ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Như Khuê NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIẢI PHÓNG ASEN TỪ TRẦM TÍCH TRẺ VEN SÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Như Khuê NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIẢI PHÓNG ASEN TỪ TRẦM TÍCH TRẺ VEN SÔNG Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số : 608502 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Dieke Postma TS Phạm Thị Kim Trang Hà Nội - 2012 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới Tiến sĩ Phạm Thị Kim Trang, người giao đề tài, tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức quý báu giúp em hoàn thành luận văn Em xin trân trọng cảm ơn Giáo sư, Tiến sĩ Dieke Postma, Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch (DTU), tận tâm bảo truyền đạt kiến thức chuyên ngành Địa hóa sử dụng luận văn Em xin trân trọng cảm ơn Giáo sư, Tiến sĩ Phạm Hùng Việt người tâm huyết với việc đào tạo hệ trẻ Cảm ơn Thầy động viên, tạo điều kiện tốt để chúng em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình bạn đồng nghiệp nhóm Nghiên cứu Kim loại nặng toàn thể anh chị đồng nghiệp Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường Phát triển Bền vững (CETASD), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội thời gian làm luận văn Em xin gửi lời tri ân thầy cô giáo Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội tận tình truyền đạt cho em kiến thức quý báu làm tảng tri thức cho em thực luận văn Em xin trân trọng cảm ơn Giáo sư, Tiến sĩ Flemming Larsen, Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch (DTU); thầy, anh chị Trường Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội thuộc dự án "Nghiên cứu ô nhiễm As nước ngầm đồng sông Hồng Việt Nam – VietAs– DANIDA " nhiệt tình giúp đỡ em hoạt động khoa học có liên quan tới luận văn Con xin gửi lời thân thương tới gia đình Cảm ơn Bà kính yêu Bố Mẹ bên con, chăm sóc yêu thương chặng đường Cảm ơn Anh động viên quan tâm em ngày Em xin chân thành cảm ơn hỗ trợ quý báu kinh phí dự án VietAs DANIDA Trung tâm CETASD, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Học viên Nguyễn Như Khuê ACKNOWLEDGEMENT With my deep gratitude, I would like to send many thanks to Dr Pham Thi Kim Trang, who assigned, whole-hearted instructed and imparted me the precious knowledge to work on this thesis I would like to express my deep appreciation to Prof Dieke Postma, of the Technical University of Denmark, for his efforts in teaching us the essence of the geochemistry fundamentals and supporting us from the beginning and throughout this thesis He was instrumental in establishing the VietAs project “Investigating the arsenic contamination in Red River Delta, Ha Noi, Vietnam” that has served many of us I would like to thank to Prof Pham Hung Viet for his respect and concern for the education of our youth and providing the best conditions for us to be effective I acknowledge the great supports of all my many dear friends in the Heavy Metals group and my colleagues in Research Center for Environmental Technology and Sustainable Development (CETASD), University of Science, Vietnam National University I am grateful to all the teachers and lectures in Environmental Faculty for their non-stop effort in spreading the environmental science background and encouraging us to keep working in this field I thank Prof Flemming Larsen, also of the Technical University of Denmark, all of our mentors and colleagues at Hanoi Mining and Geology University for enthusiastically