bài giảng kỹ thuật xử lý ô nhiễm đất

Nội dung 1.Đất và quá trình hình thành hệ sinh thái đất 2.Các thành phần cơ bản của môi trường đất 3.Ô nhiễm môi trường đất... “Vật chất khoáng trên bề mặt trái đất là chủ thể của sự sốn

KỸ THUẬT XỬ LÝ

Ô NHIỄM ĐẤT

Trần Nguyễn Vân Nhi

Tài liệu tham khảo

xuất bản

Nhà xuất bản

1 Lê Văn Khoa, Nguyễn

Xuân Cự, Trần Thiện

Cường, Nguyễn Đình

Đáp

Ô nhiễm môi trường đất và biện pháp xử lý

Nội dung

1.Đất và quá trình hình thành hệ sinh thái đất

2.Các thành phần cơ bản của môi trường đất

3.Ô nhiễm môi trường đất

Plate Tectonic Theory

Continent-Continent Collision

(va chạm lục địa)

“200 triệu năm trước đây, trái đất là 1 khối…”

theo Alfred Wegener, German meteorologist, 1912

Đến năm 1912, ý tưởng về sự

dịch chuyển của các lục địa bắt

đầu hình thành- được gọi là

Continental Drift

Lý thuyết này được phát biểu

bởi nhà khoa học 32 tuổi người

Đức tên là Alfred Lothar

Wegener

CONTINENTAL DRIFT THEORY

According to the continental drift theory, the super continent Pangaea began to break up about 225-200 million

years ago, eventually fragmenting into the continents as we know them today.

Mantle

Vùng dày nhất của bên trong trái đất

Vùng lớn nhất bên trong của trái đất có các nguyên tố:

Iron, Magie, Oxygen, and Silicon

Chủ yếu là đá Under rock, zone of melted

Plate Tectonics - kiến tạo mảng

Phần cứng của lớp mantle và lõi liên tục thay đổi

Types of Plate Boundaries

Convergent - chồng lấn

Divergent - tách

Transform - dịch chuyển ngược

nhau giữa 2 mảng

Convergent – chồng lấn

Thạch quyển chuyển

theo hướng xuống

Thông thường tạo khe

SỰ HÌNH THÀNH ĐẤT

(Soil Development)

Phong hóa làm gãy vỡ bề mặt đá bởi quá trình

cơ học hoặc hóa học

•Time: thời gian

•Biological processes: các quá trình sinh học

What is soil?

Soil scientists’ definition:

“solid earth material that has been altered by physical, chemical, and biological processes such that it can support rooted plant life.”

Engineers’ definition:

“solid earth material that can be removed without blasting.”

Geologists use both definitions

Định nghĩa

1. “Vật liệu khoáng rời trên bề mặt trái đất phục vụ

như là môi trường sống của cây trồng”;

2 “Vật chất khoáng trên bề mặt trái đất là chủ thể

của sự sống và và các nhân tố môi trường: vật

liệu gốc, khí hậu, sinh vật macro và micro, địa

hình, tất cả các vấn đề này tác động qua thời gian

và tạo ra ĐấT – mà nó khác với vật liệu ban đầu

bởi các đặc tính lý, hóa, sinh học và hình thể”.

(Glossary of soil science terms Soil Science Society of America, 1979)

Định nghĩa (tt)

3 Khoa học môi trường: “Là lớp bề mặt của

trái đất bao gồm chất rắn, nước, khí Đó

là nơi cư trú của sinh vật (lớn và nhỏ) và

là cái neo của rễ cây trồng”.

4 Người Hà Lan (Luật bảo vệ đất):

“Đất là 1 phần rắn của trái đất cũng bao

Các quá trình trong đất

Quá trình hình thành đất

Quan hệ giữa vòng đại tuần hoàn địa chất và vòng tiểu tuần

Hữu sinh

Thực vật Động vật

Vi sinh vật

Vai trò của đá mẹ

• Hình thành từ phá hủy của đá gốc.

• Cung cấp vật chất vô cơ cho đất.

• Ảnh hưởng đến tính lý hoá của đất.

• Quyết định thành phần khoáng vật.

Đá acid (đá granit có tỉ lệ SiO 2 65 –

75%) khi phong hóa cho ra lớp đất

mỏng, chua, nhiều cát, ít sét, nghèo

chất kiềm và kiềm thổ.

