Đánh giá mức độ ô nhiễm và rủi ro sinh thái của một số kim loại nặng trong trầm tích khu vực hạ lưu sông đáy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Kiều Thị Thu Trang ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM VÀ RỦI RO SINH THÁI CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG TRẦM TÍCH KHU VỰC HẠ LƯU SÔNG ĐÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Kiều Thị Thu Trang ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM VÀ RỦI RO SINH THÁI CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG TRẦM TÍCH KHU VỰC HẠ LƯU SÔNG ĐÁY Chuyên ngành: Khoa học Môi trƣờng Mã số: 8440301.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: Hƣớng dẫn 1: PGS.TS Lê Văn Chiều Hƣớng dẫn 2: PGS.TS Lê Thị Trinh Hà Nội - Năm 2018 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Thị Trinh, Khoa Môi trƣờng - Trƣờng Đại học Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội, PGS.TS Lê Văn Chiều - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên tận tình hƣớng dẫn truyền đạt cho em kinh nghiệm quý báu suốt trình thực đề tài luận văn Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Thị Hà giúp đỡ em trình thực đề tài, đồng thời em xin cảm ơn quý thầy cô giáo Khoa Môi Trƣờng, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên nhiệt tình truyền đạt kiến thức tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt q trình học tập hồn thành khóa học Xin trân trọng cảm ơn hỗ trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu ứng dụng phát triển công nghệ cấp Bộ Tài nguyên Môi trƣờng “Nghiên cứu đặc điểm phân bố, lịch sử tích lũy số kim loại nặng, hợp chất hữu khó phân hủy trầm tích đánh giá rủi ro môi trường khu vực hạ lưu sông Đáy”, mã số TNMT 2017.04.09 cho nội dung nghiên cứu luận văn Đề tài luận văn đƣợc thực Phịng Thí nghiệm Mơi trƣờng, Trƣờng Đại học Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội với hỗ trợ giúp đỡ cán bộ, giảng viên bạn sinh viên nhóm nghiên cứu Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cán Tổ quản lý Phịng Thí nghiệm Mơi trƣờng, Trƣờng Đại học Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội em sinh viên Cuối em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè ngƣời thân ln quan tâm, động viên giúp đỡ để tơi hồn thành tốt luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Học viên Kiều Thị Thu Trang i MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực hạ lƣu sông Đáy 1.1.1 Điều kiện tự nhiên 1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 1.2 Tổng quan kim loại nặng đƣờng xâm nhập vào môi trƣờng 13 1.2.1 Tổng quan kim loại nặng 13 1.2.2 Nguồn thải kim loại nặng vào môi trƣờng 18 1.3 Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng kim loại nặng 20 1.4 Phƣơng pháp đánh giá ô nhiễm kim loại nặng đánh giá rủi ro sinh thái 22 1.4.1 Phƣơng pháp đánh giá ô nhiễm kim loại nặng 22 1.4.2 Phƣơng pháp đánh giá rủi ro sinh thái 24 1.5 Một số nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trầm tích sơng nguy rủi ro hệ sinh thái 27 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 2.1 Đối tƣợng, phạm vi, địa điểm nghiên cứu 33 2.