Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN NHẬT HIẾU

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CỐ ĐỊNH MỘT SỐ
KIM LOẠI NẶNG CỦA THAN SINH HỌC (BIOCHAR)
VÀ TRO BAY ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM
DO KHAI THÁC KHOÁNG SẢN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

THÁI NGUYÊN - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN NHẬT HIẾU

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CỐ ĐỊNH MỘT SỐ
KIM LOẠI NẶNG CỦA THAN SINH HỌC (BIOCHAR)
VÀ TRO BAY ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM
DO KHAI THÁC KHOÁNG SẢN
Chuyên ngành: Khoa học môi trường
Mã số: 60 44 03 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Đặng Văn Minh

THÁI NGUYÊN - 2017


i
LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được xuất
phát từ yêu cầu thực tế để từ đó hình thành lên hướng nghiên cứu cho luận
văn thạc sĩ dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo GS. TS. Đặng Văn
Minh. Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng quy định và kết quả
trình bày trong luận văn là trung thực chưa từng được ai công bố trước đây.
Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình!
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017
Học viên

Nguyễn Nhật Hiếu


ii
LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo GS. TS. Đặng Văn
Minh - Trường Đại học Thái Nguyên, người đã định hướng đề tài, cung cấp tài
liệu và tận tình hướng dẫn chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn
thạc sĩ này. Em xin được gửi lời cảm ơn tới Khoa Môi trường - Trường Đại học
Nông Lâm Thái Nguyên cùng các thầy cô giáo trong Khoa đã tận tình giảng dạy
và truyền đạt những kiến thức, những kinh nghiệm quý báu cũng như những tình
cảm tốt đẹp cho em trong suốt thời gian học tập tại Trường.
Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Phòng Đào tạo sau đại học Đại học Nông Lâm Thái Nguyên các thầy cô giáo đã tạo mọi điều kiện tốt
nhất về cơ sở vật chất cho chúng em được học và nghiên cứu.

Cuối cùng, em xin dành một tình cảm biết ơn đến gia đình và bạn bè,
những người đã luôn ở bên cạnh, động viên, chia sẻ cùng em trong suốt thời
gian học tập cũng như quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ.
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017
Học viên

Nguyễn Nhật Hiếu


iii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.

Quy định mức giới hạn kim loại nặng trong đất ..................................... 6

Bảng 1.2.

Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao ................. 8

Bảng 1.3.

Một số loài thực vật cho sinh khối nhanh có thể sử dụng để xử lý
kim loại nặng trong đất ............................................................................ 9

Bảng 1.4.

Số lượng rơm tính theo các loại cây trồng ở Trung Quốc năm 2002.......... 18

Bảng 1.5.

Ứng dụng rơm rạ trong nông nghiệp ..................................................... 21

Bảng 1.6.

Thành phần hóa học của vỏ trấu ............................................................ 21

Bảng 1.7.

Thành phần hóa học của tro bay theo Quốc gia .................................... 23

Bảng 1.8.

Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu
khác nhau ............................................................................................... 24

Bảng 1.9.

Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 ................................................... 25

Bảng 1.10. Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel ........................... 28
Bảng 1.11. Kích thước hạt tro bay thương phẩm ..................................................... 28
Bảng 1.12. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước ....................... 31
Bảng 1.13. Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030 ............. 31
Bảng 3.1.

Nguồn tro bay của các nhà máy nhiệt điện trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên .... 42

Bảng 3.2.

Thành phần, tính chất của tro bay ......................................................... 43

Bảng 3.3.

Phân tích mức độ ô nhiễm kim loại trong đất mỏ chì kẽm Làng Hích ........... 44

Bảng 3.4.

Lượng rơm rạ phát sinh trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên ........................ 45

Bảng 3.5.

Tiềm năng sản xuất than sinh học từ rơm rạ tại tỉnh Thái Nguyên ....... 46

Bảng 3.6.

