Tài liệu Nghiên cứu sự tích lũy một số kim loại nặng (Cu, Pb, Zn) trong trầm tích sông Nhuệ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Ki --------------------- Nguyễn Thị Hiếu NGHIÊN CƢ́U SƢ̣ TÍ CH LŨ Y MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG (Cu, Pb, Zn) TRONG TRẦM TÍ CH SÔNG NHUỆ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ HIẾU NGHIÊN CƢ́U SƢ̣ TÍ CH LŨ Y MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG (Cu, Pb, Zn) TRONG TRẦM TÍ CH SÔNG NHUỆ Chuyên ngành: Khoa học môi trƣờng Mã số: 608502 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Ngọc Minh Hà Nội - 2013 Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................................ 3 1.1. Nguồn gốc một số KLN trong môi trường .................................................................. 3 1.2. Nguy cơ tić h lũy KLN trong trầ m tić h ........................................................................ 6 1.3. Một số quá trình và yếu tố liên quan đến khả năng tích lũy KLN trong trầm tích ........ 7 1.3.1. Hấp phụ vật lý/hóa học và đồng kết tủa.................................................................... 7 1.3.2. Tạo phức ................................................................................................................. 8 1.3.3. Các yếu tố lý – hóa học ảnh hưởng đến sự tích lũy KLN trong trầm tích sông, hồ .... 8 1.4. Khái quát một số đặc điểm tự nhiên và hiện trạng nước sông Nhuệ khu vực nghiên cứu 10 1.4.1. Đặc điểm tự nhiên.................................................................................................. 11 1.4.2. Hiện tra ̣ng ô nhiễm nước sông Nhuệ khu vực nghiên cứu ...................................... 12 1.4.3. Các nguồn thải gây ô nhiễm chủ yếu của môi trường lưu vực sông Nhuệ ............... 15 1.4.3.1. Nguồn thải sinh hoạt ........................................................................................... 15 1.4.3.2. Nguồn thải công nghiệp ...................................................................................... 15 1.4.3.3. Nguồn thải làng nghề .......................................................................................... 16 1.4.3.4. Các nguồn thải khác ............................................................................................ 17 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 19 2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................... 19 2.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 21 2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu................................................................................. 21 2.2.2. Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm ..................................................... 21 2.2.3. Phương pháp phân tích tương quan ........................................................................ 23 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ....................................... 26 3.1. Một số đặc tính lý, hóa của trầm tích sông Nhuệ ...................................................... 26 3.2. Hàm lượng KLN trong trầm tích sông Nhuệ ............................................................. 29 3.3. Mối tương quan giữa hàm lượng KLN và các đặc tính của trầm tích ......................... 34 3.4. Các dạng liên kết của KLN trong trầm tích ............................................................... 38 3.5. Khả năng hấp phụ KLN của trầm tích ....................................................................... 45 KẾT LUẬN.................................................................................................................... 55 KIẾN NGHỊ................................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 57 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 63 Học viên Nguyễn Thị Hiếu i Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số chỉ tiêu ô nhiễm đo được tại 3 vị trí khác nhau trên sông Nhuệ. ......... 13 Bảng 1.2: Hàm lượng amoni trong nước sông Nhuệ đo được tại cầu Nhật Tựu qua các đợt trong năm 2010......................................................................................................... 13 Bảng 1.3: Một số chỉ tiêu ô nhiễm đo được tại cầu Nhật Tựu theo các đợt trong năm 2010 ................................................................................................................ 