ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN *** NGUYỄN THỊ HOA MAI NGHIÊN CỨU SỰ VẬN ĐỘNG CỦA ASEN TRONG NƯỚC NGẦM TẠI KHU VỰC NAM DƯ – HOÀNG MAI – HÀ NỘI TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH ASEN TRONG CÁC PHA LIÊN KẾT CỦA TRẦM TÍCH CHUYÊN NGÀNH: HÓA PHÂN TÍCH MÃ SỐ : 62440118 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS. TS. PHẠM HÙNG VIỆT 2. TS. PHẠM THỊ KIM TRANG HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và nội dung này chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đó. Hà nội, tháng 02 năm 2014 Tác giả luận án Nguyễn Thị Hoa Mai 2 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Giáo sư, Tiến sĩ Phạm Hùng Việt và Tiến sĩ Phạm Thị Kim Trang đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Giáo sư, Tiến sĩ Dieke Postma, Cục địa chất Đan Mạch và Greenland, người tạo điều kiện cho tôi thực hiện các thí nghiệm về hấp phụ trong thời thực tập khoa học tại Đan Mạch. Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị và bạn bè đồng nghiệp thuộc Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt Ths. Cao Thị Mai Trang, Ths. Nguyễn Thị Thu Trang, Ths. Hoàng Thị Tươi đã cộng tác hiệu quả trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời tri ân tới các thầy, cô giáo Bộ môn Hóa Phân tích, Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu làm nền tảng tri thức cho tôi thực hiện luận án. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Giáo sư Tiến sĩ Flemming Larsen, Cục địa chất Đan Mạch và Greenland; Phó giáo sư, Tiến Sĩ Phạm Quý Nhân và các bạn đồng nghiệp ở Trường Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội thuộc dự án "Nghiên cứu sự ô nhiễm của As trong nước ngầm tại đồng bằng sông Hồng ở Việt Nam – VietAs – DANIDA” đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình lấy mẫu và các hoạt động khoa học ngoài hiện trường có liên quan tới luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới những người thân trong gia đình, chồng và con gái luôn luôn chia sẻ, thấu hiểu và là điểm tựa vững chắc về tinh thần trong toàn bộ thời gian thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ quý báu về kinh phí của dự án VietAs – DANIDA và Trung tâm CETASD, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Hà Nội, tháng 02 năm 2014 Tác giả luận án 3 4 MỤC LỤC 5 Nguyễn Thị Hoa Mai DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN AAS : Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic absorption spectrophotometric) CEC : Dung lượng trao đổi cation (Cation exchange capacity) CRM : Mẫu trầm tích chuẩn kiểm chứng (Certified reference material) DOC : Hàm lượng cacbon hữu cơ hòa tan (Dissolve organic carbon) GC : Phương pháp sắc kí khí (Gas chromatography) LOQ : Giới hạn định lượng của phương pháp phân tích (Limit of quantitation) PZC : Điểm đẳng điện (Point of zero charge) PIPES : Axit 1,4-piperazin dietan sunfonic (1,4- piperazinediethanesulfonic acid) WHO : Tổ chức y tế thế giới (World Health Organization) SI : Chỉ số bão hòa của khoáng (Saturation index) TDS : Tổng chất rắn hòa tan (Total dissolved solids) UV-Vis : Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại và khả kiến (UV-Visible Spectroscopy) IF : Hệ số ảnh hưởng của tạp chí (Impact factor) 6 DANH MỤC BẢNG 7 8 MỞ ĐẦU Ô nhiễm Asen (As) trong nước ngầm xảy ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt là ở khu vực Nam và Đông Nam Á trong đó có Băng la đét, Tây Ấn và Việt Nam [9, 10, 22, 40, 66, 72]. Theo các nghiên cứu ở khu vực này cho thấy, ô nhiễm As thường xảy ra trong tầng chứa nước trẻ Holocen ở các đồng bằng châu thổ được bồi đắp phù sa bởi các con sông lớn bắt nguồn từ dãy núi Himalaya. Cơ chế giải thích cho sự xuất hiện của As được chấp nhận rộng rãi là cơ chế khử hòa tan khoáng sắt oxit, đồng thời xảy ra quá trình đồng hòa tan As vốn hấp phụ trên khoáng trong trầm tích [9, 20, 59, 66, 67, 73]. Trong khi đó, tầng chứa nước Pleistocen cổ hơn, nằm sâu hơn so với tầng chứa nước Holocen ít bị ô nhiễm As hơn có thể do chịu sự rửa trôi lâu hơn của các dòng nước ngầm qua các thời kì băng hà và băng tan hoặc do các trầm tích Pleistocen có tính oxi hóa nên có khả năng lưu giữ hấp phụ As chặt hơn [72, 76, 86]. Cùng với sự phát triển kinh tế và xã hội là nhu cầu sử dụng và khai thác nước ngầm ngày một tăng. Tại Hà Nội, nước ngầm bắt đầu được