Đánh giá đặc diểm môi trường đất và đề xuất biện pháp phục hồi sinh học ở khu vực khai thác khoáng sản tỉnh thái nguyên

Các hoạt động khai thác than, quặng, phi quặng và vật liệu xây dựng, như: tiến hành xây dựng mỏ, khai thác thu hồi khoáng sản, đổ thải, thoát nước mỏ… đã làm phá vỡ cân bằng điều kiện si

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NÔNG VĂN LINH

ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ

ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP PHỤC HỒI SINH HỌC Ở KHU VỰC KHAI THÁC KHOÁNG SẢN TỈNH THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

THÁI NGUYÊN – 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NÔNG VĂN LINH

ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ

ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP PHỤC HỒI SINH HỌC Ở KHU VỰC KHAI THÁC KHOÁNG SẢN TỈNH THÁI NGUYÊN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2015

Tác giả luận văn

Nông Văn Linh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn thác sĩ chuyên ngành Sinh thái học, khoa Sinh – KTNN Trường Đại học sư phạm – Đại học Thái Nguyên, tôi đã nhận được sự ủng hộ giúp đỡ của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình

Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến TS Lương Thị Thúy Vân – cô là người đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu để tôi có thể hoàn thành được luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo khoa Sinh – KTNN trường Đại học sư phạm, phòng sau đại học – Trường Đại học sư phạm Thái Nguyên đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tôi mọi điều kiện trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Tôi cũng xin chân trọng cảm ơn ban quản lý phòng thí nghiệm của khoa Tài nguyên môi trường,trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện các thí nghiệm để tôi có thể hoàn thành trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới toàn thể gia đình bạn bè và đồng nghiệp đã luôn cổ vũ, động viên tôi trong suốt thời gian qua

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2015

Tác giả luận văn

Nông Văn Linh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

MỤC LỤC

Trang

Trang bìa phụ i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Mục lục iv

Danh mục các bảng v

Danh mục các hình vi

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Thực trạng ô nhiễm môi trường đất do hoạt động khai thác khoáng sản trên thế giới 4

1.2 Thực trạng ô nhiễm môi trường đất do hoạt động khai thác khoáng sản ở Việt Nam 7

1.3 Cải tạo và phục hồi môi trường đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản bằng thực vật 10

1.3.1 Khái niệm chung 10

1.3.2 Các biện pháp sử dụng thực vật xử lý kim loại nặng trong đất 12

1.3.3 Tiêu chuẩn loài thực vật sử dụng để xử lý kim loại nặng trong đất 15

1.3.4 Phương pháp xử lý thực vật sau khi tích lũy chất ô nhiễm 15

1.3.5 Thành tựu nghiên cứu về thực vật xử lý chất ô nhiễm 16

1.3.6 Sử dụng thực vật để phục hồi và xử lý đất ô nhiễm ở những khu vực khai thác mỏ 18

1.3.7 Ưu điểm và hạn chế của công nghệ thực vật xử lý KLN trong đất 22

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

2.1 Đối tượng, địa điểm nghiên cứu 24

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 24

2.1.2 Địa điểm, thời gian nghiên cứu 24

2.2 Nội dung nghiên cứu 24

2.3 Phương pháp nghiên cứu 24

2.3.1 Phương pháp lấy mẫu đất 24

2.3.2 Phương pháp phân tích đất trong phòng thí nghiệm 26

2.3.3 Xác định hệ số rủi ro (HSRR) và đường truyền ô nhiễm 30

2.3.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm trong chậu 30

2.3.5 Phương pháp phân loại thực vật có khả năng hấp thụ kim loại nặng 31

2.3.6 Phương pháp đánh giá khả năng chống chịu của cây 31

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 32

3.1 Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu 32

3.1.1 Vị trí địa lý 32

3.1.2 Địa hình 32

3.1.3 Khí hậu, thủy văn 32

3.1.4 Tài nguyên đất 33

3.2 Điều kiện kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu 33

4.1 Hiện trạng môi trường đất ô nhiễm do quá trình khai thác thiếc tại xã Hà Thượng, huyện Đại Từ, Thái Nguyên 37

4.4 Đặc điểm môi trường đất ô nhiễm tại khu vực khai thác thiếc xã Hà Thượng, huyện Đại Từ, Thái Nguyên 40

4.4.1 Tính chất lý học 41

4.4.2 Tính chất hóa học 43

4.4.3 Đặc điểm sinh học 45

4.4.4 Hàm lượng As và hệ số rủi ro của đất ô nhiễm 47

4.4.5 Khả năng phát tán và dự báo sự phát triển ô nhiễm đất tại khu vực khai thác thiếc xã Hà Thượng, huyện Đại Từ, Thái Nguyên 49

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

5.5 Nghiên cứu những loài cây trồng làm cảnh có khả năng tích tụ và chống

chịu đất ô nhiễm do kim loại nặng 50

5.5.1 Đặc điểm chung của ba loài hoa Cúc 51

5.5.2 Nghiên cứu khả năng chống chịu của ba giống hoa cúc khi trồng trên đất ô nhiễm 53

5.6 Đề xuất biện pháp phục hồi sinh học cải tạo đất bị thoái hóa và ô nhiễm do khai thác khoáng sản 56

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 58

1 Kết luận 58

2 Đề nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Hàm lượng kim loại nặng trong một số loại đất ở khu mỏ hoang

Songcheon 5

Bảng 1.2 Hàm lượng kim loại nặng trong chất thải của một số mỏ vàng điển hình ở Úc 6

Bảng 1.3 Tỷ lệ mẫu có hàm lượng As vượt QCVN 03:2008 ở một số mỏ nghiên cứu 8

Bảng 1.4 Danh sách các mỏ và diện tích hoàn thổ sau khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên 21

Bảng 4.1 Vị trí và đặc điểm của các điểm lấy mẫu khu vực khai thác thiếc xã Hà Thượng, huyện Đại Từ, Thái Nguyên 38

Bảng 4.2 Độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối của đất ô nhiễm 42

Bảng 4.3 Tỷ trọng và thành phần cơ giới đất ô nhiễm 43

Bảng 4.4 Thành phần hóa học đất ô nhiễm 44

Bảng 4.5 Các loài thực vật có khả năng hấp thụ kim loại nặng bắt gặp ở khu vực đất ô nhiễm do khai thác thiếc tại xã Hà Thượng, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên 46

Bảng 4.6 Hàm lượng As tổng số và hệ số rủi ro của đất ô nhiễm 48

Bảng 4.7 Tỷ lệ sống sót (%) của các giống cúc trồng trên đất ô nhiễm 54

Bảng 4.8 Sinh khối (gam/chậu) của các giống cúc trồng trên đất ô nhiễm 55

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1 Thu đất mẫu 25

Hình 2.2 Chọn mẫu trung bình 25

Hình 4.1 Sơ đồ công nghệ tuyển thiếc tại xã Hà Thượng, huyện Đại Từ 37

Hình 4.2 Khu vực lấy mẫu số 1 39

Hình 4.3 Khu vực lấy mẫu số 2 39

Hình 4.4 Khu vực lấy mẫu số 3 39

Hình 4.5 Khu vực lấy mẫu số 4 39

Hình 4.6 Khu vực lấy mẫu số 5 39

Hình 4.7 Ráng sẹo gà dải 47

Hình 4.8 Dáng chò chanh 47

Hình 4.9 Cỏ Vetiver 47

Hình 5.0 Cỏ tháp bút trườn 47

Hình 5.1: Sơ đồ nguồn phát sinh ô nhiễm và đường truyền rủi ro 49

Hình 5.2 Khả năng sinh trưởng, phát triển của các giống hoa cúc sau 3 tuần thí nghiệm 56

