xử lý đất ô nhiễm Asen từ công nghiệp khai khoáng, nhờ thực vật Dương xỉ

Ô nhiễm đất có từ rất lâu, nhưng ở Việt Nam, đấy lại là một lĩnh vực môi trường hoàn toàn mới mẻ và rất ít được quan tâm. Để phục hồi được tính chất như ban đầu là rất khó khăn và tốn kém, cho nên chúng em chọn đề tài “ xử lý đất ô nhiễm Asen từ công nghiệp khai khoáng, nhờ thực vật Dương xỉ” nhằm giới thiệu quy trình công nghệ sử dụng dương xỉ để xử lý đất bị ô nhiễm As. Đây là một công nghệ thân thiện với môi trường, có chi phí thấp nhưng hiệu quả cao. Có thể nói, áp dụng công nghệ này là giải pháp tốt nhất đối với điều kiện của Việt Nam hiện nay. Quy trình này có thể được chuyển giao cho các địa phương có hoạt động khai thác và chế biến quặng.

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Đất là tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá và có vai trò quan trọng đối với sinh vật nói chung và con người nói riêng Đất cung cấp chỗ ở, nguồn thức ăn

và tiếp nhận đầu ra Con người ngày càng phát triển, đòi hỏi nguồn tài nguyên

từ đất mẹ càng nhiều, vì thế mà công nghiệp khai khoáng ngày càng phát triển Bên cạnh sự phát triển đó là việc môi trường đất ngày càng suy thoái và ô nhiễm bởi nhiều yếu tố, đáng chú ý nhất là ô nhiễm kim loại nặng

Ô nhiễm đất có từ rất lâu, nhưng ở Việt Nam, đấy lại là một lĩnh vực môi trường hoàn toàn mới mẻ và rất ít được quan tâm Để phục hồi được tính chất

như ban đầu là rất khó khăn và tốn kém, cho nên chúng em chọn đề tài “ xử lý đất ô nhiễm Asen từ công nghiệp khai khoáng, nhờ thực vật- Dương xỉ”

nhằm giới thiệu quy trình công nghệ sử dụng dương xỉ để xử lý đất bị ô nhiễm

As Đây là một công nghệ thân thiện với môi trường, có chi phí thấp nhưng hiệu quả cao Có thể nói, áp dụng công nghệ này là giải pháp tốt nhất đối với điều kiện của Việt Nam hiện nay Quy trình này có thể được chuyển giao cho các địa phương có hoạt động khai thác và chế biến quặng

Do kinh nghiệm thực tế chưa có và tài liệu hạn chế cho nên bài tiểu luận còn nhiều thiếu sót, rất mong cô giúp đỡ để chúng em hiểu rõ hơn về vấn đề này!

I. Lý do chọn đề tài

1. Giới thiệu về ngành công nghiệp khai khoáng ở Việt Nam

Việt Nam có nguồn tài nguyên khoáng sản tương đối phong phú và đa dạng về chủng loại gồm các nhóm khoáng sản nhiên liệu (dầu khí, than); nhóm khoáng sản sắt và hợp kim sắt (sắt, cromít, titan, mangan); nhóm khoáng sản kim loại màu (bôxit, thiếc, đồng, chì-kẽm, antimon, molipden); nhóm khoáng sản quý (vàng, đá quý); nhóm khoáng sản hoá chất công nghiệp (Apatít, cao lanh, cát thuỷ tinh); nhóm khoáng sản vật liệu xây dựng (đá vôi xi măng, đá xây dựng,

đá ốp lát)… Công nghiệp khai khoáng Việt Nam bắt đầu hình thành từ cuối thế

kỷ 19 do Pháp khởi xướng, từ năm 1955, Việt Nam đã tiếp quản, duy trì và phát triển các cơ sở khai thác, chế biến khoáng sản Đến nay, đã tiến hành điều tra cơ bản, thăm dò và phát hiện mới trên 5.000 điểm khoáng và mỏ Có thể nói, công nghiệp khai khoáng là nghành công nghiệp nặng được quan tâm và phát triển mạnh mẽ nhất