Đá baz và siêu baz (có tỉ lệ SiO 2 <

40%) cho ra tầng đất dày, pH trung

tính hay kiềm, thành phần chứa

nhiều kiềm và kiềm thổ, sét cao, ít

Nước ô nhiễm dầu đất ô nhiễm dầu

Vùng nhiệt đới mưa nhiều đất chua

Vai trò của khí hậu

• Ở mỗi đới khí hậu hình thành một

loại môi trường đất riêng: đất ôn đới,

đất nhiệt đới, đất hàn đới.

• Tạo môi trường để vi sinh vật

phân giải và tổng hợp chất hữu cơ

cho đất.

Vai trò của địa hình

• Ở vùng núi cao, nhiệt độ thấp nên

quá trình hình thành đất chậm.

• Độ cao: dưới 1800m, môi trường

đất được hình thành bởi quá trình

phẳng, quá trình bồi tụ chiếm ưu

thế và giàu chất dinh dưỡng.

Vai trò của thời gian

nguyên tố khoáng từ trong

sự phá hủy đá, để rồi tiếp

tục phá hủy đá Địa y hấp

thụ nguyên tố có chọn lọc,

trước hết là P, S, Ca, K và

Vai trò của động vật

Động vật sống trong đất như giun, kiến, mối,…

góp phần làm thay đổi tính lí, hoá của đất thông

qua các hoạt động:

• Ăn các chất hữu cơ tàn tích trong đất, trên mặt

đất, thải ra các chất hữu cơ đơn giản gần với các

hợp chất mùn để cùng làm giàu dinh dưỡng cho

đất.

• Quá trình hoạt động sống

Vai trò của vi sinh vật

Trong đất có nấm, xạ khuẩn, vi khuẩn hiếu khí,

kị khí, yếm khí, tảo và nguyên sinh động vật làm

nhiệm vụ:

• Phân giải chất hữu cơ

• Tổng hợp chất hữu cơ

• Cố định đạm

Vai trò của con người

Eluviation & Illuviation

41

Soil Development

Các tác nhân liên quan tới thành phần của đá gốc

Chemical weathering

Weathering-resistant sandstone yields little soil

Soil Soil Soil

Feldspar-rich

Iron-rich basalt Chemical

weathering

by  oxidation

Chemical weathering

by hydrolysis

Quá trình biến đổi

Phong hóa: – sự phân rã và phân hủy lớp đất bề mặt

trái đất Quá trình này chỉ diễn ra tại chỗ và ko có sự vận

chuyển, khác biệt với sự xói mòn.

Phong hoá cơ/lý học: - sự phân rã lý học của đá

thành những phần nhỏ hơn, mà các phần này có đặc tính

giống như ban đầu Xảy ra chủ yếu bởi thay đổi nhiệt độ

và áp suất.

Phong hóa hoá học: – là quá trình xảy ra bên trong

cấu trúc khi thêm hoặc bớt các nguyên tố Thay đổi theo

phase (mineral type) và thành phần của chúng phụ thuộc

vào các chất phản ứng từ bên ngoài Phong hóa hoá học

phục thuộc vào diện tích bề mặt cho các động học phản

ứng như nhiệt độ và dung dịch hoạt hóa Như vậy hạt

càng nhỏ thì diện tích bề mặt càng lớn.

47

Phong hóa cơ học

Frost Wedging – sự

giãn nở của nước khi

sang ướt, ở đó các tinh

49

Frost

Wedging

Source: Tom Bean/DRK Photo

Rockfall caused by frost wedging

Exfoliation in Yosemite National Park

Phong hóa hóa học - Chemical

• CARBONATION process by which dissolved

carbon dioxide in rainwater or moisture

in surrounding air forms carbonic acid and reacts

with the minerals in the rock.

• This process weakens the rock thus breaking it

down in the process e.g.: Calcium Carbonate +

Water + Carbon Dioxide -> Calcium Carbonate

(soluble)

Chemical weathering

HYDROLYSIS

• Chemical reaction between the minerals in the

rock and hydrogen in rain water.

• For example, during hydrolysis, the feldspar in

granite changes to clay mineral which crumbles

easily, weakening the rock and causing it to break

down.

Hydrolysis – Feldspar to Clay

Feldspars become

Chemical weathering

OXIDATION

The process by which oxygen combine with

water and minerals in the rock such as calcium

and magnesium.

When iron reacts with oxygen, reddish

-brown iron oxide is formed The iron-oxide crust

crumbles easily and weakens the rock.

e.g : Iron + Oxygen > Iron Oxide (crumbles)

Chemical weathering

SOLUTION

process by which minerals in the rocks dissolve

directly in water.

Chemical weathering

HYDRATION

process where minerals in the rock absorb

water and expand, creating stress which causes the

disintegration of rocks.

