiệp xả vào sông Tô Lịch và sông Kim Ngưu.
  • Phạm vi thời gian: Thu thập mẫu và đánh giá theo 2 đợt lấy mẫu thực nghiệm trong giai đoạn hoàn thành công trình luận án (năm 2017), gắn liền với dự án "Thử nghiệm xây dựng kế hoạch vệ sinh an toàn cho công ty thoát nước Hà Nội" do Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) tài trợ.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Theo các tài liệu quốc tế được luận án tổng quan, việc tái sử dụng nước thải trong nông nghiệp đã bắt đầu từ cuối thế kỷ 19 tại Úc, Pháp, Đức, Mỹ và ngày càng phát triển nhằm ứng phó với khủng hoảng nước ngọt toàn cầu (UNESCO, 2012; UNICEF và WHO, 2015). Henze và Comeau (2008), Metcalf và Eddy (2003) phân tích thành phần nước thải đô thị gồm khoảng 48% chất vô cơ và 52% chất hữu cơ cùng nhiều chủng vi sinh vật và kim loại nặng. Shilton và Walmsley (2005) đã công bố nồng độ trung bình của các kim loại trong nước thải đô thị, trong đó Cd dao động từ 2,0 đến 280 mg/m³, Cr từ 1,0 đến 40 mg/m³, Cu từ 34 đến 1010 mg/m³, Pb từ 0,3 đến 400 mg/m³, Zn từ 210 đến 4360 mg/m³, Ni từ 1,0 đến 60 mg/m³. Amin và cộng sự (2013) ghi nhận nồng độ Cd trong nước thải đô thị khoảng 1,09–2,14 µg/L, Cu khoảng 0,16–0,33 mg/L, Pb khoảng 2,75–4,02 µg/L.

Về mô hình nuôi thủy sản bằng nước thải, Polprasert và Koottatep (2005), Polprasert (2007) phân loại các hệ thống thành hồ nuôi đơn và hồ nuôi ghép, trong đó hồ nuôi ghép chiếm ưu thế ở Đông Nam Á. Mara và cộng sự (2001) thử nghiệm mô hình hồ sinh học 1 ha thả cá mật độ 3 con/m², đạt sản lượng 13,5 tấn/ha/năm. Korn (1996) dẫn chứng các hệ thống nuôi cá bằng nước thải quy mô lớn tại Vũ Hán (Trung Quốc, bắt đầu từ năm 1951) và Calcutta (Ấn Độ, quy mô 3.000 ha, tiếp nhận 550.000 m³/ngày nước thải chưa xử lý, đạt sản lượng khoảng 13.000 tấn/năm).

Cơ chế chuyển hóa kim loại nặng trong ao hồ ổn định chất thải (WSP) được Craggs (2005) và Brookes (1995) hệ thống hóa qua 6 quá trình cơ bản:

  1. Lắng đọng: Phần lớn kim loại liên kết với các hạt rắn lơ lửng lắng xuống bùn đáy, dẫn đến nồng độ kim loại trong bùn đáy thường cao hơn nhiều so với trong nước.
  2. Hấp phụ: Các ion kim loại mang điện tích dương hấp phụ lên bề mặt tích điện âm của tế bào tảo và vi khuẩn.
  3. Tích lũy sinh học: Vi sinh vật và thực vật thủy sinh hấp thụ kim loại (Cu, Mn, Fe, Zn) phục vụ dinh dưỡng và tích lũy nồng độ cao trong sinh khối.
  4. Tạo phức: Tảo và vi khuẩn tiết phytochelatin, peptit, axit hữu cơ (Kaplan và cộng sự, 1987; Suffern và Fizgerald, 1981; Wong và Tam, 1984) để tạo phức chelate, làm giảm dạng ion tự do của kim loại.
  5. Kết tủa: Xảy ra dưới điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí; ở pH cao, cation kim loại kết hợp với hydroxit và phosphat tạo kết tủa khó tan (Foulkes, 1995; Kaplan và cộng sự, 1987).
  6. Giải hấp: Trong môi trường axit, kim loại kết tủa trong bùn đáy bị hòa tan trở lại pha nước thông qua cơ chế trao đổi ion với H+ (Chee-Sanford và cộng sự, 2009).