helping me in completing the science that became a part of this thesis and the theses of many others I would like to express the great regards to my beloved family I am indebted to my parents, my adoring grandma for always being by my side, caring for me and watching out for me as I go forward in life Thank you, my darling for filling me with your encouragement, care and love All of you have contributed to my success I acknowledge funding support from VietAs-DANIDA project- phase II and CETASD center, University of Science, Vietnam National University Nguyen Nhu Khue MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giả thiết trình giải phóng asen từ trầm tích trẻ nước ngầm 1.1.1 Cơ chế khử hòa tan khoáng ôxit sắt 1.1.2 Một số giả thiết khác 1.2 Sự phân bố asen trầm tích khoáng 1.2.1 Sự phân bố asen trầm tích 1.2.2 Sự phân bố As khoáng 1.2.3 Sự phân bố As khoáng ôxit sắt 1.3 Vai trò vi khuẩn giải phóng asen 12 1.3.1.Vai trò vi khuẩn khử sắt 12 1.3.2 Vai trò vi khuẩn khử nitrat, sunfat 13 1.3.3 Vai trò vi khuẩn khử trực tiếp As 13 1.4.Ảnh hưởng vật chất hữu tới giải phóng asen 15 1.4.1 Vai trò tạo môi trường khử 16 1.4.2 Vai trò cạnh tranh hấp phụ 20 1.4.3 Các vai trò khác hữu 20 Chương : ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Địa điểm thời gian đối tượng nghiên cứu 23 2.1.1 Địa điểm nghiên cứu 23 2.1.2 Đối tượng nghiên cứu 24 2.1.3 Thời gian nghiên cứu 24 2.2 Phương pháp nghiên cứu 24 2.2.1 Phương pháp tổng quan tài liệu 24 2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 24 2.2.3 Phương pháp xử lí số liệu 33 Chương : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Sự phân bố asen pha khoáng ôxit sắt trầm tích 34 3.2 Kết nghiên cứu ảnh hưởng vi khuẩn, tác nhân hữu 40 bùn thải đến giải phóng asen từ trầm tích nước ngầm 3.2.1 Kết ảnh hưởng vi khuẩn tới giải phóng asen từ 41 trầm tích nước ngầm 3.2.2 Kết ảnh hưởng vật chất hữu tới giải phóng 44 asen từ trầm tích nước ngầm KẾT LUẬN 53 KIẾN NGHỊ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT AAS : Atom Absorption Spectrophotometer- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử As(T) : Asen tổng CETASD : Research Center for Environmental Technology and Sustainable Development – Trung tâm Công nghệ Môi trường Phát triển Bền vững DANIDA : Danish International Development Agency -Tổ chức phát triển quốc tế Đan Mạch Fe(T) : Sắt tổng HVG : Hydride Vapor Generator -Bộ tạo khí hydrua PHREEQC : Phần mềm mô hình hóa chuyên dụng cho trình thủy địa hóa diễn trầm tích nước ngầm, hai nhà khoa học Parkhurst Appelo nghiên cứu phát triển từ năm 1999 UV-Vis : Quang phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại khả kiến RSD : Relative Standard Deviation (Độ lệch chuẩn tương đối) TOC : Total Organic Carbon- Tổng cacbon hữu DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tên bảng Hàm lượng As đặc trưng đá, trầm tích, đất trầm Trang Bảng 1.2 Bảng 1.3 Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 3.1 Bảng 3.2 tích bề mặt khác Hàm lượng As số khoáng Thành phần tính theo % dạng As số nghiên cứu Tóm tắt phương pháp chiết Tóm tắt thí nghiệm đánh giá vai trò vi khuẩn hữu Hàm lượng As, Fe tổng từ bước chiết trầm tích Tỉ lệ mol Fe/As nước ngầm trầm tích khu vực 11 29 30 34 39 nghiên cứu Bảng 3.3 Kết nồng độ Fe As thí nghiệm đánh giá vai trò 42 vi khuẩn Bảng 3.4 Tổng nồng độ hữu hàm lượng As trầm tích nước 45 hai khu vực trầm tích trẻ cổ Bảng 3.5 Kết nồng độ Fe As thí nghiệm trộn trầm tích 46 nước sông có không bổ sung hữu DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Tên