Đặc điểm hình thành các hợp chất nitơ trong nước dưới đất khu vực hà nội
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.89 MB, 144 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Văn Thùy Linh
ĐẶC ĐIỂM HÌNH THÀNH CÁC HỢP CHẤT NITO TRONG NƯỚC
DƯỚI ĐẤT KHU VỰC HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – Năm 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Văn Thùy Linh
ĐẶC ĐIỂM HÌNH THÀNH CÁC HỢP CHẤT NITO TRONG NƯỚC
DƯỚI ĐẤT KHU VỰC HÀ NỘI
Chuyên ngành: Khoáng vật học và Địa hóa học
Mã số
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐẢN
Hà Nội – Năm 2013
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..........................................................................................................................................
1.
Tính cấp thiết của luận văn ................................................................................
2.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................
3.
Mục tiêu của đề tài .............................................................................................
4.
Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................
5.
Cơ sở số liệu .......................................................................................................
6.
Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................
7.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...........................................................................
8.
Cấu trúc của luận văn .........................................................................................
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỢP CHẤT NITO TRONG NƯỚC ........
1.1
Nguồn gốc hình thành các hợp chất Nito trong nước .................
1.2
Dạng tồn tại của các hợp chất Nitơ .............................................
1.3
Quá trình chuyển đổi của các hợp chất Nito trong môi trường ...
1.4
Ảnh hưởng của các hợp chất Nito đối với con người và hệ sinh
1.5
Tình hình nghiên cứu ô nhiễm các hợp chất Nito trong nước dư
CHƯƠNG 2 : CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỊA
HÓA NƯỚC DƯỚI ĐẤT KHU VỰC HÀ NỘI ..............................................................
2.1
Đặc điểm địa lý tự nhiên .............................................................
2.1.1 Vị trí địa lý ..................................................................................................
2.1.2 Đặc điểm địa hình ........................................................................................
2.1.2 Đặc điểm khí hậu .........................................................................................
2.1.3
Đặc điểm thủy văn ...........................................................
2.2
Đặc điểm dân cư, kinh tế - xã hội ...........................................................
2.3
Đặc điểm địa chất – địa chất thủy văn khu vực nghiên cứ
2.3.1
Đặc điểm địa chất ............................................................
2.3.2
Đặc điểm địa chất thủy văn .............................................
2.4
2.4.1
Hiện trạng khai thác và xả thải nước dưới đất ........................................
Hiện trạng khai thác và sử dụng nước dưới đất ...............
2.4.1.1 Hình thức khai thác nước dưới đất tập trung ...............................................
2.4.1.2 Hình thức khai thác đơn lẻ ..........................................................................
2.4.2
Hiện trạng xả thải .............................................................
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................
3.1
Phương pháp nghiên cứu ........................................................................
3.1.1
Phương pháp điều tra khảo sát thực địa ...........................
3.1.2
Phương pháp trong phòng thí nghiệm .............................
3.1.3
Phương pháp thống kê xử lý số liệu ................................
3.2
Cơ sở số liệu ...........................................................................................
CHƯƠNG 4: ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỊA HÓA NƯỚC DƯỚI ĐẤT KHU VỰC
NGHIÊN CỨU.............................................................................................................................
4.1
Thành phần chính của nước dưới đất .....................................................
4.1.1
Thành phần chính của nước dưới đất tầng Holocen.........
4.1.2
Thành phần chính của nước dưới đất tầng Pleistocen .....
4.2
Thành phần các nguyên tố vi lượng .......................................................
4.2.1 Thành phần nguyên tố vi lượng trong tầng chứa nước qh........................................ 60
4.2.2 Thành phần các nguyên tố vi lượng trong tầng chứa nước Pleistocen................61
4.3 Độ tổng khoáng hóa.................................................................................................................... 62
4.4 Kiểu hóa học của nước dưới đất............................................................................................. 63
4.4.1 Kiểu hóa học của nước tầng Holocen............................................................................... 63
4.4.2 Kiểu hóa học của nước tầng Pleistocen........................................................................... 64
CHƯƠNG 5: NGUỒN GỐC VÀ CƠ CHẾ Ô NHIỄM CÁC HỢP CHẤT NITO
TRONG NƯỚC DƯỚI ĐẤT KHU VỰC HÀ NỘI............................................................. 66
5.1 Đánh giá về tình hình ô nhiễm các hợp chất Nito trong NDĐ khu vực Hà Nội . 66
5.1.1 Những vấn đề chung............................................................................................................... 66