2. Hiện trạng ô nhiễm do công nghiệp khai khoáng

Hiện nay, công nghệ khai khoáng cũ, chủ yếu là áp dụng hai phương pháp chính là khai thác lộ thiên và khai thác hầm lò Trong đó, trình độ công nghệ khai thác hầm lò của Việt Nam chậm hơn so với các nước có nền công nghiệp phát triển vài thập niên Có thể nói, đó chính là nguyên nhân lớn dẫn đến việc

môi trường bị ảnh hưởng nặng nề ở những khu vực khai khoáng bởi công nghệ lạc hậu dẫn đến sự hủy hoại môi trường như: khai thác khoáng sản làm mất đất, mất rừng, ô nhiễm nước, ô nhiễm bụi, khí độc, lãng phí tài nguyên Vận

chuyển, chế biến khoáng sản gây ô nhiễm bụi, khí, nước và chất thải rắn Sử dụng khoáng sản gây ra ô nhiễm không khí (SO2, bụi, khí độc ), ô nhiễm nước, chất thải rắn… Nhưng nghiêm trọng và ít được quan tâm hơn cả là ô nhiễm đất do kim loại nặng Bề mặt hạt đất và quặng có khả năng hấp phụ các cation kim loại nặng như: Fe, Asen Đặc biệt là Asen, As tồn tại ơ ba dạng có tính kim loại của asen với cấu trúc tinh thể khác nhau cũng được tìm thấy trong

tự nhiên (các khoáng vật asen sensu stricto và hiếm hơn là asenolamprit cùng parasenolamprit), nhưng nói chung nó hay tồn tại dưới dạng các hợp chất asenua và asenat tồn tại trong đất dưới dạng khoáng vật như As4S4, As2S3,

As2O3… Hàm lượng As theo kết quả quan trắc của bộ tài nguyên môi trường nằm ở mức đáng lo ngại ở nhiều vùng khai thác khoáng sản trên thế giới và Việt Nam Chúng vốn nằm sâu dưới lòng đất không mấy linh động, ít tác động đến môi trường cũng như con người Tuy nhiên, sau quá trình khai khoáng chúng được đưa lên mặt đất và không hề được quan tâm xử lý sau đó, dẫn đến những hậu quả khôn lường sau khi đi vào nguồn nước, không khí cũng như chuỗi thức ăn Và việc xử lý chúng trở thành không hề dễ dàng và vô cùng tốn kém

Bài tiểu luận này giới thiệu về phương pháp phục hồi đất nhiễm Asen bằng phương pháp sinh học- sử dụng thực vật hấp thụ Asen- Dương xỉ

II. Tổng quan về Asen và đất ô nhiễm do asen

1. Tổng quan về Asen

As là á kim trong nhóm V-A có khối lượng phân tử 74,9, có nhiều dạng thù hình: màu vàng (phân tử phi kim) và một vài dạng màu đen và xám (á kim)

Tỷ trọng riêng của dạng màu vàng là 1,97 g/cm³; dạng 'asen xám' hình hộp mặt thoi nặng hơn nhiều với tỷ trọng riêng 5,73 g/cm³; các dạng á kim khác có tỷ trọng tương tự.Tuy vậy, nó vẫn được xem như là KLN vì các nhà độc tố học cho rằng, KLN là những kim loại và á kim có liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường và có độc tính cao đối với cơ thể sống như Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb,

Zn, As,

Asen về tính chất hóa học rất giống với nguyên tố đứng trên nó là phốtpho Sự tương tự lớn đến mức asen sẽ thay thế phần nào cho phốtpho trong các phản ứng hóa sinh học và vì thế nó gây ra ngộ độc Tuy nhiên, ở các liều thấp hơn mức gây ngộ độc thì các hợp chất asen hòa tan lại đóng vai trò của các chất kích thích và đã từng phổ biến với các liều nhỏ như là các loại thuốc chữa bệnh cho con người vào giữa thế kỷ 18

2. Cơ chế gây độc

As có thể gây độc với mức từ vài µg đến mg/l tùy thuộc vào từng loài sinh vật

và mức độ tác động Cơ chế gây độc của Asen là phá vỡ việc sản xuất ATP Ở cấp độ của chu trình axít citric, asen ức chế pyruvat dehydrogenaza và bằng cách cạnh tranh với phốtphat nó tháo bỏ phốtphorylat hóa ôxi hóa, vì thế ức chế quá trình khử NAD+ có liên quan tới năng lượng, hô hấp của ti thể và tổng hợp ATP Sản sinh của perôxít hiđrô cũng tăng lên, điều này có thể tạo thành các dạng ôxy hoạt hóa và sức căng ôxi hóa Các can thiệp trao đổi chất này dẫn tới cái chết từ hội chứng rối loạn chức năng đa cơ quan Khám nghiệm tử thi phát hiện màng nhầy màu đỏ gạch, do xuất huyết nghiêm trọng Mặc dù asen gây ngộ độc nhưng nó cũng có vai trò là một chất bảo vệ Khi tác động,

