Hiện nay, ô nhiễm kim loại nặng (KLN) tại các vùng khai thác mỏ đang là vấn đề lớn ở nhiều quốc gia trên thế giới do những tác động nguy hiểm đến hệ sinh thái nói chung và con người nói riêng. Công nghệ xử lý bằng thực vật hay sử dụng thực vật để làm sạch đất bị nhiễm KLN là một công nghệ mới được nghiên cứu trong những năm gần đây nhờ sự hiểu biết về cơ chế hấp thụ, chuyển hóa, chống chịu và loại bỏ KLN của một số loài thực vật.

Ưu điểm so với các phương pháp khác là đất sau khi được cải tạo vẫn có thể trồng cây hoàn toàn bình thường. Tại địa điểm tiến hành xử lý, chất ô nhiễm ít lan truyền sang địa điểm khác. Sự phát triển của thực vật trên địa điểm xử lý cũng giảm được sự xói mòn đất do gió và nước từ đó ngăn ngừa sự lan truyền các chất ô nhiễm.

Bài viết này giới thiệu về khả năng xử lý đất nhiễm As, Pb, Zn, Ca của một số loài thực vật, như hướng đi mới trong công nghệ làm sạch đất nhiễm kim loại nặng tại Việt Nam. Đây là một phần kết quả nghiên cứu của đê tài KC08.04/06. 10 thuộc Chương trình trọng điểm cấp Nhà nước KC.08/06-10.

Áp dụng công nghệ sử dụng thực vật xử lý ô nhiễm

Hiện nay, công nghệ sử dụng thực vật xử lý ô nhiễm đang trở thành một giải pháp có tính khả thi cao đối với các nước đang phát triển nhờ vào chi phí xử lý thấp và thân thiện môi trường. Đây là hướng đi bền vững, lâu dài và hiệu quả đối với bảo vệ môi trường của các vùng đã, đang khai thác – chế biến quặng.

Địa điểm nghiên cứu là một số bãi thải và vùng phụ cận các bãi thải trong khu vực khai thác các mỏ ở tỉnh Thái Nguyên như mỏ thiếc (Hà Thượng) và mỏ than (Núi Hồng) huyện Đại Từ; mỏ chì – kẽm (Làng Hích) và mỏ sắt (Trại Càu) huyện Đồng Hỷ. Đối tượng nghiên cứu chủ yếu là các loài thực vật có khả năng chống chịu và tích lũy cao KLN As, Pb, Cd và Zn. Đặc biệt quan tâm tới các loài có khả năng sống được tại các bãi thải nghiên cứu và các loài thực vật điển hình mà nhiều nước trên thế giới sử dụng để xử lý ô nhiễm.

Ớ khu vực Hà Thượng, đất bị ô nhiễm nặng bải Asen (As). Hàm lượng As trong một số mẫu đất như HT6, HT7 và HT2 cao hơn quy chuẩn cho phép là 1262, 498 và 467 lần tương ứng. Kết quả nghiên cứu về hàm lượng As thu được tương đương với kết quả trong báo cáo đánh giá tác động môi trường của Công ty khoáng sản Tiberon. Trong báo cáo đó, hàm lượng As trung bình là 5000 ppm ở Hà Thượng, Đại Từ.

Tại Tân Long, Đồng Hỷ, hàm lượng Cd, Pb và Zn trong đất đều cao hơn các điểm khác. Đặc biệt, hàm lượng Pb trong các mẫu TL2, TL5 và TL7 đã vượt quy chuẩn cho phép là 108,5; 45,1 và 51,3 lần, tương ứng. Hàm lượng Zn cũng cao hơn quy chuẩn khoảng 45 lần.

Đây là hai khu vực ô nhiễm KLN cao, điển hình cho vùng khai thác mỏ do đó được lựa chọn để xây dựng mô hình trình diễn về xử lý đất nhiễm KLN bằng thực vật của đề tài.

Qua tiến hành nghiên cứu sàng lọc thực vật tại 4 vùng mỏ và so sánh với nhiều tài liệu thế giới đã công bố, bước đầu đã biết 66 loài thực vật có khả tích tụ KLN như Pb, Cd, As, Zn. Trong số 66 loài trên, có 8 loài trùng lặp với danh sách 420 loài trên thế giới.