khai thác từ năm 1909 (nhà máy nước Yên Phụ), cho đến nay nước ngầm cùng vẫn là nguồn nước cấp quan trọng cho thành phố với hơn 7 triệu dân [9]. Việc khai thác nước ngầm diễn ra cả ở tầng chứa nước nông Holocen và tầng chứa nước sâu Pleistocen tương ứng với quy mô khai thác nước nhỏ lẻ của người dân hoặc tập trung của các nhà máy nước. Các hoạt động khai thác của người dân chủ yếu diễn ra ở tầng chứa nước nông Holocen với độ sâu <50m và phân bố rộng trên toàn đồng bằng Sông Hồng. Trong khi đó, hoạt động khai thác nước tập trung của các nhà máy nước diễn ra chủ yếu ở phía khu vực phía Nam Hà Nội – nơi có Sông Hồng chảy qua. Theo báo cáo của Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Bắc: tổng công suất khai thác nước ngầm trên toàn thành phố là 1.100.000m 3 /ngày đêm, trong đó chỉ riêng khu vực phía Nam là 700.000m 3 /ngày đêm [9, 61]. Các nhà máy nước ở khu vực này tiến hành khai thác nước ngầm ở tầng chứa nước Pleistocen ở độ sâu 50-100m và kết hợp với kĩ thuật lọc thấm bờ. Lọc thấm bờ là quá trình nước mặt thấm qua đáy sông, hồ, các lớp trầm tích và đi vào tầng chứa nước gần kề một cách tự nhiên. Nếu chúng ta xây dựng một hệ thống lỗ khoan hút nước gần các sông hồ, sẽ tạo ra quá trình thấm cưỡng bức do sự chênh lệch về thủy lực giữa nước ngầm và nước 9 sông. Hệ thống lọc tự nhiên là tốt vì có thể hạn chế quá trình xử lý thứ cấp nhưng nếu các tầng chứa nước phía trên chứa các chất ô nhiễm khó lọc cơ học thì sẽ xảy ra nguy cơ lan truyền ô nhiễm trong toàn bộ tầng chứa nước ngầm bên dưới [82]. Ô nhiễm As trong nước ngầm ở đồng bằng Sông Hồng được phát hiện vào năm 1998. Kể từ đó đến nay, có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành. Hầu hết các kết quả nghiên cứu đều cho thấy hàm lượng As trong nước ngầm tầng chứa nước Holocen vượt quá tiêu chuẩn cho phép của tổ chức y tế giới WHO 10µg/L [9, 21, 66]. Tuy nhiên, gần đây các nghiên cứu ở khu vực phía Nam Hà Nội có những phát hiện mới đi ngoài xu hướng trên đó là tại những khu vực này As xuất hiện với nồng độ cao trong cả tầng nông Holocen và tầng sâu Pleistocen. Cụ thể, tác giả Micheal Berg và các cộng sự trong nghiên cứu ở Hoàng Liệt – Hà Nội lại phát hiện thấy ô nhiễm As xảy ra trong cả tầng chứa nước Holocen và tầng chứa nước Pleistocen [9, 90]. Một nghiên cứu khác của tác giả Jenny Norrman ở khu vực Nam Dư – Hà Nội cũng chỉ ra rằng những nơi mà tầng chứa nước Holocen có hàm lượng As cao thì tầng chứa nước Pleistocen cũng có hàm lượng cao [61]. Do Hoàng Liệt và Nam Dư đều thuộc khu vực phía Nam Hà Nội và tại đây có sự khai thác nguồn nước dưới đất mạnh mẽ. Kết hợp với tài liệu địa chất về dải ven sông Hồng cho thấy các hoạt động xâm thực đã bào mòn, khiến sự phân bố của tầng cách nước Pleistocen – Holocen không đồng đều và hình thành các "cửa sổ địa chất thủy văn" hoặc mất hẳn tầng cách nước, dẫn đến sự trao đổi nước giữa hai tầng chứa nước diễn ra mạnh mẽ hoặc thông trực tiếp với nhau tạo thành một hệ thống thuỷ động lực duy nhất. Các tác giả này đều cho rằng chính việc bơm khai thác nước đã khiến cho As lan truyền từ tầng chứa nước Holocen xuống tầng chứa nước Pleistocen. Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ dừng lại ở việc phát hiện chứ chưa có các bằng chứng địa hóa cụ thể để chứng minh. Nhằm góp phần cung cấp các bằng chứng về mặt địa hóa cho sự rửa trôi As dưới tác động của việc bơm khai thác nước, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sự vận động của As trong nước ngầm tại khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội trên cơ sở phân tích As trong các pha liên kết của trầm tích”. Mục tiêu nghiên cứu: 10 [...]... trình chiết As trong các pha liên kết của trầm tích và nghiên cứu quá trình hấp phụ, giải hấp phụ của As trên trầm tích nhằm tìm ra cơ chế giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm trong tầng chứa nước Holocen và quá trình vận động của As từ tầng chứa nước Holocen xuống tầng chứa nước Pleistocen dư i tác động của hoạt động khai thác nước tại khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội Nội dung nghiên cứu: Để đạt... Holocen ở khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội Nghiên cứu các bằng chứng về sự rửa trôi As từ trầm tích ra nước ngầm trong tầng chứa nước Holocen dựa vào mối tương quan giữa As trong trầm tích và nước ngầm; mối tương quan giữa