Tài liệu Nghiên cứu sự ô nhiễm kim loại (sắt, nhôm, mangan, đồng, chì, cadimi) trong nước dưới đất tầng pleistocen khu vực tp. hồ chí minh.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THỊ PHI OANH NGHIÊN CỨU SỰ Ô NHIỄM KIM LOẠI (SẮT, NHÔM, MANGAN, ĐÔNG, CHÌ, CADIMI) TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT TẦNG PLEISTOCEN KHU VỰC TP.HỒ CHÍ MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THỊ PHI OANH NGHIÊN CỨU SỰ Ô NHIỄM KIM LOẠI (SẮT, NHÔM, MANGAN, ĐÔNG, CHÌ, CADIMI) TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT TẦNG PLEISTOCEN KHU VỰC TP.HỒ CHÍ MINH Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT Mã số chuyên ngành: 62.52.05.01 Phản biện độc lập: PGS. TS. Phạm Trung Hiếu Phản biện độc lập: PGS. TS. Tạ Đức Thịnh Phản biện: PGS. TS. Vũ Chí Hiếu Phản biện: PGS. TS. Đoàn Văn Cánh Phản biện: PGS. TS. Lê Trung Chơn NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1: NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2: PGS.TS. NGUYỄN VIỆT KỲ TS. NGÔ DỨC CHÂN LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Trần Thị Phi Oanh i TÓM TẮT LUẬN ÁN Thành phố Hồ Chí Minh (Tp.HCM) là một trung tâm kinh tế - văn hoá – xã hội hàng đầu tại Việt Nam.Tại thành phố Hồ Chí Minh nước dưới đất (NDĐ) được quan tâm, khai thác sử dụng từ những thập niên năm mươi của thế kỷ trước và có vai trò quan trọng sau nguồn nước mặt ở thành phố Hồ Chí Minh với tổng lưu lượng khai thác cho sinh hoạt gần 1 triệu m3/ngày.đêm trong đó tầng Pleistocen khoảng 200.000m3/ngày.đêm. Trong những năm gần đây với các biểu hiện về thời tiết cực đoan như mưa trái mùa, lượng mưa gia tăng, lũ lụt, hạn hán kéo dài, nhiệt độ cao bất thường diễn ra khá thường xuyên và cũng đã ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng nguồn nước dưới đất (NDĐ) tại khu vực. Trong khai thác sử dụng nước dưới đất, ngoài việc đáp ứng về số lượng thì chất lượng cũng đều được quan tâm hàng đầu. Tuy nhiên, trong những nghiên cứu gần đây cho thấy, nước các trong tầng chứa nước Pleistocen khu vực Tp.HCM hiện đã phát hiện một số kim loại với hàm lượng tăng cao như Al, Mn, Cu, Pb, As, Cd, Hg ở một số khu vực, sự xuất hiện các ion kim loại như vậy có ảnh hưởng khá lớn đến sức khỏe con người. Luận án nghiên cứu xác lập điều kiện diễn biến thành phần hoá học trong nước dưới đất trên cơ sở xây dựng tập hợp chuỗi số liệu về kết quả phân tích thành phần kim loại của các tầng chứa nước khu vực Tp.HCM qua các giai đoạn 1991-1997, 1997-2006 và 2006-2017. Kết quả phân tích thạch học cho thấy hầu hết thành phần đất ở các quận huyện khu vực Tp. HCM được hình thành từ các khoáng vật chính như: thạch anh, kali feldspar, plagioclase, sét, canxit, dolomit, pyrit, riebeckit, siderit. Việc phóng thích các kim loại từ các khoáng vật này vào trong NDĐ phụ thuộc phần lớn vào điều kiện địa hoá môi trường. Luận văn cũng bước đầu làm sáng tỏ cơ chế xâm nhập của các kim loại Fe, Mn, As và Al vào trong nước dưới đất khu vực Tây Bắc Thành phố Hồ Chí Minh. Ngoài ra, điều kiện phát triển kinh tế tự nhiên và xã hội tại Tp.HCM cũng góp phần tích cực thúc đẩy những nhân tố của một số kim loại đi vào trong nước dưới đất. Về đánh giá rủi ro sức khoẻ, luận án đã đánh giá được rủi ro không gây ung thư đối với các kim loại thông qua đường ăn uống như Al, Mn, As, Cd, đây là đường phơi nhiễm chủ yếu cho người dân khi mà đa số người dân tại địa bàn nghiên cứu vẫn sử dụng nước không qua xử lý hay xử lý rất sơ sài sử dụng cho ăn uống và sinh hoạt. Việc sử dụng mô ii hình lan truyền 3MTDMs của GMS cho thấy xu hướng lan truyền ô nhiễm kim loại Mn, As, Cu, Pb, Cu, Cd có xu hướng dịch chuyển theo hướng dòng chảy, hướng di chuyển chung về phía Đông và Đông Nam. Từ kết quả của mô hình này, việc đánh giá và phân vùng rủi ro sức khoẻ liên quan đến vùng nghiên cứu được xác định. Nhìn chung đa số các phường/xã nơi tập trung nhiều khu công nghiệp, khu chế xuất, bãi rác đều cho hàm lượng kim loại cao và phân vùng rủi ro là cao và không chấp nhận được. Trong đó, rủi ro gây ung thư cao nhất ở khu vực Củ Chi, tập trung chính ở một số xã như An Phú, Trung Lập Thượng, Phạm Văn Côi, Hoà Phú, Bình Mỹ, Thái Mỹ, Phước Thạnh, Tân An Hội, Nhuận Đức, hàm lượng Cd tại 2 xã Phước Hiệp và Tân An Hội thuộc huyện Củ Chi có hàm lượng Cd trong nước tại hai khu vực này khá cao có nguy cơ gây ung thư cao không chấp nhận được trong môi trường nước. Đối với kim loại mangan diễn ra trên diện rộng trên toàn địa bàn huyện Bình Chánh, Hóc Môn cùng với một số xã thuộc huyện Củ Chi như xã Trung An và Tân Phú Trung có mức độ rủi ro trung bình còn lại các khu vực khác đối với kim loại mangan mức độ rủi ro gây ung thư ở mức chấp nhận. Luận án cũng thiết lập và xây dựng được mô hình xử lý nước nhiễm kim loại quy mô hộ gia đình đơn giản, rẻ tiền, dễ áp dụng và đã được thử nghiệm thành công tại khu vực nghiên cứu. iii ABSTRACT Groundwater is an important resource for water supply in Ho Chi Minh City (HCM City) which is one of the biggest city in Vietnam. Groundwater