CHƯƠNG I : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.5. Nguồn gây ô nhiễm Cadimi trong đất nông nghiệp
1.5.1. Nguồn gây ô nhiễm Cd trong đất từ tự nhiên và khí quyển
Thơng qua nghiên cứu nhiều năm M. J. McLaughlin và ctv (2005) tổng hợp và đưa ra được mơ hình của vịng tuần hồn Cd trong đất nông nghiệp như sau:
Nguồn : Cadmium in soil and plant - M. J. McLaughlin et al (2005)
Hình 1.1. Nguồn Cd và vịng tuần hồn Cd trong hệ thống nơng nghiệp
Qua hình 1.1 cho thấy, Cd trong đất thơng qua khí quyển, chất thải cơng nghiệp, nơng nghiệp và bản thân đất có sẵn (đá mẹ). Cd trong đất tồn tại ở các dạng rất khác nhau (pha khoáng, pha hữu cơ, tự do…). Cd được cây trồng hấp thụ qua con đường sinh dưỡng và trao đổi chất. Khi con người sử dụng các sản phẩm cây trồng, thơng qua đó mà Cd tích luỹ và gây độc.
Cd luôn tiềm ẩn trong các hoạt động sản xuất công nghiệp, đặc biệt là các ngành công nghiệp nặng như chế tạo máy, luyện kim, khai thác mỏ... Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong chất đất bị ảnh hưởng của chất thải công nghiệp đơi khi có hàm lượng Cd lên tới 1500ppm. Chất thải sinh hoạt cũng có hàm lượng Cd và một số các KLN độc hại đôi khi rất cao, khi thải ra môi trường chúng làm ô nhiễm môi trường nước, tích tụ và gây ơ nhiễm cho mơi trường đất (M. J. McLaughlin, 2005).
KLN tồn tại tự nhiên trong đá và khống vật hình thành đất, qua q trình phong hố các KLN được đưa tự nhiên vào trong đất, các nghiên cứu cũng cho thấy KLN tồn tại tự nhiên trong đất qua con đường phong hoá là khá thấp, lượng lớn hơn và ngày càng gia tăng của một số KLN là con đường nhân tạo, thông qua hoạt động công nghiệp và phân bón trong sản xuất nơng nghiệp. Cambell (1983) đã nghiên cứu cho thấy, lượng Cd xâm nhập vào đất từ các hoạt động của nhân tạo so với tự nhiên là khoảng 15 lần. Cd xâm nhập vào đất và có những tác động tiêu cực, gây độc cho môi trường ở mức độ như thế nào cịn phụ thuộc vào tính chất vât lý và hoá học của đất. Độ chua, điều kiện ngập nước, khoáng sét, hữu cơ, điều kiện địa hình… các yếu tố này sẽ có những tác động đến sự di chuyển cũng như độc tính của Cd và các KLN khác tồn tại trong đất đến môi trường và sinh vật.
Bảng 1.1. Hàm lượng KLN trong một số loại đá chính hình thành đất
Đơn vị: mg/kg
Kim loại Đá Ba zơ Đá granit Đá vôi Đá cát kết Đá phiến sét
Mn 1500-2200 400-500 620-1100 22007 850 Cu 90-100 41548 5,5-15 30 39-50 Zn 100 40-52 20-25 16-30 100-120 Cd 0,13-0,2 0,09-0,2 0,028-0,1 0,05 0,2 Pb 42493 20-40 5,7-7 42651 20-30 Nguồn: Alloway, B.J. (1990)
Nhiều nghiên cứu cho thấy Cd xâm nhập vào đất từ rất nhiều các con đường khác nhau (khí quyển, chất thải cơng nghiệp, chất thải sinh hoạt, hoạt động sản xuất nông nghiệp, đá mẹ…), trong đất Cd bắt nguồn từ đá mẹ khoảng 0,3mg/kg đất. Cd xâm nhập chủ yếu vào đất là từ nguồn chất thải công nghiệp như sản xuất pin, phủ mạ kim loại, hợp kim, công nghiệp nhựa, công nghiệp điện tử, hàn, hạt nhân (McGraw Hill, 1993).