> Hydrated Calcium Sulphate (expands)

Source: New York Public Library, Locan

History and Genealogy Division

Các thành phần cơ bản của

môi trường đất Chương 2

Cấu phần chính của đất (Components)

Các thành phần của môi trường đất

Chuỗi thực phẩm trong đất

Đặc tính vật lý đất

Kết cấu – texture

thành phần cơ giới

• Đất nghèo dinh dưỡng, có khả năng khoáng hóa

chất hữu cơ nhanh trong điều kiện môi trường đủ

ẩm.

• Khả năng giữ thức ăn kém, ít vi sinh vật tổng

hợp, ít hữu cơ và mùn, thành phần hữu sinh nghèo.

Đất sét

• Khó thấm nước, dễ bị úng ngập, sinh ra hiện

tượng gley hóa

• Chất hữu cơ phân giải chậm

• Khả năng hấp phụ và giữ thức ăn lớn

• Ít bị rửa trôi

• Nhiệt độ thay đổi chậm

• Không thoáng khí nếu hữu cơ ít

• Tính dẻo cao

Đất thịt

• Mang tính chất trung gian giữa chất đất cát và

đất sét.

• MTST ở vùng đất thịt điều hòa, thích hợp với

nhiều loại thực vật, động vật và vi sinh vật hoạt

động.

• MTST phong phú, đa dạng sinh học.

coarse sand 2.0 to 1.0 mm;

Cát thô - coarse sand 1.0 to 0.5 mm;

Cát hạt trung medium sand 0.5 to 0.25 mm;

-Cát mịn - fine sand 0.25 to 0.10 mm;

Cát rất mịn - very fine sand 0.10 to 0.05 mm;

Limông- silt 0.05 to 0.002 mm;

Sét- clay <0.002mm

2.2 Cấu trúc đất (Soil structure)

Mối liên quan giữa kết cấu, dung trọng khô và độ rỗng

(texture, bulk density and porosity of soils)

Liquid permeability of several soil types

Độ dày và màu sắc của đất

Fe 2 O 3

Các tác nhân tạo màu trong đất

Hue: màu Chroma: cường độ sáng của màu

Nhuộm màu đất - Soil Coloring

Black organic coatings

Thành phần vô cơ đất

Hàm lượng trung bình của các nguyên tố hóa học trong đá và

trong đất (% khối lượng)

Các nguyên tố cần thiết cho cây trồng

Chức năng của các nguyên tố dinh dưỡng

cho thực vật

Chu trình Nitơ trong đất

Chu trình Nitơ trong đất

Nitơ

4 Quá trình giải phóng hay huy

động phosphat cho cây

5 Chuyển hóa, khoáng hóa

6 Sự chuyển hóa qua lại giữa các dạng phosphat trong đất

7 Phosphat được cây hấp thụ

8 Một phần nhỏ mất khỏi đất

Chu trình phốt pho trong đất

Quá trình chuyển hóa phốt phát

•Sự chuyển hóa phốt phát khó tan thành dạng hòa tan

phụ thuộc vào pH, hàm lượng Fe, Al, Mn, Ca hòa tan

và sự hoạt động của vi sinh vật

•Trong đất chua, Fe3+, Al3+ phản ứng với H2PO4- tạo

ra phốt phát kiềm không tan

•Trong đất có pH cao, canxi ở trạng thái hấp phụ trao

đổi sẽ phản ứng với H2PO4- tạo thành phốt phát kết

tủa

Kali

thẩm thấu,…

nhiều hơn đất có thành phần cơ giới nhẹ

• Ka li tồn tại trong đất ở dạng: muối đơn giản hòa tan,

trao đổi, hòa tan

• Nguồn kali chủ yếu đối với cây trồng là kali hấp phụ

trao đổi

Canxi và Magiê

tạo đất chua

• Hàm lượng Ca, Mg tổng số trong các loại đất từ 0,1

– 0,5% CaO và MgO Đất từ đá vôi chứa hơn 20%

CaO và MgO

• Trong đất Ca, Mg tồn tại trong các khoáng vật như

apatit, canxit, đolomit, gipxit,…; tồn tại dạng Ca2+,

Mg2+trao đổi trong các hợp chất mùn và trong dung

dịch đất

Lưu huỳnh

•Hàm lượng S trong đất từ 0,01% – 2%

•Đất ít mùn, thành phần cơ giới nhẹ có lượng S nhỏ, đất

giàu chất hữu cơ như đất than bùn, đất mặn chứa nhiều S

nhất.

•Trong điều kiện háo khí:

•Phản ứng oxi hóa pyrit ở đất phèn:

•Trong điều kiện yếm khí:

Chu trình S trong đất

Các nguyên tố vi lượng

Các nguyên tố phóng xạ

• Các nguyên tố phóng xạ và đồng vị urani, radi, thori

thường”như K40, Rb87, Ca48, Zn96…

quyển do tác dụng của các tia vũ trụ như H3, Be7,

B10, C14

hơn đá bazơ và siêu bazơ

chứa trong không khí đất hay dung dịch đất

Thành phần hữu cơ đất

Thuật ngữ Định nghĩa

Vật rơi rụng Chất hữu cơ phân tử lớn (tàn dư thực vật) trên mặt đất

Phần nhẹ Các mô động và thực vật chưa phân hủy và các sản phẩm phân hủy từng phần của

chúng, được phục hồi bằng cách tuyển nổi với chất lỏng tỷ trọng cao Sinh khối đất Chất hữu cơ hiện diện ở trong mô sinh vật sống

Mùn Tổng các chất hữu cơ trong đất, ngoại trừ các mô động vật và thực vật chưa phân

hủy, những sản phẩm phân hủy từng phần và sinh khối đất Các chất humic Các chất có khối lượng phân tử cao, từ màu vàng đến đen được tạo thành bởi các

phản ứng tổng hợp thứ cấp Thuật ngữ được sử dụng như tên gọi chung để mô tả vật liệu màu hoặc những thành phần của nó thu được dựa trên đặc trưng hòa tan.

Humin Phần chất hữu cơ đất không tan trong kiềm của chất mùn.

Axit humic Vật liệu hữu cơ màu tối có thể chiết rút từ đất bằng kiềm loãng hoặc các tác nhân

khác và chúng không tan trong axit loãng.

Axit hymatomelanic Phần axit humic tan trong cồn

Phần Axit fulvic Phần hữu cơ đất tan cả trong axit và trong kiềm

Thành phần hữu cơ đất

• Phần trầm tích động thực vật (chưa phân giải)

thảm mục trên mặt đất và vùi trong đất.

• Hữu cơ đã và đang phân giải:

- Hợp chất hữu cơ ngoài mùn: protit, gluxit, lipit,

este, rượu, axit hữu cơ, anđehyt (10 - 15%)

- Hợp chất mùn: cấu tạo phức tạp hơn (85 - 90%)

bao gồm các axit mùn, muối của chúng và các

Sơ đồ khoáng hóa chất hữu cơ trong đất

CHC phức tạp

CHC trung gian

CHC đơn giản hơn

R(PO4), R(SO4), R(NO2), R(NO3), NH3, H2O, CO2, CH4, H2, N2, H2S, PH3

Thủy phân đường,

polyphenol, axit béo, axit

amin phức tạp nhờ VSV

Phản ứng oxi hóa khử rượu, axit béo, gluxit nhờ VSV

Phản ứng oxi hóa khử nhờ VSV yếm khí

Phản ứng oxi hóa nhờ VSV

háo khí

R: Ca 2+ , Mg 2+ , K + , Na + , NH4+

Quá trình khoáng hóa chất hữu cơ

Tốc độ và sản phẩm phụ thuộc vào điều kiện

khoáng hóa nhanh

• Có đầy đủ hệ vi sinh vật

• Tối ưu: độ ẩm 70% - 80%, t0C = 30 - 350C, pH =

6,5 – 7,5

Quá trình mùn hóa

Mùn hóa

CHC phức tạp phân hủy thành sản phẩm trung gian

Tổng hợp tạo hợp chất mùn

Các hoạt động qua lại giữa các sản phẩm trung gian với các hệ enzym để tạo nên các mối liên kết

Trùng hợp các nhóm định chức thành hợp chất mùn

Ảnh hưởng của yếu tố môi trường đến

Môi trường yếm khí, ngập nước làm các chất trung

gian sẽ biến thành than bùn hoặc mùn hóa chậm

Điều kiện tối ưu:

P, Mo, Fe, Si)

+ Cấu tạo: phân tử lượng lớn 50.000 – 190.000 đơn vị,

phức tạp, bởi nhiều đơn vị cấu tạo bằng những mạng

lưới xếp lớp, không đối xứng

+ Dung tích hấp thụ: T = 300 – 600 mEq/100, tính đệm

cao, ít chua hơn.

+ Trạng thái tồn tại: ít tự do mà dạng liên kết tạo nên các

humat với cation hóa trị I, II, III, pH = 3,5 – 4,0 Nếu

humic kết hợp với cation hóa trị I dễ bị rửa trôi.