Tại Việt Nam, các nghiên cứu của Trần Quang Toàn và cộng sự (2003, 2006) chỉ ra khu vực quận Hoàng Mai và huyện Thanh Trì có khoảng 1.680 ha ao đầm nuôi cá bằng nước thải, cung cấp khoảng 57% sản lượng cá cho nội thành Hà Nội. Marcussen và Ingvertsen (2007) xác nhận hàm lượng Cd, As và Pb trong trầm tích sông Tô Lịch và Kim Ngưu vượt giới hạn QCVN 03:2008/BTNMT. Bùi Thị Hoa và cộng sự (2015) nghiên cứu sự phân bố As trong mô cá hồ Tây theo trật tự: gan > xương > thịt cá.

Nhóm nghiên cứu Địa bàn / Đối tượng Phát hiện chính liên quan đến As và Cd
Peter E và cộng sự (2009) Hồ Cheung Ek, Phnom Penh, Campuchia Nồng độ nguyên tố có độc tính cao (PTEs) trong nước đầu vào cao hơn đầu ra; nồng độ tích lũy cao ở gan và da cá.
Bùi Thị Hoa và cộng sự (2015) Hồ Tây, Hà Nội, Việt Nam Mức tích lũy As giảm dần từ gan, xương đến thịt cá; hàm lượng trong thịt vẫn nằm trong giới hạn QĐ 46/2007/BYT.
Aleksandra Miloškovic & Vladica Simic (2015) Cá rô, cá trê, cá măng, cá chép Hàm lượng As cao nhất được phát hiện trong mô gan cá rô (0,004 mg/kg).
Marcussen & Ingvertsen (2007) Trầm tích sông Tô Lịch và Kim Ngưu Tổng nồng độ As, Cd, Pb trong trầm tích vượt ngưỡng quy chuẩn đất QCVN 03:2008/BTNMT.
Trần Quang Toàn và cộng sự (2006) Nước sông Kim Ngưu (KU2, Mai Động, Lạc Trung) As trong nước sông dao động 0,0105–0,0146 µg/L; các kim loại chưa vượt ngưỡng QCVN 08:2015/BTNMT (A2).

Khoảng trống mà luận án lựa chọn giải quyết là đánh giá đồng bộ sự phân bố và chuyển hóa của As và Cd giữa 4 pha: nước (lọc, không lọc, chất rắn lơ lửng SPM), bùn đáy ao nuôi, sinh khối thực vật (rau muống: phần ăn được và không ăn được) và động vật thủy sinh (cá: phần thịt, da, xương, nội tạng); từ đó áp dụng các công thức đánh giá rủi ro sinh thái (EcoRA) và rủi ro sức khỏe (HRA) để định lượng tác động tại hệ thống ao nuôi dùng nước thải đô thị Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Chu trình và tính chất của Asen: Asen tồn tại ở các trạng thái hóa trị phổ biến là As(III) (arsenit) và As(V) (arsenat), cùng các dạng metyl hóa hữu cơ (MMA - axit monometyl asonic, DMA - axit dimetyl asonic, TMA - axit trimetyl asonic). As(III) có độc tính cao nhất và khả năng di động lớn. As có ái lực mạnh với nhóm sulfhydryl (-SH) của enzym, ức chế quá trình sinh hóa tế bào (Sandeep Kar và cộng sự, 2011).
  • Chu trình và tính chất của Cadimi: Cd tồn tại chủ yếu ở dạng ion Cd(II), phức hydrat, hoặc liên kết cacbonat, hydroxit, clorua và axit humic. Muối Cd(OH)₂ có tích số tan $T = 10^{-14}$. Cd có thời gian bán thải dài, tích lũy chủ yếu trong thận và xương của sinh vật và con người (WHO, 1992a,b; US-EPA, 2001).
  • Khung đánh giá rủi ro môi trường: Luận án áp dụng quy trình 4 bước theo hướng dẫn của US-EPA (1998), Casarett and Doull's (2001) và Lê Thị Hồng Trân (2008):
    1. Xác định mối nguy hại (Hazard Identification);
    2. Đánh giá phơi nhiễm (Exposure Assessment);
    3. Đánh giá liều – phản ứng (Dose-Response Assessment);
    4. Mô tả đặc tính rủi ro (Risk Characterization) và Quản lý rủi ro (Risk Management).