14 Bảng 2.1: Mô tả vị trí lấy mẫu trầm tích ......................................................................... 20 Bảng 3.1: Một số tính chất lý, hoá học cơ bản của trầm tích sông Nhuệ ......................... 26 Bảng 3.2: Thành phần cấp hạt của trầm tích sông Nhuệ ................................................. 29 Bảng 3.3: Hàm lượng KLN trong trầm tích sông Nhuệ (mg/kg) ..................................... 30 Bảng 3.4: Hệ số tương quan Pearson giữa hàm lượng KLN trong trầm tích và các tính chất lý, hoá học cơ bản của trầm tích ............................................................... 34 Bảng 3.5: Hàm lượng các dạng kim loại trong mẫu trầm tích sông Nhuệ ....................... 38 Bảng 3.6: Khả năng hấp phụ KLN của các mẫu trầm tích (đơn vị: mmol.L-1) ............... 45 Bảng 3.7: Số liệu tính toán đường phương trình hấp phụ Freundlich .............................. 49 Bảng 3.8: Hằng số KF và n thu được từ phương trình Freundlich của các KLN .............. 53 Học viên Nguyễn Thị Hiếu ii Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Bản đồ các vị trí lấy mẫu ................................................................................ 19 Hình 2.2: Quy trình phân tích các dạng kim loại đồng, chì, kẽm .................................... 22 Hình 3.1: Hàm lượng chất hữu cơ trong trầm tích sông Nhuệ......................................... 27 Hình 3.2: Hàm lượng đồng tổng số trong trầm tích sông Nhuệ ....................................... 31 Hình 3.3: Hàm lượng chì tổng số trong trầm tích sông Nhuệ .......................................... 32 Hình 3.4: Hàm lượng kẽm tổng số trong trầm tích sông Nhuệ ........................................ 33 Hình 3.5: Tương quan giữa hàm lượng chất hữu cơ và các kim loại Cu, Pb, Zn trong trầm tích sông Nhuệ ............................................................................................... 35 Hình 3.6: Tương quan giữa hàm lượng cấp hạt sét vật lý và các kim loại Cu, Pb, Zn trong trầm tích sông Nhuệ ....................................................................................... 36 Hình 3.7: Tương quan giữa CEC và các kim loại Cu, Pb, Zn trong trầm tích sông Nhuệ 37 Hình 3.8: Sự phân bố của các da ̣ng kim loa ̣i trong các mẫu trầ m tích ............................. 42 Hình 3.9: Tương quan giữa hàm lượng hấp phụ với nồng độ trong dung dịch cân bằng của KLN tại Cống Liên Mạc .......................................................................... 47 Hình 3.10: Tương quan giữa hàm lượng hấp phụ với nồng độ trong dung dịch cân bằng của KLN tại Cầu Diễn ................................................................................... 47 Hình 3.11: Tương quan giữa hàm lượng hấp phụ với nồng độ trongdung dịch cân bằng của KLN tại Cầu Trắng .................................................................................. 47 Hình 3.12: Tương quan giữa hàm lượng hấp phụ với nồng độ trong dung dịch cân bằng của KLN tại Cầu Tả Thanh Oai ..................................................................... 47 Hình 3.13: Tương quan giữa hàm lượng hấp phụ với nồng độ trong dung dịch cân bằng của KLN tại Cầu Chiếc .................................................................................. 48 Hình 3.14: Tương quan giữa hàm lượng hấp phụ với nồng độ trong dung dịch cân bằng của KLN tại Đập Đồng Quan ......................................................................... 48 Hình 3.15: Tương quan giữa hàm lượng hấp phụ với nồng độ trong dung dịch cân bằng của KLN tại Cầu Nhật Tựu ............................................................................ 48 Hình 3.16: Tương quan giữa hàm lượng hấp phụ với nồng độ trong dung dịch cân bằng của KLN tại Cống Phủ Lý.............................................................................. 48 Học viên Nguyễn Thị Hiếu iii Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hình 3.17: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của KLN trong trầm tích Cống Liên Mạc ...................................................................................................... 