Nội dung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TƢ̣ NHIÊN ----------------------- Chu Anh Đào NGHIÊN CƢ́U ĐỘNG THÁI VÀ KHẢ NĂNG DI CHUYỂN CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG (Cu, Pb, Zn) TRONG ĐẤT LÚA SƢ̉ DỤNG NƢỚC TƢỚI TƢ̀ SÔNG NHUỆ KHU VƢ̣C THANH TRÌ, HÀ NỘI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG Hà Nội, 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TƢ̣ NHIÊN ----------------------- Chu Anh Đào NGHIÊN CƢ́U ĐỘNG THÁI VÀ KHẢ NĂNG DI CHUYỂN CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG (Cu, Pb, Zn) TRONG ĐẤT LÚA SƢ̉ DỤNG NƢỚC TƢỚI TƢ̀ SÔNG NHUỆ KHU VƢ̣C THANH TRÌ, HÀ NỘI Chuyên ngành : Môi trƣờng đấ t và nƣớc Mã số : 62440303 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa ho ̣c: PGS.TS. Nguyễn Ma ̣nh Khải PGS.TS. Nguyễn Ngo ̣c Minh Hà Nội, 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằ ng đây là công trin ̀ h nghiên cƣ́u của tôi . Các nội dung nghiên cƣ́u và kế t quả trong đề tài này là trung thƣ̣c và chƣa tƣ̀ng đƣơ ̣c ai công bố trong bấ t cƣ́ công triǹ h nghiên cƣ́u nào trƣớc đây . Các số liê ̣u của tác giả khác đã đƣơ ̣c trích dẫn rõ ràng trong luận án. Tác giả Luận án Chu Anh Đào LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận án này, với lòng biết ơn sâu sắc tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải, PGS.TS. Nguyễn Ngọc Minh đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ dẫn những định hƣớng nghiên cứu và truyền cho tác giả lòng đam mê khoa học và tinh thần tự giác trong học tập, nghiên cứu. Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các Thầy, Cô giáo trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đặc biệt là các Thầy, Cô giáo và tập thể cán bộ trong Khoa Môi trƣờng đã truyền đạt kiến thức cho tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu, đặc biệt là những ý kiến nhận xét và đóng góp quý báu để tác giả hoàn thiện Luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Lãnh đạo Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam đặc biệt là Lãnh đạo Trung tâm Kỹ thuật môi trƣờng và An toàn hóa chất đã tạo điều kiện cho tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành Luận án này. Cảm ơn ba ̣n bè và đồng nghiệp đã luôn quan tâm , chia sẻ, động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện Luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thành viên trong nhóm nghiên cứu đất lúa đã hợp tác, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện Luận án. Lời cảm ơn sâu sắc cuối cùng của tác giả xin giành cho những ngƣời thân yêu trong gia đình, những ngƣời đã luôn ở bên cạnh động viên, giúp đỡ tác giả cả về vật chất và tinh thần để tác giả vững tâm hoàn thành Luận án của mình. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc về tất cả sự giúp đỡ quý báu này. Hà Nội, ngày … tháng … năm 2016. Tác giả Luận án Chu Anh Đào MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... 5 DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................. 6 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................... 7 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 8 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 11 1.1. Tổng quan về kim loại nặng trong đất ......................................................................... 11 1.1.1. Nguồn gốc .................................................................................................... 11 1.1.2. Sự phân bố.................................................................................................... 15 1.1.3. Sự chuyển hóa .............................................................................................. 17 1.2. Các con đƣờng di chuyển của kim loại nặng trong đất .............................................. 21 1.2.1. Khuếch tán và phân tán ................................................................................ 22 1.2.2. Dòng chảy ƣu thế ......................................................................................... 22 1.2.3. Di chuyển cùng với keo đất ......................................................................... 23 1.2.4. Sự di chuyển của phức hữu cơ–kim loại hòa tan ......................................... 24 1.2.5. Rửa trôi và di chuyển nhờ dòng chảy bề mặt .............................................. 26 1.2.6. Bay hơi ......................................................................................................... 27 1.3. Tổng quan về đất trồng lúa nƣớc .................................................................................. 