Phương pháp tính toán và các công thức đánh giá

  • Đánh giá rủi ro hệ sinh thái (EcoRA): Áp dụng phương pháp thương số rủi ro ($RQ$) theo European Chemicals Bureau (2003): $$RQ = \frac{MEC}{PNEC} \quad \text{hoặc} \quad RQ = \frac{PEC}{PNEC}$$ Phơi nhiễm cấp tính: $RQ = \frac{EEC}{LD_{50}}$; Phơi nhiễm mãn tính: $RQ = \frac{EEC}{NOAEL}$. Ngưỡng đánh giá rủi ro sinh thái:

    • $RQ < 0,01$: Rủi ro không đáng kể;
    • $0,01 \le RQ < 0,1$: Rủi ro thấp;
    • $0,1 \le RQ < 1$: Rủi ro trung bình;
    • $RQ \ge 1$: Rủi ro cao / đáng kể. Nồng độ dự báo không gây tác động ($PNEC$) được xác định từ $EC_{10}$, $LC_{50}$ hoặc $NOEC$ chia cho hệ số an toàn $AF$ ($AF = 1000$ cho thử nghiệm cấp tính; $AF = 1 - 100$ cho thử nghiệm mãn tính).

  • Hệ số tích lũy sinh học:

    • $BCF$ (Bioconcentration Factor - Chỉ số nồng độ sinh học): Tỷ lệ nồng độ kim loại trong sinh vật so với nồng độ trong nước.
    • $BAF$ (Bioaccumulation Factor - Chỉ số tích lũy sinh học): Tỷ lệ tích lũy tổng hợp từ mọi nguồn (nước, trầm tích, thức ăn).

  • Đánh giá rủi ro sức khỏe con người (HRA):

    • Lượng hấp thụ hàng ngày ước tính ($ADI$, mg/kg/ngày): $$ADI = \frac{C \times CR \times EF \times ED}{BW \times AT}$$ Trong đó: $C$ là nồng độ As/Cd trong mẫu; $CR$ là tốc độ tiêu thụ thực phẩm; $EF$ là tần suất phơi nhiễm; $ED$ là thời gian phơi nhiễm; $BW$ là trọng lượng cơ thể người lớn; $AT$ là thời gian phơi nhiễm trung bình.
    • Thương số rủi ro phi ung thư ($HQ$ - Hazard Quotient): $HQ = \frac{ADI}{RfD}$ ($RfD$ là liều tham chiếu).
    • Chỉ số rủi ro tổng hợp ($HI$ - Hazard Index): $HI = \sum HQ$. Nếu $HQ, HI > 1$, nguy cơ xuất hiện hiệu ứng bất lợi cho sức khỏe.
    • Rủi ro ung thư cả đời ($ILCR$ - Incremental Lifetime Cancer Risk): $ILCR = ADI \times SF$ ($SF$ là hệ số độ dốc gây ung thư).

Phương pháp thực nghiệm, thu thập và phân tích mẫu

  • Phân chia loại mẫu:
    • Mẫu nước: Mẫu nước sau lọc (pha hòa tan), mẫu nước chưa qua lọc (tổng số), và mẫu hạt rắn lơ lửng ($SPM$).
    • Mẫu bùn: Trầm tích đáy ao nuôi và ao đối chứng.
    • Mẫu cá: Tách riêng phần ăn được (thịt cá và da cá) và phần không ăn được (xương, nội tạng, đầu...).
    • Mẫu rau muống: Tách riêng phần ăn được (khoảng 30 cm tính từ ngọn, gồm lá và cuống non) và phần không ăn được (gốc, rễ và thân già bên dưới).
  • Thiết bị và xử lý mẫu: Mẫu được vô cơ hóa bằng axit tinh khiết trên hệ thống lò vi sóng đa tần Multiwave 3000 (Anton Paar) theo chương trình nhiệt độ và áp suất chuẩn hóa.
  • Kiểm soát chất lượng (QA/QC): Sử dụng mẫu chuẩn đối chứng được công nhận ($CRM$), mẫu trắng và mẫu lặp để kiểm tra độ thu hồi và độ chính xác phân tích tại Khoa Xét nghiệm và Phân tích, Viện Sức khỏe Nghề nghiệp và Môi trường (Bộ Y tế).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Hiện trạng sử dụng nước thải đô thị cho nuôi trồng thủy sản trên thế giới và Việt Nam

