ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT HỒ THỊ HÀ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THAN SINH HỌC ỨC CHẾ ĐỘC CHẤT Cd HẤP THỤ LÊN CÂY CẢI THÌA TRONG ĐIỀU KIỆN GI
GIỚI THIỆU
Lý do chọn đề tài
Cadimi (Cd) là kim loại nặng (KLN) có khả năng hòa tan trong nước và tính di động cao, đây là kim loại nguy hiểm nhất, có độc tính cao đối với sinh vật sống ngay cả ở nồng độ thấp (Bá;, 2008) Cadimi xâm nhập vào môi trường đất thông qua các hoạt động nhân tạo khác nhau như hoạt động công nghiệp, khai thác khoáng sản và sử dụng phân bón (Ni và Ma, 2018) Cadimi tích tụ trong đất nông nghiệp với nồng độ vượt quá mức có thể được tích lũy trong cây trồng, đi vào chuỗi thức ăn và gây ra rủi ro đáng kể cho sức khỏe con người (Ren và cộng sự, 2014) Do đó, vấn đề ô nhiễm môi trường đất bởi Cd đang thu hút sự quan tâm của nhiều quốc gia trên thế giới bởi những tác hại nguy hiểm đến con người và môi trường đất
Nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam, tỉnh Bình Dương có tốc độ phát triển kinh tế cao, quá trình đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ Ngày 17/2/2016, UBND tỉnh Bình Dương ban hành Quyết định số 04/2016/QĐ-UBND về việc ban hành quy định chính sách khuyến khích phát triển nông nghiệp theo hướng nông nghiệp đô thị - nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao giai đoạn 2016-2020, vì vậy, đất canh tác dùng trong nông nghiệp có vai trò hết sức quan trọng đối với nền kinh tế tỉnh Bình Dương Thành phố Thuận An là một trong những khu vực có tốc độ phát triển cao của tỉnh, một trong những nơi tập trung nhiều khu công nghiệp lớn có dân số tập trung đông, như: KCN Vsip 1, KCN Việt Hương, KCN Đồng An Theo phân tích của Bùi Duy Thông (2017), hàm lượng Cd vượt qua giới hạn cho phép về hàm lượng Cd trong rau theo QĐ 106-BNN thông qua phân tích hóa học từ các mẫu rau: rau muống (nồng độ Cd 0,22 mg/kg), rau lang (nồng độ Cd 0,21 mg/kg) tại phường Thuận Giao (Bùi DT, 2017) Nguyên nhân mẫu rau muống và mẫu rau lang có hàm lượng Cd vượt quá giới hạn cho phép là do khu vực này là nơi này tập trung nhiều nhà máy xí nghiệp nên lượng nước thải, khói bụi thải ra cao từ đó xâm nhập tích tụ trong đất bị rau hấp thụ vào; địa hình thấp, trũng nên quá trình xói mòn, rửa trôi xảy ra nhiều làm cho sự tích tụ Cd trong đất cao (Bùi DT, 2017)
2 Ở Việt Nam và trên thế giới đã có rất nhiều phương pháp giảm thiểu độc chất Cd trong đất, như rửa đất, nhiệt, dùng thực vật hấp thụ (Feng và cộng sự, 2020; Qiu và cộng sự, 2014; Yan và cộng sự, 2020) Tuy nhiên, các giải pháp này có rất nhiều nhược điểm, như: chi phí cao, thay đổi tính chất đất, khó áp dụng trên diện rộng, khó khăn trong việc lựa chọn thực vật hấp thụ thích hợp (Wang và cộng sự, 2020) Do đó, khi đất bị ô nhiễm KLN, nó không thể dễ dàng bị loại bỏ khỏi đất; KLN chỉ được biến đổi từ dạng linh động/độc hại sang dạng ít khả dụng sinh học hơn/ít độc hơn (Wu và cộng sự, 2015)
Than sinh học là vật rắn giàu cacbon thu được từ việc nhiệt phân hóa sinh khối hay các chất hữu cơ trong môi trường yếm khí hạn chế oxy (Lehmann & Joseph, 2009) Với bản chất là hệ cacbon hữu cơ có các đặc tính vượt trội, khi đưa vào đất, than sinh học có tác dụng như một chất cải tạo đất, giúp nâng cao lượng mùn, tăng cường hoạt động vi sinh vật, khả năng giữ nước, giữ ẩm, chất dinh dưỡng, từ đó tác động tích cực đến sức khỏe nền đất canh tác (Dương, Khánh, Nguyên, Phi, & Đức, 2018) Ngoài ra, than sinh học là một sản phẩm có độ ổn định cao có chứa điện tích âm trên bề mặt của nó Do điện tích âm này, than sinh học có thể giữ lại kim loại trên bề mặt của nó Việc hấp thụ kim loại trên bề mặt than sinh học làm giảm nguy cơ tồn tại kim loại ở mức độ lâu hơn do tính bền cao của than sinh học (El-Naggar và cộng sự, 2018) Than sinh học có các nhóm xeton, cacboxylic và diols hoạt động hóa học và liên kết Cd và các kim loại khác Thay vào đó, khả năng sục khí cao của than sinh học làm tăng tốc độ dòng chảy của oxy, tăng cường hoạt động của vi sinh vật và hỗ trợ quá trình cố định của các kim loại này (Freddo và cộng sự, 2012)