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu 33 2.1.2 Phạm vi, địa điểm nghiên cứu 33 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu .33 2.2.1 Phƣơng pháp tổng quan tài liệu 34 2.2.2 Phƣơng pháp điều tra, khảo sát thực địa 34 2.2.3 Phƣơng pháp thực nghiệm 34 2.2.4 Phƣơng pháp xử lý số liệu 42 2.2.5 Đánh giá mức độ nhiễm KLN theo số tích lũy địa chất 43 2.2.6 Đánh giá rủi ro sinh thái KLN 44 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 Đánh giá nguồn thải chứa kim loại nặng vào khu vực hạ lƣu sông Đáy 46 3.2 Đánh giá mức độ ô nhiễm số kim loại nặng trầm tích 51 ii 3.2.1 Hàm lƣợng kim loại nặng trầm tích 51 3.2.2 Đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng theo tiêu chuẩn chất lƣợng trầm tích 53 3.2.3 Đánh giá mức độ nhiễm KLN theo số tích lũy địa chất Igeo 57 3.3 Đánh giá mối tƣơng quan hàm lƣợng kim loại nặng trầm tích nƣớc 59 3.4 Đánh giá rủi ro sinh thái số kim loại nặng trầm tích khu vực hạ lƣu sơng Đáy 63 3.4.1 Đánh giá rủi ro theo số RI 63 3.4.2 Đánh giá rủi ro sinh thái theo số RQ 66 3.5 Đề xuất giải pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng trầm tích 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 iii AAS Ato Ass AOAC Che ERL Effe Gra GF-AAS Abs Indu ICP – MS spec Indu ICP -AES Ato Inte ISQG: Gui KLN LEL Low MEC Mid Nat NOAA Atm PEC Pro PEL Pro QCVN SEL Sev SQG Sed TEC Thr TEL Thr iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Cơ cấu kinh tế tỉnh Hà Nam Bảng 1.2 Cơ cấu kinh tế tỉnh Nam Định Bảng 1.3 Số lƣợng làng nghề phân theo đơn vị hành năm 2015 10 Bảng 1.4 Cơ cấu kinh tế tỉnh Ninh Bình năm 2016 11 Bảng 1.5 Giới thiệu số kim loại nặng 17 Bảng 1.6 Phân loại mức độ ô nhiễm theo số CF DC 24 Bảng 1.7 Tiêu chuẩn đánh giá mức độ rủi ro theo số RAC .25 Bảng 1.8 Mức độ rủi ro sinh thái KLN 26 Bảng 1.9 Mức độ rủi ro theo số RQ 27 Bảng 2.1 Thông tin vị trí lấy mẫu 37 Bảng 2.2 Điều kiện phép đo kim loại nặng thiết bị F-AAS .40 Bảng 2.3 Điều kiện phép đo F-AAS 41 Bảng 2.4 Chƣơng trình hóa nhiệt độ lị graphit kim loại nghiên cứu 41 Bảng 2.5 Phân loại mức độ nhiễm trầm tích theo số Igeo 44 Bảng 3.1 Một số nguồn thải phát sinh KLN sông Đáy Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình 47 Bảng 3.2 Đánh giá thống kê tƣơng quan kim loại trầm tích 52 Bảng 3.3 Hàm lƣợng KLN trầm tích khu vực nghiên cứu 54 Bảng 3.4 So sánh kết nghiên cứu với số nghiên cứu khác 56 Bảng 3.5 Hàm lƣợng KLN mẫu nƣớc khu vực nghiên cứu 60 Bảng 3.6 Mối quan hệ hàm lƣợng kim loại nƣớc trầm tích 61 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ khu vực nghiên cứu Hình 1.2 Mạng lƣới sơng Hình 1.3 Cơ cấu kinh tế theo ngành tỉnh Hà Nam năm 2016 Hình 1.4 Cơ cấu kinh tế theo ngành tỉnh Nam Định năm 2016 Hình 1.5 Cơ cấu sản xuất nông nghiệp tỉnh Nam Định năm 2016 Hình 1.6 Cơ cấu kinh tế