has been exploited here since the 1950s and contributes about 1 million m3/day (with about 200.000m3/day from Pleistocen aquifers) for water supply in HCM City. In recent years, groundwater quality in HCM City has been deteriorated due to climate change and getting more concern in groundwater management. Recent studies showed that the concentration of heavy metals in groundwater such as Al, Mn, Cu, Pb, As, Cd, and Hg was high in Pleistocen aquifers of HCM City. The occurrences of those heavy metals in groundwater may affect human health. In this study, the hydrogeochemical conditions and changes of groundwater chemistry based on the long-term monitoring data of heavy metals in the HCM City aquifer system for three periods: 1991-1997, 1997-2006, and 2006-2017 have been collected and investigated. The lithology analysis results show that the sediments in HCM City mainly consist of Quartz, K-Felspar, Plagioclase, Clay, Calcite, Dolomite, Pyrite, Riebeckite, and Siderite with varied proportion. The mobilisation of heavy metals from such minerals into groundwater are largely depended on the hydrogeochemical conditions. This study also presents the releasing mechanisms of heavy metals such as Fe, Mn, As, and Al into groundwater in the Northwestern HCM City. Also, natural conditions and anthropogenic activities in HCM City are other factors influencing the releasing of heavy metals into groundwater. For health risk assessment, this study evaluated the non-risk of cancer for such heavy metals through drinking and food consumption in HCM City, which is the primary way of exposure to the toxicity of heavy metals due to the use of untreated groundwater in domestic use. The utilization of MT3DMS, a three-dimensions transport model module in GMS software, showed the transportation trends of heavy metals generally following the flow direction to the east and southeastern area. Based on the model results, the assessment and zonation of health risks were determined for HCM Ctity. Overall, the high concentration of heavy metals and high to ‘unacceptable’ zones are concentrated in areas of landfill, and industry. In particular, the highest risk of cancer is distributed in Cu Chi, iv especially in An Phu, Trung Lap Thuong, Pham Van Coi, Hoa Phu, Binh My, Thai My, Phuoc Thanh, Tan An Hoi and Nhuan Duc communes. The high Cd concentrations in Phuoc Hiep and Tan An Hoi communes in Cu Chi are unacceptable for domestic use due to a high risk of cancer. Mn contaminations occur largely in Binh Chanh, Hoc Mon and Cu Chi area with the intermediate risk of cancer observed in Trung An and Tan Phu Trung communes and acceptable risk of cancer in other communes. According to the results of this study, the pilot scale water treatment for heavy metals in the household-scale was proposed and successfully tested in HCM City. v LỜI CÁM ƠN Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy hướng dẫn khoa học – PGS.TS. Nguyễn Việt Kỳ, thầy TS. Ngô Đức Chân, người đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ NCS hoàn thành Luận án này. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, NCS đã được các cán bộ, thầy cô giáo của Bộ môn Địa Kỹ thuật, Khoa Kỹ Thuật Địa chất - Dầu khí - Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM nhiệt tình, chân thành giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho NCS hoàn thành nhiệm vụ; NCS đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp sâu sắc của PGS.TS. Đậu Văn Ngọ, PGS.TS. Vũ Chí Hiếu, PGS.TS. Đoàn Văn Cánh, PGS.TS. Phạm Quý Nhân, PGS.TS. Trần Văn Xuân các nhà khoa học trong và ngoài trường thuộc các lĩnh vực liên quan với đề tài Luận án. NCS xin được bày tỏ lòng cảm ơn chân thành, sâu sắc tới Thầy Cô, các nhà khoa học về những giúp đỡ quý báu đó. Tác giả xin chân thành cám ơn Ban chủ nhiệm khoa Tài nguyên và Môi trường, Ban lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu công nghệ và Thiết bị công nghiệp – Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo điều kiện để tác giả học tập và nghiên cứu hoàn thành chương trình học. Tác giả gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo cùng cán bộ của Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước Miền Nam đã tạo điều kiện cho tác giả được tiếp xúc với các tài liệu liên quan cũng như trao đổi các ý tưởng khoa học. Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn Ba, Mẹ, cô, chú, chồng, anh chị em, con cùng các bạn đồng nghiệp đã động viên, khích lệ và tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận án này. vi MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................. x DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... xiii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................xiv MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ................................................................... 1 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ..................................................................... 