Hàng năm, hoạt động sản xuất nông nghiệp trên thế giới tạo nên một lượng phế phụ phẩm rất lớn Riêng đối với Việt Nam, theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, năm 2006, nước ta có khoảng 30 triệu tấn rơm rạ, 10-15 triệu tấn cám và trấu, 110-120 triệu tấn chất thải chăn nuôi Phần lớn nguồn phế phụ phẩm này vẫn chưa được tái sử dụng đúng cách, gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường, làm tăng lượng phát thải khí nhà kính Để giải quyết những thách thức này, các nhà khoa học đã đề nghị sản xuất và ứng dụng than sinh học rộng rãi hơn nhằm mục đích phát triển bền vững ngành nông nghiệp Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, sản xuất than sinh học và đánh giá lợi ích của
3 việc ứng dụng than sinh học vào cải tạo đất ở nước ta đã được triển khai và đạt được một số kết quả Tuy nhiên, việc nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng than sinh học ức chế độc chất của KLN hấp thụ lên cây vẫn chưa được triển khai Vì vậy, việc nghiên cứu khả năng xử lí Cd trong đất của than sinh học là một bước quan trọng trong việc áp dụng than sinh học xử lý đất ô nhiễm KLN để từng bước thay thế các phương pháp truyền thống với chi phí cao, ít thân thiện với môi trường, là hướng đi bền vững, lâu dài, mang lại lợi ích kinh tế và hiệu quả đối với việc bảo vệ môi trường
Hiện nay, ở nước ta chưa có nghiên cứu ứng dụng than sinh học để giảm nồng độ
Cd trong môi trường đất Xuất phát từ thực tế đó, đề tài “ Nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng than sinh học ức chế độc chất Cd hấp thụ lên cây cải thìa trong điều kiện giả định đất ô nhiễm” được đề xuất Đề tài có ý nghĩa lý luận và thực tiễn rất rõ ràng trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm KLN Cd trong đất, bước đầu làm cơ sở khoa học cho những nghiên cứu tiếp theo để việc ứng dụng than sinh học xử lí ô nhiễm KLN ngày càng đạt hiệu quả.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu, đánh giá khả năng ức chế độc chất Cd hấp thụ lên cây cải thìa của than sinh học trong điều kiện đất giải định ô nhiễm
- Đánh giá khả năng và hiệu quả của than sinh học đối với việc giảm hàm lượng Cd trong dung dịch đất và hạn chế sự hấp thụ lên cây;
- So sánh hiệu quả của than sinh học vỏ trấu và than sinh học thân ngô đối với việc giảm hàm lượng Cd trong dung dịch đất và hạn chế sự hấp thụ lên cây;
- Xem xét quá trình giải độc Cd trong đất với than sinh học;
- Đề xuất hàm lượng than sinh học sử dụng tối ưu nhằm đạt hiệu quả tốt nhất cho tăng trưởng của thực vật và sản xuất an toàn.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu đất trồng rau thuộc địa bàn xã Hưng Định, thành phố Thuận An, tỉnh Bình Dương và các thông số Cd trong cây cải thìa
- Phạm vị nghiên cứu: Nghiên cứu được giới hạn trong xã Hưng Định, thành phố Thuận An, tỉnh Bình Dương.
Tổng quan tình hình nghiên cứu
Cadimi là một trong rất ít nguyên tố không cần thiết cho cơ thể con người Nguyên tố này và dung dịch các hợp chất của nó là những chất cực độc thậm chí chỉ với nồng độ rất thấp và được tích lũy sinh học trong cơ thể cũng như trong các hệ sinh thái Cadimi có tổn hại rất lớn đối với thận và xương ở liều lượng cao như rối lọan chức năng thận, thiếu máu, tăng huyết áp, đặc biệt là bệnh xương thủy tinh, xương giòn và rất dễ gãy đã được tìm thấy trên con người Một số phương pháp xử lý ô nhiễm đất đã được áp dụng như phương pháp vật lý, hoá học và sinh học Tuy nhiên, còn nhiều hạn chế Do đó việc tìm kiếm một giải pháp, vật liệu mới hiệu quả và tiết kiệm chị phí là cần thiết, nổi bật như than sinh học
1.4.1 Trong nước Ở Việt Nam có một số đề tài, dự án, nghiên cứu, sản xuất than sinh học và đánh giá lợi ích của việc ứng dụng than sinh học vào cải tạo đất Một số nghiên cứu lại cho thấy một số vật liệu hữu cơ có khả năng tăng khả dụng sinh học của kim loại trong đất, điều này có thể liên quan đến tính chất đất cũng như loại vật liệu hữu cơ được sử dụng Tuy nhiên, hiện nay chưa có nghiên cứu ứng dụng than sinh học để giảm nồng độ Cd trong môi trường đất, chỉ mới có các nghiên cứu ứng dụng than sinh học để giảm nồng độ Cd trong nước thải Xử lý KLN trong đất bằng thực vật đang là hướng đi được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm
Bảng 1.1.1: Một số nghiên cứu trong nước
Tác giả Hướng nghiên cứu Hiệu suất xử lý
Than sinh học và những tác động đối với sức khỏe của đất (Dương et al., 2018)
Trung hòa độ chua của đất, tăng độ dẫn điện của của đất, tăng độ mùn, độ phì
Ngọc Phi, Nguyễn Tấn Đức nhiêu cho đất,…
Xuân Lộc, Trương Thị Nga Ảnh hưởng của loại và lượng than sinh học đến sinh trưởng và năng suất cải xanh trên đất cát (Bình, Viên, & Nga, 2019)
Bổ sung các loại than sinh học có nguồn gốc từ tràm, tre và trấu vào đất cát đã đem lại ảnh hưởng tích cực đến khả năng sinh trưởng, năng suất thu hoạch của cây trồng
Nguyễn Thành Hưng và cộng sự, 2019
Khảo sát, sàng lọc loài thực vật bản địa (tỉnh Bình Dương) có khả năng xử lý đất ô nhiễm KLN Cd (Nguyễn Thành Hưng,
Trong môi trường đất ô nhiễm Cd từ 10 – 25 mg/kg, trồng Lu lu đực đạt hiệu quả xử lí Cd cao nhất
Võ Văn Minh (Luận án tiến sĩ, 2009)
Nghiên cứu khả năng hấp thụ một số KLN trong đất của cỏ vetiver và đánh giá hiệu quả cải tạo đất ô nhiễm (Võ, 2009)
Nồng độ Cd từ 10 – 60 ppm (vượt QCVN đối với đất nông nghiệp từ 5 – 30 lần) có Vetiver vẫn có khả năng sinh trưởng và hấp thụ Cd Trần Viết Cường (Luận án tiến sĩ, 2015)
Nghiên cứu ứng dụng than sinh học từ phụ phẩm cây lúa để cải tạo môi trường đất xám bạc màu (Trần,
Khả năng xử lý KLN của đất xám bạc màu trong nước tăng lên khi tăng hàm lượng TSH bổ sung vào đất theo các tỉ lệ 0%, 1%, 5%, 10% TSH
Trên thế giới có một số nghiên cứu về ứng dụng than sinh học trong đất như than sinh học là tăng khả năng cố định KLN trong đất ô nhiễm hoặc than sinh học giúp ổn định hàm lượng KLN và cải thiện tình trạng đất, …
Bảng 1.1.2: Một số nghiên cứu trên thế giới
Tác giả Hướng nghiên cứu Hiệu suất xử lý
Chen Tua, Jing Wei, Feng
Biochar and bacteria ino Cd lated biochar enhanced Cd and Cd immobilization and enzymatic activity in a polluted soil (Tu et al.,
Việc bổ sung than sinh học NT-2 có thể làm tăng đáng kể phân đoạn còn lại của Cd, do đó làm giảm tỷ lệ các phân đoạn trao đổi và liên kết cacbonat trong đất, dẫn đến sự giảm khả dụng sinh học của thực vật
Rice straw- and rapeseed residue-derived biochars affect the geochemical fractions and phytoavailability of Cd and
Pb to maize in a contaminated soil under different moisture content (Salam et al., 2019)
Tỷ lệ cao hơn của than sinh học có nguồn gốc từ rơm rạ bị nhiệt phân ở 550 °C làm giảm đáng kể phần di động (dạng cục + có thể trao đổi) của Cd (59,42%) và Pb (75,4%) và tăng phần còn lại của Cd (37,8%) và Pb (54,7%) trong đất đã xử lý ở độ ẩm cao nhất (80%) so với đất chưa xử lý
Highly effective stabilization of Cd and Cd
Thí nghiệm ủ than sinh học đa biến đổi cho thấy rằng làm
Tao Li, Zhihui Yang, Qi
Wang in two different soils and improvement of soil properties by multiple- modified biochar (Wang et al., 2021) giảm diethylenetriaminepentaacetic (DTPA) -extractable Cd xuống 92.02% đối với đất nông nghiệp và 90.07% đối với đất trồng rau
Li, Guikui Chen, Qin Lu
Biochar improves cd- contaminated soil and lowers Cd accumulation in Chinese flowering cabbage (Brassica parachinensis L.) (D Li et al., 2021)
Việc sử dụng than sinh học đã cải thiện độ phì nhiêu và chất lượng của đất đồng thời làm giảm khả dụng sinh học và sự hấp thu Cd của bắp cải ra hoa Trung Quốc
Efficacy of chitosan-coated textile waste biochar applied to Cd-polluted soil for reducing Cd mobility in soil and its distribution in moringa (Moringa oleifera L.) (Zubair et al., 2021)
Việc bổ sung TWB, CH và TWB + CH trong đất ô nhiễm Cd làm giảm sự phân bố Cd trong chồi (56%, 66% và 63%), rễ (41%, 48% và 45%) và cây có sẵn Cd trong đất (38%, 52% và 49%), so với đối chứng
Effect of biochar on Cd and pyrene removal and bacteria communities variations in soils with culturing ryegrass (Lolium perenne L.) (G Li et al.,
Người ta đề xuất rằng trồng cỏ lúa mạch đen lai sửa đổi than sinh học sẽ là một phương pháp hiệu quả để xử lý đất bị ô nhiễm Cd và pyrene
Zhenyan Chen, Zhiwei Lu, Effects of biochars Than sinh học rơm lúa mì
Chunhong Chen, Kai Shen combined with ferrous sulfate and pig manure on the bioavailability of Cd and potential phytotoxicity for wheat in an alkaline contaminated soil (Chen et al., 2021)
