Tổng quan nghiên cứu

Khai thác than đá là ngành công nghiệp mũi nhọn đóng góp quan trọng vào an ninh năng lượng quốc gia, đặc biệt tại tỉnh Quảng Ninh – nơi tập trung khoảng 67% trữ lượng than cả nước với tổng trữ lượng ước tính đạt 48,7 tỷ tấn tính đến độ sâu âm 350 mét. Tuy nhiên, các hoạt động bóc đất đá, đào lò và sàng tuyển khoáng sản đang tạo ra áp lực sinh thái nặng nề. Toàn tỉnh Quảng Ninh phát sinh khoảng 175.338 mét khối nước thải mỏ mỗi ngày đêm, chiếm tới 52,1% tổng lượng nước thải toàn địa bàn, trong đó có hơn 30 triệu mét khối nước thải chưa qua xử lý xả thẳng ra tự nhiên mỗi năm.

Tại huyện Hoành Bồ, Công ty TNHH MTV Thăng Long trực tiếp vận hành hoạt động thăm dò và khai thác than hầm lò tại mỏ than Dân Chủ. Quá trình sản xuất tại các vỉa than làm phát sinh lượng lớn nước thải hầm lò mang tính axit, chứa hàm lượng chất rắn lơ lửng và kim loại nặng cao, đe dọa trực tiếp đến hệ thống thủy văn suối tự nhiên và các tầng chứa nước dưới đất. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là xác định định lượng mức độ ô nhiễm, nguồn phát sinh dòng thải và sự biến đổi hóa lý của môi trường nước xung quanh khu vực khai trường.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là đánh giá toàn diện hiện trạng sản xuất, các dòng phát sinh nước thải, phân tích mức độ tác động của hoạt động khai thác than tới chất lượng nước mặt và nước ngầm tại khu vực mỏ than Dân Chủ; đồng thời khảo sát nhận thức cộng đồng và đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật, quản lý nhằm giảm thiểu ô nhiễm. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại địa bàn huyện Hoành Bồ từ tháng 4 năm 2017 đến tháng 4 năm 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học giúp doanh nghiệp tối ưu hóa trạm xử lý nước thải công suất trên 1.100 mét khối mỗi ngày đêm và hỗ trợ cơ quan quản lý bảo vệ an toàn nguồn nước sinh hoạt cho hơn 50 hộ dân sinh sống tại khu vực lân cận.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết đánh giá tác động môi trường theo chu trình dự án và lý thuyết hình thành dòng thải axit mỏ (Acid Mine Drainage). Hiện tượng thoát axit mỏ xảy ra khi các khoáng vật sunfua kim loại, điển hình là pyrit sắt có trong địa tầng than đá, tiếp xúc với oxy không khí và nước ngầm trong quá trình đào lò, tạo thành axit sunfuric làm giảm độ pH của nước xuống mức 3,1 đến 6,5 và hòa tan các ion kim loại nặng vào dòng nước.

Khung lý thuyết của đề tài tích hợp 4 khái niệm môi trường trọng tâm:

  • Dòng thải hầm lò: Nguồn nước ngầm thẩm thấu qua các tầng đất đá chứa khoáng vật sunfua kết hợp với nước tháo khô mỏ mang theo bụi than và ion hòa tan.
  • Ô nhiễm tích lũy: Hiện tượng các chất ô nhiễm vô cơ và kim loại nặng lắng đọng lâu ngày tại các lòng suối, hồ chứa và tầng ngậm nước, gây thoái hóa chất lượng sinh thái lâu dài.
  • Nhu cầu oxy sinh hóa và hóa học: Các thông số phản ánh mức độ ô nhiễm hợp chất hữu cơ và chất khử trong nước thải.
  • Nồng độ chất rắn lơ lửng: Chỉ thị về mật độ hạt bùn than, đất đá mịn bị cuốn trôi theo dòng chảy gây bồi lắng lòng suối.