27 1.3.1. Đặc tính của đất trồng lúa nƣớc ................................................................... 27 1.3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự di chuyển của kim loại nặng trong đất lúa ... 34 1.4. Tổng quan về nguồn nƣớc tƣới ..................................................................................... 42 1.4.1. Khái quát chung về các loại nƣớc tƣới ........................................................ 42 1.4.2. Nguy cơ tích lũy kim loại nặng trong đất do sử dụng nƣớc thải ................. 44 1.4.3. Tình hình sử dụng nguồn nƣớc tƣới cho nông nghiệp tại huyện Thanh Trì, Hà Nội .................................................................................................................... 46 1.5. Mô hình mô phỏng sự tić h lũy , phân bố và di chuyển của kim loại nặng trong đất47 1.5.1. Mô hình mô phỏng sƣ̣ tích lũy, phân bố của kim loại nặng ......................... 47 1.5.2. Mô hình mô phỏng sƣ̣ di chuyể n của kim loại nặng .................................... 48 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................................... Error! Bookmark not defined. 2 2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................Error! Bookmark not defined. 2.1.1. Mô tả khu vực nghiên cứu ........................... Error! Bookmark not defined. 2.1.2. Đối tƣợng nghiên cứu .................................. Error! Bookmark not defined. 2.2. Nô ̣i dung nghiên cứu .......................................................Error! Bookmark not defined. 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................Error! Bookmark not defined. 2.3.1. Phƣơng pháp xác định các thông số cơ bản trong môi trƣờng nƣớc , đấ t và trầ m tić h ................................................................. Error! Bookmark not defined. 2.3.2. Phƣơng pháp mô phỏng sự tích lũy, phân bố kim loại nặng trong đấtError! Bookmark 2.3.3. Phƣơng pháp nghiên cƣ́u sự di chuyển kim loại nặng trong đất Error! Bookmark not d 2.3.4. Nghiên cƣ́u ảnh hƣởng của điề u kiê ̣n khƣ̉ đến động thái kim loại nặng Error! Bookmar 2.3.5. Phƣơng pháp xƣ̉ lý số liê ̣u............................ Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬNError! Bookmark not defined. 3.1. Đặc tính cơ bản của nguồn nƣớc tƣới và đất khu vực nghiên cứuError! Bookmark not defined. 3.1.1. Đặc tính cơ bản nguồn nƣớc tƣới ................. Error! Bookmark not defined. 3.1.2. Đặc tính cơ bản của đất khu vực nghiên cứu Error! Bookmark not defined. 3.2. Sự tích lũy và phân bố của kim loại nặng trong đất ....Error! Bookmark not defined. 3.2.1. Hàm lƣợng kim loại nặng tổng số trong đất Error! Bookmark not defined. 3.2.2. Sự phân bố không gian hàm lƣợng kim loại nặng trong đấtError! Bookmark not defin 3.2.3. Các dạng liên kết của kim loại nặng trong đấtError! Bookmark not defined. 3.3. Sự di chuyển của kim loại nặng trong đất ....................Error! Bookmark not defined. 3.3.1. Khả năng cố định kim loại nặng của pha rắnError! Bookmark not defined. 3.3.2. Tốc độ di chuyển của kim loại nặng trong đấtError! Bookmark not defined. 3.3.3. Mô hiǹ h thƣ̉ nghiê ̣m tố c đô ̣ di chuyể n và nồ ng đô ̣ của kim loại nặng trong mẫu đấ t xã Đa ̣i Áng ............................................... Error! Bookmark not defined. 3.3.4. Biện luận sai số trong quá trình mô phỏng .. Error! Bookmark not defined. 3.4. Ảnh hƣởng của điề u kiê ̣n khƣ̉ đến đô ̣ng thái của kim loại nặng Error! Bookmark not defined. 3.4.1. Động thái thế oxi hóa–khử (Eh) và pH trong đấtError! Bookmark not defined. 3.4.2. Động thái của Fe2+ và Mn2+ ......................... Error! Bookmark not defined. 3.4.3. Động thái của phốt phát (PO43-) và sunfat (SO42-)Error! Bookmark not defined. 3.4.4. Động thái của Ca2+ và Mg2+ ......................... Error! Bookmark not defined. 3 3.4.5. Động thái của các kim loại nặng .................. Error! Bookmark not defined. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHI ....................................... Error! Bookmark not defined. ̣ DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ.......................................................................... Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 51 PHỤ LỤC ...................................................................... Error! Bookmark not defined. 