Hình 5.3 Khả năng sinh trưởng, phát triển của các giống hoa cúc sau 6 tuần trồng thí nghiệm 56

ngày một nhiều hơn và quy mô hơn Hoạt động khai thác khoáng sản đã và đang

trực tiếp, gián tiếp tạo công ăn việc làm, mang lại thu nhập ổn định, phục vụ đời sống sinh hoạt của nhân dân địa phương đồng thời đóng góp một lượng lớn cho ngân sách quốc gia Bên cạnh những mặt tích cực đạt được, trong quá trình khai thác khoáng sản phục vụ cho lợi ích của mình con người đã làm thay đổi môi trường xung quanh Các hoạt động khai thác than, quặng, phi quặng và vật liệu xây dựng, như: tiến hành xây dựng mỏ, khai thác thu hồi khoáng sản, đổ thải, thoát nước mỏ… đã làm phá vỡ cân bằng điều kiện sinh thái được hình thành từ hang chục triệu năm, gây ô nhiễm nặng nề đối với môi trường đất, hoạt động khai thác khoáng sản cũng là nguyên nhân chính làm cho các vấn đề môi trường nói chung và môi trường đất nói riêng ngày càng trở nên bức xúc ở nhiều địa phương trong nước

Trong những năm gần đây, người ta quan tâm rất nhiều về công nghệ sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí Nhiều nhà khoa học đặc biệt là ở Mỹ và châu Âu đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu cơ bản

và ứng dụng công nghệ này như một công nghệ mang tính chất thương mại Công nghệ thực vật không thể xem như một công nghệ xử lý tức thời và phổ biến ở mọi nơi mà nó chỉ có thể sử dụng ở những môi trường đất và nước ô nhiễm nhẹ, nơi mà thực vật có thể tồn tại được Tuy nhiên, đây lại là giải pháp

xử lý đất một cách thân thiện với môi trường và bền vững

2

Đối với môi trường đất bị ô nhiễm, đặc biệt nguyên nhân ô nhiễm do kim loại nặng, việc sử dụng thực vật là một giải pháp hàng đầu phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam hiện nay Cũng có thể coi đây là hướng đi bền vững và hiệu quả đối với việc bảo vệ môi trường của các vùng đã, đang khai thác – chế biến khoáng sản

Mỏ thiếc tại xã Hà Thượng huyện Đại Từ, là một trong những đơn vị sản xuất kinh doanh hiệu quả đóng góp rất lớn vào nguồn ngân sách chung của tỉnh Thái Nguyên Hoạt động của mỏ đã đem lại công ăn việc làm cho hàng trăm lao động của địa phương, góp phần tạo ra thu nhập cho nhân dân Song chúng ta cũng không thể phủ nhận những tác động tiêu cực do hoạt động khai thác khoáng sản của mỏ thiếc ảnh hưởng đến môi trường nói chung và môi trường đất của địa phương nói riêng Tại địa phương hiện nay, nhiều diện tích đất trồng trọt

bị bỏ hoang, nguồn nước bị ô nhiễm trầm trọng, gây ảnh hưởng không nhỏ đến cuộc sống của nhân dân đặc biệt là những người dân nghèo sống gần khu vực

mỏ khai thác Mặt khác, vấn đề lựa chọn loài thực vật vừa phù hợp với khu vực đất ô nhiễm nhẹ vừa có giá trị về kinh tế cũng là thắc mắc còn để ngỏ của người dân nơi đây

Xuất phát từ những yêu cầu trên của địa phương và nguyện vọng của bản thân cùng với sự nhất trí của khoa Sinh – KTNN, Trường Đại học Sư

phạm, Đại học Thái Nguyên, chúng tôi tiến hành đề tài nghiên cứu “Đánh giá

đặc diểm môi trường đất và đề xuất biện pháp phục hồi sinh học ở khu vực khai thác khoáng sản tỉnh Thái Nguyên”

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục tiêu chung

- Đánh giá thực trạng ô nhiễm môi trường đất do hoạt động khai thác thiếc tại mỏ thiếc xã Hà Thượng, huyện Đại Từ, Thái nguyên và đề xuất biện pháp phục hồi sinh học nhằm cải tạo đất bị thoái hóa và ô nhiễm sau khai thác

4

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Thực trạng ô nhiễm môi trường đất do hoạt động khai thác khoáng sản trên thế giới

Hoạt động khai thác khoáng sản đã phát triển mạnh từ những thập kỷ trước ở nhiều quốc gia giàu tài nguyên như: Nga, Mỹ, Australia,Trung Quốc,

Ấn Độ Tác động môi trường tiêu cực từ khai thác mỏ thường xảy ra ngay trong chính bản thân quá trình khai thác và các hoạt động liên quan như dọn mặt bằng mỏ, vận chuyển và chế biến quặng Suy thoái rừng và ô nhiễm nước

do khai thác khoáng sản không chỉ tác động tới hệ sinh thái mà còn tác động tới cuộc sống của người dân sống phụ thuộc vào nguồn tài nguyên này

Quá trình khai khoáng gây ô nhiễm và suy thoái môi trường đất ở mức

độ nghiêm trọng là một thực tế đáng báo động Các dạng ô nhiễm môi trường tại những mỏ đã và đang khai thác rất đa dạng như ô nhiễm đất, nước mặt, nước ngầm Các tác nhân gây ô nhiễm là axit, kim loại nặng, cyanide, các loại khí độc v.v… Hiện tượng suy giảm chất lượng nước mặt, nước ngầm ở nhiều nơi do ô nhiễm kim loại nặng như Ni, Cr, Pb, As, Cu, Se, Hg, Cd… cần phải sớm có giải pháp xử lý Nhiều kim loại nặng rất độc đối với con người và môi trường cho dù ở nồng độ rất thấp Công đoạn nào của quá trình khai thác khoáng sản cũng đều gây nên ô nhiễm kim loại vào đất, nước, không khí và

cơ thể sinh vật Sự nhiễm bẩn kim loại không chỉ xảy ra khi mỏ đang hoạt động mà còn tồn tại nhiều năm sau kể từ khi mỏ ngừng hoạt động Theo Lim

H S và cộng sự (2004), tại mỏ vàng – bạc Soncheon đã bỏ hoang ở Hàn Quốc, đất và nước nhiều khu vực ở đây vẫn còn bị ô nhiễm một số kim loại ở mức cao [20]

5

Bảng 1.1 Hàm lượng kim loại nặng trong một số loại đất

ở khu mỏ hoang Songcheon

Đơn vị: mg/ kg

Nguyên

tố

Bãi thải quặng Đất vùng núi Đất trang trại

Đất bình thường trên thế giới

695 -3 082 1,32 36- 89 63- 428

115 – 795 0,19- 0,55

7-626 0,75 13-673 23-290 63-110 0,09-4,90

6 0,35

30

35

90 0,06

Nguồn: H.S Lim và cộng sự, 2004 [20]

Theo các tác giả thì bãi thải đuôi quặng ở đây là nguồn điểm gây ô nhiễm các kim loại cho đất ở những khu vực xung quanh Hàm lượng các kim loại cao trong đất trang trại là do sự phát tán kim loại bởi gió, nước từ các bãi quặng đuôi Đa số cây trồng ở các khu đất bị nhiễm kim loại đã bị nhiễm As

và Zn ở mức cao

Môi trường đất tại các mỏ vàng mới khai thác thường có độ kiềm cao (pH: 8 – 9), ngược lại ở các mỏ vàng cũ, thường có độ axit mạnh (pH: 2,5 - 3,5); dinh dưỡng trong đất thấp và hàm lượng kim loại nặng rất cao Chất thải

ở đây thường là nguồn gây ô nhiễm môi trường, cả phần trên mặt đất và phần dưới mặt đất Ở Úc, chất thải từ các mỏ vàng chứa hàm lượng các kim loại

nặng vượt tiêu chuẩn cho phép rất nhiều lần [11]

