nghiên cứu khả năng xử lý kim loại nặng chì trong đất của cải xanh và cỏ vetiver cải thiện chất lượng đất ở thôn bùi tỉnh hưng yên

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BẢO HỘ LAO ĐỘNG NGUYỄN BÌNH AN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG CHÌ TRONG ĐẤT CỦA CẢI XANH VÀ CỎ VE

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BẢO HỘ LAO ĐỘNG

NGUYỄN BÌNH AN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG CHÌ TRONG ĐẤT CỦA CẢI XANH VÀ CỎ VETIVER CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐẤT Ở THÔN BÙI, TỈNH

HƯNG YÊN

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Rác thải điện tử là vấn đề mới nổi ở Việt Nam trong vòng 10 năm trở lại đây, do tác động của quá trình thải bỏ và tái chế rác thải đến môi trường và sức khỏe cộng động Số lượng vật liệu có giá trị từ chúng đủ lớn để thu hút ngành nghề tái chế rác thải điện tử Hầu hết các rác thải điện tử được xử lý tại khu vực tư nhân không chính thức với quy trình tháo dỡ đơn giản và thủ công mà chỉ thu hồi một lượng kim loại và nhựa nhất định Hoạt động tái chế có tiềm năng mang lại nguồn lợi lớn cho các nước đang phát triển Tuy nhiên, hoạt động xử lý và tái chế không đúng quy cách trong quá trình tháo dỡ, xử lý (đốt, nấu chảy, rửa axit,

…) và lưu trữ rác thải điện tử lại tạo ra một số kim loại nặng (chì, cadimi và thủy ngân) vào trong đất tác động tiêu cực đến hệ sinh thái và ảnh hưởng đến sức khỏe con người do phơi nhiễm chất thải độc hại

Theo Shi và cộng sự (2019) công bố kết quả nghiên cứu ở Ôn Lĩnh, Trung Quốc giai đoạn 2006 đến 2016 cho rằng rác thải điện tử là nguồn ô nhiễm chính đối với Cd, Pb, Cu và Zn trong đất Theo Tiêu chuẩn Chất lượng Môi trường đất ở Trung Quốc, hàm lượng trung bình Ni, Pb và Zn trong đất ở mức cho phép, tuy nhiên hàm lượng trung bình Cd và Cu vượt ngưỡng tiêu chuẩn cho phép Thêm nữa, nồng độ kim loại nặng như As, Cd, Pb, Zn và Se cũng đã được tìm thấy trong đất bề mặt, thực vật và các mẫu nước ngầm được thu thập từ khu công nghiệp Mandoli – một trong những địa điểm tái chế rác thải điện tử không chính thức ở Ấn Độ (C và cộng sự, 2014)

Ở Việt Nam, nghiên cứu của Ngo và cộng sự (2020) báo cáo kết quả phân tích mẫu đất dân sinh tại các khu vực tái chế về năm kim loại nặng (Pb, Cd, Cr, Ni và As), trong đó hàm lượng hai kim loại chì (Pb; 678,42 mg/kg) và cadimi (Cd; 6,34 mg/kg) vượt tương ứng gấp 9,70 và 3,17 lần Quy chuẩn Việt Nam QCVN 03-MT:2015/BTNMT Chì có hàm lượng trong đất cao nhất trong năm kim loại nặng và là một trong những chất ô nhiễm vô cơ phổ biến nhất trong đất, có độ bền cao trong đất và có khả năng gây độc ngay cả ở nồng độ thấp

Phương pháp xử lý bằng thực vật, sử dụng thực vật để loại bỏ chất ô nhiễm kim loại nặng khỏi đất bị ô nhiễm được phát triển từ lâu nhưng hiệu quả loại bỏ tốt, thân thiện với môi trường và không tác động xấu đến hệ sinh thái Do đó, nghiên

cứu khả năng xử lý chì bằng thực vật trong đất là cấp thiết và quan trọng Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp khả năng xử lý kim loại nặng của các loài thực vật được ưu tiên vì tính phù hợp của chúng với môi trường đất Vì vậy, em quyết

định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại nặng chì trong đất của thực vật cải thiện chất lượng đất ở thôn Bùi, tỉnh Hưng Yên”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định hiệu quả loại bỏ kim loại chì của hai loài thực vật cải thiện cất lượng đất ở thôn Bùi và góp phần cải thiện sinh thái và nâng cao mỹ quan khu vực xung quanh thôn

