3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.2.1. Khái niệm chung
Xử lý chất thải bằng thực vật “Phytoremediation” là biện pháp dựa trên việc sử dụng thực vật ñể xử lý chất thải ô nhiễm trong ñất và trong nước. Tư tưởng sử dụng thực vật ñể loại bỏ kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác ñược ñề cập ñến lần ñầu tiên năm 1983 nhưng khái niệm này thực chất ñã ñược sử dụng cách ñó 300 năm (Henry J. R., 2000) [70].
Nhiều nghiên cứu ñã khẳng ñịnh, thực vật có khả năng hấp thụ và tích lũy các chất ô nhiễm ñặc thù từ môi trường, chúng có thể chuyển hóa nhiều chất ñộc thành không ñộc. Các chất ñộc ñược tích lũy trong các cơ quan khác nhau của thực vật, thông qua thu hoạch những chất ô nhiễm sẽ ñược thải loại khỏi môi trường. Sử dụng thực vật ñể làm sạch kim loại, thuốc trừ
sâu, các dung môi hữu cơ, dầu mỡ, thuốc súng, hydratcacbon có nhân thơm... tồn tại ở những vùng ñất bị ô nhiễm kim loại nặng từ các nhà máy sản xuất công nghiệp, các khu vực khai thác khoáng sản và nơi có hoạt
ñộng phóng xạ.
Theo các nhà khoa học nghiên cứu về môi trường thì xử lý ô nhiễm
ñất, nước bằng thực vật là một quá trình, trong ñó dùng thực vật ñể thải loại, di chuyển, tinh lọc và trừ khử các chất ô nhiễm trong ñất, trong trầm
tích và trong nước ngầm. Công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm trong môi trường ñất là phương pháp xử lý nguyên vị (in-situ) sử dụng các ñặc tính tự
nhiên của thực vật ñể xử lý ñất ô nhiễm. Những thực vật này sau ñó ñược thu hoạch và xử lý như những chất thải nguy hại (Raskin và cs, 1997; Robinson và cs, 2003) [85], [86].
1.2.2. Cơ sở khoa học của biện pháp sử dụng thực vật xử lý kim loại nặng trong ñất
1.2.2.1. Cơ chế cốñịnh chất ô nhiễm bằng thực vật (Phytostabilization)
Đây là quá trình rễ thực vật hấp thụ, chuyển hóa và tích lũy bên trong rễ, hoặc hấp phụ trên bề mặt rễ, kết tủa trong vùng quyển rễ các chất ô nhiễm trong ñất. Quá trình này diễn ra nhờ chất bài tiết ở rễ thực vật cố ñịnh chất ô nhiễm và làm giảm khả năng linh ñộng của các kim loại nặng trong ñất (Barcelo J., Poschenrieder C., 2003) [60].
Thực vật sử dụng trong quá trình này chủ yếu ñể xử lý ñất, trầm tích và bùn thải. Quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào khả năng của rễ cây (chất tiết ở rễ thực vật cốñịnh chất ô nhiễm) và làm giảm tính linh ñộng của kim loại trong ñất. Mục ñích chính là làm giảm lượng nước thấm qua ñất ñể
ngăn chặn sự rò rỉ chất ô nhiễm ra các vùng khác cũng như ngăn chặn quá trình xói mòn ñất (Ghosh M., Singh S. P., 2005) [68]. Như vậy các thực vật có hệ rễ dày ñặc sẽñặc biệt có tác dụng, ñồng thời nó cũng rất hiệu quả khi cần cố ñịnh nhanh một chất ô nhiễm nào ñó mà không cần loại bỏ sinh khối. Sử dụng những thực vật ưa nước ngầm ñể kiểm soát nguồn nước và các loại cỏ có rễ sợi ñể kiểm soát xói mòn.
Các hoạt ñộng cải tạo ñất như bón phân lân, vôi và chất hữu cơ cũng
ñược sử dụng ñể cố ñịnh những kim loại ñộc hại (Pb, Cd, Zn và As). Hoạt
ñộng cải tạo ñất có thể ñược ứng dụng ñể tăng hàm lượng hữu cơ của ñất, tăng pH và tác nhân liên kết. Thường sử dụng những thực vật có sức chống chịu kim loại cao ñể xử lý ñất, trầm tích và bùn thải bị ô nhiễm kim loại,
ñặc biệt ñối với Hg, Zn, Cu, Cr, Cd. Dự án cố ñịnh chất ô nhiễm nhờ thực vật ñiển hình ñược tiến hành ở Pháp (Lombi và cs, 2000; Shnoor và cs, 1995) [76], [94].
Thực vật với tỷ lệ thoát hơi nước cao như cỏ, cây lách (sedges), cây thức ăn gia súc (forage plants) và cây sậy (Phragmites maxinus) ñược sử
dụng ñể làm giảm lượng nước ngầm chảy kéo theo các chất ô nhiễm. Sử
thống rễ dày và ăn sâu như cây dương ñể trồng phối hợp (Berti W. R., Cunningham S. D., 2000) [61].
1.2.2.2. Cơ chế chiết tách chất ô nhiễm bằng thực vật (Phytoextraction)
Bằng việc sử dụng thực vật tích lũy kim loại, chúng di chuyển và tập trung những kim loại từ môi trường ñất vào trong rễ, vào lá và những cơ
quan khí sinh, sau ñó ñược lấy ñi khỏi môi trường qua thu hoạch. Chúng
ñược sử dụng rất hiệu quả tại một số bãi rác với mức ô nhiễm Pb và Cd tương ñối thấp và cũng ñược sử dụng ñể xử lý chất thải phóng xạ.
Một số loài thực vật thường ñược sử dụng theo phương pháp này là cải xanh (Brassica juncea), hướng dương (Helianthus sp.), Thlaspi caerulescens,…
Đây là phương pháp tốt nhất ñể có thể loại bỏ chất ô nhiễm từñất sau
ñó cô lập nó mà không cần phá hủy cấu trúc cũng như sự màu mỡ của ñất (Ghosh M., Singh S. P., 2005) [68]. Thực vật hấp thu, tích lũy, kết tủa và chuyển chất ô nhiễm từ ñất thành sinh khối cây nên phương pháp này là thích hợp nhất cho xử lý các vùng ô nhiễm có hàm lượng chất ô nhiễm thấp và phân bố ở trên bề mặt (Rulkens W.H., Tichy R. và cs, 1998) [89]. Trong các thông báo của Salt D. E. và cộng sự năm 1995 và 1997 cho rằng, hai biện pháp chính ñang ñược phát triển là: i) Bổ sung chất trợ giúp vào ñất (chelation) làm tăng tính linh ñộng và do ñó tăng khả năng hấp thu kim loại của cây trồng; ii ) Liên tục trồng cây lặp ñi lặp lại qua các vụ khác nhau. Như vậy khả năng loại bỏ kim loại phần lớn chỉ phụ thuộc vào khả năng tự
nhiên của thực vật hấp thụ kim loại ñó [90], [91]. Biện pháp bổ sung chất trợ
giúp vào ñất cũng ñược Turgut C. và cs (2004) thực hiện khi nghiên cứu khả
năng hấp thụ Cd, Ni và Cr của cây Helianthus annuus. Huang và cs (1997) cũng nghiên cứu theo hướng này trên cây ngô và ñậu Hà Lan [71], [104].
Sự phát hiện ra các loài thực vật siêu tích luỹ kim loại ñã ñẩy nhanh sự
phát triển của công nghệ này. Thực vật có thể sử dụng ñể nâng cao tính khả
thi của phương pháp này là thực vật có khả năng hấp thụ lượng lớn kim loại nặng vào trong rễ sau ñó chuyển hoá lên sinh khối và ñồng thời có khả
năng tăng sinh khối nhanh. Khi tồn tại trong môi trường với hàm lượng kim loại nặng cao, cây siêu hấp thụ kim loại nặng sẽ sản sinh ra các hợp chất liên kết kim loại nội bào hoặc tích luỹ các kim loại ñó ở những nơi ít nhạy cảm nhất của tế bào. Sau khi tích luỹ trong cây, kim loại nặng có thể ñược thu hồi thông qua thu sinh khối thực vật. Các nhân tố như tốc ñộ sinh trưởng, khả năng chọn lọc của thực vật với nguyên tố hoá học, chống chịu bệnh, phương pháp thu hoạch cũng là các nhân tố rất quan trọng ảnh hưởng ñến hiệu
quả của phương pháp này (Chanel và cs, 1995; Gimeno - Garcia và cs, 1996; Rufus L Chaney và cs, 2005) [64], [68], [88].