6

Bảng 1.2 Hàm lượng kim loại nặng trong chất thải

của một số mỏ vàng điển hình ở Úc Kim loại nặng Hàm lượng kim loại nặng tổng số (mg/kg)

Các nhà khoa học của Viện nghiên cứu Địa lý và Tài nguyên thiên nhiên ở Viện Hàn lâm Khoa học Bắc Kinh, Trung Quốc [21] đã phát hiện đất

ở nhiều khu vực có chứa As ở mức cao như ở vành đai vàng là 1342 mg/kg và

ở vành đai thủy ngân là 509 mg/kg Kết quả nghiên cứu của C.Chen (2006) cho thấy hàm lượng As ở vùng khai thác khoáng sản Dexing cao hơn giới hạn cho phép là 60 lần

Các hoạt động khai thác mỏ vàng đã làm cho đất và nước ở bang Minas Gerais của Brazil bị ô nhiễm As Các nghiên cứu cho thấy hàm lượng As trong đất lớn hơn 100 mg/kg cao hơn tiêu chuẩn cho phép của FAO/WHO về hàm lượng As trong đất nông nghiệp nhiều lần [26] Tại Thái Lan, các chất thải có chứa As từ quá trình khai thác thiếc như arsenopyrite đã gây ô nhiễm

1.2 Thực trạng ô nhiễm môi trường đất do hoạt động khai thác khoáng sản ở Việt Nam

Nằm ở khu vực Đông Nam châu Á, Việt Nam có nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú và đa dạng, nền công nghiệp mỏ Việt Nam đã được bắt đầu từ lâu và có những đóng góp đáng kể vào sự phát triển kinh tế của đất nước Tuy nhiên ngành công nghiệp mỏ của Việt Nam cũng có những tác động trực tiếp đến nguồn tài nguyên không thể tái tạo cũng như nhiều yếu tố môi trường khác như đất, nước, không khí, cảnh quan và hệ sinh thái đặc biệt

là vấn đề chiếm dụng đất Cho đến nay, chưa có công trình nào có số liệu hoàn chỉnh về mức độ ô nhiễm kim loại nặng ở các vùng mỏ Kết quả thăm

dò địa chất đã phát hiện được khoảng 5000 mỏ và điểm quặng, khoảng 1000

mỏ đã và đang được tổ chức khai thác Riêng diện tích đất chiếm dụng đối với một số mỏ khoáng sản kim loại đã ngừng khai thác lên tới 3749 ha Số lượng

mỏ đang hoạt động trên cả nước gần 900 mỏ, trong đó mỏ khoáng sản kim loại là 90 [4]

Ở một số khu vực đất đá thải còn có nguy cơ hình thành dòng axit mỏ,

có khả năng hòa tan các kim loại nặng độc hại là nguồn gây ô nhiễm tiềm tàng đối với nguồn nước mặt và nước ngầm của khu vực như mỏ pyrit Giáp Lai, mỏ quặng chì kẽm ở Chợ Điền, quặng đồng ở Lào Cai, quặng thiếc ở Sơn Dương, Thái Nguyên…[6], [4], [3], [5] 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 12mg/kg (QCVN

8

03:2008) Trước đó, Nguyễn An Bình và cộng sự, 2000 [12] khi nghiên cứu

sự phân bố của As trong khu vực mỏ thiếc đang khai thác tại Sơn Dương đã

xác định sự có mặt của As trong các mẫu đất, nước, bùn thải ven suối cao hơn

tiêu chuẩn cho phép và là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi

trường Một số tác giả [15], khi nghuên cứu hàm lượng của kim loại nặng 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

Mỏ thiếc

Kỳ Lâm

Mỏ atimon Mậu Duệ

Mỏ đồng Sinh Quyền

Thái Nguyên là tỉnh nằm ở vùng trung du và miền núi Bắc Bộ, có diện

tích tự nhiên 3 541 km2, dân số khoảng 1 085 000 người (chiếm 1,13% diện

tích và 1,41% dân số so với cả nước)

Tỉnh Thái Nguyên có phía bắc tiếp giáp với tỉnh Bắc Kạn, phía tây giáp

với các tỉnh Vĩnh Phúc, Tuyên Quang, phía đông giáp với tỉnh Lạng Sơn, Bắc

Giang và phía nam tiếp giáp với thủ đô Hà Nội

Địa hình của tỉnh chủ yếu là đồi núi, có nhiều dãy núi cao chạy theo

hướng Bắc - Nam, thấp dần về phía nam Cấu trúc vùng núi đá phong hoá

mạnh, tạo thành nhiều hang động và thung lũng nhỏ Phía Nam và Tây

60 000 tấn; nhóm khoáng sản để sản xuất vật liệu gồm đá xây dựng, đất sét,

đá sỏi… với trữ lượng lớn khoảng 84,6 triệu tấn Những mỏ kim loại có trữ lượng lớn là mỏ chì làng Hích, mỏ Sắt Trại Cau, mỏ Barit - Hợp Tiến I ở Đồng Hỷ; mỏ thiếc, pirit ở Hà Thượng, Đại Từ [4]

Tuy nhiên, với công nghệ khai thác lạc hậu nên trong quá trình khai thác thường tạo ra một khối lượng lớn đất đá thải, tạo ra những hố sâu và làm xáo trộn tầng đất mặt, đặc biệt ở các khu vực khai thác "thổ phỉ” Một số diện tích đất xung quanh các bãi thải quặng có thể bị lấp do sạt lở, xói mòn hay các dòng axit rò rỉ từ các hồ chứa thải có thể gây thoái hóa và ô nhiễm lớp đất mặt, ảnh hưởng đến canh tác nông nghiệp

Theo báo cáo của Công ty gang thép Thái Nguyên (2006), nước thải sản xuất của mỏ sắt Trại Cau chủ yếu là nước thải từ khâu tuyển rửa quặng Hầu hết các chỉ tiêu kim loại đều vượt so với tiêu chuẩn nước thải cho phép

Cụ thể: hàm lượng sắt (Fe) trong mẫu vượt tiêu chuẩn tới trên 670 lần, hàm lượng chì (Pb) vượt chuẩn cho phép xấp xỉ 6,7 lần, hàm lượng asen (As) vượt chuẩn từ 3,78 đến 3,88 lần, hàm lượng cadimi (Cd) vượt chuẩn trên 2 lần tiêu

10

chuẩn cho phép Các chỉ tiêu về ô nhiễm hữu cơ như BOD5, COD cũng đều xấp xỉ mức cho phép [7]

Tại huyện Đại Từ, các hoạt động khai thác thủ công ở địa phương đã tạo

ra một lượng đáng kể các chất thải quặng đuôi và đá thải Quặng thiếc trong các mạch trải rộng trong khu vực cũng chứa một lượng sunfua phong phú, chủ yếu là arsenopirit - nguồn gây ô nhiễm As vào hệ sinh thái địa phương Đá thải tạo axit

đã được sử dụng để làm vật liệu đắp đường và nền nhà của người dân địa phương Đây là nguồn gây rò rỉ As vào môi trường đất, vào nguồn nước ngầm tại địa phương Hàm lượng As trung bình trong đá thải đạt tới 5000 mg/kg, vượt QCVN 03:2008 đối với đất dân sinh là 417 lần [8] Thái Nguyên hiện có 66 đơn

vị hoạt động khai thác khoáng sản với tổng số mỏ được cấp phép khai thác lên tới 85, trong đó có 10 điểm khai thác than, 14 điểm khai thác quặng sắt, 9 điểm khai thác quặng chì kẽm, 24 điểm khai thác đá vôi, 3 điểm khai thác quặng titan… Tổng diện tích đất trong hoạt động khai thác chiếm hơn 3.191 ha, tương ứng gần 1% diện tích đất tự nhiên của tỉnh

