CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu
- Thu thập các số liệu về hiện trạng tái sử dụng nước thải trong nông nghiệp tại Việt Nam và các nước trên thế giới
- Các nghiên cứu đã được thực hiện trong lĩnh vực nghiên cứu đề ra
2.3.2. Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa, lấy mẫu
(1) Điều tra khảo sát các nguồn thải công nghiệp
Nguồn ô nhiễm công nghiệp của các hệ thống sản xuất thủy sản ở quận Hồng Mai và huyện Thanh Trì đã được sàng lọc từ thượng nguồn đến hạ lưu sông Kim Ngưu và sông Tô Lịch để lựa chọn các ngành cơng nghiệp có nguy cơ gây ơ nhiễm cho nước sơng. Các ngành được lựa chọn theo những tiêu chí sau:
- Nước thải có chứa các kim loại nặng như Cu, Pb, Zn, Cd, Cr, Ni, As, Hg (dựa trên báo cáo ĐTM và đặc thù chất thải của ngành sản xuất);
- Ngành công nghiệp ô nhiễm tiềm ẩn (dựa trên năng lực sản xuất, chất thải /ô nhiễm nước thải).
Khảo sát ban đầu về sản lượng, đặc điểm nước thải và lượng nước thải được thực hiện khi bắt đầu lấy mẫu nước cho từng cơ sở lựa chọn sử dụng số liệu thống kê chính thức và báo cáo của từng ngành và khảo sát thực địa và phỏng vấn sử dụng phiếu câu hỏi. Thông tin thu thập được sẽ được sử dụng để thiết kế mẫu nước thải và chọn kim loại nặng, sẽ được phân tích ở giai đoạn sau. Tùy thuộc vào đặc điểm sản xuất và nước thải của từng ngành, một hoặc nhiều kim loại nặng trong số các kim loại nặng nói trên đã được lựa chọn để phân tích. Ngồi ra, các thơng số khác như pH, DO, chất rắn lơ lửng (SS) và EC được đo đạc, phân tích.
Các điểm lấy mẫu là điểm cuối của hệ thống xả nước thải của các ngành công nghiệp, nơi nước thải được thải ra trong hệ thống thu nước thải của thành phố (các hệ thống thốt nước kết nối với sơng Kim Ngưu hoặc sông Tô Lịch).
(2) Điều tra hiện trạng hoạt động sử dụng nước thải trong nuôi cá
Thông tin điều tra, khảo sát gồm: Tần suất bơm nước thải, chu kỳ xả nước, có tái sử dụng bùn đáy hay khơng, các loại cá, rau nuôi trồng trong ao, chu kỳ thu hoạch.
- Lấy mẫu nước thải đầu vào, đầu ra, nước trong ao, mẫu rau, cá, bùn đáy…nhằm phân tích dạng tồn tại và phân bố của As và Cd và cân bằng vật chất trong hệ ao nuôi thả cá.
- Thu thập số liệu và lấy mẫu tương tự cho một ao đối chứng khơng sử dụng nước thải để có cách nhìn khoa học hơn về việc sử dụng nước thải có nguy cơ nhiễm một số chất độc hại.
- Tần suất lấy mẫu: Căn cứ vào chu kỳ nuôi cá, thu hoạch cá và chu kỳ bơm nước sẽ thiết kế thời gian lấy mẫu phù hợp. Quá trình nghiên cứu thực hiện luận án đã lấy mẫu khảo sát chọn địa điểm nghiên cứu và 3 đợt lấy mẫu chính:
Khảo sát lựa chọn địa điểm, đánh giá nước thải các cơ sở công nghiệp: 2012-2013
Đợt 1: Tháng 9/2014 Đợt 2: Tháng 10/2015 Đợt 3: Tháng 10/2016
Các mẫu được lấy cùng thời điểm tại ao nghiên cứu và ao đối chứng để đánh giá sự khác biệt về nguy cơ tích lũy As và Cd. Riêng đợt lấy mẫu thứ 3 chỉ lấy tại khu vực ao nghiên cứu, bao gồm mẫu tại ao nghiên cứu và mương lắng để đánh giá giải pháp thử nghiệm.
Tổng số lượng mẫu lấy như nhau tại 2 ao để so sánh thống kê, tổng số mẫu lấy và phân tích như sau (bảng 2.2).
