Nghiên cứu đánh giá nguồn gốc các chất dinh dưỡng và sự trao đổi kim loại nặng trong môi trường nước và trầm tích tại lưu vực sông cầu, địa phận tỉnh hải dương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Lê Sĩ Hưng

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ NGUỒN GỐC CÁC CHẤT DINH DƯỠNG (N, P)
VÀ SỰ TRAO ĐỔI KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ
TRẦM TÍCH TẠI LƯU VỰC SÔNG CẦU, ĐỊA PHẬN TỈNH HẢI DƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Lê Sĩ Hưng

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ NGUỒN GỐC CÁC CHẤT DINH DƯỠNG (N, P)
VÀ SỰ TRAO ĐỔI KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ
TRẦM TÍCH TẠI LƯU VỰC SÔNG CẦU, ĐỊA PHẬN TỈNH HẢI DƯƠNG

Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60440118
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Tạ Thị Thảo

Hà Nội - 2014


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 2
CHƢƠNG 1. Tổng quan .......................................... Error! Bookmark not defined.
1.1 Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc do sự dƣ thừa các chất dinh dƣỡng (N, P) .......Error!
Bookmark not defined.
1.2 Trao đổi kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc và trầm tích .. Error! Bookmark
not defined.
1.3 Xác định nguồn ô nhiễm N sử dụng phƣơng pháp phân tích đồng thời đồng vị
N15, O18 trong nitrat trong nƣớc ............................... Error! Bookmark not defined.
1.4. Phƣơng pháp phân tích, thống kê đa biến xác định nguồn ô nhiễm ..........Error!
Bookmark not defined.
1.4.1 Nguyên tắc ...................................................... Error! Bookmark not defined.
1.4.2 Ứng dụng PCA, CA, FA trong xác định nguồn gốc ô nhiễmError! Bookmark
not defined.
CHƢƠNG 2. Thực nghiệm ...................................... Error! Bookmark not defined.
2.1 Hóa chất và thiết bị ............................................ Error! Bookmark not defined.
2.1.1 Hóa chất .......................................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.2. Dụng cụ, thiế t bi .............................................
Error! Bookmark not defined.
̣
2.2 Khu vực nghiên cứu ........................................... Error! Bookmark not defined.
2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu.................................... Error! Bookmark not defined.
2.3.1 Quy trình khảo sát, lấy mẫu và phân tích ........ Error! Bookmark not defined.
2.3.2 Các phƣơng pháp xử lý số liệu........................ Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3. Kết quả và thảo luận ......................... Error! Bookmark not defined.
3.1 Chất lƣợng nƣớc sông tại lƣu vực sông Cầu tỉnh Hải Dƣơng . Error! Bookmark

not defined.


3.1.1 Đặc điểm chất lƣợng nƣớc mặt tại các điểm theo dõi .... Error! Bookmark not
defined.
3.1.2 Mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong nƣớc và trầm tích sông .................Error!
Bookmark not defined.
3.2 Phân loại sơ bộ mức độ ô nhiễm tại các điểm lấy mẫu sử dụng kĩ thuật phân tích
nhóm (CA) ............................................................... Error! Bookmark not defined.
3.3 Xác định các nguồn ô nhiễm sử dụng kĩ thuật phân tích thành phần chính (PCA)
và kĩ thuật phân tích nhân tố (FA) ........................... Error! Bookmark not defined.
3.4 Sự trao đổi kim loại nặng trong môi trƣờng nƣơc và trầm tíchError! Bookmark
not defined.
3.5 Xác định nguồn gốc ô nhiễm N trong nƣớc sông sử dụng phƣơng pháp phân tích
đồng thời 2 đồng vị bền N15 và O18 trong NO3- ....... Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN .............................................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 3


Danh mục bảng
Bảng 2.1 Vị trí, tọa độ 22 điểm lấy mẫu trên hệ thống sông Cầu tình Hải Dƣơng
Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.1 Kết quả chất lƣợng nƣớc sông thuộc lƣu vực sông Cầu, tình Hải Dƣơng tại
22 điểm theo dõi

Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.2 Hàm lƣợng 1 số kim loại nặng trong trầm tích tại một số điểm trong khu
vực nghiên cứu

Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.3 Nồng độ 1 số kim loại nặng trong nƣớc sông tại một số điểm trong khu
vực nghiên cứu

Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.4 Trị số của từng biến ứng với từng yếu tố cho nhóm các điểm ít ô nhiễm
Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.5 Trị số của từng biến ứng với từng yếu tố cho nhóm điểm ô nhiễm vừa
Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.6 Trị số của từng biến ứng với từng yếu tố cho nhóm ảnh hƣởng cao Error!
Bookmark not defined.
Bảng 3.7 Mối tƣơng quan giữa các chỉ tiêu kim loại nặng trong khu vực lấy mẫu
Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.8 Giá trị của Log KD tại 1 số điểm theo dõi Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.9 Lƣu lƣợng nƣớc chảy tại 7 điểm đƣợc chọn theo dõi giá trị đồng vị của
N15 và O18

Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.10 Kết quả phân tích đồng thời đồng vị N15 và O18 trong nitrat trong nƣớc
tại 7 điểm theo dõi thuộc lƣu vực sông Cầu, địa bản tỉnh Hải Dƣơng

Error!

Bookmark not defined.
Bảng 3.11 Tổng nitơ vô cơ hòa tan trong nƣớc sông tại 7 điểm theo dõi giá trị dồng
vị N15 và O18

Error! Bookmark not defined.


Danh mục hình
Hình 1.1 Giá trị của δN15 thu đƣợc với các đối tƣợng mẫu có chứa nitơ khác nhau
...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2 Khoảng giá trị δN15 và δO18 trong nitrat trong các nguồn phát thải và các
quá trình chuyển hóa N tƣơng ứng............................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống EA-IRMS ..........................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1 Bản đồ lƣu vực sông Cầu tình Hải Dƣơng (Các điểm lấy mẫu được đánh
dấu) ...........................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1 Sự thay đổi DO tại 22 điểm quan trắc từ năm 2010-2014 ................. Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.2 Biến thiên nồng độ NH4+ tại 22 điểm quan trắc từ năm 2010-2014 .. Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.3 Biến thiên nồng độ NO2- tại 22 điểm quan trắc từ năm 2010-2014 ... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.4 Biến thiên giá trị COD tại 22 điểm quan trắc theo thời gian từ năm 20102014 ...........................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5 Biến thiên giá trị BOD trong nƣớc sông tại 22 điểm quan trắc từ năm
2010-2014 .................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.6 Biến thiên giá trị TSS trong nƣớc sông tại 22 điểm lấy mẫu từ 2010-2014
...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.7 Biến thiên giá trị PO43- - P trong nƣớc sông tại 22 điểm lấy mẫu từ 20102014 ...........................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.8 Phân nhóm các điểm lấy mẫu sử dụng kĩ thuật phân tích nhóm........ Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.9 Sơ đồ mô tả hƣớng và lƣu lƣợng nƣớc chảy ở 7 điểm theo dõi giá trị đồng
vị của N15 và O18 .......................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.10 Liên hệ giữa tổng chất Nitơ vô cơ hòa tan và giá trị δN15 trong nƣớc sông
tại 7 điểm lấy mẫu .....................................................Error! Bookmark not defined.

Hình 3.11 Liên hệ giữa giá trị δO18 và δN15 trong Nitrat trong nƣớc sông tại 7
điểm lấy mẫu .............................................................Error! Bookmark not defined.


Danh mục viết tắt

BOD: Nhu cầu oxi sinh hóa
CA: Phân tích nhóm
COD: Nhu cầu oxi hóa học
COR: Phân tích tƣơng quan
DO: Oxi hòa tan
FA: Phân tích nhân tố
PCA: Phân tích thành phần chính
QCVN: Quy chuẩn Việt Nam
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
TDS: Tổng chắt rắn hòa tan
TSS: Tổng chất rắn lơ lửng


MỞ ĐẦU
Nhƣ đã biết mặc dù nƣớc là một phần thiết yếu việc duy trì cuộc sống của
con ngƣời và các loại sinh vật khác trên trái đất, nhƣng sự thật là gần một nửa dân
số trên thế giới không đƣợc tiếp cận với nguồn nƣớc sạch. Ở Việt Nam, theo Bộ
nông nghiệp và phát triển nông thôn phấn đấu tới năm 2015 85% dân số ở nông
thôn đƣợc tiếp cận với các hệ thống cung cấp nƣớc sạch tiêu chuẩn. Hiện tại phần
lớn ngƣời dân vẫn phải sử dụng hệ thống nƣớc ngầm, nƣớc mặt, các hệ thống sông
ngòi, kênh rạch để cung cấp nƣớc cho các nhu cầu sinh hoạt cơ bản của mình. Sự
phát triển của công nghiệp và nông nghiệp cùng với sự bùng nổ của dân số, đã làm
cho nhu cầu khai thác và sử dụng nƣớc sông tăng cao và ngày càng làm suy giảm

