Kim loại nặng (KLN) là các nguyên tố trong tự nhiên có tỷ trọng lớn hơn 5 g/cm3 [9] như: Chì (11,34 g/cm3), Thủy ngân (15,534 g/cm3), Cadimi (8,65 g/cm3), Asen (5,73 g/cm3), Mangan (7,21 g/cm3),... Nhiều KLN được ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, y tế và khoa học kĩ thuật dẫn đến việc phát thải ra môi trường, làm tăng những nguy cơ về tác động tiềm ẩn của chúng đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái. Độc tính của KLN phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm liều lượng, con đường thâm nhập, và các dạng hóa học, cũng như độ tuổi, giới tính, di truyền học, và tình trạng sức khỏe của cá nhân khi tiếp xúc. Do mức độ độc tính cao mà asen, cadimi, crom, chì, thủy ngân thường được xem xét hàng đầu, chúng gây ra tổn thương cho đa cơ quan, và chúng cũng được phân loại là chất gây ung thư cho con người theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ và các cơ quan quốc tế nghiên cứu ung thư [9]. Bên cạnh đó, một số KLN được tìm thấy trong cơ thể và thiết yếu cho sức khỏe con người, chẳng hạn như sắt, kẽm, coban, mangan, molipden và đồng mặc dù với lượng rất ít nhưng nó có mặt trong quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, ở mức độ thừa của các nguyên tố thiết yếu đó có thể nguy hại đến đời sống của sinh vật.
1.1.1. Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường
Trong số tất cả các chất gây ô nhiễm, KLN là một trong những tác nhân nguy hiểm nhất vì đây là những chất không phân hủy sinh học và tồn tại lâu trong môi trường. Chúng xâm nhập vào trong môi trường thông qua cả hai nguồn: tự nhiên và con người.
Các hoạt động tự nhiên như hoạt động của núi lửa, bão, lụt, sóng thần... hoặc từ các mỏ khoáng sản, từ các loại đá trầm tích có thể gây ra ô nhiễm KLN. Tuy nhiên, nguồn gốc chính gây ra ô nhiễm các KLN là do hoạt động của con người.
Các KLN có thể đi vào đất, nước và không khí thông qua các chất thải công nghiệp hay người tiêu dùng giải phóng các KLN vào sông suối, hồ và nước ngầm.
Không giống như các chất gây ô nhiễm hữu cơ, KLN không phân hủy tạo ra một thách thức rất lớn đối với các biện pháp khắc phục ô nhiễm. Một thảm họa môi trường nghiêm trọng, nổi tiếng, gắn liền với các KLN là bệnh Minamata do ô nhiễm thủy ngân ở Nhật Bản. Một số đơn vị công nghiệp thường thải ra các KLN độc hại vào môi trường được liệt kê trong bảng 1.1. Trong đó bao gồm một số nước thải ra
từ các nhà máy giấy, nhà máy phân bón có thêm kiềm, amoni, xianua và các KLN.
Nước thải từ các ngành công nghiệp luyện gang, cán thép, làm sạch kim loại, mạ điện, sản xuất pin, acquy, khai thác mỏ... thường chứa một lượng đáng kể của các ion KLN. Ngoài ra thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu và các chất độc hại khác qua quá trình phân hủy từ từ, các KLN không bị loại bỏ và vẫn tồn tại trong đất, trầm tích tại nơi nó được thải ra. Từ các nguồn thải này, các KLN đi vào các nguồn nước và đi vào chuỗi thức ăn từ đó gây nên những tác hại nghiêm trọng cho môi trường cũng như cho sức khỏe con người.
Bảng 1.1. Nguồn thải một số kim loại của một số ngành công nghiệp phổ biến
STT Kim loại Nguồn phổ biến
1 Chì Công nghiệp luyện kim, sản xuất pin, acquy, nhựa…
2 Niken Mạ điện, sơn và bột, sản xuất pin, luyện kim và phân bón supe lân.
3 Đồng Ngành công nghiệp mạ điện, công nghiệp nhựa, luyện kim và công nghiệp khí thải.