2.3.3. Nghiên cứu thực nghiệm
• Thiết kế nghiên cứu
và nguy cơ ảnh hưởng sức khỏe. Quy trình nghiên cứu áp dụng trong luận án được mơ tả tại hình 2.2.
Bảng 2.2 Sỗ mẫu lấy phân tích
Loại mẫu Số mẫu Tổng số
mẫu phân tích Đợt 1 Đợt 2 Đợt 3 Mẫu QC Mẫu nước 899 Nước các cơ sở công nghiệp (17 cơ sở) 84 - - 93 177 Mẫu nước ao đối chứng (2 lần lấy mẫu) 63 63 - 140 266 Mẫu nước ao nghiên cứu (2 lần lấy mẫu + 1 lần áp dụng thử nghiệm 63 63 63 210 390 Mẫu nước mương dẫn nội đồng - - 30 33 66 Mẫu rau 120 Mẫu rau ao đối chứng 15 15 - 30 60 Mẫu rau ao nghiên cứu 15 15 - 30 60 Mẫu cá 150 Mẫu cá ao đối chứng 15 15 - 35 55 Mẫu cá ao nghiên cứu 15 15 15 50 95 Mẫu bùn trầm tích 120 Mẫu bùn ao đối chứng 15 15 - 30 60 Mẫu bùn ao nghiên cứu 15 15 - 30 60
Ghi chú: mẫu QC: bao gồm mẫu lặp (mỗi mẫu phân tích 2 lần, lấy kết quả trung bình) và mẫu chuẩn (1 mẫucho mỗi 10 mẫu phân tích)
Tất cả các mẫu được xử lý và phân tích tại phịng thí nghiệm của Viện Sức khỏe nghề nghiệp và Mơi trường, Bộ Y tế (NIOEH) theo các qui trình đã được chuẩn hóa. Cụ thể như sau:
Phương pháp lấy mẫu
Lấy mẫu nước thải đầu ra của các cơ sở công nghiệp
Mẫu được lấy của 17 cơ sở cơng nghiệp có xả thải nước thải ra sông Tô lịch, lấy tại điểm xả thải của cơ sở trước khi ra sông. Lấy mẫu trộn từ các mẫu riêng lẻ tại thời điểm giữa của mỗi ca sản xuất tại mỗi cơ sở.
Lấy mẫu nước đầu vào và ra ao nuôi cá
Khảo sát thực địa
Xác định nội dung, đối tượng nghiên cứu
Lấy mẫu
Xử lý mẫu
Phân tích mẫu
GF/AAS và ICP/MS
Tính tốn cân bằng khối lượng cho hệ ao ni
Xử lý, Phân tích số liệu Đánh giá HRA Thu thập thơng tin Các qui trình Các qui trình BƯ Ớ C 1 BƯ Ớ C 2 Đề xuất giải pháp sử dụng an tồn nước thải đơ thị
Mẫu nước đượclấy và bảo quản để phân tích xác định hàm lượng As và Cd theo “Các phương pháp chuẩn xác định nước và nước thải 2012” (APHA, 2012).
Mẫu nước đầu vào và đầu ra của ao được lấy bằng thiết bị lấy mẫu nước Master Flex Composite sampler Model 7528-12, Cole-Parmer, có sử dụng ống Teflon. Ngồi ra, tốc độ dịng, tần suất và thời gian bơm nước (2 giờ/lần bơm) cũng được xác định để tính tốn hàm lượng As và Cd đầu vào và ra của hệ ao nuôi cá.
Lấy mẫu nước trong ao
Mẫu nước được lấy tại 5 điểm khác nhau ở trong ao. Các mẫu nước được lấy bằng thiết bị lấy mẫu theo tầng (mẫu trộn theo TCVN 5992-1995), mỗi vị trí lấy 03 mẫu để thu mẫu hỗn hợp. Các mẫu nước này được lấy để phân tích hàm lượng As và Cd trong nước ao nuôi cá và trong cặn lơ lửng (SPM). Cặn lơ lửng bao gồm chất rắn lơ lửng và thực vật thủy sinh (tảo).
