Nghiên cứu sự vận động của asen trong nước ngầm tại khu vực nam dư hoàng mai hà nội trên cơ sở phân tích asen trong các pha liên kết của trầm tích

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
***
NGUYỄN THỊ HOA MAI
NGHIÊN CỨU SỰ VẬN ĐỘNG CỦA ASEN TRONG NƯỚC
NGẦM TẠI KHU VỰC NAM DƯ – HOÀNG MAI – HÀ NỘI
TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH ASEN TRONG CÁC
PHA LIÊN KẾT CỦA TRẦM TÍCH
CHUYÊN NGÀNH: HÓA PHÂN TÍCH
MÃ SỐ : 62440118
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. GS. TS. PHẠM HÙNG VIỆT
2. TS. PHẠM THỊ KIM TRANG


HÀ NỘI – 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là trung thực và nội dung này chưa từng được công bố trong
bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đó.
Hà nội, tháng 02 năm 2014
Tác giả luận án
Nguyễn Thị Hoa Mai
2
LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Giáo sư, Tiến sĩ Phạm
Hùng Việt và Tiến sĩ Phạm Thị Kim Trang đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn và tạo
điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Giáo sư, Tiến sĩ Dieke Postma, Cục địa chất Đan
Mạch và Greenland, người tạo điều kiện cho tôi thực hiện các thí nghiệm về hấp

phụ trong thời thực tập khoa học tại Đan Mạch.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị và bạn bè đồng nghiệp thuộc Trung
tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững, Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên, đặc biệt Ths. Cao Thị Mai Trang, Ths. Nguyễn Thị Thu Trang,
Ths. Hoàng Thị Tươi đã cộng tác hiệu quả trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin gửi lời tri ân tới các thầy, cô giáo Bộ môn Hóa Phân tích, Khoa Hóa,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình truyền
đạt cho tôi những kiến thức quý báu làm nền tảng tri thức cho tôi thực hiện luận án.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Giáo sư Tiến sĩ Flemming Larsen, Cục địa chất
Đan Mạch và Greenland; Phó giáo sư, Tiến Sĩ Phạm Quý Nhân và các bạn đồng
nghiệp ở Trường Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội thuộc dự án "Nghiên cứu sự ô nhiễm
của As trong nước ngầm tại đồng bằng sông Hồng ở Việt Nam – VietAs – DANIDA”
đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình lấy mẫu và các hoạt động khoa học ngoài
hiện trường có liên quan tới luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới những người thân trong gia đình, chồng và con
gái luôn luôn chia sẻ, thấu hiểu và là điểm tựa vững chắc về tinh thần trong toàn bộ
thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ quý báu về kinh phí của dự án VietAs –
DANIDA và Trung tâm CETASD, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học
Quốc gia Hà Nội.
Hà Nội, tháng 02 năm
2014
Tác giả luận án

3
4
MỤC LỤC

5
Nguyễn Thị Hoa Mai

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN
AAS
: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử
(Atomic absorption spectrophotometric)
CEC : Dung lượng trao đổi cation (Cation exchange capacity)
CRM : Mẫu trầm tích chuẩn kiểm chứng (Certified reference material)
DOC : Hàm lượng cacbon hữu cơ hòa tan (Dissolve organic carbon)
GC
: Phương pháp sắc kí khí (Gas chromatography)
LOQ : Giới hạn định lượng của phương pháp phân tích (Limit of quantitation)
PZC
: Điểm đẳng điện (Point of zero charge)
PIPES
: Axit 1,4-piperazin dietan sunfonic (1,4- piperazinediethanesulfonic acid)
WHO
: Tổ chức y tế thế giới (World Health Organization)
SI
: Chỉ số bão hòa của khoáng (Saturation index)
TDS
: Tổng chất rắn hòa tan (Total dissolved solids)
UV-Vis
: Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại và khả kiến
(UV-Visible Spectroscopy)
IF : Hệ số ảnh hưởng của tạp chí (Impact factor)
6
DANH MỤC BẢNG
7
8
MỞ ĐẦU
Ô nhiễm Asen (As) trong nước ngầm xảy ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt là ở