As và các thành phần hóa học trong nước ngầm ở khu vực (4) Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội Nghiên cứu các bằng chứng về sự dịch chuyển As từ tầng chứa nước Holocen xuống tầng chứa nước. .. Ứng dụng các phương pháp vào nghiên cứu các quá trình dịch chuyển As trong các (1) tầng chứa nước Holocen và Pleistocen: Nghiên cứu sự phân bố của As trên các pha khoáng trong trầm tích tầng chứa nước Holocen ở khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội nhằm tìm ra nguồn giải phóng (2) As từ trầm tích vào nước ngầm Nghiên cứu quá trình hấp phụ và giải hấp phụ As(III), As(V) lên trầm tích tầng (3) chứa nước Holocen... xuống tầng chứa nước Pleistocen dư i tác động của khai thác nước ngầm ở khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội: so sánh thành phần hóa học trong nước sông, nước ngầm Holocen, nước ngầm Pleistocen ở khu vực khai thác nước (Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội) và khu vực không khai thác nước (Vạn Phúc – Thanh Trì – Hà Nội) Điểm mới, những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn của luận án:  Về mặt khoa học:... trong tầng chứa nước Holocen và sự di chuyển của As từ tầng chứa nước Holocen xuống tầng chứa nước Pleistocen dư i tác động của khai thác nước ở khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội Nghiên cứu đã góp phần giải thích sự dịch chuyển của As trong các tầng chứa nước ở khu vực phía Nam Hà Nội Đây là một hướng nghiên cứu mới, kết hợp các kiến thức liên ngành: hóa học phân 12 tích, địa hóa môi trường, địa chất... chứa nước Holocen diễn ra theo cơ chế nào và liệu có sự dịch chuyển của As từ tầng chứa nước Holocen xuống tầng chứa nước Pleistocen dư i tác động của hoạt động khai thác nước ở khu vực phía Nam Hà Nội? Việc quan trắc sự vận động của As trong các tầng chứa nước là một nghiên cứu rất khó thực hiện do tính linh động của nước, thành phần đa dạng của trầm tích và đặc biệt các quá trình này diễn ra ở dư i... trong nước ngầm Điều này chứng tỏ môi trường nước ngầm tầng chứa nước Holocen có tính khử mạnh [59] 21 Hình 1.8 Sự phân bố của As trong các tầng chứa nước Holocen, Pleistocen ở Dhaka, Băng la đét [76] Nhằm góp phần lý giải cho sự phân bố của As trong nước ngầm tại các tầng chứa nước, Stolenwerk và các cộng sự [76] đã tiến hành nghiên cứu mối liên quan giữa đặc tính của trầm tích, hàm lượng As trong trầm. .. ra, hàm lượng As trong tầng chứa nước Holocen lại có thể vận động đến khu vực khác, các tầng chứa nước khác do tác động bởi các chế độ thủy văn Do vậy, sau đây luận án tiếp tục đề cập đến các quá trình vận động của As giữa các tầng chứa nước 1.3.3.2 Quá trình vận động của As giữa các tầng chứa nước và ảnh hưởng của việc khai thác nước Các yếu tố ảnh hưởng đến sự vận động của As giữa các tầng chứa nước. .. tầng nước ngầm nông Holocen Tuy nhiên, các nghiên cứu ở khu vực phía Nam Hà Nội lại phát hiện thấy rằng hàm lượng As cao xuất hiện trong cả tầng chứa nước Holocen và cả tầng chứa nước Pleistocen [9, 61] Điểm đáng lưu ý khu vực này là nơi tập trung của hầu hết các nhà máy nước khai thác nước ngầm ở tầng chứa nước Pleistocen cung cấp nước cho thành phố Hà Nội Điều này đặt ra câu hỏi về sự hình thành As trong. .. lọc As trên các pha liên kết trong trầm tích và phương pháp nghiên cứu quá trình hấp phụ, giải hấp phụ của As lên trầm tích 1.2 Phương pháp chiết 1.2.1 Phương pháp chiết kim loại trong các pha liên kết của trầm tích Phương pháp chiết là một công cụ hữu ích, tương đối đơn giản và là phương pháp gián tiếp xác định sự phân bố của kim loại trên các pha liên kết khác nhau trong 32 trầm tích Phương pháp . GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN *** NGUYỄN THỊ HOA MAI NGHIÊN CỨU SỰ VẬN ĐỘNG CỦA ASEN TRONG NƯỚC NGẦM TẠI KHU VỰC NAM DƯ – HOÀNG MAI – HÀ NỘI TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH ASEN TRONG CÁC PHA. động của việc bơm khai thác nước, tác giả đã lựa chọn đề tài: Nghiên cứu sự vận động của As trong nước ngầm tại khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội trên cơ sở phân tích As trong các pha liên kết. ngầm ở khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội: so sánh thành phần hóa học trong nước sông, nước ngầm Holocen, nước ngầm Pleistocen ở khu vực khai thác nước (Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội) và khu vực