(WB) và than sinh học rơm ngô (MB) chỉ kết hợp với sunfat sắt (FeSO4) hoặc kết hợp với FeSO4 và phân lợn (PFWB và PFMB) có hiệu quả tốt hơn trong việc cố định Cd trong đất và ức chế sự hấp thu Cd của lúa mì hơn than sinh học rơm lúa mì (WB) và than sinh học rơm ngô (MB)
Bone-derived biochar improved soil quality and reduced Cd and Zn phytoavailability in a multi- metal contaminated mining soil
Việc tái sử dụng các sản phẩm phụ như xương bò trong nông nghiệp có thể đạt được nhiệt phân kỹ lưỡng Tiềm năng than sinh học có nguồn gốc từ xương như một vật liệu đầy hứa hẹn cho kim loại bất động trong đất khai thác bị ô nhiễm chưa được khám phá đầy đủ
Đóng góp của nghiên cứu
- Kết quả đề tài là một hướng đi mới cho công nghệ xử lý ô nhiễm KLN trong đất thuộc chuyên ngành Khoa học môi trường
- Kết quả đề tài là nguồn tài liệu tham khảo quan trọng cho các môn học: Kỹ thuật xử lý đất ô nhiễm nâng cao, Ðộc chất học môi trường ứng dụng, Kỹ thuật xử lý môi trường và chất thải
- Kết quả đề tài phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu khoa học của giảng viên và học viên cao học ngành Khoa học môi trường - Trường Đại học Thủ Dầu Một
- Giải quyết vấn đề ô nhiễm Cd trong đất với chi phí thấp, thao tác đơn giản
- Hỗ trợ cho các doanh nghiệp trên địa bàn Tỉnh Bình Dương ứng dụng công nghệ trong sản xuất nông nghiệp sạch theo hướng VietGAP, đủ điều kiện xuất khẩu ra nước ngoài
- Giải quyết vấn đề thải bỏ phế phẩm nông nghiệp, tăng mỹ quan đô thị
- Giảm nồng độ Cd trong loại rau ăn hàng ngày
NỘI DUNG
1.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu
Thành phố Thuận An nằm ở phía nam tỉnh Bình Dương, giữa thành phố Thủ Dầu Một, tỉnh lỵ của tỉnh Bình Dương và Thành phố Hồ Chí Minh, có vị trí địa lý:
- Phía đông giáp thành phố Dĩ An
- Phía tây giáp Quận 12 và huyện Củ Chi, huyện Hóc Môn, Thành phố Hồ Chí Minh
- Phía nam giáp thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
- Phía bắc giáp thành phố Thủ Dầu Một và thị xã Tân Uyên
Thành phố Thuận An có diện tích 83,71 km², dân số năm 2021 là 618.984 người, mật độ dân số đạt 7.394 người/km² Thành phố Thuận An là trung tâm kinh tế và là thành phố lớn nhất tỉnh về dân số
Hình 1.1: Bản đồ hành chính Thành phố Thuận An, tỉnh Bình Dương
TỔNG QUAN
Tổng quan về khu vực nghiên cứu
Thành phố Thuận An nằm ở phía nam tỉnh Bình Dương, giữa thành phố Thủ Dầu Một, tỉnh lỵ của tỉnh Bình Dương và Thành phố Hồ Chí Minh, có vị trí địa lý:
- Phía đông giáp thành phố Dĩ An
- Phía tây giáp Quận 12 và huyện Củ Chi, huyện Hóc Môn, Thành phố Hồ Chí Minh
- Phía nam giáp thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
- Phía bắc giáp thành phố Thủ Dầu Một và thị xã Tân Uyên
Thành phố Thuận An có diện tích 83,71 km², dân số năm 2021 là 618.984 người, mật độ dân số đạt 7.394 người/km² Thành phố Thuận An là trung tâm kinh tế và là thành phố lớn nhất tỉnh về dân số
Hình 1.1: Bản đồ hành chính Thành phố Thuận An, tỉnh Bình Dương
Khí hậu ở thành phố Thuận An mang đặc điểm của khí hậu tỉnh Bình Dương: nắng nóng và mưa nhiều, độ ẩm khá cao, trong năm phân chia thành hai mùa rõ rệt: mùa khô và mùa mưa Mùa mưa thường bắt đầu từ tháng 5 kéo dài đến Cuối tháng 10 dương lịch Lượng mưa trung bình hàng năm từ 1.800 - 2.000mm
Nhiệt độ trung bình hàng năm từ 26ºC - 27ºC Nhiệt độ cao nhất có lúc lên tới 39,3ºC và thấp nhất từ 16ºC - 17ºC (ban đêm) và 18ºC vào sáng sớm Vào mùa nắng, độ ẩm trung bình hàng năm từ 76 - 80%, cao nhất là 86% (vào tháng 9) và thấp nhất vào tháng
Thành phố Thuận An tỉnh Bình Dương có ba loại đất chính:
- Đất xám: Loại đất này phù hợp với nhiều loại cây trồng, nhất là cây công nghiệp, cây ăn trái
- Đất phù sa: phân bố ở những vùng thung lũng bãi bồi dọc sông Sài Gòn và sông Đồng Nai, được xếp vào loại phù sa trẻ, có độ phì nhiêu cao Do vậy, được sử dụng cho việc trồng lúa, lương thực, rau, quả, đặc biệt là trồng cây ăn quả đặc sản, chất lượng cao
- Đất phèn phân bố chủ yếu ở khu vực thuộc Lái Thiêu, thị xã Thuận An dọc sông Sài Gòn và khu vực dọc sông Thị Tính Đất này có nơi rất chua (pH=3,5), nghèo lân Loại đất phèn sau khi được cải tạo có thể trồng lúa, rau và cây ăn trái