5.1.1.1 Khái niệm................................................................................................................................ 66
5.1.1.2 Các tiêu chuẩn, quy chuẩn để đánh giá ô nhiễm...................................................... 66
5.1.1.3 Phân loại các mức độ ô nhiễm các hợp chất Nito trong nước dưới đất...........67
5.1.2 Đánh giá tình hình ô nhiễm các hợp chất Nito trong NDĐ khu vực Hà Nội .. 68
5.1.2.1 Đánh giá chung..................................................................................................................... 68
5.1.2.2 Đánh giá tình hình ô nhiễm các hợp chất Nito trong nước dưới đất từng vùng
nghiên cứu.............................................................................................................................................. 77
5.2 Nguồn gốc và cơ chế ô nhiễm các hợp chất Nito trong nước dưới đất...................89
5.2.1 Cơ sở của việc sử dụng đồng vị
15
N trong nghiên cứu xác định nguồn gốc các
hợp chất Nito......................................................................................................................................... 89
5.2.2 Nguồn gốc và cơ chế ô nhiễm các hợp chất Nito trong nước dưới đất................90
5.2.2.1 Thành phần đồng vị
15
5.2.2.2 Thành phần đồng vị
15
N trong trầm tích..................................................................... 90
N trong nước dưới đất........................................................... 96
5.2.3 Nhận định xu thế phát triển mức độ ô nhiễm trong tương lai và đề xuất một số
giải pháp khắc phục ô nhiễm........................................................................................................ 100
5.2.3.1 Nhận định xu thế phát triển mức độ ô nhiễm trong tương lai...........................100
5.2.3.2 Các giải pháp khắc phục ô nhiễm................................................................................ 101
KẾT LUẬN......................................................................................................................................... 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................. 117
DANH MỤC HÌNH
Hình 1 : Chu trình chuyển hóa Nito trong môi trường............................................................... 13
Hình 2: Bản đồ hành chính khu vực nghiên cứu.......................................................................... 17
Hình 3: Biểu đồ biểu diễn lượng mưa, bốc hơi hàng năm trạm khí tượng Láng..............19
Hình 4: Mực nước sông Hồng tại điểm PSH2 thời kỳ 1993 – 2011..................................... 20
Hình 5: Cột địa tầng trầm tích và các đơn vị địa chất thủy văn.............................................. 26
Hình 6: Phễu hạ thấp mực nước tầng qp khu vực phía Nam sông Hồng tháng 2/2012 38
Hình 7: Vị trí lấy các lỗ khoan trong bãi thí nghiệm Nam Dư................................................ 46
Hình 8: Sơ đồ vị trí lấy mẫu nước dưới đất.................................................................................... 47
Hình 9: Sơ đồ nhồi bẫy nước................................................................................................................ 51
Hình 10: Sơ đồ lắp đặt phân tích mẫu rắn....................................................................................... 52
Hình 11: Đồ thị tương quan giữa hàm lượng Mg
2+
và Ca
2+
trong NDĐ tầng qh...........57
Hình 12 : Đồ thị biểu diễn các tham số thống kê hàm lượng TDS NDĐ tầng Holocen
và Pleistocen............................................................................................................................................... 62
Hình 13: Bản đồ hiện trạng ô nhiễm Amoni trong NDĐ tầng qh mùa khô 2012.............73
Hình 14: Bản đồ hiện trạng ô nhiễm Amoni trong NDĐ tầng qh mùa mưa 2012...........74
Hình 15: Bản đồ hiện trạng ô nhiễm Amoni trong NDĐ tầng qp mùa khô 2012.............75
Hình 16: Bản đồ hiện trạng ô nhiễm Amoni trong NDĐ tầng qp mùa mưa 2012...........76
Hình 17: Biến đổi hàm lượng trung bình Amoni trong NDĐ vùng BSH............................ 77
Hình 18: Biến thiên hàm lượng Amoni trong NDĐ tầng qp và qh tại điểm P.65.............78
Hình 19: Biến thiên hàm lượng Amoni trong NDĐ khu vực Gia Lâm................................ 81
Hình 20: Biến thiên hàm lượng Amoni trong NDĐ tại điểm quan trắc P.13..................... 82
Hình 21: Biến thiên hàm lượng Amoni trong NDĐ khu vực Nam sông Hồng.................85
Hình 22: Biến thiên hàm lượng Amoni tại điểm P.61 – nhà máy nước Pháp Vân...........88
Hình 23 Biến thiên hàm lượng tại điểm quan trắc P.38 – ĐH Bách Khoa..........................88
Hình 24: Biến thiên hàm lượng Amoni tại điểm quan trắc P.87- Bãi Giếng Nam Dư .. 88
Hình 25: Đóng góp thành phần
15
N trong môi trường............................................................... 90
Hình 26: Đồ thị tương quan hàm lượng
15
N trong cụm lỗ khoan DHA.............................. 92
15
Hình 27: Đồ thị tương quan hàm lượng Amoni và δ N trong cụm lỗ khoan DHB.......93
Hình 28: Đồ thị tương quan giữa hàm lượng TOC và Amoni trong trầm tích..................93
15
Hình 29: Biến thiên giá trị và δ N trong cụm lỗ khoan SDHA và SDHB........................ 94
15
Hình 30: Biến thiên hàm lượng Amoni và giá trị δ N theo độ sâu lỗ khoan P.41..........95
Hình 31: Tương quan giữa hàm lượng amoni và TOC trong NDĐ tầng qh.......................97
Hình 32: Tương quan giữa hàm lượng Amoni và TOC trong NDĐ tầng qp......................97
Hình 33: Minh hoạ bãi giếng dạng đường thẳng....................................................................... 103
Hình 34: Minh hoạ bãi giếng dạng diện tích............................................................................... 103