Trong quá trình này, sinh khối thực vật chứa chất ô nhiễm ñã ñược tinh lọc và ñược xem như một nguồn tài nguyên. Ví dụ, sinh khối chứa Se là chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng sẽ ñược mang vùi bón cho những ñất thiếu Se hoặc có thể sử dụng làm thức ăn ñộng vật. Tuy nhiên, những thực vật siêu tích lũy kim loại nặng là những thực vật sinh trưởng chậm, sinh khối nhỏ và hệ rễ ăn nông dẫn ñến hiệu quả xử lý thấp. Mặt khác, sinh khối thực vật ñược thu hoạch và loại bỏ có thể kéo theo sự cải tạo ô nhiễm kim loại nặng ở nơi ñổ bỏ mới, ñặc biệt, ñối với những thực vật siêu tích lũy có thể tích lũy lượng lớn kim loại nặng. Ví dụ, Thlaspi rotundifolium ñược gieo trồng ở các vùng khai khoáng Pb và Zn chứa ñến 0,82% Pb và 1,73% Zn và Armenia maritima var halleri chứa 1,3% Pb khối lượng khô (Reeves và Brooks, 1983). Một nguy cơ khác là kim loại có thể gây hiệu ứng ñộc hại cho chính thực vật (trích theo Lê Văn Khoa và cs, 2007) [30].
1.2.2.3. Cơ chế xử lý chất ô nhiễm nhờ quá trình thoát hơi nước ở thực vật (Phytovolatilization)
Quá trình thoát hơi ở thực vật là sự hấp thụ và vận chuyển các chất ô nhiễm nhờ thực vật cùng với sự giải phóng các chất ô nhiễm hoặc dạng biến thể của chúng vào khí quyển qua thoát hơi nước. Khi các chất hóa học
ñược thực vật hấp thụ, một số chúng không biến ñổi nhiều mà di chuyển qua gỗ và mô thực vật, nếu các chất ô nhiễm bay hơi ñược thì chúng sẽ bay hơi ở dạng khí qua các mô lá, kể cả những chất hữu cơ bay hơi cũng khuếch tán nhanh qua mô thân cây và bay hơi vào khí quyển, nhưng nhìn chung, số lượng các chất bay hơi qua mô thực vật ở ñiều kiện thực tế là nhỏ
so với lượng hấp thụ, lượng chuyển hóa qua phân hủy sinh học vùng quyển rễ (Ghosh M., Singh S. P., 2005) [68]. Tuy nhiên, ở những ñiều kiện nhất
ñịnh, khi các chất bay hơi có tính ñộc cao và bền vững sẽ gây rủi ro cho khí quyển. Ví dụ: Thủy ngân ñược thực vật hấp thụ dưới dạng cation Hg+ và Hg2+ và bị khử trong mô thực vật thành thủy ngân nguyên tố Hg. Thủy ngân nguyên tố hoàn toàn bay hơi và có thể bay hơi qua mô lá qua quá trình thoát hơi nước. Điều này gây ra các vấn ñề nguy hiểm vì Hg khí quyển rất bền vững và bị tích lũy sinh học (Henry J. R., 2000) [70]. Selenium (Se) cũng là dạng kim loại ñặc biệt ñược thực vật hấp thụ và bay hơi (Neumann và cs, 2003) [81]. Hiện nay, phương pháp nghiên cứu này chủ yếu mới ở mức thực nghiệm pilot.
Những thực vật tốt nhất sử dụng trong quá trình này là: cây dương lai, cỏ linh lăng (Medicago sativa), cải dầu (Brassica campestris), áp dụng ñể
xử lý nước ngầm, ñất, trầm tích và bùn thải bị ô nhiễm Hg, Se, TCE và CTC (trích theo Lê Văn Khoa và cs, 2007) [30].
Tất cả các quá trình xử lý chất thải bằng thực vật trên không phải luôn luôn áp dụng riêng rẽ nhau. Để ñạt ñược hiệu quả cao trong xử lý cần áp dụng một cách ñồng thời và thích hợp. Tuy nhiên hiệu quả xử lý kim loại còn tùy thuộc vào dạng tồn tại của kim loại trong ñất, nó có thể
dễ hấp thụ hay không cũng như hàm lượng của kim loại cần xử lý trong
ñất nhiều hay ít.