Nghiên cứu sự ô nhiễm kim loại (sắt, nhôm, mangan, đồng, chì, cadimi) trong nước dưới đất tầng pleistocen khu vực tp hồ chí minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THỊ PHI OANH NGHIÊN CỨU SỰ Ô NHIỄM KIM LOẠI (SẮT, NHÔM, MANGAN, ĐÔNG, CHÌ, CADIMI) TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT TẦNG PLEISTOCEN KHU VỰC TP.HỒ CHÍ MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THỊ PHI OANH NGHIÊN CỨU SỰ Ơ NHIỄM KIM LOẠI (SẮT, NHƠM, MANGAN, ĐƠNG, CHÌ, CADIMI) TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT TẦNG PLEISTOCEN KHU VỰC TP.HỒ CHÍ MINH Chun ngành: KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT Mã sớ chuyên ngành: 62.52.05.01 Phản biện độc lập: PGS TS Phạm Trung Hiếu Phản biện độc lập: PGS TS Tạ Đức Thịnh Phản biện: PGS TS Vũ Chí Hiếu Phản biện: PGS TS Đoàn Văn Cánh Phản biện: PGS TS Lê Trung Chơn NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1: NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2: PGS.TS NGUYỄN VIỆT KỲ TS NGÔ DỨC CHÂN LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan là cơng trình nghiên cứu bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và kết luận luận án này là trung thực, và không chép từ một nguồn nào và hình thức nào Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) đã thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Chữ ký Trần Thị Phi Oanh i TĨM TẮT LUẬN ÁN Thành phớ Hồ Chí Minh (Tp.HCM) mợt trung tâm kinh tế - văn hố – xã hội hàng đầu Việt Nam.Tại thành phố Hồ Chí Minh nước đất (NDĐ) quan tâm, khai thác sử dụng từ thập niên năm mươi kỷ trước có vai trị quan trọng sau nguồn nước mặt thành phớ Hồ Chí Minh với tổng lưu lượng khai thác cho sinh hoạt gần triệu m3/ngày.đêm tầng Pleistocen khoảng 200.000m3/ngày.đêm Trong năm gần với biểu hiện thời tiết cực đoan mưa trái mùa, lượng mưa gia tăng, lũ lụt, hạn hán kéo dài, nhiệt độ cao bất thường diễn thường xuyên và đã ảnh hưởng lớn đến chất lượng nguồn nước đất (NDĐ) khu vực Trong khai thác sử dụng nước đất, ngồi việc đáp ứng sớ lượng chất lượng quan tâm hàng đầu Tuy nhiên, nghiên cứu gần cho thấy, nước tầng chứa nước Pleistocen khu vực Tp.HCM hiện đã phát hiện một số kim loại với hàm lượng tăng cao Al, Mn, Cu, Pb, As, Cd, Hg một số khu vực, xuất hiện ion kim loại vậy có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người Luận án nghiên cứu xác lập điều kiện diễn biến thành phần hoá học nước đất sở xây dựng tập hợp chuỗi sớ liệu kết quả phân tích thành phần kim loại tầng chứa nước khu vực Tp.HCM qua giai đoạn 1991-1997, 1997-2006 và 2006-2017 Kết quả phân tích thạch học cho thấy hầu hết thành phần đất quận huyện khu vực Tp HCM hình thành từ khống vật như: thạch anh, kali feldspar, plagioclase, sét, canxit, dolomit, pyrit, riebeckit, siderit Việc phóng thích kim loại từ khống vật này vào NDĐ phụ thuộc phần lớn vào điều kiện địa hố mơi trường Ḷn văn bước đầu làm sáng tỏ chế xâm nhập kim loại Fe, Mn, As và Al vào nước đất khu vực Tây Bắc Thành phớ Hồ Chí Minh Ngoài ra, điều kiện phát triển kinh tế tự nhiên và xã hợi Tp.HCM góp phần tích cực thúc đẩy nhân tố một số kim loại vào nước đất Về đánh giá rủi ro sức khoẻ, luận án đã đánh giá rủi ro không gây ung thư đối với kim loại thông qua đường ăn uống Al, Mn, As, Cd, là đường phơi nhiễm chủ yếu cho người dân mà đa số người dân địa bàn