1 2.1. Đối tượng nghiên cứu. ................................................................................. 1 2.2. Phạm vi nghiên cứu. .................................................................................... 2 3. Mục tiêu của luận án. .......................................................................................... 2 4. Nội dung nghiên cứu luận án. ............................................................................. 2 5. Nhiệm vụ của luận án. ........................................................................................ 3 6. Phương pháp nghiên cứu. ................................................................................... 4 7. Những luận điểm bảo vệ. .................................................................................... 5 8. Những điểm mới của luận án. ............................................................................. 5 9. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. ........................................................ 6 9.1. Ý nghĩa khoa học. ........................................................................................ 6 9.2.Ý nghĩa thực tiễn. ......................................................................................... 6 10. Cơ sở tài liệu của luận án. ................................................................................. 6 11. Cấu trúc của luận án.......................................................................................... 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TỐ KIM LOẠI TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN. ............................................................... 8 1.1. Tổng quan về nguyên tố kim loại trong nước dưới đất. ................................. 8 1.1.1. Sắt. ............................................................................................................ 8 1.1.2. Mangan. .................................................................................................... 9 1.1.3. Asen. ....................................................................................................... 10 1.1.4. Nhôm. ..................................................................................................... 12 1.1.5. Chì .......................................................................................................... 13 1.1.6. Thủy ngân ............................................................................................... 14 1.1.7. Cadimi. ................................................................................................... 15 1.2. Các nghiên cứu về kim loại trong nước dưới đất. ......................................... 16 1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước. ................................................................... 16 1.2.2. Các nghiên cứu trong nước. ................................................................... 22 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. ...................... 26 2.1. Phương pháp luận nghiên cứu. ...................................................................... 26 2.2. Cơ sở số liệu. ................................................................................................. 27 2.2.1. Số liệu về các tầng chứa nước và thành phần hoá học của tầng chứa nước khu vực Tp.HCM.................................................................................................. 27 2.2.2. Số liệu về thành phần thạch học tầng chứa nước Pleistocen khu vực Tp.HCM. ........................................................................................................................ 30 2.3. Các phương pháp nghiên cứu. ................................................................................ 31 2.3.1. Phương pháp phân tích lịch sử tự nhiên. ................................................ 31 2.3.2. Phương pháp thu thập thông tin, tài liệu. ............................................... 33 2.3.3. Phương pháp xử lí, tổng hợp dữ liệu. ..................................................... 33 2.3.4. Phương pháp lấy mẫu, xử lý và phân tích mẫu thử nghiệm. .................. 33 2.3.5. Phương pháp thống kê. ....................................................................... 39 vii 2.3.6. Phương pháp đánh giá rủi ro sức khỏe. .................................................. 39 2.3.7.Phương pháp mô hình hoá. ...................................................................... 44 2.3.8.Phương pháp chuyên gia. ........................................................................ 44 CHƯƠNG 3: THÀNH PHẦN KIM LOẠI TRONG NDĐ CÁC TẦNG PLEISTOCEN VÀ NGUỒN GỐC CỦA KIM LOẠI. ........................................................................... 45 3.1. Đặc điểm địa chất thuỷ văn tầng chứa nước Pleistocen khu vực Tp.HCM. .. 45 3.1.1. Cấu tạo địa chất và địa chất thuỷ văn khu vực nghiên cứu. ................... 