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu khả năng phát triển của thực vật trên vùng đất ô nhiễm kim loại nặng và khả năng loại bỏ kim loại nặng trong đất của hai loại thực vật: cỏ Vetiver, cải bẹ xanh

+ Cải bẹ xanh (Brassica juncea L.) là họ cải nổi tiếng vì lợi ích của việc trồng trọt đối với chất lượng đất và khả năng xử lý với chất ô nhiễm Đây là một loại cây trồng rất phổ biến ở Việt Nam và nó có hệ thống rễ siêu tích tụ một số kim loại nặng (Goswami và cộng sự, 2015)

+ Cỏ Vetiver (Chrysopogon zizanioides L.) là loại cỏ cao (1-2 m), mọc nhanh, sống lâu năm, khả năng thích nghi tốt với nhiều loại điều kiện khí hậu và phù sa bất lợi, loại bỏ chất ô nhiễm kim loại nặng tốt đặc biệt hấp thụ Pb lên đến 98%

Cỏ Vetiver có nguồn gốc từ Đông Nam Á và được sử dụng để lợp mái nhà, thức

ăn gia súc và các ngành công nghiệp nước hoa và mỹ phẩm (Chen và cộng sự, 2002)

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm với

điều kiện không có các yếu tố tác động như nhiệt độ, mưa, gió, bụi, các chất ô nhiễm trong không khí

1.4 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu này thiết lập hai mô hình xử lý kim loại chì của hai loài thực vật, cụ thể như sau:

- Lựa chọn và nghiên cứu khả năng phát triển của một số loài thực vật trên vùng đất ô nhiễm kim loại nặng và khả năng loại bỏ chất ô nhiễm của từng loại thực vật

- Trồng thí nghiệm trên các mẫu đất ô nhiễm nhân tạo với từng nồng độ Pb tưới vào nhằm xem xét khả năng sinh trưởng và phát triển của thực vật

- Phân tích hàm lượng kim loại trong đất qua các giai đoạn xem xét tính toán khả năng xử lý của từng loài thực vật

- Phân tích hàm lượng kim loại tích tụ trong rễ, thân và lá nhằm hiểu được cơ chế di chuyển chất ô nhiễm đi vào thực vật

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Phương pháp thu thập số liệu

Tiến hành thu thập thông tin, tài liệu, số liệu về đới tượng và phạm vi nghiên cứu trên tất cả các nguồn sách báo, giáo trình, tạp chí khoa học, Internet Sau đó, phân tích và tổng hợp làm cơ sở cho việc định hướng và thực hiện các nội dung nghiên cứu

Ở nghiên cứu nào, phương pháp thu thập tài liệu được sử dụng để thu thập thông tin, dữ liệu về các loại thực vật đã được nghiên cứu trước đó về khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong đất

1.5.2 Phương pháp phân tích tổng hợp

Phân tích là nghiên cứu các tài liệu, lý luận khác nhau bằng cách phân tích chúng thành từng bộ phận để tìm hiểu sâu sắc về đối tượng Tổng hợp là liên kết từng mặt, từng bộ phận thông tin đã được phân tích tạo ra một hệ thống lý thuyết mới đầy đủ và sâu sắc về đối tượng

Ở đề tài nghiên cứu này, phương pháp phân tích tổng hợp được dùng để phân tích ưu và nhược điểm của các loại thực vật được dùng cho thí nghiệm

1.5.3 Phương pháp thực nghiệm khoa học

Phương pháp thực nghiệm khoa học là phương pháp các nhà khoa học chủ động tác động vào đối tượng và quá trình diễn biến sự kiện mà đối tượng tham gia để hưởng sự phát triển của chúng theo mục tiêu dự kiến của mình

Ở đề tài nghiên cứu này, phương pháp thực nghiệm khoa học được dùng để:

- Xây dựng 2 mô hình với 2 loài thực vật khác nhau trên mẫu đất ô nhiễm nhân tạo (đất sạch được bổ sung chất ô nhiễm), thu mẫu đất trong các mô hình và phân tích các chỉ tiêu

- Sau đó, chọn ra 1 loài thực vật có khả năng xử lý chất ô nhiễm tốt nhất và tiến hành xây dựng mô hình trên mẫu đất ô nhiễm tại khu vực nghiên cứu, thu mẫu đất và phân tích các chỉ tiêu