Kết quả phân tích hàm lượng KLN trong thân và rễ của các mẫu thực vật khác nhau thu được ở 4 vùng khảo sát cho thấy, 2 loài Dương xỉ Pteris vittata và Pytirogramma calomelanos có khả năng tích lũy rất cao As. Hàm lượng As trong thân và rễ của Pteris vittata là 5876,5 ± 99,6 và 2642,5 ± 72,3 mg.kg¹, tương ứng trong khi hàm lượng tương tự của Pytirogramma calomelanos là 2426,3 ± 104,5 và 2256 ± 123,4 mg.kg¹. Có một điểm rất đáng chú ý là một lượng lớn As từ rễ của hai loài Dương xỉ đã được vận chuyển lên thân và làm cho quá trình loại bỏ As ra khỏi đất được thuận lợi.

Đã phát hiện 6 loài thực vật có khả năng tích lũy Pb cao trong rễ. Đó là Cynodon dactylon (L) Pers., Equisetum ramosissimum (Vauch), Cyperus rotundus L., Eleusine indica L., Pteris cadieri H. Christ và Polygonum hydropiper L. Trong 6 loài thực vật này, Cynodon dactylon (L) Pers. và Eleusine indica L. là 2 loài thực vật có khả năng tích lũy Pb trong rễ cao nhất bằng 4579,6 ± 88,5 và 4638,2 ± 210,4 mg.kg¹, tương ứng. Tuy nhiên, hàm lượng Pb trong thân của tất cả các thực vật nghiên cứu không cao quá mức 1000 mg.kg¹.

Khả năng tích lũy Zn trong một số thực vật khảo sát là tương đối cao, các loài như Equisetum ramosissimum (Vauch), Cyperus rotun-dus L và Eleusine indica L. có khả năng tích lũy Zn trong thân là 1346,2 ± 130,2; 1201,4 ± 147,3 và 4346,8 ± 157,9 mg.kg¹, tương ứng và trong rễ là 3756,9 ± 145,7; 2194,4 ± 155,7 và 3108,7 ± 213,5 mg.kg¹ Zn.

Tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về khả năng chống chịu và hấp thu KLN của Dương xỉ Pteris vittata và Dương xỉ Pityrogramma calomelanos, cỏ Mần Trầu và Vetiver cho thấy: Dương xỉ Pteris vittata có khả năng chống chịu As đến 1500ppm, Pb đến 5000ppm và Cd đến 1200ppm. Đặc biệt, khả năng tích lũy As của loài dương xỉ này là rất lớn, trong khoảng nồng độ mà cây chống chịu được, Pteris vittata tích lũy lượng As từ 307 – 6042ppm trong thân; 131-3756 ppm trong rễ.

Còn Dương xỉ Pityrogramma calomelanos có khả năng chống chịu trên đất có bổ sung As đến 900ppm, Pb đến 4000 ppm và Cd đến 300ppm. Đây là cây dương xỉ có thể phát triển tốt trên đất ô nhiễm KLN ở Hà Thượng. Trong khoảng nồng độ mà cây chống chịu được, Pityrogramma calomelanos đã tích lũy được lượng As là 885 – 4034ppm trong thân và 483 – 2256ppm trong rễ.

Cỏ Mần Trầu có khả năng chống chịu Pb và Zn cao (5000 ppm Pb và 1000 ppm Zn). Kết quả thí nghiệm hấp thu Pb cho thấy, khi nồng độ Pb trong đất 5000ppm thì trong rễ và phần trên mặt đất có chứa 3613,0ppm và 268,57ppm, tương ứng.

Trong khi đó, cỏ Vetiver có khả năng chống chịu Pb cao. Hàm lượng Pb trong đất từ 1400,50 ppm đến 2530,10 ppm cỏ vẫn phát triển bình thường. Khả năng tách chiết Pb trong đất ô nhiễm của cỏ từ 87% – 92,56% sau 90 ngày thí nghiệm.

Kết hợp tất cả các dữ liệu về khả năng tích lũy As, Zn, Pb, Cd của các loài thực vật nghiên cứu, lựa chọn ra 4 loài để xây dựng mô hình trình diễn xử lý ô nhiễm đất tại 2 vùng khai thác mỏ Hà Thượng, Đại Từ và làng Hích, Đồng Hỷ. Trong 4 loài thực vật này, có 3 loài thực vật bản địa, thu tại khu vực khai thác mỏ (Dương xỉ Pteris vittata, Dương xỉ Pityrogramma calome­lanos và cỏ Mần trầu); 1 loài mà thế giới sử dụng nhiều cho xử lý ô nhiễm KLN là cỏ Vetiver.

Kết quả hai mô hình xử lý: Mô hình được xây dựng tại xã Hà Thượng và làng Hích. Diện tích mỗi mô hình hơn 700m². Đất được xử lý sơ bộ (điều chỉnh pH, trồng cây họ Đậu) trước khi tiến hành thực nghiệm, mô hình được chia thành các lô để tiện cho việc canh tác.

