Nghiên cứu xây dựng mô hình sử dụng thực vật để xử lý đất nhiễm As do hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản

 
ThS. Mai Văn Định, Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
1. Mở đầu
Hoạt động khai thác khoáng sản gây ra nhiều tác động tiêu cực tới cảnh quan môi trường như: ô nhiễm nguồn nước, không khí, đất đai, ảnh hưởng đến đa dạng sinh học… Nhiều nghiên cứu đã cho thấy, tình trạng ô nhiễm, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất tại các khu vực khai thác mỏ khoáng sản là rất phổ biến, trong đó phải kể đến các kim loại nặng như As (As), đồng (Cu), chì (Pb), cadimi (Cd)...
Việc nghiên cứu xử lý kim loại nặng nói chung và đặc biệt là As trong đất tại các khu vực khai thác, chế biến khoáng sản đã được nhiều tổ chức, cá nhân nghiên cứu. Nhiều phương pháp xử lý As trong đất đã được đề xuất như phương pháp cơ học, vật lý, hoá học, sinh học… Tùy thuộc vào đặc điểm tính chất của từng loại đất mà chọn phương pháp cho phù hợp. Trong các biện pháp xử lý thì biện pháp xử lý cơ học, vật lý và hóa học được xem là mang lại hiệu quả nhanh nhưng đòi hỏi chi phí đầu tư rất lớn và có nhiều tác động phụ không mong muốn. Do vậy, biện pháp xử lý bằng sinh học đang là hướng tiếp cận nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà môi trường và sinh thái, đây là hướng đi bền vững, lâu dài và hiệu quả đối với việc bảo vệ môi trường của các vùng đã, đang khai thác - chế biến khoáng sản.
Đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình sử dụng thực vật để xử lý đất nhiễm As do hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản”. là đề tài nghiên cứu có nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn, được thực hiện tại khu vực khai thác và chế biến khoáng sản thiếc K9, mỏ Châu Hồng, huyện Quỳ Hợp, tỉnh Nghệ An thuộc công ty cổ phần Kim loại Màu Nghệ Tĩnh. Đối tượng nghiên cứu chủ yếu là các loài thực vật bản địa, có khả năng chống chịu và tích lũy cao As cũng như một số kim loại nặng khác.
2. Kết quả nghiên cứu và thảo luận
2.1. Một số tính chất đất vùng KTCB thiếc Quỳ Hợp, Nghệ An
Đề tài đã tiến hành lấy 06 mẫu đất tại bãi thải K9 để phân tích hàm lượng của As và một số tính chất khác của đất như pHKcl, độ ẩm, hàm lượng mùn, Nitơ tổng số, Phốt pho tổng, hàm lượng mùn trong đất. Các kết quả phân tích được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 1. Một số tính chất đất tại vùng nghiên cứu trước khi xử lý
TT Kí hiệu mẫu As (mg/kg) pHKcl
 
Độ ẩm (%) N tổng số (%) P2O5 tổng số (%) Hàm lượng mùn(%)
1 Đ1 366 4,7 95 0,021 0,0016 0,06
2 Đ2 301 4,8 98 0,018 0,0011 0,08
3 Đ3 288 4,8 95 0,025 0,0012 0,05
4 Đ4 351 4,7 95 0,015 0,0018 0,06
5 Đ5 412 4,8 99 0,017 0,0012 0,04
6 Đ6 415 4,7 96 0,019 0,0017 0,03
Trung bình 355,5 4,75 96,3 0,019 0,0014 0,05
Kết quả phân tích cho thấy, pHKCl đất khá thấp (từ 4,7- 4,8); Hàm lượng nitơ tổng số và Phốt pho tổng số trong đất thuộc loại nghèo (dao động từ 0,015 -0,025% đối với nitơ và từ 0,011-0,018% đối với phốt pho); hàm lượng mùn dao động từ 0,03-0,08%, theo thang đánh giá thuộc loại rất nghèo. Đặc biệt đối với hàm lượng As, ở tất cả các mẫu trên bãi thải đều cao hơn quy chuẩn cho phép theo QCVN 03-MT: 2015/BTNMT từ xấp xỉ 15 đến trên 20 lần (QCCP của As đối với đất lâm nghiệp là 20 mg As/kg đất khô). Điều đó cho thấy việc nghiên cứu giải pháp để xử lý đất khu vực này là rất cần thiết và loài thực vật được lựa chọn để xử lý ngoài đòi hỏi phải có khả năng hút thu và tích lũy As, còn đòi hỏi phải thích nghi với điều kiện  đất nghèo chất dinh dưỡng.
