MỞ ĐẦU Sự phát triển công nghiệp tại các nƣớc đang phát triển kéo theo lƣợng lớn các hóa chất nguy hiểm phát thải vào môi trƣờng, đặc biệt là kim loại nặng phát tán vào các dòng sông. Do vậy các sông trong khu vực nội thành và ngoại thành bị những ảnh hƣởng lớn nhất. Lƣợng lớn nƣớc thải dân dụng chƣa đƣợc xử lý và nƣớc thải của các hoạt động công nghiệp là nguyên nhân hàng đầu làm gia tăng mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong nƣớc sông [13] [22], [45]. Kim loại nặng là một trong số những chất gây ô nhiễm môi trƣờng phổ biến nhất, sự có mặt của chúng trong nƣớc thể hiện nguồn gốc tự nhiên hoặc do hoạt động của con ngƣời, chúng liên quan chủ yếu với nƣớc thải công nghiệp và sinh hoạt, đô thị hóa, dòng nƣớc thải, các nguồn đầu vào bãi chôn lấp và khu vực nông thôn [2], [26].
Sự biến đổi hàm lƣợng các kim loại trong nƣớc tự nhiên là quá trình tích tụ kim loại nặng vào hợp chất trầm tích bền, trầm tích lơ lửng và lớp nƣớc phía trên. Trong quá trình di chuyển, kim loại nặng chịu nhiều sự thay đổi về dạng của chúng nhƣ hòa tan, kết tủa, hấp phụ và tạo phức với các hợp chất khác [22], [45].Việc nghiên cứu và đánh giá hàm lƣợng kim loại nặng trong nƣớc mặt và nƣớc chiết lỗ rỗng từ trầm tích là nhiệm vụ rất có ý nghĩa trong việc đánh giá hiện trạng ô nhiễm và xu hƣớng phân bố của chúng. Xuất phát từ những thực trạng trên, đề tài ―Phân tích, đánh giá hàm lượng kim loại nặng trong nước mặt và nước chiết lỗ rỗng tại một số điểm trên lưu vực sông Cầu, địa phận Hải Dương‖ đƣợc đặt ra và lựa chọn nhằm giải quyết mục tiêu phân tích tổng hàm lƣợng các kim loại nặng:Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Pb, Cd, Zn, Cr trong môi trƣờng nƣớc sông và nƣớc chiết lỗ rỗng nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm, sự phát tán cũng nhƣ lan truyền kim loại nặng theo độ sâu tại mỗi điểm và lan truyền ngang giữa các điểm theo dòng chảy của lƣa vực sông Cầu, sông thuộc hệ thống sông Thái Bình và hệ thống thủy nông Bắc Hƣng Hải, địa phận tỉnh Hải Dƣơng. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Nguồn gốc phát tán kim loại nặng trong môi trƣờng Kim loại nặng thƣờng là nhóm các kim loại hoặc á kim có độc tính hoặc có khả năng gây độc với hệ sinh thái [19].
Theo tài liệu khác [32] kim loại nặng là những kim loại hoặc á kim có khối lƣợng riêng lớn hơn 5 g/cm3, hoặc có nguyên tử khối lớn hơn 52 g/mol, thƣờng đƣợc xem nhƣ là những chất gây ô nhiễm và có độc tính. Mặc dù một vài trong chúng cũng là những nguyên tố cần thiết đối với cơ thể (nhƣđồng, kẽm, sắt giữ vai trò thiết yếu cho các hoạt động sinh vật, góp phần vào xây dựng các enzim, xúc tác cho các quá trình sinh hóa)nhƣng cũng chính chúng là những nguyên tố có độc tính khi ở nồng độ cao. Kim loại nặng có thể phát tán vào môi trƣờng do các nguồn khác nhau và luôn có sự chuyển hóa qua lại giữa các dạng môi trƣờng. Hoạt động của thiên nhiên nhƣ quá trình phong hóa, núi lửa phun trào hoặc các thiên thạch là khởi nguồn của các kim loại trong môi trƣờng tự nhiên, các kim loại dễ bay hơi sẽ chuyển từ chuyển từ mặt đất, sông suối, biển, đại dƣơng… bay vào khí quyển, theo vòng tuần hoàn của nƣớc.