1.5.4 Phương pháp đối chiếu so sánh

Các tài liệu, số liệu từ lý thuyết và các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài được dùng làm tư liệu đối chiếu so sánh Từ đó đưa ra những đánh giá khách quan về hiệu quả hoạt động của mô hình nghiên cứu

Ở đề tài nghiên cứu này, phương pháp đối chiếu so sánh được dùng để:

- So sánh khả năng xử lý đất theo các chỉ tiêu của 2 loài thực vật

- So sánh khả năng xử lý đất theo các chỉ tiêu của 1 loài thực vật có khả năng xử

lý tối ưu chất ô nhiễm

1.6 Tính khoa học, tính mới của đề tài

1.6.1 Tính khoa học

Sử dụng loại thực vật có sẵn ở Việt Nam có khả năng xử lý kim loại nặng để cải tạo đất ô nhiễm, ngoài ra cung cấp oxi, điều hòa nhiệt độ và hấp thụ các khí thải độc hại có mặt trong không khí

1.6.2 Tính mới của đề tài

Hiện nay, các phương pháp truyền thống xử lý đất ô nhiễm như đóng rắn, rửa đất bằng hóa chất, cố định các chất ô nhiễm bằng hóa học hoặc vật lý, xử lý nhiệt, trao đổi ion, oxy hóa hoặc khử các chất ô nhiễm, đào đất ô nhiễm để chuyển đến khu vực chôn lấp thích hợp, Tuy nhiên, chi phí rất tốn kém và vùng đất được

xử lý không còn khả năng tái sử dụng cho mục đích nông nghiệp và lâm nghiệp Nghiên cứu này sử dụng thực vật có khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm và đất sau khi xử lý được phục hồi và tái sử dụng để trồng trọt

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Vật liệu

- Chuẩn bị chậu có kích thước như Hình 1 và mỗi chậu dùng tương ứng cho một mẫu cây trồng

Hình 1 Kích thước chậu dùng cho thí nghiệm.

Bảng 1 Số lượng mô hình được tính toán cho thí nghiệm với hai loại thực vật.

Mô

hình

Tần suất thu mẫu (ngày)

Số mô hình

Cải

xanh x x x x - - 4 mô hình x lặp 3 lần Tổng cộng: 12

Cỏ

4 mô hình x lặp 3 lần

Tổng cộng: 12

Đất

Chú thích: dấu “x” thu mẫu phân tích và dấu “-“ không thu mẫu

Đất trắng: đất sạch không trồng cây

Giới hạn nồng độ Niken đặt ra ở mức 200 ppm (cao hơn nồng độ trong đất vùng nghiên cứu) và tưới vào đất ở các mức độ: 100; 300; 800; 1200 theo thứ tự tần suất của từng mô hình Số mẫu được tính toán cho từng nhóm:

Nhóm 1 (cải xanh): 12 x 4 = 48 mẫu.

Nhóm 2 (cỏ Vetiver): 12 x 4 = 48 mẫu.

Nhóm 3 (đất trắng): 4 x 4 = 16 mẫu.

Tổng số chậu cần chuẩn bị là 112 mẫu

- Sử dụng đất sạch - loại đất sạch không chứa chất ô nhiễm có thể dùng đất vi sinh, đất Tribat,

2.2 Phương pháp thí nghiệm

2.2.1 Dụng cụ, thiết bị, hóa chất

a) Dụng cụ, thiết bị

- Bình định mức 50ml, 100ml; bình Kjeldahl

- Cốc thủy tinh nhỏ

- Pipet 20ml

- Máy đo AAS

- Bếp phá mẫu

- Tủ sấy

- Cân phân tích

- Máy cất nước 2 lần

- Máy đo pH

b) Hóa chất

Hóa chất xác định Pb gồm:

- Axit nitric HNO 65% 3

- Axit sunfuric H2SO4 98%

- Axit clohiđric HCl 36,5%

- Nước cất siêu sạch; dung dịch chuẩn gốc chì có nồng độ 1000ppm

Do hàm lượng Pb trong đất, nước, rau rất nhỏ Hơn nữa, độ nhạy của phép đo AAS nên nước cất, hóa chất sử dụng phải có độ tinh khiết phân tích cao