Thành phần, tính chất của than sinh học sản xuất từ rơm rạ ................. 46

Bảng 3.7.

Bảng kết quả phân tích thành phần của đất trước phân tích .................. 47

Bảng 3.8.

Bảng kết quả các chỉ tiêu pH trong quá trình ủ Biochar, tro bay .......... 48

Bảng 3.9.

Bảng kết quả các chỉ tiêu Eh trong quá trình ủ Biochar, tro bay .......... 49

Bảng 3.10. Bảng kết quả các chỉ tiêu EC trong quá trình ủ Biochar, tro bay .......... 50

Bảng 3.11. Bảng kết quả các chỉ tiêu kim loại Pb, Zn, Cd (Tất cả kim loại
thuộc dạng di động) sau 90 ngày ủ Biochar, tro bay ............................. 51


iv
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1.

Ước tính lượng rơm rạ ngoài đồng ruộng của một số tỉnh vùng
đồng bằng Sông Hồng. .......................................................................... 18

Hình 1.2.

Sự tương phản về kích thước tro bay .................................................... 27

Hình 1.3.

Biểu diễn đặc trưng dạng cầu của các hạt trong khoảng kích thước
thường thấy nhiều hơn ........................................................................... 27

Hình 1.4.

Cấu trúc hạt tro bay sau khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF ............... 27

Hình 1.5.

Biểu đồ sản lượng tro bay và phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ
từ 1966-2012 .................................................................................. 29

Hình 1.6.

Biểu đồ lượng tro bay tạo thành, tro bay sử dụng và phần trăm sử
dụng tro bay ở Trung Quốc từ 2001-2008............................................. 30

Hình 3.1.

Sơ đồ hành chỉnh tỉnh Thái Nguyên ...................................................... 40


v
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... iv
MỤC LỤC ................................................................................................................... v
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
2. Mục tiêu .............................................................................................................. 2
3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ............................................................... 2
3.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................... 2
3.2. Ý nghĩa thực tiễn ......................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................. 3
1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 3
1.1.1. Cơ sở khoa học ......................................................................................... 3
1.1.2. Thực tiễn đề tài ......................................................................................... 3
1.2. Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm KLN trong đất do khai thác khoáng sản ...... 4
1.2.1. Tại Việt Nam ............................................................................................ 4
1.2.2. Tại nước ngoài .......................................................................................... 5
1.2.3. Ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng ............................................................ 6

1.2.4. Các phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm .................................................... 7
1.3. Tổng quan về than sinh học ........................................................................... 10
1.3.1. Than sinh học (TSH) là gì? .................................................................... 10
1.3.2. Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của TSH .............................. 10
1.3.3. Đặc điểm của TSH.................................................................................. 14
1.3.4. Khả năng ứng dụng của TSH ................................................................. 14
1.3.5. Sản xuất TSH .......................................................................................... 16
1.4. Tổng quan về phế phụ phẩm nông nghiệp ..................................................... 17
1.4.1. Định nghĩa và nguồn gốc phát sinh của phế phụ phẩm nông nghiệp ..... 17
1.4.2. Hiện trạng phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới và trong nước ....... 17
1.4.3. Tổng quan về một số loại phế phẩm nông nghiệp tại Việt Nam ............ 19


vi
1.5. Tổng quan về tro bay ..................................................................................... 22
1.5.1. Tro bay là gì? .......................................................................................... 22
1.5.2. Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của Tro bay ......................... 22
1.5.3. Đặc điểm của Tro bay............................................................................. 26
1.5.4. Sản lượng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới ................. 29
1.5.5. Khả năng ứng dụng của tro bay trong nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm .... 32
1.5.6. Tình hình nghiên cứu xử lý và ứng dụng tro bay ở Việt Nam ............... 32
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................... 36
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 36
2.1.1. Đối tượng ................................................................................................ 36
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 36
2.2. Nội dung nghiên cứu...................................................................................... 36
2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 36
2.3.1. Cách tiếp cận .......................................................................................... 36
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 37
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .............................................................. 40