Lấy mẫu bùn
Tương tự như mẫu nước trong ao, tại mỗi điểm lấy 03 mẫu bùn. Tiến hành lấy mẫu lớp bùn bề mặt ở độ sâu 10cm bằng thiết bị lấy mẫu bùn KC Kajak (KC Denmark A/S, Silkeborg, Denmark) với đường kính trong 52 mm.
Lấy mẫu rau muống
Do thực vật trong ao nuôi cá chủ yếu là rau muống (Ipoemoea aquatica) và
rau muốn chỉ phát triển ở khu vực gần điểm nước đầu vào ao với kích thước bè thả khoảng 2m x 2m, nên mẫu rau muống được lấy ngẫu nhiên tại 3 điểm trong khu vực bè. Mỗi vị trí lấy 5 mẫu lặp tổng 15 mẫu raumuống.Các mẫu trau muống được chia làm 2 phần: (1) phần ăn được dài khoảng 30cm tính từ ngọn bao gồm lá và cuống; (2) phần không ăn được gồm rễ và cuống dưới.
Ngồi ra cịn lấy tồn bộ bè rau và xác định khối lượng của rau có trong ao để tính tốn sơ bộ cân bằng khối lượng kim loại trong hệ ao nuôi cá nghiên cứu.
Lấy mẫu cá
Mẫu cá (lấy nguyên con) được lấy vào ngày thu hoạch. Mẫu cá trắm trắng (khối lượng mẫu lấy trung bình 2kg) được lấy để xác định hàm lượng As và Cd.
• Phương pháp chuẩn bị, phân tích mẫu
Chuẩn bị mẫu nước
Mẫu nước sau khi lấy được đưa về phịng thí nghiệm ngay trong ngày. Sau đó, mẫu nước được lọc vào các bình nhựa dung tích 500mL và được axit hóa bằng 1,5mL dung dịch 70% HNO3/500ml (Hình 2.4) và được bảo quản ở nhiệt độ 4-50 C. Mẫu nước được lọc để xác định hàm lượng PTEs có trong nước lọc và trong SPM và để xác định dạng tồn tại của PTEs trong nước ao: Nếu hàm lượng PTE cao trong nước lọc, thì PTEs chủ yếu ở dạng hịa tan trong khi đó PTEs trong SPM chủ yếu ở dạng khơng hịa tan. Các mẫu nước khơng lọc được vơ cơ hóa mẫu theo EPA 3015 A để xác định tổng số kim loại. Các mẫu nước sau lọc để xác định các kim loại hịa tan được phân tích theo các khuyến nghị và các phương pháp phân tích trong phương pháp tiêu chuẩn để kiểm tra nước và nước thải (APHA, 2012).
Hình 2.4 Quy trình chuẩn bị và phân tích mẫu nước
Axit hóa bằng HNO3
Mẫu nước Lọc bằng giấy lọc kích thước0,5 µm Xử lý mẫu bằng lò vi sóng Khơng lọc Phân tích bằng GF/AAS hoặc ICP-MS Chia thành 2 phần Nước sau lọc Phân tích bằng GF/AAS hoặc ICP-MS
Chuẩn bị mẫu bùn và trầm tích
Mẫu bùn (trầm tích) được lấy theo TCVN 6663 - 3:2000 (ISO 6667), sau đó được trộn đều và sấy khơ ở nhiệt độ 450C cho đến khi đạt khối lượng khơng đổi. Sau đó, mẫu được nghiền nhỏ bằng cối sứ và sàng qua dụng cụ sàng bằng thép khơng gỉ, với kích thước lỗ sàng 2mm. Sau đó, mẫu tiếp tục được nghiền thành bột bằng thiết bị nghiền. Lấy khoảng 20g mẫu cho vào các túi zip và lưu giữ trong bình hút ẩmcho đến khi phân tích.
Các mẫu bùn được xử lý trong lị vi sóng trước khi được phân tích bằng máy GF/AAS tại Viện Sức khỏe nghề nghiệp và môi trường, Bộ Y tế.
Các mẫu này cũng được phân tích thành phần bằng máy ICP-MS Viện Sức khỏe nghề nghiệp và mơi trường. Chi tiết quy trình phân tích mẫu bùn được mơ tả ở Hình 2.5.
