CHƢƠNG 3 : ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỊA HÓA NƢỚC DƢỚI ĐẤT
5.2. Nguồn gốc và cơ chế ô nhiễm As trong nƣớc dƣới đất
5.2.1. Nguồn gốc As trong nƣớc dƣới đất
Nguồn gốc của As trong nƣớc dƣới đất là một vấn đề rất khó và phức tạp. Từ khi phát hiện ra hàm lƣợng As cao trong nƣớc ngầm và ảnh hƣởng của nó đến sức khỏe cộng đồng, nhiều nhà khoa học, nhiều tổ chức, quốc gia đã đầu tƣ nghiên cứu về nguồn gốc của chúng. Tuy nhiên, vấn đề nguồn gốc của As trong nƣớc ngầm cho đến nay vẫn chƣa đƣợc giải quyết một cách thấu đáo với những minh chứng rõ ràng, thuyết phục. Giải quyết tốt vấn đề nguồn gốc giúp chúng ta nắm bắt đƣợc nguồn sinh ra As, dạng tồn tại và cơ chế di chuyển của nó trong nƣớc, từ đó có những biện pháp phịng tránh, xứ lí và dự báo ảnh hƣởng của ơ nhiễm As, một hiểm họa đang đe dọa cuộc sống của hàng trăm triệu ngƣời trên toàn thế giới.
Theo lý thuyết, As trong nƣớc dƣới đất có 2 nguồn gốc là nguồn gốc tự nhiên và nguồn gốc nhân tạo.
Nguồn gốc tự nhiên bao gồm các nguồn gốc do các q trình tự nhiên sinh
ra: q trình oxi hóa, q trình khử, q trình sinh hóa.
Nguồn gốc nhân tạo bao gồm các hoạt động nhân sinh sinh ra: đốt cháy hóa
thạch, khí thải, nƣớc thải chứa As, sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu, tƣới, các chất thải cơng nghiệp….
Các phân tích trên đã chứng minh trong khu vực nghiên cứu, As trong nƣớc dƣới đất tồn tại ở điều kiện môi trƣờng khử. Sự tƣơng quan giữa hàm lƣợng As với
hàm lƣợng các ion khác có mặt trong thành phần của nƣớc dƣới đất nhƣ Fe, Ca2+,
SO42-, HCO3-, NH4+, Mn2+ trong các mẫu phân tích thu đƣợc là các bằng chứng
quan trọng và thuyết phục để luận giải về nguồn gốc As trong nƣớc dƣới đất khu vực phía tây Hà Nội. Chúng ta có thể khẳng định rằng nguồn gốc hình thành As trong nƣớc dƣới đất là nguồn gốc trầm tích, hay chính xác hơn là As đƣợc làm giàu trong nƣớc dƣới đất bắt nguồn từ sự khử hòa tan các khoáng vật hấp phụ As có trong thành phần trầm tích chính bản thân các tầng chứa nƣớc.