2.2. Kết quả thí nghiệm sử dụng thực vật để hút thu As trong đất khu vực nghiên cứu
a. Bố trí thí nghiệm
Trên cơ sở khảo sát điều kiện thực tế tại khu vực chế biến khoáng sản thiếc K9, thuộc mỏ Châu Hồng, huyện Quỳ Hợp đồng thời với tiêu chí lựa chọn loài thực vật để bố trí thí nghiệm là loài có khả năng chống chịu và tích lũy cao As cũng như một số kim loại nặng khác, thích nghi được với điều kiện sống khu vực bãi thải khai thác quặng, bước đầu đề tài đã chọn lọc được 3 loài thực vật bản địa để làm thí nghiệm tại các bãi thải như Dương xỉ Pteris vittata, Cải xanh và Cây sậy.
Thí nghiệm được tiến hành trên khu đất bãi thải của mỏ thiếc K9 với tổng diện tích nghiên cứu là 150m2, bao gồm 4 công thức:
- Công thức 1: Trồng thuần Dương xỉ Pteris vittata: diện tích 40m2.
- Công thức 2: Trồng thuần Cải xanh: diện tích 40m2.
- Công thức 3: Trồng thuần cây sậy: diện tích 40m2.
- Công thức 4: Đất trống bãi thải: diện tích 30m2.
Thời gian thí nghiệm được bố trí với tổng thời gian là 9 tháng và sau 3 tháng/lần tiến hành thu mẫu đất và thực vật để phân tích hàm lượng As trong đất và trong thực vật. Tổng số mẫu theo các công thức được lấy để phân tích hàm lượng As được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 2. Công thức bố trí thí nghiệm
TT Công thức Số lượng mẫu đất Mẫu thực vật Đợt
1
Dương xỉ 4 3 3
2
Sậy 4 3 3
3
Cải xanh 4 3 3
4
Mẫu đất trống 1 0 3
  Tổng số mẫu 66
 
Các mẫu sau khi thu được bảo quản và phân tích theo các tiêu chuẩn của Việt Nam tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Quan trắc và Mô hình hóa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN.
b. Kết quả thí nghiệm về xử lý As trong đất khu vực nghiên cứu
Kết quả phân tích hàm lượng As trung bình sau 3 tháng, 6 tháng và 9 tháng trồng thí nghiệm được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 3. Hàm lượng As trong đất sau khi trồng cây thí nghiệm
TT Thí nghiệm As trong đất (mg/kg) sau khi trồng QCVN 03-MT:2015/BTNMT
Trước khi trồng 3 tháng 6 tháng 9 tháng
1 Dương xỉ Pteris vittata 355,5 329 295 277 20 (mg/kg)
2 Cải xanh 355,5 339 308 288
3 Cây sậy 355,5 332 287 255
4 Đất trống 355,5 353,1 352,9 348,3
Kết quả thí nghiệm cho thấy sau 3 tháng, 6 tháng và 9 tháng hàm lượng As trong đất ở tất cả các thí nghiệm có trồng cây đều có xu hướng giảm. Sau 9 tháng, hàm lượng As trong đất trồng dương xỉ Pteris vittata giảm từ 355,5 mg/kg xuống 277 mg/kg (giảm 22,08%), hàm lượng As trong đất trồng cải xanh giảm từ 355,5 mg/kg xuống 288 mg/kg (giảm 19,55%), hàm lượng As trong đất trồng sậy giảm từ 355,5 mg/kg xuống 255 mg/kg (giảm 28,27%). Tuy nhiên, nếu so sánh với QCVN 03-MT: 2015/BTNMT về giới hạn hàm lượng kim loại nặng trong đất đối với đất lâm nghiệp thì hàm lượng As còn lại trong đất còn khá cao so với QCCP. Điều đó có nghĩa rằng, để hút thu hết As trong đất đòi hỏi thời gian thực nghiệm phải kéo dài hơn nữa. Kết quả nghiên cứu này cũng phù hợp kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu thuộc Đề tài KC08.04/06-10 “Nghiên cứu sử dụng thực vật để cải tạo đất bị ô nhiễm kim loại nặng tại các vùng khai thác khoáng sản" (GS. TS. Đặng Đình Kim và các cộng sự).
So sánh kết quả phân tích giữa các thời điểm lấy mẫu khác nhau cho thấy, sau thời gian trồng 03 tháng thì đất trồng cây dương xỉ Pteris vittata có hàm lượng thấp nhất, sau đó đến cây sậy và cây cải xanh. Nhưng sau 6 tháng và 9 tháng trồng thì As trong đất trồng cây Sậy lại thấp nhất rồi đến Dương xỉ Pteris vittata và cải xanh.
b. Hàm lượng As tích lũy trong thực vật theo các thí nghiệm
Với kết quả phân tích hàm lượng As trung bình trong thực vật ở các thí nghiệm theo 3 đợt lấy mẫu (3 tháng; 6 tháng và 9 tháng trồng) được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 4. Hàm lượng As trong thực vật sau khi trồng thí nghiệm
TTT Thí nghiệm Hàm lượng As tích lũy trong thực vật sau khi trồng (tổng thân, rễ, lá)
3 tháng 6 tháng 9 tháng
1 Dương xỉ Pteris vittata 278,7 322,6 357,2
2 Cải xanh 133,5 141,9 212,5
3 Cây sậy 214,6 336,3 361,6
Từ kết quả phân tích ở bảng trên cho thấy, hàm lượng As tích lũy trong cả 3 loài thực vật nghiên cứu đều có xu hướng tăng dần theo thời gian. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả phân tích hàm lượng As trong đất theo thời gian nghiên cứu.
So sánh về hàm lượng As tích lũy trong 3 loài thực vật cho thấy, cây Sậy là loài cây có khả năng tích lũy As cao nhất trong 3 loài cây thí nghiệm, sau đó là cây Dương xỉ Pteris vittata rồi mới đến cây cải xanh ở cả 2 lần phân tích sau 6 tháng và 9 tháng trồng. Do đó bước đầu có thể khẳng định việc sử dụng Cây Sậy và cây Dương xỉ Pteris vittata để xử lý As trong đất bãi thải tại khu khai thác và chế biến thiếc Quỳ Hợp là hoàn toàn phù hợp, đặc biệt là cây Sậy.
c. Đề xuất xử lý sinh khối thực vật sau khi hấp thụ kim loại
Một trong những vấn đề quan trọng khi dùng thực vật để xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm môi trường đất do KLN gây ra là xử lý sinh khối thực vật này như thế nào? Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều cách tiếp cận nhằm đưa ra hướng giải quyết đúng đắn và hợp lý. Có thể kể đến các cách tiếp cận như làm nhiên liệu (biogas); nguyên liệu cho thủ công, mỹ nghệ; nguyên liệu sợi; chiết lấy kim loại quý; sử dụng năng lượng để phát điện; sử dụng làm thức ăn cho động vật; đốt cháy (tro hóa) để chôn lấp.
Trong các phương pháp xử lý trên thì tro hóa thường được dùng để loại bỏ các cây trồng ô nhiễm. Nghiên cứu chọn phương pháp tro hóa sinh khối thực vật sau thu hoạch rồi sau đó sẽ chôn lấp hoặc bê tông hóa. Đây là phương pháp đơn giản, an toàn, sinh khối sau khi đốt có thể tích và khối lượng nhỏ dễ dàng đem đi chôn lấp.