Cadimi xâm nhập vào khí quyển, nước thơng qua các nguồn tự nhiên như: bụi núi lửa, bụi đại dương, các đá, quặng; ngồi ra Cd cịn xuất phát từ chất thải công nghiệp và chất thải khai thác mỏ. Về tính chất hoá học Cd rất giống với Zn và hai kim loại này thường là đôi bạn đồng hành trong chu trình địa hoá. Trong tất cả các hợp chất tự nhiên và hầu hết các hợp chất nhân tạo của Zn đều chứa một lượng nhỏ Cd; cả hai đều có mặt trong tự nhiên dưới dạng các ion hố trị 2, có điểm khác biệt giữa Zn và Cd là: Zn là nguyên tố dinh dưỡng vi lượng đối với cây trồng, vật ni, cịn Cd là kim loại gây độc hại (Nguyễn Văn Phổ, 2002).
Cadimi gây ô nhiễm trong nước và cặn lắng các bể thải xung quanh các cơ sở công nghiệp. Hàm lượng khoảng trên 100ppm trọng lượng khô sẽ thấy trong cặn lắng của bể chứa. Điển hình là trong thời kỳ yên tĩnh vào mùa đông khi nước tù đọng thì lượng bùn đáy yếm khí của bể lắng có hàm lượng Cd hồ tan thấp bởi qúa trình khử sulfat của các vi sinh vật tạo ra các sulfit theo sơ đồ sau :
2(H2O) + SO4 + H+ = 2CO2 + HS- + 2H2O
Và nhờ vậy mà cadimi lắng đọng dưới các sulfit cadimi:
CdCl+ (trong nước biển) + HS- CdS(s) + H+ + Cl-
Q trình hồ trộn nước biển bên ngoài bể lắng với nước của bể lắng nhờ gió mạnh trong mùa đơng dẫn đến giải phóng Cd từ cặn lắng của bể chứa ra nước vịnh thống khí. Cd hồ tan được mang ra vịnh, ở đó nó tác dụng với các chất rắn lơ lửng rồi sau đó đi cùng với trầm tích vịnh biển. Đây là một ví dụ về dạng tương tác phức tạp của các yếu tố thuỷ lực, hoá học giữa dung dịch chất rắn và vi sinh vật có liên quan đến sự phân bố của một chất gây ô nhiễm trong một hệ thống nước (Nguyễn Văn Phổ, 2002).
Lịch sử của việc ơ nhiễm KLN từ khí quyển ở Tây Bắc Châu Âu và Bắc Mỹ đã ước tính từ những nghiên cứu địa hố than bùn đầm lầy và bùn lòng hồ. Nhiều khu vực ở Châu Âu, sự gia tăng mạnh mẽ của tích luỹ KLN từ nguồn khí quyển đã xuất hiện từ khoảng 200 năm trước đây, ở Bắc Mỹ, bằng chứng về sự ơ nhiễm KLN từ khí quyển xuất hiện gần hơn, khoảng 80-100 năm trước đây (Norton, 1986).
Các sol kim loại có đường kính khác nhau được giải phóng vào khí quyển từ mặt đất, sau đó được khuyếch tán lên cao. Các phần tử kim loại lớn nhất rơi xuống đất dưới dạng kết tủa khô, mưa đã mang phần kim loại hồ tan từ khí quyển dưới dạng đọng ướt, lắng đọng ướt được xem là là quá trình lắng đọng chủ yếu đưa KLN vào đất từ nguồn khí quyển. Bên cạnh đó cũng cho thấy Cd và các KLN xâm nhập vào đất từ
khí quyển thông qua các dạng sương mù. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng Cd và các phần từ KLN khác có thể di chuyển trong một khoảng cách rất xa, tính từ nguồn phát thải, chính vì vậy càng gần các nguồn phát thải thì chỉ số ơ nhiễm càng lớn (Pacyna JM và cộng sự, 1984).