5.2.2. Cơ chế ô nhiễm As trong nƣớc dƣới đất
As trong nƣớc dƣới đất khu vực phía tây Hà Nội đƣợc hình thành theo hai cơ chế khử sau đây:
Cơ chế khử oxyhydroxit(Fe3+OOHAs) giải phóng As do sinh vật
Trong đất đá ln có chứa thành phần As do quá trình hấp phụ. Trong quá trình hấp phụ, As đƣợc hút và bám trên các khoáng vật sắt chứa As từ thƣợng nguồn sông Hồng và đƣợc bồi lắng cùng q trình trầm tích cùng với các hợp chất hữu cơ. Q trình tích lũy As và các vật chất hữu cơ chứa nó xảy ra trong q trình địa chất lâu dài hình thành nên đồng bằng nhƣ hiện nay. Trong mơi trƣờng trầm tích, thiếu oxy, dƣới tác dụng hoạt động của vi sinh vật (có nhiều trong bùn, sét chứa các vật chất hữu cơ) các phức sắt chứa As hấp phụ sẽ chuyển đổi từ hóa trị +3 sang hóa trị +2 và tan vào nƣớc đồng thời giải phóng As. Q trình đó diễn biến nhƣ sau :
Hợp chất hữu cơ tự nhiên (NOM) bị phân hủy do hoạt động của vi sinh vật do q trình hơ hấp của phần rễ cây trồng giải phóng CO2 và nƣớc theo phƣơng trình :
CH2O + O2 CO2 + H2O H2CO3 CH2O CO2 + H2O H2CO3
Trong đó, H2CO3 là kí hiệu của q trình hydrat hóa khí cacbonic
H2CO3 Enzym CO2 + H2O + HCO3-
Khi có sự có mặt của NOM và điều kiện mơi trƣờng khử thì các phức sắt hóa trị +3 sẽ bị tan tạo ra sắt hóa trị +2 và đồng thời giải phóng As vào nƣớc ngầm theo phản ứng:
Fe3+OOH(As) + CH2O + H+ Fe2+ + HCO3- + 6H2O + HAsO42-
Phƣơng trình này đã chứng minh cơ chế làm giàu As trong nƣớc dƣới đất khu vực nghiên cứu đồng thời cũng chỉ ra rằng, ở những nơi có chứa các tầng trầm tích bùn, sét chứa nhiều vật chất hữu cơ thì hàm lƣợng As trong nƣớc cũng cao hơn các địa phƣơng khác không chứa các tầng trầm tích đó. Ở những nơi có hàm lƣợng As trong nƣớc cao thì hàm lƣợng sắt cũng cao. Điều này hoàn toàn phù hợp với các quan hệ giữa As và các nhân tố khác trong các mẫu phân tích thực tế đã nêu trên.
Cơ chế khử As hấp phụ trên oxit sắt hoặc oxyhydroxit bị thay thế bởi bicacbonat
Theo quan điểm này, As đƣợc sinh ra trong nƣớc là do sự thay thế vị trí của
nó bởi các ion khác mà trực tiếp là HCO3- trong các phức của sắt. Hiện tƣợng này
đƣợc giải thích nhƣ sau: As trong nƣớc dƣới đất đã cân bằng về mặt nhiệt động học với hàm lƣợng bicacbonat. Nếu vì một lí do nào đó (thƣờng là do sự khai thác nƣớc mạnh mẽ để phục vụ cho nhu cầu ăn uống và sinh hoạt) mà mực nƣớc ngầm trong khu vực bị giảm xuống sâu, nƣớc sông và các nguồn cung cấp khác sẽ thấm vào bổ sung cho tầng chứa nƣớc. Trong quá trình thấm, sự xáo trộn của nƣớc trong các tầng chứa tăng nhanh quá trình tƣơng tác của nƣớc với các thành phần của trầm tích, đặc biệt là đẩy nhanh q trình hịa tan calcite, mager- calcite - thành phần phổ biến trong trầm tích ở khu vực nghiên cứu, tạo ra một lƣợng bicacbonat đáng kể:
MgCO3 + CO2 + H2O Mg(HCO3)2 SrCO3 + CO2 + H2O Sr(HCO3)2
Do các chất sinh ra ở vế phải là các chất tan nên nó phân ly tạo nên ion
HCO3- :
Ca(HCO3)2 Ca2+ + 2 HCO3-
Mg(HCO3)2 Mg2+ + 2 HCO3-
Sr(HCO3)2 Sr2+ + 2 HCO3-
Ion HCO3- này sẽ thay thế As hấp phụ trên hydro feric oxit để chúng tan vào
nƣớc:
Fe3+OOHAs + HCO3- FeOOH(HCO3) + H2AsO4 2- ( H2AsO3 2-)
Nhƣ vậy, rõ ràng với sự có mặt của HCO3-, một lƣợng As đƣợc giải phóng từ
trong hợp chất của sắt chứa As. Q trình đó gọi là sự thay thế của các ion. Khi mực nƣớc càng thấp, khả năng bổ sung, xáo trộn của nƣớc dƣới đất càng lớn thì As từ đất đá càng có khả năng di chuyển vào nƣớc càng nhiều. Phễu hạ thấp mực nƣớc càng lan rộng, diện tích khu vực có lƣợng As cao ngày càng mở rộng. Nếu tính thấm của đất đá tầng chứa càng lớn thì hàm lƣợng As đƣợc nƣớc vận chuyển càng nhanh. Khi có sự chênh lệch gradien áp lực (hoặc mực nƣớc) càng nhiều thì tốc độ lan truyền As cũng nhƣ các vật chất khác càng nhanh, diện phân bố ngày càng đƣợc mở rộng. Điều này giải thích tại sao ở một số lỗ khoan trong phạm vi phễu hạ thấp mực nƣớc mặc dù không gặp lớn bùn sét nhƣng hàm lƣợng As trong nƣớc vẫn khá cao. Nguyên nhân là do sự di chuyển nhanh chóng của nƣớc mang theo As từ nơi này đến nơi khác.
