(Luận văn thạc sĩ) 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 : 608502 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 q trình giải phóng asen từ trầm tích trẻ nƣớc ngầm 1.1.1 Cơ chế khử hòa 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 12 1.3.1.Vai trò vi khuẩn khử sắt 12 1.3.2 Vai trò vi khuẩn khử nitrat, sunfat 13 1.3.3 Vai trò vi khuẩn khử trực tiếp As 13 1.4.Ảnh hƣởng vật chất hữu tới giải phóng asen 15 1.4.1 Vai trị tạo mơi trƣờng khử 16 1.4.2 Vai trò cạnh tranh hấp phụ 20 1.4.3 Các vai trò khác hữu 20 Chƣơng : ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Địa điểm thời gian đối tƣợng nghiên cứu 23 2.1.1 Địa điểm nghiên cứu 23 2.1.2 Đối tƣợng nghiên cứu 24 2.1.3 Thời gian nghiên cứu 24 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 24 2.2.1 Phƣơng pháp tổng quan tài liệu 24 2.2.2 Phƣơng pháp thực nghiệm 24 2.2.3 Phƣơng pháp xử lí số liệu 33 Chƣơng : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Sự phân bố asen pha khống ơxit sắt trầm tích 34 3.2 Kết nghiên cứu ảnh hƣởng vi khuẩn, tác nhân hữu 40 bùn thải đến giải phóng asen từ trầm tích nƣớc ngầm 3.2.1 Kết ảnh hƣởng vi khuẩn tới giải phóng asen từ 41 trầm tích nƣớc ngầm 3.2.2 Kết ảnh hƣởng vật chất hữu tới giải phóng 44 asen từ trầm tích nƣớc ngầm KẾT LUẬN 53 KIẾN NGHỊ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT AAS : Atom Absorption Spectrophotometer- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử As(T) : Asen tổng CETASD : Research Center for Environmental Technology and Sustainable Development – Trung tâm Công nghệ Môi trƣờng Phát triển Bền vững DANIDA : Danish International Development Agency -Tổ chức phát triển quốc tế Đan Mạch Fe(T) : Sắt tổng HVG : Hydride Vapor Generator -Bộ tạo khí hydrua PHREEQC : Phần mềm mơ hình hóa chun dụng cho q trình thủy địa hóa diễn trầm tích nƣớc ngầm, hai nhà khoa học Parkhurst Appelo nghiên cứu phát triển từ năm 1999 UV-Vis : Quang phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại khả kiến RSD : Relative Standard Deviation (Độ lệch chuẩn tƣơng đối) TOC : Total Organic Carbon- Tổng cacbon hữu DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tên bảng Trang Hàm lượng As đặc trưng đá, trầm tích, đất trầm tích bề mặt khác Bảng 1.2 Hàm lượng As số khoáng Bảng 1.3 Thành phần tính theo % dạng As số nghiên cứu 11 Bảng 2.1 Tóm tắt phương pháp chiết 29 Bảng 2.2 Tóm tắt thí nghiệm đánh giá vai trò vi khuẩn hữu 30 Bảng 3.1 Hàm lượng As, Fe tổng từ bước chiết trầm tích 34 Bảng 3.2 Tỉ lệ mol Fe/As nước ngầm trầm tích khu vực 39 nghiên cứu Bảng 3.3 Kết nồng độ Fe As thí nghiệm đánh giá vai trị 42 vi khuẩn Bảng 3.4 Tổng nồng độ hữu hàm lượng As trầm tích nước 45 hai khu vực trầm tích trẻ cổ Bảng 3.5 Kết nồng độ Fe As thí nghiệm trộn trầm tích nước sơng có khơng bổ sung hữu 46 DANH MỤC HÌNH Tên hình Trang Hình 1.1 Sự nhiễm As bổ sung hữu khu vực ao hồ 17 Hình 1.2 Sự giải phóng As có bổ sung hữu cơ, tính tốn theo mơ 17 hình PHREEQC Hình 1.3 Vai trị hợp chất hữu giải phóng As từ trầm 18 tích nước ngầm Hình 2.1 Mơ tả mặt cắt từ khu vực Đan Phượng (trầm tích trẻ) tới Phú 23 Kim (trầm tích cổ) Hình 2.2 Lấy mẫu trầm tích hai khu vực nghiên cứu 25 Hình 2.3 Lấy mẫu nước độ sâu từ 0,25-3m 26 Hình 2.4 Quy trình chiết trầm tích 28 Hình 2.5 Một số hình ảnh thực thí nghiệm chiết trầm tích 29 Hình 2.6 Một số hình ảnh thực thí nghiệm ủ trầm tích 31 Hình 3.1 Sự phân bố As khống ơxit sắt trầm tích trẻ cổ 35 Hình 3.2 Sự phân bố dạng khống ơxit sắt trầm tích 36 Hình 3.3 Sự giải phóng As điều kiện có khơng có vi khuẩn 42 Hình 3.4 Q trình hịa tan khơng đồng thời Fe As 43 Hình 3.5 Nồng độ Fe (hình A B) nồng độ As (hình C D) 47 dung dịch ủ trầm