khu vực Nam và Đông Nam Á trong đó có Băng la đét, Tây Ấn và Việt Nam [9, 10,
22, 40, 66, 72]. Theo các nghiên cứu ở khu vực này cho thấy, ô nhiễm As thường xảy
ra trong tầng chứa nước trẻ Holocen ở các đồng bằng châu thổ được bồi đắp phù sa
bởi các con sông lớn bắt nguồn từ dãy núi Himalaya. Cơ chế giải thích cho sự xuất
hiện của As được chấp nhận rộng rãi là cơ chế khử hòa tan khoáng sắt oxit, đồng thời
xảy ra quá trình đồng hòa tan As vốn hấp phụ trên khoáng trong trầm tích [9, 20, 59,
66, 67, 73]. Trong khi đó, tầng chứa nước Pleistocen cổ hơn, nằm sâu hơn so với
tầng chứa nước Holocen ít bị ô nhiễm As hơn có thể do chịu sự rửa trôi lâu hơn của
các dòng nước ngầm qua các thời kì băng hà và băng tan hoặc do các trầm tích
Pleistocen có tính oxi hóa nên có khả năng lưu giữ hấp phụ As chặt hơn [72, 76, 86].
Cùng với sự phát triển kinh tế và xã hội là nhu cầu sử dụng và khai thác nước
ngầm ngày một tăng. Tại Hà Nội, nước ngầm bắt đầu được khai thác từ năm 1909
(nhà máy nước Yên Phụ), cho đến nay nước ngầm cùng vẫn là nguồn nước cấp
quan trọng cho thành phố với hơn 7 triệu dân [9]. Việc khai thác nước ngầm diễn ra
cả ở tầng chứa nước nông Holocen và tầng chứa nước sâu Pleistocen tương ứng với
quy mô khai thác nước nhỏ lẻ của người dân hoặc tập trung của các nhà máy nước.
Các hoạt động khai thác của người dân chủ yếu diễn ra ở tầng chứa nước nông
Holocen với độ sâu <50m và phân bố rộng trên toàn đồng bằng Sông Hồng. Trong
khi đó, hoạt động khai thác nước tập trung của các nhà máy nước diễn ra chủ yếu ở
phía khu vực phía Nam Hà Nội – nơi có Sông Hồng chảy qua. Theo báo cáo của
Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Bắc: tổng công suất khai
thác nước ngầm trên toàn thành phố là 1.100.000m
3
/ngày đêm, trong đó chỉ riêng
khu vực phía Nam là 700.000m
3
/ngày đêm [9, 61]. Các nhà máy nước ở khu vực
này tiến hành khai thác nước ngầm ở tầng chứa nước Pleistocen ở độ sâu 50-100m
và kết hợp với kĩ thuật lọc thấm bờ. Lọc thấm bờ là quá trình nước mặt thấm qua
đáy sông, hồ, các lớp trầm tích và đi vào tầng chứa nước gần kề một cách tự nhiên.

Nếu chúng ta xây dựng một hệ thống lỗ khoan hút nước gần các sông hồ, sẽ tạo ra
quá trình thấm cưỡng bức do sự chênh lệch về thủy lực giữa nước ngầm và nước
9
sông. Hệ thống lọc tự nhiên là tốt vì có thể hạn chế quá trình xử lý thứ cấp nhưng
nếu các tầng chứa nước phía trên chứa các chất ô nhiễm khó lọc cơ học thì sẽ xảy ra
nguy cơ lan truyền ô nhiễm trong toàn bộ tầng chứa nước ngầm bên dưới [82].
Ô nhiễm As trong nước ngầm ở đồng bằng Sông Hồng được phát hiện vào
năm 1998. Kể từ đó đến nay, có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành. Hầu hết
các kết quả nghiên cứu đều cho thấy hàm lượng As trong nước ngầm tầng chứa
nước Holocen vượt quá tiêu chuẩn cho phép của tổ chức y tế giới WHO 10µg/L [9,
21, 66]. Tuy nhiên, gần đây các nghiên cứu ở khu vực phía Nam Hà Nội có những
phát hiện mới đi ngoài xu hướng trên đó là tại những khu vực này As xuất hiện với
nồng độ cao trong cả tầng nông Holocen và tầng sâu Pleistocen. Cụ thể, tác giả
Micheal Berg và các cộng sự trong nghiên cứu ở Hoàng Liệt – Hà Nội lại phát hiện
thấy ô nhiễm As xảy ra trong cả tầng chứa nước Holocen và tầng chứa nước
Pleistocen [9, 90]. Một nghiên cứu khác của tác giả Jenny Norrman ở khu vực Nam
Dư – Hà Nội cũng chỉ ra rằng những nơi mà tầng chứa nước Holocen có hàm lượng
As cao thì tầng chứa nước Pleistocen cũng có hàm lượng cao [61]. Do Hoàng Liệt
và Nam Dư đều thuộc khu vực phía Nam Hà Nội và tại đây có sự khai thác nguồn
nước dưới đất mạnh mẽ. Kết hợp với tài liệu địa chất về dải ven sông Hồng cho
thấy các hoạt động xâm thực đã bào mòn, khiến sự phân bố của tầng cách nước
Pleistocen – Holocen không đồng đều và hình thành các "cửa sổ địa chất thủy văn"
hoặc mất hẳn tầng cách nước, dẫn đến sự trao đổi nước giữa hai tầng chứa nước
diễn ra mạnh mẽ hoặc thông trực tiếp với nhau tạo thành một hệ thống thuỷ động
lực duy nhất. Các tác giả này đều cho rằng chính việc bơm khai thác nước đã khiến
cho As lan truyền từ tầng chứa nước Holocen xuống tầng chứa nước Pleistocen.
Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ dừng lại ở việc phát hiện chứ chưa có các bằng
chứng địa hóa cụ thể để chứng minh.
Nhằm góp phần cung cấp các bằng chứng về mặt địa hóa cho sự rửa trôi As dưới
tác động của việc bơm khai thác nước, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sự vận