nghiên cứu sử dụng nước không qua xử lý hay xử lý sơ sài sử dụng cho ăn uống và sinh hoạt Việc sử dụng mơ ii hình lan truyền 3MTDMs GMS cho thấy xu hướng lan truyền ô nhiễm kim loại Mn, As, Cu, Pb, Cu, Cd có xu hướng dịch chuyển theo hướng dòng chảy, hướng di chuyển chung phía Đơng Đơng Nam Từ kết quả mơ hình này, việc đánh giá và phân vùng rủi ro sức khoẻ liên quan đến vùng nghiên cứu xác định Nhìn chung đa sớ phường/xã nơi tập trung nhiều khu công nghiệp, khu chế xuất, bãi rác cho hàm lượng kim loại cao và phân vùng rủi ro là cao và không chấp nhận Trong đó, rủi ro gây ung thư cao khu vực Củ Chi, tập trung mợt sớ xã An Phú, Trung Lập Thượng, Phạm Văn Côi, Hoà Phú, Bình Mỹ, Thái Mỹ, Phước Thạnh, Tân An Hội, Nhuận Đức, hàm lượng Cd xã Phước Hiệp Tân An Hợi tḥc hụn Củ Chi có hàm lượng Cd nước hai khu vực cao có nguy gây ung thư cao khơng chấp nhận môi trường nước Đối với kim loại mangan diễn diện rợng tồn địa bàn hụn Bình Chánh, Hóc Mơn với mợt sớ xã thuộc huyện Củ Chi xã Trung An Tân Phú Trung có mức đợ rủi ro trung bình cịn lại khu vực khác đới với kim loại mangan mức độ rủi ro gây ung thư mức chấp nhận Luận án thiết lập và xây dựng mơ hình xử lý nước nhiễm kim loại quy mơ hợ gia đình đơn giản, rẻ tiền, dễ áp dụng và đã thử nghiệm thành công khu vực nghiên cứu iii ABSTRACT Groundwater is an important resource for water supply in Ho Chi Minh City (HCM City) which is one of the biggest city in Vietnam Groundwater has been exploited here since the 1950s and contributes about million m3/day (with about 200.000m3/day from Pleistocen aquifers) for water supply in HCM City In recent years, groundwater quality in HCM City has been deteriorated due to climate change and getting more concern in groundwater management Recent studies showed that the concentration of heavy metals in groundwater such as Al, Mn, Cu, Pb, As, Cd, and Hg was high in Pleistocen aquifers of HCM City The occurrences of those heavy metals in groundwater may affect human health In this study, the hydrogeochemical conditions and changes of groundwater chemistry based on the long-term monitoring data of heavy metals in the HCM City aquifer system for three periods: 1991-1997, 1997-2006, and 2006-2017 have been collected and investigated The lithology analysis results show that the sediments in HCM City mainly consist of Quartz, K-Felspar, Plagioclase, Clay, Calcite, Dolomite, Pyrite, Riebeckite, and Siderite with varied proportion The mobilisation of heavy metals from such minerals into groundwater are largely depended on the hydrogeochemical conditions This study also presents the releasing mechanisms of heavy metals such as Fe, Mn, As, and Al into groundwater in the Northwestern HCM City Also, natural conditions and anthropogenic activities in HCM City are other factors influencing the releasing of heavy metals into groundwater For health risk assessment, this study evaluated the non-risk of cancer for such heavy metals through drinking and food consumption in HCM City, which is the primary way of exposure to the toxicity of heavy metals due to the use of untreated groundwater in domestic use The utilization of MT3DMS, a three-dimensions transport model module in GMS software, showed the transportation trends of heavy metals generally following the flow direction to the east and