a, Một số khái niệm
1.5. Giới thiệu về công nghệ xử lý ô nhiễm KLN trong đất bằng thực vật
1.5.1. Khái quát về công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm
Công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm (phytoremediation) là phương pháp sử dụng thực vật để hấp thụ, chuyển hóa, cố định hoạc phân giải chất ô nhiễm trong đất, nước. Thuật ngữ “phytoremediation” bắt nguồn từ “phyto” (Theo nghĩa Hy Lạp là thực vật) và “Remediation” (Theo nghĩa Latinh là xử lý)
Khả năng thích nghi của thực vật trong môi trường ô nhiễm đã được biết từ lâu, nhưng mãi đến năm 1991, thuật ngữ này mới được đặt tên bởi Ilya Raskin –
một nhà khoa học Mỹ gốc Nga, khi quan tâm nghiên cứu tìm công nghệ xử lý KLN, loại chất ô nhiễm mà công nghệ vi sinh lúc bấy giờ chưa giải quyết được. [7]
Công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm có thể dùng để xử lý các chất như KLN, Thuốc trừ sâu, dung môi, thuốc súng, dầu mỏ, các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm, Nước rỉ rác, nước thải nông nghiệp, chất thải khai khoáng và các chất ô nhiễm phóng xạ.
Trong mấy năm qua một số tạp chí hàng đầu trên thế giới đã xuất bản các ấn phẩm tập chung vào các khía cạnh khác nhau của công nghệ này. Công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm nhằm mục đích tìm kiếm hướng tiếp cận mới hiệu quả về kinh tế và than thiện với môi trường để loại bỏ kim loại độc hại từ các vùng chứa chất thải nguy hại.
Quá trình hút tách KLN nhờ thực vật hay còn gọi là quá trình tích lũy nhờ thực vật là quá trình hấp thụ và chuyển hóa các KLN trong đất thong qua rễ vào các cơ quan khí sinh của thực vật. Các loài thực vật có khả năng này được gọi là các loài thực vật siêu tích tụ, chúng có khả năng hấp thụ một lượng lớn các KLN một cách không bình thường so với các loài thực vật khác (ví dụ hấp thụ 0,1% đối với Cr, Cu, Ni hoạc 1% đối với Zn, Mn trong thân). Các loài siêu tích tụ phân bố rộng trong hệ thống thực vật, tuy nhiên về đặc điểm canh tác, phòng trừ dịch bệnh, nhu cầu dinh dưỡng, sinh lý của các đối tượng này chưa được biết nhiều.[15]
Quá trình hút tách các chất nhờ thực vật là việc sử dụng các loài thực vật siêu tích tụ để loại bỏ kim loại trong đất bằng cách hấp thụ kim loại từ rễ chuyển lên thân, sau đó các chất ô nhiễm trong thân sẽ được thu hoạch, xử lý tiếp như là các chất thải nguy hại hoạc xử lý bằng cách phục hồi kim loại. Tùy thuộc vào KLN ô nhiễm mà lựa chọn 1 loài thực vật hay kết hợp nhiều loài để trồng xử lý, tuy nhiên cần phải tiến hành thử nghiệm để xác định các đặc điểm thích hợp để đảm bảo cho quá trình sinh trưởng, phát triển của thực vật. [15]
Sau thời gian trồng nhiều tuần hoặc nhiều tháng, thực vật được phân tích hàm lượng kim loại, và nếu thích hợp, thu hoạch đem thiêu đốt hoạc ủ để phục hồi kim
loại. Nếu cần thiết quá trình này có thể lặp lại để loại bỏ các chất ô nhiễm đến dưới giới hạn cho phép.
Cũng có thể sử dụng nhiều loài thực vật trên cùng một vị trí hoạc là trồng theo thứ tự thời gian để loại bỏ được nhiều hơn một chất ô nhiễm. Nếu thực vật thu hoạch được thiêu đốt, tro phải được xử lý như đối với chất thải nguy hại. Tuy nhiên, lượng tro đem đi xử lý sẽ ít hơn 10% so với phương pháp chon lấp chất ô nhiễm thông thường.