Hình 35: Minh họa mặt cắt các lỗ khoan quan trắc................................................................... 104
Hình 36: Minh họa mặt cắt lỗ khoan quan trắc trong vùng canh tác.................................. 104
Hình 37 : Sử dụng giếng hút nước để hạ thấp mực nước ngầm........................................... 107
Hình 38: Bơm các chất dinh dưỡng vào tầng chứa để thúc đẩy biến đổi sinh học.......108
Hình 39: Tường chắn thẳng đứng để hạ thấp mực nước ngầm............................................. 108
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Các công trình nghiên cứu về nhiễm bẩn các hợp chất Nito trong NDĐ trên thế
giới.................................................................................................................................................................. 15
Bảng 2: Thống kê các hồ vùng nội thành thành phố Hà Nội................................................... 23
Bảng 3: Dân số và diện tích các quận/ huyện khu vực nghiên cứu....................................... 24
Bảng 4: Bề dày lớp bùn hệ tầng Hải Hưng ở một số khu vực................................................. 28
Bảng 5: Tổng hợp tình hình quản lý khai thác tập trung nước dưới đất.............................. 35
Bảng 6: Các bãi chôn lấp rác chính ở Hà Nội................................................................................ 41
Bảng7: Thống kê các điểm khảo sát xả thải................................................................................... 42
Bảng 8: Mẫu xây dựng đường chuẩn................................................................................................ 48
Bảng 9: Đặc trưng thống kê nồng độ các TPHH NDĐ khu vực nghiên cứu.....................56
Bảng 10: Đặc trưng thống kê nồng độ các TPHH NDĐ tầng qp............................................ 59
Hình 11: Tương quan thành phần các ion chính trong NDĐ tầng qh và qp.......................60
Bảng 12: Kết quả phân tích các nguyên tố vi lượng NDĐ tầng Holocen...........................60
Bảng 13: Kết quả phân tích các nguyên tố vi lượng NDĐ tầng Pleistocen........................ 62
Bảng 14: Cơ sở đánh giá ô nhiễm các hợp chất Nito trong nước dưới đất......................... 67
Bảng 15: Phân loại mức độ nhiễm bẩn nước dưới đất bởi các hợp chất Nito ...................68
Bảng 16: Đặc trưng thống kê hàm lượng các hợp chất Nito trong nước dưới đất...........70
Bảng 17: Thống kê diện tích ô nhiễm Amoni trong NDĐ khu vực nghiên cứu...............71
Bảng 18: Đặc trưng thống kê hàm lượng các hợp chất Nito trong NDĐ tầng qp khu
vực Bắc Sông Hồng................................................................................................................................. 79
Bảng 19: Đặc trưng thống kê hàm lượng các hợp chất Nito trong NDĐ tầng qh khu
vực Bắc Sông Hồng................................................................................................................................. 80
Bảng 20: Đặc trưng thống kê hàm lượng các hợp chất Nito trong NDĐ qp khu vực Gia
Lâm................................................................................................................................................................ 83
Bảng 21: Đặc trưng thống kê hàm lượng các hợp chất Nito trong NDĐ tầng qh khu
vực Gia Lâm............................................................................................................................................... 84
Bảng 22: Đặc trưng thống kê hàm lượng các hợp chất Nito trong NDĐ tầng qp khu
vực Nam Sông Hồng............................................................................................................................... 86
Bảng 23: Đặc trưng thống kê hàm lượng các hợp chất Nito trong NDĐ tầng qh khu
vực phía Nam sông Hồng...................................................................................................................... 87
Bảng 24: Tỷ lệ đóng góp các đồng vị Nito trong tự nhiên........................................................ 89
Bảng 25: Tỷ lệ đóng góp hàm lượng Amoni trong NDĐ bởi nguồn vô cơ và hữu cơ .. 99
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn
Các hợp chất của Nito có trong nước là kết quả của quá trình phân hủy các hợp
chất hữu cơ có trong tự nhiên, trong chất thải và trong các nguồn phân bón mà con
người trực tiếp hoặc gián tiếp đưa vào nguồn nước. Các hợp chất này thường tồn tại ở
-
-
+
dưới dạng Nitrat (NO3 ), Nitrit (NO2 ) và Amoni (NH4 ). Ngày nay, cùng với sự gia
tăng việc sử dụng phân bón trong nông nghiệp, các nguồn thải hữu cơ đến từ các khu
công nghiệp và trong các hoạt động sống của con người, một lượng lớn các hợp chất
Nito đã được giải phóng vào môi trường nước. Trong một loạt những nghiên cứu gần
đây, hiện tượng hàm lượng cao các hợp chất Nito có trong nước sinh hoạt được lấy từ
nguồn nước dưới đất đã được phát hiện ở rất nhiều quốc gia trên thế giới như Trung
Quốc, Ấn Độ, Mỹ và các quốc gia châu Âu... Ô nhiễm các hợp chất Nito trong nước
dưới đất đã và đang được cảnh báo là hiểm họa môi trường có quy mô rộng trên toàn
thế giới.
Hàm lượng cao các hợp chất Nito trong nước có thể gây ra rất nhiều nhiều bệnh
nguy hiểm. Nitrat tạo chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành
Nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy
cảm với Nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa. Khi lọt vào cơ thể,
Nitrat có thể chuyển thành Nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Ion Nitrit còn nguy hiểm
hơn Nitrat đối với sức khỏe con người. Khi tác dụng với các amin hay ion alkyl
cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất Nito gây ung thư.