Trong những năm qua, thành phố Thuận An luôn là một trong những địa phương đi đầu trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa của tỉnh Bình Dương Tốc độ tăng trưởng kinh tế thị xã luôn ở mức cao, thu nhập bình quân đầu người đạt 143,88 triệu đồng/người/năm Lĩnh vực kinh tế chuyển biến tích cực theo cơ cấu công nghiệp, dịch vụ - thương mại, nông nghiệp; năm 2018, tỷ lệ công nghiệp - xây dựng chiếm 79,48%, thương mại - dịch vụ - du lịch chiếm 20,44% và nông lâm nghiệp chiếm 0,08%
Toàn thị xã hiện có 03 khu công nghiệp (VSIP 1, Việt Hương, Đồng An) và 03 cụm công nghiệp tập trung, thu hút 2.368 doanh nghiệp trong và ngoài nước; trong đó, số doanh nghiệp hoạt động trong các khu công nghiệp và cụm công nghiệp là 400 doanh nghiệp
Các hoạt động trên lĩnh vực văn hóa xã hội đều có những chuyển biến tích cực theo định hướng, hài hòa với phát triển kinh tế Tổ chức tốt các hoạt động chào mừng các ngày lễ, kỷ niệm, tết Nguyên đán và các sự kiện của địa phương Công tác giảm nghèo và chăm lo đời sống cho các đối tượng chính sách, xã hội được quan tâm thường xuyên Công tác khám chữa bệnh, phòng chống dịch bệnh và các chương trình mục tiêu y tế quốc gia được duy trì thường xuyên Công tác xã hội hóa trên lĩnh vục giáo dục, y tế được thực hiện có hiệu quả đáp ứng nhu cầu học tập và khám chữa bệnh của nhân dân Cơ sở vật chất trường lớp, trang thiết bị y tế và các thiết chế văn hóa thể thao tiếp tục được đầu tư xây dựng phục vụ nhu cầu học tập, vui chơi giải trí ngày càng tăng của nhân dân Tình hình an ninh chính trị, trật tự an toàn xã hội được giữ vững.
Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng trong đất
1.2.1 Khái niệm về KLN và tác hại của chúng
Thuật ngữ “kim loại nặng” được từ điển hóa học định nghĩa là các kim loại có tỷ trọng lớn hơn 4,5 g/cm 3 Trong tự nhiên có hơn 70 nguyên tố KLN Đối với các nhà độc tố học, thuật ngữ KLN chủ yếu dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn để môi trường bao gồm: As, Cd, Pb, Cd, Zn, Hg, Ni, Mn, Cr, … Theo cơ quan thống kê các chất độc và bệnh Hoa Kỳ (ATSDR) và Cơ quan bảo vệ Môi trường của Mỹ (US EPA), trong số này As, Cd, Pb, Hg nằm trong nhóm 20 chất nguy hại hàng đầu (Nguyễn, 2019)
Giới hạn tối đa hàm lượng tổng số của một số KLN trong tầng đất mặt được quy định tại QCVN 03 – MT:2015/BTNMT như sau:
Bảng 2.1.1: Giới hạn tối đa hàm lượng của một số KLN trong tầng đất mặt ("QCVN 03- MT:2015/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về giới hạn cho phép của một số kim loại nặng trong đất ") Đơn vị tính: mg/kg đất khô
TT Thông số Đất nông nghiệp Đất lâm nghiệp Đất dân sinh Đất công nghiệp Đất thương mại, dịch vụ
Các KLN phổ biến nhất là: Cd, Cr, Cd, Hg, Pb và Zn Trong đó, Cd và Zn là các nguyên tố vi lượng, có vai trò quan trọng đối với quá trình trao đổi chất trong tế bào và là thành phần, cấu trúc của các protein và enzym Tuy nhiên, các nguyên tố vi lượng nói riêng và KLN nói chung ở nồng độ cao là yếu tố cực kỳ độc hại đối với quá trình trao đổi chất của tế bào Vì vậy, ô nhiễm đất bởi tác nhân KLN có thể dẫn đến mất cân bằng của các loại động, thực vật bậc thấp trong đất và ảnh hưởng độc hại đến các loại động, thực vật bậc cao Đặc biệt, trong môi trường đất bị ô nhiễm KLN với nồng độ cao, thực vật kém phát triển, độ che phủ bề mặt thấp, hậu quả là các KLN sẽ xâm nhập vào nguồn nước ngầm và nước mặt (Lasat, 2000)
Trong những năm gần đây, ô nhiễm KLN trong đất đã thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học vì tính chất bền vững của chúng Độc tính của KL đối với sinh vật liên quan đến cơ chế oxy hóa và độc tính gen (Võ, 2009)
Tác hại của các KLN đối với động vật và con người là làm tổn hại hoặc giảm chức năng của hệ thần kinh trung ương, giảm năng lượng sinh học, tổn hại đến cấu trúc của máu, phổi, gan, thận và các cơ quan khác Tiếp xúc với KLN trong thời gian dài có thể ảnh hưởng mãn tính đến thể chất, cơ và quá trình thái hóa hệ thần kinh dẫn đến biểu hiện của các bệnh Alzhiemer, Parkinson, bệnh teo cơ, bệnh đa xương cứng Hơn nữa, KLN còn làm tăng các tương tác dị ứng và gây nên đột biến gen, cạnh tranh với các KL cần thiết trong cơ thể ở các vị trí liên kết sinh hóa và phản ứng như các khánh sinh giới hạn rộng chống lại cả vi khuẩn có lợi và vi khuẩn có hại Độc tính KLN và nguy cơ tích lũy sinh học của KLN trong chuỗi thức ăn là một trong những vấn đề bức xúc về môi trường và sức khỏe cộng đồng trong xã hội công nghiệp ngày nay (Võ, 2009)