hình Sự ô nhiễm As bổ sung hữu khu vực ao hồ Trang 17 Hình 1.2 Sự giải phóng As có bổ sung hữu cơ, tính toán theo mô 17 Hình 1.3 hình PHREEQC Vai trò hợp chất hữu giải phóng As từ trầm 18 Hình 2.1 tích nước ngầm Mô tả mặt cắt từ khu vực Đan Phượng (trầm tích trẻ) tới Phú 23 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Kim (trầm tích cổ) Lấy mẫu trầm tích hai khu vực nghiên cứu Lấy mẫu nước độ sâu từ 0,25-3m Quy trình chiết trầm tích Một số hình ảnh thực thí nghiệm chiết trầm tích Một số hình ảnh thực thí nghiệm ủ trầm tích Sự phân bố As khoáng ôxit sắt trầm tích trẻ cổ Sự phân bố dạng khoáng ôxit sắt trầm tích Sự giải phóng As điều kiện có vi khuẩn Quá trình hòa tan không đồng thời Fe As Nồng độ Fe (hình A B) nồng độ As (hình C D) 25 26 28 29 31 35 36 42 43 47 dung dịch ủ trầm tích trẻ có (●) không bổ sung hữu Hình 3.6 (▲); trầm tích cổ có (○) không bổ sung hữu (∆) Nồng độ As dung dịch ủ trầm tích trẻ có (●) không (▲) bổ sung bùn; trầm tích cổ có (○) không bổ sung bùn (∆) 51 MỞ ĐẦU Ô nhiễm asen nước ngầm thường phát thấy vùng đồng cạnh sông lớn Ở đồng châu thổ sông Hồng, Việt Nam, nước ngầm khu vực có nồng độ asen cao, khoảng từ ÷ 3050 µg/L (trung bình 159 µg/L) phát năm 1998 [11] Mặc dù vậy, nay, nguyên nhân dẫn đến As có mặt tầng chứa nước chưa hiểu rõ Cơ chế giả thuyết phổ biến trình phân hủy hữu vi khuẩn hình thành điều kiện khử khiến khoáng ôxit sắt bị hòa tan, kéo theo giải phóng asen từ trầm tích nước ngầm.Theo giả thuyết này, asen nhiều khoáng sắt bị hòa tan hội As giải phóng từ trầm tích trẻ nước ngầm cao Vi khuẩn tham gia trình phân hủy hữu tạo môi trường khử Môi trường nhiều hữu thuận lợi cho khử hòa tan sắt diễn nguy ô nhiễm asen tăng Trầm tích chứa hữu hoạt động cao dạng asen bám trầm tích không chặt chẽ giải phóng asen cho diễn mạnh Ngược lại, với trầm tích với hữu bền, không bị phân hủy sinh học asen dạng bị mang ôxit sắt bền vững trình giải phóng asen chậm Nghĩa trình giải phóng asen phụ thuộc đặc tính khoáng học trầm tích điều kiện môi trường bao gồm hợp chất hữu vi khuẩn tầng chứa nước Với kết cấu trầm tích trẻ có chứa khoáng sắt dạng linh động, môi trường giàu hữu phù sa bồi tích, khu vực đồng ven sông thường có nước ngầm bị ô nhiễm As Các nghiên cứu trước tìm hiểu có mặt As nước ngầm chủ yếu tập trung phân tích mẫu nước Số lượng nghiên cứu trầm tích khu vực đồng sông Hồng liên quan tới ô nhiễm As hạn chế Cho đến nay, nồng độ As nước ngầm có mối tương quan với cấu trúc khoáng học trầm tích môi trường khu vực chưa hiểu rõ Vì vậy, luận văn với đề tài “Nghiên cứu trình giải phóng As từ trầm tích trẻ ven sông” thực nghiên cứu với nội dung sau: TÓM TẮT Sự gia tăng hàm lượng As nước ngầm đồng ven sông nhà khoa học nghiên cứu Cơ chế giả thuyết thừa nhận phổ biến trình phân hủy hữu tạo điều kiện thuận lợi cho trình khử hòa tan sắt kéo theo As bị rửa trôi Bài báo nghiên cứu mối liên hệ cấu trúc khoáng học trầm tích nồng độ As nước ngầm vai trò hợp chất hữu trình giải phóng As từ trầm tích nước ngầm Hai khu vực lựa chọn để nghiên cứu vùng ven sông với trầm tích trẻ có tuổi 600 năm khu vực ven núi với trầm tích cổ 3500 năm Kết nghiên cứu phân bố As khoáng sắt, cho thấy tổng hàm lượng As bị rửa trôi từ trầm tích trẻ (2 mg/kg) nước ngầm cao so với từ trầm tích cổ (0,34 mg/kg) Dạng As liên kết khoáng Fe hoạt động tinh thể trầm tích trẻ chiếm xấp xỉ 4mg/kg, chúng không định lượng trầm tích cổ Kết hợp với hàm lượng As nước ngầm hai địa điểm, kết nghiên cứu cho thấy nhiều As pha khoáng sắt linh động (dễ hòa tan, bị khử Fe hoạt động, Fe tinh thể), khả