theo ngành, tỉnh Ninh Bình năm 2016 12 Hình 1.7 Cơ cấu sản xuất nơng nghiệp tỉnh Ninh Bình năm 2016 12 Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu 33 Hình 2.2 Sơ đồ vị trí lấy mẫu 36 Hình 2.3 Quy trình xử lý mẫu xác định số kim loại nặng trầm tích .40 Hình 3.1 Hàm lƣợng kim loại nặng mẫu trầm tích nghiên cứu 51 Hình 3.2 Giá trị Igeo kim loại khu vực nghiên cứu 58 Hình 3.3 Giá trị Igeo kim loại Pb khu vực nghiên cứu 58 Hình 3.4 Giá trị Igeo kim loại Cd khu vực nghiên cứu .59 Hình 3.5 Mơ hình hồi quy hàm lƣợng kim loại nƣớc trầm tích 62 Hình 3.6 Chỉ số rủi ro sinh thái kim loại nặng trầm tích .63 Hình 3.7 Yếu tố rủi ro sinh thái Pb 64 Hình 3.8 Yếu tố rủi ro sinh thái Cu 64 Hình 3.9 Yếu tố rủi ro sinh thái Cd 65 Hình 3.10 Yếu tố rủi ro sinh thái Cr 65 Hình 3.11 Hệ số rủi ro RQ kim loại trầm tích khu vực nghiên cứu .66 Hình 3.12 Hệ số rủi ro Pb 67 Hình 3.13 Hệ số rủi ro Cu 67 Hình 3.14 Hệ số rủi ro Cd 68 Hình 3.15 Hệ số rủi ro Cr 68 vi MỞ ĐẦU Môi trƣờng sống bị ảnh hƣởng từ hoạt động phát triển kinh tế xã hội mà Việt Nam quốc gia có nhiều vấn đề môi trƣờng cần đƣợc quan tâm giải Các q trình thị hóa, phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp, nông nghiệp với gia tăng dân số gây nên tác động tiêu cực đến môi trƣờng Tại khu dân cƣ, làng nghề, khu/cụm công nghiệp, chất thải chƣa đƣợc xử lý xử lý chƣa đạt quy chuẩn thải vào nguồn nƣớc mặt làm giảm chất lƣợng nƣớc gây tác động tiêu cực đến hệ sinh thái thủy sinh Hầu hết chất ô nhiễm đƣợc thải từ lục địa biển qua cửa sông, chúng đƣợc lƣu giữ lại nƣớc, lắng đọng trầm tích tích luỹ sinh học lồi động vật sống bám đáy từ phân tán theo dịng chảy, theo thuỷ triều vào mơi trƣờng khác Sự tích lũy chất nhiễm trầm tích tác động trực tiếp đến hệ sinh vật đáy, lan truyền sang hệ sinh vật khác ngƣời mắt xích cuối tiếp nhận chất ô nhiễm thông qua chuỗi thức ăn gây nên ảnh hƣởng tiêu cực đến sức khỏe ngƣời Trong mơi trƣờng nƣớc, trầm tích có vai trị quan trọng hấp thụ kim loại nặng lắng đọng hạt lơ lửng trình có liên quan đến vật chất vơ hữu trầm tích Các nghiên cứu nhiễm kim loại nặng lƣu vực sông giới cho thấy hàm lƣợng pha không hịa tan (>100.000 lần sơng Elbe (CHLB Đức) 1.000-10.000 lần (sông Schuylkill), với sông Amazon 10.000 lần sông Yukon 7.000 lần [31] Nguyên nhân hầu hết kim loại nặng nhƣ As, Cd, Hg, Pb Zn tồn chủ yếu dạng liên kết với hạt keo tích lũy mơi trƣờng trầm tích chiếm từ 50-90% tổng hàm lƣợng kim loại Tƣơng tự, hầu hết kim loại đƣợc xếp danh sách chất có nguy nhiễm Cơ quan Bảo vệ Môi trƣờng Mỹ (US-EPA) dạng bền vững có xu tích tụ trầm tích thủy sinh vật [7] Dƣới số điều kiện hóa lý định kim loại nặng nƣớc tích lũy vào trầm tích đồng thời hịa tan ngƣợc trở lại vào nƣớc Lƣu vực sông Nhuệ - Đáy lƣu vực sông lớn khu vực phía Bắc, Sơng Đáy chi lƣu nằm bên hữu ngạn sông Hồng Sông Đáy đóng vai trị quan trọng hoạt động phát triển kinh tế, giao thông khu vực Khu vực hạ lƣu sông Đáy năm gần chịu áp lực mạnh mẽ hoạt động kinh tế - xã hội, đặc biệt khu công nghiệp, khai thác chế biến, nhiều đoạn sông bị ô nhiễm tới mức báo động Dọc theo hạ lƣu sơng Đáy có nhiều nhà máy, xí nghiệp, làng nghề thủ cơng sản xuất chế biến kim loại Bên cạnh đó, khu vực cửa sông ven biển nơi tập trung hoạt động giao thông công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ điểm có nguy phát thải chất ô nhiễm độc hại nhƣ kim loại nặng vào môi trƣờng Việc đánh giá ô nhiễm kim loại nặng trầm tích khu vực hạ lƣu sơng Đáy giúp xác định đƣợc nguyên nhân gây ô nhiễm nƣớc sơng, từ đƣa giải pháp quản lý mang tính tổng thể, dài hạn nguồn nƣớc mặt nói chung thủy vực sơng nói riêng Từ phân tích trên, đề tài “Đánh giá mức độ ô nhiễm rủi ro sinh thái số kim loại nặng trầm tích khu vực hạ lưu sông Đáy” đƣợc lựa chọn để thực Mục tiêu nghiên cứu: - Đánh giá đƣợc mức độ ô nhiễm số kim loại nặng (Pb, Cd, Cu, Cr) trầm tích mặt khu vực hạ lƣu sơng Đáy - Đánh giá rủi ro sinh thái số kim loại nặng trầm tích mặt khu vực hạ lƣu sông Đáy Để thực mục tiêu nghiên cứu trên, nội dung nghiên cứu đề tài gồm: - Tổng quan khu vực nghiên cứu, nguồn thải kim loại nặng vào môi trƣờng, tổng quan kim loại nặng phƣơng pháp đánh giá ô nhiễm kim loại nặng, đánh giá rủi ro sinh thái; - Khảo sát thực địa, lập kế hoạch quan trắc tiến hành lấy mẫu trầm tích mặt, lấy mẫu nƣớc khu vực nghiên cứu; 40 Canada Ministry of Environment and Energy (1993), Guidelines for the protection and management of aquatic sediment quality in Ontario 41 BJ Presley, JH Trefry, RF Shokes (1980), "Heavy metal inputs to Mississippi Delta sediments", Water, Air, and Soil Pollution, 13(4), pp 481494 42 Chester R (2000), Marine Geochemistry, Oxford: Malden 43 Eva Singovszka, Magdalena Balintova (2016), "Assessment of Ecological Risk of Sediment in Rivers of Eastern Slovakia", Engineering Transactions, 53 44 Magboul M Sulieman, Jamal T Elfaki, Mutwakil M Adam, Mohammed S Dafalla, Sulieman H Ali, Hager M Ahmed, Mushtaha E Ali (2017), "Assessment of heavy metals contamination in the Nile River water and adjacent sediments: A case study from Khartoum City and Nile River State, Sudan", Eurasian Journal of Soil Science, 6(3), p 285 45 Paul B Tchounwou, Clement G Yedjou, Anita K Patlolla, Dwayne J Sutton (2012), "Heavy metal toxicity and the environment", Molecular, clinical and environmental toxicology, Springer, pp 133-164 46 Karl K Turekian, Karl Hans Wedepohl (1961), "Distribution of the elements in some major units of the earth's crust", Geological Society of America Bulletin 72(2), pp 175-192 47 Rong Xiao, Junhong Bai, Laibin Huang, Honggang Zhang, Baoshan Cui, Xinhui Liu (2013), "Distribution and pollution, toxicity and risk assessment of heavy metals in sediments from urban and rural rivers of the Pearl River delta in southern China", Ecotoxicology, 22(10), pp 1564-1575 48 Nan Yan, Wenbin Liu, Huiting Xie, Lirong Gao, Ying Han, Mengjing Wang, Haifeng Li (2016), "Distribution and assessment of heavy metals