As có thể gây chết, ức chế sinh trưởng Đối với thực vật, As ảnh hưởng đến quá trình quang hợp, ra hoa, kết quả,… Ở những khu vực bị nhiễm độc As

thường có rất ít sinh vật có thể sống được, vì vậy, có thể sử dụng những sinh vật này như sinh vật chỉ thị

3. Đất ô nhiễm do Asen

Sự nhiễm bẩn đất bị ô nhiễm kim loại không chỉ xảy ra trong quá trình khai khoáng mà còn tồn tại sau khi mỏ đã ngừng hoạt động nhiều năm Theo kết quả phân tích đất trồng ở khu vực mỏ thiếc Sơn Dương (Tuyên Quang) có hàm lượng As là 642mg/kg trong khi quy chuẩn của Việt Nam cho đất dân sinh là

12 mg/kg (QCVN 03: 2008) Kết quả nghiên cứu hàm lượng của KLN tại một

số vùng khai thác mỏ đặc trưng của Việt Nam cho rằng, hàm lượng As trong hầu hết các mẫu đất và trầm tích tại các mỏ nghiên cứu vượt QCVN 03:2008 cho đất dân sinh nhiều lần

Sau quá trình khai khoáng, Asen được đưa lên bề mặt đất, qua các quá trình tự nhiên và cơ học, As theo nước mưa, nước rửa đi vào các nguồn nước mặt đến chuỗi thức ăn Hoặc sa lắng trở lại đất, ngấm vào nguồn nước ngầm, gây ô nhiễm nước ngầm và tạo trầm tích

III. Phương pháp xử lý

1. Mục tiêu

Nhiều người dân sinh sống ở quanh khu vực khai khoáng nhận xét rằng, sau quá trình khai thác mỏ thường để lại các dạng địa hình có tiềm năng gây sạt lở cao, làm ô nhiễm môi trường, gây nguy hiểm cho con người, súc vật, động vật hoang dã trong khu vực sau khai thác Tại những địa điểm này, hầu hết người

ta chưa có biện pháp gì để phục hồi lại bề mặt và chất lượng đất của khu vực sau khi đã lấy đi một số lượng lớn khoáng sản Nghĩa là, hầu hết việc khai khoáng chỉ dừng lại ở công việc tìm lấy khoáng sản chứ chưa chú trọng đến việc phục hồi môi trường đất đai và sinh thái thời kỳ hậu khai khoáng khiến

những lo ngại các vùng đất đó có thể biến thành những “khu vực chết” bởi hệ sinh vật khó có thể sinh sống được, sau khi môi trường đã bị biến đổi nặng nề

Để xử lý đất ô nhiễm có nhiều cách: hóa học, vật lý hoặc kết hợp cả hai, tuy nhiên, đó đều là những phương pháp tốn kém và hiệu quả xử lý không cao Vì vậy, giải quyết vấn đề này còn gặp rất nhiều khó khăn Hiện nay, công nghệ sử dụng thực vật được đánh giá là thích hợp nhất cho xử lý ô nhiễm kim loại nặng (KLN) trong đất do giá thành thấp, vận hành đơn giản và thân thiện với môi trường Các nhà khoa học đã phát hiện ra một số nhóm thực vật có khả năng tích luỹ rất nhiều KLN trong cơ thể gọi là cây siêu tích luỹ Sau khi tuyển chọn, các nhà khoa học thực hiện các nghiên cứu sâu về 7 loài thực vật triển vọng cho xử lý ô nhiễm As, Pb, Cd và Zn trong đất tại 02 vùng khai thác mỏ lựa chọn là mỏ thiếc Núi Pháo, Đại Từ và mỏ chì, kẽm làng Hích, Đồng Hỷ Trong

7 loài thực vật này, có 3 loài thực vật bản địa, thu tại khu vực khai thác mỏ (Dương xỉ Pteris vittata, Dương xỉ Pityrogramma calomelanos và cỏ Mần trầu Eleusine indica); 02 loài thực vật triển vọng thu thập tại các vùng ô nhiễm kim loại nặng nghiên cứu của Việt Nam (Ngổ dại và cỏ Voi lai) và 02 loài mà thế giới sử dụng nhiều cho xử lý ô nhiễm kim loại nặng (cỏ Vetiver và Cải xanh)