3.1. Thực trạng việc khai thác khoáng sản và đất bị ô nhiễm KLN trên đất
khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên .................................................................. 40
3.2. Đánh giá nguồn nguyên liệu sản xuất than sinh học (biochar) và tro bay
tại tỉnh Thái Nguyên ............................................................................................. 42
3.2.1. Tình hình phát sinh và thành phần tính chất của tro bay nhà máy
nhiệt điện .......................................................................................................... 42
3.2.2. Nguồn nguyên liệu rơm rạ và thành phần tính chất của than sinh
học sản xuất từ rơm rạ ...................................................................................... 44
3.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng của than hoạt tính, tro bay
trên đất sau khai khoáng ....................................................................................... 47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 54
1. Kết luận ............................................................................................................. 54
2. Kiến nghị ........................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 56
PHỤ LỤC


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam có số lượng mỏ khoáng sản lớn Đất tại những vùng sau khi khai
thác khoáng sản rất nghèo kiệt và suy thoái nghiêm trọng (Đặng Văn Minh và cs,
2011). Việc suy thoái và ô nhiễm môi trường đất đã làm cho những vùng đất này
không có khả năng canh tác nông nghiệp hoặc nếu trồng được cây nông nghiệp
nhưng hiệu quả thấp và sản phẩm nông nghiệp trồng trên đất này không an toàn cho
người sử dụng (Đặng Văn Can và Đào Ngọc Phong, 2000, Phạm Quang Hà, 2002). Một số
nguyên tố kim loại nặng có tính độc hại cao trong đất sau khai khoáng có thể gây
hại tới động, thực vật và con người (Trịnh Thị Thanh, 2002).
Kim loại nặng (KLN) có thể tồn tại ở trạng thái phản ứng (linh động), hay
không phản ứng (cổ định). Để xử lý kim loại nặng trong đất thường cổ định và ngăn

chặn chúng chuyển sang trạng thái linh động. Hướng tiếp cận chính của đề tài này
là: sử dụng than sinh học (từ phế phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ), tro bay (chất
thải của nhà máy nhiệt điện) phối hợp đá apatit hấp phụ và cố định KLN trong đất
sau khai khoáng. Các nguồn nguyên liệu này rất sẵn có hiện nay và rẻ tiền.
Thái Nguyên hiện có 66 đơn vị hoạt động khai thác khoáng sản với tổng số
mỏ được cấp phép khai thác lên tới 85, trong đó có 10 điểm khai thác than, 14 điểm
khai thác quặng sắt, 9 điểm khai thác quặng chì kẽm, 24 điểm khai thác đá vôi, 3
điểm khai thác quặng titan… Tổng diện tích đất trong hoạt động khai thác chiếm
hơn 3.191 ha, tương ứng gần 1% diện tích đất tự nhiên của tỉnh.
Trong quá trình khai thác, các đơn vị đã thải ra một khối lượng lớn đất đá
thải, làm thu hẹp và suy giảm diện tích đất canh tác, điển hình là các bãi thải tại mỏ
sắt Trại Cau (gần 2 triệu m3 đất đá thải/năm), mỏ than Khánh Hòa (gần 3 triệu m3
đất đá thải/năm), mỏ than Phấn Mễ (hơn 1 triệu m3 đất đá thải/năm)… Nhiều mẫu
đất tại các khu vực khai khoáng đều có biểu hiện ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt,
một số mẫu gần khu sinh sống của dân cư cũng đang bị ô nhiễm. Cụ thể, hàm lượng
asen tại mỏ sắt Trại Cau và mỏ thiếc Đại Từ vượt chuẩn 12mg/kg; hàm lượng sắt
trong tất cả các mẫu ở Trại Cau, Phấn Mễ, Hà Thượng đều ở mức cao; hàm lượng
kẽm, chì tại một số khu vực cũng vượt chuẩn cho phép.