Trong cơ thể, Nitrit có thể oxy hóa Fe (II) ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm
lượng oxy trong máu có thể gây ngạt, nôn và khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong.
Ở Việt Nam, bắt đầu từ những năm 1990, khi phát hiện các mẫu nước dưới đất
chứa hàm lượng cao các hợp chất Nito, nhiều công trình khoa học được tiến hành để
1
nghiên cứu hiện trạng, nguồn gốc hình thành, sự biến đổi của các hợp chất nito nhằm
tìm ra các giải pháp phòng ngừa và xử lý nhằm đảm bảo chất lượng nước sinh hoạt cho
người dân. Các kết quả bước đầu cho thấy, nồng độ cao các hợp chất Nito trong nước
dưới đất phân bố trên diện rộng lãnh thổ Việt Nam. Nhiều địa phương như Hà Nội,
Nam Định, Thái Bình, Đà Nẵng, Quảng Nam, Thành phố Hồ Chí Minh… đã phát hiện
hàm lượng các hợp chất Nito trong nước ngầm vượt quá nhiều lần tiêu chuẩn cho phép
theo QCVN và các tiêu chuẩn quốc tế đối với ăn uống và sinh hoạt. Lãnh thổ thành phố
Hà Nội ( cũ ) là một trong những điểm ô nhiễm được chú ý nhiều trong những năm gần
đây. Riêng khu vực nội thành của thành phố, nhu cầu tiêu thụ nước ước khoảng
3
3/
700.000 m /ngày và dự tính lên tới 1.400.000 m ngày vào năm 2020. Trước nhu cầu
sử dụng nước ngày càng tăng, việc đảm bảo chất lượng nguồn nước trở nên quan trọng
và cấp bách hơn bao giờ hết. Các nghiên cứu đánh giá chất lượng nước dưới đất khu
vực Hà Nội của một số tác giả như Nguyễn Văn Đản, Lê Văn Cát, Trần Văn Nhị,
Nguyễn Việt Anh… đã cho thấy mức độ ô nhiễm nghiêm trọng của nước dưới đất ở
một số chỉ tiêu, trong đó có chi tiêu các hợp chất Nito. Kết quả quan trắc gần 20 năm
nay trên một mạng lưới cố định cho thấy nước dưới đất vùng Hà Nội đã bị ô nhiễm
nặng bởi các hợp chất Nito, điển hình là Amoni. Khu vực ô nhiễm nặng với hàm lượng
lớn hơn 10 mg/l của hợp chất này bao trùm một khoảng rộng lớn ở phía Nam Hà Nội
kéo dài từ Tây Mỗ, Mễ Trì qua Ngã Tư Sở, Tương Mai, Hoàng Văn Thụ. Trần Phú qua
2
Pháp Vân, Văn Điển, Hạ Đình, Tam Hiệp…có diện tích khoảng trên 100 km . Một số
kết quả phân tích cho thấy hàm lượng Amoni ở một số nhà máy nước rất cao như
Tương Mai 7-10mg/l, nhà máy nước Hạ Đình 15-20mg/l, có lúc lên đến 40mg/l, Pháp
Vân 25-30mg/l, có lúc lên đến 60mg/l. Trong khi đó, tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống
do bộ Y tế ban hành cho phép hàm lượng Amoni không vượt quá 3mg/l. Theo Quy
hoạch cấp nước cho Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, thành phố đã tính
đến việc hủy bỏ 2 nhà máy nước là Hạ Đình và Pháp Văn do bị ô nhiễm. Một vài
2
con số thống kê nêu trên đã phần nào phản ánh thực trạng đáng báo động của ô nhiễm
các hợp chất Nito trong khu vực nghiên cứu.
Trước nhu cầu sử dụng nước và thực trạng ô nhiễm các hợp chất Nito trong nước
dưới đất, độ độc hại cao hàm lượng hợp chất Nito đến sức khỏe con người, mức độ khó
khăn cũng như giá thành cao cho công nghệ xử lý ô nhiễm, việc nghiên cứu sự hình
thành các hợp chất Nito trong nước dưới đất rất quan trọng, ngoài ý nghĩa khoa học sẽ
có ý nghĩa thực tiễn rất cao. Nhận thức được như vậy, học viên lựa chọn đề tài “ Đặc
điểm hình thành các hợp chất Nito trong nước dưới đất khu vực Hà Nội” làm luận văn
tốt nghiệp.
2.
Đối tượng và phạm vi nghiên
cứu * Phạm vi:
- Diện tích nghiên cứu được giới hạn bởi diện tích phần đồng bằng của thành
phố Hà Nội cũ bao gồm các quận nội thành và các huyện Đông Anh, Gia Lâm, Từ
2
Liêm và Thanh Trì, diện tích 615 km .
- Nội dung được giới hạn bởi nghiên cứu sự hình thành các hợp chất Nito trong
nước dưới đất
* Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là nước dưới đất trong các
tầng chứa nước trầm tích Đệ tứ.
3.
Mục tiêu của đề tài
-
Đánh giá hiện trạng ô nhiễm các hợp chất Nito trong nước dưới đất
-
Xác định nguồn gốc hình thành và cơ chế ô nhiễm các hợp chất Nito trong nước
dưới đất, trên cơ sở đó đề xuất các biện pháp xử lý giảm thiểu hàm lượng các hợp chất
Nito trong nước dưới đất khu vực nghiên cứu.