Chương 1 tổng quan về nhu cầu tái sử dụng nước thải đô thị do sức ép cạn kiệt tài nguyên nước (nông nghiệp chiếm tới 70–90% tổng nhu cầu nước toàn cầu). Tác giả tổng hợp các mô hình ao nuôi thủy sản bằng nước thải tại các nước như Ấn Độ (Calcutta), Trung Quốc (Vũ Hán), Campuchia (hồ Cheung Ek) và một số nước châu Âu, châu Mỹ. Các nghiên cứu quốc tế chỉ ra nước thải đô thị chứa nhiều kim loại nặng độc hại như Cd (2,0–280 mg/m³), Cr, Cu, Pb, Zn, Ni (Shilton và Walmsley, 2005). Chương này phân tích chi tiết 6 cơ chế chuyển hóa, loại bỏ kim loại nặng trong ao ổn định nước thải: lắng đọng trọng lực, hấp phụ tế bào, tích lũy sinh học qua chuỗi thức ăn, tạo phức phytochelatin, kết tủa vô cơ và giải hấp tái hòa tan khi pH giảm (Craggs, 2005; Brookes, 1995).

Đối với Việt Nam, chương 1 phản ánh hiện trạng hệ thống tiêu thoát nước Hà Nội qua 4 con sông (Tô Lịch, Kim Ngưu, Lừ, Sét) tiếp nhận khoảng 600.000 m³/ngày nước thải đô thị, trong đó 90% nước thải sản xuất, bệnh viện và dịch vụ chưa qua xử lý đạt chuẩn (Sở TNMT Hà Nội, 2016). Diện tích nuôi cá dùng nước thải tại quận Hoàng Mai và huyện Thanh Trì đạt khoảng 1.680 ha (Trần Quang Toàn, 2003). Bên cạnh lợi ích kinh tế, chương tổng quan nhấn mạnh tính cấp thiết của việc kiểm soát nguy cơ phơi nhiễm As và Cd mãn tính đối với sức khỏe cộng đồng qua đường tiêu hóa (ung thư da, ung thư phổi, tổn thương gan, thận và hệ thần kinh).

Chương 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết thiết kế nghiên cứu thực nghiệm so sánh giữa 01 ao nuôi cá tiếp nhận nước thải đô thị tại quận Hoàng Mai và 01 ao nuôi cá đối chứng không sử dụng nước thải tại huyện Đông Anh (Hà Nội). Luận án mô tả cụ thể:

  • Phương pháp khảo sát, lấy mẫu nguồn thải công nghiệp dọc lưu vực sông Tô Lịch và sông Kim Ngưu;
  • Quy trình lấy mẫu nước, bùn trầm tích, mẫu cá (phân tách thịt, da, xương, tạng) và mẫu rau muống (phân tách ngọn ăn được và rễ/gốc không ăn được);
  • Quy trình phân hủy mẫu bằng lò vi sóng đa tần Multiwave 3000 với hệ hóa chất axit tinh khiết và kiểm soát chất lượng bằng mẫu chuẩn CRM;
  • Phương pháp phân tích các dạng thành phần As, Cd trong mẫu lọc, không lọc và hạt lơ lửng $SPM$;
  • Hệ thống thông số đầu vào và công thức tính toán chỉ số rủi ro sinh thái $RQ$, hệ số tích lũy sinh học $BCF$, $BAF$, liều phơi nhiễm hàng ngày $ADI$, thương số rủi ro $HQ$, chỉ số $HI$ và rủi ro ung thư trọn đời $ILCR$ cho đối tượng người trưởng thành.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các số liệu thực nghiệm và kết quả tính toán chi tiết qua các nhóm nội dung chính:

  1. Khảo sát nguồn thải công nghiệp vào sông Tô Lịch và Kim Ngưu: Luận án xác định các cơ sở sản xuất thuộc ngành mạ, hóa chất, cơ khí, dệt nhuộm xả thải trực tiếp kim loại nặng vào lưu vực sông. Kết quả phân tích mẫu nước thải lọc và không lọc tại các cống xả chỉ ra nồng độ kim loại nặng phân bố ở cả dạng hòa tan và dạng hạt lơ lửng.