southeastern area Based on the model results, the assessment and zonation of health risks were determined for HCM Ctity Overall, the high concentration of heavy metals and high to ‘unacceptable’ zones are concentrated in areas of landfill, and industry In particular, the highest risk of cancer is distributed in Cu Chi, iv especially in An Phu, Trung Lap Thuong, Pham Van Coi, Hoa Phu, Binh My, Thai My, Phuoc Thanh, Tan An Hoi and Nhuan Duc communes The high Cd concentrations in Phuoc Hiep and Tan An Hoi communes in Cu Chi are unacceptable for domestic use due to a high risk of cancer Mn contaminations occur largely in Binh Chanh, Hoc Mon and Cu Chi area with the intermediate risk of cancer observed in Trung An and Tan Phu Trung communes and acceptable risk of cancer in other communes According to the results of this study, the pilot scale water treatment for heavy metals in the household-scale was proposed and successfully tested in HCM City v LỜI CÁM ƠN Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy hướng dẫn khoa học – PGS.TS Nguyễn Việt Kỳ, thầy TS Ngô Đức Chân, người đã tận tình hướng dẫn, đợng viên và giúp đỡ NCS hoàn thành Luận án này Trong trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, NCS đã cán bộ, thầy cô giáo Bộ môn Địa Kỹ thuật, Khoa Kỹ Thuật Địa chất - Dầu khí - Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM nhiệt tình, chân thành giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho NCS hoàn thành nhiệm vụ; NCS đã nhận nhiều ý kiến đóng góp sâu sắc PGS.TS Đậu Văn Ngọ, PGS.TS Vũ Chí Hiếu, PGS.TS Đoàn Văn Cánh, PGS.TS Phạm Quý Nhân, PGS.TS Trần Văn Xuân nhà khoa học và ngoài trường thuộc lĩnh vực liên quan với đề tài Luận án NCS xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành, sâu sắc tới Thầy Cô, nhà khoa học giúp đỡ quý báu Tác giả xin chân thành cám ơn Ban chủ nhiệm khoa Tài nguyên và Môi trường, Ban lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu công nghệ và Thiết bị công nghiệp – Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo điều kiện để tác giả học tập và nghiên cứu hoàn thành chương trình học Tác giả gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo cán bộ Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước Miền Nam đã tạo điều kiện cho tác giả tiếp xúc với tài liệu liên quan trao đổi ý tưởng khoa học Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn Ba, Mẹ, cô, chú, chồng, anh chị em, bạn đồng nghiệp đã đợng viên, khích lệ và tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận án vi MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ x DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .xiv MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu 2.2 Phạm vi nghiên cứu Mục tiêu luận án Nội dung nghiên cứu luận án Nhiệm vụ luận án Phương pháp nghiên cứu Những luận điểm bảo vệ Những điểm luận án Ý nghĩa khoa học và thực tiễn luận án 9.1 Ý nghĩa khoa học 9.2.