3
Nội dung nghiên cứu
4.
- Nghiên cứu tổng quan về các hợp chất nito trong nước như nguồn gốc hình
thành, dạng tồn tại, ảnh hưởng đến cong người và hệ sinh thái nước...
- Nghiên cứu các nhân tố tự nhiên và nhân tạo ảnh hưởng đến đặc điểm thủy địa
hóa.
- Nghiên cứu hàm lượng ion chính trong nước dưới đất, xác định tổng độ khoáng
hóa, kiểu nước và quy luật phân bố của chúng trên địa bàn nghiên cứu.
- Nghiên cứu hàm lượng của các hợp chất nito trong nước dưới đất và đánh giá
mức độ ô nhiễm của chúng dựa trên các quy chuẩn của Việt Nam và thế giới.
- Nghiên cứu cơ chế hình thành và di chuyển của các hợp chất Nito trong nước
dưới đất.
- Nghiên cứu, đề xuất các biện pháp xử lý nước có hàm lượng cao các hợp chất
Nito.
5. Cơ sở số liệu
- Dựa trên các kết quả phân tích hàm lượng các ion chính và hàm lượng các hợp
chất Nito trong nước dưới đất được được lấy mẫu liên tục trên mạng lưới quan trắc cố
định trong suốt 20 năm trở lại đây trên địa bàn nghiên cứu của Liên đoàn Quy hoạch và
Điều tra nước miền Bắc.
- Dựa trên các báo cáo khoa học, các bài báo được công bố có liên quan.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp kế thừa: Bao gồm việc kế thừa những kiến thức, kết quả nghiên
cứu có trước cả về lý thuyết và thực tế. Kế thừa kết quả nghiên cứu trong vùng thông
qua các loại tài liệu, phương tiện thông tin.
4
- Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa: Bao gồm các công tác nghiên cứu
điều tra khảo sát ngoài thực địa, đo đạc, thu thập số liệu trên địa bàn khu vực cần
nghiên cứu. Tiến hành lấy và bảo quản, vận chuyển các mẫu về phòng thí nghiệm.
- Các phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm: bao gồm các phương pháp
phân tích hàm lượng các ion chính và hàm lượng các hợp chất nito trong nước dưới đất
như phương pháp trắc quang, AAS. Phương pháp phân tích đồng vị
15
N trong các mẫu
trầm tích và nước dưới đất.
- Phương pháp thống kê xử lý số liệu :
+ Xử lý kết quả hàm lượng các cation và anion chính của nước dưới đất để xác
định các thông số đặc trưng cho đặc điểm thủy địa hóa của khu vực nghiên cứu, xác
định độ tổng khoáng hóa và kiểu hóa học của nước.
+ Thành lập các biểu đồ, đồ thị đánh giá mức độ ô nhiễm các hợp chất Nito trong
nước dưới đất trong khu vực nghiên cứu bằng cách so sánh với QCVN và tiêu chuẩn
quốc tế.
+ Xử lý kết quả phân tích đồng vị
15
N trong nước dưới đất và trầm tích, xem xét
15
các mối tương quan giữa hàm lượng các hợp chất nito, TOC và δ N để luận giải
nguồn gốc và cơ chế ô nhiễm các hợp chất nito trong nước dưới đất
+ Thành lập các sơ đồ, bản đồ chuyên đề.
- Phương pháp chuyên gia: thực hiện bằng cách tiếp xúc, trao đổi thường xuyên với
thầy hướng dẫn, các nhà khoa học, các cơ quan nghiên cứu chuyên ngành về nội dung
và kết quả nghiên cứu.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ thực trạng ô nhiễm các hợp chất nito
trong nước dưới đất khu vực Hà Nội trong nhiều năm trở lại đây và xu hướng phát triển
mức độ ô nhiễm trong tương lai. Với các bằng chứng khoa học, luận văn làm sáng tỏ
5
nguồn gốc và cơ chế ô nhiễm của các hợp chất này trong nước đồng thời đưa ra các
giải pháp phòng chống và giảm thiểu tình trạng nhiễm bẩn, đảm bảo chất lượng nguồn
nước sinh hoạt cho dân cư trong khu vực.
8. Cấu trúc của luận văn
Luận văn dài 120 trang đánh máy phông chữ Times New Roman, trong đó có 39
hình vẽ, 25 biểu bảng, tham khảo 30 nguồn tài liệu trong và ngoài nước. Bố cục gồm
phần mở đầu, kết luận và 5 chương.
Luận văn được hoàn thành tại Khoa Địa Chất- Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn
Văn Đản, Viện trưởng Viện tài nguyên môi trường nước . Học viên xin bày tỏ lòng biết
ơn sâu sắc đối với thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ dẫn và giúp đỡ học viên trong quá
trình thực hiện luận văn. Đồng thời tác giả cũng cũng cám ơn những ý kiến đóng góp
quý báu của các thầy cô giáo, cùng các đồng nghiệp trong Khoa Địa Chất- Trường Đại
học Khoa học Tự nhiên, sự hỗ trợ về mặt số liệu, tài liệu của Trung tâm Quan trắc và
Dự báo tài nguyên nước, Viện Khoa học kĩ thuật hạt nhân... Nhân dịp này tác giả xin
bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Trường Đại học khoa học Tự nhiên, Khoa Đào tạo sau
đại học, Khoa Địa chất cùng các cơ quan chuyên môn và các đồng nghiệp, bạn bè đã
tạo điều kiện, tận tình giúp đỡ để tác giả có thể hoàn thành luận văn.