Các hoạt động khác nhau của con ngƣời cũng thải vào môi trƣờng một lƣợng rất lớn kim loại nhƣ:Hoạt động sản xuất công nghiệp phát thải Co, Cr, Cd, Hg (công nghiệp nhựa), Zn, Al, Ti, Sn (công nghiệp dệt), Cu, Ni, Cd, Zn, Sb (công nghiệp sản xuất vi mạch), Cu, Cr, As (bảo quản gỗ), Pb, Ni, Cr (Mỹ nghệ), và các hoạt động khai khoáng, tuyển quặng, vận chuyển trong quá trình khai thác, luyện gang thép, đốt cháy nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ, than đá, đốt rác thải [23]. Nguồn gốc phát tán kim loại vào nƣớc mặt Nƣớc mặt là nƣớc chảy qua hoặc đọng lại trên mặt đất: sông, suối, kênh, rạch, mƣơng, ao, hồ, đầm [8]. Với định nghĩa này ta hiểu rằng đây là nguồn nƣớc ngọt tồn tại trên đất liền, có phần thoáng tiếp xúc với không khí. Phân biệt với nƣớc ngầm, cũng là một dạng nƣớc ngọt nhƣng sâu dƣới lòng đất và không tiếp xúc với không khí.
Dòng nƣớc ngọt trên các sông có xu hƣớng vận chuyển vật chất ở nơi nó 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đi qua, nƣớc chảy từ thƣợng lƣu về phía hạ lƣu, tích trữ lắng đọng tại các ao, hồ, đầm, hoặc đổ ra biển. Kim loại có trong nƣớc mặt xuất phát từ nhiều nguồn. Hoặc là có nguồn gốc tự nhiên hoặc là từ nƣớc thải do hoạt động sản xuất của con ngƣời. Thông thƣờng, ở môi trƣờng tự nhiên không bị ô nhiễm thì hàm lƣợng kim loại nặng có trong nƣớc mặt là rất thấp[46].
Theo nghiên cứu của Michel Maybeck và Richard Helmer [46]kim loại xuất hiện trong nƣớc sông từ 3 nguồn chính là từ khí quyển (mƣa, tuyết.), từ sự phân hủy của các sinh vật và từ sự bào mòn theo thời gian trên bề mặt các lớp đất đá, sau đó dần dần đƣợc vận chuyển qua lòng đất tới các lƣu vực sông. Trong quá trình vận chuyển sẽ có nhiều quá trình trao đổi tác động đến nồng độ của kim loại nhƣ: tái hấp thu bởi cây cối, cân bằng nồng độ giữa đất và nƣớc ngầm, bay hơi, bị hấp thụ hoặc thải ra bởi các loại cây cối sống gần lƣu vực. Nghiên cứu của Michel Maybeck và Richard Helmer cũng chỉ ra rằng các yếu tố quan trọng nhất quyết định nồng độ của kim loại trong nƣớc mặt là nhƣ: - Sự có mặt của các muối kim loại dễ hòa tan hoặc dễ bị bào mòn bởi thời tiết. - Khoảng cách với mặt biển gây tác động lên các muối dễ bay hơi thâm nhập vào mặt đất (Na+, Mg2+,.) - Tốc độ lắng đọng hoặc tốc độ dòng chảy quyết định nồng độ của các chất có nguồn từ hai yếu tố trên.
- Hoạt động chính của hệ sinh thái trong lƣu vực sông tác động lên sự giải phóng của các chất dinh dƣỡng. - Nhiệt độ môi trƣờng cùng với các hoạt động sinh hóa trong lòng đất và thời tiết tác động lên tốc độ bào mòn, cũng nhƣ các hoạt động kiến tạo địa chất khác. Nguồn gốc phát tán kim loại vào trầm tích. Trầm tích là các hạt vật chất nằm ở độ sâu không quá 15 cm tính từ bề mặt đáy của vực nƣớc, các hạt có kích thƣớc nhỏ hơn 2 mm hoặc lọt qua rây có đƣờng 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com kính lỗ 2 mm.
Những vật chất đƣợc lắng lại ở đáy các con sông, suối, ao hồ… do dòng chảy của con nƣớc hình thành nên trầm tích[9]. Theo tài liệu [34] kim loại nặng có liên quan rất chặt chẽ với trầm tích và trầm tích cũng tác động rất lớn đến tính di động của kim loại nặng. Kim loại nặng dễ dàng bị hấp thụ vào trầm tích hoặc giải hấp, cuối cùng là lắng xuống đáy biển làm giàu cho trầm tích đáy biển. Khi điều kiện môi trƣờng thay đổi, kim loại nặng liên kết với trầm tích có thể giải phóng trở lại lớp nƣớc bao phủ phía trên đe dọa tới hệ sinh vật thủy sinh.