Hình 2.5. Quy trình phân tích mẫu bùn Chuẩn bị mẫu rau muống
Xác định trọng lượng tươi (fresh weight - FW) của mỗi phần của mẫu rau muống. Bụi và đất đã được loại bỏ khỏi bề mặt của rau muống bằng cách nhúng mỗi mẫu 20 lần vào 3 bình nước cất. Mỗi phần (ăn và khơng ăn được) của rau được xay nhuyễn hoàn toàn. Khoảng 10 g khối lượng đã xay nhuyễn được đưa vào túi
Mẫu bùn
Xử lý trong lị vi sóng
Phân tích bằng GF/AAS hoặc ICP-MS
sàng
Nghiền Làm khơ, sấy
khóa và đơng khơ ngay lập tức. Tất cả các túi đựng mẫu đã được làm đông khô để
loại bỏ độ ẩm và trọng lượng khô của túi được xác định sử dụng cân chính xác đến 10-4.
Sau khi xử lý bằng lị vi sóng, thành phần As và Cd trong mẫu rau muống được phân tích bằng GF/AAS tại Viện Sức khỏe nghề nghiệp và môi trường.
Chuẩn bị mẫu cá
Mẫu cá sau khi lấy được rửa sạch bằng nước cất hai lần và chia thành 02 phần: Phần ăn được (bao gồm thịt và da cá) và phần khơng ăn được (những phần cịn lại như ruột, xương,…). Các phần ăn được và không ăn được này được nghiền nát riêng rẽ bằng máy nghiền (lưỡi dao bằng thép không gỉ).
Cho khoảng 20g của mỗi phần (ăn được hoặc khơng ăn được) vào các túi có khóa kéo và làm đơng ngay. Khối lượng của các túi được cân đến 4 số sau dấu phẩy và tất cả các túi đều được đông khô để loại bỏ hơi nước và xác định khối lượng khô. Mẫu cá sau khi đông khô được xử lý tại phịng thí nghiệm của Viện Sức khỏe nghề nghiệp và môi trườngdựa trên EPA 3052 và hướng dẫn xử lý của nhà sản xuất thiết bị phá mẫu lò vi sóng. Xác định hàm lượng As và Cd bằng AAS kỹ thuật lò graphite và kỹ thuật sinh hydrua.
Xử lý mẫu bằng vi sóng
Các mẫu rau muống, mẫu bùn và mẫu nước đều được xử lý bằng dung dịch HNO3 70% (Baker Instra-analyzed, Mallinckrodt Baker), H2O2 30% (Suprapure, Merck), HCl 37 % (Baker Instra-analyzed Mallinckrodt Baker) và HF 40% (Suprapure, Merck) sử dụng lị vi sóng Anton Parr Multiwave 3000 microwave (Anton Paar GmbH, Graz, Austria). Phân tích mẫu bằng quang phổ hấp thụ nguyên tử - kỹ thuật lò graphit và sinh hydrua Perkin Elmer (Mỹ). Phân tích dạng của As và Cd bằng ICP-MS Nexion 350X, Perkin Elmer, Mỹ.
Sau khi được xử lý, sử dụng phễu để chuyển dung dịch sang bình tam giác 50mL, trong bình đã có 20 mL dung dịch H3BO3 6% (đối với mẫu bùn) hoặc 4ml dung dịch H3BO3 6% (đối với mẫu nước). Cuối cùng, nước milli Q water được lọc đến vạch 50mL trên bình tam giác. Các dung dịch này được trộn đều và chuyển vào
ống nhựa 50mL của máy ly tâm. Quy trình lấy, xử lý và phân tích mẫu chi tiết được đưa ra trong phụ lục. Chi tiết quy trình phân tích mẫu rau muống và mẫu cá được đưa ra trong hình 2.6.
Hình 2.6 Quy trình phân tích mẫu rau muống và mẫu cá
Các hóa chất sử dụng và chương trình xử lý mẫu được đưa ra trong bảng 2.3, 2.4 và hình 2.6, 2.7.