Mô hình xử lý đất nhiễm As tại Hà Thượng: Tại đây trồng hai loài Dương xỉ có khả năng tích lũy As cao là Pteris vittata và Pityrogramma calomelanos.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, sau 2,5 năm tiến hành xử lý ô nhiễm hàm lượng As còn lại trong đất chỉ bằng 14,5 % so với ban đầu. Tuy nhiên, hàm lượng As còn lại trong đất vẫn cao hơn quy chuẩn cho phép nên cần thời gian xử lý dài hơn để môi trường đất an toàn đối với sinh vật và con người. Một số tác giả nước ngoài khi sử dụng Pteris vittata để loại bỏ As trong đất mỏ cho biết đạt hiệu quả loại bỏ As khoảng 10%/năm, trong khi xử lý As tại mô hình nêu trên vói việc sử dụng cả 2 loài dương xỉ đạt hiệu quả cao hơn (khoảng 30% /năm) (bảng 1).

Mô hình xử lý đất nhiễm Pb và Zn tại Làng Hích: Sử dụng 3 loài thực vật là: Dương xỉ Pteris vittata, cỏ cỏ Vetiver và cỏ Mần Trầu.

Kết quả chỉ ra ở bảng 2 cho thấy, sau thời gian 2,5 năm thực nghiệm, hàm lượng Pb và Zn còn lại là 399,11 và 780,49 ppm (tương ứng với 11,5 %và 24,46 %) giảm đi đáng kể so với ban đầu. Tuy nhiên, muốn đưa đất đạt với QCVN 03:2008/BTNMT áp dụng cho đất nông nghiệp thì cần thêm thời gian xử lý.

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 (Bảng 3).

Kết luận

Hiện trạng ô nhiễm môi trường đất và khu hệ thực vật tại 4 vùng khai thác mỏ đặc trưng (mỏ than Núi Hồng, sắt Trại Càu, chì – kẽm làng Hích, xã Tân Long và thiếc núi Pháo, Hà Thượng) của Thái Nguyên đã được nghiên cứu đánh giá. Hàm lượng Pb và Zn trong đất cao nhất ở Tân Long, Đồng Hỷ lên đến 13028 và 9863 ppm, tương ứng. Trong khi đó, hàm lượng As trong đất ở Hà Thượng, Đại Từ có điểm lên đến 15146 ppm.

Bên cạnh đó, đã lựa chọn và nghiên cứu 4 loài thực vật có khả năng xử lý đất ô nhiễm As, Pb và Zn là Dương xỉ Pteris vittata, Dương xỉ Pityrogramma calome-lanos, cỏ Mần trầu và cỏ Vetiver.

Tiến hành xây dựng hai mô hình trình diễn về sử dụng thực vật trong xử lý đất nhiễm As Pb và Zn. Sau 2,5 năm xử lý, hàm lượng KNL giảm đi đáng kể. Tuy vẫn cần có thêm thời gian xử lý để giảm nồng độ các kim loại này về ngưỡng an toàn đối với môi trường nhưng có thể thấy rằng việc sử dụng các loài thực vật trong xử lý đất nhiễm KLN là khả thi và có thể ứng dụng vào thực tiễn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Công ty khoáng sản Tiberon, 2004. Bảo cáo ĐTM dự án Núi Pháo, Đại Từ, Thái Nguyên

2. Nguyễn Tiến Cư, Trần Văn Tựa, Đặng Đình Kim, Đỗ Tuấn Anh, Lê Thu Thủy. 2008. Nghiên cứu khả năng xử lý chì (Pb) trong đất ô nhiễm bằng cây cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides), Tạp chí KH&CN 46 (6A), trang 21-26.

3. Diệp Thị Mỹ Hạnh (ĐH KHTN, ĐH QG HCM). E. Garnier Zarli (ĐH Paris xu Vai de Marne). Lantana Camara L, Thực vật có khả năng hấp thụ Pb trong đất để giải ô nhiêm. Tạp chí phát triển khoa học và công nghệ, 10(1), trang 13-23.

4. Võ Văn Minh, Võ Châu Tuấn, 2005. Công nghệ xử lý kim hại nặng trong đất bằng thực vật – Hướng tiếp cận và triển vọng. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng. 12 (4). trang 58-62.

5. Viện Công nghệ môi trường, 2010. Báo cáo tổng hợp kết quả Khoa học công nghệ đề tài KC 08.04/06-10: “Nguyên cứu sử dụng thực vật để cải tạo đất bị ô nhiêm kim loại nặng tại các vùng khai thác khoảng sản”. Chủ nhiệm đề tài: GS. TS. Đặng Đình Kim.