  2. Sự phân bố và dạng tồn tại của As và Cd trong ao nuôi:

  • Trong pha nước: Nồng độ As và Cd trong ao nuôi sử dụng nước thải cao hơn rõ rệt so với ao đối chứng Đông Anh. Tỷ lệ kim loại liên kết với hạt lơ lửng ($SPM$) chiếm tỷ trọng đáng kể ở mẫu nước chưa lọc.
  • Trong bùn đáy: Bùn trầm tích đáy ao nuôi tiếp nhận nước thải tích tụ lượng As và Cd cao nhất, đóng vai trò là bể chứa ô nhiễm chính thông qua quá trình lắng đọng.
  • Trong sinh khối cá và rau muống: Hàm lượng As và Cd ở phần không ăn được (nội tạng cá, rễ rau muống) cao hơn vượt trội so với phần ăn được (thịt cá, ngọn rau muống). Sự khác biệt về hàm lượng giữa 2 đợt lấy mẫu phản ánh tính biến động của tải lượng nước thải đầu vào.
Hợp phần môi trường nghiên cứu Dạng tồn tại / Bộ phận phân tích Đặc điểm phân bố và tích lũy ghi nhận
Nước ao nuôi Pha hòa tan (sau lọc) & Pha hạt ($SPM$) Nồng độ ở ao dùng nước thải cao hơn ao đối chứng; As và Cd tồn tại ở cả 2 pha.
Bùn đáy ao Trầm tích đáy ao Nồng độ As và Cd tích tụ lớn nhất trong toàn bộ hệ thống ao nuôi.
Mẫu cá Phần ăn được (thịt, da) Hàm lượng thấp hơn phần không ăn được, đáp ứng ngưỡng tiêu chuẩn an toàn thực phẩm.
Mẫu cá Phần không ăn được (xương, nội tạng) Tích lũy kim loại cao hơn nhiều lần so với phần cơ thịt.
Mẫu rau muống Phần ăn được (ngọn, lá non ~30cm) Nồng độ As và Cd thấp hơn phần rễ và cuống già.
Mẫu rau muống Phần không ăn được (rễ, cuống dưới) Là bộ phận hấp phụ và tích lũy kim loại cao nhất của cây rau.

  1. Tính toán cân bằng khối lượng và hệ số tích lũy: Luận án thiết lập cân bằng khối lượng As và Cd trong hệ ao nuôi, xác định các hệ số $BCF$ và $BAF$ đối với cá. Kết quả tương quan ($r$) khẳng định mối liên hệ chặt chẽ giữa hàm lượng kim loại trong nước đầu vào với mức độ tích tụ trong bùn và mô thủy sinh vật.

  2. Đánh giá rủi ro sinh thái ($EcoRA$) và sức khỏe ($HRA$):