6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỢP CHẤT NITO TRONG NƯỚC
1.1 Nguồn gốc hình thành các hợp chất Nito trong nước
Nito trong nước tự nhiên và nước thải chủ yếu có nguồn gốc khí quyển, nguồn
gốc sinh vật và nguồn gốc đạm phân đạm sử dụng trong sản xuất nông nghiệp.
Nguồn gốc khí quyển:
Nitơ tồn tại ở dạng đơn chất trong tầng đối lưu của khí quyển với hàm lượng lớn
và ổn định (~78% thể tích trong không khí khô). Ở dạng này, khí N 2 là thành phần hoạt
động hóa học yếu cả trong môi trường khí, đất và nước. Ngoài N 2, khí quyển còn chứa
một lượng nhỏ các khí khác chứa nitơ: NH 3 và NOx. Các khí này có nguồn gốc từ núi
lửa và phân hủy chất hữu cơ trong đất, nước, rồi giải phóng vào khí quyển. Sự phóng
điện trong mây dông cũng tạo thành một lượng nhỏ N2O5 từ N2:
N2 + 2,5 O2
→ N2O5
Ngoài ra, NOx từ khói nhà máy cũng được thải vào khí quyển. Các chất khí chứa
nitơ trong khí quyển hòa tan vào nước mưa rồi rơi xuống bề mặt Trái Đất, bổ sung các
-
+
ion NO3 , NH4 cho nước mặt.
Nguồn gốc sinh vật:
Nito là nguyên tố có vai trò rất quan trọng trong sự hình thành sự sống trên bề
mặt Trái Đất. Nito là thành phần cấu thành protein có trong tế bào chất cũng như các
axit amin trong nhân tế bào (tạo nên các gen di truyền của sinh vật). Trong các loài
thực vật (vật sản xuất của hệ sinh thái), chỉ có rất ít loài hấp thụ được N 2 từ khí quyển
để tổng hợp protein cho mình, đa số chỉ hấp thụ được các ion Nito vô cơ trong đất và
nước. Các loài động vật (vật tiêu thụ trong hệ sinh thái) thì chỉ tổng hợp được protein
cho mình từ các protein từ thực vật, hoàn toàn không có khả năng hấp thụ Nito vô cơ
từ môi trường. Xác sinh vật và các bã thải trong quá trình sống của chúng là những tàn
tích hữu cơ chứa các protein – các hợp chất chứa Nito, liên tục được thải vào môi
7
trường với lượng rất lớn. Các protein này dần dần bị vi sinh vật dị dưỡng (các loại vi
+,
-
khuẩn, nấm) phân hủy, khoáng hóa, trở thành các hợp chất nitơ vô cơ như NH 4 , NO2 ,
-
NO3 …
Như vậy, trong môi trường đất và nước, luôn tồn tại các thành phần hóa học chứa
Nito có nguồn gốc sinh vật: từ các protein có cấu trúc phân tử phức tạp đến các axit
amin đơn giản có phân tử lượng thấp, hòa tan được trong nước cũng như các ion Nito
vô cơ, sản phẩm của quá trình khoáng hóa chất hữu cơ trong môi trường.
So với nguồn gốc từ khí quyển, nguồn từ các tàn tích hữu cơ chiếm phần áp đảo
trong tổng hàm lượng Nito trong môi trường nước và đất (không kể N2).
Nguồn gốc từ phân đạm sử dụng trong sản xuất nông nghiệp:
Việc sử dụng các loại phân đạm như sunfat amoni, nitrat amoni trước đây góp
phần làm chua đất, ngày nay việc sản xuất và sử dụng phân urê ((NH 2)2CO) đã là một
tiến bộ quan trọng trong sản xuất nông nghiệp. Một phần phân urê không được cây
+
-
-
trồng hấp thụ, dần dần bị phân giải thành các ion NH 4 , NO2 , NO3 tồn tại trong môi
trường đất và nước.
1.2 Dạng tồn tại của các hợp chất Nitơ
Các hợp chất của Nito tồn tại ở hai dạng : dạng lơ lửng, dạng hòa tan. Cụ thể như
sau:
Dạng lơ lửng: Các thành phần lơ lửng nitơ trong nước là các tàn tích hữu cơ thô
đang phân hủy. Chúng có thể tồn tại với hàm lượng đáng kể trong nước thải và nước tự
nhiên tiếp nhận nước thải giàu chất hữu cơ. Dạng này chính là nguồn tạo ra dạng hòa
tan.
Dạng hòa tan: Các hợp chất chứa nitơ hòa tan trong nước bao gồm nitơ hữu cơ
và nitơ vô cơ. Trong trường hợp này, các hợp chất Nitơ có thể phân loại theo trạng thái
oxy hóa – khử:
8
+
Dạng khử: bao gồm hợp chất nitơ hữu cơ hòa tan và NH4 , NH3 hòa tan trong
nước
-
-
Dạng oxy hóa: NO2 và NO3 là các sản phẩm cuối cùng của quá trình oxi hóa
chất hữu cơ.