gia tăng hàm lượng As nước ngầm cao Sự tồn As pha khoáng dễ tác động môi trường khử yếu tố gây nên giải phóng As tầng chứa nước Ngoài ra, tượng gia tăng hàm lượng Fe As bị rửa trôi quan sát thấy thí nghiệm trộn trầm tích với nước sông có bổ sung hữu Nghiên cứu bổ trợ cho giả thuyết hợp chất hữu đóng vai trò tạo môi trường thuận lợi cho trình khử hòa tan khoáng ôxit kéo theo giải phóng As từ trầm tích nước ngầm MỞ ĐẦU Ô nhiễm asen nước ngầm thường phát thấy vùng đồng gần sông lớn Hàm lượng As nước ngầm đồng châu thổ Sông Hồng, Việt Nam, tương đối caokhoảng ÷ 3050 µg/L (trung bình 159 µg/L) phát từ năm 1998 [3] Tuy nhiên, đến nguyên nhân dẫn đến có mặt As nước ngầm chưa nghiên cứu kỹ hiểu rõ Cơ chế giả thuyết phổ biến trình phân hủy hữu tạo điều kiện khử khiến khoáng ôxit sắt bị hòa tan, kéo theo giải phóng Asen Phương trình giả thuyết đưa [2,10]: 4FeOOH (As(V)) + CH2O + 7H2CO3 → 4Fe2+ + 8HCO3- + 6H2O + As(III) Theo giả thuyết này, As nhiều khoáng sắt bị hòa tan, hội As giải phóng từ trầm tích nước ngầm cao Môi trường thuận lợi cho khử hòa tan sắt diễn nguy ô nhiễm Asen tăng Nghĩa trình giải phóng Asen phụ thuộc vào đặc tính khoáng học trầm tích điều kiện môi trường Theo kết nghiên cứu trầm tích khu vực Vạn Phúc, Thanh Trì, Hà Nội tác giả Eiche E cộng (2008), hàm lượng As trầm tích Pleistocene (trầm tích cổ) nằm khoảng 2,1- 28,7 mg/kg; trầm tích Holocence (trầm tích trẻ hơn) khoảng 1,0- 30,3 mg/kg Tổng lượng As hai dạng trầm tích tương đương Tuy nhiên, tầng chứa nước Pleistocene As ([...]... sắt bị hòa tan kéo theo sự giải phóng asen liên kết trên những pha khoáng đó Theo giả thuyết này, sự giải phóng asen từ trầm tích ra nước 15 ngầm có diễn ra hay không và với hàm lượng asen như thế nào sẽ phụ thuộc vào lượng hữu cơ hoạt động và sự phân bố asen trong trầm tích Trầm tích với hữu cơ bền và asen ở dạng bị mang trong các ôxit sắt bền vững thì quá trình giải phóng asen chậm Ngược lại, với dạng... hợp chất hữu cơ đối với quá trình giải phóng As Tổng hợp từ các nghiên cứu về sự phân bố asen trong trầm tích và khoáng, các dạng và vai trò của hợp chất hữu cơ trong tự nhiên cũng như vai trò của vi khuẩn được trình bày sơ lược sau đây 1.2 Sự phân bố của asen trong trầm tích và khoáng 1.2.1 Sự phân bố của asen trong trầm tích Trầm tích đặc trưng cho các vùng đồng bằng tích tụ và đồng bằng châu thổ... biến về quá trình giải phóng As tại các khu vực này là: vật chất hữu cơ có trong lớp trầm tích phù sa trẻ dưới tác dụng của các vi khuẩn đã tạo thành môi trường khử thuận lợi cho quá trình khử hòa tan các khoáng Fe, kéo theo sự rửa trôi As từ trầm tích vào nước ngầm Hầu hết các nghiên cứu đều cho rằng trong trầm tích As chủ yếu tồn tại ở dạng liên kết với các khoáng Fe nhưng dạng liên kết As nào tác... cao sự hiểu biết về cơ chế giải phóng asen từ trầm tích ra nước ngầm Dù không thể phủ nhận được tầm quan trọng của hoạt động vi sinh trong quá trình asen bị rửa trôi từ pha rắn sang pha lỏng nhưng cơ chế hoạt động vẫn đang còn là vấn đề tranh cãi Ngày càng có nhiều nghiên cứu cho rằng vai trò của quá trình khử hòa tan Fe không chiếm ưu thế tuyệt đối trong quá trình giải phóng asen Sự có mặt của các vi... Bảng 1.1 Hàm lượng As đặc trưng trong đá và trầm tích [45] Loại đá/ trầm tích Nồng độ trung bình của As (mg/kg) 5 Đá cát 4,1 (0,6-120) Đá vôi 2,6 (0,4- 188) Trầm tích cổu Fe 1-2900 Thạch cao/anhydrite (trầm tích bở rời) 3,5 (0,1-10) Cát bồi tích (Băng-la-đét) 2,9 (1,0–6,2) Bùn/sét bồi tích (Băng-la-đét) 6,5 (2,7–14,7) Trầm tích đáy sông (Băng-la-đét) 1,2–5,9 Trầm tích hồ 6 (