Trong quá trình khai thác, các đơn vị đã thải ra một khối lượng lớn đất

đá thải, làm thu hẹp và suy giảm diện tích đất canh tác, điển hình là các bãi thải tại mỏ sắt Trại Cau (gần 2 triệu m3 đất đá thải/năm), mỏ than Khánh Hòa (gần 3 triệu m3 đất đá thải/năm), mỏ than Phấn Mễ (hơn 1 triệu m3 đất đá thải/năm)

1.3 Cải tạo và phục hồi môi trường đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản bằng thực vật

1.3.1 Khái niệm chung

Xử lý chất thải bằng thực vật “Phytoremediation” là biện pháp dựa trên việc sử dụng thực vật để xử lý chất thải ô nhiễm trong đất và trong nước Tư tưởng sử dụng thực vật để loại bỏ kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác được đề cập đến lần đầu tiên năm 1983 nhưng khái niệm này thực chất đã được sử dụng cách đó 300 năm (Henry J R., 2000) [24]

11

Nhiều nghiên cứu đã khẳng định, thực vật có khả năng hấp thụ và tích lũy các chất ô nhiễm đặc thù từ môi trường, chúng có thể chuyển hóa nhiều chất độc thành không độc Các chất độc được tích lũy trong các cơ quan khác nhau của thực vật, thông qua thu hoạch những chất ô nhiễm sẽ được thải loại khỏi môi trường Sử dụng thực vật để làm sạch kim loại, thuốc trừ sâu, các dung môi hữu cơ, dầu mỡ, thuốc súng, hydratcacbon có nhân thơm tồn tại ở những vùng đất bị ô nhiễm kim loại nặng từ các nhà máy sản xuất công nghiệp, các khu vực khai thác khoáng sản và nơi có hoạt động phóng xạ

Theo các nhà khoa học nghiên cứu về môi trường thì xử lý ô nhiễm đất, nước bằng thực vật là một quá trình, trong đó dùng thực vật để thải loại, di chuyển, tinh lọc và trừ khử các chất ô nhiễm trong đất, trong trầm tích và trong nước ngầm Công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm trong môi trường đất là phương pháp xử lý nguyên vị (in-situ) sử dụng các đặc tính tự nhiên của thực vật để xử lý đất ô nhiễm Những thực vật này sau đó được thu hoạch và xử lý như những chất thải nguy hại (Raskin và cs, 1997; Robinson và cs, 2003) [32], [33]

Hiện nay, công nghệ xử lý môi trường bằng thực vật đã được phát triển

và áp dụng rộng rãi vào thực tế ở nhiều khu vực trên thế giới nhằm góp phần giảm thiểu ô nhiễm kim loại trong môi trường đất, nước và không khí Tuy nhiên, những loài thực vật sử dụng để xử lý kim loại nặng là các cơ thể sống nên các yếu tố sinh thái (nồng độ của kim loại nặng, dạng kim loại, độ pH, hàm lượng oxy hòa tan, thành phần dinh dưỡng…) trong môi trường là những yếu tố quyết định hiệu quả của quá trình xử lý

Công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật (Phytoremediation) là công nghệ sử dụng những cây xanh cùng các hệ vi sinh vật liên quan đến chúng để

xử lý ô nhiễm Công nghệ này phù hợp nhất đối với ô nhiễm kim loại và đặc biệt thuận lợi đối với môi trường đất ô nhiễm

Thực vật sử dụng trong quá trình này chủ yếu để xử lý đất, trầm tích và bùn thải Quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào khả năng của rễ cây (chất tiết ở

rễ thực vật cố định chất ô nhiễm) và làm giảm tính linh động của kim loại trong đất Mục đích chính là làm giảm lượng nước thấm qua đất để ngăn chặn

sự rò rỉ chất ô nhiễm ra các vùng khác cũng như ngăn chặn quá trình xói mòn đất (Ghosh M., Singh S P., 2005) [22] Như vậy các thực vật có hệ rễ dày đặc

sẽ đặc biệt có tác dụng, đồng thời nó cũng rất hiệu quả khi cần cố định nhanh một chất ô nhiễm nào đó mà không cần loại bỏ sinh khối

Thực vật với tỷ lệ thoát hơi nước cao như cỏ, cây lách (sedges), cây thức ăn gia súc (forage plants) và cây sậy (Phragmites maxinus) được sử

dụng để làm giảm lượng nước ngầm chảy kéo theo các chất ô nhiễm Sử dụng các loài thực vật có đặc điểm như là cây lâu năm, sức sống tốt, có hệ thống rễ dày và ăn sâu như cây dương để trồng phối hợp (Berti W R., Cunningham S D., 2000) [18]

1.3.2.2 Tách chiết chất ô nhiễm bằng thực vật (Phytoextraction)

Biện pháp này sử dụng các loài cây “siêu tích tụ” để xử lý môi trường ô nhiễm kim loại Trong quá trình sống, các kim loại từ môi trường được cây hấp thu, chuyển lên ngọn và được tích tụ chủ yếu trong các bộ phận khí sinh của cây là những phần dễ thu hái

13

Cho đến nay, trên thế giới đã phát hiện được 45 họ thực vật có các loài

“siêu tích tụ” kim loại nặng Trong số này, họ Cải (Brasicaceae), họ Đậu (Fabaceae), họ Thầu dầu (Euphorbiaceae), họ Cúc (Asteraceae) và họ Hoa môi (Lamiaceae) là những họ có nhiều loài “siêu tích tụ” nhất Một số loài thực vật thường được sử dụng theo phương pháp này là Cải xanh (Brassica juncea), hướng dương (Helianthus sp.), Thlaspi caerulescens, Thlaspi rotundifolium,…

Đây là phương pháp tốt nhất để có thể loại bỏ chất ô nhiễm từ đất sau

đó cô lập nó mà không cần phá hủy cấu trúc cũng như sự màu mỡ của đất (Ghosh M., Singh S P., 2005) Thực vật hấp thu, tích lũy, kết tủa và chuyển chất ô nhiễm từ đất thành sinh khối cây nên đây là phương pháp thích hợp nhất cho xử lý các vùng ô nhiễm có hàm lượng chất ô nhiễm thấp và phân bố ở trên

bề mặt (Rulkens W.H., Tichy R và cs, 1998) Trong thực tiễn, phương pháp chiết thực vật đã được áp dụng rộng rãi với một số kỹ thuật sau đây [35], [36]:

- Tách chiết bằng thực vật tự nhiên: Cách này đơn thuần chỉ sử dụng các loài thực vật “siêu tích tụ” thu từ tự nhiên để xử lý ô nhiễm

- Tách chiết bằng thực vật kết hợp với các chelate: Bổ sung chất trợ giúp vào đất (chelate) làm tăng tính linh động và do đó tăng khả năng hấp thu kim loại của cây trồng Biện pháp bổ sung chất trợ giúp vào đất cũng được Turgut

C và cs (2004) [41] thực hiện khi nghiên cứu khả năng hấp thụ Cd, Ni và Cr

của cây Helianthus annuus Huang và cs (1997) cũng nghiên cứu theo hướng

này trên cây ngô và đậu Hà Lan [25]

- Tách chiết liên tục: Liên tục trồng cây lặp đi lặp lại qua các vụ khác nhau Trồng nhiều loài cây khác nhau, trồng luân canh và kết hợp nhiều phương pháp khác nhau nhằm tăng cường quá trình tách chiết kim loại của thực vật

Trong quá trình tách chiết kim loại, sinh khối thực vật chứa chất ô nhiễm đã được tinh lọc và được xem như một nguồn tài nguyên Ví dụ, sinh khối chứa Se là chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng sẽ được mang vùi