động của As trong nước ngầm tại khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội trên
cơ sở phân tích As trong các pha liên kết của trầm tích”.
Mục tiêu nghiên cứu:
10
Tối ưu quy trình chiết As trong các pha liên kết của trầm tích và nghiên cứu
quá trình hấp phụ, giải hấp phụ của As trên trầm tích nhằm tìm ra cơ chế giải phóng
As từ trầm tích vào nước ngầm trong tầng chứa nước Holocen và quá trình vận
động của As từ tầng chứa nước Holocen xuống tầng chứa nước Pleistocen dưới tác
động của hoạt động khai thác nước tại khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội.
Nội dung nghiên cứu:
Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án tập trung vào 2 nhóm nội dung chính sau:
• Về nghiên cứu phương pháp:
(1) Tối ưu quy trình chiết As trên các pha khoáng trong trầm tích: lựa chọn tác
nhân chiết, thời gian chiết và điều kiện tiến hành chiết.
(2) Khảo sát các điều kiện tiến hành thí nghiệm hấp phụ, giải hấp phụ As trên
trầm tích tự nhiên trong điều kiện yếm khí: khảo sát các điều kiện tạo yếm khí, lựa
chọn dung dịch nền, thời gian hấp phụ đạt cân bằng.
• Ứng dụng các phương pháp vào nghiên cứu các quá trình dịch chuyển As trong các
tầng chứa nước Holocen và Pleistocen:
(1) Nghiên cứu sự phân bố của As trên các pha khoáng trong trầm tích tầng chứa nước
Holocen ở khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội nhằm tìm ra nguồn giải phóng
As từ trầm tích vào nước ngầm.
(2) Nghiên cứu quá trình hấp phụ và giải hấp phụ As(III), As(V) lên trầm tích tầng
chứa nước Holocen ở khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội.
(3) Nghiên cứu các bằng chứng về sự rửa trôi As từ trầm tích ra nước ngầm trong tầng
chứa nước Holocen dựa vào mối tương quan giữa As trong trầm tích và nước ngầm;
mối tương quan giữa As và các thành phần hóa học trong nước ngầm ở khu vực
Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội.
(4) Nghiên cứu các bằng chứng về sự dịch chuyển As từ tầng chứa nước Holocen xuống
tầng chứa nước Pleistocen dưới tác động của khai thác nước ngầm ở khu vực Nam Dư –

Hoàng Mai – Hà Nội: so sánh thành phần hóa học trong nước sông, nước ngầm Holocen,
nước ngầm Pleistocen ở khu vực khai thác nước (Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội) và
khu vực không khai thác nước (Vạn Phúc – Thanh Trì – Hà Nội).
Điểm mới, những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn của luận án:
 Về mặt khoa học:
11
Luận án đã tối ưu được quy trình chiết hòa tách chọn lọc As trên các pha liên
kết trong trầm tích, lựa chọn được 5 tác nhân chiết: NaHCO
3
0,5M, pH = 8,5;
HCOOH 0,5M, pH = 3; axit ascobic 0,1M, pH = 3; hỗn hợp NH
4
– oxalat 0,2M và
axit ascobic 0,1M, pH = 3; HNO
3
65% tương ứng với 5 pha phân bố của As: pha hấp
phụ trên bề mặt trầm tích; pha khoáng dễ hòa tan; pha khoáng sắt hidroxit tinh thể;
pha khoáng sắt pyrit. Các bước chiết được tiến hành chiết song song, trong đó bốn
bước chiết đầu được thực hiện trong điều kiện hệ chiết kín với thời gian chiết tối ưu
là 6 giờ. Quy trình này có độ lặp tốt với độ lệch chuẩn tương đối nhỏ hơn 10%.
Luận án đã lựa chọn được các điều kiện tiến hành thí nghiệm hấp phụ và giải
hấp phụ của As trên trầm tích tự nhiên trong điều kiện yếm khí: sử dụng dung dịch
nền NaHCO
3
10mM, thời gian hấp phụ đạt cân bằng là 3 ngày, điều kiện yếm khí
trong glove box được tạo ra bằng hỗn hợp khí N
2
:H
2
(97%:3%), qua xúc tác Pd và