Mô hình nghiên cứu đối chiếu các chỉ tiêu quan trắc thực nghiệm với hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia bao gồm: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT), Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt (QCVN 08-MT:2015/BTNMT), Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước dưới đất (QCVN 09-MT:2015/BTNMT) và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt (QCVN 14:2008/BTNMT).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng hệ thống dữ liệu kết hợp giữa thu thập số liệu thứ cấp từ Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh và điều tra thực nghiệm sơ cấp. Cỡ mẫu điều tra xã hội học bao gồm 80 phiếu khảo sát hợp lệ, được phân bổ theo phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích: 21 phiếu dành cho công nhân trực tiếp làm việc tại các phân xưởng mỏ, 9 phiếu phỏng vấn cán bộ quản lý kỹ thuật và môi trường các cấp, cùng 50 phiếu điều tra người dân sinh sống tại các thôn lân cận mỏ than thuộc xã Dân Chủ.

Chương trình quan trắc môi trường thực nghiệm thiết lập 7 vị trí lấy mẫu đại diện:

  • 2 mẫu nước thải hầm lò: NTHL1 tại cửa lò trước khi vào trạm xử lý và NTHL2 tại cửa xả sau xử lý.
  • 1 mẫu nước thải sinh hoạt: NTSH3 tại đầu ra hệ thống xử lý sinh hoạt.
  • 2 mẫu nước mặt suối: NM1 cách điểm tiếp nhận nước thải 150 mét về phía thượng nguồn và NM2 cách điểm tiếp nhận 150 mét về phía hạ nguồn.
  • 2 mẫu nước ngầm: NN1 tại giếng đào hộ dân cách trung tâm khai thác 200 mét và NN2 cách 350 mét.

Timeline lấy mẫu được triển khai theo 2 chu kỳ mùa rõ rệt: Đợt 1 vào mùa mưa ngày 19 tháng 6 năm 2017 (nhiệt độ 26 đến 28 độ C) và Đợt 2 vào mùa khô ngày 17 tháng 12 năm 2017 (nhiệt độ 21 đến 24 độ C). Các phương pháp lấy mẫu, bảo quản và phân tích tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và Việt Nam như TCVN 5992:1995, TCVN 6663-3:2008 và TCVN 5999:1995. Phương pháp phân tích so sánh đối chuẩn trong phòng thí nghiệm được lựa chọn vì tính chính xác cao, loại bỏ được sai số khí hậu cục bộ và phản ánh trung thực bản chất lý hóa của từng nguồn nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Lưu lượng nước xả thải trong quá trình khai thác hầm lò tại Công ty TNHH MTV Thăng Long biến động mạnh theo cấu trúc địa tầng và chu kỳ thời tiết. Lưu lượng xả thải trung bình ghi nhận tại Cửa lò mức cộng 35 đạt 486 mét khối mỗi ngày đêm, trong khi tại Cửa lò mức cộng 42 đạt tới 651 mét khối mỗi ngày đêm, nâng tổng lượng nước tháo khô mỏ cần xử lý lên trên 1.137 mét khối mỗi ngày đêm.

Kết quả phân tích nước thải hầm lò cho thấy dòng thải luôn có phản ứng axit rõ rệt. Tại trạm xử lý nước thải hầm lò, hiệu quả xử lý chưa đạt yêu cầu kỹ thuật đối với nhiều thông số cơ bản so với QCVN 40:2011/BTNMT:

  • Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5) vượt ngưỡng từ 1,2 đến 2,1 lần (tương đương mức vượt từ 20% đến 110%).
  • Nhu cầu oxy hóa học (COD) vượt quy chuẩn từ 1,2 đến 2,5 lần (mức vượt từ 20% đến 150%).
  • Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) vượt từ 1,92 đến 3,5 lần (mức vượt từ 92% đến 250%).
  • Hàm lượng sunfua hòa tan vượt rất cao, từ 3,0 đến 5,0 lần so với giới hạn xả thải cho phép.

