Tổng quan nghiên cứu

Khai thác than là ngành công nghiệp trụ cột đóng góp lớn vào ngân sách quốc gia nhưng đồng thời cũng tạo ra những thách thức môi trường sâu sắc. Tỉnh Quảng Ninh tập trung hơn 90% tổng trữ lượng than của cả nước với trữ lượng địa chất thăm dò đạt 6,633 tỷ tấn, duy trì sản lượng khai thác trung bình từ 30 đến 40 triệu tấn/năm. Song hành với hoạt động này, tổng lượng nước thải ngành than tại khu vực Quảng Ninh phát sinh khoảng 236.850 m3/ngày (tương đương 86,45 triệu m3/năm), trong đó riêng nước thải mỏ chiếm 220.414 m3/ngày (khoảng 80,45 triệu m3/năm).

Tại Mỏ than Mông Dương thuộc thành phố Cẩm Phả, hoạt động khai thác than hầm lò với công suất thiết kế khoảng 1,5 triệu tấn/năm đã và đang tạo áp lực xả thải trực tiếp lên lưu vực sông Mông Dương dài gần 10 km. Dòng thải mang theo lượng bùn than và quặng pyrit lớn làm bồi lắng lòng dẫn, khiến mực nước sông mùa khô giảm sâu xuống chỉ còn 0,4 m so với mức cực đại 4,2 m vào mùa mưa, gây suy thoái nghiêm trọng chất lượng nước mặt và cản trở khả năng tự làm sạch tự nhiên của dòng chảy.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là điều tra toàn diện các nguồn thải, đánh giá thực trạng ô nhiễm và hiệu quả của các trạm xử lý hiện hữu tại khu Trung tâm mỏ Mông Dương trên diện tích khai trường 6 km2. Đề tài tiến hành thu thập, quan trắc và phân tích thực nghiệm từ tháng 4 đến tháng 12 năm 2017 nhằm định lượng mức độ ảnh hưởng của hoạt động khoáng sản đến chất lượng nước suối H10 và sông Mông Dương. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học thực chứng giúp các đơn vị quản lý môi trường cắt giảm từ 30% đến 50% tải lượng chất ô nhiễm, bảo vệ nguồn tài nguyên nước cho hạ lưu Cẩm Phả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết hình thành dòng thải axit mỏ (Acid Mine Drainage - AMD) và chu trình oxy hóa khoáng vật sunfua vô cơ trong lòng đất. Quá trình tiếp xúc giữa khoáng pyrit (FeS2) trong than với oxy và nước dưới sự xúc tác của vi sinh vật ưa khí Thiobacillus ferrooxidans thúc đẩy chuỗi phản ứng giải phóng ion sắt và axit sunfuric tự do, làm độ pH nước thải hầm lò giảm mạnh xuống dải 3,5 đến 5,5:

FeS2 + 7/2 O2 + H2O → FeSO4 + H2SO4

2FeSO4 + 1/2 O2 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + H2O

Mô hình đánh giá chất lượng nước tổng hợp được xây dựng dựa trên Sổ tay hướng dẫn tính toán chỉ số WQI theo Quyết định số 879/QĐ-TCMT của Tổng cục Môi trường kết hợp phương pháp chỉ số chất lượng nước tương đối (RWQI) do Giáo sư Phạm Ngọc Hồ phát triển.

Các khái niệm chính định hình nghiên cứu bao gồm:

  • Chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index - WQI): Thang điểm chuẩn hóa từ 1 đến 100 biểu thị mức độ trong sạch và mục đích sử dụng của nguồn nước.
  • Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solids - TSS): Chỉ tiêu đo lường lượng hạt than mịn và khoáng sét không tan có kích thước lớn hơn 2 micromet.
  • Nhu cầu oxy hóa học (COD) và oxy sinh hóa (BOD5): Thông số đặc trưng cho mức độ tiêu hao oxy hòa tan do chất khử và hợp chất hữu cơ phân hủy sinh học.
  • Quá trình tự làm sạch thủy vực: Cơ chế pha loãng, lắng đọng tự nhiên và chuyển hóa sinh hóa các chất ô nhiễm dọc theo dòng chảy sông suối.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp nguồn dữ liệu thứ cấp từ Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) với dữ liệu thực nghiệm quan trắc sơ cấp. Mạng lưới lấy mẫu gồm 13 vị trí đại diện (8 điểm nước mặt MD1 đến MD8 trên sông Mông Dương và suối H10; 5 điểm nước thải NT1 đến NT5 tại giếng phụ, trạm xử lý trung tâm, hố lắng cánh Đông và nhà điều hành). Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo không gian được áp dụng để bao quát toàn bộ điểm phát thải, điểm hòa trộn và vùng chịu tác động ở thượng lưu lẫn hạ lưu.