Sự xâm nhập của Cd và các KLN từ khí quyển cũng có thể xuất phát từ nguyên nhân tự nhiên khác đó là hoạt động của núi lửa, hoạt động này có thể đưa vào khí quyển một lượng rất lớn các KLN. Tuy nhiên hàm lượng Cd và các KLN phần lớn xâm nhập vào khí quyển lại thông qua các hoạt động nhân tạo (khai khoáng, luyện kim, xe cộ, máy móc...), tỷ lệ Cd xâm nhập vào khí quyển thơng qua các hoạt động nhân tạo này vào khoảng 22,1% (Nriagu và Pacyna, 1988).
1.5.2. Nguồn gây ô nhiễm Cd trong đất từ hoạt động sản xuất nông nghiệp
Trong các hoạt động sản xuất nơng nghiệp việc sử dụng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật và các chất kích thích sinh trưởng qua nhiều năm cũng gây nên sự tích luỹ Cd trong đất. Nhiều KLN là yếu tố dinh dưỡng không thể thiếu đối với cây trồng, vật nuôi và ngay cả sự sống của con người, tuy nhiên khi hàm lượng KLN vượt quá mức độ nào nó, lại có tác dụng gây độc, dựa vào tính độc hại của các kim loại nặng đối với sức khoẻ con người và sinh vật, Duxbury (1985) chia ra 3 nhóm độc, trong đó Cd thuộc nhóm có độc tính trung bình đối với sức khoẻ con người.
Hoạt động bón phân vơ cơ, hữu cơ, bùn thải, phun thuốc BVTV, tưới nước có chứa KLN… đều là nguồn có thể cung cấp Cd và các KLN vào đất. Có thể lượng bổ sung này chưa đủ để gây tác động ngay lập tức, nhưng nếu quá trình lặp đi lặp lại nhiều lần trong chu kỳ sản xuất ở thời gian dài, KLN sẽ tích tụ và đạt đến ngưỡng gây độc cho hệ sinh thái đất và cây trồng (Williams và cộng sự, 1985).
Sử dụng bùn thải, phế thải ủ phân bón compost cung cấp một lượng rất lớn cho đất các KLN như (Cd, Zn, Pb), bên cạnh đó một lượng đáng kể các KLN khác như (Cr, Cu, Hg). Theo McGrath (1987) và Lane (2000) khi nghiên cứu hệ thống nơng nghiệp tại Woburn (Anh quốc) trong vịng 40 năm đã thấy rằng, sau 20 năm trên đất sử dụng bùn thải làm phân bón hàng năm, chỉ có khoảng 0,5% lượng KLN bón cho cây trồng được sử dụng, lấy đi lượng cịn lại sẽ rửa trơi hoặc tồn dư trong đất. Để khắc phục và giảm thiểu lượng KLN xâm nhập vào đất từ phân bón, nhiều quốc gia trên thế giới đã đặt ra những tiêu chuẩn về KLN tối đã cho phép đối với phân bón sử dụng trong sản xuất nông nghiệp.
Bảng 1.2. Hàm lượng một số KLN trong phân bón
Đơn vị: µg/kg
Kim loại Bùn thải Phế thải ủ
compost Phân chuồng Phân phosphat Phân Nitrat Vôi Cr 8-40600 1,8-410 1,1-55 66-245 3,2-19 10-15 Mn 60-3900 - 30-969 40-2000 - 20-1200 Cu 50-8000 13-3580 2-172 1-300 - 2-125 Zn 91-49000 82-5894 15-566 50-1450 1-42 10-450 Cd <1-3410 0,01-100 0,1-0,8 0,1-190 0,05-8,5 0,04-0,1 Pb 2-7000 1,3-2240 0,4-27 4-1000 2-120 20-1250 Nguồn: Alloway, B.J. (1990)
Trong các loại phân bón sử dụng trong sản xuất nông nghiệp, phân bón photphat vơ cơ là nguồn cung cấp nhiêu Cd và các KLN khác vào đất. Theo Alloway (1990), tất cả các loại đất sử dụng cho mục đích nơng nghiệp để tạo ra các sản phẩm có tính thương mại sẽ có hàm lượng Cd tăng theo quy mô sử dụng phân chứa photphat. Các số liệu nghiên cứu của tác giả cũng chỉ ra rằng đá photphat ở Senegal và Togo chứa hàm lượng Cd lớn nhất, vào khoảng 160-255 gCd/ tấn P2O5. Theo Williams và ctv (1985) ước tính, phân photphat với hàm lượng Cd trung bình khoảng 7µg/g sẽ đóng góp vào khoảng 660 tấn Cd vào đất trên toàn thế giới thông qua hoạt động sử dụng phân photphat trong các hoạt động sản xuất nơng nghiệp. Bên cạnh đó, việc sử dụng hố chất BVTV, chất bảo quản, diệt cơn trùng... về bản chất là các muối KLN rất độc cũng là những tác nhân chính gây tích luỹ Cd và các KLN trong đất nông nghiệp.