+ Khi phân giải cho nhiều khoáng chất, acid này giúp cho

đất hoạt tính tốt và độ phì cao.

- Nhóm acid fulvic (màu nâu)

+ Thành phần: C: 40,0 – 50,0%; H: 3,6%; O: 40,0 –

50,0%; N: 2,6%

+ Cấu tạo: ít nhân vòng, nhiều mạnh nhánh, nhiều

nhóm chức –COOH hơn acid humic

+ Phân tử lượng nhỏ hơn: 10.000 – 20.000

+ Trạng thái tồn tại: ít tự do, gây chua, pH = 2,6 – 2,8,

dễ di chuyển, dễ bị rửa trôi

• Đánh giá độ phì môi trường đất

• Tỷ lệ acid humic/acid fulvic càng cao mùn càng tốt

tốt)

Các bước tách thành phần mùn

Thành phần thể lỏng của đất

Các dạng nước trong môi trường đất:

1 Nước mặt đất (surface water): ao hồ, sông, suối,

đầm, biển

2 Nước trong môi trường đất (soil water)

3 Nước dung dịch đất (soil solution)

4 Nước ngầm (ground water)

Nước trong đất

Nước trong đất

Nước trong khoáng vật của hạt đất

Nước kết hợp mặt ngoài hạt đất

Nước hút bám

Nước liên kết

Nước liên kết mạnh

Nước liên kết yếu

Nước tự do

Nước mao dẫn

Nước trọng lực

Nước thổ nhưỡng

Khí kín Khí hòa tan

trong nước

Thành phần pha khí của môi trường

78,08 – 80,4220,9 – 0,0–0,30 – 20,000,00050,00020,000050,00002

Sự trao đổi khí giữa

Khả năng khuếch tán khí

Các quá trình sinh học

Điều kiện ngoại môi trường

Áp suất bề mặt đất Gió ở mặt đất

Địa hình

Khả năng hấp phụ khí của các loại khoáng

195947292285275320

19731721972219236278

Keo đất – dung dịch đất

Cấu tạo keo đất

L

íp ®iÖn kÐp

L íp ® iÖ

n bïM

Nh©n

th Õ

+

+ +

+

+

+ +

Phân loại keo đất

Phân loại theo điện tích:

Acid: Fe(OH)3+ H+ Fe(OH)2++ H2O

Base: Fe(OH)3+ OH- Fe(OH)2O-+ H2O

Phân loại theo nguồn gốc:

Keo vô cơ: silicate, oxyt sắt và nhôm

Keo hữu cơ: carboxyl, phenolic

Keo phức vô cơ – hữu cơ

Keo âm (asidoit)

H 2 SiO 3 = 2H + + SiO 3

2-SiO2 yH2O

Nh©n

+ + + +

+

+

+ +

Keo dương (Basidoit)

Keo này tạo thành do sự thuỷ phân FeCl3

FeCl3+ 3H2O  Fe(OH)3+ 3HCl

Hạt nhân keo tạo nên do nhiều phân tử Fe(OH)3

Những phân tử Fe(OH)3trên bề mặt hạt nhân phản ứng

với HCl tạo thành FeOCl:

-Keo lưỡng tính (Ampholitoit)

• Keo Fe(OH)3, khi pH< 7,1 biểu hiện keo dương,

nhưng khi pH > 7,1 biểu hiện keo âm (keo này có điểm

đẳng điện tại pH=7,1):

Fe(OH)3+ HCl  Fe(OH)2++ Cl- +H2O

Fe(OH)3+ NaOH  Fe(OH)2O-+ Na++ H2O

• Ðối với keo Al(OH)3 khi pH < 8,1 biểu hiện keo

dương, khi pH >8,1 là keo âm (điểm đẳng điện của keo

tại pH=8,1):

Al(OH)3+ HCl  Al(OH)2++ Cl-+ H2O

Al(OH)3+ NaOH  Al(OH)2O- + Na++ H2O

Keo vô cơ (keo khoáng)

Chủ yếu là keo nhôm silicat được hình thành do kết quả

phá huỷ đá và khoáng vật tạo thành Thành phần hoá học

của keo này gồm: SiO2 = 40% - 60%; Al2O3= 10% - 25%;

Fe2O3= 5% - 10% và một ít Ca, Mg, Ti, Mn, K, Na, P, S

cùng các nguyên tố vi lượng như B, Zn, Mo, Cu

(A l

2 O

3 )m

N h ©n

+ + + +

3

Cấu tạo keo

nhôm silicat