Ngổ dại

Cỏ Voi lai

Cải xanh Kết quả nghiên cứu cho thấy, các cây như dương xỉ, cỏ mần trầu, cải xanh, nghể nước… thích hợp với việc “giải cứu” đất ô nhiễm kim loại nặng

2. Tổng quan về dương xỉ

Hai loài dương xỉ P.calomelanos - loài bản địa mọc tại xã Hà Thượng (Đại Từ, Thái Nguyên) và loài dương xỉ P.vittata mọc tại khu mỏ chì - kẽm làng Hích xã

Tân Long (Đồng Hỷ, Thái Nguyên) là những loài siêu tích lũy As

Pteris vittata là một loài thực vật có mạch trong họ Pteridaceae Loài này được

L miêu tả khoa học đầu tiên năm 1753

Pityrogramma calomelanos là một loài thực vật có mạch trong

họ Adiantaceae Loài này được miêu tả khoa học đầu tiên năm 1833

Nhờ sự trợ giúp của dương xỉ, As có thể được tách ra khỏi môi trường đất, As

bị tích tụ trong thân, lá của cây

Quá trình hút thu kim loại nặng của thực vật

3. Các yếu tố ảnh hưởng khả năng hấp thu và sinh trưởng của dương xỉ

Sự sinh trưởng và tích lũy Asen của Dương xỉ chịu ảnh hưởng của nhiều yếu

tố

Đầu tiên phải kể đến sự tác động của các dạng phân bón vô cơ và hữu cơ, công thức bổ sung hỗn hợp cả vô cơ và hữu cơ theo các tỉ lệ khác nhau thì hiệu quả loại bỏ As của cây là hơn so với các công thức bổ sung chỉ có phân vô cơ hoặc hữu cơ

Kế đến, hiệu quả loại bỏ As ra khỏi đất của hai loại cây ở pH khác nhau cũng rất khác nhau P vittata thích hợp với điều kiện pH từ trung tính đến kiềm nên khả năng loại bỏ As ở khoảng pH này là rất cao Còn loài P calomelanos có thể sống được ở các điều kiện pH khác nhau từ axit đến kiềm nhưng hiệu quả loại bỏ As của cây tốt nhất ở môi trường đất chua Nhìn chung, pH trung tính là phù hợp cho cả hai loài dương xỉ khi xử lý ô nhiễm As trong đất

Bên cạnh hai yếu tố trên, khả năng hấp thụ Asen của Dương xỉ còn bị tác động bởi EDTA EDTA là một chất tạo phức thường được sử dụng để cô lập ion kim loại có hóa trị II và III tất cả các phức của ion kim loại và phi kim với EDTA đều tan tốt trong dung dịch EDTA bổ sung từ 1-3 mmol/kg cũng là công thức tốt nhất để làm tăng khả năng hòa tan As trong đất và lượng này cũng rất phù hợp cho cây hấp thu cao Cd, Pb và Zn

-Nghiên cứu khả năng tích lũy As theo thời gian của 2 loài dương xỉ chọn lọc: Bảng 1 Lượng As được dương xỉ tách ra khỏi đất

Thời

gian

Peteris vittata Pityrogramma calomelanos Sinh

khối khô thân, lá

(g)

Lượng As tích lũy trong thân,

lá (mg/kg)

Lượng As tách ra khỏi đất (mg)

Sinh khối khô thân, lá (g)

Lượng As tích lũy trong thân,

lá (mg/kg)

Lượng As tách ra khỏi đất (mg)

1 tháng 0,3±0,1 662,7±59,1 0,2 0,8±0,1 152,9±110,5 1,2

2 tháng 0,8±0,1 2100,4±127,9 1,7 2,9±0,5 2269,8±184,2 6,6

3 tháng 3,9±0,5 2520,5±113,7 9,8 3,5±0,5 3582,6±123,6 12,5

4 tháng 4,8±0,6 3151±116,2 15,1 3,1±0,7 3756,6±157,5 11,7

Kết quả thu được từ bảng 1 cho thấy, nếu trồng đồng thời hai loài dương

xỉ này trong quá trình xử lý thì nên thu hoạch trong khoảng từ tháng thứ 3 đến tháng thứ 4 Do từ tháng thứ 3, cả hai loại cây đã loại bỏ được một

lượng As lớn hơn rất nhiều so với tháng thứ 2 Ở tháng thứ 3 và thứ 4, cây

P.vittata đã loại bỏ được lượng As ra khỏi đất tương ứng là 9,8 và 15,1 mg,

còn cây P.calomelanos loại bỏ được tương ứng là 12,5 và 11,7 mg As ra khỏi

đất

Bảng 2 Hiệu quả loại bỏ As ra khỏi đất nhờ dương xỉ trong thí nghiệm ảnh hưởng của pH