45 3.1.2. Đặc điểm các tầng chứa nước Pleistocen. .............................................. 48 3.2. Thành phần kim loại trong NDĐ tầng Pleistocen khu vực Tp.HCM. ........... 53 3.2.1.Xác định giá trị nền của mangan và nhôm. ............................................. 53 3.2.2. Diễn biến kim loại nước tầng chứa nước Pleistocen giai đoạn 2000 – 2016. .............................................................................................................................. 54 3.3. Phân bố kim loại trong nước dưới đất tầng Pliestocen. ................................. 58 3.3.1. Sự phân bố kim loại theo chiều sâu. ....................................................... 58 3.3.2. Mối tương quan giữa pH và kim loại. .................................................... 60 3.3.3. Hệ số tương quan giữa các kim loại. ...................................................... 61 3.3.4. Sơ đồ phân bố kim loại trong nước dưới đất khu vực nghiên cứu. ........ 63 3.4. Nguồn gốc kim loại trong nước dưới đất tầng Pleistocen. ............................ 65 3.4.1. Nguồn cung cấp ion. ............................................................................... 65 3.4.2. Các quá trình kim loại xâm nhập vào nước dưới đất. ............................ 69 3.4.3. Các nhân tố tác động. ............................................................................. 85 3.5. Mô hình dòng chảy nước dưới đất. ........................................................... 92 3.5.1. Phương trình toán và phương pháp giải. ............................................ 93 3.5.2. Xây dựng mô hình. ............................................................................. 93 3.5.3. Hiệu chỉnh mô hình. ........................................................................... 97 3.6. Dự báo ô nhiễm kim loại trong tầng chứa nước Pleistocen. ...................100 Chương 4: ĐÁNH GIÁ RỦI RO SỨC KHỎE KHI NƯỚC DƯỚI ĐẤT CÁC TẦNG PLEISTOCEN BỊ NHIỄM KIM LOẠI VÀ PHÂN VÙNG RỦI RO. ........................108 4.1. Đánh giá rủi ro sức khoẻ theo hiện trạng. ....................................................108 4.1.1. Tính toán rủi ro ung thư và không gây ung thư trong môi trường nước. ..................................................................................................................................... 109 4.1.2. Kết quả tính toán. ................................................................................. 110 4.2. Phân vùng rủi ro sức khỏe theo hiện trạng ô nhiễm kim loại. .....................111 4.3. Xây dựng quy trình thực nghiệm xử lý nước cho sinh hoạt. .......................114 4.3.1. Cơ sở phương pháp xử lý. .................................................................... 114 4.3.2. Mô hình và vật liệu nghiên cứu. ........................................................... 115 4.3.4. Đề xuất mô hình xử lý quy mô hộ gia đình. ......................................... 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................126 1. Kết luận. ..........................................................................................................126 2. Kiến nghị.........................................................................................................127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ..........................................................130 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 132 PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG KHÔNG GÂY UNG THƯ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC ................................................................................137 PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ XỬ LÝ NƯỚC DUNG CHO MỤC ĐÍCH SINH HOẠT ..146 PHỤ LỤC 2.1: CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MÔ HÌNH.....................149 viii PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ LẤY MẪU KHẢO SÁT PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN THẠCH HỌC. .............................................................................................................154 PHỤ LỤC 4: Sơ đồ hiện trạng ô nhiễm, mô hình lan truyền của kim loại và sơ đồ phân vùng rủi ro không gây ung thư trong môi trường nước đối với kim loại…..161 PHỤ LỤC 5: Hàm lượng các kim loại mangan, chì, cadimi theo thời gian và theo mùa giai đoạn 2000-2016 ..………………………………………………………………190 ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Khu vực nghiên cứu. ........................................................................................... 2 Hình 2. 1 Sơ đồ vị trí các trạm quan trắc quốc gia. ....................................................... 29 Hình 2. 2 Sơ đồ vị trí lấy mẫu giai đoạn 2013-2017. ................................................... 30 Hình 2. 3 Sơ đồ vị trí các hố khoan lấy mẫu thạch học. ................................................ 31 Hình 2. 4 Quy trình thí nghiệm phá mẫu đất. .............................................................. 36 Hình 2. 