Những thực nghiệm trong tương lai tập trung phát triển hệ thống đốt và các phương pháp tái chế các kim loại khác nhau từ tro. Do vậy, từ một lượng sinh khối lớn của cây sau khi đốt chỉ còn lại khoảng 1 - 2% khối lượng ban đầu. Lượng sinh khối nhỏ này có thể được xử lý bằng phương pháp bê tông hóa.
2.3. Đề xuất quy trình xử lý đất nhiễm As bằng thực vật
Với quy trình và phương pháp nghiên cứu mà đề tài đã thực hiện cho thấy, việc sử dụng thực vật để xử lý As trong đất tại các vùng khai thác và chế biến khoáng sản là hoàn toàn phù hợp. Tuy nhiên, tùy thuộc vào điều kiện tự nhiên, địa hình, đất đai và thảm thực vật có sẵn tại khu vực mà lựa chọn ra loài cây phù hợp. Với nghiên cứu xử lý  đất nhiễm As bằng thực vật cho khu vực KTCB thiếc Quỳ Hợp, Nghệ An, bước đầu đề tài khuyến nghị nên sử dụng cây Sậy để xử lý. Quy trình xử lý As trong đất bằng thực vật gồm 8 bước như sau:
1- Phân tích và đánh giá môi trường đất thông qua đặc điểm khoáng sản, quy trình khai thác và chế biến khoáng sản.
2- Xác định các thông số môi trường đất.
3- Nghiên cứu và tuyển chọn loài thực vật có khả năng tích lũy As và khả năng thích nghi với điều kiện khu vực (ưu tiên các loài cây bản địa, khu vực nghiên cứu).
4- Xem xét phạm vi cần xử lý để tính toán số lượng cây phù hợp, đảm bảo cho sự sinh trưởng và phát triển của cây
5- Trồng cây và chăm bón
6- Khi cây đạt đến độ trưởng thành tối đa thì thu hoạch.
7- Xử lý sinh Khối thực vật bằng phương pháp tro hóa
8- Xác định lượng As còn lại trong đất để tiếp tục trồng lại cây cho đến khi hàm lượng As trong đất về ngưỡng an toàn theo QCVN
3. Kết luận
Đất tại khu vực khai thác và chế biến khoáng sản thiếc K9, mỏ Châu Hồng thuộc công ty cổ phần Kim loại Màu Nghệ Tĩnh, huyện Quỳ Hợp, tỉnh Nghệ An đang bị ô nhiễm nặng bởi As với hàm lượng As cao hơn quy chuẩn cho phép theo QCVN 03-MT:2015/BTNMT nhiều lần. Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong đất như nitơ tổng số, phốt pho tổng số và hàm lượng mùn thuộc loại nghèo, pH thấp.
Trên cơ sở xem xét các giống loài thực vật tại bản địa cũng như một số giống loài khác có khả năng hút thu, tích lũy As và có khả năng sống cao trong môi trường ô nhiễm bởi kim loại nặng, đề tài đã lựa chọn và nghiên cứu 3 loài thực vật có khả năng xử lý đất ô nhiễm As là Dương xỉ Pteris vittata, cải xanh và sậy.
Mô hình thí nghiệm với 03 công thức khác nhau tương ứng với 3 loài cây được tuyển chọn để xử lý As trong đất và 01 công thức đối chứng để so sánh. Kết quả cho thấy ở cả 3 công thức thí nghiệm, sau 9 tháng trồng, hàm lượng As trong đất có xu hướng giảm dần (đất trồng Sậy rồi đến Dương xỉ và  Cải Xanh). Hàm lượng As tích lũy trong thực vật có xu hướng tăng dần (Sậy → Dương xỉ → Cải xanh).
Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy, sau 9 tháng trồng, mặc dù hàm lượng As trong đất đều giảm ở tất cả các công thức thí nghiệm, nhưng vẫn còn cao hơn QCCP nhiều lần, điều đó đòi hỏi để xử lý As trong đất về ngưỡng QCCP phải trồng trong một thời gian dài hơn.

Đối tác
MO MIEN NAM
Vimluki
cie
Bộ Công thương
Doi tac 5