Tóm lại, As trong nƣớc đƣới đất khu vực nghiên cứu đƣợc có nguồn gốc từ sự khử hịa tan các khống vật sắt hấp phụ As có sẵn trong trầm tích tầng chứa nƣớc
với hai cơ chế khử chính: cơ chế khử oxyhydroxit (Fe3+OOHAs) giải phóng As do
sinh vật và cơ chế khử As hấp phụ trên oxit sắt hoặc oxyhydroxit bị thay thế bởi bicacbonat. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc dự báo, xác định và khoanh vùng có khả năng ơ nhiễm As trong khu vực nghiên cứu. Tuy nhiên, chúng
ta cũng phải chú ý rằng, As là một nguyên tố anion oxy, do đó nó có hành vi khác biệt với các nguyên tố khác. As tồn tại trong nƣớc ở nhiều môi trƣờng ở các dạng phức khác nhau với hóa trị khác nhau. Sự làm giàu As trong nƣớc dƣới đất là kết quả của các biến đổi phức tạp và chịu sự chi phối của nhiều nhân tố môi trƣờng cũng nhƣ các q trình địa hóa, thủy địa hóa, sinh hóa phức tạp khác tại bản thân mỗi điểm trong khu vực nghiên cứu. Vì vậy, mặc dù biết rõ về nguồn gốc hình thành và cơ chế làm giàu As trong nƣớc dƣới đất thì việc dự đốn một cách tƣơng đối chính xác hàm lƣợng As trong nƣớc tại một điểm cụ thể trong khu vực nghiên cứu khi đã biết hàm lƣợng As tại một số điểm khảo sát cùng khu vực đó cũng là cực kì khó khăn. Sự tập trung As thay đổi đáng kể trên một quy mô địa phƣơng. Điều này đã đƣợc chứng minh trong nghiên cứu của Van Geen và các cộng sự (2003) khi
phân tích khoảng 6000 giếng nƣớc trong diện tích 25km2 ở Sonargaon, Bangladesh
và thấy rằng, nƣớc ngầm rất cao As và rất thấp As tồn tại trong những giếng liền kề chỉ cách nhau 10m trong tầng chứa nƣớc Holocen.
HAsO4 AsH3 CH3AsH2 (CH3)2AsH (CH3)3As
Bio -H+ +H+ Red Red Red +1/2O2 Red Bio,Red + CH2+ +CH2+
HAsO4 HAsO2 CH3AsO(OH)2 (CH3)2AsO(OH) (CH3)2O
+1/2O2 Bact Bact
-H+ +H+ +H+ -H+ +H+ -H+ +H+ -H+ HAsO4 AsO2- O OH O CH3 - As (CH3)2As - O- O-
Hình 5.3: Sơ đồ địa hóa mơi trƣờng As