51 Hình 3.18: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của KLN trong trầm tích Cầu Diễn. 51 Hình 3.19: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của KLN trong trầm tích Cầu Trắng 51 Hình 3.20: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của KLN trong trầm tích Cầu T ả Thanh Oai ..................................................................................................... 51 Hình 3.21: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của KLN trong trầm tích Cầu Chiếc Hiền Giang .................................................................................................... 52 Hình 3.22: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của KLN trong trầm tích Đập Đồng Quan ................................................................................................... 52 Hình 3.23: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của KLN trong trầm tích Cầu Nhật Tựu ...................................................................................................... 52 Hình 3.24: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của KLN trong trầm tích Cống Phủ Lý .......................................................................................................... 52 Học viên Nguyễn Thị Hiếu iv Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên DANH MỤC ẢNH Ảnh 1: Lấy mẫu trầm tích tại Cống Liên Mạc ................................................................ 64 Ảnh 2: Lấy mẫu trầm tích tại Cầu Diễn .......................................................................... 64 Ảnh 3: Lấy mẫu trầm tích tại Cầu Trắng ........................................................................ 64 Ảnh 4: Lấy mẫu trầm tích tại Cầu Tả Thanh Oai ............................................................ 64 Ảnh 5: Phơi mẫu trầm tích ............................................................................................. 65 Ảnh 6: Phân tích mẫu trong PTN Trung tâm Kỹ thuật Môi trường và An toàn Hóa chất, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam........................................................................... 65 Ảnh 7: Phân tích mẫu trong PTN bộ môn Thổ Nhưỡng và Môi trường đất của Khoa Môi trường – Trường ĐH KHTN ................................................................................ 65 Ảnh 8: Ô nhiễm nước sông Nhuệ ................................................................................... 65 Học viên Nguyễn Thị Hiếu v Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BVTV Bảo vệ thực vật CHC Chất hữu cơ KĐT Khu đô thị KLN Kim loại nặng KHCN & MT Khoa học công nghệ và môi trường KT - XH Kinh tế - Xã hội LVS Lưu vực sông NN & PTNT Nông nghiệp và phát triển nông thôn PTN Phòng thí nghiệm QCVN Quy chuẩn Việt Nam TB Trung bình TCCP Tiêu chuẩn cho phép TPCG Thành phần cơ giới UBND Ủy ban nhân dân WHO Tổ chức y tế thế giới Học viên Nguyễn Thị Hiếu vi Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm qua quá trình phát triển công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ như y tế, du lịch, thương mại... ở thành phố Hà Nội đã làm cho môi trường sông Nhuệ bị ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt sự hiện diện của kim loại nặng (KLN) trong môi trường trầm tích, đất, nước của sông Nhuệ đã và đang là vấn đề môi trường được cộng đồng quan tâm. Chiến lược bảo vệ môi trường quốc gia năm 2010 và định hướng 2020 đã xác định nhiều chương trình ưu tiên bảo vệ môi trường lưu vực sông Nhuệ. Nhiều đề án nghiên cứu, đánh giá về các vấn đề môi trường của lưu vực đã được triển khai, song kết quả đạt được cho đến nay chưa đủ để ngăn chặn và giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm cũng như đánh giá xu thế diễn biến của môi trường trong lưu vực. Trong số các tác nhân gây ô nhiễm, KLN là đối tượng được các nhà khoa học quan tâm nhiều hơn bởi tính độc, tính bền vững và khả năng tích lũy sinh học của chúng trong môi trường. Các nghiên cứu về ô nhiễm KLN trong các lưu vực sông trên thế giới đã cho thấy hàm lượng các chất ô nhiễm này trong trầm tích thường rất cao so với trong nước. Nguyên nhân là do hầu hết các KLN đều ở dạng bền vững và có xu thế tích tụ trong trầm tích hoặc trong các thủy sinh vật. Do đó, nếu chỉ dựa trên kết quả phân tích nước sẽ không phản ánh được đầy đủ mức độ ô nhiễm. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu sự tích lũy một số kim loại nặng (Cu, Pb, Zn) trong trầm tích sông Nhuệ” là hết sức cấp thiết. Kết quả nghiên cứu của đề tài này sẽ là những dẫn liệu tham khảo về chất lượng môi trường nước sông Nhuệ và mối liên hệ về hàm lượng KLN giữa môi trường nước và trầm tích, đồng thời đánh giá được sự tích lũy KLN trong trầm tích sông Nhuệ. Nội dung nghiên cứu: - Xác định hàm lượng KLN trong trầm tích sông Nhuệ . - Xác định thành phần và một số đặc tính lý– hóa học của trầm tích sông Nhuệ. + Thành phần hữu cơ; + Thành phần vô cơ. Học viên Nguyễn Thị Hiếu 1 Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Xác định mối tương quan giữa hàm lượng KLN và các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy KLN trong trầm tích. - Dạng tồn tại của KLN trong trầm tić h. + Dạng hòa tan, trao đổi; + Dạng cacbonat; + Dạng hấp phụ trên oxit Fe-Mn; + Dạng tạo phức với chất hữu cơ; + Dạng nằm trong tinh thể khoáng sét. - Nghiên cứu khả năng h ấp phụ KLN của trầm tích và xây dựng các đường hấ p phu ̣ đẳ ng nhiê ̣t, tính toán hệ số hấp phụ. Học viên Nguyễn Thị Hiếu 2 Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Nguồn gốc một số KLN trong môi trƣờng - Đồng (Cu): Cu là một trong số kim loại quan trọng bật nhất của ngành công nghiệp. Do đó nguy cơ tích lũy của đồng trong môi trường là rất lớn. Đồng có nhiều tính năng ưu việt: độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao, ít bị ôxi hóa, có độ bền cao và có độ chống ăn mòn tốt. Đồng có khả năng tạo nhiều hợp kim với các kim loại màu khác cho nhiều tính chất đa dạng. Những hợp kim quan trọng của đồng là: Bronzơ đã được dùng từ xa xưa để đúc đồng, chuông, súng đại bác, tượng... Cu được dùng nhiều trong sơn chống thấm nước trên tàu thuyền, các thiết bị điện tử, ống nước. Nước thải sinh hoạt là nguồn chính đưa Cu vào nước. Đồng tồn tại ở 2 dạng là: dạng hòa tan và các hạt nhỏ. Đồng cần thiết cho chức năng hô hấp của nhiều sinh vật sống và các chức năng enzym khác. Đồng được lưu giữ trong gan, tủy sống của người. Đồng với hàm lượng quá cao sẽ gây hư hại gan thận, hạ huyết áp, hôn mê, đau dạ dày, thậm chí tử vong. Trai, ốc thường tích tụ lượng lớn Cu trong cơ thể của chúng. Nguồn ô nhiễm Cu tự nhiên bao gồm từ gió bụi, núi lửa, phân hủy thực vật, cháy rừng và bụi nước biển. Nguồn ô nhiễm đồng có nguồn gốc do con người bao gồm từ lò nấu chảy kim loại, xưởng đúc sắt, nhà máy điện và các lò đốt như lò đốt rác, lò hỏa táng,... Nguồn tích lũy chủ yếu trong trầm tích sông, hồ là do đồng thoát ra từ nước thải của các nhà máy chế biến quặng đồng, từ chất thải rắn, nước thải và phân bón nông nghiệp. Ngoài ra nguồn tích lũy đồng còn từ việc sử dụng rộng rãi đồng làm đồ dùng nấu ăn, hệ thống dẫn nước, thuốc diệt vi khuẩn, thuốc diệt nấm, chất diệt tảo, sơn chống gỉ, chất bảo quản gỗ, phẩm màu,... Đồng cũng được sử dụng trong các chất kích thích sinh trưởng và phụ gia trong thức ăn gia súc, hạn chế bệnh tật cho các thú nuôi và gia cầm... Học viên Nguyễn Thị Hiếu 3 Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Chì (Pb): Pb và các hợp chất của chì được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống của con người. Chì dùng để làm ắc quy, pin, dùng làm dây cáp điện, đầu đạn, các ống dẫn trong công nghiệp hóa học. Chì được sử dụng như chất nhuộm trắng trong sơn hay như thành phần màu trong tráng men đặc biệt là tạo màu đỏ và vàng. Ngoài ra chì còn có khả năng hấp thụ tốt các tia phóng xạ, tia rơnghen nên được dùng để làm tấm ngăn các phóng xạ hạt nhân (ứng dụng làm tường của phòng thí nghiệm phóng xạ). Bên cạnh những ứng dụng trên, chì và các loại muối của chì cũng như các hợp chất chì hữu cơ đều là những chất rất độc, có khả năng gây ung thư. Thường bị nhiễm chì qua đường hô hấp và ăn uống, có thể gây chết nếu nuốt phải. Chì xâm nhập vào cơ thể sẽ tích lũy lại trong khoảng thời gian dài có thể gây ngộ độc mãn tính không phục hồi được, làm rối loại chức năng sinh sản, gây đột biến gen và quái thai. Tiếp xúc thường xuyên có thề gây nhiều tổn hại cho sức khỏe như tổn hại da, thị lực, tâm thần, đường tiêu hóa, thiếu máu. Nguồn gây ô nhiễm chì cho môi trường có nguồn gốc từ tự nhiên nhỏ hơn nhiều so với nguồn gốc do con người gây ra. Nguồn gốc tự nhiên của chì trong khí quyển bao gồm quá trình phong hóa địa chất và phun trào núi lửa ước tính khoảng 19.000 tấn/năm, trong khi việc khai thác mỏ, nấu chảy quặng và tiêu thụ hơn 3 triệu tấn chì hằng năm đã phóng thích một lượng chì vào khí quyển khoảng 