4 Kẽm Công nghiệp cao su, sơn, thuốc nhuộm, chất bảo quản gỗ và thuốc mỡ.
5 Cadimi
Pin niken-cadimi, các ngành công nghiệp mạ điện, phân bón phosphate, chất tẩy rửa, sản phẩm tinh chế dầu mỏ, bột
sơn màu, thuốc trừ sâu, ống mạ kẽm, nhựa, polyvinyl và nhà máy lọc dầu.
6 Sắt Tinh chế kim loại, bộ phận động cơ.
7 Asen Bụi công nghiệp, chất bảo quản gỗ và thuốc nhuộm.
8 Thủy ngân Bóng đèn điện, chất bảo quản gỗ, thuộc da, thuốc mỡ, nhiệt kế, keo dán và sơn.
1.1.2. Tính chất và tác hại của một số kim loại nặng
Ở nồng độ thấp một số KLN kích thích một số quá trình sinh học, nhưng ở nồng độ cao vượt ngưỡng cho phép thì trở nên độc hại. Không phân hủy sinh học, các kim loại này tích tụ ở các bậc dinh dưỡng khác nhau thông qua chuỗi thức ăn và
có thể gây ra các vấn đề sức khỏe con người. Ở người các kim loại này tích tụ trong mô sống và do đó gây nên sự nguy hiểm. Một số kim loại gây ra cảm giác khó chịu về thể chất, còn một số kim loại khác có thể gây ra bệnh đe dọa đến tính mạng, thiệt hại cho hệ thống của cơ thể sống, hoặc một số thiệt hại khác. Trong phạm vi giới hạn của đề tài, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu hai kim loại: cadimi, chì trong nước. Một số tác dụng có hại phổ biến và nguy cơ đối với sức khỏe của hai kim loại nặng đối với con người được đưa ra dưới đây.
1.1.2.1. Cadimi
Cadimi là một nguyên tố độc đối với môi trường sống cũng như với con người.
Nguồn ô nhiễm cadimi xuất phát từ ô nhiễm không khí khai thác mỏ, nhà máy luyện kim, hải sản. Nguồn chính của cadimi thải vào nước là các điện cực dùng trên tàu và nước thải. Cadimi tồn tại chủ yếu ở dạng hòa tan trong nước và tích tụ rất tốt trai, ốc. Đối với các thực vật sống dưới nước, tính độc hại của cadimi ngang với độc tính của niken, crom(III) và có phần kém độc hơn so với Hg(CH3)2 và đồng. Cadimi thường được tích lũy dần trong thận, gây triệu chứng độc mãn tính. Nếu để lâu có thể gây mất chức năng thận và sự mất cân bằng các thành phần khoáng trong xương. Liều lượng 30 mg cũng đủ dẫn đến tử vong.
Cadimi là một kim loại có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Một số ứng dụng chính của cadimi là chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp, sử dụng trong mạ điện, chế tạo vật liệu bán dẫn, lớp mạ bảo vệ thép, chất ổn định trong PVC, chất tạo màu trong plastic và thủy tinh, và nằm trong thành phần của nhiều hợp kim…đó chính là các nguyên nhân phát tán Cd vào môi trường.
Tác hại của Cd đối với sức khỏe con người: Cadimi là kim loại rất độc hại đối với cơ thể người ngay cả ở nồng độ rất thấp bởi vì cadimi có khả năng tích lũy sinh học rất cao. Khi xâm nhập vào cơ thể nó can thiệp vào các quá trình sinh học, các enzim liên quan đến kẽm, magie và canxi, gây tổn thương đến gan, thận, gây nên bệnh loãng xương và bệnh ung thư. Nghiên cứu 1021 người đàn ông và phụ nữ bị nhiễm độc Cd ở Thụy Điển cho thấy nhiễm độc kim loại này có liên quan đến gia tăng nguy cơ gãy xương ở độ tuổi trên 50 [10]. Bệnh itai-itai là bệnh do sự ngộ độc Cd trầm trọng. Tất cả các bệnh nhân với bệnh này điều bị tổn hại thận, xương đau nhức trở nên giòn và dễ gãy [11].