2
Đáng chú ý,tại nhiều khu vực mỏ ở Trại Cau, Đồng Hỷ và một vài điểm ở Phú
Lương, Đại Từ xuất hiện không ít những doanh nghiệp khai thác không phép, không có
thiết kế mỏ, khiến tài nguyên bị tổn thất và môi trường bị ô nhiễm nặng nề.
Nhận thức được ảnh hưởng xấu của đất bị ô nhiễm do khai thác khoáng sản,
dưới sự định hướng của GS.TS. Đặng Văn Minh, tôi lựa chọn đề tài ”Nghiên cứu
khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để
xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản” nhằm đưa ra giải pháp công nghệ góp
phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất bị ô nhiễm sau khai khoáng.
2. Mục tiêu

- Đánh giá nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ sau thu hoach) để tạo
than sinh học và nguồn nguyên liệu tro bay tại Thái Nguyên.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ KLN của các loai than sinh học (sản xuất từ
phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ) và tro bay từ phê thải của các nhà máy nhiệt
điện để xủ lý đất bị ô nhiễm KLN do khai thác khoáng sản.
3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
3.1. Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu về tính chất của than sinh học và tro bay và thành phần kim loại
nặng có trong đất sau khai khoáng. Phân tích, đánh giá được những chỉ tiêu trong
đất và hàm lượng kim loại nặng trong đất thay đổi như thế nào với các công thức ủ
than sinh học và tro bay khác nhau.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu khả năng xử lý đất bị ô nhiễm do bị ô nhiễm kim loại nặng do
khai thác khoáng sản bằng các vật liệu rẻ tiền và sẵn có tại các địa phương như than
sinh học, tro bay.


3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
1.1.1. Cơ sở khoa học
Than sinh học (TSH) được sản xuất từ rơm rạ hiện thường được coi là phế phụ
phẩm nông nghiệp. Các loại TSH đều có đặc điểm chung: Độ xốp cao có khả năng
giữ không khí, giữ nước, chất dinh dưỡng, môi trường sống thích hợp cho một số vi
khuẩn và sự phát triển của thực vật, đồng thời có khả năng hấp thụ của các KLN.
Tro bay là một loại chất thải rắn sinh ra từ quá trình đốt than từ các nhà máy
nhiệt điện. Mỗi năm, các nhà máy nhiệt điện Việt Nam tiêu thụ gần 14 triệu tấn than
và thải ra khoảng 4,5 triệu tấn tro xỉ phế thải. Đến năm 2020, lượng tro xỉ thải lên
đến 16 triệu tấn/năm. Thành phần hóa học của tro bay chủ yếu là hỗn hợp các ôxit

vô cơ như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO3, MgO, CaO, K2O. Tính hấp phụ của tro bay là
một trong những tính chất quan trọng để xử lý đất ô nhiễm KLN.
Đá apatit: Apatit có công thức hóa học là: Ca5(PO4)3X (X: Cl, F, OH...), có
khả năng cố định các kim loại nặng. Dùng apatit để xử lý kim loại nặng trong đất là
phương pháp mới đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới với các tên gọi khác
nhau như in-situ remediation technicques (Canađa), phot-phát - induce metal
stabilization (Mỹ).
1.1.2. Thực tiễn đề tài
Qua khảo sát của các nhà khoa học cho thấy, đất đai một số địa phương trong
cả nước tập trung nhiều mỏ khoáng sản đã và đang khai thác bị ô nhiễm kim loại
nặng. Ví như tại Thái Nguyên, ở 4 vùng khai thác mỏ đặc trưng (mỏ than Núi
Hồng, sắt Trại Cau, chì - kẽm làng Hích, xã Tân Long và thiếc núi Pháo, Hà
Thượng), hàm lượng các kim loại như chì (Pb), kẽm (Zn), asen (As), cadami (Cd)
trong đất cao gấp nhiều lần mức cho phép. Trong đó phải kể đến là khu vực Hà
Thượng, huyện Đại Từ, hàm lượng As trong một số mẫu đất cao hơn quy chuẩn cho
phép là 1262 và 467 lần, tương ứng. Tại huyện Yên Lãng, hàm lượng As trong đất
cao hơn quy chuẩn cho phép của Việt Nam là 308 lần,… Tại huyện Đồng Hỷ, hàm
lượng Cd, Pb và Zn ở trong đất Làng Hích, xã Tân Long cao hơn ở các điểm thu
mẫu khác. Đặc biệt, hàm lượng Pb ở trong 03 mẫu là 108,5; 45,1 và 51,3 ppm, đều