126.000 tấn/năm. Cùng với sự đốt cháy nhiên liệu xăng có pha phụ gia chì từ các phương tiệu xe cộ và máy bay hay đốt cháy than và dầu. Ngoài ra chì và các hợp chất của nó cũng gây ra ô nhiễm môi trường qua các quá trình gia công, tái chế hoặc thải bỏ các sản phẩm như ắc quy, dây cáp điện, chất nhuộm, hợp kim hàn và các sản phẩm thép. Do chì được dùng để hàn các mối nối đường ống nước, các hộp đồ chứa thực phẩm, chai đóng rượu, trong lớp men của đồ gốm sứ, trong các bộ đồ ăn pha lê và ngay cả trong thuốc chữa bệnh dân gian,… cũng góp phần gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Học viên Nguyễn Thị Hiếu 4 Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Kẽm (Zn) Kim loại kẽm chủ yếu được dùng làm chất chống ăn mòn, ở dạng mạ. Năm 2009 ở Hoa Kỳ, 55% tương đương 893 tấn kẽm kim loại được dùng để mạ. Ôxít kẽm có lẽ là hợp chất được sử dụng rộng rãi nhất của kẽm, do nó tạo ra nền trắng tốt cho chất liệu màu trắng trong sản xuất sơn. Nó cũng có ứng dụng trong công nghiệp cao su và nó được mua bán như là chất chống nắng mờ. Các loại hợp chất khác cũng có ứng dụng trong công nghiệp, chẳng hạn như clorua kẽm (chất khử mùi), sulfua kẽm (lân quang), methyl kẽm trong các phòng thí nghiệm về chất hữu cơ. Khoảng một phần tư sản lượng kẽm sản xuất hàng năm được tiêu thụ dưới dạng các hợp chất của nó. Zn còn có một lượng đáng kể trong thực vật và động vật. Kẽm có trong enzim cacbahiđrazơ là chất xúc tác quá trình phân hủy của hiđrôcacbonat ở trong máu và do đó đảm bảo tốc độ cần thiết của quá trình hô hấp và trao đổi khí. Kẽm còn có trong insulin là hocmon có vai trò điều chỉnh độ đường ở trong máu. Nguồn ô nhiễm kẽm từ tự nhiên lớn nhất trong nước do quá trình xói mòn, còn trong không khí lớn nhất do nguyên nhân cháy rừng. Nguồn ô nhiễm kẽm từ tự nhiên và do con người cũng tương đương nhau. Nguồn kẽm chính do con người gây ra là từ khai thác mỏ, sản xuất các sản phẩm kẽm, sản xuất sắt và thép, sự ăn mòn các vật liệu mạ kẽm, quá trình đốt than và nhiên liệu, vứt bỏ và đốt chất thải, sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu có chữa kẽm… Như vậy, có thể thấy đồng, chì, kẽm được sử dụng rộng rãi trong các nghành công, nông nghiệp và các làng nghề. Quá trình sử dụng đồng, chì, kẽm trong sản xuất đã làm tích lũy một lượng lớn các kim loại này trong chất thải, nước thải của các nhà máy, xí nghiệp, cơ sở sản xuất. Việc xả thải trực tiếp các chất thải, nước thải chưa qua xử lý xuống sông, suối, ao, hồ, dưới tác dụng của các quá trình lý, hóa học đã làm tích lũy một lượng lớn đồng, chì, kẽm dưới lớp trầm tích đáy sông, hồ, làm ô nhiễm môi trường nước một cách nghiêm trọng, trực tiếp và gián tiếp gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người. Học viên Nguyễn Thị Hiếu 5 Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 1.2. Nguy cơ tích lũy KLN trong trầ m tích Trầm tích lòng sông, hồ là những tích tụ vật chất được thành tạo do sự tích lũy các khoáng vật, các nguyên tố, hợp chất hóa học. Trong đó vật liệu trầm tích được cung cấp dưới tác dụng vận chuyển của dòng chảy, gió, yếu tố sinh vật đã tập trung vật liệu và lắng đọng ở những vùng trũng, thấp của lòng sông, lòng hồ tạo thành lớp bùn dưới đáy sông, hồ. Quá trình trầm tích bùn đáy sông, hồ là quá trình tích tụ và hình thành các chất vụ cơ học, chất cặn, chất keo lơ lửng trong môi trường nước với điều kiện địa hóa môi trường thuận lợi làm lắng đọng các vụ cơ học, chất keo, theo thời gian tạo nên các lớp trầm tích riêng biệt. Thông thường thành phần các lớp trầm tích gồm: Thành phần thạch học chủ yếu là bột, sét chiếm đến 80 ÷ 90%, còn lại các thành phần cát hạt nhỏ, vụn cơ học, mùn hữu cơ chiếm khoảng 20%; thành phần hóa học chủ yếu gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3, các nguyên tố KLN như Cu, Zn, Cd, As, Pb, Hg, Cr, Sb, Mn chiếm một lượng nhỏ; thành phần khoáng vật chính gồm thạch anh, sét kaolinit, sét montmorilonit, một ít felspat, gơtit và mảnh vụn đá. Đối với mỗi lớp trầm tích sẽ phản ánh điều kiện địa hóa môi trường, nguồn cung cấp vật liệu trong thời gian chúng được hình thành. Theo kết quả nghiên cứu thực tiễn của các nhà địa hóa học thì tầng trầm tích phản ánh môi trường trong thời gian hiện tại có chiều dày từ 0 ÷ 30 cm tính từ bề mặt đáy hồ trở xuống. Trong môi trường sông, hồ, ao luôn tồn tại pha hòa tan (các