3. Kết luận về vai trò của hợp chất hữu cơ
NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ LÊN QUÁ TRÌNH GIẢI PHÓNG ASEN TỪ TRẦM TÍCH RA NƢỚC NGẦM
GIẢI PHÓNG ASEN TỪ TRẦM TÍCH RA NƢỚC NGẦM
Nguyễn Nhƣ Khuê1, Phạm Thị Kim Trang1, Hoàng Thị Tƣơi1, Nguyễn Thị Thu
Trang1,Nguyễn Thị Hoa Mai1, Cao Thị Mai Trang1, Vi Thị Mai Lan1 , Phạm Hùng Việt1,
Dieke Postma2
1
Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD),
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
2
Viện Khảo sát Địa chất và Khoáng sản Đan Mạch (GEUS)
ABSTRACT
The As enrichment in groundwater of the river delta has been being studied and predicted. Organic matter degradation generating the reduced environment which is convenient for Fe-oxides reductive dissolution leading to the As release was a popular hypothetical mechanism. However, the role of each factor in this process has not fully understood. In this study, the relationship between the mineralogy and the concentration of As in the groundwater are discussed. Two research sites are: the young river bank sediment site and the old mountainside sediment one. The results show that As concentration in the young sediment is 7,5 mg/kg which is double of it in the old sediment (3,9 mg/kg). The amount of the potentially removable As in the young sediment (2 mg/kg) is higher than that in the old sediment (0,34 mg/kg). The As associated with easily reducible Fe(III) and crystalline Fe was found in the young sediment totalled 4 mg/kg but it was not detected in the old sediment. Combined with the As concentration in the groundwater of two areas, the results show that the more As bound on mobile Fe (easily dissolvable Fe-oxides, easily reducible Fe(III) phases and crystalline Fe phases) the higher possibility of the As enrichment in groundwater. The study suggests that the existence of As on Fe phases which could be flushed under reduced condition controls the As release from sediment into groundwater. Besides, the increasing of flushed Fe and As in the sediment incubated with river water added organic matter experiment was observed. This supports the hypothesis of organic matter role in As mobilization that is to genenrate the reduced condition enhancing the reductive dissolution of As bearing Fe-oxides which leads to the leaching of As.
TÓM TẮT
Sự gia tăng hàm lƣợng As trong nƣớc ngầm ở các đồng bằng ven sông đang đƣợc các nhà khoa học nghiên cứu. Cơ chế giả thuyết đƣợc thừa nhận phổ biến là quá trình phân hủy hữu cơ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khử hòa tan sắt và kéo theo As bị rửa trôi.
Bài báo này nghiên cứu mối liên hệ giữa cấu trúc khoáng học trầm tích và nồng độ As trong nƣớc ngầm và vai trò của hợp chất hữu cơ trong quá trình giải phóng As từ trầm tích ra nƣớc ngầm. Hai khu vực đƣợc lựa chọn để nghiên cứu là vùng ven sông với trầm tích trẻ có tuổi ít hơn 600 năm và khu vực ven núi với trầm tích cổ hơn 3500 năm.
Kết quả nghiên cứu phân bố As trên các khoáng sắt, cho thấy tổng hàm lƣợng As có thể bị rửa trôi từ trầm tích trẻ (2 mg/kg) ra nƣớc ngầm cao hơn so với từ trầm tích cổ (0,34 mg/kg). Dạng As liên kết trên khoáng Fe hoạt động và tinh thể trong trầm tích trẻ chiếm xấp xỉ 4mg/kg, trong khi chúng không đƣợc định lƣợng trong trầm tích cổ. Kết hợp với hàm lƣợng As trong nƣớc ngầm tại hai địa điểm, kết quả nghiên cứu cho thấy khi càng nhiều As trên các pha khoáng sắt linh động (dễ hòa tan, có thể bị khử nhƣ Fe hoạt động, Fe tinh thể), khả năng gia tăng hàm lƣợng As trong nƣớc ngầm càng cao. Sự tồn tại của As trên những pha khoáng dễ tác động bởi môi trƣờng khử chính là yếu tố gây nên sự giải phóng As trong tầng chứa nƣớc. Ngoài ra, hiện tƣợng gia tăng hàm lƣợng Fe và As bị rửa trôi đƣợc quan sát thấy trong thí nghiệm trộn trầm tích với nƣớc sông có bổ sung hữu cơ. Nghiên cứu bổ trợ cho giả thuyết hợp chất hữu cơ đóng vai trò tạo môi trƣờng thuận lợi cho quá trình khử hòa tan các khoáng ôxit kéo theo sự giải phóng As từ trầm tích ra nƣớc ngầm.
1. MỞ ĐẦU
Ô nhiễm asen trong nƣớc ngầm thƣờng đƣợc phát hiện thấy tại các vùng đồng bằng gần các sông lớn. Hàm lƣợng As trong nƣớc ngầm ở đồng bằng châu thổ Sông Hồng, Việt Nam, tƣơng đối caokhoảng 1 ÷ 3050 µg/L (trung bình 159 µg/L) đƣợc phát hiện từ năm 1998 [3]. Tuy nhiên, đến nay nguyên nhân dẫn đến sự có mặt của As trong nƣớc ngầm vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu kỹ và hiểu rõ. Cơ chế giả thuyết phổ biến là do quá trình phân hủy hữu cơ tạo điều kiện khử khiến các khoáng ôxit sắt bị hòa tan, kéo theo sự giải phóng Asen.