5 Quy trình thí nghiệm phá mẫu đất. .............................................................. 36 Hình 2. 6 Các tuyến phơi nhiễm [30]. ........................................................................... 41 Hình 2. 7 Tiến trình đánh giá rủi ro sức khỏe [30]. ....................................................... 42 Hình 3. 1 Mặt cắt địa chất tuyến dọc theo Tp.HCM từ sông Nhà Bè (LK170) tới Biển Đông [33]. ...................................................................................................................... 46 Hình 3. 2 Mặt cắt địa chất từ LK814 đến sông Đồng Nai (tại Long Bình) [33]. .......... 47 Hình 3. 3 Mặt cắt địa chất từ Tân An Hội-CC (LK802) đến Phú An-CC (LK806) [33]. ....................................................................................................................................... 47 Hình 3. 4 Mặt cắt địa chất thủy văn khu vực nội thành Tp.HCM [30]. ........................ 48 Hình 3. 5 Mặt cắt địa chất thủy văn từ LK814 đến sông Đồng Nai (tại Long Bình) [33]................................................................................................................................. 49 Hình 3. 6 Mặt cắt địa chất thủy văn từ LK802 (Tân AN Hội-CC) đến LK806 (Phú AnCC) [33]. ........................................................................................................................ 49 Hình 3. 7 Diễn biến hàm lượng mangan theo thời gian và theo mùa giai đoạn 2000 – 2016. .............................................................................................................................. 57 Hình 3. 8 Diễn biến hàm lượng chì theo thời gian và theo mùa giai đoạn 2000 – 2016. ....................................................................................................................................... 58 Hình 3. 9 Diễn biến hàm lượng cadmi theo thời gian và theo mùa giai đoạn 2000 – 2016. .............................................................................................................................. 59 Hình 3. 10 Sự phân bố Fe, Al, Mn, As theo độ sâu. ...................................................... 60 Hình 3. 11 Sự phân bố Cu, Pb,Cd theo độ sâu. ............................................................. 60 Hình 3. 12. Sự phân bố Fe,Mn, Al, As theo pH. ........................................................... 62 Hình 3. 13 Sự phân bố Cu, Pb, Cd theo độ pH.............................................................. 63 Hình 3. 14 Sự tương quan giữa Al và Mn. .................................................................... 65 Hình 3. 15 Sự tương quan giữa As và Fe. ..................................................................... 65 Hình 3. 16 Sự tương quan giữa Pb và Cd. ..................................................................... 65 Hình 3. 17 Sự tương quan giữa Al và Pb. ..................................................................... 65 Hình 3. 18 Sơ đồ vị trí hiện trạng ô nhiễm Mangan. ..................................................... 66 Hình 3. 19 Sơ đồ vị trí hiện trạng ô nhiễm Asen. ......................................................... 66 Hình 3. 20 Sơ đồ vị trí hiện trạng ô nhiễm Nhôm. ........................................................ 66 Hình 3. 21 Sơ đồ vị trí hiện trạng ô nhiễm Chì. ............................................................ 66 Hình 3. 22. Quan hệ giữa các loại Al và pH [36]. ......................................................... 79 Hình 3. 23. Quan hệ nghịch đảo giữa hàm lượng Al và pH. ......................................... 81 Hình 3. 24. Quan hệ giữa hàm lượng Al hòa tan và pH. ............................................... 81 Hình 3.25. Ảnh hưởng của pH đến các dạng tồn tại của Asen [36]. ............................. 82 Hình 3.26 Ảnh hưởng của Eh-pH các dạng tồn tại của Asen....................................... 83 Hình 3.27. Đồ thị Eh-pH các dạng tồn tại của As trong hệ gồm As-O2-H2O tại 25oC và áp suất 1 bar [36]. ..................................................................................................... 84 Hình 3.28 Đồ thị Eh-pH của hệ As-Fe-H2O [2]. ......................................................... 84 x Hình 3. 29 Sơ đồ phân ly Asenite đối với pH [As(III)] [36]. ........................................ 84 Hình 3. 30. Sơ đồ phân ly Asenate đối với pH [As(V)] [36]. ...................................... 84 Hình 3. 31. Sơ đồ pH-Eh chỉ khả năng khử - oxi hóa đối với các loại asen nước trong hệ thống AsO-2. .............................................................................................................. 84 Hình 3. 32. Bản đồ vùng lập mô hình dòng chảy NDĐ. ............................................... 96 Hình 3. 33. Lưới tính toán 2 chiều. ............................................................................... 96 Hình 3. 34 Bản đồ chiều sâu đáy lớp 1. ......................................................................... 97 Hình 3. 