4 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Hàm lƣợng trung bình của KLN trong một số loại đá chính ........................12 Bảng 1.2. Hàm lƣợng KLN trong một số nguồn bổ sung trong nông nghiệp ...............14 Bảng 1.3. Hàm lƣợng Zn trong chất thải của mô ̣t số ngành công nghiê ̣p .....................15 Bảng 1.4. KLN trong một số đá và khoáng vật của đất ................................................16 Bảng 1.5. Ảnh hƣởng của điều kiện đất tới khả năng linh động của KLN ...................36 Bảng 2.1. Mô tả phẫu diê ̣n đấ t ....................................... Error! Bookmark not defined. Bảng 2.2. Các phƣơng pháp phân tích mẫu nƣớc, đấ t và trầ m tić hError! Bookmark not defined. Bảng 3.1. Các dạng liên kết của KLN trong trầm tích .. Error! Bookmark not defined. Bảng 3.2. Một số tính chất hóa ho ̣c của mẫu đấ t ........... Error! Bookmark not defined. Bảng 3.3. Một số tính chất hóa lý của mẫu đấ t ............. Error! Bookmark not defined. Bảng 3.4. Hàm lƣợng cation trao đổi và KLN tổng số của mẫu đất Error! Bookmark not defined. Bảng 3.5. Hàm lƣợng KLN tổng số tại khu vực nghiên cứuError! Bookmark not defined. Bảng 3.6. Hàm lƣợng các da ̣ng liên kết của KLN ......... Error! Bookmark not defined. Bảng 3.7. Hằng số Freundlich Kf và β của các kim loại nặngError! Bookmark not defined. Bảng 3.8. Hàm lƣơ ̣ng KLN (Cu, Pb, Zn) trong mô hình lý thuyết và trong mô hình PTN ................................................................................ Error! Bookmark not defined. Bảng 3.9. Hê ̣ số tƣơng quan hàm lƣơ ̣ng KLN với các yế u tố môi trƣờng ............ Error! Bookmark not defined. Bảng 3.10. Phƣơng triǹ h hồ i quy hàm lƣơ ̣ng KLN với các yế u tố môi trƣờng .... Error! Bookmark not defined. 5 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ chuyể n hóa KLN trong đấ t (Hodgson, 1963) ......................................18 Hình 1.2. Hình thái phẫu diện đất lúa ............................................................................28 Hình 2.1. Sơ đồ nô ̣i dung nghiên cƣ́u ............................ Error! Bookmark not defined. Hình 2.2. Sơ đồ vi ̣trí lấ y mẫu và khu vƣ̣c nghiên cƣ́u .. Error! Bookmark not defined. Hình 2.3. Mô hình PTN mô phỏng sƣ̣ di chuyể n và giải phóng KLNError! Bookmark not defined. Hình 3.1. Giá trị pH của mẫu nƣớc ............................... Error! Bookmark not defined. Hình 3.2. Hàm lƣợng chất ô nhiễm của mẫu nƣớc ........ Error! Bookmark not defined. Hình 3.3. Giá trị PO43- của mẫu nƣớc ............................ Error! Bookmark not defined. Hình 3.4. Giá trị NH4+ của mẫu nƣớc ............................ Error! Bookmark not defined. Hình 3.5. Hàm lƣợng cation và anion của mẫu nƣớc .... Error! Bookmark not defined. Hình 3.6. Hàm lƣợng KLN của mẫu nƣớc .................... Error! Bookmark not defined. Hình 3.7. Hàm lƣợng CHC và TPCG của trầ m tić h ...... Error! Bookmark not defined. Hình 3.8. Thành phần Cation trao đổi của trầm tích ..... Error! Bookmark not defined. Hình 3.9. Hàm lƣợng KLN của trầ m tić h ...................... Error! Bookmark not defined. Hình 3.10. Sơ đồ phân bố của Cu .................................. Error! Bookmark not defined. Hình 3.11. Sơ đồ phân bố của Pb .................................. Error! Bookmark not defined. Hình 3.12. Sơ đồ phân bố của Zn .................................. Error! Bookmark not defined. Hình 3.13. Sự di chuyển của Cu , Pb, Zn trong phẫu diê ̣n đấ t nghiên cƣ́u ta ̣i điể m quan sát khác nhau (b) thời gian quan sát khác nhauError! Bookmark (a) các not defined. Hình 3.14. Sự thay đổi của Eh–pH theo thời gian ......... Error! Bookmark not defined. Hình 3.15. Sự thay đổi nồng độ Fe2+, Mn2+ hòa tan và COD theo thời gian ......... Error! Bookmark not defined. Hình 3.16. Sự thay đổi nồng độ PO43- và SO42- theo thời gianError! Bookmark not defined. 6 Hình 3.17. Sự thay đổi nồng độ Ca2+ và Mg2+ theo thời gianError! Bookmark not defined. Hình 3.18. Sự thay đổi nồng độ KLN (Cu, Pb và Zn) theo thời gianError! Bookmark not defined. Hình 3.19. Động thái của KLN trong CT2 .................... Error! Bookmark not defined. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CEC : Dung tích trao đổi cation (cation exchange capacity) CHC : Chất hữu cơ CT : Công thƣ́c DOM : Chấ t hƣ̃u cơ hòa tan (dissolved organic matter) DOC : Các bon hữu cơ hòa tan (dissolved organic carbon) HOAc : Axit axetic HST : Hệ sinh thái KCN : Khu công nghiệp KLN : Kim loại nặng NH4OAc : Amoni axetat NTTS : Nuôi trồ ng thủy sản PTN : Phòng thí nghiệm RAT : Rau an toàn TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TLTK : Tài liệu tham khảo TN : Thí nghiệm TPCG : Thành phần cơ giới VSV : Vi sinh vật 7