Sản phẩm hoạt động của con ngƣời nhƣ nƣớc thải công nghiệp, nƣớc thải sinh hoạtvà các hoạt động sản xuất nông nghiệp thƣờng là nguyên nhân chính của ô nhiễm kim loại trong môi trƣờng nƣớc [34]. Theo tài liệu [40], các tác giảZhaoyong Zhang, Li Juyingsau khi sử dụng kỹ thuật phân tích đa biến cho thấy rằng, các kim loại Cu, Ni, As và Zn có nguồn gốc hàng đầu là từ nền địa chất tự nhiên trong khi đó các kim loại Cd, Pb, Hg và Cr trong trầm tích lại có nguồn gốc từ các hoạt động của con ngƣời. Đồng thời kết quả phân tích nhân tố làm giàu (CF) và chỉ số tích lũy cũng đánh giá rằng Cd, Hg và Pb trong trầm tích mặt là thấp và có mức độ ô nhiễm riêng, trong khi đó Zn, Cr, As, Ni và Cu chỉ xấp xỉ mức không hoặc dƣới ngƣỡng ô nhiễm [22].3 Trao đổi kim loại nặng giữa hai pha nƣớc mặt và trầm tích. Theo tài liệu [45], [22] nghiên cứu về sự trao đổi kim loại nặng của các con sông ở Băng La Đét tác giả Md Saiful Islam đã thấy rằng hàm lƣợng và dạng hóa học của 6 kim loại nặng Cr, Ni, Cu, As, Cd, Pb đo trong môi trƣờng nƣớc mặt và trầm tích thấy chúngcó xu hƣớng giảm dần trong nƣớc theo thứ tự Cr > Cu > As > Ni > Pb > Cd và trong trầm tích Cr > Ni > Cu > Pb > As > Cd.
Trong tự nhiên, lớp tiếp giáp trầm tích – nƣớc mặt là nơi diễn ra trao đổi dọc về mặt vật lý, hóa học và sinh học lớn nhất. Tại đây, có sự tăng mạnh về nồng độ của các hạt, nồng độ của các chất và sự tạo thành hợp chất [30].Với nhiều kim loại thì trầm tích là nơi tích tụ cuối cùng ngay nhƣng nhiều kim loại có thể trao đổi qua lại giữa nƣớc mặt – trầm tích nhiều lần trƣớc khi tích tụ hẳn vào trầm tích [27]. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lớp nƣớc ngay phía trên lớp tiếp xúc trầm tích – nƣớc mặt đƣợc cấu thành bởi lớp nƣớc phân cách và lớp khuếch tán. Ở đây ion chỉ đƣợc vận chuyển bởi khuếch tán phân tử.
Lớp khuếch tán này đóng vai trò cân bằng trong việc vận chuyển ion. Lớp khuếch tán có độ dày từ 0,4(mm) đến vài cm hoặc có thể mỏng hơn 0,1(mm) nếu môi trƣờng nƣớc ở gần đáy sông có nhiều năng lƣợng (ví dụ tốc độ dòng chảy cao hơn so với trung bình) [20]. Theo nghiên cứu của J.M Guana, F Elbaz-Poulicheta, A.V Gordeevb [30] vào năm 1989 và đƣợc đăng trên tạp chí Marine Chemistry (Volume 43, Issue 1-4, 1993) thì với môi trƣờng không có sự tác động của con ngƣời nồng độ các chất (đƣợc tính bằng nanomocular – nM) có trong nƣớc mặt của một số kim loại là nhƣ sau: As = 2,0, Cd = 0,05, Cu = 9,7, Ni = 5,2, Pb = 0,08, Zn = 5,3 và Fe = 410. Các tác giả có đƣa ra kết luận rằng Cu và Ni dễ dàng đƣợc tìm thấy ở lớp bùn có chứa nhiều đất sét và các hợp chất hữu cơ.
Và Pb, Zn cùng các kim loại nặng khác thì đƣợc phân tán đều ở các độ sâu.4 Các khó khăn khi lấy mẫu nƣớc trong trầm tích.