in the surface sediment of Yellow River, China", Journal of Environmental Sciences, 39, pp 45-51 49 Yujun Yi, Zhifeng Yang, Shanghong Zhang (2011), "Ecological risk assessment of heavy metals in sediment and human health risk assessment of heavy 78 metals in fishes in the middle and lower reaches of the Yangtze River basin", Environmental Pollution, 159(10), pp 2575-2585 50 Shou Zhao, Chenghong Feng, Yiru Yang, Junfeng Niu, Zhenyao Shen (2012), "Risk assessment of sedimentary metals in the Yangtze Estuary: new evidence of the relationships between two typical index methods", Journal of hazardous materials, 241, pp 164-172 51 Hui-na Zhu, Xing-zhong Yuan, Guang-ming Zeng, Min Jiang, Jie Liang, Chang zhang, Yin Juan, Hua-jun Huang, Zhi-feng Liu, Hong-wei Jiang (2012), "Ecological risk assessment of heavy metals in sediments of Xiawan Port based on modified potential ecological risk index", Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 22(6), pp 1470-1477 79 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: MỘT SỐ TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG TRẦM TÍCH Tiêu chuẩn QCVN 43:2017/BT NMT CBSQG Canada SQG (2002) NOAA SQG (1997) (1) TEC: Threshold Effect Concentration – Ngƣỡng nồng độ có ảnh hƣởng (2) MEC: Midpoint Effect Concentration – Nồng độ có ảnh hƣởng trung bình (3) PEC: Probable Effect Concentration – Nồng độ gây ảnh hƣởng (4) TEL: Threshold Effects level – Ngƣỡng nồng độ ảnh hƣởng (5) PEL: Probable Effect Level – Nồng độ ảnh hƣởng xảy (6) ERL: Effect Range-Low – Vùng ảnh hƣởng thấp 80 PHỤ LỤC 2: HÀM LƯỢNG KIM LOẠI NẶNG TRONG MẪU TRẦM TÍCH Đơn vị: mg/kg trọng lượng khô TT Ký hiệu 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 81 PHỤ LỤC 3: HÀM LƯỢNG KIM LOẠI NẶNG TRONG MẪU NƯỚC TT Ký hiệ 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 82 PHỤ LỤC 4: GIÁ TRỊ Igeo CỦA MẪU TRẦM TÍCH ĐỐI VỚI CÁC KIM LOẠI Pb, Cu, Cd, Cr TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 83 TT 84 PHỤ LỤC 5: CHỈ SỐ RỦI RO SINH THÁI KIM LOẠI NẶNG TRONG TRẦM TÍCH TT Kí hiệu 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 85 PHỤ LỤC 6: MỘT SỐ HÌNH ẢNH LẤY MẪU VÀ PHÂN TÍCH MẪU Thiết bị lấy mẫu trầm tích Thiết bị lấy mẫu nước Lấy mẫu trầm tích Bảo quản mẫu trầm tích 86 Xử lý mẫu trầm tích Đo mẫu xác định Cr thiết bị F-AAS 87 ... chứa kim loại nặng vào khu vực hạ lƣu sông Đáy 46 3.2 Đánh giá mức độ ô nhiễm số kim loại nặng trầm tích 51 ii 3.2.1 Hàm lƣợng kim loại nặng trầm tích 51 3.2.2 Đánh giá mức độ ô nhiễm kim. .. Thị Thu Trang ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM VÀ RỦI RO SINH THÁI CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG TRẦM TÍCH KHU VỰC HẠ LƯU SƠNG ĐÁY Chun ngành: Khoa học Môi trƣờng Mã số: 8440301.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA... trầm tích nƣớc 59 3.4 Đánh giá rủi ro sinh thái số kim loại nặng trầm tích khu vực hạ lƣu sông Đáy 63 3.4.1 Đánh giá rủi ro theo số RI 63 3.4.2 Đánh giá rủi ro sinh