Ý nghĩa thực tiễn 10 Cơ sở tài liệu luận án 11 Cấu trúc luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TỐ KIM LOẠI TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.1 Tổng quan nguyên tố kim loại nước đất 1.1.1 Sắt 1.1.2 Mangan 1.1.3 Asen 10 1.1.4 Nhôm 12 1.1.5 Chì 13 1.1.6 Thủy ngân 14 1.1.7 Cadimi 15 1.2 Các nghiên cứu kim loại nước đất 16 1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước 16 1.2.2 Các nghiên cứu nước 22 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1 Phương pháp luận nghiên cứu 26 2.2 Cơ sở số liệu 27 2.2.1 Số liệu tầng chứa nước và thành phần hoá học tầng chứa nước khu vực Tp.HCM 27 2.2.2 Số liệu thành phần thạch học tầng chứa nước Pleistocen khu vực Tp.HCM 30 2.3 Các phương pháp nghiên cứu 31 2.3.1 Phương pháp phân tích lịch sử tự nhiên 31 2.3.2 Phương pháp thu thập thông tin, tài liệu 33 2.3.3 Phương pháp xử lí, tổng hợp liệu 33 2.3.4 Phương pháp lấy mẫu, xử lý và phân tích mẫu thử nghiệm 33 2.3.5 Phương pháp thống kê 39 vii 2.3.6 Phương pháp đánh giá rủi ro sức khỏe 39 2.3.7.Phương pháp mơ hình hố 44 2.3.8.Phương pháp chuyên gia 44 CHƯƠNG 3: THÀNH PHẦN KIM LOẠI TRONG NDĐ CÁC TẦNG PLEISTOCEN VÀ NGUỒN GỐC CỦA KIM LOẠI 45 3.1 Đặc điểm địa chất thuỷ văn tầng chứa nước Pleistocen khu vực Tp.HCM 45 3.1.1 Cấu tạo địa chất và địa chất thuỷ văn khu vực nghiên cứu 45 3.1.2 Đặc điểm tầng chứa nước Pleistocen 48 3.2 Thành phần kim loại NDĐ tầng Pleistocen khu vực Tp.HCM 53 3.2.1.Xác định giá trị mangan và nhôm 53 3.2.2 Diễn biến kim loại nước tầng chứa nước Pleistocen giai đoạn 2000 – 2016 54 3.3 Phân bố kim loại nước đất tầng Pliestocen 58 3.3.1 Sự phân bố kim loại theo chiều sâu 58 3.3.2 Mối tương quan pH và kim loại 60 3.3.3 Hệ số tương quan kim loại 61 3.3.4 Sơ đồ phân bố kim loại nước đất khu vực nghiên cứu 63 3.4 Nguồn gốc kim loại nước đất tầng Pleistocen 65 3.4.1 Nguồn cung cấp ion 65 3.4.2 Các trình kim loại xâm nhập vào nước đất 69 3.4.3 Các nhân tố tác động 85 3.5 Mơ hình dòng chảy nước đất 92 3.5.1 Phương trình tốn và phương pháp giải 93 3.5.2 Xây dựng mơ hình 93 3.5.3 Hiệu chỉnh mơ hình 97 3.6 Dự báo ô nhiễm kim loại tầng chứa nước Pleistocen .100 Chương 4: ĐÁNH GIÁ RỦI RO SỨC KHỎE KHI NƯỚC DƯỚI ĐẤT CÁC TẦNG PLEISTOCEN BỊ NHIỄM KIM LOẠI VÀ PHÂN VÙNG RỦI RO 108 4.1 Đánh giá rủi ro sức khoẻ theo hiện trạng 108 4.1.1 Tính tốn rủi ro ung thư và khơng gây ung thư môi trường nước 109 4.1.2 Kết quả tính toán 110 4.2 Phân vùng rủi ro sức khỏe theo hiện trạng ô nhiễm kim loại 111 4.3 Xây dựng quy trình thực nghiệm xử lý nước cho sinh hoạt 114 4.3.1 Cơ sở phương pháp xử lý 114 4.3.2 Mơ hình và vật liệu nghiên cứu 115 4.3.4 Đề xuất mơ hình xử lý quy mơ hợ gia đình 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126 Kết luận 126 Kiến nghị .127 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ TÍNH TỐN KHẢ NĂNG KHÔNG GÂY UNG THƯ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 137 PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ XỬ LÝ NƯỚC DUNG CHO MỤC ĐÍCH SINH HOẠT 146 PHỤ LỤC 2.1: CÁC THƠNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MÔ HÌNH 149 viii ... vào nước đất, chế xâm nhập và yếu tố ảnh hưởng hiện diện kim loại nước đất thành phố Hồ Chí Minh chưa nghiên cứu Luận án ? ?Nghiên cứu ô nhiễm kim loại (Sắt, Nhôm, Mangan, Đơng, Chì, Cadimi). .. 3.3.2 Mối tương quan pH và kim loại 60 3.3.3 Hệ số tương quan kim loại 61 3.3.4 Sơ đồ phân bố kim loại nước đất khu vực nghiên cứu 63 3.4 Nguồn gốc kim loại nước đất tầng Pleistocen. .. QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THỊ PHI OANH NGHIÊN CỨU SỰ Ô NHIỄM KIM LOẠI (SẮT, NHƠM, MANGAN, ĐƠNG, CHÌ, CADIMI) TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT TẦNG PLEISTOCEN KHU VỰC TP. HỒ CHÍ MINH Chuyên