35Bản đồ chiều sâu đáy lớp 2. .......................................................................... 97 Hình 3. 36. Bản đồ chiều sâu đáy lớp 3. ........................................................................ 97 Hình 3.37. Bản đồ chiều sâu đáy lớp 4 ......................................................................... 97 Hình 3. 38. Bản đồ hệ số thấm tầng chứa lớp 1 (m/d). ................................................. 98 Hình 3. 39. Bản đồ hệ số thấm tầng chứa lớp 2 (m/d). ................................................. 98 Hình 3. 40. Bản đồ hệ số thấm tầng chứa lớp 4 (m/d) .................................................. 98 Hình 3. 41. Kết quả hiệu chỉnh bài toán ổn định tầng Pleistocen trung – thượng. .....100 Hình 3. 42. Kết quả hiệu chỉnh bài toán ổn định tầng Pleistocen hạ. ..........................101 Hình 3.43. Mực nước tầng Pleistocen trung - thượng và Pleistocen hạ. ....................102 Hình 3. 44 Kết quả mô hình lan truyền Mn sau 6 tháng. ............................................103 Hình 3. 45 Kết quả mô hình lan truyền Mn sau 1 năm ...............................................104 Hình 3. 46 Kết quả mô hình lan truyền Mn sau 5 năm. ..............................................105 Hình 3. 47. Kết quả mô hình lan truyền As sau 6 tháng. ............................................103 Hình 3. 48. Kết quả mô hình lan truyền As sau 1 năm. ..............................................104 Hình 3. 49. Kết quả mô hình lan truyền As sau 5 năm. ..............................................104 Hình 3. 50 Kết quả mô hình lan truyền Al sau 6 tháng. ..............................................105 Hình 3. 51 Kết quả mô hình lan truyền Al sau 1 năm. ................................................105 Hình 3. 52 Kết quả mô hình lan truyền Al sau 5 năm. ................................................105 Hình 3. 53 Kết quả mô hình lan truyền Pb sau 6 tháng. ..............................................105 Hình 3. 56. Kết quả mô hình lan truyền Cu sau 6 tháng. ............................................107 Hình 3. 57. Kết quả mô hình lan truyền Cu sau 1 năm. ..............................................107 Hình 3. 58: Kết quả mô hình lan truyền Cu sau 5 năm. ..............................................107 Hình 3. 59: Kết quả mô hình lan truyền Cd sau 6 tháng. ............................................107 Hình 3. 60 Kết quả mô hình lan truyền Cd sau 1 năm. ...............................................108 Hình 3. 61. Kết quả mô hình lan truyền Cd sau 5 năm. ..............................................108 Hình 4. 1 Sơ đồ vị trí lấy mẫu đánh giá rủi ro sức khoẻ. ............................................111 Hình 4. 2 Sơ đồ phân vùng rủi ro gây ung thư trong môi trường nước đối với kim loại Asen. ............................................................................................................................ 113 Hình 4. 3 Sơ đồ phân vùng rủi ro không gây ung thư trong môi trường nước đối với kim loại Asen. ..............................................................................................................114 Hình 4. 4 Sơ đồ phân vùng rủi ro không gây ung thư trong môi trường nước đối với kim loại Mangan. .........................................................................................................114 Hình 4. 5 Sơ đồ phân vùng rủi ro không gây ung thư trong môi trường nước đối với kim loại Al. ..................................................................................................................115 Hình 4. 6 Sơ đồ phân vùng rủi ro không gây ung thư trong môi trường nước đối với kim loại Cd. .................................................................................................................115 Hình 4. 7 Các vật liệu lọc sử dụng cho mô hình. ........................................................119 Hình 4. 8 Mô hình thí nghiệm. ....................................................................................120 Hình 4. 9 Biều đồ so sánh hiệu quả xử lý Mn tại 3 nghiệm thức nồng độ. .................122 xi Hình 4. 10 Biều đồ so sánh hiệu quả xử lý Al tại 3 nghiệm thức nồng độ. ................122 Hình 4. 11 Biều đồ so sánh hiệu quả xử lý As tại 3 nghiệm thức nồng độ. ................123 Hình 4. 12 Sơ đồ thể hiện nồng độ và hiệu suất sau xử lý tại một số vị trí ở Tp.HCM. .....................................................................................................................................125 Hình 4. 13 Quy trình công nghệ xử lý kim loại cho hộ gia đình. ................................ 126 Hình 4. 14 Mô hình cột vật liệu hấp phụ đơn giản cho hộ gia đình. ........................... 127 xii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Biểu hiện của nhiễm độc Mangan theo thời gian.......................................... 10 Bảng 2. 1 Biểu hiện của nhiễm độc Mangan theo thời gian.......................................... 28 Bảng 2. 2 Bảng thống kê số quận/huyện khảo sát mẫu thạch học ................................ 