trầm trọng chất lƣợng nƣớc. Trên các hệ thống sông, khu vực hạ lƣu của lƣu vực
sông thƣờng là nơi tiếp nhận nƣớc thải cũng nhƣ chất ô nhiễm từ phía thƣợng
nguồn của lƣu vực sông khác đổ về. Sự tích tụ các chất hữu cơ, chất dinh dƣỡng,
kim loại nặng do địa hình trũng của hạ lƣu sẽ sinh ra các dấu hiệu của hiện tƣợng
phú dƣỡng, tăng hàm lƣợng kim loại nặng tích tụ trong trầm tích. Trong môi trƣờng
nƣớc, N, P là chất dinh dƣỡng vô cùng cần thiết cho nhiều loại thực và động vật,
nhƣng sự dƣ thừa nitơ (hiện tƣợng phú dƣỡng) sẽ dẫn đến sự ô nhiễm, ảnh hƣởng
tới môi trƣờng nƣớc. Các nguồn phát thải N, P chủ yếu tới từ khí quyển, phân đạm
dƣ thừa, nƣớc thải từ trang trại, cơ sở chăn nuôi, khu dân cƣ…[4] Việc thải trực tiệp
chất thải từ các nguồn này ra sông là nguyên nhân chính gây ra sự thiếu hụt lƣợng
oxi trong nƣớc (do lƣợng tảo phát triển, sinh sôi mạnh, sử dụng hết lƣợng oxi trong
nƣớc, cản trở ánh sáng mặt trời làm các loại thực vật phía dƣới không quang hợp
sinh oxi đƣợc, hoặc vi khuẩn trong nƣớc sử dụng oxi nhiều hơn để phân hủy các
chất ô nhiễm…), gây ảnh hƣởng nghiêm trọng tới việc nuôi trồng và đánh bắt thủy
sản, gây ô nhiễm nguồn nƣớc thậm chí gây hại tới sức khỏe của con ngƣời khi sử
dụng các nguồn nƣớc này. Trong môi trƣờng trầm tích, các kim loại nặng tham gia
vào các quá trình hóa học phức tạp mà các quá trình nhƣ hấp thu/giải hấp hay kết
tủa/hòa tan đƣợc đƣợc khống chế bằng một loạt các chỉ số phức tạp nhƣ nhiệt độ,
hàm lƣợng ôxi hòa tan, pH, các chất tạo phức, cỡ hạt, hay thành phần của trầm


tích[12,2]. Thêm vào đó, các hoạt động sinh học ảnh hƣởng mạnh đến quá trình
hóa học này: làm thay đổi sự phân bố giữa pha rắn và pha hòa tan, cũng nhƣ trao
đổi trong trầm tích và giữa trầm tích với lớp nƣớc bên trên.
Việc nghiên cứu đƣợc các quá trình sinh địa hóa xảy ra trong trầm tích và biến
đổi hàm lƣợng kim loại nặng cũng nhƣ các chất phú dƣỡng và các chỉ tiêu hóa học
khác trong môi trƣờng nƣớc sẽ giúp đánh giá đƣợc nguồn gốc chất ô nhiễm, sự trao
đổi và biến đổi hàm lƣợng kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc, trầm tích theo địa
hình và chiều sâu cũng nhƣ dự báo đƣợc sự biến đổi hàm lƣợng các chất trong
tƣơng lai khi thay đổi nguồn gây ô nhiễm. Riêng tại Việt Nam, mặc dù đã có nhiều

nghiên cứu về kim loại nặng trong trầm tích nhƣng chủ yếu các kết quả là phân tích
làm lƣợng tổng số còn các nghiên cứu phân tích dạng còn hạn chế chủ yếu là do
thiếu thiết bị lấy mẫu, chuẩn bị mẫu dạng chuyên dụng.
Địa điểm nghiên cứu đƣợc chọn là tỉnh Hải Dƣơng, một tỉnh nằm ở cuối lƣu
vực sông Cầu cộng thêm mạng lƣới sông ngòi khá dày đặc đổ vào sông chính và là
nơi có mật độ dân số đứng thứ hai trong toàn bộ lƣu vực, tổng số khu và cụm công
nghiệp của toàn tỉnh chiếm đến 30%, nghiên cứu này nhằm tới mục nghiên cứu
đánh giá nguồn gốc các chất dinh dƣỡng (N, P) và sự trao đổi kim loại nặng trong
môi trƣờng nƣớc và trầm tích từ đó rút ra đƣợc mối quan hệ giữa hàm lƣợng kim
loại nặng và nồng độ các chất dinh dƣỡng, tìm ra nguồn phát tán chất ô nhiễm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Adams, D.D., Darby, D.A. and Young, R.J., (1980), “Selected analytical
techniques for characterizing geology of fine grained sediments and
interstitial water in Contaminants and Sediments”, Ann Arbor Science
Publishers, 2, p.3