14

bón cho những đất thiếu Se hoặc có thể sử dụng làm thức ăn động vật Tuy nhiên, những thực vật “siêu tích lũy” kim loại nặng là những thực vật sinh trưởng chậm, sinh khối nhỏ và hệ rễ ăn nông dẫn đến hiệu quả xử lý thấp Mặt khác, sinh khối thực vật được thu hoạch và loại bỏ có thể kéo theo sự cải tạo ô nhiễm kim loại nặng ở nơi đổ bỏ mới, đặc biệt, đối với những thực vật siêu

tích lũy có thể tích lũy lượng lớn kim loại nặng Ví dụ, Thlaspi rotundifolium

được gieo trồng ở các vùng khai khoáng Pb và Zn chứa đến 0,82% Pb và

1,73% Zn và Armenia maritima var halleri chứa 1,3% Pb khối lượng khô

(Reeves và Brooks, 1983) Một nguy cơ khác là kim loại có thể gây hiệu ứng độc hại cho chính thực vật (trích theo Lê Văn Khoa và cs, 2007) [11]

1.3.2.3 Bay hơi nhờ thực vật (Phytovolatilization)

Đây là biện pháp sử dụng các loài thực vật có khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm ở dạng khí, hoặc có thể biến đổi một số chất ô nhiễm từ dạng không bay hơi sang dạng bay hơi, sau đó các chất khí được bốc hơi qua lá vào khí quyển với nồng độ thấp

Khi các chất hóa học được thực vật hấp thụ, một số chúng không biến đổi nhiều mà di chuyển qua gỗ và mô thực vật, nếu các chất ô nhiễm bay hơi được thì chúng sẽ bay hơi ở dạng khí qua các mô lá, kể cả những chất hữu cơ bay hơi cũng khuếch tán nhanh qua mô thân cây và bay hơi vào khí quyển, nhưng nhìn chung, số lượng các chất bay hơi qua mô thực vật ở điều kiện thực tế là nhỏ so với lượng hấp thụ, lượng chuyển hóa qua phân hủy sinh học vùng quyển rễ (Ghosh M., Singh S P., 2005) [22] Tuy nhiên, ở những điều kiện nhất định, khi các chất bay hơi có tính độc cao và bền vững sẽ gây rủi ro cho khí quyển Ví dụ: Thủy ngân được thực vật hấp thụ dưới dạng cation Hg+

và Hg2+ và bị khử trong

mô thực vật thành thủy ngân nguyên tố Hg Thủy ngân nguyên tố hoàn toàn bay hơi và có thể bay hơi qua mô lá qua quá trình thoát hơi nước Điều này gây ra các vấn đề nguy hiểm vì Hg khí quyển rất bền vững và bị tích lũy sinh học (Henry J R., 2000) [24] Selenium (Se) cũng là dạng kim loại đặc biệt được thực

15

vật hấp thụ và bay hơi (Neumann và cs, 2003) [29] Hiện nay, phương pháp nghiên cứu này chủ yếu mới ở mức thực nghiệm pilot

Những thực vật tốt nhất sử dụng trong quá trình này là: cây dương lai,

cỏ linh lăng (Medicago sativa), cải dầu (Brassica campestris), áp dụng để xử

lý nước ngầm, đất, trầm tích và bùn thải bị ô nhiễm Hg, Se, TCE và CTC (trích theo Lê Văn Khoa và cs, 2007) [11],[10]

Tất cả các quá trình xử lý kim loại bằng thực vật trên không phải luôn luôn áp dụng riêng rẽ nhau Để đạt được hiệu quả cao trong xử lý cần áp dụng một cách đồng thời và thích hợp Tuy nhiên hiệu quả xử lý kim loại còn tùy thuộc vào dạng tồn tại của kim loại trong đất, nó có thể dễ hấp thụ hay không cũng như hàm lượng của kim loại cần xử lý trong đất nhiều hay ít

1.3.3 Tiêu chuẩn loài thực vật sử dụng để xử lý kim loại nặng trong đất

Theo nghiên cứu của Chaney và cs (1997) [20], để đạt hiệu quả cao trong

xử lý ô nhiễm, các loài thực vật được chọn phải có những tính năng sau:

- Có khả năng chống chịu đối với nồng độ kim loại cao;

- Có khả năng hấp thụ nhanh các kim loại từ môi trường đất và nước;

- Có khả năng tích lũy kim loại nặng cao kể cả nồng độ các ion này thấp trong đất;

- Có khả năng chuyển vận kim loại từ rễ lên thân và lá;

- Có thể chịu đựng được điều kiện môi trường dinh dưỡng kém;

- Có khả năng sinh trưởng nhanh và cho sinh khối lớn

1.3.4 Phương pháp xử lý thực vật sau khi tích lũy chất ô nhiễm

Sinh khối thực vật chứa kim loại nặng là nguồn ô nhiễm cần được quản

lý Sau một thời gian trồng trọt nhất định (vài tháng hoặc vài năm), những thực vật sử dụng theo phương pháp này sẽ được phân tích hàm lượng kim loại, nếu đạt yêu cầu, cây trồng sẽ được thu hoạch để đem thiêu đốt hoặc ủ để phục hồi kim loại Các phương pháp phổ biến hiện nay sử dụng để xử lý sinh khối gồm có:

16

- Ủ hoặc đóng rắn sinh khối: phương pháp này làm giảm lượng lớn sinh khối của thực vật Sau khi thực vật được xử lý có thể mang đến bãi chôn lấp tập trung (Raskin và cs, 2000) [31]

- Đốt cháy và khí hóa: Đây là phương pháp rất có ý nghĩa trong việc tạo nguồn năng lượng nhiệt và điện, giúp cho phương pháp xử lý bằng thực vật

có hiệu quả và kinh tế (Cunningham và cs, 1995) [19]

1.3.5 Thành tựu nghiên cứu về thực vật xử lý chất ô nhiễm

Thực chất từ sau những năm 70 của thế kỷ XX, các nhà khoa học trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu việc sử dụng thực vật có khả năng hấp thụ kim loại cao (Hyperaccumulater) để xử lý những vùng đất bị ô nhiễm, đặc biệt ở những vùng khai khoáng với việc thải bỏ lượng lớn các kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường Những thực vật này chịu đựng được nồng độ kim loại cao hơn 10 - 100 lần so với các cây trồng nông nghiệp (Marcus Jopony và Felix Tongkul, 2002) [27]

Đến nay, nghiên cứu cho thấy có khoảng 400 loài thực vật có khả

năng hấp thụ kim loại nặng thuộc các họ: Asteraceae, Brassicaceae, aryophyllaceae, Cyperaceae, Cunouniaceae, Fabaceae, lacourtiaceae, Lamiaceae, Poaceae, Violaceae và Euphobiaceae

Trong đó, họ Cải (Brassicaceae) có số lượng lớn nhất gồm 11 giống

và 87 loài Có 7 giống, 72 loài hấp thụ Ni và 3 giống, 20 loài hấp thụ Zn

Các loài thuộc chi Thlaspi thường hấp thụ nhiều hơn một kim loại nặng Ví dụ: T caerlescence hấp thụ Cd, Ni, Pb, Zn; T.geosingense và T ochroleucum hấp thụ Ni và Zn T rotundifolium hấp thụ Ni, Pb, Zn (Jeanna

R Henry, 2000; Neil Willey, 2007; Norman Terry và cs, 2000; Salt và cs, 1995) [28], [30], [37]

Theo Salt và cộng sự (1998), số loài cây có khả năng hấp thụ kim loại nặng cao được phát hiện là 397 loài, bao gồm 41 họ khác nhau [38]

Các nhà khoa học Trung Quốc đã thực hiện dự án thử nghiệm trồng dương xỉ

Pteris vittata L để thu gom As độc hại trong đất tại ba địa điểm ở tỉnh Hồ

Nam, Triết Giang và Quảng Đông Mỗi địa điểm thử nghiệm có diện tích 1 ha

được trồng 30 tấn hạt Pteris vittata L Với kỹ thuật này, họ hy vọng có thể

giải quyết về cơ bản vấn đề ô nhiễm kim loại nặng ở vùng hạ du của Trung Quốc do quá trình khai khoáng gây nên [44]

Ở nước ta, nghiên cứu khả năng hấp thụ kim loại nặng của thực vật để

xử lý ô nhiễm môi trường cũng đã được thực hiện Kết quả cho thấy, cây hoa

ngũ sắc (Lantana camara) có thể chịu được hàm lượng Pb trong đất lên tới 10

000 ppm thậm chí 20 000 ppm [45] Năm 2003, trong Báo cáo khoa học tại Hội nghị công nghệ sinh học toàn quốc, Nguyễn Quốc Thông, Đặng Đình

Kim và các cộng sự đã khẳng định, cây cải xoong (Nasturtium officinale) có

khả năng làm giảm 60 - 80% Cr và 70 - 80% Ni từ nước thải mạ điện có nồng

độ Cr và Ni tương ứng là 58,39mg/l và 5,77mg/l Trước đó, năm 1999, những nhà nghiên cứu này cũng chứng minh khả năng tích tụ Cr, Ni, Zn của bèo tây trong xử lý nước thải công nghiệp [16]

Nghiên cứu loại bỏ Cr và Ni trong nước ô nhiễm cũng được thử nghiệm

với cây cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides L.) và cây sậy (Phragmites australis) theo “phương pháp vùng rễ”, kết quả thu được cũng rất khả quan

Khi hàm lượng Cr và Ni thấp, hiệu suất xử lý có thể đạt trên 70% với Ni và trên 90% với Cr6+

và Cr3+ (Trần Văn Tựa, Nguyễn Đức Thọ và cs, 2007) [14]

Lê Đức, Nguyễn Xuân Huân và cộng sự (2005) khi nghiên cứu về khả

năng chống chịu kim loại nặng của cải xanh (Brassica juncea) cho thấy, nồng

độ gây ô nhiễm Pb cho đất là 1300 ppm trở lên bắt đầu có ảnh hưởng đến sinh trưởng của cải xanh [9]

18

Nghiên cứu khả năng chống chịu và tích lũy As của hai loài dương xỉ thu

từ vùng khai thác mỏ của Thái Nguyên, Bùi Thị Kim Anh, Đặng Đình Kim và

cộng sự cho thấy, trong khoảng nồng độ mà cây chống chịu được, Pteris vittata

tích lũy lượng As từ 307 - 6042 ppm trong thân và rễ là 131 - 3756 ppm Loài

Pityrogramma calomelanos tích lũy được lượng As trong thân lá và trong rễ

tương ứng là 885 - 4034 ppm và 483 - 2256 ppm [2]

Tại Australia, để phục hồi đất tại các mỏ than cũ người ta đã sử dụng 5

loài thực vật làm thí nghiệm, đó là cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides L), Xạ tử biển (Sporobolus virginicus), cây sậy (Phragmites australis), cây cỏ nến (Typha domingensis) và loài Sarcocornia spp Đất ở khu vực này có hàm lượng

Na và độ mặn cao, N và P cực thấp, hàm lượng sunfua hòa tan, Mg, Ca, Cu,

Zn, Mg và Fe rất cao Kết quả thí nghiệm cho thấy, sau 210 ngày trồng, chỉ có

cỏ Vetiver và cây marine couch còn sống sót Khi có che phủ và bón phân đã

làm tăng khả năng sinh trưởng của cỏ Vetiver và đạt 2 tấn/ha, tăng 10 lần so với lúa mạch biển (Truong P N V., 1996) [40]

1.3.6 Sử dụng thực vật để phục hồi và xử lý đất ô nhiễm ở những khu vực khai thác mỏ

Ở các nước có ngành công nghiệp khai thác mỏ phát triển như ở Anh, Thụy Điển, Australia và một số nước khác trong khu vực như Malaysia, Indonesia vấn đề hoàn thổ phục hồi môi trường đã trở thành một quy chế bắt buộc Trước khi tiến hành các hoạt động khai thác, chủ mỏ bắt buộc phải lập

kế hoạch hoàn thổ phục hồi môi trường Kế hoạch này như một bộ phận không thể tách rời của kế hoạch khai thác mỏ Trong kế hoạch hoàn thổ phục hồi môi trường những vấn đề như: hướng sử dụng đất sau khai thác, quy trình công nghệ hoàn thổ, tiến độ thực hiện và kinh phí được đề cập rất chi tiết với những hướng dẫn rất cụ thể và khoa học Việc lưu giữ các mẫu đất đá và giống cây nguyên thủy cũng được thực hiện rất cẩn thận để phục vụ cho việc hoàn thổ phục hồi môi trường nhiều năm sau

19

Các giải pháp được áp dụng ở các nước rất phong phú, muôn màu muôn vẻ Dưới đây là những ví dụ điển hình về công tác hoàn thổ phục hồi môi trường ở một số vùng khai thác khoáng sản trên thế giới:

- Các mỏ sắt ở Pilbara thuộc Northwest Western Australia: Các khai trường và bãi thải đất đá được san gạt tạo bậc thang rồi trồng rừng Các bãi thải bùn được cải tạo thành các đồng cỏ

- Mỏ đồng và uran Olympic Dam: Việc hoàn thổ đã được công ty triển khai ngay khi bắt đầu khai thác Thậm chí việc nghiên cứu sẽ trồng cây gì trên đất sau khai thác đã được xúc tiến trước khi bắt đầu khai thác 7 năm Hiện đã

có tới hơn 80% diện tích đã khai thác đực hoàn thổ tạo nên những đồng cỏ phục vụ chăn nuôi

- Các mỏ sa khoáng nặng ở Capel thuộc Southwest Western Australia: Khai thác đến đâu mỏ triển khai hoàn thổ đến đó biến các khai trường thành đồng cỏ hoặc cải tạo thành các khu bảo tồn thiên nhiên

- Mỏ Cabacal I (Braxin): Sau khi phân tích chất lượng đất (chủ yếu

là các kim loại độc hại và khả năng hình thành dòng axit mỏ) của hồ thải quặng đuôi, người ta tiến hành phủ lớp đất mặt và tái phủ xanh khu vực Lớp đất mặt nguyên thủy trước khi khai thác đã được bóc và lưu giữ trong quá trình xây dựng hồ thải quặng đuôi đã được sử dụng để phủ lên trên Lớp đất mặt này được bổ sung phân hóa học giàu đạm và sau đó gieo hạt

cỏ Bãi thải đất đá được cải tạo, làm cho ổn định và có hình dáng phù hợp với địa mạo của khu vực, xây dựng hệ thống cống rãnh và phủ lớp đất màu lên trên mặt rồi tái phủ xanh

Một trong những mục tiêu của công tác hoàn thổ là lập lại thảm thực vật nhằm làm cho khu vực ổn định, bền vững và có thể ngăn ngừa, kiểm soát được xói mòn Với những đặc trưng sinh lý và hình thái độc đáo, cỏ vetiver

(Vetiveria zizanioides L.) được sử dụng rất hiệu quả không chỉ để kiểm soát

20

xói mòn mà còn là loài có khả năng chống chịu cao đối với những loại đất bị

ô nhiễm kim loại nặng Nhiều nghiên cứu cho thấy, loài cỏ này có thể phát triển tốt trên nhiều loại đất khác nhau, thậm chí cả trong điều kiện môi trường đất khắc nghiệt: rất chua, kiềm, hàm lượng Mn và Al di động cao Vì vậy, cỏ vetiver đã được sử dụng rất thành công trong phục hồi và cải tạo đất vùng mỏ như: mỏ than, vàng, bentonit, bôxit ở Australia; mỏ vàng, kim cương, platin ở Nam Phi; mỏ đồng ở Chi Lê; mỏ chì ở Thái Lan, mỏ chì, kẽm, bôxit ở Trung Quốc v.v…