30 Bảng 2. 3 Các kỹ thuật bảo quản mẫu. .......................................................................... 37 Bảng 2. 4 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu. ............................................................. 38 Bảng 2. 5 : Mức độ rủi ro ung thư trong môi trường nước. .......................................... 43 Bảng 2. 6 Mức độ rủi ro không gây ung thư trong môi trường nước. ........................... 43 Bảng 3. 1 Thang địa tầng và các kiểu nguồn gốc trầm tích N-Q khu vực Tp.HCM. .... 45 Bảng 3. 2 Cách phân chia địa tầng khu vực Tp.HCM năm 2010. ................................. 48 Bảng 3. 3 Thống kê kết quả hút nước thí nghiệm phức hệ chứa nước Pleistocen. ....... 51 Bảng 3. 4 Thống kê kết quả hút nước thí nghiệm tầng chứa nước Pleistocen. ............. 52 Bảng 3. 5 Kết quả quan trắc hàm lượng Mn và Al trong giai đoạn 1991-1997. ........... 55 Bảng 3. 6 Hàm lượng các kim loại trong nước dưới đất các tầng Pleistocen ở các trạm quan trắc trong giai đoạn 2000 – 2016. ......................................................................... 56 Bảng 3. 7 Bảng hệ số tương quan giữa các kim loại. .................................................... 63 Bảng 3. 8 Tổng hợp thành phần thạch học mẫu đất tại một số khu vực Tp.HCM. ....... 67 Bảng 3. 9 Hàm lượng % khoáng vật trong các mẫu đất. ............................................... 69 Bảng 3. 10 Giá trị tương quan giữa các ion kim loại trong NDĐ tầng Pleistocen khu vực Tp. HCM. ................................................................................................................ 70 Bảng 3. 11 Kết quả phân tích TPHH các mẫu đất. ........................................................ 79 Bảng 4. 1 Đặc tính vật liệu lọc sử dụng cho mô hình. ................................................118 Bảng 4. 2 Thông số kỹ thuật giai đoạn chạy thực nghiệm mô hình. ........................... 121 Bảng 4. 3 Nồng độ và vị trí đặt mô hình thực nghiệm xử lý ngoải hiện trường. ........121 xiii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT IARC : International Agency for Research on Cancer NDĐ: Nước dưới đất TPHH: Thành phần hóa học GMS: Mô hình ĐCTV: Địa chất thủy văn nnk: Nhóm nghiên cứu SPM NCS: Nghiên cứu sinh SPSS: Phần mềm ADD: Liều lượng trung bình hằng ngày LADD: Liều lượng hằng ngày trong thời gian sống RfC: Nồng độ tham chiếu RfD: Liều lượng tham chiếu q𝑝3 : Plesitocen trên q𝑝2−3 : Plesitocen giữa – trên q𝑝1 : Plesitocen dưới 𝑛22 : Pliocen giữa 𝑛12 : Pliocen dưới 𝑛13 : Miocen 𝑄12−3 tđ: Thành tạo rất nghèo nước Pleistocen giữa – trên thủ đức 𝑁22 bm: Thành tạo rất nghèo nước Pliocen trên bà miêu Tầng chứa nước ps – ms 𝑄11 đc: Thành tạo rất nghèo nước Pleistocen dưới đất cuốc 𝑄13 : Thành tạo rất nghèo nước Holocen – Pleistocen trên xiv MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Thành phố Hồ Chí Minh (Tp.HCM) là một trung tâm kinh tế - văn hoá – xã hội hàng đầu tại Việt Nam.Tại thành phố, nước dưới đất (NDĐ) được quan tâm, khai thác sử dụng từ những năm năm mươi của thế kỷ trước và có vai trò quan trọng sau nguồn nước mặt ở thành phố Hồ Chí Minh với tổng lưu lượng khai thác cho sinh hoạt gần 1triệu m3/ngày trong đó tầng Pleistocen khoảng 200.000m3/ngày. đêm. Các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa trái mùa, lượng mưa gia tăng, lũ lụt, hạn hán kéo dài, nhiệt độ cao bất thường... diễn ra khá thường xuyên và cũng ảnh hưởng rất lớn đến nguồn NDĐ tại khu vực. Trong khai thác sử dụng nước dưới đất ngoài việc phải đáp ứng về số lượng thì chất lượng cũng là điều được quan tâm hàng đầu. Tuy nhiên, trong những nghiên cứu gần đây cho thấy, trong nước các tầng Pleistocen khu vực Tp.HCM đã phát hiện một số kim loại với hàm lượng tăng cao như Al, Mn, Cu, Pb, As, Cd, Hg… Sự xuất hiện các ion kim loại như vậy có ảnh hưởng khá lớn đến sức khỏe con người. Sự hiện diện và di chuyển của kim loại trong nước dưới đất là hướng nghiên cứu có tính cấp thiết trong khai thác sử dụng nước dưới đất không chỉ ở Tp.HCM mà còn nhiều nơi khác. Mặt khác, nguồn cung cấp, các quá trình hóa lý giải phóng những nguyên tố - ion vào nước dưới đất, cơ chế xâm nhập và các yếu tố ảnh hưởng về sự hiện diện của kim loại trong nước dưới đất tại thành phố Hồ Chí Minh vẫn chưa được nghiên cứu. Luận án “Nghiên cứu sự ô nhiễm kim loại (Sắt, Nhôm, Mangan, Đông, Chì, Cadimi) trong nước dưới đất tầng Pleistocen” khu vực Tây Bắc Tp.Hồ Chí Minh sẽ tiếp cận hướng nghiên cứu trên dựa vào phân tích đánh giá môi trường thành tạo và hiện trạng ô nhiễm các kim loại nước dưới đất nhằm xác định nguồn gốc hình thành và di chuyển các thành phần kim loại để giải quyết vấn đề cấp bách trên. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. 2.1. Đối tượng nghiên cứu. Thành phần ô nhiễm kim loại (Sắt, Nhôm, Mangan, Đông, Chì, Cadimi) và môi trường thủy địa hóa trong tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Pleistocen. 