chất ở dạng ion) và pha không hòa tan (các chất ở dạng keo). Quá trình tích lũy các nguyên tố kim loại nặng Cu, Zn, Cd, As, Pb, Hg, Cr, Sb, Mn liên quan mật thiết với pha không hòa tan, trong đó dạng tồn tại chủ yếu là dạng liên kết các hạt keo hoặc tích lũy trong trầm tích hạt nhỏ (khoáng vật sét). Các khoáng vật sét, các chất keo có độ dính kết cao luôn có xu hướng hấp thụ các ion kim loại nặng từ pha hòa tan vào trong liên kết hình thành hạt keo chứa nguyên tố kim loại ở dạng bền vững và có xu thế tích tụ trong trầm tích. Học viên Nguyễn Thị Hiếu 6 Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Sự tích lũy kim loại trong trầm tích phụ thuộc chủ yếu vào các tính chất lý hóa học môi trường nước (Eh, pH…), thành phần hạt trầm tích (thành phần sét), hàm lượng vật chất hữu cơ, nguồn cung cấp vật liệu trầm tích và khoảng cách đối với nguồn phát tán các nguyên tố kim loại. Trong thời gian qua các nhà máy, làng nghề, khu công nghiệp và cả các cụm nông nghiệp nông thôn đã mọc lên ngày càng nhiều trên địa bàn Thành phố Hà Nội, dọc 2 bên tuyến sông Nhuệ và các con sông lân cận cắt ngang sông Nhuệ. Nước thải sinh hoạt lẫn nước thải của các làng nghề và các khu công nghiệp chưa qua xử lý được thải trực tiếp đổ thải xuống dòng sông. Kết quả là lượng kim loại đã tích tụ ngày càng nhiều trong lớp trầm tích đáy sông. 1.3. Một số quá trình và yếu tố liên quan đến khả năng tích lũy KLN trong trầm tích 1.3.1. Hấp phụ vật lý/hóa học và đồng kết tủa - Hấp phụ vật lý Hấp phụ lý học là sự thay đổi nồng độ của các phân tử chất tan trên bề mặt các nguyên tố cơ học đất. Nguyên nhân của hiện tượng hấp phụ lý học là do tác dụng của năng lượng bề mặt phát sinh ở chỗ tiếp xúc giữa các phần tử đất với dung dịch đất. Năng lượng bề mặt phụ thuộc sức căng bề mặt và diện tích bề mặt. Tóm lại, bất kỳ một sự chênh lệch nào về nồng độ ở chỗ tiếp xúc giữa hạt keo với môi trường xung quanh cũng sinh ra tác dụng hấp phụ lý học. - Hấp phụ hóa học và đồng kết tủa Sự hấp phụ KLN trong trầ m tić h bị chi phối bởi nhiều yếu tố như pH và các dạng tồn tại của KLN, điện tích và khả năng hydrat hóa. Sự hấp phụ hóa học và đồng kết tủa của các nguyên tố KLN với hydroxit của Fe và Mn là quá trình chính trong sự liên kết của các ion KLN trong trầ m tích . Các dạng hợp chất chính của Fe trong quá trình tạo hấp phụ với KLN là Fe(OH)3, Fe3O4, FeO(OH). Các dạng của Mn là MnO2, MnO(OH)2, Na4Mn14O27.9H2O. Học viên Nguyễn Thị Hiếu 7 Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 1.3.2. Tạo phức Phức chất hữu cơ của các KLN trong trầ m tích và nước được cho là một yếu tố quan trọng kiểm soát sự hòa tan và dễ tiêu của các KLN trong trầ m tić h . Việc phân biệt giữa các hợp chất hữu cơ tự nhiên trong trầ m tić h và những hợp chất hữu cơ phát thải từ các hoạt động của con người là rất quan trọng. Các chelat hữu cơ hòa tan làm tăng thêm tính linh động cho các KLN, đặc biệt có thể dẫn đến nguy cơ ô nhiễm nước ngầm. Cùng với sự gia tăng tính linh động của KLN thông qua độ hòa tan được tăng cường, chelat kim loại cũng ảnh hưởng đến khả năng dễ tiêu sinh học của các kim loại độc với thực vật . Ảnh hưởng này thấy rõ hơn trong trầ m tić h có hàm lượng chất hữu cơ thấp hơn. Picollo (1989) [43] cho mức độ ảnh hưởng của axit humic trong lượng chiết rút giảm dần của KLN tuân theo thứ tự: Pb > Cu > Cd > Ni > Zn. Do đó, sự bổ sung các chất hữu cơ có thể ảnh hưởng đến khả năng linh động, tính dễ tiêu sinh học của KLN . Mức độ ảnh hưởng có thể rất khác nhau tùy thuộc vào số lượng và dạng gốc của chất hữu cơ trong trầ m tić h . Đối với các KLN khác nhau thì khả năng hấ p phu ̣ chúng cũng khác nhau . Cd và Zn có thể linh động hơn trong trầ m tić h so với Cu hoặc Pb . Hai ion này có xu hướng bị giải phóng do trao đổi cation và các ion cạnh tranh trong dung dịch trầ m tích qua ảnh hưởng của pH ). Tính linh động của Zn trong trầ m tích (gồm cả H+, thông có thể được tăng cường do độ axit của trầ m tić h . Warwick và cộng sự (1999) [54] đã nghiên cứu về khả năng hấp phụ Zn của trầ m tích podzol . Tác giả đã kết luận rằng trầ m tích podzol, có hàm lượng oxit Fe, Al, Mn và chất hữu cơ cao, có khả năng hấp phụ các kim loại hóa trị hai cao, nhưng có ưu tiên cố định Cu, Pb hơn so với Zn. 1.3.3. Các yếu tố lý – hóa học ảnh hƣởng đến sự tích lũy KLN trong trầm tích sông, hồ Hàm lượng KLN