Tại nguồn tiếp nhận nước mặt trên suối tự nhiên, mẫu NM2 cách trạm xả 150 mét về phía hạ lưu bị suy giảm chất lượng rõ rệt so với mẫu thượng nguồn NM1. Cụ thể có 3 chỉ tiêu chính vi phạm QCVN 08-MT:2015/BTNMT: hàm lượng TSS cao hơn 2,8 lần (vượt 180%), hàm lượng COD cao hơn 1,6 lần (vượt 60%) và hàm lượng BOD5 cao hơn 1,6 lần (vượt 60%).

Đối với môi trường nước dưới đất tại 2 giếng sinh hoạt của người dân cách khai trường 200 mét và 350 mét, hầu hết các chỉ tiêu kim loại nặng như sắt, chì, asen, cadimi đều nằm trong giới hạn cho phép của QCVN 09-MT:2015/BTNMT. Tuy nhiên, chỉ tiêu vi sinh vật tổng Coliform ghi nhận ở mức 4 CFU trên 100ml, vượt quy chuẩn kỹ thuật cho phép đối với nguồn nước ngầm sinh hoạt.

Kết quả điều tra xã hội học chỉ ra rằng trên 75% người dân trong tổng số 50 hộ khảo sát nhận định hoạt động khai trường và các bãi thải của mỏ than là nguyên nhân trực tiếp làm đục dòng chảy suối tự nhiên, bồi lắng ruộng đồng và gia tăng các bệnh ngoài da, đường ruột tại địa phương.

Thảo luận kết quả

Sự vượt ngưỡng của các chỉ tiêu axit, BOD5, COD, TSS và sunfua trong nước thải hầm lò bắt nguồn từ đặc thù vỉa than antraxít của bể than Quảng Ninh có chứa nhiều thấu kính khoáng vật sunfua. Khi tiếp xúc với oxy và nước ngầm trong quá trình đào lò, phản ứng oxy hóa sinh hóa tạo ra axit sunfuric tự do. Hệ thống xử lý nước thải hiện hữu sử dụng công nghệ lắng lọc kết hợp sữa vôi nhưng bể lắng lamen và hệ thống châm hóa chất hoạt động chưa tối ưu, dẫn đến cặn than mịn và các ion hòa tan không được kết tủa triệt để trước khi xả ra môi trường.

Khi so sánh với các nghiên cứu tại các mỏ than khác trong vùng Đông Bắc, hiện tượng này có tính quy luật chung. Tại mỏ than Hà Lầm, hàm lượng BOD từng được ghi nhận vượt 5,7 lần và COD vượt 5,3 lần; tại mỏ Mông Dương hàm lượng sunfua vượt 1,9 lần; và tại mỏ Dương Huy hàm lượng chất rắn lơ lửng vượt tới 15,6 lần quy chuẩn. Điều này chứng minh ô nhiễm nước mỏ than tại huyện Hoành Bồ mang tính chất điển hình của công nghệ khai thác hầm lò tại vùng than Quảng Ninh nhưng có nguy cơ tích tụ độc hại cao do quy mô dòng suối tiếp nhận nhỏ hẹp.

Dữ liệu quan trắc thực nghiệm có thể được hệ thống hóa trực quan qua biểu đồ cột kép thể hiện nồng độ TSS, COD và sunfua giữa hai mùa mưa - khô trước và sau xử lý; kết hợp bảng ma trận so sánh chất lượng nước suối thượng lưu và hạ lưu tại các khoảng cách 150 mét nhằm minh chứng rõ tác động lan truyền ô nhiễm theo dòng chảy.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giải quyết triệt để tình trạng ô nhiễm nguồn nước và bảo vệ hệ sinh thái thủy văn tại huyện Hoành Bồ, hệ thống 4 nhóm giải pháp trọng tâm cần được thực hiện đồng bộ:

  • Nâng cấp dây chuyền công nghệ xử lý nước thải hầm lò: Công ty TNHH MTV Thăng Long cần đầu tư cải tạo hợp khối bể phản ứng, thiết bị khuấy trộn tĩnh (Static mixer) và hệ thống lắng lamen. Mục tiêu kỹ thuật là nâng hiệu suất xử lý chất rắn lơ lửng để đạt TSS dưới 50 mg/lít, trung hòa hoàn toàn độ pH về mức ổn định 6,5 đến 8,5, và loại bỏ trên 90% hàm lượng sunfua hòa tan. Thời gian hoàn thành trong Quý II đến Quý IV năm 2019.
  • Lắp đặt trạm biến áp và nguồn máy phát điện dự phòng tự động: Bộ phận Cơ điện mỏ chịu trách nhiệm triển khai hệ thống máy phát điện công suất lớn phục vụ riêng trạm xử lý nước thải. Mục tiêu nhằm đảm bảo 100% lượng nước thải hầm lò lưu lượng 651 mét khối mỗi ngày đêm tại Cửa lò mức cộng 42 được xử lý liên tục 24/7, tuyệt đối không để xảy ra sự cố xả tràn nước thải thô khi mất điện lưới. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng.
  • Xây dựng mạng lưới quan trắc tự động và thiết lập đới phòng hộ vệ sinh: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh chủ trì phối hợp cùng doanh nghiệp lắp đặt trạm quan trắc tự động liên tục đo pH, TSS, COD tại cửa xả thải; đồng thời cắm mốc hành lang đới phòng hộ vệ sinh tối thiểu 500 mét tính từ chân bãi thải đất đá đến các công trình giếng khai thác nước ngầm của khu dân cư. Thời gian triển khai từ năm 2019 đến năm 2020.
  • Hoàn thiện cơ chế giám sát cộng đồng và quỹ hỗ trợ nguồn nước sạch: Ủy ban nhân dân huyện Hoành Bồ và Ủy ban nhân dân xã Dân Chủ thiết lập ban giám sát môi trường liên ngành có sự tham gia của đại diện 50 hộ dân địa phương. Doanh nghiệp cam kết trích lập quỹ bảo vệ môi trường để cấp nước sạch tập trung cho 100% hộ dân sinh sống trong bán kính 1 km quanh mỏ than, đồng thời tiếp nhận và xử lý các phản ánh xung đột môi trường trong vòng 48 giờ. Thời gian duy trì định kỳ hàng quý từ năm 2019.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và hệ thống dữ liệu thực nghiệm của luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

  • Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh, Phòng Tài nguyên và Môi trường cấp huyện): Sử dụng bộ số liệu định lượng về lưu lượng xả thải và hệ số phát thải thực tế để phục vụ công tác thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường, cấp phép xả thải vào nguồn nước và xây dựng quy chế thanh kiểm tra các mỏ than hầm lò.
  • Ban lãnh đạo và kỹ sư môi trường tại các doanh nghiệp ngành than: Tham khảo chi tiết sơ đồ công nghệ trạm xử lý nước thải hầm lò, các thông số vận hành hóa chất keo tụ tạo bông và giải pháp thiết kế hồ điều hòa sự cố cho các mỏ có lưu lượng thải từ 500 đến 1.500 mét khối mỗi ngày đêm.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Tài nguyên: Khai thác cấu trúc phương pháp luận kết hợp chặt chẽ giữa quan trắc hóa lý đa mùa (TCVN/ISO) và điều tra xã hội học (80 phiếu khảo sát) để phát triển các đề tài nghiên cứu về ô nhiễm công nghiệp khai khoáng.
  • Các tổ chức bảo tồn thiên nhiên và đại diện cộng đồng dân cư địa phương: Nắm vững các căn cứ pháp lý và chỉ số ô nhiễm vượt ngưỡng để giám sát hoạt động doanh nghiệp, chủ động bảo vệ nguồn nước ngầm và yêu cầu các chính sách hỗ trợ nước sạch dân sinh chính đáng.

Câu hỏi thường gặp

Nước thải hầm lò tại mỏ than Dân Chủ có những thông số ô nhiễm nào vượt chuẩn?