tích trẻ có (●) khơng bổ sung hữu (▲); trầm tích cổ có (○) khơng bổ sung hữu (∆) Hình 3.6 Nồng độ As dung dịch ủ trầm tích trẻ có (●) khơng (▲) bổ sung bùn; trầm tích cổ có (○) khơng bổ sung bùn (∆) 51 MỞ ĐẦU Ơ nhiễm asen nƣớc ngầm thƣờng đƣợc phát thấy vùng đồng cạnh sông lớn Ở đồng châu thổ sông Hồng, Việt Nam, nƣớc ngầm khu vực có nồng độ asen cao, khoảng t ữ 3050 àg/L (trung bỡnh 159 àg/L) c 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 q trình phân hủy hữu tạo mơi trƣờng khử Môi trƣờng nhiều hữu thuận lợi cho khử hịa 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, khơng bị phân hủy sinh học asen dạng bị mang ơxit 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 môi 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 ô 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 sông Hồng liên quan tới ô nhiễm As hạn chế Cho đến nay, nồng độ As nƣớc ngầm có mối tƣơng quan nhƣ với cấu trúc khống học trầm tích mơi trƣờng khu vực chƣa đƣợc hiểu rõ Vì vậy, luận văn với đề tài “Nghiên cứu 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 - TỞNG 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: 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 qt 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 O2, NO3-, SO42- cho trình phân hủy hữu Mơi trƣờng khử đƣợc hình thành sau Dƣới tác dụng điều kiện khử vi sinh vật, ơxit sắt bị hịa tan Q trình kéo theo dịch chuyển asen từ dạng liên kết pha rắn sang pha lỏng, cụ thể bị hịa tan nƣớc ngầm Phƣơng trình tổng qt đƣợc biểu diễn nhƣ sau: Vi khuẩn 4FeOOH(As(V)) + CH2O + 7H2CO3 → 4Fe2+ +8 HCO3- + 6H2O +As(III) [9,36] Kết tầng chứa nƣớc môi trƣờng khử thƣờng có nồng độ sắt hịa tan cao kèm theo nồng độ As tăng cao, độ kiềm (bicacbonat) cao [9] TÓM TẮT Sự gia tăng hàm lƣợng As nƣớc ngầm đồng ven sông đƣợc nhà khoa học nghiên cứu Cơ chế giả thuyết đƣợc thừa nhận phổ biến trình phân hủy hữu tạo điều kiện thuận lợi cho trình khử hòa tan sắt kéo theo As bị rửa trôi Bài báo nghiên cứu mối liên hệ cấu trúc khống học trầm tích nồng độ As nƣớc ngầm vai trò hợp chất hữu q trình giải phóng As từ trầm tích nƣớc ngầm Hai khu vực đƣợc lựa chọn để nghiên cứu vùng ven sơng với trầm tích trẻ có tuổi 600 năm khu vực ven núi với trầm tích cổ 3500 năm Kết nghiên cứu phân bố As khoáng sắt, cho thấy tổng hàm lƣợng As bị rửa trơi từ trầm tích trẻ (2 mg/kg) nƣớc ngầm cao so với từ trầm tích cổ (0,34 mg/kg) Dạng As liên kết khoáng Fe hoạt động tinh thể trầm tích trẻ chiếm xấp xỉ 4mg/kg, chúng khơng đƣợc định lƣợng trầm tích cổ Kết hợp với hàm lƣợng As nƣớc ngầm hai địa điểm, kết nghiên cứu cho thấy nhiều As pha khoáng sắt linh động (dễ hịa tan, bị khử nhƣ Fe hoạt động, Fe tinh thể), khả gia tăng hàm lƣợng As nƣớc ngầm cao Sự tồn As pha khống dễ tác động mơi trƣờng khử yếu tố gây nên giải phóng As tầng chứa nƣớc Ngồi ra, tƣợng gia tăng hàm lƣợng Fe As bị rửa trôi đƣợc quan sát thấy thí nghiệm trộn trầm tích với nƣớc sơng có bổ sung hữu Nghiên cứu bổ trợ cho giả thuyết hợp chất hữu đóng vai trị tạo mơi trƣờng thuận lợi cho q trình khử hịa tan khống ơxit kéo theo giải phóng As từ trầm tích nƣớc ngầm MỞ ĐẦU Ô nhiễm asen nƣớc ngầm thƣờng đƣợc phát thấy vùng đồng gần sông lớn Hàm lƣợng As nƣớc ngầm đồng châu thổ Sông Hồng, Việt Nam, tƣơng đối caokhoảng ÷ 3050 µg/L (trung bình 159 µg/L) đƣợc phát từ năm 1998 [3] Tuy nhiên, đến nguyên nhân dẫn đến có mặt As nƣớc ngầm chƣa đƣợc nghiên cứu kỹ hiểu rõ Cơ chế giả thuyết phổ biến trình phân hủy hữu tạo điều kiện khử khiến khoáng ơxit sắt bị hịa tan, kéo theo giải phóng Asen 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 mơi 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 khơng có As (