dung dịch đệm Fe(II).
 Về mặt thực tiễn:
As trong trầm tích Holocen ở khu vực Nam Dư với độ sâu từ 0,9m đến -40m
tồn tại chủ yếu trong pha khoáng sắt hidroxit tinh thể. Đây là pha khoáng chính
chứa As và là nguồn chủ yếu giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm trong môi
trường khử.
Sự hấp phụ của As(V) trong trầm tích ở khu vực Nam Dư cao hơn so với
As(III) từ 7-10 lần. Quá trình hấp phụ và giải hấp phụ của As(III) là thuận nghịch,
trong đó đối với As(V) thì kém thuận nghịch hơn. Kết quả này góp phần chứng tỏ
As(III) linh động hơn so với As(V) và làm rõ hơn cơ chế dịch chuyển của As trong
nước ngầm.
Luận án đã chỉ ra bằng chứng về mặt địa học của quá trình rửa trôi của As từ
trầm tích vào nước ngầm trong tầng chứa nước Holocen và sự di chuyển của As từ
tầng chứa nước Holocen xuống tầng chứa nước Pleistocen dưới tác động của khai
thác nước ở khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội. Nghiên cứu đã góp phần giải
thích sự dịch chuyển của As trong các tầng chứa nước ở khu vực phía Nam Hà Nội.
Đây là một hướng nghiên cứu mới, kết hợp các kiến thức liên ngành: hóa học phân
12
tích, địa hóa môi trường, địa chất thủy văn lần đầu tiên được thực hiện ở Việt Nam.
Đây là một nghiên cứu có tính thực tiễn cao trong đó sử dụng các phương pháp phân
tích làm công cụ chủ yếu để nghiên cứu đối tượng môi trường cụ thể là trầm tích,
nước ngầm.
Luận án nằm trong khuôn khổ dự án hợp tác quốc tế “Nghiên cứu sự ô nhiễm
As trong nước ngầm tại đồng bằng châu thổ sông Hồng ở Việt Nam - VietAs
Danida” giữa Việt Nam và Đan Mạch ( Các kết quả
của luận án được công bố trên 05 bài báo ở các tạp chí chuyên ngành trong nước, 01
bài báo tại hội nghị quốc tế Analytica và 01 bài báo ở tạp chí quốc tế Geochimica et
Cosmochimica Acta (IF =4,4). Một phần kết quả của luận án đã được trình bày
poster tại Hội nghị Quốc tế về As trong nước ngầm khu vực Nam Á, tháng 11 năm
2011 tổ chức tại Hà Nội và hội nghị hóa học Analytica, tháng 4 năm 2013 tại thành

phố Hồ Chí Minh.
13
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Sự vận động của As trong các tầng chứa nước Holocen,
Pleistocen ở các đồng bằng châu thổ khu vực Nam và Đông Nam
Á
1.1.1. Đặc điểm địa hóa của các tầng chứa nước đồng bằng châu thổ sông
Hồng, Việt Nam
Đồng bằng châu thổ sông Hồng được hình thành từ sự lắng đọng, bồi tụ phù sa
theo dòng chảy của sông Hồng trong thời gian hàng chục nghìn năm. Dựa vào đặc
điểm địa chất – địa chất thuỷ văn như: tính thấm, hệ số nhả nước, các đặc tính thuỷ
động lực, có thể phân chia địa tầng thuộc kỷ Đệ tứ thành ba phân vị địa chất thủy
văn chính: tầng chứa nước Holocen, lớp cách nước Holocen – Pleistocen và tầng
chứa nước Pleistocen [2].
Thuật ngữ “tầng chứa nước” (aquifer) là khái niệm bao gồm nước ngầm và trầm
tích nằm dưới mặt đất. Đặc điểm của trầm tích và nước ngầm trong các tầng chứa
nước và tầng cách nước này ở đồng bằng châu thổ sông Hồng được mô tả như sau:
Tầng chứa nước Holocen (qh): là tầng chứa nước thứ nhất tính từ mặt đất và có
tuổi trẻ nhất (<10.000 năm). Độ dày của của tầng này từ 1–2 m đến 40–50 m [46].
Hình 1.1. Cát hạt mịn phân lớp mỏng lẫn bột tướng đồng bằng, tầng chứa nước
Holocen ở lỗ khoan VP2, Hà Nội (6,9 –7,2 m)
Trầm tích tầng chứa nước Holocen ở phía trên có thành phần cát, bùn, sét của
tướng aluvi hệ tầng Thái Bình, trong khi đó ở phía dưới là các thấu kính của cát,
bùn, sét hệ tầng Hải Hưng. Hàm lượng chất hữu cơ trong trầm tích tầng chứa nước
Holocen ở đồng bằng châu thổ thường khá cao, chiếm 0,26 – 3,57%, trung bình
1,81%. Nguyên nhân là do trầm tích trong tầng này có sự bồi tích thường xuyên của
14
phù sa giàu chất hữu cơ. Đồng thời, do tầng này hình thành muộn nhất sau nên chịu
sự rửa trôi ít nhất.
Nước ngầm tầng chứa nước Holocen là nước nhạt, mềm hoặc cứng nhẹ và có