2.2.2 Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng Pb

Từ dung dịch chuẩn của chì có nồng độ 1000ppm, ta pha dãy tiêu chuẩn có nồng

độ khác nhau: 2ppm; 4ppm; 6ppm; 8ppm; 10ppm vào từng cốc khác nhau và đánh số phân biệt vào mỗi cốc để tránh nhầm lẫn khi phân tích

Sử dụng nước cất siêu sạch và các bình định mức 50ml và 100ml để pha dung dịch Sau đó, tiến hành phân tích đo phổ hấp thu và lập đường chuẩn: với các điều kiện tối ưu trên và ghi kết quả vào Bảng 2 Sau đó dùng phần mềm Excel vẽ biểu đồ hồi quy tuyến tính (Hình 2) và xác định phương trình tuyến tính

Bảng 2 Kết quả đo độ hấp thụ của Pb

Nồng độ Pb

Độ hấp thụ A

Lưu ý, muốn kết quả phân tích về sau chính xác hạn chế sai số thì hệ số xác định bội (R ) phải lớn hơn hoặc bằng 0,99 Nếu trường hợp R < 0,99 phải thực hiện2 2 dựng đường chuẩn lại vì có thể sai sót trong quá trình pha hóa chất hoặc lỗi thiết

bị đo

Hình 2 Đường chuẩn định lượng Pb bằng phương pháp đường chuẩn.

Phương trình đường chuẩn có dạng: Trong đó: A là độ hấp thụ, C là nồng độ Pb; a và b là hệ số cần tìm

Từ đó, ta tính toán nồng độ Pb bằng công thức (1):

2.2.3 Phương pháp đo hàm lượng chì

Để xác định hàm lượng chì trong đất, nước, thực vật tiến hành bằng phương pháp AAS Đây là phương pháp phân tích hiện đại có độ ổn định, độ nhạy và tính chọn lọc, độ chính xác cao

a) Mẫu đất:

Các mẫu đất trắng và đất trồng cây lấy đem sấy khô, nghiền nhỏ mịn, dùng rây

có kích thước 1mm để thu hạt mịn, đem cân chính xác trên cân phân tích đúng 2,50g đất rồi cho vào bình Kjeldahl Sau đó dùng hỗn hợp 20ml HNO đặc +3 5ml HCl đặc công phá mẫu theo phương pháp vô cơ hóa ướt trong thời gian 3 tiếng Để nguội, sau đó tiến hành lọc và định mức đến 50ml rồi đem xác định hàm lượng chì theo kỹ thuật F-AAS

b) Mẫu thực vật:

Thực vật khi thu hoạch lấy cả phần rễ, thân và lá rửa sạch và tách riêng từng phần Phần rễ cho vào túi ni-long và đánh dấu kí hiệu phân biệt Phần thân trên của thực vật chia làm hai phần: phần 1 giữ nguyên, phần 2 chỉ lấy bầu lá Tất cả

để riêng theo các mẫu đã kí hiệu Sau đó mang sấy khô, nghiền nhỏ và rây qua

cỡ lỗ 1mm Đem cân phân tích chính xác khối lượng: mẫu rễ: 1,00g; mẫu thân: 1,00g và mẫu lá 1,00g Tiến hành công phá mẫu theo phương pháp vô cơ hóa ướt

Cho mẫu vào bình Kjeldahl, thêm 5ml nước cất để thấm đề mẫu rau Dùng pipet hút 10ml dung dịch HNO đặc cho vào mẫu rễ, 10ml với mẫu thân và 10ml với3 mẫu lá Sau đó, gia nhiệt trên bếp phá mẫu cho đến khi dung dịch trong suốt rồi thêm 5ml dung dịch HCl đặc với mẫu rễ, 5ml với mẫu thân và 5ml với mẫu lá Tiếp tục gia nhiệt đến khi thu được dung dịch trong suốt và để nguội, thêm nước cất định mức đến 50ml Sau đó xác định hàm lượng chì trên máy đo theo kỹ thuật F-AAS

2.3 Quy trình các bước thí nghiệm

Hình 3 Các bước tiền hành thí nghiệm.