Tùy theo mức độ phân hủy, khoáng hóa chất hữu cơ trong nước, tỉ lệ hàm lượng
của thành phần nitơ hữu cơ và vô cơ biến đổi rõ rệt: nếu nước sạch chất hữu cơ, quá
trình khoáng hóa tự nhiên đã ở giai đoạn cuối, chất hữu cơ đã hầu như bị khoáng hóa
hoàn toàn thì nitơ vô cơ sẽ chiếm tỉ phần áp đảo và ngược lại.
+
Trong các hợp chất nitơ ở dạng khử, đáng lưu ý nhất là ion NH 4 , dạng tồn tại của
+
ion này trong nước phụ thuộc vào PH nước: ion NH 4 hình thành do NH3 là khí mang
tính bazơ hòa tan vào nước và thủy phân:
NH3 + H2O ←
KB =
[NH + ].[OH − ]
4
→
+
NH4 + OH
-
= 10−4.75
[NH3 ]
[NH4
→
[ NH
3
pH 5.25
→
+
→ có thể coi toàn bộ amonia trong nước tồn tại ở dạng NH4
+
Ở pH 7.25 → [ NH 4 + ] = 100 [ NH3 ] → dạng NH4 chiếm ~99%, dạng NH3 chỉ
chiếm ~1%.
+
Ở pH 8.25 → [ NH 4 + ] = 10 [ NH3 ] → dạng NH4
chiếm khoảng 9%.
chiếm ~90%, dạng NH3 chỉ
9
Ở pH 8.25 → [ NH 4 + ] = [ NH3 ] = 50%
Như vậy, ở pH thường gặp cửa nước tự nhiện, dạng tồn tại chủ yếu của amonia
+
+
trong nước là ion NH4 . Trong môi trường kiềm mạnh, NH 4 được chuyển thành NH3,
và dần bị nhả vào khí quyển.
+
-
-
Hàm lượng các ion NH4 , NO2 , NO3 trong nước mặt, nơi không tiếp nhận nước
thải hoặc ở xa nguồn thải đều không lớn: từ 0~1mg/L. Hàm lượng thấp là do các ion
này trong tự nhiên bị thực vật nước hấp thụ trong quá trình quang hợp. Ngoài ra chúng
-
còn bị hấp phụ vào keo đất. Hàm lượng NO3 trong nước thải giàu chất hữu cơ, qua xử
+
lý sinh học có thể rất cao. Trong nước ngầm có Eh thấp (môi trường khử) dạng NH 4
-
-
sẽ có hàm lượng lớn hơn NO2 , NO3 .
1.3
Quá trình chuyển đổi của các hợp chất Nito trong môi trường
Quá trình thay đổi chính các hợp chất của nitơ trong đất được minh họa trên
hình 1.
Vòng tuần hoàn của nitơ bao gồm hấp thụ nitơ trong khí quyển, quá trình khoáng
hóa của vi khuẩn và nitơrat hóa, nitơ hấp thụ bởi cây trồng và các hợp chất trong đất,
quá trình lọc (thấm). Các quá trình hóa học, sinh học và vật lý đều ảnh hưởng đến
lượng nitơ trong đất.
Quá trình khoáng hóa: Là tạo ra Nito vô cơ, như Amoni bằng quá trình phân
hủy các chất còn lại của cây trồng, các chất hữu cơ có trong đất bởi vi khuẩn. Tốc độ
tạo ra nitơ vô cơ phụ thuộc vào lượng các chất phân hủy, phụ thuộc vào nhiệt độ và độ
ẩm của đất. Quá trình khóang hóa có thể diễn ra hàng tuần, hàng tháng và hàng năm.
Theo thời gian Nito được tạo ra từ các hữu cơ trong đất, nhưng sẽ nhanh hơn từ một số
các chất thải của mùa màng, xác động vật, chất thải sinh học, các sản phẩm của quá
trình nông nghiệp.
10
Nhiều phân bón tổng hợp trên thị trường đều chứa Amoni, cây trồng có thể sử
dụng trực tiếp. Các tổ chức vi mô cũng sử dụng một lượng nhỏ nitơ từ Amoni hoặc
Nitơrat khi chúng phân hủy các chất còn lại của cây trồng như rơm, rạ hoặc mùn cưa.
Amôni vô cơ được giữ trong các hạt đất và thầm dần dần cho đến khi chuyển thành
nitơrát.
+
Quá trình Nitơrat hóa: Quá trình Nitơrat hoá là quá trình ion NH 4 biến đổi
-
-
thành NO2 hoặc NO3 tuỳ thuộc vào sự có mặt của oxy có đủ hay không và nhờ hoạt
động của hai loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter (theo Thomas.D.Waite). Quá
trình này diễn ra theo các phản ứng:
VK Nitrosomonas
+
NH4
-
+ OH +1,5O2
+
Sau khi oxy hoá ion NH4 bởi vi khuẩn Nitrosomonas thì vi khuẩn Nitrobacter sẽ
-
-
thúc đẩy phản ứng oxy hoá tiếp NO2 thành NO3 theo phản ứng:
VK Nitrobacter
→
NO2- + 1/2O2
NO3- + 18 Kcal
Các phản ứng nitơrat hoá nêu trên còn phụ thuộc vào giá trị pH của môi trường
(điều kiện tốt nhất cho các phản ứng là pH = 8 – 8,5) và phụ thuộc vào hàm lượng
cacbon hữu cơ (hàm lượng cacbon hữu cơ càng lớn càng ngăn cản sự phát triển của
khuẩn nitơrat hoá khó xảy ra).