dạng canxi bicacbonat, natri canxi bicacbonat [46].
Nước ngầm trong tầng này bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự thấm thấu của nước
mưa và nước sông. Các kết quả nghiên cứu cho thấy biên độ dao động của mực
nước giảm theo khoảng cách so với sông. Do đó, tầng chứa nước này chủ yếu được
bổ cập bởi nước mưa và nước bề mặt, đặc biệt là sông Hồng. Đồng thời, nước ngầm
trong tầng chứa nước Holocen bị thất thoát đi chủ yếu là do quá trình bốc hơi hoặc
thẩm xuyên xuống tầng chứa nước bên dưới – tầng chứa nước Pleistocen, thoát ra
sông Hồng vào mùa khô hạn hoặc do khai thác phục vụ nhu cầu sinh hoạt.
Tầng chứa nước Pleistocen (qp)
15
Hình 1.2a. Cát thô Pleistocen muộn tướng sông suối ở lỗ khoan VP2, Hà Nội (28‐28,3 m)
Tầng chứa nước Pleistocen phân bố rộng rãi ở vùng đồng bằng châu thổ sông
Hồng, nằm bên dưới tầng chứa nước Holocen và tầng cách nước Pleistocen –
Holocen và có tuổi 10.000 năm đến 16.000 năm. Thành tạo tầng này bao gồm 3 hệ
tầng: hệ tầng Lệ Chi, hệ tầng Hà Nội và hệ tầng Vĩnh Phúc [46]. Các trầm tích này
đan xen bởi các lớp mùn sét nguồn gốc đầm lầy hệ tầng Lệ Chi, cát bùn, sét nguồn
gốc đầm phá hệ tầng Hà Nội. Trầm tích ở các tầng chứa nước dưới sâu được tích tụ
trong suốt thời kì Pleistocen tạo nên tầng chứa nước Pleistocen. Lớp trầm tích này
được xem là trầm tích biển cạn cấu thành từ lớp phiến cát và đất sét. Những trầm
tích này có một lớp sỏi cứng với màu sắc nâu nhạt giống như sự phong hoá đá ong
như là một chỉ thị cho các điều kiện oxi hoá sau quá trình tích tụ (hình 1.2). Sự thể
hiện các điều kiện oxi hoá của trầm tích này có thể được giải thích bằng mực nước
biển hạ thấp tương ứng với băng hà cực đại lần cuối cùng – lúc đó mực nước biển
hạ thấp xuống độ sâu 120m so với mực biển hiện tại hoặc quá trình nâng lên của vỏ
trái đất tương ứng với trầm tích cao tại Vịnh Bắc bộ [80].
Do tầng chứa nước Pleistocen hình thành trước so với tầng chứa nước
Holocen, chịu ảnh hưởng các quá trình rửa trôi trong thời kì biển lùi, biển tiến nên
trầm tích Pleistocen cổ hơn và chứa ít các chất hữu cơ cũng như các chất hòa tan
16
khác. Do vậy, các nhà máy nước thường khai thác nước tầng này cung cấp nước

sinh hoạt cho người dân.
Nước ngầm trong tầng chứa nước Pleistocen chủ yếu được bổ cập bởi sự
thấm thấu của tầng chứa nước phía trên và một phần nước sông thông qua đáy
sông. Bên cạnh đó nước ngầm trong tầng này bị thất thoát đi chủ yếu là do khai
thác phục vụ nhu cầu sinh hoạt.
Tầng cách nước Pleistocen – Holocen
Nằm giữa tầng chứa nước Holocen và tầng chứa nước Pleistocen là tầng cách
nước Pleistocen – Holocen. Tầng này được thành tạo chủ yếu bởi sét, sét pha, cát
pha lẫn xác thực vật của hệ tầng Hải Hưng ở phần trên và các lớp sét, sét loang lổ
của hệ tầng Vĩnh Phúc ở phần dưới (hình 1.3 và 1.4).
Hình 1.2. Sét bột và sét phong hóa
loang lổ nguồn gốc biển ở lỗ khoan
VP1, Hà Nội (13‐13,74 m)
Hình 1.3. Sét, sét bột giàu vật chất hữu
cơ tướng đầm lầy ở lỗ khoan VP2, Hà
Nội (0,95-1,0 m)
17
Hình 1.2c. Cuội, sỏi thô
Pleistocen sớm tướng
sông ở lỗ khoan VP2, Hà
Nội (55-57 m)
Hình 1.2b. Cát, sỏi thô
Pleistocen muộn tướng
sông suối ở lỗ khoan
VP2, Hà Nội (39,2- 41,2
m)
Hình 1.4. Cửa sổ địa chất thủy văn giữa tầng chứa nước Pleistocen và tầng chứa
nước Holocen ở vùng Hà Nội
Sự kết hợp của các lớp trên tạo thành một tầng trầm tích dày 6 – 11,5m đóng
vai trò như một tầng cách nước, chia tách tầng chứa nước Holocen nằm phía trên và