Từ năm 2008, Tập đoàn Than và khoáng sản Việt Nam (TKV) đã sử dụng loại cỏ này trong xử lý ô nhiễm các bãi thải khai thác than ở Quảng Ninh (bãi thải lộ vỉa 46 - Hồng Thái (Đông Triều) và bãi thải Nam Lộ Phong - Công ty CP Than Hà Tu (thành phố Hạ Long) bước đầu cho kết quả rất tốt khi một lượng chì lớn đã được hấp thụ Năm 2009, Tập đoàn TKV tiếp tục ứng dụng cho bãi thải Nam Đèo Nai - Công ty CP Than Đèo Nai và bãi thải Khe Sim - Lộ Trí - Mông Gioăng (thị xã Cẩm Phả) Nghiên cứu tại các khu vực bãi thải khai thác than cho thấy, khi cỏ Vetiver được trồng thành nhiều hàng khép kín quanh khu vực bãi thải chỉ sau ba tháng, những hàng cỏ này tạo thành một bức tường sinh học cả trên mặt đất lẫn dưới lòng đất Trên mặt đất, thân cỏ ken dày vào nhau để giảm nhẹ nước mặt chảy tràn, giữ lại bùn cát và qua đó hạn chế các chất độc hại từ bãi thải phát tán rộng ra ngoài Dưới lòng đất, bộ rễ cỏ dài tới 3 m cũng ken lại tạo nên một bức tường chặn đứng các chất ô nhiễm lan truyền bừa bãi, đồng thời hút trực tiếp các chất ô nhiễm, kể cả hóa chất độc hại và từng bước làm phân tán, tan rã chúng [43]

Tại Thái Nguyên, công tác hoàn thổ sau khai thác đã được một số mỏ trên địa bàn thực hiện Diện tích đất sau khi được hoàn thổ đều được trồng cây keo Kết quả được tổng kết trong bảng 1.4

21

Bảng 1.4 Danh sách các mỏ và diện tích hoàn thổ sau khai thác

khoáng sản tại Thái Nguyên

STT điểm mỏ Tên các Địa chỉ

Diện tích hoàn thổ (ha)

Hiện trạng sử dụng đất

Ghi chú

1 Mỏ sắt

Trại Cau

TT Trại Cau, huyện Đồng Hỷ 22,8

Trồng keo

Đang khai thác, hoàn thổ từng phần

2 Mỏ than

Khánh Hoà

Xã Phúc Hà, TP Thái Nguyên 32,6

Trồng keo

Đang khai thác, hoàn thổ từng phần

4 Mỏ than

Núi Hồng

Xã Yên Lãng, huyện Đại Từ 24,2

Trồng keo

Đang khai thác, hoàn thổ từng phần

5 Mỏ than

Gốc Thông

Xã An Khánh, huyện Đại Từ và

Cổ Lũng, huyện Phú Lương

Đang hoàn thổ Kết thúc khai thác

Nguồn: Sở Tài nguyên và Môi trường Thái Nguyên (2010)

22

1.3.7 Ưu điểm và hạn chế của công nghệ thực vật xử lý KLN trong đất

1.3.7.1 Ưu điểm của công nghệ thực vật xử lý KLN trong đất

Công nghệ xử lý KLN trong đất có các ưu điểm như: có thể sử dụng trên quy mô rộng trong khi các công nghệ khác không thực hiện được Đây là giải pháp lâu dài bởi vì ô nhiễm có thể bị khoáng hóa Sinh khối thực vật có thể sử dụng như là nguyên liệu, nhiên liệu, đồ mỹ nghệ, thực phẩm, phát điện,…làm giảm xói mòn đất, đẫn đến giảm ô nhiễm sông hồ Sinh khối thực vật chứa các chất ô nhiễm có thể chiết, phục hồi lại như một nguồn tài nguyên Ví dụ: sinh khối chứa Zn, một chất dinh dưỡng sẽ được chuyển đến những nơi thiếu Zn để bổ sung vào nguồn thức ăn cho động vật [46]

Công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm có thể được sử dụng để xử lý tại chỗ hoặc chuyển chỗ Xử lý tại chỗ luôn được cân nhắc ưu tiên, bởi vì nó giảm thiểu mức độ xáo trộn đất và giảm mức độ phát tán ô nhiễm thông qua không khí và nước

Mặt khác, công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm là công nghệ xanh thân thiện với môi trường, tạo ra sự thẩm mỹ nên cộng đồng dễ chấp nhận[45]

Công nghệ thực vật không đòi hỏi các dụng cụ đắt tiền, các chuyên gia

có trình độ cao và tương đối dễ dàng thực hiện Nó có khả năng xử lý thường xuyên ở một vùng rộng lớn với nhiều chất ô nhiễm khác nhau

Tuy nhiên ưu điểm lớn nhất của công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm là chi phí thấp hơn so với các công nghệ thông thường [45],[16]

1.3.7.2 Hạn chế của công nghệ xử lý KLN trong đất

Bên cạnh nhiều khía cạnh tích cực, công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm cũng còn một số hạn chế sau:

+ Xử lý chậm hơn phương pháp hóa lý, vì vậy phải mất thời gian dài Thực vật xử lý một lượng nhỏ chất ô nhiễm qua mỗi mùa trồng, do đó nó có thể mất nhiều thập kỷ mới có thể làm sạch chất ô nhiễm và chất ô nhiễm vẫn không được xử lý hoàn toàn

23

+ Khí hậu và các yếu tố vật lý, hóa học, nồng độ chất ô nhiễm ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng và phát triển của các loài thực vật Các nhà khoa học cho rằng: chỉ có những vùng đất ô nhiễm nhẹ mới có thể sử dụng được phương pháp này, vì hầu hết các loài thực vật không thể sinh trưởng trong điều kiện môi trường ô nhiễm nặng

+ Chất ô nhiễm hòa tan có thể thẩm thấu ra ngoài vùng rễ phụ thuộc vào yếu tố ngăn chặn

+ Thực vật dùng để xử lý ô nhiễm thường bị giới hạn về chiều dài rễ + Sử dụng các loài thực vật nhập nội có thể ảnh hưởng đến đa dạng sinh học + Xử lý thực vật sau xử lý ô nhiễm cũng cần được quan tâm Sinh khối thực vật thu hoạch từ quá trình xử lý ô nhiễm được xếp vào loại nào, xử lý ra sao? Vì vậy cần phải tiêu thụ và xử lý thích hợp

Nói chung những lợi ích và hạn chế của công nghệ thực vật dùng trong

xử lý ô nhiễm cần phải được đánh giá đối với từng dự án cụ thể để xác định loại công nghệ nào là phù hợp nhất Vì vậy việc kết hợp các cơ chế khác nhau

để xử lý ô nhiễm môi trường được cho là có tính khả thi nhất [40]

24

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng, địa điểm nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Môi trường đất ô nhiễm do khai thác thiếc tại xã Hà Thượng huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên

- Ba loài hoa cúc: Cúc Đại đóa (Chrysanthemum morifolium Ramat), Cúc chùm vàng (Chrysanthemum sp), Cúc Indo (Verbena hybrid)

2.1.2 Địa điểm, thời gian nghiên cứu

a, Địa điểm nghiên cứu

- Khu vực đất ô nhiễm do khai thác thiếc tại xã Hà Thượng huyện Đại

Từ, tỉnh Thái Nguyên

- Thí nghiệm trong chậu được bố trí tại nhà ông Nguyễn Mạnh Quỳnh,

tổ 11, phường Đồng Quang, thành phố Thái Nguyên

b, Thời gian nghiên cứu: từ tháng 9/2014 đến tháng 3/2015

2.2 Nội dung nghiên cứu

- Hiện trạng môi trường đất bị ô nhiễm do quá trình khai thác thiếc tại xã Hà Thượng, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên: đặc điểm vật lý, hóa học, sinh học