4
vượt Quy chuẩn Việt Nam. Hàm lượng Zn trong các điểm mẫu đó cao hơn quy
chuẩn cho phép khoảng 45 lần. Hàm lượng As và Cd ở 3 điểm lấy mẫu nêu trên
cũng cao hơn khi so với đất không ô nhiễm… (Viện Công nghệ môi trường, 2010.
Báo cáo tổng hợp kết quả Khoa học công nghệ đề tài KC 08.04/06-10:).
1.2. Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm KLN trong đất do khai thác khoáng sản
1.2.1. Tại Việt Nam
Tại Việt Nam, các nghiên cứu về khả năng hấp phụ KLN trong đất bởi các
vật liệu tự nhiên còn hạn chế. Các nhà nghiên cứu chủ yếu tập trung vào khả năng

loại bỏ KLN trong nước và sử vật liệu hấp phụ bằng thực vật.
Đất là một trong những thành phần chủ yếu của môi trường, do đó công tác
quản lý đất là hết sức quan trọng và cấp thiết có thể gây ảnh hưởng trực tiếp đến
chất lượng, môi trường đất. Các hoạt động đô thị, khai khoáng, nông nghiệp là
nguyên nhân gây suy giảm chất lượng đất và các hình thức bảo vệ nguồn tài nguyên
đất là yêu cầu khẩn cấp, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng trong đất.
Việc khai thác, sản xuất và sử dụng các sản phẩm hóa học (ví dụ như ắc quy,
chất thải công nghiệp, cặn bùn,…) gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất. Bản thân kim
loại nặng cũng tồn tại tự nhiên trong đất nhưng hiếm khi tồn tại ở mức độ độc hại.
Sự tích lũy kim loại nặng quá mức trong đất gây độc hại cho người dân và
những động vật khác. Các thói quen thải kim loại nặng bừa bãi (trong thời gian dài)
làm thay đổi chuỗi thức ăn. Ngộ độc cấp tính từ kim loại nặng hiếm khi do ăn vào
hoặc tiếp xúc qua da nhưng cũng hoàn toàn có thể. Việc tiếp xúc với kim loại nặng
lâu ngày sẽ gây nên các loại bệnh:
- Chì: Gây thần kinh mệt mỏi và rối loạn
- Cd: Ảnh hưởng đến gan, thận và bộ phận GI
- Arsenic: Đầu độc da, thận và hệ nơ ron trung ương.
Vấn đề thường gây ra bởi các cation kim loại (những nguyên tố trong đất là
do các cation Pb2+ …) như Hg, Cd, Pb, Niken, Cu, Zn, Cl và Mn. Các anion xung
quanh thường là (những nguyên tố trong đất kết hợp với oxy và có điện tích âm:
MnO42- …) Arsenic, molybdenum, Solenium và Bo. (Theo GS. Lê Huy Bá, Viện
KHCN và QLMT thành phố HCM).
Bên cạnh đó, tro bay và diatomit được biến tính sau đó đưa vào đất ô nhiễm
KLN để khảo sát khả năng hấp phụ Pb2+ và Cd2+ của chúng. Sử dụng vật liệu điều


Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full