KLN tồn tại trong đất thông qua các quá trình tự nhiên và nhân tạo, gây ra nhiều tác động độc hại đối với hoạt động sinh học đất do ảnh hưởng không nhỏ đến các quá trình chuyển hóa trao đổi chất cũng như chức năng của hệ sinh thái (Hưng;)
1.2.2 Các dạng tồn tại của kim loại nặng trong đất
Dạng linh động: Các KLN được hấp phụ trên bề mặt các hạt đất (hạt sét, các oxit sắt và oxit mangan bị solvat hoá, các axit mùn) Đây là dạng mà cây trồng dễ hấp thu trong quá trình hút dinh dưỡng và nước vào cơ thể
Dạng liên kết cacbonat: Các KLN tồn tại dưới dạng các muối cacbonat (CO3 2-) trong đất Sự tồn tại và liên kết của các dạng này phụ thuộc rất nhiều vào pH của đất cũng như lượng cacbonat trong đất
Dạng liên kết oxit sắt, oxit mangan: Dạng này dễ hình thành do các oxit sắt và oxit mangan tồn tại trong đất như quá trình laterit, vật liệu gắn kết giữa các hạt đất Các oxit
15 này là những chất loại bỏ rất tốt các KLN nhờ quá trình nhiệt động học không ổn định dưới điều kiện khử
Dạng liên kết với chất hữu cơ: KLN liên kết với các chất hữu cơ khác nhau trong đất như: sinh vật đất, sản phẩm phân giải của chất hữu cơ, chất hữu cơ bao phủ bên ngoài hạt đất Do đặc tính tạo phức và peptit hoá của các chất hữu cơ làm cho các kim loại tích luỹ lại trong đất (các chất hữu cơ bị oxy hoá, phân giải dẫn đến sự giải phóng các KLN vào đất)
Dạng còn lại: Bao gồm các KLN nằm trong cấu trúc tinh thể của các khoáng vật nguyên sinh và thứ sinh Dạng này rất khó giải phóng ra môi trường dưới các điều kiện tự nhiên bình thường Do tác dụng của các quá trình phong hoá, đặc biệt là phong hoá hoá học và phong hoá sinh học mà các KLN dần dần được giải phóng ra môi trường đất
1.2.3 Nguồn phát sinh kim loại nặng trong đất
Quá trình khoáng hóa đá và các hoạt động của con người là 2 nguồn chính cung cấp KLN vào trong môi trường đất Đá mẹ có vai trò quan trọng trong việc tích lũy các KLN trong đất, tùy thuộc vào các loại đá mẹ khác nhau mà các đất được hình thành có chứa hàm lượng các nguyên tố KLN khác nhau
Bảng 2 1.2 Hàm lượng trung bình một số KLN trong đá (ppm) (Võ, 2009)
Nguyên tố Đá bazo (Baselt) Đá axit (Granite) Đá trầm tích
Vỏ phong hóa Đao động trong đất
Theo Zueng (2007), nguồn ô nhiễm KLN do con người được chia thành 5 nhóm chính: (1) Quá trình khai thác và chế biến khoáng sản (As, Cd, Pb, Hg); (2) Hoạt động công nghiệp (As, Cd, Hg, Ni, Zn, Cr, Cd, Co); (3) Lắng động khí quyển (As, Cd, Cr, Cd,
Pb, Hg, U); (4) Hoạt động nông nghiệp (As, Cd, Cd, Pb, Hg, Se, U, Zn); (5) Chất thải (As,
Cd, Cr, Cd, Pb, Hg, Zn) (Nguyễn, 2019) Ô nhiễm KLN có nguồn gốc từ khai thác mỏ Quặng được đưa đến một sàng, được nghiền và tách thành các phần nhỏ, tạo thành một sản phầm giàu KLN (quá trình làm giàu), cộng với một lượng lớn chất thải Các chất thải thường được thải ra dưới dạng bùn than xuống một đầm, thường là các lòng chảo tự nhiên hoặc một hồ Quặng sau khi sàng được đưa đến một lò nấu chính, chất thải lò bao gồm chất thải nóng chảy gọi là xỉ, được phân tán trong đất kèm theo sự phóng thích CO2, các khí khác và các kim loại ứng với quặng đó Thành phẩm từ các lò luyện chảy được đưa đến các lò luyện tinh để sản xuất các kim loại tinh khiết kèm theo sự phóng thích một lần nữa các khí và kim loại tương ứng ra khí quyển Kim loại tinh đã được luyện tinh được dùng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, từ đây, nó có thể tạo ra sự ô nhiễm một lần nữa vào đất, nước, không khí Sau một thời gian hữu dụng, các sản phẩm công nghiệp có thể được tái sinh bằng cách ấy và luyện tinh lần 2, chúng có thể bị thải hồi thành rác thải hoặc đáng tiếc hơn, nó có thể tập trung vào các đống rác ở vùng đất tốt (Huy, 2008)