Chỉ số

pH đất

Peteris vittata Pityrogramma calomelanos Sinh

khối khô

thân, lá

(g)

Lượng As tích lũy trong thân,

lá (mg/kg)

Lượng

As tách

ra khỏi đất (mg)

Sinh khối khô thân, lá (g)

Lượng As tích lũy trong thân,

lá (mg/kg)

Lượng

As tách

ra khỏi đất (mg)

9 7,2 5±0,7 2768,1±41,3 13,8 3,6±0,5 2078±54,2 7,5 9,0 4,13±0,7 2248,9±75 9,3 3,01±0,4 2087±69,7 6,3 Nhìn chung, pH trung tính là phù hợp cho cả hai loài dương xỉ khi xử

lý ô nhiễm As trong đất Hiệu quả loại bỏ As của cây P.vittata và

P.calomelanos đạt tương ứng là 13,8 và 7,5 mg ở pH 7,2 Tuy nhiên với đất

ô nhiễm có tính kiềm thì sử dụng P.vittata còn có tính axit thì sử dụng P.calomelanos để xử lý As là tối ưu nhất

4. Mô hình xử lý

Trong một năm đầu, các bước cải tạo đất được tiến hành nhằm mục đích tạo điều kiện tốt nhất để hai loài dương xỉ có thể phát triển đạt hiệu quả xử lý ô nhiễm As cao Phân NPK, phân hữu cơ vi sinh và vôi bột được bón vào đất thí nghiệm với mục đích làm tăng hàm lượng dinh dưỡng và cải tạo pH của đất Trồng cây mồi cải tạo đất là cây điền thanh và cốt khí

Cây điền thanh

Cây cốt khí

Để làm tăng hiệu quả xử lý ô nhiễm As trong đất của hai loài dương xỉ chọn lọc ứng dụng một số chủng nấm cộng sinh mycorrhiza

Nấm cộng sinh mycorrhiza đã được áp dụng ở 1 số mục đích khác.

Sự xâm nhiễm của nấm AMF vào trong bộ rễ của các cây dương xỉ được đánh giá thông qua mật độ của nấm trong các mẫu rễ cây Khi nhiễm nấm rễ cộng sinh AMF vào rễ dương xỉ thì sinh khối của chúng nhìn chung tăng hơn so với không bổ sung nấm Sinh khối P.vittata tăng 30,7% còn sinh khối loài

P.calomelanos tăng 40,2% so với đối chứng không nhiễm nấm rễ cộng sinh (AMF) Nấm rễ cộng sinh (AMF) ngoài khả năng giúp cây sinh trưởng mạnh còn giúp tăng tích lũy As Nhiễm nấm rễ cộng sinh AMF cho 2 loài dương xỉ P.vittata và P.calomelanos đã có hiệu quả giúp cho cây phát triển, tăng sinh

khối từ 30,7 – 40,2%, tăng lượng As tích lũy từ 115,5 – 118,5% so với không nhiễm AMF

Quy trình xử lý đất sơ bộ được trình bày theo sơ đồ khối sau:

Xác định hàm lượng, thành phần đất

Cải tạo đất: thay đổi pH, độ xốp, bổ sung phân bón, điều chỉnh hàm

lượng As dễ tiêu (P.vittata <1500mg/kg…), bổ sung VSV…

Ở thí nghiệm quy mô 1 m2 , với hàm lượng As ban đầu trong đất ô nhiễm là

1400 mg/kg thì hiệu quả xử lý As bằng dương xỉ đạt khoảng 18 % sau 6 tháng thí nghiệm

 Giới thiệu về mô hình xử lý đất ô nhiễm As đã được thực hiện ở mỏ thiếc Núi Pháo, Hà Thượng

Giai đoạn 1 : Trong 1 năm đầu, các bước cải tạo đất được tiến hành nhằm mục đích tạo điều kiện tốt nhất để 2 loài dương xỉ có thể phát triển đạt hiệu quả xử lý ô nhiễm As cao.Phân NPK, phân hữu cơ vi sinh và vôi bột được

Trồng Dương xỉ

Thu hoạch định kỳ (3 tháng/1 lần)