2. Adeline Charriau, Ludovic Lesven, Yue Gao, Martine Leermakers, Willy
Baeyens, et al.., (2010), “Trace metal behaviour in riverine sediments: role
of organic matter and sulphides”, Applied Geochemistry Elsevier, 26 (1),
p.80-90.
3. Aggett, and O’ Brien, G.A.., (1985), “Detailed model for the mobility of arsenic
in lacustrine sediments based on measurements in Lake Ohakuri”,
Environmental Science and Technology, 19(3), p.231-238.
4. Barbara Deutsch, Petra Kahle, Maren Voss (2006), “Assessing the source of
nitrate pollution in water using stable N and isotope”, p.263.
5. Batley, G. E. và Giles, M. S., (1979), Water research, Vol. 13, 1979, p.879-886.
6. Davis, J.A. and Leckie, J.O., (1978), “Surface ionization and complexation at the

oxide/water interface. II. Surface properties of amorphous iron oxhydroxide
and adsorption of metal ions”, J. Colloid Interface Sci., 67, p.90-107
7. Kendal, Carol and Ramon, (2000), “Nitrate isotopes in groundwater systems in
Environmental Tracers in Subsurface Hydrology”, Kluwer Âcdemic
Publishers, p.261-297
8. KendalL C. & McDonnell, J .J., (1998), “Isotope Tracers in Catchment
Hydrology”, Elsevier, Amsterdam.
9. Kendall, C. & Aravena, R., (2000), “Nitrate isotopes in groundwater systems in
Environmental Tracers in Subsurface Hydrology”, Eds P. Cook & A.
Herczeg, p.261–297.
10. Kresic, N., (2007), “Groundwater chemistry, Hydrogeology and groundwater
modeling: Boca Raton, Taylor & Francis Group”, p.828.
11. Lehmann, M.F., Reichert, P., Bernasconi, S.M., et al. (2003), “Modeling
nitrogen and oxygen isotope fractionation during denitrification in a


lacustrine redox-transition zone”, Geochimica et Cosmochimica Acta, 67,
p.2529–2542.
12. Lesley A. Warren, Elizabeth A. Haack, (2001), “Biogeochemical controls on
metal behaviour in freshwater environments”, Earth-Science Reviews, 54,
p.261–320
13. Limnol. Oceanogr., (2012), “Inc. Anammox and denitrification in the oxygen
minimum zone of the eastern South Pacific”, Association for the Sciences of
Limnology and Oceanography, 57(5), p.1331–1346.
14. Schwarz, N., Servay, W, & Kumpf, M., (1985), “Attribution of arousal as a
mediator of the effectiveness of fear-arousing communications”, Journal
of Applied Social Psychology, 15, p.74-84.
15. Sigman, D. M., et al. (2001), A bacterial method for the nitrogen isotopic
analysis of nitrate in seawater and freshwater, Anal Chem, 73, 4145-4153.
16. S. Ramamoorthy, B. R. Rust, (1978), “Heavy metal exchange processes in

sediment-water systems”, Environmental Geology, 2(3), p.165-172.
17. S. Shrestha, F. Kazama, (2007), “Assessment of surface water quality using
multivariate statistical techniques: A case study of the Fuji river basin,
Japan”, Environmental Modelling & Software, 22, 464-475.

18. Sunda,W.G. and R.R.L. Guillard, (1976), “The relationship between cupric ion
activity and the toxicity of copper to phytoplankton”, J. Marine Res., 34,
p.511-529.
19. Steven E. Bufflap, Herbert E. Allen, (1995), “Sediment pore water collection
method for trace metal analysis: a review”, Water Research, 29(1), p.165–
177.


20. Stumm, W. and J. Morgan, (1981), “Aquatic Chemistry”, Wiley Newyork, 2,
p.57.
21. Von L. Melander und W. H. Saunders, Jr. Wiley, (1980), “Reaction Rates of
Isotopic Molecules”, XIV, p.391.
22. Widory, D., Petelet-Giraud, E., Negrel, P. & Ladouche, B., (2005), “Tracking
the sources of nitrate in groundwater using coupled nitrogen and boron
isotopes: A synthesis”, Environmental Science and Technology, 39(2),
p.539–548