trong trầm tích sông, hồ biến đổi rất lớn theo vị trí từ gần với hàm lượng tự nhiên đến hàm lượng cao gấp hàng ngàn lần ở những nơi gần với các nguồn công nghiệp hay khai mỏ liên quan đến kim loại. Các yếu tố ảnh hưởng có thể đến hàm lượng KLN trong trầm tích được biểu thị bằng hàm số: Học viên Nguyễn Thị Hiếu 8 Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hàm số: T = f (L, H, G, C,V,M,e) Trong đó: T – hàm lượng các nguyên tố vết trong trầm tích; L - ảnh hưởng của quá trình hình thành đá; H – tác động thuỷ học; G – đặc điểm địa lý; C – tác động nhân tạo; V - ảnh hưởng của thực vật; M – tác động của khai khoáng và e – sai số (tất cả các yếu tố không được tính đến). Tại một khu vực một hay nhiều yếu tố có thể cùng tác động và hàm lượng của nguyên tố vết sẽ phụ thuộc vào cường độ các yếu tố tham gia. Các quá trình quan trọng ảnh hưởng đến dạng tồn tại của KLN trong trầm tích gồm hấp phụ hoá học lên các oxit Mn/Fe, kết tủa các hợp chất KLN, kết tụ/tạo phức của KLN với chất hữu cơ có hoạt tính. Do ảnh hưởng của các yếu tố và quá trình nói trên đến sự hình thành các hợp chất chứa KLN trong các thuỷ vực, sông, suối, ao hồ là không giống nhau nên tỷ lệ % các dạng tồn tại của KLN trong các thuỷ vực, sông, suối, ao, hồ này cũng rất khác biệt. - Các tính chất lý - hóa học môi trƣờng nƣớc Từ các nguồn nước thải đô thị và tiểu thủ công nghiệp, một lượng lớn các kim loại độc hại đã xâm nhập vào sông ngòi, kênh rạch và tích lũy trong trầm tích. Sự tích lũy của KLN trong trầm tích hay nói cách khác khả năng lắng đọng của các ion KLN trước hết phụ thuộc vào các thông số địa hóa môi trường cơ bản pH, Eh. Đây là yếu tố quyết định đến dạng tồn tại của ion kim loại trong các pha khác nhau của môi trường và từ đó ảnh hưởng đến độ hòa tan và sự lắng đọng của KLN. - Thành phần trầm tích Thành phần cấp hạt của trầm tích là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự tích lũy kim loại. Trầm tích có độ hạt mịn, thành phần khoáng vật sét cao thì khả năng hấp thụ kim loại lớn. Các khoáng vật có kích thước nhỏ, điện tích và diện tích bề mặt lớn thì khả năng hấp phụ các nguyên tố kim loại càng lớn. Các khoáng vật sét (keo sét) mang điện tích âm có ái lực đối với các ion KLN hòa tan và tạo thành liên kết ở dạng bền vững, tích tụ trong trầm tích. Học viên Nguyễn Thị Hiếu 9 Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Theo nhiều nghiên cứu trước đây, chất hữu cơ là yếu tố ảnh hưởng nhiều đến mức độ tích lũy KLN trong đất, nước do chất hữu cơ có khả năng liên kết với các ion kim loại hình thành phức chất. Quá trình này sẽ dẫn đến những vấn đề môi trường rất lớn. Một kết quả không mong đợi là các KLN sẽ được giải phóng một cách nhanh chóng có thể dẫn đến thảm họa môi trường. Cơ chế của quá trình này được ví như quả bom hóa học nổ chậm (Chemical Time Bomb – CTB) (W.M. Stigliani và cộng sự 1991). Cơ chế này được xác định có liên quan đến quá trình tích lũy và đột ngột giải phóng các chất độc hại ra môi trường. Các chất hữu cơ có thể đóng vai trò như những vật mang của các ion kim loại độc hại, hình thành các phức hệ bền vững và làm tăng cường quá trình di chuyển chúng trong nước [57]. Tác động của chất hữu cơ lên sự di chuyển của KLN trong trầm tích là tác động hai chiều. Chúng có thể giữ lại, khiến cho các KLN di chuyển chậm hơn hoặc thúc đẩy sự di chuyển của các KLN nhờ các chất hữu cơ hòa tan. Vai trò của CHC trong việc cố định các KLN bị ảnh hưởng bởi phản ứng của môi trường trầm tích: trong môi trường trung tính và chua, chỉ có nhóm cacboxyl tham gia vào phản ứng trao đổi. Trong môi trường kềm, chẳng những các nhóm cacboxyl mà các nhóm hydroxyl phenol và một vài nhóm hydroxyl khác cũng có khả năng phân ly làm cho các mẫu trầm tích nghiên cứu, ảnh hưởng của CHC đến khả năng di động của các kim loại Cu, Pb, Zn trong trầm tích là khá lớn. 1.4. Khái quát một số đặc điểm tự nhiên và hiện trạng nƣớc sông Nhuệ khu vực nghiên cứu Hệ thống sông Nhuệ, nằm trong vùng châu thổ sông Hồng với chiều dài trục chính là 74 km, chiều rộng khoảng 20 km. Phía Đông Bắc là sông Hồng, phía Tây là sông Đáy, phía Nam là sông Châu Giang. Sông Nhuệ bắt đầu từ cống Liên Mạc (tại xã Thụy Phương, Hà Nội) lấy nước từ sông Hồng và kết thúc là cống Phủ Lý đổ nước ra sông Đáy. Sông Nhuệ là hệ thống sông liên tỉnh, chảy qua địa phận Hà Nội và Hà Nam. Tổng