Phƣơng trình giả thuyết đƣợc đƣa ra là [2,10]:
4FeOOH (As(V)) + CH2O + 7H2CO3 → 4Fe2+
+ 8HCO3- + 6H2O + As(III)
Theo giả thuyết này, As càng nhiều trên các khoáng sắt có thể bị hòa tan, thì cơ hội As giải phóng từ trầm tích ra nƣớc ngầm càng cao. Môi trƣờng càng thuận lợi cho sự khử hòa tan sắt diễn ra thì nguy cơ ô nhiễm Asen càng tăng. Nghĩa là quá trình giải phóng Asen phụ thuộc vào đặc tính khoáng học của trầm tích và điều kiện môi trƣờng.
Theo kết quả nghiên cứu trầm tích tại khu vực Vạn Phúc, Thanh Trì, Hà Nội của tác giả Eiche E. và cộng sự (2008), hàm lƣợng As trong trầm tích Pleistocene (trầm tích cổ) nằm trong khoảng 2,1- 28,7 mg/kg; trong trầm tích Holocence (trầm tích trẻ hơn) khoảng 1,0- 30,3 mg/kg. Tổng lƣợng As trong hai dạng trầm tích này là tƣơng đƣơng nhau. Tuy nhiên, tầng chứa nƣớc Pleistocene hầu nhƣ không có As (<10 µg/L), trong khi đó tầng chứa nƣớc Holocene có hàm lƣợng As cao hơn, có nơi đến 600 µg/L [5].
Nhƣ vậy, sự giải phóng As vào nƣớc ngầm khó có thể đƣợc dự đoán đƣợc, nếu chỉ xác định tổng lƣợng As trong trầm tích. Hàm lƣợng As ở dạng linh động mới là thành phần gây tác động tới hàm lƣợng As trong nƣớc ngầm. Trong trầm tích, phần lớn As liên kết trên các khoáng sắt. Hàm lƣợng và dạng tồn tại của các khoáng này khá phong phú trong tự nhiên. Các khoáng phổ biến thƣờng gặp nhƣ pyrite (FeS2) -khoáng sắt khá bền vững; hematite (α- Fe2O3), goethite (α-FeOOH) - các khoáng sắt tinh thể; maghemite (γ-Fe2O3) - khoáng sắt có thể bị khử và lepidocrcite (γ-FeOOH), ferrihydrite (5Fe2O3.9H2O) - khoáng sắt dễ hòa tan [2]. Cấu trúc liên kết và diện tích bề mặt của mỗi khoáng quyết định hình thái As liên kết trong khoáng đó. Ví dụ: ferrihydrite, lepidocrcite với diện tích bề mặt lớn (214 m2/g và 195 m2/g tƣơng ứng) hấp phụ As trên bề mặt khoáng, còn goethite với diện tích bề mặt bé hơn (37 m2/g) thì khả năng liên kết As ở dạng hấp phụ kém hơn, chủ yếu As có mặt trong goethite ở dạng liên kết tinh thể [9]. Bản chất liên kết quyết định khả năng As có thể bị rửa trôi từ trầm tích ra nƣớc ngầm.
Vậy dạng liên kết nào của As trong trầm tích có tác động tới sự gia tăng hàm lƣợng của nó trong nƣớc ngầm? Câu hỏi này vẫn đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu.
Trong quá trình khử hòa tan, các ôxit sắt đóng vai trò là chất nhận electron, còn hợp chất hữu cơ đóng vai trò cung cấp (cho) electron. Một số tác giả đã đƣa ra giả thuyết rằng hoạt tính và hàm lƣợng hữu cơ là thông số kiểm soát quá trình giải phóng As ra nƣớc ngầm
[1, 6, 11]. Kết quả từ nghiên cứu của Corsini và cộng sự, cho thấy trong thí nghiệm ủ trầm tích có bổ sung citrate, lƣợng asen giải phóng tăng lên rõ rệt chỉ sau 3 ngày so với mẫu kiểm chứng [6]. Tác giả Anawar H.M. và cộng sự đã tìm hiểu vai trò của các dạng vật chất hữu cơ khác nhau đối với sự giải phóng asen từ trầm tích ra nƣớc ngầm. Các dạng hữu cơ đƣợc sử dụng là glucose, phân bón dùng trong nông nghiệp, hỗn hợp nƣớc thải sinh hoạt và phân bò. Từ kết quả nghiên cứu, tác giả cho rằng sự bổ sung hữu cơ có thể thúc đẩy hoạt động của vi sinh tham gia phản ứng khử hòa tan sắt và dẫn tới sự giải phóng của As ra khỏi trầm tích. Mỗi dạng hữu cơ khác nhau thì mức độ tác động tới quá trình giải phóng As cũng khác nhau [1]. Tuy nhiên, cùng một chất hữu cơ bổ sung, vai trò và mức độ tác động đối với các dạng trầm tích khác nhau sẽ nhƣ thế nào thì vẫn chƣa đƣợc chứng minh bằng thực nghiệm.
Nghiên cứu này đi tìm câu trả lời về dạng liên kết As tác động tới khả năng gia tăng hàm lƣợng As trong nƣớc ngầm và sự bổ sung hữu cơ ảnh hƣởng nhƣ thế nào tới quá trình giải phóng As, mong muốn góp phần dự đoán nguy cơ ô nhiễm As trong nƣớc ngầm dựa trên các phân tích đặc điểm các trầm tích chứa nƣớc.
2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU