Nghiên cứu quá trình giải phóng asen từ trầm tích trẻ ven sông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Nhƣ Khuê NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIẢI PHĨNG ASEN TỪ TRẦM TÍCH TRẺ VEN SƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Nhƣ Khuê NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIẢI PHĨNG ASEN TỪ TRẦM TÍCH TRẺ VEN SƠNG Chuyên ngành: Khoa học môi trƣờng Mã số LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Dieke Postma TS Phạm Thị Kim Trang Hà Nội - 2012 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Giả thiết trình giải phóng asen từ trầm tích trẻ nƣớc ngầm 1.1.1 Cơ chế khử hịa tan khống ơxit sắt 1.1.2 Một số giả thiết khác 1.2 Sự phân bố asen trầm tích khống 1.2.1 Sự phân bố asen trầm tích 1.2.2 Sự phân bố As khoáng 1.2.3 Sự phân bố As khống ơxit sắt 1.3 Vai trị vi khuẩn giải phóng asen 1.3.1.Vai trị vi khuẩn khử sắt 1.3.2 Vai trò vi khuẩn khử nitrat, sunfat 1.3.3 Vai trò vi khuẩn khử trực tiếp As 1.4.Ảnh hƣởng vật chất hữu tới giải phóng asen 1.4.1 Vai trị tạo mơi trƣờng khử 1.4.2 Vai trị cạnh tranh hấp phụ 1.4.3 Các vai trò khác hữu Chƣơng : ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Địa điểm thời gian đối tƣợng nghiên cứu 2.1.1 Địa điểm nghiên cứu 2.1.2 Đối tƣợng nghiên cứu 2.1.3 Thời gian nghiên cứu 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1 Phƣơng pháp tổng quan tài liệu 2.2.2 Phƣơng pháp thực nghiệm 2.2.3 Phƣơng pháp xử lí số liệu Chƣơng : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Sự phân bố asen pha khống ơxit sắt trầm tích 3.2 Kết nghiên cứu ảnh hƣởng vi khuẩn, tác nhân hữu bùn thải đến giải phóng asen từ trầm tích nƣớc ngầm 3.2.1 Kết ảnh hƣởng vi khuẩn tới giải phóng asen từ trầm tích nƣớc ngầm 3.2.2 Kết ảnh hƣởng vật chất hữu tới giải phóng asen từ trầm tích nƣớc ngầm KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC AAS : As(T) : CETASD : DANIDA : Fe(T) : HVG : PHREEQC : UV-Vis : RSD : TOC : DANH MỤC BẢNG Tên bảng Bảng 1.1 Hàm lượng As đặc trưng đá, trầm tích, đất trầm tích bề mặt khác Bảng 1.2 Hàm lượng As số khống Bảng 1.3 Thành phần tính theo % dạng As số nghiên cứu Bảng 2.1 Tóm tắt phương pháp chiết Bảng 2.2 Tóm tắt thí nghiệm đánh giá vai trị vi khuẩn hữu Bảng 3.1 Hàm lượng As, Fe tổng từ bước chiết trầm tích Bảng 3.2 Tỉ lệ mol Fe/As nghiên cứu Bảng 3.3 Kết nồng độ Fe vi khuẩn Bảng 3.4 Tổng nồng độ hữu hai khu vực trầm Bảng 3.5 Kết nồng độ Fe v nước sơng có k Hình 1.1 Sự nhiễm As bổ sung hữu khu vực ao hồ Hình 1.2 Sự giải phóng As có bổ sung hữu cơ, tính tốn theo mơ hình PHREEQC Hình 1.3 Vai trị hợp chất hữu giải phóng As từ trầm tích nước ngầm Hình 2.1 Mơ tả mặt cắt từ khu vực Đan Phượng (trầm tích trẻ) tới Phú Kim (trầm tích cổ Hình 2.2 Lấy mẫu trầm tích hai khu vực nghiên cứu Hình 2.3 Lấy mẫu nước độ sâu từ 0,25-3m Hình 2.4 Quy trình chiết trầm tích Hình 2.5 Một số hình ảnh thực thí nghiệm chiết trầm tích Hình 2.6 Một số hình ảnh thực thí nghiệm ủ trầm tích Hình 3.1 Sự phân bố As trê Hình 3.2 Sự phân bố dạng khống ơxit sắt trầm tích Hình 3.3 Sự giải phóng As Hình 3.4 Q trình hịa tan khơng đồng thời Fe As Hình 3.5 Nồng độ Fe (hình A B) nồng độ As (hình C D) dung dịch ủ tr (▲); trầm tích cổ Hình 3.6 Nồng độ As dung dịch ủ trầm tích trẻ có (●) khơng (▲) bổ sun bùn (∆) MỞ ĐẦU Ô nhiễm asen nƣớc ngầm thƣờng đƣợc phát thấy vùng đồng cạnh sông lớn Ở đồng châu thổ sơng Hồng, Việt Nam, nƣớc ngầm khu vực có nồng độ asen cao, khoảng từ ÷ 3050 µg/L (trung bình 159 µg/L) đƣợc phát năm 1998 [11] Mặc dù vậy, nay, nguyên nhân dẫn đến As có mặt tầng chứa nƣớc chƣa đƣợc hiểu rõ Cơ chế giả thuyết phổ biến trình phân hủy hữu vi khuẩn hình thành điều kiện khử khiến khống ơxit sắt bị hịa tan, kéo theo giải phóng asen từ trầm tích nƣớc ngầm.Theo giả thuyết này, asen nhiều khống sắt bị hịa tan hội As giải phóng từ trầm tích trẻ nƣớc ngầm cao Vi khuẩn tham gia trình phân hủy hữu tạo môi trƣờng khử Môi trƣờng nhiều hữu thuận lợi cho khử hòa tan sắt diễn nguy nhiễm asen tăng Trầm tích chứa hữu hoạt động cao dạng asen bám trầm tích khơng chặt chẽ giải phóng asen đƣợc cho diễn mạnh Ngƣợc lại, với trầm tích với hữu bền, không bị phân hủy sinh học asen dạng bị mang ôxit sắt bền vững q trình giải phóng asen chậm Nghĩa q trình giải phóng asen phụ thuộc đặc tính khống học trầm tích điều kiện mơi trƣờng bao gồm hợp chất hữu vi khuẩn tầng chứa nƣớc Với kết cấu trầm tích trẻ có chứa khống sắt dạng linh động, mơi trƣờng giàu hữu phù sa bồi tích, khu vực đồng ven sơng thƣờng có nƣớc ngầm bị nhiễm As Các nghiên cứu trƣớc tìm hiểu có mặt As nƣớc ngầm nhƣng chủ yếu tập trung phân tích mẫu nƣớc Số lƣợng nghiên cứu trầm tích khu vực đồng sơng Hồng liên quan tới nhiễm As cịn hạn chế Cho đến nay, nồng độ As nƣớc ngầm có mối tƣơng quan nhƣ với cấu trúc khoáng học trầm tích mơi trƣờng khu vực chƣa đƣợc hiểu rõ Vì vậy, luận văn với đề tài “Nghiên cứu q trình giải phóng As từ trầm tích trẻ ven sơng” thực nghiên cứu với nội dung sau: 1, Nghiên cứu phân bố asen khống ơxit sắt trầm tích trẻ 2, Bước đầu tìm hiểu vai trị vi khuẩn giải phóng asen 3, Bước đầu tìm hiểu ảnh hưởng hợp chất hữu giải phóng asen Luận văn phần dự án hợp tác quốc tế “Ô nhiễm As nƣớc ngầm đồng châu thổ sông Hồng Việt Nam - VietAs -DANIDA” Việt Nam Đan Mạch (http://vietas.er.dtu.dk) Luận văn mong muốn đóng góp phần nhỏ việc tìm hiểu vận chuyển asen tầng chứa nƣớc khu vực nghiên cứu nói riêng đồng châu thổ sơng Hồng nói chung ̉̉ Chƣơng - TÔNG QUAN 1.1 Giả thiết q trình giải phóng asen từ trầm tích trẻ nƣớc ngầm Nghiên cứu nhiều khu vực khác giới, nhà khoa học đƣa số giả thiết chế giải phóng asen từ trầm tích nƣớc ngầm Các giả thiết chủ yếu là: q trình oxi hóa khống pyrite có chứa asen khu vực có tính oxi hóa, chế giải phóng asen anion cạnh tranh vị trí hấp phụ với asen bề mặt khống hịa tan khống ơxit sắt điều kiện khử [35] Cơ chế mang tính tổng quát đƣợc tìm hiểu bổ sung với nghiên cứu khu vực có xuất asen tầng chứa nƣớc 1.1.1 Cơ chế khử hịa tan khống ơxit sắt Một ba chế đƣợc thừa nhận phổ biến q trình khử hịa tan khống ơxit sắt dẫn tới giải phóng asen từ trầm tích vào nƣớc ngầm Với giả thiết này, hạt trầm tích mang vật chất hữu theo dịng chảy sơng, trải qua thời gian bồi tích tạo thành lớp trầm tích trẻ châu thổ Hoạt động vi sinh diễn đất sử dụng chất hữu nhƣ nguồn thức ăn tiêu thụ O 2, NO3-, SO42- cho q trình phân hủy hữu Mơi trƣờng khử đƣợc hình thành sau Dƣới tác dụng điều kiện khử vi sinh vật, ôxit sắt bị hịa tan Q trình kéo theo dịch chuyển asen từ dạng liên kết pha rắn sang pha lỏng, cụ thể bị hòa tan nƣớc ngầm Phƣơng trình tổng quát đƣợc biểu diễn nhƣ sau: Vi khuẩn 4FeOOH(As(V)) + CH2O + 7H2CO3 → 4Fe2+ +8 HCO3- + 6H2O +As(III) [9,36] Kết tầng chứa nƣớc mơi trƣờng khử thƣờng có nồng độ sắt hòa tan cao kèm theo nồng độ As tăng cao, độ kiềm (bicacbonat) cao [9] Phƣơng trình giả thuyết đƣợc đƣa [2,10]: 4FeOOH (As(V)) + CH2O + 7H2CO3 → 4Fe2+ + 8HCO3- + 6H2O + As(III) Theo giả thuyết này, As nhiều khống sắt bị hịa tan, hội As giải phóng từ trầm tích nƣớc ngầm cao Môi trƣờng thuận lợi cho khử hịa tan sắt diễn nguy nhiễm Asen tăng Nghĩa q trình giải phóng Asen phụ thuộc vào đặc tính khống học trầm tích điều kiện môi trƣờng Theo kết nghiên cứu trầm tích khu vực Vạn Phúc, Thanh Trì, Hà Nội tác giả Eiche E cộng (2008), hàm lƣợng As trầm tích Pleistocene (trầm tích cổ) nằm khoảng 2,1- 28,7 mg/kg; trầm tích Holocence (trầm tích trẻ hơn) khoảng 1,0- 30,3 mg/kg Tổng lƣợng As hai dạng trầm tích tƣơng đƣơng Tuy nhiên, tầng chứa nƣớc Pleistocene hầu nhƣ As (