diện tích của lưu vực sông Nhuệ là 107.530 ha trong đó Hà Nội 87.820 ha chiếm 82% và Hà Nam 19.710 ha chiếm 18% toàn bộ lưu vực. Nhìn chung, lưu Học viên Nguyễn Thị Hiếu 10 Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên vực sông Nhuệ có hướng dốc từ Bắc xuống Nam, vùng cao nằm ven sông Hồng và sông Đáy, thấp dần về phía Nam và vào giữa sông Nhuệ. 1.4.1. Đặc điểm tự nhiên Về mùa cạn, toàn bộ lượng nước thải sinh hoạt, công nghiệp (khoảng 450.000 ÷ 500.000 m3/ngày đêm được tập trung từ các sông Sét, sông Lừ, sông Kim Ngưu, sông Tô Lịch chảy thoát ra sông Nhuệ qua đập Thanh Liệt (h < + 3,5m). Vào mùa mưa (h > + 3,5m) đập Thanh Liệt đóng lại, nước ứ đọng gây ngập úng kéo dài. Sau khi trạm bơm Yên Sở được xây dựng và đưa vào hoạt động thì khi đập Thanh Liệt đóng lại, nước chuyển về hồ Yên Sở, hệ thống bơm tiêu chủ động bơm nước ra sông Hồng, tiêu thoát nước cho nội thành. Cao độ của lưu vực sông Nhuệ thay đổi từ +1,0m đến 9,0m với địa hình dạng lòng máng cao ở phần sông Hồng, sông Đáy và thấp dần vào sông Nhuệ và theo chiều Bắc – Nam với điểm lấy nước chính là hệ thống cống Liên Mạc ở phía Bắc. Hệ thống sông Nhuệ được ngăn cách với các lưu vực khác bởi hệ thống đê sông Đáy ở phía Tây, hệ thống đê sông Hồng ở phía Bắc và phía Đông. Bên trong lưu vực cũng hình thành các tiểu khu được phân chia theo địa hình, hệ thống giao thông (đường sắt, đường liên huyện), hệ thống đê bao của các sông La Khê, sông Vân Đình, sông Châu, sông Tô Lịch, sông Hồng, sông Đáy… Chế độ thuỷ văn các sông, kênh trong hệ thống có mối liên hệ chặt chẽ với các sông bao ngoài hệ thống. Trên lưu vực, mùa lũ bắt đầu từ tháng 6 cho đến tháng 10 hàng năm, đóng góp từ 70 ÷ 80% lượng dòng chảy cả năm. Vào mùa kiệt, từ tháng 11 tới tháng 5, nước trong lưu vực được cung cấp chủ yếu từ sông Hồng [5]. Vào mùa lũ, khi mực nước sông Hồng, sông Đáy và sông Châu cao thì khả năng tiêu tự chảy của hệ thống rất hạn chế. Nguồn nước mặt cung cấp cho hệ thống trong mùa cạn chủ yếu từ sông Hồng qua cống Liên Mạc và trạm bơm lấy nước từ sông Hồng chẳng hạn như Hồng Vân, Đan Hoài... Nước dưới đất là nguồn cung cấp chủ yếu cho sinh hoạt ở nông thôn bằng các hệ thống giếng gia đình. Học viên Nguyễn Thị Hiếu 11 Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hiện nay, hệ thống công trình đã xuống cấp nặng nề do bồi lắng, hư hỏng. Nước trong hệ thống đã bị ô nhiễm nghiêm trọng do hệ thống kênh kết hợp giữa tưới và tiêu. Tiêu với lượng nước thải khá lớn riêng nội thành Hà Nội đã hơn 5m3/s về mùa khô. Cùng với các thị xã, thị trấn khu công nghiệp, khu dân cư dọc theo sông thuộc tỉnh Hà Tây, Hà Nam nữa thì lượng nước thải trong mùa khô sẽ hơn 15m3/s. Đó là chưa kể 16m3/s nước thải nông nghiệp có chứa nhiều độc tố do dư thừa phân bón hóa học, hoá chất bảo vệ thực vật không kiểm soát được. Vì thế có thể coi môi trường lưu vực sông Nhuệ bị ô nhiễm. 1.4.2. Hiện tra ̣ng ô nhiễm nƣớc sông Nhuệ khu vực nghiên cứu Hiện nay, môi trường nước sông Nhuệ đang chịu tác động mạnh của nước thải sinh hoạt và các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, làng nghề, thủy sản, y tế… trong khu vực. Chất lượng nước ở nhiều đoạn sông Nhuệ đang bị ô nhiễm ở mức báo động. Kết quả quan trắc cho thấy, nước sông bị ô nhiễm chủ yếu bởi các chất hữu cơ, dinh dưỡng, chất rắn lơ lửng, mùi hồi, độ màu và vi khuẩn, đặc biệt là vào mùa khô [4]. Đoạn sông Nhuệ tại khu vực nhận nước sông Hồng qua cống Liên Mạc ít bị ô nhiễm nhất. Tuy nhiên, chỉ cách cống Chèm khoảng 2km, tại thị trấn Cầu Diễn (huyện Từ Liêm), nước sông đen có màu đen, tốc độ dòng chảy rất nhỏ, rác thải hai bên bờ dày đặc, bốc mùi hôi thối. Đến cầu Hà Đông, chất lượng nước sông giảm đi rõ rệt với sự xuất hiện của các chất ô nhiễm như amoni, nitơrit, coliform và độ oxy hòa tan giảm mạnh. Mẫu nước sông Nhuệ lấy tại cầu Hà Đông cho thấy, hàm lượng oxy hòa tan thấp hơn quy chuẩn rất nhiều lần [5]. Hàm lượng rắn lơ lửng khá cao, có sự biến động mạnh giữa các vùng và các tầng. Tại các điểm lấy mẫu trên sông Nhuệ, hàm lượng rắn lơ lửng đo được từ 40 ÷ 60 mg/l. Hàm lượng NO2- đạt từ 0,05 ÷ 1,5 mg/l, cao hơn tiêu chuẩn cho phép (QCVN08:2008/BTNMT loại A1) [4]. Theo kết quả thu được từ báo cáo tổng hợp kết quả quan trắc năm 2010 môi trường nước sông Nhuệ, Trung tâm quan trắc và thông tin môi trường – Bộ Tài Học viên Nguyễn Thị Hiếu 12