Qua phân tích thực nghiệm tại Cửa lò mức cộng 35 và Cửa lò mức cộng 42, nước thải hầm lò có tính axit cao và có 4 thông số vượt ngưỡng QCVN 40:2011/BTNMT gồm BOD5 vượt từ 1,2 đến 2,1 lần, COD vượt từ 1,2 đến 2,5 lần, TSS vượt từ 1,92 đến 3,5 lần và sunfua vượt từ 3,0 đến 5,0 lần.

Môi trường nước mặt suối xung quanh bị tác động ở mức độ nào?

Tại vị trí suối tự nhiên cách điểm tiếp nhận nước thải 150 mét về phía hạ nguồn, chất lượng nước mặt bị suy giảm rõ rệt với hàm lượng TSS vượt 2,8 lần, COD vượt 1,6 lần và BOD5 vượt 1,6 lần so với QCVN 08-MT:2015/BTNMT, gây ra hiện tượng bồi lắng bùn than và cản trở thủy sinh.

Chất lượng nước giếng ngầm của người dân lân cận có an toàn không?

Kết quả kiểm tra tại 2 giếng đào cách khai trường 200 mét và 350 mét cho thấy các kim loại nặng như sắt, chì, asen, cadimi đều đạt chuẩn QCVN 09-MT:2015/BTNMT, tuy nhiên chỉ số vi sinh Coliform đạt 4 CFU trên 100ml cảnh báo nguy cơ nhiễm khuẩn sinh hoạt cần được khử trùng trước khi ăn uống.

Nguyên nhân chính khiến nước thải mỏ than mang tính axit cao là gì?

Hiện tượng này do quá trình thoát axit mỏ (AMD) tự nhiên sinh ra. Khi khoáng vật sunfua sắt trong địa tầng tiếp xúc với không khí và nước ngầm trong các gương lò, phản ứng oxy hóa giải phóng axit sunfuric làm tụt độ pH của nước thải xuống mức 3,1 đến 6,5 và hòa tan khoáng chất.

Doanh nghiệp cần ưu tiên giải pháp kỹ thuật cấp bách nào nhất?

Giải pháp cấp bách hàng đầu là lắp đặt nguồn máy phát điện dự phòng cho trạm xử lý nước thải để duy trì công suất 651 mét khối mỗi ngày đêm liên tục và mở rộng dung tích hồ điều hòa lên trên 1.500 mét khối nhằm lưu giữ, xử lý toàn bộ dòng thải thô trước khi thoát ra môi trường.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định chính xác tổng lưu lượng nước thải hầm lò phát sinh tại Cửa lò mức cộng 35 (486 mét khối mỗi ngày đêm) và Cửa lò mức cộng 42 (651 mét khối mỗi ngày đêm) thuộc mỏ than Dân Chủ.
  • Đánh giá thực nghiệm chỉ ra nước thải hầm lò chưa đạt chuẩn với TSS vượt tới 3,5 lần, COD vượt 2,5 lần và sunfua vượt 5,0 lần so với QCVN 40:2011/BTNMT.
  • Chứng minh rõ phạm vi lan truyền ô nhiễm nước mặt cách trạm xả 150 mét về hạ lưu khiến TSS vượt 2,8 lần và COD vượt 1,6 lần so với QCVN 08-MT:2015/BTNMT.
  • Khảo sát thực tế 80 đối tượng đã phản ánh trung thực mối lo ngại của 75% người dân về tình trạng suy giảm nguồn nước mặt và nguy cơ ô nhiễm vi sinh trong nước giếng ngầm.
  • Đóng góp hệ thống 4 giải pháp công nghệ và quản lý toàn diện giúp nâng cao hiệu quả bảo vệ môi trường nước trong khai thác than giai đoạn 2019-2022.

Các cấp chính quyền và doanh nghiệp khai khoáng cần khẩn trương áp dụng ngay các đề xuất kỹ thuật trên nhằm hướng tới mục tiêu phát triển bền vững ngành than gắn liền với bảo vệ an ninh nguồn nước tại tỉnh Quảng Ninh.