Năm 2008, Manfred Felician Bitala đã nghiên cứu ô nhiễm KLN được tích luỹ trong đất và cây trồng từ mỏ vàng ở Geita, Tanzanian cho thấy tất cả các mẫu nghiên cứu đều vượt tiêu chuẩn cho phép Cụ thể, trong các mẫu đất nồng độ của Hg vượt quá tiêu chuẩn là 6.606 lần, trong khi As vượt quá tiêu chuẩn 36 lần, các kim loại khác đều vượt quá trong khoảng từ 42–232 lần Trong các mẫu cây trồng, nồng độ của Hg vượt quá tiêu chuẩn cho phép 9.607 lần, Cd vượt quá tiêu chuẩn cho phép là 3 lần Các kim loại khác có nồng độ vượt quá tiêu chuẩn cho phép trong khoảng từ 40–5682 lần (Tùng, 2012)
Tổng quan về Cadimi
1.3.1 Giới thiệu chung về Cadimi
Cadimi được phát hiện bởi Friedrich Strohmeyer tại Đức năm 1817 Strohmeyer đã tìm thấy nguyên tố mới trong tạp chất của kẽm cacbonat (calamin) và trong khoảng 100 năm sau đó thì Đức là nước sản xuất lớn duy nhất của kim loại này Kim loại này được đặt tên theo từ Latinh để chỉ calamin do nó được tìm thấy trong quặng chứa hợp chất này của kẽm Strohmeyer thông báo rằng một số mẫu quặng chứa tạp chất của calamin bị đổi màu khi nung nóng nhưng calamin tinh chất thì không
Cadimi thuộc nhóm II B, chu kỳ 5, hiệu số nguyên tử là 48 của bảng hệ thống tuần hoàn, có khối lượng nguyên tử trung bình bằng 112.411 (đvC), là một kim loại quí hiếm,
23 được xếp thư 67 trong thứ tự của nguyên tố dồi dào Cadimi nguồn gốc tự nhiên là hỗn hợp của 6 đồng vị ổn định, 27 đồng vị phóng xạ đã được phát hiện với ổn định nhất là
Cd 113 có chu kỳ bán rã là 7,7 triệu tỷ năm; Cd 109 có chu kỳ bán rã 462,6 ngày và Cd 115 có chu kỳ bán rã 53,46 giờ Tất cả các đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 2,5 giờ và phần lớn trong chúng có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 5 phút Nguyên tố này có 8 trạng thỏi đồng phõn với ổn định nhất là Cd 113 (tẵ 14,1 năm), Cd 115 (tẵ 44,6 ngày) và
Cadimi là KLN nguy hiểm nhất vì nó có độc tính cao đối với sinh vật sống ngay cả ở nồng độ thấp Cadimi là chất độc ngay cả ở nồng độ tương đối thấp do khả năng hòa tan trong nước cao và tính di động cao Theo Fassett (1980) thì nguy hại chính đối với sức khỏe con người từ Cd là một KLN có sự tích tụ gây độc mãn tính trong thận Nếu hàm lượng Cd trong thận lên đến 200 mg/kg khối lượng tươi thì sẽ gây rối loạn chức năng thận Thức ăn là con đường chính để Cd đi vào cơ thể, nhưng bên cạnh đó việc hút thuốc lá và hơi khói có chứa nhiều CdO, cũng là nguồn quan trọng đưa Cd vào cơ thể Ô nhiễm và gây độc Cd đã tăng nhanh trong những thập niên gần đây là do hậu quả của việc sử dụng Cd trong công nghiệp ngày càng nhiều Không giống như Pb, Cd và
Hg đã được sử dụng từ nhiều thế kỷ, Cd chỉ mới được sử dụng rộng rãi ở thế kỷ này, hơn một nửa Cd đã từng được sử dụng trong công nghiệp khoảng 20 năm qua Nó tồn tại như một sản phẩm nấu chảy của Zn và những kim loại cơ bản khác và không có quặng nào được sử dụng chính yếu làm nguồn Cd Việc sản xuất Cd trên thế giới tăng từ 11.000 tấn trong năm 1960 đến 19.000 tấn năm 1985 Khoảng 3/4 Cd sản xuất ra được sử dụng trong các loại pin (đặc biệt là pin Ni-Cd) và phần lớn trong 1/4 còn lại sử dụng chủ yếu trong các chất màu, lớp sơn phủ, các tấm mạ kim và làm chất ổn định cho plastic Ngoài ra, Cd là thành phần trong một số hợp kim có điểm nóng chảy thấp, các hợp kim làm vòng bi hay gối đỡ do có hệ số ma sát thấp và khả năng chịu mỏi cao; 6% Cd sử dụng trong mạ điện Nhiều loại que hàn, lưới kiểm soát trong các lò phản ứng hạt nhân chứa kim loại này; Các hợp chất chứa Cd được sử dụng trong các ống hình của tivi đen trắng hay tivi màu (photpho đen, trắng, lam và lục); Cd tạo ra nhiều loại muối, trong đó Cd sulfide là phổ biến
24 nhất Sulfua này được sử dụng trong thuốc màu vàng; Một số vật liệu bán dẫn như Cd sulfide, Cd selenide và Cd teluride thì nó dùng trong các thiết bị phát hiện ánh sáng hay pin mặt trời HgCdTe nhạy cảm với tia hồng ngoại; Một số hợp chất của Cd sử dụng trong PVC làm chất ổn định và trong thiết bị phát hiện neutrino đầu tiên (Huy, 2008)
1.3.2 Nguồn gốc Cadimi trong tự nhiên