Nhiều nghiên cứu cảnh báo rằng bón phân hữu cơ kể cả rác thải đơ thị và các loại phân lân có thể sẽ làm gia tăng lượng Cd trong môi trường đất. Một mặt ở các vùng ven đơ thị khó có thể tránh khỏi ảnh hưởng của các nguồn rác thải và các hoạt động sản xuất công nghiệp bao giờ cũng tiềm ẩn một lượng KLN trong đó có Cd thải ra môi trường gây ô nhiễm, mặt khác trong các nguồn phân hữu cơ và lân cũng có chứa một lượng nhất định Cd. Ở Việt Nam những nghiên cứu về phân bón chưa khẳng định bón lân làm gia tăng lượng Cd trong đất vì liều lượng phân lân dùng nói chung cịn thấp, kết quả phân tích được thể hiện trên (bảng 1.3). Tuy nhiên trong phân lân và quặng apatit đã được phân tích cũng chứa một lượng Cd khá đáng kể từ 2,5 – 4,0 mg/kg (Phạm Quang Hà, 2003).
Bảng 1.3. Hàm lượng Cd trong phân bón tại miền BắcViệt Nam
Stt Loại phân (khô) Cd (mg/kg) Địa điểm lấy mẫu
1 Phân bò 0,48 Vĩnh Phúc
2 Phân gà 1,50 Hà Tây, Hà Nội
3 Lân lợn 0,54 Hà Tây
4 Phân bắc 0,39 Hà Tây, Hà Nội
5 Phân hữu cơ khoáng 0,70 Hà Nội
6 Super phosphat 2,77 Lâm Thao
7 FMP Phosphat 2,63 Văn Điển
8 Quặng apatit 4,25 Lào Cai
Nguồn: Viện TNNH – Chất lượng Nền Đất đỏ, 2003
Theo Lê Văn Khoa và ctv (2000), sưu tầm và nghiên cứu trên các sản phẩm làm phân bón cho thấy: hàm lượng một số KLN độc hại trong phân bón đơi khi rất cao, trong đó hàm lượng Cd trong phân phốt pho đạt từ 0,1-190ppm, trong phân nitơ đạt đến 9ppm, trong bùn thải đạt từ 2-3.000 ppm, trong phân chuồng từ 0,1-0,8ppm (bảng 1.4). Như vậy việc sử dụng phân bón chứa Cd ở một chu kỳ sản xuất lâu dài cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ ô nhiễm Cd trong đất nông nghiệp.
Bảng 1.4. Hàm lượng (ppm) một số kim loại nặng trong các sản phẩm dùng làm phân bón trong sản xuất nơng nghiệp ở Việt Nam
Kim
loại Phân phốt pho Phân nitơ Đá vôi Bùn thải chuồng Phân Nước tưới BVTV Thuốc
As 1-1200 2-120 0,1-24 2-30 <1-25 <10 3-30
Cd 0,1-190 <0,1-9 <0,05-0,1 2-3000 <0,1-0,8 <0,05 -
Hg 0,01-2 0,3-3 - <1-56 <0,001-0,2 - -
Pb 4-1000 2-120 20-1250 2-7000 0,4-16 <20 0,6-6
Nguồn: Lê Văn Khoa, 2000
Đá mẹ là nguồn cung cấp đầu tiên các nguyên tố khống và có vai trị quan trọng trong việc tích luỹ kim loại nặng trong đất. Trong những điều kiện xác định, phụ thuộc vào các loại đá mẹ khác nhau mà các loại đất được hình thành có chứa hàm lượng các kim loại nặng khác nhau. Cd trong đất hình thành trên đá macma dao động trong khoảng 0,1 - 0,3 ppm, đá biến chất là 0,1 - 1,0 ppm, đá trầm tích 0,3 - 11 ppm. Cadimi thường có nhiều trong trầm tích sét và khống sét. Các loại đất hình thành trên loại đá mẹ này có hàm lượng Cd trung bình là 8 ppm; Trong các loại đất thốt nước tốt
Cd có hàm lượng ít hơn. Trong đất phù sa thường có Cd < 1 mg/kg đất, đất đỏ bazan > 1 mg/kg đất, đất bạc màu từ 0,05 - 0,5 mg/kg đất (Lê Văn Khoa, 2000).