1.5.2. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ KLN của thực vật
Khả năng linh động và tiếp xúc sinh học của KLN chịu ảnh hưởng lớn bởi các đặc tính lý hóa của môi trường đất như: pH, Hàm lượng khoáng sét, chất hữu cơ, CEC và nồng độ KLN trong đất. Thông thường pH thấp, thành phần cơ giới nhẹ, độ mùn thấp, thực vật hút KLN mạnh. [14]
Để phát triển hiệu quả công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm, các đặc tính của thực vật và các đặc tính của môi trường đất cần được khảo sát, đánh giá kĩ lưỡng. Quá trình canh tác và khả năng di truyền của thực vật cần được tối ưu hóa để phát triển công nghệ này. Khả năng tích lũy kim loại trong thân với hàm lượng cao có thật sự quan trọng đối với quá trình xử lý kim loại trong đất hay không đã được bàn luận. ột số kết quả nghiên cứu cho thấy, thực vật có sinh khối cao trồng trong môi trường đất ô nhiễm và PH thấp, Khả năng hấp thụ Zn tang và tính độc của Zn đã làm giảm 50% sản lượng. Ví dụ như ngô và cải trong điều kiện thuận lợi, các loài thực vật có thể đạt 20 tấn sinh khối khô/ha. Trong tường hợp đất ô nhiễm đồng thời cả Zn và Cd ở mức 100mg Zn, 1mg Cd cây trồng bị giảm sản lượng đáng kể khi hàm lượng Zn trong thân đạt 500mg/kg lúc thu hoạch. Bởi vì Cd ít độc hơn Zn 100 lần, Độc tính đối với thực vật của Zn là yếu tố kiểm soát sản lượng thực vật. Khi sản lượng giảm 50% (10t/ha), sinh khối khô chứa 500mg/kg , thực vật chỉ loại bỏ 5kg Zn/ha/năm. Cây T.caerulescens có thể loại bỏ cả Zn và Cd, có sản lượng thấp hơn các loài trên nhưng có thể chống chịu cao đến 25,000mgZn/kg mà không bị giảm sản lượng. Thậm chí khi sản lượng thấp (5 tấn/ha) điểm bắt đầu giảm sản lượng – Zn được loại bỏ cũng tới 125kg/ha. Như vậy, có thể kết luận rằng khả năng siêu tích tụ và chống chịu cao quan trọng hơn khả năng cho sinh khối cao. Một số tác giả
khác cho rang sản lượng quan trọng hơn 2 lần so với đặc diểm siêu tích tụ, nhưng các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa đều cho thấy các loài đó có thể đạt được 5 tấn/ha trước khi sinh sản để tăng cả sản lượng và nồng độ kim loại trong thân. Hơn nữa việc tái chế kim loại trong thân với mục đích thương mại đối với các loài siêu tích tụ tốt hơn là phải trả tiền để xử lý sinh khối. [15]
Trong một số trường hợp, để xử lý 1 nguyên tố trong đất bằng thực vật đòi hỏi phải bổ sung vào đất các yếu tố khác, bởi vì hóa tính đất hoạc thực vật làm giảm khả năng hấp thụ và chuyển hóa lên thân. Khi them yếu tố kìm như HEDTA, EDTA vào đất khả năng hòa tan và linh động của KLN tăng, tiếp xúc với thực vật dễ dàng hơn.
1.5.3.Các cơ chế của công nghệ thực vật xử lý KLN trong đất
Công nghệ thực vật xử lý KLN trong đất là một dạng của công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm. Đây là loại công nghệ bao gồm phức hệ các cơ chế khác nhau của mối quan hệ giữa thực vật và môi trường đất.
a, Cơ chế chiết tách chất ô nhiễm bằng thực vật.
Quá trình chiết tách chất ô nhiễm bằng thực vật là quá trình xử lý chất độc đặc biệt là KLN, bằng cách sử dụng các loài thực vật hút chất ô nhiễm qua rễ sau đó chuyển hóa lên các cơ quan trên mặt đất của thực vật. Chất ô nhiễm tích lũy vào thân cây và lá, sau đó thu hoạch và loại bỏ khỏi môi trường. [12]
b, Cơ chế cố định chất ô nhiễm bằng thực vật
Quá trình xói mòn, rửa trôi và thẩm thấu có thể di chuyển chất ô nhiễm trong đất vào nước mạt, nước ngầm. Cơ chế cố định chất ô nhiễm nhờ thực vật là cách mà chất ô nhiễm tích lũy ở reexcaay và kết tủa trong đất. Quá trình diễn ra nhờ chất tiết ở rễ thực vật cố định chất ô nhiễm và khả năng linh động của kim loại trong đất. Thực vật được trồng trên các vùng đất ô nhiễm cũng cố định được đất và có thể bao phủ bề mặt đãn đến làm giảm sói mòn đất. Ngăn chặn khả năng tiếp xúc trực tiếp giữa chất ô nhiễm và động vật.[22]
Thực vật có thể loại bỏ chất độc trong đất thông qua cơ chế thoát hơi nước. Đối với quá trình này, chất ô nhiễm hòa tan được hấp thụ cùng với nước vào rễ, chuyển hóa lên lá và bay hơi vào không khí thông qua khí khổng .