Quy trình thu thập mẫu thực địa được chia làm 2 đợt quan trắc: Đợt 1 từ ngày 24 đến 26/5/2017 (thời điểm chuyển mùa) và Đợt 2 từ ngày 9 đến 11/8/2017 (đỉnh mùa mưa). Mỗi vị trí được lấy lặp lại 3 ngày liên tiếp và phân tích kiểm chứng 2 lần trong phòng thí nghiệm, hình thành bộ dữ liệu chuẩn gồm 78 lượt mẫu phân tích.

Các phương pháp phân tích tuân thủ nghiêm ngặt hệ thống tiêu chuẩn quốc gia TCVN và phương pháp chuẩn quốc tế SMEWW (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater). Nồng độ TSS được xác định bằng phương pháp trọng lượng trên cân phân tích Shimadzu AUX120; COD phân tích theo SMEWW 5220C:2012; hàm lượng kim loại nặng (Fe, Mn, Cu, Pb, Cd, As, Hg) được đo đạc bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS-6800. Toàn bộ quy trình thử nghiệm được kiểm soát chất lượng bởi hai phòng thí nghiệm đạt chứng nhận VIMCERTS 030 và VIMCERTS 198, đảm bảo kết quả có tính pháp lý và độ chuẩn xác thống kê cao trong suốt timeline nghiên cứu 9 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu chỉ ra 3 phát hiện nổi bật về mức độ ô nhiễm nước mặt do hoạt động khai thác than:

Thứ nhất, nước thải mỏ hầm lò và khu vực tập kết có hàm lượng chất rắn lơ lửng cùng sắt hòa tan vượt chuẩn nghiêm trọng. Tại vị trí nước thải giếng phụ NT1 và hố lắng cánh Đông NT3, nồng độ TSS dao động từ 197 mg/L đến 498 mg/L, vượt quy chuẩn xả thải QCVN 40:2011/BTNMT (cột B, giới hạn 100 mg/L) từ 1,97 đến 4,98 lần. Nồng độ sắt (Fe) tổng số trong nước thải lò khai thác ghi nhận mức cực đại lên tới 154,7 mg/L, cao gấp hơn 30 lần ngưỡng cho phép (5 mg/L), trong khi nồng độ Mangan (Mn) đạt 5,06 mg/L, vượt 5,06 lần giới hạn kỹ thuật.

Thứ hai, nguồn nước mặt tại suối H10 chịu tác động cộng hưởng của nước thải sản xuất và nước thải sinh hoạt chưa được thu gom triệt để. Nồng độ BOD5 tại một số điểm dòng chảy đo được từ 55,56 mg/L đến 155,33 mg/L, vượt giới hạn cho phép từ 1,11 đến 3,10 lần. Mật độ vi sinh vật chỉ thị Coliform trong nước dao động từ 5.200 đến 9.267 MPN/100mL, vượt quy chuẩn từ 1,04 đến 1,85 lần so với mức trần 5.000 MPN/100mL, phản ánh tình trạng nhiễm bẩn chất hữu cơ đáng báo động.

Thứ ba, chỉ số chất lượng nước tổng hợp WQI tại sông Mông Dương suy giảm mạnh mẽ tại các điểm tiếp nhận nước thải mỏ. Tại vị trí MD1 (điểm hòa trộn hoàn toàn giữa suối H10 và sông Mông Dương), giá trị WQI trong đợt 1 mùa khô rơi xuống mức dưới 50 điểm, xếp loại chất lượng nước ô nhiễm trung bình đến xấu. Ngược lại, điểm MD3 ở thượng lưu duy trì WQI trên 75 điểm (mức tốt), chứng minh hoạt động xả thải mỏ than là nguyên nhân trực tiếp làm suy giảm hơn 35% giá trị chất lượng nước tại khu vực tiếp nhận.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến mức ô nhiễm cao bắt nguồn từ quy trình xử lý nước thải hầm lò chưa triệt để và hiện tượng rửa trôi bề mặt trên diện tích khai trường 6 km2 không có thảm thực vật che phủ. Vào mùa mưa, lượng mưa lớn với lưu lượng đỉnh lũ tại suối Khe Chàm lên tới 20,6 m3/s cuốn theo lượng đất đá và cặn than khổng lồ bồi lấp lòng sông Mông Dương. Vào mùa khô, lưu lượng dòng chảy tự nhiên giảm chỉ còn 110 L/s kết hợp chu kỳ nhật triều biên độ 4 m từ trạm Cửa Ông làm chậm quá trình tiêu thoát, giữ lại các chất độc hại trong lòng sông.