tầng chứa nước Pleistocen nằm phía dưới. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã chỉ
ra rằng khu vực ven sông Hồng, các hoạt động xâm thực đã bào xói, khiến sự phân
bố của tầng cách nước này không đồng đều và hình thành các "cửa sổ địa chất thủy
văn" hoặc cắt hẳn tầng ngăn cách. Điều này làm cho sự trao đổi nước giữa hai tầng
chứa nước diễn ra mạnh hoặc hai tầng chứa nước nằm trực tiếp với nhau tạo thành
một hệ thống thuỷ động lực duy nhất dẫn đến nguy cơ các chất ô nhiễm lan truyền
từ tầng chứa nước Holocen xuống tầng bên dưới Pleistocen (hình 1.5) [46].
Như vậy, ở đồng bằng châu thổ sông Hồng tầng chứa nước Holocen và tầng
chứa nước Pleistocen là hai nguồn quan trọng cung cấp nước sinh hoạt cho người
dân. Trong đó, tầng chứa nước Holocen thì nông hơn, trẻ hơn và vẫn được bồi đắp
phù sa hàng năm, còn tầng chứa nước Pleistocen thì nằm sâu hơn, già hơn do đó
chịu thời gian rửa trôi lâu hơn. Chính do sự khác biệt này dẫn đến sự phân bố của
As trong các tầng chứa nước này có điểm đặc trưng riêng.
18
1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm As trong nước ngầm tầng chứa nước Holocen,
Pleistocen ở các đồng bằng châu thổ khu vực Nam và Đông Nam Á
Ô nhiễm As được phát hiện trong nước ngầm ở nhiều nơi trên thế giới như
Achentina, Mêhicô, Chilê, Hungary, Rumani, Mỹ, Đài Loan, Trung Quốc, Ấn Độ,
Băng la đét, Nê-pan, Myanma, Việt Nam (hình 1.6)[72].
Hình 1.5. Các khu vực có ô nhiễm As trên thế giới [72]
Hầu hết sự ô nhiễm As trong nước ngầm là do các quá trình tự nhiên, bên cạnh
đó một số khu vực bị ảnh hưởng bởi các hoạt động khai thác mỏ của con người. Các
điều kiện hình thành As tự nhiên trong nước ngầm diễn ra cũng khá đa dạng, chịu sự
chi phối bởi các quá trình địa hóa, sinh hóa và thủy văn. Các nghiên cứu chỉ ra rằng
As xuất hiện trong môi trường khử và môi trường oxi hóa; ở những nơi hạn hán và cả
những nơi ngập lụt, ở khu vực khai thác mỏ, các khu vực khoáng hóa [72].
Tại các đồng bằng châu thổ rộng lớn được bồi tích bởi các con sông lớn bắt
nguồn từ núi Himalaya, khu vực Nam và Đông Nam Á sự xuất hiện As trong nước
ngầm ở môi trường khử diễn ra rất phổ biến. Những khu vực này bao gồm Băng la
đét, Tây Ấn (Ấn Độ),Việt Nam, Căm pu chia, Nê pan, Nội Mông - Trung Quốc.

19
Hình 1.7 là kết quả nghiên cứu nồng độ As trong nước ngầm ở khu vực Nam
và Đông Nam Á trên 5 quốc gia: Nê pan, Tây Ấn, Băng la đét, Căm pu chia, Việt
Nam tương ứng với các đồng bằng: Sông Hằng, Sông Brahmaputra, Sông Megna,
Sông Mê Kông và Sông Hồng. Trên hình 1.7, các điểm biểu diễn sự phân bố As
được tô màu tương ứng với các đồng bằng ở phía trên và đường màu hồng biểu thị
tỷ lệ các giếng có nồng độ As trong nước vượt quá giới hạn cho phép - 10 μg/L của
tổ chức WHO [22].
Kết quả cho thấy có đến hơn 50% số giếng ở tầng chứa nước nông (độ sâu <
50m) đều vượt quá giới hạn cho phép 10 μg/L của Tổ chức Y tế Thế Giới về hàm
lượng As trong nước uống, trong khi đó ở tầng chứa nước sâu (độ sâu >100m) chỉ
20
Hình 1.6. Sự phân bố của As trong nước ngầm theo độ sâu
ở khu vực Nam và Đông Nam Á [22]
có khoảng 30% số giếng vượt giới hạn cho phép. Như vậy, kết quả này đã phác
họa bức tranh chung về sự ô nhiễm As ở các đồng bằng châu thổ thuộc khu vực
Đông Nam Á: tầng chứa nước nông Holocen bị ô nhiễm As trầm trọng trong khi
đó tầng chứa nước sâu Pleistocen lại ít bị ô nhiễm As hơn.
Trong một nghiên cứu về các tầng chứa nước có quy mô lớn được thực hiện
trên toàn vùng châu thổ Băng la đét và Tây Ấn chỉ ra rằng nước ngầm có nồng độ
As dao động trong một khoảng rộng từ < 0,5 đến 3200 µg/L. Trong đó, vùng bị
ảnh hưởng xấu nhất là khu vực đông nam Băng la đét (tỉnh Dhaka, Khulna …) có
hơn 90% giếng bị nhiễm (hình 1.8). Đồng thời, có đến 27% giếng thuộc tầng nông
Holocen ở Băng la đét có chứa nồng độ As > 50 µg/L. Tuy nhiên các giếng thuộc
tầng chứa nước Pleistocen lại có nồng độ As thấp, hầu hết < 5µg/L [10].
Đặc trưng của nước ngầm bị ô nhiễm As trong tầng chứa nước Holocen ở khu
vực Băng la đét và Tây Bengal đều xuất hiện hàm lượng Fe(II), NH
4
+
và HCO