1 2.2. Phạm vi nghiên cứu. Vùng nghiên cứu là khu vực thành phố Hồ Chí Minh với diện tích khoảng 2.095 km2 và các tầng chứa nước Pleistocen (các mẫu nước lấy được tập trung chủ yếu vùng tây bắc) Hình 1 Khu vực nghiên cứu. 3. Mục tiêu của luận án. - Làm rõ hiện trạng ô nhiễm kim loại (Fe, Al, Mn, As, Cu, Pb, Cd) trong nước dưới đất các tầng chứa nước Pleistocen khu vực Tây Bắc Thành Phố Hồ Chí Minh. - Làm sáng tỏ nguồn gốc, cơ chế, các yếu tố ảnh hưởng đến sự xâm nhập của kim loại Fe, Al, Mn, As vào nước dưới đất. - Đánh giá rủi ro sức khỏe con người với các kim loại Al, Mn, As, Cd đề xuất các biện pháp xử lý, quản lý, sử dụng tài nguyên nước dưới đất một cách hiệu quả và bền vững 4. Nội dung nghiên cứu luận án. Nhằm đáp ứng mục tiêu nghiên cứu nêu trên, luận án tập trung nghiên cứu các nội dung chính sau: 2 1. Xác lập điều kiện địa hóa môi trường (pH, Eh), phân vùng độ sâu phân bố tầng chứa nước và mức độ trao đổi nước trên cơ sở mức độ chia cắt địa hình… nghiên cứu hiện trạng và diễn biến theo thời gian xây dựng tập hợp chuỗi số liệu về hình trụ các liên kết vào các tầng chứa nước Pleistocen khu vực Tây Bắc Thành Phố Hồ Chí Minh. Từ đó, so sánh và đưa ra các nhận định tổng quát về tầng chứa nước Pleistocen khu vực Tp.HCM. 2. Xác định giá trị nền của các kim loại (Fe, Al, Mn, As, Cu, Pb, Cd) thông qua việc sử dụng địa thống kê và nghiên cứu xây dựng bản đồ phân bố kim loại trong nước dưới đất, đánh dấu những vùng có hàm lượng kim loại dị thường tầng chứa nước Pleistocen khu vực Tây Bắc Thành Phố Hồ Chí Minh. 3. Nghiên cứu các khoáng vật có khả năng cung cấp kim loại cho NDĐ thông qua việc lấy mẫu đất một số khu vực, phân tích thành phần khoáng vật, hóa học nước chiết… Ngoài ra, Luận án cũng so sánh bản đồ phân bố kim loại trong NDĐ với bản đồ phân bố các khu công nghiệp, các khu dân cư nhằm tìm kiếm những tương quan có thể có. 4. Xác lập cơ chế di chuyển của kim loại (Fe, Al, Mn, As) đi vào NDĐ thông qua việc tìm hiểu đặc tính các kim loại, sự tồn tại của chúng ứng với các điều kiện địa hóa, pH… từ đó xác định các quá trình hóa học, hóa lý có thể tồn tại trong tự nhiên. 5. Đánh giá rủi ro sức khoẻ và phân vùng rủi ro sức khỏe theo hiện trạng ô nhiễm kim loại Al, Mn, As, Cd. 6. Xây dựng quy trình xử lý để giảm thiểu, loại bỏ hàm lượng kim loại trong NDĐ phục vụ sử dụng quy mô hộ gia đình 5. Nhiệm vụ của luận án. Nhằm đáp ứng mục tiêu nghiên cứu nêu trên và có cơ sở chứng minh các luận điểm bảo vệ đề ra, Luận án tập trung các nhiệm vụ chính như sau: 1. Xác lập điều kiện địa hóa môi trường pH, Eh, phân vùng độ sâu phân bố tầng chứa nước và mức độ trao đổi nước trên cơ sở mức độ chia cắt địa hình… nghiên cứu hiện trạng và diễn biến theo thời gian xây dựng tập hợp chuỗi số liệu về hình trụ các liên kết vào các tầng chứa nước Pleistocen khu vực Tây Bắc Thành Phố Hồ Chí Minh. Từ đó, so sánh và đưa ra các nhận định tổng quát về tầng chứa nước Pleistocen khu vực Tp.HCM. 3 2. Lấy mẫu và phân tích mẫu đất đá của tầng Pleistocen, trong đó chú trọng các khu vực có khả năng hàm lượng kim loại trong NDĐ tăng cao. 3. Nghiên cứu quá trình giải phóng các khoáng vật trong đá chứa kim loại thông qua các thí nghiệm, thực nghiệm trong các môi trường có độ pH khác nhau. 4. Xác lập cơ chế di chuyển của kim loại vào NDĐ thông qua việc tìm hiểu đặc tính các kim loại, sự tồn tại của chúng ứng với các điều kiện địa hóa, pH… từ đó xác định các quá trình hóa học, hóa lý có thể tồn tại trong tự nhiên. 5. Đánh giá rủi ro sức khoẻ (Al, Mn, As, Cd) và Phân vùng rủi ro sức khỏe theo hiện trạng ô nhiễm kim loại trong việc khai thác và sử dụng nguồn nước dưới đất của các tầng Pleistocen khu vực Tây Bắc Thành Phố Hồ Chí Minh dùng làm nguồn nước sinh hoạt. 6. Thực nghiệm và đề xuất quy trình để giảm thiểu, loại bỏ hàm lượng kim loại trong NDĐ phục vụ sử dụng quy mô hộ gia đình. 6. Phương pháp nghiên cứu. Các phương pháp chính được sử dụng trong quá trình thực hiện luận án gồm: 1. Phương pháp phân tích lịch sử tự nhiên: nhằm hiểu rõ sự hình thành và đặc điểm cấu trúc địa chất, thành phần và tính chất của môi trường địa chất khu vực nghiên cứu cũng như nguồn gốc, quá trình hình thành TPHH và các nhân tố tác động tới các quá trình này... 2. Phương pháp địa chất: để nghiên cứu sự hình thành và đặc điểm cấu trúc địa chất, thành phần và tính chất của môi trường địa chất khu vực nghiên cứu. 3. Phương pháp cập nhật, thu thập, xử lý và tổng hợp tài liệu: được sử dụng xuyên suốt trong quá trình thực hiện luận án, bao gồm việc thu thập các tài liệu trong và nước ngoài hiện có liên quan đến thành phần hóa học NDĐ, các phần mềm về mô hình của lĩnh vực địa chất thủy văn đã và đang được áp dụng trên thế giới, đến việc tổng hợp các tư liệu khí tượng, thủy văn, địa chất, địa chất thủy văn, môi trường, hiện trạng khai thác, hiện trạng mực nước, hiện trạng ô nhiễm và nhu cầu sử dụng nước tại vùng nghiên cứu. 4. Phương pháp phân tích mẫu bổ sung: Quy trình lấy mẫu, bảo quản mẫu đều được thực hiện đúng với quy định hiện hành. Các phương pháp lấy mẫu, phương pháp 4