1 Cây cỏ non, cỏ vetiver non

Sau khi gieo hạt vào mẫu đất sạch, các hạt sẽ nảy mầm và phát triển thành cây non Giống cây được sử dụng cho thí nghiệm phải từ giai đoạn còn non để đảm bảo sự phát triển của chúng trong giai đoạn thí nghiệm

2 Tuyển chọn

Bước tuyển chọn vô cùng quan trọng nhằm đảm bảo kết quả tốt nhất, vì thế cần chọn ra các cây non khỏe mạnh, mập, lá không bị sâu, không héo úa để tránh những rủi ro trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây

3 Trồng cây trên đất sạch

Trước khi trồng cây phải trộn đất sạch thật đều để giúp đất tơi hơn, phân bổ đều các chất dinh dưỡng để các cây phát triển đồng đều nhau, sau đó lấy ra 7 mẫu đất trong đó 5 mẫu đất mang phân tích và 2 mẫu còn lại trữ trong tủ lạnh bảo quản ở

4oC nhằm mục đích dự trữ khi sai sót có thể sử dụng

Tiếp theo, các cây cải và cỏ Vetiver non đã được tuyển chọn đem trồng lên đất sạch đã được trộn để cây phát triển tốt hơn và cũng như hạn chế được nồng độ kim loại có sẵn trong đất ảnh hưởng đến quá trình phân tích Lưu ý, mỗi cây được trồng riêng biệt trong mỗi thùng xốp và lượng đất cho mỗi mẫu là như nhau

4 Phân tích mẫu nền

Đây là bước quan trọng trong quá trình phân tích Nếu bỏ qua bước này thì kết quả phân tích về sau không còn giá trị vì đây là bước phân tích kim loại nặng chì hiện có của đất và cây trước khi tưới dung dịch chì vào

Đầu tiên dùng máy đo pH đo pH của đất nền và đất trắng Đối với bước phân tích hàm lượng Pb mẫu nền đất và cây, thực hiện lấy mẫu gồm 2,50g mẫu đất và 1,00g mẫu rễ; 1,00g mẫu thân và 1,00 mẫu lá đem phân tích Đối với mẫu đất trước khi phá mẫu cần phải cân khối lượng bình và đất ướt, sau đó sấy bằng tủ sấy với 105 C khoảng 8 tiếng sau lấy mẫu ra cho vào bình hút ẩm để đất trở vềo nhiệt độ phòng và tránh hơi nước trong không khí thấm vào đất làm ảnh hưởng đến kết quả Sau đó, tiến hành cân và ghi lại khối lượng của bình và đất

Phá mẫu thực hiện theo hướng dẫn trong phương pháp đo hàm lượng chì chì nêu

ở trên

Lưu ý: Nên thu 1 đến 2 mẫu đất, thực vật dự trữ trong tủ lạnh ở nhiệt độ 4 C đểo

có thể sử dụng khi gặp sự cố trong quá trình làm thí nghiệm

5 Tưới dung dịch Pb2+

Sau khi cây phát triển tốt tiến hành tưới dung dịch Pb(NO vào đất với từng3)2 mức nồng độ 100; 300; 800; 1200 trước mốc thời gian thu mẫu 5 ngày ở Bảng 1

để khảo sát khả năng hấp thụ chì của hai loài thực vật Sau đó theo dõi khả năng phát triển từng mức nồng độ chì và điền vào bảng sau:

Bảng 3 Thông tin thu thập từ thực vật

Thực vật Mẫu Sinh khối (g) Chiều cao

(m) Số lá/ lá hư hại

Ghi chú Rau cải

A1

A2

A3

…

Cỏ Vetiver

B1

B2

B3

…

6 Phá mẫu

Thu mẫu đúng thời điểm trong Bảng 1, thực hiện lấy mẫu và phá mẫu theo hướng dẫn mục phương pháp đo hàm lượng chì ở trên Sau đó mang mẫu phân tích

Lưu ý: Nên thu 1 đến 2 mẫu đất/cây dự trữ trong tủ lạnh ở nhiệt độ 4 C để có thểo

sử dụng khi gặp sự cố trong quá trình làm thí nghiệm

7 Phân tích

Mẫu sau khi phá xong để nguội và lọc trên giấy lọc ở bình định mức 100ml Sau

đó định mức tới vạch và chờ cho ổn định 5-10 phút rồi phân tích bằng AAS, từ

đó xác định hàm lượng kim loại chì qua công thức (1) và ghi kết quả vào Bảng 4, Bảng 5

Bảng 4 Kết quả phân tích hàm lượng Pb trong đất trồng rau, rễ, thân và lá ở mỗi

tần suất thu mẫu

Thực vật Mẫu Lượng Pb thêm Lượng Pb phân tích