3
-
(>
500mg/L) và P (>0,5mg/L) cao trong khi hàm lượng SO
4
2-
(< 1 mg/L), NO
3
-
và F
-
(<
1mg/L) thấp; pH của nước ngầm ở các khu vực này đều trung tính hoặc kiềm nhẹ.
Một số khu vực xuất hiện CH
4
trong nước ngầm. Thêm vào đó, các dạng As(III) và
Fe(II) chiếm chủ yếu trong nước ngầm. Điều này chứng tỏ môi trường nước ngầm
tầng chứa nước Holocen có tính khử mạnh [59].
21
Hình 1.7. Bản đồ phân bố của As trong nước ngầm ở Băng la đét [10]
Hình 1.8. Sự phân bố của As trong các tầng chứa nước Holocen, Pleistocen ở
Dhaka, Băng la đét [76]
Nhằm góp phần lý giải cho sự phân bố của As trong nước ngầm tại các tầng
chứa nước, Stolenwerk và các cộng sự [76] đã tiến hành nghiên cứu mối liên quan
giữa đặc tính của trầm tích, hàm lượng As trong trầm tích, hàm lượng As và các
thành phần hóa học trong nước ngầm ở tầng chứa nước Holocen và Pleistocen tại
khu vực Dhaka, Băng la đét (hình 1.9). Kết quả đã chỉ ra rằng, tại tầng chứa nước
Holocen, ứng với trầm tích có tính khử là hàm lượng As cao đạt giá trị cực đại lên
đến 600µg/L. Tuy nhiên, tại tầng chứa nước Pleistocen thì trầm tích có tính oxi
hóa tương ứng với hàm lượng As trong nước ngầm thấp <5µg/L. Lý giải cho điều

này, tác giả cho rằng tại tầng chứa nước Holocen, chính trầm tích có tính khử,
thuận lợi cho quá trình giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm. Trong khi đó,
trầm tích Pleistocen có tính oxi hóa lại thuận lợi cho quá trình hấp phụ As từ nước
ngầm vào trầm tích và dẫn đến hàm lượng As trong tầng này thấp.
Sự ô nhiễm As trong tầng trầm tích trẻ Holocen cũng được tìm thấy ở khu vực
đồng bằng sông Mê-Kông. Cụ thể, tại hai tỉnh An Giang và Đồng Tháp, Việt Nam,
hàm lượng As <1-845 µg/L (trung bình 39 µg/L); gần Thủ đô Phnom Pênh, Căm pu
22
chia: nồng độ As hòa tan thay đổi theo không gian, khoảng trên 1300µg/L trong
nước ngầm đến 600 µg/L ở nước lỗ rỗng chiết từ lớp sét sát bề mặt; tỉnh Kandal,
Căm pu chia nước ngầm ở khu vực có nồng độ As nằm trong khoảng từ 1-1610
µg/L (trung bình 217 µg/L, n=207) [8]. Nước ngầm ở khu vực này đều có tính khử
với nồng độ O
2
không đáng kể và nồng độ Fe(II), NH
4
+
, DOC hòa tan cao [8].
Là một trong các đồng bằng lớn nằm trong khu vực Đông Nam Á, đồng bằng
sông Hồng được bồi đắp bởi sông Hồng. Trong hơn một trăm năm qua, các tầng
nước ngầm của đồng bằng sông Hồng đang được khai thác trên quy mô lớn để sử
dụng làm nguồn nước sinh hoạt. Theo một số báo cáo của các nhà nghiên cứu trong
và ngoài nước được trình bày dưới đây cho chúng ta thấy nước ngầm ở đồng bằng
sông Hồng đang đe dọa sức khỏe hàng triệu người do bị ô nhiễm As [4, 9, 21, 66].
Hình 1.9. Sự phân bố nồng độ As và độ sâu tương ứng trong các giếng khoan ở
đồng bằng sông Hồng, các mẫu được thu thập từ năm 2005 – 2007[9]
Nhóm các nhà khoa học thuộc viện Khoa học và Công nghệ Nước, Thụy Sĩ
phối hợp cùng trung tâm nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền Vững,
trường Đại học Quốc gia Hà Nội đã tiến hành khảo sát trên toàn bộ khu vực đồng
bằng sông Hồng với tổng số 461 mẫu nước giếng khoan và kết quả phân tích cho