-
Quá trình khử Nitơrat: là quá trình giảm nồng độ NO3 trong nước do lượng hoà
-
tan trong nước giảm và NO 3 bị khử oxy chuyển thành N 2O và N2 bay lên. Điều kiện để
o
quá trình khử nitơrat thực hiện tốt là nhiệt độ 25 C, pH = 7, lượng oxy hoá tan DO = 4,2
mg/l hoặc tương ứng với Eh = +250mV. Cơ chế của quá trình khử Nitơrat là trong nước có
chứa nhiều vi khuẩn và hoạt động của chúng luôn cần đến oxy, nếu hàm lượng oxy trong
-
nước giảm thì các vi khuẩn này dùng oxy của các hợp chất như NO3 hay
11
2-
-
SO4 ( theo Thomas.D.Waite). Thứ tự phản úng khi oxy hoà tan giảm là NO3 → N2O
sau đó N2O → N2. Quá trình khử Nitơrat chủ yếu xảy ra do nhu cầu oxy của các loại
vi khuẩn trong nước và tuỳ theo nhóm vi khuẩn khác nhau làm cho quá trình khử xảy
ra theo 2 hướng khác nhau: khử Nitơrat dị dưỡng (do vi khuẩn nhóm dị dưỡng oxy hoá
các phần tử hữu cơ) và khử Nitơrat tự dưỡng (do vi khuẩn nhóm tự dưỡng sử dụng oxy
từ các phản ứng biến đổi kim loại có hoá trị thay đổi trong nước):
+ Quá trình khử nitơrat dị dưỡng thực hiện theo phương trình:
-
5CH2O + 4NO3 + 4H
+
→ 5CO2 + 2N2 + 7H2O (theo Pedersen)
-
+ Quá trình khử nitơrat tự dưỡng: kết quả của quá trình này là giảm ion NO 3 cùng
các ion kim loại trong nước và sự tăng cao của hàm lượng N 2O và N2. Ví dụ các phản
ứng sau:
HNO3 + Fe2+ + H+ → NO + Fe3+ + H2O
2NO + 2Fe2+ + H+ → N2O + Fe3+ + H2O
2HNO2 + 6Fe2+ + 6H+
-
→ N2 + 6Fe3+ + 4H2O
2-
hoặc giảm ion 4NO3 cùng với sự tăng ion SO4 nhờ phản ứng:
-
5FeS2 + 14NO3 + 4H
+
2-
→ 7N2 + 10SO4
+ 5Fe
3+
+ 2H2O
-
-
Ngoài các phản ứng khử NO3 thành N2O và N2 còn có phản ứng khử NO3 thành
+
+
NH4 song NH4 được tạo ra từ quá trình này thường không bền vững và phần lớn
chúng bị hấp thụ bởi các khoáng vật sét trong đất đá chứa nước hoặc các thành tạo hạt
-
mịn. Tuy nhiên, đây là một hình thức làm giảm hàm lượng ion NO3 trong nước.
12
Hình 1 : Chu trình chuyển hóa Nito trong môi trường
1.4
Ảnh hưởng của các hợp chất Nito đối với con người và hệ sinh thái
+
-
-
Các hợp chất nito tồn tại trong nước dưới các dạng NH 4 , NO2 , NO3 , trong đó ion
-
-
NO2 là ion có độc tính cao nhất đối với sức khỏe con người. Khi vào máu ion NO 2 khử
hồng cầu đã tiếp nhận oxi ở phổi – oxihemoglobin (HbO 2) thành metheglobin (HbOH) là
dạng không có khả năng oxi hoá gluco trong tế bào để giải phóng hơn là ở phổi,
metheglobin (HbOH) cũng không tiếp nhận được oxi để thành oxihemoglobin (HbO 2) như
-
hồng cầu (hemoglobin) bình thường, vì vậy thực chất là ion NO 2 phá hủy hồng cầu, gây
-
-
ra bệnh thiếu máu, xanh xao, mệt mỏi. Ion NO 2 vả cả NO3 đặc biệt độc hại với trẻ em, vì
-
-
trong đường ruột trẻ em có loại vi khuẩn khử có thể khử NO 3 thành NO2 . Nước có hàm
-
lượng NO3 cao ít độc đối với người lớn nhưng lại khá độc hại đối với trẻ em. Không chỉ
-
-
ion NO2 mà ngay cả ion NO3 trong nước ăn uống cũng sẽ gây bênh metheglobinemia –
bệnh thiếu máu, lười vận động, biếng ăn, dẫn đến suy dinh dưỡng và còi xương ở trẻ em.
-
Trong môi trường HCl của dạ dày, ion NO2 còn có khả
13