  • Rủi ro sinh thái: Giá trị $RQ$ tại ao nuôi nước thải ở mức cao đối với hệ sinh thái thủy sinh vật do tác động tổng hợp của kim loại trong nước và trầm tích, trong khi ao đối chứng duy trì ở mức rủi ro thấp.
  • Rủi ro sức khỏe con người: Tính toán các chỉ số $HQ$ và $HI$ từ việc tiêu thụ phần thịt cá cho thấy rủi ro phi ung thư nằm trong ngưỡng kiểm soát ($HQ < 1$), tuy nhiên rủi ro gia tăng nếu sử dụng các phần nội tạng cá hoặc tiêu thụ rau muống nhiễm kim loại trong thời gian dài. Rủi ro ung thư cả đời ($ILCR$) đối với As được lượng hóa dựa trên nồng độ phơi nhiễm thực tế.
  1. Đề xuất giải pháp an toàn: Đánh giá hiệu quả làm giảm As và Cd khi nước thải đi qua hệ thống mương lắng trước khi cấp vào ao nuôi; phân tích khả năng tận dụng an toàn bùn đáy ao và đề xuất quy trình kỹ thuật kết hợp giải pháp quản lý nguồn thải lưu vực sông.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  • Cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng về sự phân bố, dạng tồn tại (hòa tan, hạt lơ lửng $SPM$, thành phần vô cơ/hữu cơ) của As và Cd trong hệ sinh thái ao nuôi thủy sản sử dụng nước thải đô thị tại Hà Nội.
  • Làm rõ quy luật chuyển hóa và tích lũy sinh học ($BCF$, $BAF$) của As và Cd giữa các pha: nước đầu vào $\rightarrow$ bùn trầm tích $\rightarrow$ thực vật thủy sinh (rau muống) $\rightarrow$ mô cơ quan của động vật thủy sinh (cá).
  • Ứng dụng thành công khung đánh giá rủi ro môi trường chuẩn quốc tế để lượng hóa rủi ro sinh thái ($RQ$) và rủi ro sức khỏe con người ($HQ$, $HI$, $ILCR$) đối với việc phơi nhiễm As và Cd từ thực phẩm nuôi bằng nước thải đô thị tại Việt Nam.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp

  • Đánh giá thực trạng ô nhiễm kim loại nặng từ các nguồn thải công nghiệp đổ vào sông Tô Lịch và sông Kim Ngưu, cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý nguồn nước mặt đô thị.
  • Đề xuất giải pháp kỹ thuật sử dụng hệ thống mương lắng/ao lắng sơ cấp trước khi đưa nước thải vào ao nuôi cá, giúp loại bỏ đáng kể lượng As và Cd bám dính trên hạt lơ lửng $SPM$.
  • Đưa ra khuyến cáo thực tiễn trong sử dụng sản phẩm: chỉ sử dụng phần thịt cá và ngọn rau muống làm thực phẩm, loại bỏ nội tạng cá và rễ rau nhằm giảm thiểu tối đa lượng kim loại nặng hấp thụ vào cơ thể người.
  • Đề xuất định hướng quản lý và tận dụng bùn đáy ao nuôi cá an toàn, kiểm soát nguy cơ phát tán As và Cd vào đất nông nghiệp và cây trồng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Về phạm vi khảo nghiệm: Luận án tập trung khảo sát thực nghiệm chuyên sâu tại 01 ao nuôi cá dùng nước thải ở quận Hoàng Mai và 01 ao đối chứng tại huyện Đông Anh. Các nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng quy mô trên nhiều loại hình ao nuôi, nhiều loài thủy sản khác nhau tại các vùng ven đô thị để nâng cao tính đại diện.
  • Về đối tượng kim loại nghiên cứu: Đề tài tập trung lượng hóa hai nguyên tố chính là As và Cd. Cần mở rộng đánh giá đối với các kim loại nặng và chất ô nhiễm độc hại khác thường xuất hiện trong nước thải đô thị như Pb, Cr, Hg, Ni, dầu mỡ khoáng và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy.
  • Về chuỗi thời gian quan trắc: Kết quả nghiên cứu dựa trên 2 đợt lấy mẫu thực nghiệm. Cần thiết lập chương trình quan trắc đa thời gian, theo các mùa khô - mùa mưa trong năm để theo dõi biến động nồng độ ô nhiễm và cơ chế giải hấp kim loại từ bùn đáy khi điều kiện thủy lý hóa thay đổi.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên sau đại học: Luận án là tài liệu tham khảo về phương pháp luận kết hợp giữa phân tích hóa học môi trường thực nghiệm và mô hình toán đánh giá rủi ro môi trường ($EcoRA$), rủi ro sức khỏe ($HRA$).
  • Đối với giảng viên và cơ sở đào tạo: Cung cấp số liệu giảng dạy thực tế trong các học phần Độc học môi trường, Quản lý chất lượng nước, Đánh giá rủi ro môi trường và Công nghệ xử lý nước thải.
  • Đối với cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Số liệu khảo sát nguồn thải công nghiệp trên sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu và mô hình mương lắng cung cấp luận cứ khoa học để Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Công ty Thoát nước Hà Nội xây dựng kế hoạch quản lý vệ sinh an toàn, kiểm soát nguồn thải và quy hoạch vùng nuôi trồng thủy sản an toàn ngoại thành.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao Asen và Cadimi được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu chính trong luận án?
Trả lời: As và Cd là hai nguyên tố có độc tính cao, thuộc nhóm độc loại A theo phân loại của WHO, có khả năng tồn tại lâu dài và tích lũy sinh học trong chuỗi thức ăn. Nước thải đô thị Hà Nội tiếp nhận lượng lớn nước thải công nghiệp từ các cơ sở mạ, hóa chất, cơ khí xả vào sông Tô Lịch và Kim Ngưu nhưng chưa được quy định ngưỡng giới hạn trong quy chuẩn nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT.