Bảng 1.5. Hàm lượng Cd trong một số mẫu chất hình thành đất
Stt Mẫu chất Cd (ppm) 1 Đá bazan 0,13-0,22 2 Đá granit 0,09-0,22 3 Đá vôi 0,035 4 Đá cát kết 0,05 5 Đá phiến sét 0,30
Nguồn: Phạm Quang Hà, Viện TNNH năm 2007
Phạm Quang Hà (2007) thu thập và nghiên cứu cho thấy: hàm lượng Cd trong đá bazan và đá phiến sét có hàm lượng Cd đạt cao nhất từ 0,13 - 0,30ppm; trong đá granit hàm lượng Cd từ 0,09-0,22ppm, đá vơi có hàm lượng Cd trung bình là 0,035ppm và cát kết là 0,05ppm (bảng 1.5).
1.5.3. Nguồn gây ô nhiễm Cd trong đất từ hoạt động công nghiệp, chất thải sinh hoạt
Các hoạt động sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, làng nghề, chất thải đô thị, chất thải sinh hoạt cũng là những nguồn gây nhiễm bẩn Cd và các KLN độc hại khác cho môi trường đất nói riêng, mơi trường nước và môi trường sinh thái nói chung. Đất bị nhiễm bẩn bởi Cd có mức độ nguy hiểm rất cao đối với môi trường đất và tiếp theo là sức khoẻ con người, Cd có thể tích luỹ trong đất. Các nguyên nhân chủ yếu và gây hậu quả nghiêm trọng đối với những vùng bị ô nhiễm đất bởi Cd lại là từ chất thải cơng nghiệp trong đó bao gồm khai thác mỏ, công nghiệp sản xuất, nước thải sinh hoạt từ đô thị và các khu dân cư (Alina Kabata, 2010).
Bảng 1.6. Hàm lượng Cd trong đất bị ô nhiễm ở một số Quốc gia
Cd (mg/kg) Quốc gia Khu vực
2-336 Anh Khai thác khoáng và
mỏ 2-144 Bỉ 3,2-1781 Bỉ Công nghiệp 2-5 Bungari 2-36 Canađa 9-33 Hà Lan
Cd (mg/kg) Quốc gia Khu vực 1,8-88 Nhật Bản 6-270 Balan 12 Rumani 26-1500 Mỹ 1-17 Anh Ven đô thị 0,08-61 Balan 0,02-13,6 Mỹ 3,9 Đức 7,3-8,1 Canađa
Bùn, nước tưới và phân bón cho trồng trọt 1,5-167 Anh 15-57 Hà Lan 2,5-5,6 Hungari 2,2-5,7 Nhật Bản 0,4-107 Ba Lan 1-10 Mỹ
Nguồn: Alina Kabata, Trace Elements in Soils and Plant, 2010
Kết quả (bảng 1.6) cho thấy hàm lượng Cd trong đất ở các khu vực và Quốc gia cho kết quả rất khác nhau: ở các khu vực khai thác mỏ và khu vực công nghiệp hàm lượng Cd trong đất rất cao. Hàm lượng Cd đạt từ 2-336 mg/kg, đối với khu vực khai thác mỏ; từ 1,8 -1500mg/kg, đối với khu vực tác động công nghiệp. Khu vực ven đô