Bảng 2.2 Hóa chất sử dụng để xử lý các loại mẫu nghiên cứu
Loại mẫu Lượng mẫu HNO3 70%
(mL) H2O2 30% (mL) HCl 37% (mL) HF 40% (mL)
Rau muống 0,25g khô 5,0 3,0 - -
Bùn 0,25g khô 9,0 1,0 2,0 3,0
Nước 9,0 mL 1,0 1,0 0,5 0,5
Cá 0,25g khô 6,0 2,0 - -
Mẫu rau/cá
Phần ăn được
Phân tích bằng GF/AAS hoặc ICP-MS
Phần khơng ăn được
Phân tích bằng GF/AAS hoặc ICP-MS
Rửa bằng nước cất
Chia thành 2 phần
Nghiền
Bảng 2.3 Chương trình xử lý áp dụng cho các loại mẫu nghiên cứu
Loại mẫu điện năngNhiệt độ/ Ramp (phút) Hold (phút) Quạt (phút) Mẫu bùn và mẫu nướca 180 oC 180 oC 5,0 10 15 30 0 1,0 3,0 Rau muốnga 1400 W 10 15 20 0 3,0 Cáb 135 oC 150 oC 190 oC 100 oC 10 5,0 1,0 1,0 5,0 5,0 15 0 - - - -
Hình 2.7 Lị vi sóng đa tần 3000 Hình 2.8 Chương trình xử lý mẫu
2.3.4. Phương pháp phân tích, đảm bảo và kiểm sốt chất lượng
• Phân tích mẫu nước thải
Mẫu nước thải của các cơ sở công nghiệp khảo sát được bảo quản, xử lý và phân tích theo các phương pháp tiêu chuẩn bảng 2.5.
Bảng 2.4 Thơng số và phương pháp phân tích nguồn nước thải cơng nghiệp vào sông nghiên cứu
TT Thông số
phân tích Phương pháp phân tích
1 Zn, Cu Method 3111B, (F-AAS) /r 3113 B (GF-AAS) (SMEWW, APHA , 2012
2 Pb, Cd, Cr, Ni, Method 3113B (GF-AAS) (SMEWW, APHA , 2012)
3 As, Hg Method 3114 B or 3113B (SMEWW, APHA , 2012)
• Đảm bảo và kiểm sốt chất lượng
Phân tích mẫu trắng và mẫu chuẩn ở mỗi đợt để đảm bảo chất lượng (QA). Hàm lượng As và Cd được xác định bằng AAS Perkin Elmer 5100 AAS, lò graphite HGA-600, Perkin Elmer (Norwalk, Connecticut, USA). Phương pháp thêm chuẩn được thực hiện ở mỗi lần chạy máy. Hàm lượng As và Cd trong mẫu trắng phân tích thấp hơn giới hạn phát hiện (LOD) hoặc khơng đáng kể so với mẫu thực. LOD được tính bằng 3 lần độ lệch chuẩn (SD) của giá trị nhỏ nhất trong 8 lần lặp hiệu chuẩn. Độ thu hồi các mẫu đối chứng so sánh nồng độ cao, nằm trong khoảng từ 92- 146% (Bảng 2.6).
Số liệu phân tích được xử lý bằng phần mềm xử lý số liệu trên Microsoft Ecxel 2002. Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn được tính tốn và sử dụng để phân tích thống kê. Phương pháp thống kê Fisher’s test được sử dụng để so sánh số liệu giữa 2 lần lấy mẫu. Chọn mức xác suất có ý nghĩa thống kê (giá trị p) là 5%.
Bảng 2.5. Hàm lượng As và Cd trong các mẫu đối chứng so sánh nồng độ khô (mg/kg) Thành phần NIST 2709 Đất nông nghiệp Cá ngừ đơng khơ Phịng thực phẩm quốc gia Đan Mạch NCS ZC73013 Signage (thực vật) Kết quả phân tích Giá trị mẫu chuẩn Độ thu
hồi phân tích Kết quả
Giá trị mẫu chuẩn
Độ thu
hồi phân tích Kết quả
Giá trị mẫu chuẩn Độ thu hồi As 18,30±0,14 17,7±0,8 99,7-107 3,22± 0,33 3,30 93-114 0,24±0,02 0,23±0,03 100-104 Cd 0,36±0,01 0,38±0,01 95-99 0,078±0,018 0,088 92-146 0,15±0,01 0,15±0,025 94-112
2.3.5. Phương pháp đánh giá tương quan của hàm lượng asen và cadimi trong các mẫu nghiên cứu
Sử dụng hệ số Pearson để phân tích tương quan. Hệ số tương quan (r) là một