So sánh với các mỏ than lân cận tại Quảng Ninh như Mạo Khê (pH 7,17; Fe 4,98 mg/L) hay Vàng Danh (Fe 3,72 mg/L), đặc tính nước thải mỏ Mông Dương có độ đục và tải lượng kim loại nặng Mn (1,75 đến 4,01 mg/L) ở mức tương đương hoặc cao hơn, đòi hỏi quy trình xử lý chuyên sâu.

Dữ liệu quan trắc có thể được mô hình hóa trực quan qua bảng tổng hợp ma trận chất lượng nước và biểu đồ cột so sánh tương quan giữa TSS, COD, BOD5 qua 2 đợt đo tháng 5 và tháng 8/2017. Biểu đồ đường biến thiên chỉ số WQI dọc theo mặt cắt không gian từ điểm MD3 (thượng nguồn), qua MD1 (điểm xả) đến MD2 (hạ nguồn) minh chứng rõ nét quy luật suy giảm chất lượng nước tại điểm tiếp nhận và khả năng phục hồi dần khi dòng chảy dịch chuyển cách xa khu mỏ 100 m về phía hạ lưu.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giải quyết triệt để tình trạng ô nhiễm, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật công nghệ và quản lý với lộ trình rõ ràng:

Thứ nhất, nâng cấp công nghệ trạm xử lý nước thải hầm lò khu Trung tâm. Áp dụng quy trình keo tụ tạo bông kết hợp lắng trọng lực tải trọng cao và trung hòa bằng dung dịch vôi sữa tự động. Giải pháp nhằm nâng độ pH nước thải từ mức 3,5 - 5,5 lên dải an toàn 6,5 - 8,5, đồng thời khử triệt để kim loại nặng và hạ nồng độ TSS từ trên 300 mg/L xuống dưới 50 mg/L (đạt mục tiêu cắt giảm 80% tải lượng cặn than). Chủ thể thực hiện: Công ty Cổ phần Than Mông Dương - TKV, triển khai trong vòng 12 tháng.

Thứ hai, xây dựng hệ thống thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt cục bộ hợp khối. Lắp đặt trạm xử lý nước thải sinh hoạt công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí kết hợp khử trùng ozone/UV cho toàn bộ khu nhà ăn, nhà điều hành (vị trí NT5), cam kết đưa chỉ số BOD5 về dưới 30 mg/L và Coliform xuống dưới 3.000 MPN/100mL trước tháng 6 năm 2018. Chủ thể thực hiện: Phòng Môi trường Công ty Than Mông Dương.

Thứ ba, nạo vét định kỳ lòng suối H10 và kè hóa chống sạt lở bờ sông Mông Dương. Tổ chức nạo vét bùn than định kỳ 6 tháng/lần dọc tuyến sông 10 km, tăng tiết diện thoát lũ và khôi phục khả năng tự làm sạch của dòng chảy, nâng lưu lượng thoát nước mùa khô từ 110 L/s lên trên 300 L/s. Chủ thể thực hiện: UBND Thành phố Cẩm Phả phối hợp cùng Tập đoàn TKV.

Thứ tư, thiết lập trạm quan trắc tự động liên tục (Online Monitoring). Lắp đặt 02 trạm quan trắc tự động đo các thông số pH, DO, TSS, Fe và lưu lượng tại cống xả sau trạm xử lý NT2 và điểm hợp lưu MD1, truyền dữ liệu 24/7 về Trung tâm điều hành của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh trong thời gian 18 tháng. Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh giám sát độc lập.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

  1. Kỹ sư công nghệ và cán bộ quản lý môi trường tại các đơn vị khai thác khoáng sản: Vận dụng mô hình tính toán tải lượng phát thải và quy trình xử lý nước chua mỏ than hầm lò để tối ưu hóa trạm xử lý tại đơn vị, giúp giảm thiểu chi phí xử lý cặn than lơ lửng.

  2. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và bảo vệ môi trường: Sử dụng bộ số liệu quan trắc 13 điểm chuẩn hóa và phương pháp đánh giá WQI theo Quyết định số 879/QĐ-TCMT làm căn cứ khoa học ban hành hạn ngạch xả thải và quy hoạch lưu vực sông Mông Dương cùng khu vực Cẩm Phả.

  3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Khoa học Môi trường: Khai thác khung phương pháp luận kết hợp chuẩn TCVN, SMEWW và chỉ số RWQI của Giáo sư Phạm Ngọc Hồ làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về thủy hóa, địa hóa môi trường mỏ than.

  4. Các đơn vị tư vấn và chuyên gia lập báo cáo Đánh giá tác động môi trường (ĐTM): Kế thừa chuỗi số liệu thực nghiệm về thủy văn, chế độ nhật triều biên độ 4 m và diễn biến nồng độ ô nhiễm để xây dựng phương án giảm thiểu tác động cho các dự án mở rộng công suất mỏ than hầm lò.