2. As và Cd phân bố chủ yếu ở đâu trong các hợp phần của hệ thống ao nuôi cá?
Trả lời: Trong hệ ao nuôi, bùn trầm tích đáy là nơi tích tụ hàm lượng As và Cd cao nhất do quá trình sa lắng của các hạt lơ lửng. Đối với mẫu sinh vật, kim loại tập trung chủ yếu ở phần không ăn được (nội tạng, gan, xương cá và rễ, gốc rau muống), trong khi phần ăn được (thịt cá, ngọn rau) có mức tích lũy thấp hơn.

3. Cơ chế loại bỏ kim loại nặng trong ao ổn định nước thải (WSP) gồm những quá trình nào?
Trả lời: Theo luận án, có 6 cơ chế chính gồm: (1) Quá trình lắng đọng bùn đáy; (2) Quá trình hấp phụ lên bề mặt tế bào vi khuẩn và tảo; (3) Quá trình tích lũy sinh học vào sinh khối vi sinh vật; (4) Quá trình tạo phức chelate với phytochelatin và axit hữu cơ; (5) Quá trình kết tủa hydroxit, phosphat ở pH cao; (6) Quá trình giải hấp hòa tan trở lại pha nước khi môi trường có tính axit.

4. Kết quả đánh giá rủi ro sức khỏe con người (HRA) khi ăn cá nuôi bằng nước thải đô thị cho thấy điều gì?
Trả lời: Thương số rủi ro phi ung thư ($HQ$) đối với người trưởng thành khi tiêu thụ phần thịt cá nằm trong giới hạn an toàn ($HQ < 1$). Tuy nhiên, nguy cơ phơi nhiễm và rủi ro sức khỏe (bao gồm rủi ro ung thư trọn đời do As) sẽ tăng lên nếu sử dụng các bộ phận tích lũy kim loại cao như nội tạng cá, da cá hoặc sử dụng nguồn thực phẩm này liên tục với tần suất cao.

5. Luận án đề xuất giải pháp kỹ thuật nào để giảm thiểu nồng độ As và Cd trước khi đưa nước vào ao nuôi?
Trả lời: Luận án đề xuất giải pháp dẫn nước thải qua hệ thống mương lắng sơ cấp trước khi cấp vào ao nuôi cá. Mương lắng giúp giữ lại các chất rắn lơ lửng ($SPM$) chứa kim loại nặng qua quá trình lắng cơ học, làm giảm đáng kể nồng độ As và Cd hòa tan và lơ lửng đi vào hệ thống nuôi.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Lê Thái Hà đã hoàn thành việc đánh giá thực trạng nguồn thải, sự phân bố và các dạng tồn tại của As và Cd trong các hợp phần nước, bùn đáy, cá và rau muống tại hệ thống ao nuôi sử dụng nước thải đô thị ở Hà Nội. Công trình đã lượng hóa thành công các hệ số tích lũy sinh học, chỉ số rủi ro sinh thái ao nuôi và rủi ro sức khỏe người tiêu dùng theo phương pháp luận quốc tế chuẩn mực. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp thực tiễn quan trọng phục vụ công tác kiểm soát ô nhiễm lưu vực sông Tô Lịch - Kim Ngưu, nâng cao hiệu quả và tính an toàn của việc tái sử dụng nước thải đô thị trong nuôi trồng thủy sản.