- Khả năng phát tán và dự báo sự phát triển ô nhiễm đất tại khu vực khai thác thiếc xã Hà Thượng, huyện Đại Từ, Thái Nguyên: hệ số rủi ro và đường truyền ô nhiễm

- Nghiên cứu 3 loài hoa có giá trị kinh tế và có khả năng cải tạo đất ô nhiễm kim loại nặng

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp lấy mẫu đất

- Lấy mẫu đất và chuẩn bị mẫu là khâu cơ bản quyết định cho sự đúng đắn của kết quả nghiên cứu phân tích mẫu đất Những yêu cầu cơ bản của việc lấy mẫu đất và chuẩn bị mẫu là:

25

+ Mẫu đất đại diện được cho đối tượng được nghiên cứu

+ Mẫu đất phải được xử lý tốt, nghiền nhỏ, đồng nhất, xử lý và bảo quản để mẫu giữ nguyên được tính chất

Tùy theo địa hình khu vực khảo sát , cần lấy ít nhất 5 điểm phân bố đều trên toàn diện tích theo quy tắc lấy theo đường chéo, đường vuông góc hay đường zic-zắc (Hình 1)

+ Mẫu hỗn hợp: là mẫu được hỗn hợp từ nhiều mẫu riêng biệt ban đầu thành mẫu chung đại diện cho một phạm vi đất được khảo sát

Các mẫu ban đầu được gom lại thành một mẫu hỗn hợp chung có khối lượng ít nhất là 2kg

- Mẫu hỗn hợp trung bình: là mẫu được chọn từ mẫu hỗn hợp chung bằng cách nghiền nhỏ đất, trộn đều và loại bỏ bớt theo nguyên tắc đường chéo góc (Hình 2.1) Mẫu hỗn hợp trung bình có khối lượng khoảng 1kg

- Mẫu đất khô không khí: mẫu đất đem về phòng phân tích phải được hong khô ngay bằng cách cho toàn bộ mẫu đất vào khay nhựa sạch, để nơi khô thoáng, không có các khí như H2S, NH3, HCl không phơi trực tiếp ngoài nắng tốt nhất là phơi trong phòng sáng có máy hút ẩm

- Mẫu trung bình thí nghiệm: trộn đều mẫu đất khô không khí, nghiền nhỏ rồi bỏ bớt mẫu, cách thực hiện cũng giống như cách chọn mẫu hỗn hợp trung bình ( Hình 2.2)

Các mẫu đất phải được cho vào túi vải hoặc nhựa có ghi ký hiệu mẫu, địa điểm, độ sâu, ngày lấy mẫu [49]

Hình 2.1 Thu mẫu đất Hình 2.2 Chọn mẫu trung bình

C

D

26

2.3.2 Phương pháp phân tích đất trong phòng thí nghiệm

- Xử lý mẫu đất trước khi phân tích: Đất ô nhiễm được lấy ở tầng canh tác 0 – 30 cm Sau khi lấy về loại bỏ rễ cây, tạp chất, hong khô trong không khí ở nhiệt độ phòng sau đó đem nghiền qua rây 1mm, cất trữ trong túi bóng kính để phân tích thành phần hóa học đất

2.3.1.1 Xác định thành phần cơ giới đất theo phương pháp để lắng Rutcovski

- Xác định thành phần cát của đất: Dùng ống trụ nhỏ có dung tích 10ml đong lấy 10cm3

đất đã rây nhỏ, gõ cho chặt, sau đó trút vào ống đong có dung tích 10ml, đổ nước vào cho tới khi cột nước quá mặt lớp đất là 12cm, dùng đũa thủy tinh khuấy đều, để yên 1 phút rồi cẩn thận trút bỏ phần nước ở trên mặt lớp đất Cứ lặp đi lặp lại nư vậy cho tới khi lớp nước bên trên trở nên trong là được (nghĩa là đã tách hết các hạt có đường kính <0.05mm) Phần còn lại dưới đấy là cát Chuyển toàn bộ phần cát còn lại sang ống trụ 10ml để

đo thể tích phần này và tính ra tỷ lệ % so với thể tích đất ban đầu

Xác định thành phần sét của đất: Lấy 5 cm3

đất đã rây nhỏ cho vào ống đong có dung tích 100ml, rồi cho vào đó ¼ tìa con muối ăn và khuấy đều trong 10 phút, để yên qua đêm đất sẽ nở ra Đo thể tích đất tăng lên rồi chia ra

5 lần để tìm xem 1cm3

(1ml) đất ban đầu đã nở ra là bao nhiêu

Xác định thành phần bụi (limon) của đất: Hàm lượng bụi được xác định bằng cách tính hiệu số của 100% tổng số đất với tỷ lệ phần trăm (%) của 2 thành phần cát và sét

Phân loại đất căn cứ vào tỷ lệ sét trong đất của Ôkhôtin

2.3.1.2 Xác định ẩm độ đất theo phương pháp sấy khô

Bước 1: Lấy hộp nhôm đem sấy khô, cho vào bình hút ẩm để nguội đem cân được trọng lượng W1 gam

Bước 2: Lấy 10-20 gam đất cho vào hộp nhôm đem cân được trọng lượng W2 gam

27

Bước 3: Đem hộp nhôm có đất vào tủ sấy 1100C thời gian 6-8 tiếng (khi sấy mở nắp hộp) sấy xong đậy nắp hộp cho vào bình hút ẩm 15-20 phút cho nguội đem cân được trọng lượng W3 gam

Sau đó lại cho vào tủ sấy them 1 tiếng ở nhiệt độ 1100C, để nguội trong bình hút ẩm đem cân cứ lặp lại từ 2-3 lần đến khi trọng lượng W3 không thay đổi là được

Bước 2: Đổ bớt ½ nước trong bình, cân 10g đất ( P0) đã qua rây 1mm

đổ vào bình picromet lắc đều đem đun sôi 5 phút để loại không khí ra, nhấc xuống để nguội

Bước 3: Dùng nước cất đã đun sôi để nguội đổ vào cho đầy bình, đậy nút lại lau sạch khô bên ngoài đem cân được trọng lượng P2 gam

Bước 4: Tính kết quả

D =

P0.K P0+ P1− P2

Trong đó K là hệ số quy về đất khô tuyệt đối

2.3.1.5 Xác định dung tích hấp thu (CEC) của đất theo phương pháp Aminoaxetat

Bước 1:

+ Chuẩn bị phễu mehlich: phễu + giấy lọc + bông thủy tinh + cát thạch anh

Bước 3: Lấy 25ml dịch trao đổi trên + 10ml focmalin 20% trung tính +

5 giọt phenolphthalein rồi chuẩn độ bằng dung dịch NaOH 0,05 N tiêu chuẩn đến màu hồng nhạt

2.3.1.6 Phân tích lân tổng số trong đất theo phương pháp so màu

Bước 1 (Công phá mẫu): Cân 1g khô trong không khí đã rây 0,25mm cho vào bình tam giác có thể tích 100ml cho vào 5ml H2SO4 đặc lắc cho đều

để yên trong 30 phút, đậy phễu ngưng lạnh rồi đun trên bếp điện đến khi bốc hết khói trắng SO4 xuống để nguội nhỏ vào 3-5 giọt HClO4 70% rồi đặt lên bếp đun cho đến khi dung dịch chuyển sang màu trắng nhấc xuống để nguội hẳn Dùng nước cất chuyển dung dịch và cặn vào bình định mức có thể tích 100ml rồi dung nước cất lên thể tích đến vạch

Bước 2 (Lên màu lân để so màu): Hút 10ml dung dịch trong suốt (dung dịch đã được lắng hoặc đã được lọc qua giấy lọc không chứa lân) cho vào bình định mức 50ml thêm vào 15-20ml nước cất và 2-4ml dung dịch