Cadimi hiện diện khắp nơi trong lớp vỏ của trái đất với hàm lượng trung bình khoảng 0,1 mg/kg Tuy nhiên hàm lượng cao hơn có thể tìm thấy trong các loại đá trầm tích như đá trầm tích phosphate biển thường chứa khoảng 15 mg/kg Hàng năm sông ngòi vận chuyển một lượng lớn Cd khoảng 15000 tấn đổ vào các đại dương (GESAMP, 1984 trích trong WHO, 1992) Hàm lượng Cd đã được báo cáo có thể lên đến 5 mg/kg trong các trầm tích sông và hồ, từ 0,03 đến 1 mg/kg trong các trầm tích biển (Korte, 1983 trích trong WHO, 1992) Hàm lượng Cd trung bình trong đất ở những vùng không có sự hoạt động của núi lửa biến động từ 0,01 đến 1 mg/kg, ở những vùng có sự hoạt động của núi lửa hàm lượng này có thể lên đến 4,5 mg/kg (Korte, 1983 trích trong WHO, 1992) Tuy nhiên theo Murray (1994) hàm lượng Cd trong đất hiện diện trung bình 0,06–1,1 ppm
Các ứng dụng chủ yếu của Cd trong trong công nghiệp như: lớp mạ bảo vệ thép, chất ổn định trong PVC, chất tạo màu trong plastic và thủy tinh, và trong hợp phần của nhiều hợp kim là một trong những nguyên nhân phóng thích Cd vào môi trường Hàm lượng của Cd trong phân lân biến động khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc của đá phosphate Phân lân có nguồn gốc từ đá phốt phát Bắc Carolina chứa Cd 0.054 g/kg, phân lân có nguồn gốc từ đá Sechura chứa hàm lượng Cd 0.012 g/kg, trong khi đó phân lân có nguồn gốc từ đá phosphate Gafsa chứa 0.07 g/kg Ngoài ra, nguồn phân hữu cơ và phân lân cũng có chứa một lượng nhất định Cd và các KLN độc hại khác
1.3.3 Tác hại của kim loại Cadimi đối với sức khỏe con người
Cadimi là một trong rất ít nguyên tố không cần thiết cho cơ thể con người Nguyên tố này và dung dịch các hợp chất của nó là những chất cực độc thậm chí chỉ với nồng độ rất thấp và được tích lũy sinh học trong cơ thể cũng như trong các hệ sinh thái Cadimi khi vào
25 cơ thể và tác động đến thận đầu tiên Cadimi có xu hướng tích luỹ trong cơ thể người, 33% trong thận và 14 % trong gan Ngoài ra một nghiên cứu 2021 người đàn ông và phụ nữ bị nhiễm độc Cd ở Thủy Điển cho thấy nhiễm độc kim loại Cd có liên quan đến gia tăng nguy cơ gãy xương ở độ tuổi trên 50
Cadimi có tổn hại rất lớn đối với thận và xương ở liều lượng cao như rối loạn chức năng thận, thiếu máu, tăng huyết áp, đặc biệt là bệnh xương thủy tinh, xương giòn và rất dễ gãy đã được tìm thấy trên con người Bệnh xương thủy tinh được phát hiện tại lưu vực sông Jinzu, Nhật Bản với tên là bệnh Itai-itai Bệnh Itai-itai là kết quả của việc ngộ độc Cd trong một khoảng thời gian dài bắt nguồn từ việc kim loại này được giải phóng từ quá trình khai thác mỏ.
Tổng quan về than sinh học
1.4.1 Khái niệm than sinh học
Có khá nhiều định nghĩa về than sinh học:
Theo Lehmann và Joseph, than sinh học là vật rắn giàu cacbon thu được từ việc nhiệt phân sinh khối hay các chất hữu cơ trong môi trường yếm khí (Lehmann & Joseph,
2015) Với tính toán của Viện Năng lượng Việt Nam, lượng chất thải nông nghiệp ở Việt Nam rất đa dạng (như rơm rạ, vỏ trấu, lõi ngô, vỏ dừa, vỏ cà phê, phế thải gỗ…), thải ra môi trường hoặc đốt ngoài đồng ruộng hàng năm rất lớn Đây là một trong những nguồn năng lượng sinh khối tiềm năng để phục vụ cho nhu cầu đun nấu và sản xuất than sinh học Năm 2013, tổng lượng chất thải nông nghiệp khoảng 118,21 triệu tấn/năm, bao gồm khoảng 32,8 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn trấu, 15,6 triệu tấn bã mía, 1,2 triệu tấn vỏ cà phê, 9,2 triệu tấn lõi ngô, 8,1 triệu tấn các loại phụ phẩm nông nghiệp khác và phế thải từ gỗ khoảng 43,3 triệu tấn (Tú, 2016)
Than sinh học là một dạng của năng lượng sinh khối Than sinh học được tạo ra từ quá trình nhiệt phân yếm khí nguyên liệu có nguồn gốc sinh khối (gỗ, thân, cành, lá và phụ phẩm nông nghiệp, rác thải hữu cơ) (Chi, Lê Nguyên Cẩn, Thành, & Thanh)
Than sinh học được tạo ra từ quá trình nhiệt phân các vật liệu hữu cơ trong môi trường không có hoặc nghèo ôxy để không xảy ra phản ứng cháy Nó đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới ví như là “vàng đen” cho ngành nông nghiệp (Trịnh, Cường, Quỳnh,
Than sinh học là sản phẩm của quá trình nhiệt phân vật liệu sinh học, hay còn gọi là sinh khối, là loại sản phẩm giàu cacbon được thu nhận từ sinh khối như gỗ, phân chuồng hoặc lá cây, rác vườn khi làm nóng trong một hộp kín với ít hoặc không có không khí Về thuật ngữ kỹ thuật, than sinh học được sản xuất thông qua quá trình nhiệt phân hợp chất hữu cơ trong điều kiện nguồn Cung cấp oxy bị hạn chế và có nhiệt độ tương đối thấp (