Bên cạnh đó cadimi cũng làm tăng huyết áp hay gây bệnh huyết áp cao, mất khứu giác, thiếu máu, rụng tóc, da có vảy khô, chán ăn, giảm sản xuất tế bào limpho T do đó hệ thống miễn dịch suy yếu, gây tổn hại cho thận và gan, khí phế thũng, bệnh ung thư tuyến tiền liệt, ung thư phổi và làm giảm tuổi thọ.
1.1.2.2. Chì
Chì là một kim loại nặng có độc tính và cũng được sử dụng khá phổ biến trong sản xuất và tiêu dùng. Trong công nghiệp chì được sử dụng trong ắc quy, dây cáp điện, đầu đạn và ống dẫn trong công nghiệp hóa học. Hàm lượng chì trung bình trong thạch quyển ước khoảng 1,6.10-3 phần trăm trọng lượng. Chì thường được tìm thấy ở dạng quặng cùng với kẽm, bạc, (phổ biến nhất) đồng, và được thu hồi cùng với các kim loại này. Trong công nghiệp, kim loại chì được sử dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: công nghiệp chế tạo ắc quy, nhựa, luyện kim...Vì vậy nguồn phát thải chì nhân tạo chủ yếu từ các hoạt động sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp như: công nghiệp luyện kim, ắc quy, sơn, nhựa và các làng nghề tái chế chì, tái chế nhựa...
Tác hại của chì đối với sức khỏe con người: Trong cơ thể người, chì trong máu liên kết với hồng cầu, và tích tụ trong xương. Khả năng loại bỏ chì ra khỏi cơ thể rất chậm chủ yếu qua nước tiểu. Chu kì bán rã của chì trong máu khoảng một tháng, trong xương từ 20-30 năm [12]. Các hợp chất chì hữu cơ rất bền vững độc hại đối với con người, có thể dẫn đến chết người [13]. Những biểu hiện của ngộ độc chì cấp tính như nhức đầu, tính dễ cáu, dễ bị kích thích và nhiều biểu hiện khác nhau liên quan đến hệ thần kinh. Con người bị nhiễm độc lâu dài đối với chì có thể bị giảm trí nhớ, giảm khả năng hiểu, giảm chỉ số IQ, xáo trộn khả năng tổng hợp hemoglobin có thể dẫn đến bệnh thiếu máu [14]. Chì cũng được biết là tác nhân gây ung thư phổi, dạ dày và u thần kinh đệm [15]. Nhiễm độc chì có thể gây tác hại đối với khả năng sinh sản, gây sẩy thai, làm suy thoái nòi giống [16].
Chính vì mức độ độc hại của các kim loại cadimi và chì nên đã có nhiều quy chuẩn về chất lượng môi trường. Giới hạn cho phép các kim loại cadimi và chì theo Quy chuẩn Việt Nam được chỉ ra ở bảng 1.2.
Bảng 1.2. Giới hạn cho phép các kim loại cadimi và chì theo Quy chuẩn Việt Nam
Mẫu Chỉ tiêu Đơn vị Giới hạn
cho phép
Nước mặt (a) Cd mg/L 0,005
Pb mg/L 0,02
Nước ngầm (b) Cd mg/L 0,005
Pb mg/L 0,01
Nước biển vùng biển ven bờ (c) Cd mg/L 0,005
Pb mg/L 0,05
Nước ăn uống (d) Cd mg/L 0,003
Pb mg/L 0,01
Nước thải công nghiệp (e) Cd mg/L 0,05
Pb mg/L 0,1
Ghi chú:
(a): Theo quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 08-MT:2015/BTNMT về chất lượng nước mặt sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
(b): Theo quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 09-MT:2015/BTNMT về chất lượng nước dưới đất
(c): Theo quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 10-MT:2015/BTNMT về chất lượng nước biển vùng biển ven bờ vùng bãi tắm, thể thao dưới nước
(d): Theo quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 01-MT:2009/BYT về chất lượng nước ăn uống
(e): Theo quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt