BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
---------

µ

BÁO CÁO KẾT QUẢ
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TÍCH TỤ MỘT SỐ KIM LOẠI
NẶNG TRONG ĐẤT VÀ RỄ CÁC LOÀI THỰC VẬT CHỦ YẾU
TẠI KHU VỰC KHAI THÁC QUẶNG Ở HUYỆN ĐỒNG HỶ,
TỈNH THÁI NGUYÊN

MÃ SỐ ĐỀ TÀI: B2010 – TN02 – 10

Chủ nhiệm đề tài: ThS.Trần Thị Phả

Thái Nguyên, 2011


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn nạn của toàn thế giới.
Không chỉ môi trường nước, môi trường không khí mà môi trường đất cũng đang
ngày càng bị ô nhiễm nặng nề bởi nhiều hoạt động khác nhau của con người. Trong
đó ô nhiễm đất do KLN đã và đang trở thành mối quan tâm đặc biệt của nhiều quốc
gia trên thế giới.

thực vật chủ yếu tại khu vực khai thác quặng ở huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái
Nguyên”.
2. Mục tiêu của đề tài
Đánh giá hiện trạng ô nhiễm KLN trong đất tại khu vực khai thác khoáng
sản huyện Đồng hỷ - tỉnh Thái Nguyên. Từ đó, tìm ra một loại cây có khả năng
xử lý kim loại nặng trong đất phù hợp nhất làm cơ sở cho việc đề xuất việc ứng
dụng mô hình sử dụng loại cây trên để xử lý kim loại nặng trong đất khu vực các
mỏ khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Một số loài thực vật bản địa: cây sậy thường (Phragmites australis), cây
dương xỉ thường (Cyclosorus parasiticus) và cây cỏ lá tre bò (thuộc chi
Paspalum, họ hòa thảo poaceace);
- Đất tại khu vực khai thác khoáng sản huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái
Nguyên;
- KLN: Pb, Zn, As, Cd trong đất khu vực nghiên cứu.
3.2. Phạm vi nghiêm cứu
Nghiên cứu về hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất sau khai thác
khoáng sản và khả năng hấp thụ kim loại nặng của một số loài thực vật bản địa
tại khu vực mỏ Sắt Trại Cau và mỏ chì kẽm làng Hích - Thái Nguyên.


3

PHẦN I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng trong đất
1.1.1. Khái niệm ô nhiễm kim loại nặng và ô nhiễm đất
Thuật ngữ kim loại nặng được từ điển hoá học định nghĩa là các kim loại
có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm3.
Đối với các nhà độc tố học, thuật ngữ “kim loại nặng” chủ yếu được dụng

Bảng 1.1. Hàm lượng kim loại nặng trong giáng thủy
Đơn vị: µg/l
Khu vực
Đông bắc Scotlen

Pb

Cd

0,6 - 29

0,1 - 1,52

0,1 - 13 2,5 - 95

4 - 118

< 0,1 - 5,1


nhưng hàm lượng các kim loại nặng trong đá thường rất thấp, vì vậy nếu không
có các quá trình tích lũy do xói mòn, rửa trôi… thì đất tự nhiên ít có khả năng có
hàm lượng kim loại nặng cao.
Bảng 1.2.Hàm lượng trung bình một số kim loại nặng trong đá và đất
Đơn vị: ppm
Nguyên Đá bazo
tố

Đá Axit

(Ba selt) (Granite)

Đá trầm Vỏ phong Dao động
tích

hóa

trong đất

Trung
bình
trong đất

As

1,5

1,5

7,7

0,17

0,11

0,01-2

0,35

Hg

0,012

0,08

0,19

0,05

0,01-0,5

0,06

In

0,058

0,04

0,044


0,2-10

1

Se

0,05

0,05

0,42

0,05

0,01-1,2

0,4

Te

-

-


hoá học lại chứa nhiều Cd, Pb, As,...
Hàm lượng của một số KLN trong phân bón nông nghiệp được thể hiện ở
bảng dưới đây.


6

Bảng 1.3. Hàm lượng kim loại nặng trong nguồn phân bón nông nghiệp
Đơn vị:ppm
Đá vôi

Bùn
cống
thải

Phân
chuồng

Nước
tưới

TBVTV

2-120

0,1-24

2-30



-

Hg

0,01-2

0,3-3

-



0,2-2,4


1900 1940

1950

1960

1970

1980

Cu

45

13

49

2650

4212

6026

7660

Zn

50


-

-

-

6

11

17

15

Hg

-

-

-

1

1,4

1,5

1,2


luyện kim màu, sản xuất ôtô, công nghiệp hoá chất. Bằng các con đường khác
nhau như lắng đọng, khai thác khoáng sản, sử dụng bùn thải, trầm tích để bón


8

ruộng,... Zn và những hợp chất của nó được đưa vào đất, tích luỹ trong đất làm
tăng hàm lượng vượt ngưỡng cho phép gây ra ô nhiễm Zn.
Zn là một nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể. Tuy nhiên nếu hàm
lượng Zn cao có thể gây độc cho cây trồng vật nuôi và con người.
1.1.3.3. Cadimi (Cd)
Cd thường tìm thấy trong tự nhiên ở dạng hoá trị II. Trong môi trường
đất, tính linh động của Cd phụ thuộc vào: pH, loại đất, thành phần vật lý, hàm
lượng hữu cơ,... trong đó pH được coi là chỉ tiêu quan trọng quyết định tính di
động của Cd. Trong môi trường địa hoá thường thấy Cd đi cùng với Zn và có ái
lực lớn với S. Cd linh động trong môi trường axit hơn Zn. Adriano đã tổng hợp
các dạng tồn tại của Cd như sau: Dạng trao đổi, dạng khử, dạng cacbonat, dạng
hữ cơ, dạng lattice, dạng sunfit và dạng hoà tan.
Đối với thực vật, mặc dù Cd được xem là nhân tố không cần thiết nhưng
vẫn được hấp thụ qua là và rễ. Cd độc với cây trồng khi nó được tích luỹ trong
than và ảnh hưởng đến sự sinh trưởng phát triển của cây.
1.1.3.4. Asen (As)
Asen được biết đến là nguyên tố độc hại tuỳ thuộc vào dạng tồn tại của
nó. Các hợp chất khác nhau thì tính độc của As cũng khác nhau và trong đất
trồng không phải dạng As nào cũng độc. Cây trồng hấp thu rất ít As vì vậy hàm
lượng As trong đất trồng thường không gây nguy hiểm.
Hai dạng tồn tại chủ yếu của As trong môi trường là asen (III) và asen
(V). Trong môi trường oxi hoá và thoáng khí, dạng tồn tại chủ yếu của As trong
nước và trong đất là asenat.
Những phản ứng của asen trong đất bị ảnh hưởng bởi mức oxi hoá của nó.

Sự phát triển của các ngành khai thác khoáng sản không đồng bộ với biện
pháp bảo vệ, cải tạo, phục hồi môi trường đã để lại những hậu quả suy thoái môi
trường tại các khu vực khai thác khoáng sản:
- Một diện tích lớn đất nông nghiệp, lâm nghiệp trước đây bị chiếm dụng
cho mục đích khai thác khoáng sản vẫn để hoang hóa sau khi khai thác.


10

- Tầng đất mặt bị xáo trộn gây khó khăn cho việc hoàn thổ, phục hồi môi
trường sau khai thác.
- Cân bằng nước khu vực bị phá vỡ, gia tăng các hiện tượng trượt lở, bồi
lấp, tích tụ chất rắn do sự biến đổi chế độ thủy văn dòng chảy mặt và dòng chảy
ngầm.
- Làm suy thoái thảm thực vật, suy giảm diện tích rừng, cạn kiệt trữ lượng
gỗ,...
- Chất lượng nước ở các vùng khai thác khoáng sản bị ảnh hưởng. Phần
lớn nước ở các vùng khai thác khoáng sản đều bị ảnh hưởng bởi độ đục cao do
lượng bùn mịn trong nước thải cao. Các loại thuốc tuyển còn dư trong bùn thải
cũng có khả năng gây ô nhiễm nguồn tiếp nhận. Ở một số khu vực đất đá thải
còn có tiềm năng hình thành dòng axit mỏ có khả năng hòa tan các kim loại
nặng độc hại là nguồn ô nhiễm tiềm tàng đối với nước mặt và nước ngầm khu
vực.
- Các sự cố và rủi ro môi trường tại các vùng khai thác như trượt lở, sập
hầm,...[13].
Như vậy, hoạt động khai thác khoáng sản trên thế giới đã góp phần không
nhỏ trong phát triển kinh tế của các quốc gia. Tuy nhiên, hoạt động này lại gây
ra những tác động tiêu cực đến môi trường, làm ô nhiễm, suy thoái môi trường.
1.2.1. Hoạt động khai thác khoáng sản ở Việt Nam
Việt Nam là quốc gia có nguồn tài nguyên khoáng sản đa dạng, phong phú

đối tốt, phân bố tập trung, điều kiện khai thác thuận lợi. Mặt khác, thị trường
cung - cầu sản phẩm alumin trên thị trường thế giới hiện nay rất thuận lợi cho
phát triển ngành công nghiệp nhôm ở nước ta.
* Quặng titan:
Theo kết quả điều tra, thăm dò địa chất, cho tới nay đã phát hiện 59 mỏ và
điểm quặng titan, trong đó có 6 mỏ lớn có trữ lượng từ 1 đến 5 triệu tấn, 8 mỏ
trung bình có trữ lượng > 100.000 tấn và 45 mỏ nhỏ và điểm quặng.


12

Ngành Titan hoạt động với giá trị xuất khẩu quặng tinh titan 20-30 triệu
USD/năm, có hiệu quả kinh tế đáng kể, đặc biệt có ý nghĩa kinh tế xã hội với
nhiều địa phương suốt dọc ven biển từ Thanh Hoá đến Bình Thuận.
* Quặng thiếc:
Ở nước ta, thiếc được khai thác sớm nhất tại vùng Pia Oắc - Cao Bằng
khoảng cuối thế kỷ XVIII. Đến 1945, người Pháp đã khai thác khoảng 32.500
tấn tinh quặng SnO2. Sau hoà bình lập lại, mỏ thiếc Tĩnh Túc Cao Bằng được
Liên Xô (cũ) thiết kế và trang bị bắt đầu hoạt động từ 1954. Đây cũng là mỏ
thiếc lớn đầu tiên khai thác, chế biến có quy mô công nghiệp.
Hiện nay, công nghệ luyện thiếc bằng lò điện hồ quang do Viện Nghiên
cứu Mỏ và Luyện kim nghiên cứu thành công và chuyển giao, ứng dụng vào sản
xuất đã đạt được những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tiên tiến. Bằng việc nghiên cứu
ứng dụng điện phân thiếc đạt thiếc thương phẩm loại I: 99,95%; Viện Nghiên
cứu Mỏ và Luyện kim và Công ty Luyện kim mầu Thái Nguyên đã xây dựng
các xưởng điện phân thiếc với công suất: 500 - 600tấn/năm. Hiện nay, có ba
xưởng điện phân thiếc thương phẩm loại I xuất khẩu với tổng công suất là 1.500
tấn/năm - 1.800 tấn/năm.
* Quặng đồng:
Quặng đồng phát hiện ở Việt Nam cho tới nay đáng kể nhất là ở mỏ đồng

loại hình khoáng sản phân bố tập trung ở các vùng giáp thành phố Thái Nguyên,
Trại Cau (Đồng Hỷ), Thần Sa (Võ Nhai),… khoáng sản ở Thái Nguyên có thể
chia làm 4 loại, bao gồm: than mỡ (trên 15 triệu tấn), than đá (trên 90 triệu tấn);
nhóm khoáng sản kim loại bao gồm 47 mỏ và điểm quặng; titan có 18 mỏ và
điểm quặng; kim loại màu (thiếc, vonfram, chì, kẽm, vàng, đồng,…); kim loại
khác, bao gồm: pyrits, barit, photphorit,… tổng trữ lượng khoảng 60.000 tấn;
nhóm khoáng sản để sản xuất vật liệu gồm đá xây dựng, đất sét, đá sỏi,… với trữ
lượng lớn khoảng 84,6 triệu tấn.
Theo số mỏ và điểm quặng, trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên đã phát hiện
177 điểm quặng và mỏ khoáng sản rắn và một mỏ nước khoáng. Tính đến


14

31/12/2005 tổng số mỏ đưa vào khai thác (kể cả khai thác tận thu và khai thác
cát sỏi) là 45 mỏ.
Trong đó:
- Khai thác than: 6 mỏ;
- Khai thác quặng sắt: 1 mỏ;
- Khai thác titan: 3 mỏ;
- Khai thác quặng chì kẽm: 4 mỏ (1 mỏ đang làm thủ tục đóng cửa mỏ);
- Khai thác quặng wonfram đa kim: 1 mỏ;
- Khai thác quặng thiếc: 1 mỏ;
- Khai thác đá vôi: 12 mỏ;
- Khai thác đất sét xi măng: 1 mỏ;
- Khai thác đất sét gạch ngói: 2 mỏ;
- Khai thác đolomit: 3 mỏ, trong đó 1 mỏ đã đóng cửa;
- Khai thác cao lanh: 1 mỏ;
- Khai thác barit: 4 mỏ, trong đó 3 mỏ đã đóng cửa;
- Khai thác nước khoáng: 1 mỏ;

Long huyện Đồng Hỷ và khai thác quặng thiếc khu vực xã Tân Thái huyện Đại
Từ về cơ bản đã được ngăn chặn, kiểm soát. Tuy nhiên, hiện tượng nêu trên vẫn
tiềm ẩn nguy cơ bùng phát do tác động của thị trường và điều kiện địa hình xa
xôi, hẻo lánh, khó khăn trong công tác quản lý.
Ngoài ra còn có các hiện tượng khai thác cát sỏi trên sông Cầu và sông
Công gây sạt lở đất ven bờ, cản trở giao thông thủy, thay đổi dòng chảy đã được
kiểm tra, xử lý nhưng chưa triệt để [14].
Tình hình khai thác các mỏ kim loại và sản lượng khai thác được thể hiện như bảng
2.5.


16

Bảng 2.5. Tình hình khai thác chì, kẽm một số mỏ tại tỉnh Thái Nguyên
Đơn vị: tấn nguyên liệu
Công

Sản lượng khai thác

suất

Tên mỏ

thiết kế

2001

2002

2003

1.000

k.k.t

k.k.t

đ.c.m

Kẽm Côi Kỳ

2,4

576

806

418

3.078

Kẽm

10

c.k.t

10.000

3.600


Pyrit Hà Thượng

Công
suất
thiết kế
(1000)
350
20
-

Sản lượng khai thác
2001

2002

2003

2004

2005

2006

219.43 363.585 536.534 431.666 502.977 332.967
7
17.000 17.200 17.000 17.000 17.000
18.800 c.h.đ 37.1.100 k.b.c
d.k.t
c.h.đ
k.b.c

STT

Tên mỏ, khu khai thác

nghiệp bị

Mức độ suy thoái

phá (ha)
Đất rừng bị đòa phá và bỏ

Khu khai thác Antimoan 1

25
Mậu Duệ (Hà Giang)

2

Khai thác vàng Antimoan

hoang hóa
> 720

Thu hẹp rừng tự nhiên và rừng


18

-


Khai thác thiếc Bắc Lũng
218

4
(Thái Nguyên)
Khai

thác

diện tích rừng nguyên sinh
than

Rừng và đất rừng bị thu hẹp

Thái

5

671
Nguyên
Khai thác Barit Ao Sen,

6

150

Thượng Ấm
Khai

thác


10

Khai thác đá

114,5

trường và đá, cát thải bừa bãi
Đất rừng bị thu hẹp do mở

91
rộng làm khai trường

Khu khai thác ở Quỳ Hợp
11

Rừng trồng, rừng tự nhiên bị
85

- Nghệ An

phá, đào bới
Rừng tự nhiên, rừng trồng vị

12

Khu khai thác Quỳ Châu

200



bãi thải và thải nước thải làm ô
nhiễm đất nông nghiệp
Chiếm dụng đất để làm khai trường,

Mỏ than Khánh
2

Hòa

100

bãi thải và thải nước thải làm ô
nhiễm đất nông nghiệp

Các mỏ vàng ở
3

Bắc

Kạn

và

114.5

Thái Nguyên
Các mỏ ở Quỳ
4



20

Chất thải rắn, không sử dụng được cho các mục đích khác, đã tạo nên trên
bề mặt đất địa hình mấp mô, xen kẽ giữa các hố sâu và các đống đất, đá. Đặc
biệt ở những khu vực khai thác “thổ phỉ”, tình hình còn khó khăn hơn nhiều.
Một số diện tích đất xung quanh các bãi thải quặng có thể bị bồi lấp do sạt lở,
xói mòn của đất đá từ các bãi thải, gây thoái hoá lớp đất mặt. Việc đổ bỏ đất đá
thải tạo tiền đề cho mưa lũ bồi lấp các sông suối, các thung lũng và đồng ruộng
phía chân bãi thải và các khu vực lân cận. Khi có mưa lớn thường gây ra các
dòng bùn di chuyển xuống vùng thấp, vùng đất canh tác, gây tác hại tới hoa
màu, ruộng vườn, nhà cửa, vào mùa mưa lũ thường gây ra lũ bùn đá, gây thiệt
hại tới môi trường kinh tế và môi trường xã hội.
Cho đến nay, việc giải quyết các hậu quả về môi trường một cách chủ
động đối với các mỏ đã ngừng và sắp ngừng khai thác còn nhiều bất cập vì trước
đây vấn đề bảo vệ môi trường trong quá trình phát triển khoáng sản (từ khi mở
mỏ đến khi ngừng khai thác) chưa được đặt ra một cách đúng mức trong các
phương án khai thác mỏ. Gần đây bắt đầu có một số mỏ đã ngừng khai thác thì
ngoài việc san gạt một cách tương đối một số mỏ có thể san gạt được, các diện
tích còn lại vẫn giữ nguyên hiện trường, chưa có phương án sử dụng đất đai có
hiệu quả về kinh tế và môi trường.
Như vậy, có thể thấy ảnh hưởng của hoạt động khai thác khoáng sản tới
môi trường đất của nước ta là rất lớn, việc cải tạo đất và phục hồi những diện
tích đất sau khai thác khoáng sản chưa được các chủ mỏ quan tâm, ô nhiễm môi
trường đất do hoạt động khai thác khoáng sản đang là vấn đề cấp bách hiện nay.
1.3. Các phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng
Có nhiều giải pháp công nghệ khác nhau để xử lý ô nhiễm đất, tuy nhiên
khi áp dụng bất cứ một giải pháp nào để làm sạch đất cũng cần quan tâm đến
hiệu quả của quá trình được thể hiện thông qua các khía cạnh chính như sau:
- Khả năng ứng dụng hiệu quả vào thực tiễn.

1.3.2.2. Phương pháp cố định hoặc cô đặc (Stabilization/Solidification)
Cố định hoặc cô đặc chất ô nhiễm có thể là phương pháp xử lý tại chỗ
hoặc chuyển chỗ. Phương pháp này liên quan đến hỗn hợp các chất đặc trưng