thấy hàm lượng As nằm trong khoảng rất rộng, từ mức <1µg/L cho tới > 400 µg/L.
Trong đó, 73% số mẫu có hàm lượng As <10 µg/L, 16% số mẫu có hàm lượng As
nằm trong khoảng 10-50µg/L, 11% số mẫu có lượng As nằm trong khoảng 50 µg/L
23
cho đến >400 µg/L. Như vậy có khoảng 11% số mẫu khảo sát không đạt tiêu chuẩn
nước ngầm về As. Con số 11% có thể không gây nên sự quá lo lắng về mức độ ô
nhiễm As khi xét chung toàn bộ khu vực đồng bằng sông Hồng. Tuy nhiên sự ô
nhiễm đó lại tập trung chủ yếu tại vùng bờ trái sông Hồng, xuyên qua một số tỉnh
đông dân như Hà Tây, Hà Nam, Hà Nội, Nam Định, Hưng Yên và Thái Bình (hình
1.10) [4].
Điểm đáng lưu ý trong nghiên cứu trên đó là hầu hết các giếng bị ô nhiễm As
(As > 50μg/l) là các giếng nông có độ sâu từ 15 - 60m. Trong khi đó, các giếng có
độ sâu hơn 80m không bị ô nhiễm As.
Trên địa bàn Hà Nội nghiên cứu của Michael Berg và các cộng sự tại khu vực
Vạn Phúc – nằm dọc bờ sông Hồng phía Nam đã nhận thấy các giếng khoan nằm ở
tầng chứa nước Holocen ở khu vực phía Nam thành phố gặp vấn đề As khá nghiêm
trọng với nồng độ As trung bình 159 µg/L [9].
Một nghiên cứu khác được thực hiện tại khu vực Vạn Phúc – Hà Nội cho thấy
nồng độ As ở tầng chứa nước Holocen cao, nằm trong khoảng 200-600µg/L, trong
khi đó nước ngầm tầng chứa nước Pleistocen lại có hàm lượng nhỏ hơn 10 µg/L [90].
Như vậy, bức tranh chung về sự phân bố As trong các tầng chứa nước ở
các đồng bằng Châu thổ khu vực Nam Á và Đông Nam Á như sau: ô nhiễm As
thường xuất hiện ở tầng chứa nước trẻ, nông, Holocen với các đặc trưng của
nước ngầm có môi trường khử mạnh mẽ, hàm lượng Fe(II), amôni, mê tan,
DOC cao. Trong khi đó tầng chứa nước già hơn, sâu hơn Pleistocen thường
không bị ô nhiễm As.
1.1.3. Quá trình vận động của As trong các tầng chứa nước Holocen,
Pleistocen
1.1.3.1. Quá trình hình thành As trong tầng chứa nước Holocen
Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra As trong trầm tích là nguồn gốc gây ra hàm

lượng As cao trong các tầng chứa nước nông Holocen. Tuy nhiên, nồng độ As trong
nước ngầm lớn không phải bao giờ cũng đi kèm với hàm lượng As cao trong trầm
24
tích. Kết quả nghiên cứu ở các khu vực nước ngầm bị ô nhiễm As trầm trọng đều
chỉ ra hàm lượng As trong trầm tích ở mức trung bình so với hàm lượng As trong vỏ
trái đất, nằm trong khoảng 1-20 mg/kg [9, 66, 72, 76, 78]. Đồng thời, các nghiên
cứu trước đây cũng chỉ ra rằng: quá trình giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm
chỉ xảy ra khi là nguồn As trên trầm tích bị hòa tan khi gặp các điều kiện thuận lợi
cho các quá trình sinh địa hóa diễn ra.
Hiện nay, có 3 cơ chế được chấp nhận để giải thích sự giải phóng As từ trầm
tích vào nước ngầm tầng nông Holocen ở các đồng bằng châu thổ Đông Nam Á: (1)
cơ chế khử hòa tan khoáng sắt hidroxit tinh thể chứa As với sự có mặt của các chất
hữu cơ; (2) cơ chế cạnh tranh hấp phụ giữa các anion AsO
4
3-
, AsO
3
3-
, PO
4
3-
, HCO
3
-
;
(3) cơ chế oxi hóa khoáng sắt pyrit chứa As. Trong đó, cơ chế (1) được chấp nhận
rộng rãi và thường xảy ra trong điều kiện môi trường nước ngầm có tính khử, cơ chế
(2) ít phổ biến hơn và thường xảy ra đồng thời với cơ chế 1, cơ chế (3) thì thường
xảy ra đối với nước ngầm có tính oxi hóa hoặc ở các khu khai thác mỏ.
Quá trình khử hòa tan các khoáng sắt hidroxit tinh thể chứa As:

Cơ chế này được chấp nhận rộng rãi để giải thích hàm lượng As cao trong các
tầng chứa nước nông ở các đồng bằng thuộc khu vực Nam và Đông Nam Á[9, 55,
66, 67, 85]. Hầu hết các nhà nghiên cứu đều thống nhất với giả định về sự hình
thành As trong trầm tích ở các đồng bằng châu thổ ở Châu Á có nguồn gốc từ núi
Himalaya. Các đá chứa As bị sói mòn và phong hóa thành các khoáng oxit sắt thứ
cấp. Trên đường di chuyển về phía hạ lưu, xảy ra quá trình hấp phụ As lên các
khoáng oxit sắt cũng như các khoáng còn lại sau quá trình phong hóa. Lúc này do
nước sông hiếu khí nên chủ yếu là dạng As(V) hấp phụ trên các khoáng. Theo dòng
chảy của các con sông, các khoáng mang As được lắng đọng tạo cùng với các chất
hữu cơ ở những khu vực thấp trũng tạo nên trầm tích trẻ châu thổ vùng hạ lưu. Theo
thời gian, các lớp trầm tích này càng ngày càng dày lên tạo thành nhiều lớp khác
nhau. Chúng có thể có độ sâu hàng trăm mét so với mặt đất hiện nay [32, 41]. Thêm
vào đó, hàng năm lũ lụt tại các vùng hạ lưu của các dòng sông lớn đã cung cấp một
lượng lớn các chất hữu cơ bao gồm xác động thực vật bị rửa lũa hoặc cuốn trôi từ
25