Câu hỏi thường gặp

Hoạt động khai thác tại mỏ than Mông Dương tác động tiêu cực nhất đến những thông số môi trường nước nào? Nước thải mỏ tác động nghiêm trọng nhất đến hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng (TSS) và kim loại sắt (Fe). Thực nghiệm cho thấy TSS tại giếng phụ lên tới 498 mg/L (vượt gần 5 lần chuẩn), trong khi hàm lượng Fe đạt 154,7 mg/L (vượt hơn 30 lần ngưỡng cho phép), gây bồi lắng dòng chảy và làm nước sông chuyển màu đen đặc trưng.

Cơ chế chính dẫn đến hiện tượng axit hóa nước thải mỏ than hầm lò là gì? Hiện tượng này phát sinh do quá trình oxy hóa khoáng vật pyrit (FeS2) khi tiếp xúc với oxy và nước ngầm trong đường lò. Quá trình sinh hóa này được gia tốc bởi vi khuẩn Thiobacillus ferrooxidans, giải phóng ion H+ và SO42-, làm giảm độ pH nước thải xuống dải 3,5 đến 5,5 trong mùa khô.

Tại sao nghiên cứu chỉ tập trung vào khu Trung tâm mà không đánh giá sâu khu Đông Bắc mỏ Mông Dương? Khu Trung tâm có diện tích 6 km2, là nơi tập trung giếng phụ và hệ thống khai thác chính xả trực tiếp vào suối H10 và sông Mông Dương. Trong khi đó, khu Đông Bắc nằm ở hạ lưu sát biển, sản lượng nhỏ và chịu chi phối bởi nhật triều biên độ 4 m nên tác động đến sông không đáng kể.

Chỉ số chất lượng nước WQI tại sông Mông Dương phản ánh điều gì về nguồn nước mặt? Chỉ số WQI tính toán theo Quyết định số 879/QĐ-TCMT tại điểm hợp lưu MD1 vào đợt 1 mùa khô giảm xuống dưới mức 50 điểm, chứng minh nguồn nước mặt đã bị ô nhiễm nặng. Sang đợt 2 mùa mưa, dòng chảy lớn giúp pha loãng nhưng tải lượng cặn than cuốn trôi vẫn gây ô nhiễm đục cao.

Hệ thống xử lý nước thải hiện hữu của mỏ than Mông Dương cần cải tiến khâu then chốt nào? Hệ thống cần bổ sung ngay cụm thiết bị châm vôi sữa tự động để nâng pH lên mức 6,5 - 8,5, đồng thời mở rộng diện tích hố lắng bùn than và lắp đặt module xử lý sinh học hiếu khí cho nước thải sinh hoạt nhằm loại bỏ triệt để khuẩn Coliform vượt mức 9.267 MPN/100mL.

Kết luận

  • Hoạt động khai thác than hầm lò tại khu Trung tâm mỏ than Mông Dương (công suất 1,5 triệu tấn/năm) là nguồn gây ô nhiễm chính đối với hệ thống nước mặt suối H10 và sông Mông Dương.
  • Nước thải mỏ chưa qua xử lý triệt để có nồng độ TSS cực đại 498 mg/L và Fe đạt 154,7 mg/L, vượt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT nhiều lần.
  • Sự gia tăng nồng độ chất hữu cơ và khuẩn Coliform lên mức 9.267 MPN/100mL làm chỉ số WQI tại điểm hợp lưu hạ xuống dưới 50 điểm, khiến dòng sông bị suy giảm nghiêm trọng khả năng tự làm sạch.
  • Nghiên cứu đã ứng dụng thành công khung phương pháp luận kết hợp giữa tiêu chuẩn TCVN, SMEWW và Sổ tay hướng dẫn tính toán WQI theo Quyết định 879/QĐ-TCMT.
  • Hệ thống 4 nhóm giải pháp công nghệ xử lý hóa lý kết hợp sinh học và giám sát tự động 24/7 có tính khả thi cao, cam kết cắt giảm 80% tải lượng cặn than trong giai đoạn 2018-2020.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác tại 13 vị trí quan trắc với 78 lượt mẫu, cung cấp luận cứ khoa học vững chắc về sự lan truyền ô nhiễm nước mỏ than. Lộ trình tiếp theo đòi hỏi các đơn vị khẩn trương hoàn thành nâng cấp trạm xử lý trong 12 tháng và vận hành trạm quan trắc online trong 18 tháng. Các cơ quan quản lý nhà nước và doanh nghiệp khai khoáng cần nhanh chóng ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn để bảo vệ bền vững môi trường nước vùng mỏ Quảng Ninh.