22

được thêm vào đất, hoặc là các thuốc thử, các chất phản ứng với đất ô nhiễm để
làm giảm tính linh động và hoà tan của các chất ô nhiễm.
Các tác nhân liên kết được sử dụng bao gồm tro (fly-ash), xi măng
(cement) hoặc rác đốt (kiln dust). Mặc dù quá trình này đã được chứng minh là
hiệu quả với chất ô nhiễm là kim loại nặng nhưng lại có khả năng tái nhân liên
kết hoặc thay đổi pH đất. Phương pháp cố định hoặc cô đặc không xử lý được
chất ô nhiễm từ ma trận đất (soil matrix) nhưng nó có thể nén các chất ô nhiễm
lại trong môi trường đất.
1.2.3.3. Phương pháp thuỷ tinh hoá (Vitrification)
Phương pháp thuỷ tinh hoá là quá trình xử lý bởi nhiệt, có thể được xử
dụng để xử lý đất tại chỗ hay chuyển chỗ. Đây là quá trình chuyển chất ô nhiễm
thành dạng thuỷ tinh cố định (Stable glassy form).
Đối với phương pháp này, cho dòng điện chạy qua một dãy điện cực than
chì, làm nóng chảy đất ở nhiệt độ rất cao (1500 - 20000C). Thuỷ tinh bền được
hình thành, kết hợp chặt chẽ và cố định kim loại khi đất được làm lạnh. Một nắp
đậy khí thải được nắp đặt trên vùng xử lý. Nắp này được sử dụng để thu thập và
xử lý các khí thải (các kim loại bay hơi) được thải ra trong suốt quá tình xử lý.
Hiện nay phương pháp này được sử dụng khá rộng rãi nhưng chỉ được áp
dụng trên diện tích nhỏ, chi phí giá thành cao, yêu cầu kỹ thuật hiện đại nên
người ta cần tìm kiếm những phương pháp khác có hiệu quả kinh tế cao hơn,
thân thiện hơn với môi trường.
1.2.3.4. Phương pháp rửa đất (Soil washing)
Rửa đất là công nghệ xử lý đất chuyển vị (ex-Situ treatment technology),

trình tích luỹ nhờ thực vật (Phytoacumulation) là quá trình hấp thụ và chuyển
hoá các KLN trong đất thông qua rễ vào các cơ quan khí sinh của thực vật. Các
loài thực vật có khả năng này được gọi là các loài thực vật siêu tích tụ
(hyperacumulator), chúng có khả năng hấp thụ một lượng lớn các KLN một
cách không bình thường so với các loài thực vật khác.
Quá trình hút tách các chất nhờ thực vật là việc sử dụng các loài thực vật
siêu tích tụ để loại bỏ các KLN trong đất bằng cách hấp thụ từ rễ chuyển lên


24

thân, sau đó các chất ô nhiễm trong thân sẽ được thu hoạch, xử lý tiếp như đem
thiêu đốt hoặc ủ để phục hồi KLN. Nếu cần thiết thì quá trình này có thể lặp lại
để loại bỏ các chất ô nhiễm đến dưới giới hạn cho phép. Cũng có thể sử dụng
nhiều loài thực vật trên cùng một vị trí hoặc là trồng cùng 1 lúc hoặc trồng theo
thứ tự thời gian để loại bỏ nhiều hơn 1 chất ô nhiễm.
Nếu thực vật được thiêu đốt, tro phải được xử lý như đối với chất thải
nguy hại. Tuy nhiên, lượng tro mang đi xử lý sẽ ít hơn 10% so với phương pháp
chôn lấp đất ô nhiễm thông thường [16].
1.4.1.1. Cơ chế của công nghệ thực vật xử lý kim loại nặng trong đất
a. Cơ chế chiết tách chất ô nhiễm bằng thực vật (Phytoextraction)
Quá trình triết tách chất ô nhiễm bằng thực vật là quá trình khử chất độc, đặc
biệt là KLN bằng cách sử dụng các loài thực vật hút các chất ô nhiễm qua rễ, sau đó
chuyển hóa lên các cơ quan trên mặt đất của thực vật. Chất ô nhiễm tích lỹ vào thân
cây và lá, sau đó thu hoạch và loại bỏ khỏi môi trường. Cơ chế này được chia ra
thành 2 loại: loại có tính kế tục (continuous) và kết hợp (induced) (Salt &nnk, 1998).
Cơ chế kế tục là sử dụng thực vật tích luỹ các chất ô nhiễm độc hại với mức cao một
cách đặc biệt trong suốt quá trình sống của nó (đó chính là các loài siêu tích tụ), trong
khi đó cơ chế kết hợp là cách tiếp cận nhằm nâng cao khả năng tích luỹ chất độc
bằng cách bổ sung các chất xúc tác (accelerants) hoặc chất tạo phức (chelators) vào