Luận án tiến sĩ: Khả năng khí hóa than nhờ hệ vi sinh vật từ bể than Sông Hồng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu khả năng khí hóa than bằng hệ vi sinh vật từ bể than Sông Hồng, mở ra hướng ứng dụng công nghệ sinh học trong ngành năng lượng.

• Tác giả: Hoàng Lan
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Lan Hương
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Khí Hóa Than Bằng Vi Sinh Vật Từ Bể Than Sông Hồng
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA THAN BẰNG VI SINH VẬT
• 1.1. Hiện trạng khai thác, sử dụng than truyền thống và các giải pháp thay thế trong tình hình mới
• 1.2. Tình hình nghiên cứu và triển khai ứng dụng giải pháp khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trên thế giới
• 1.2.1. Lịch sử ra đời
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu và triển khai giải pháp khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trên thế giới
• 1.2.2.1. Tăng cường sinh học quá trình chuyển hóa sinh học than thành khí methane
• 1.2.2.2. Kích thích sinh học quá trình chuyển hóa sinh học than thành khí methane
• 1.2.3. Tình hình triển khai ứng dụng giải pháp khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trên thế giới – các ví dụ tiêu biểu
• 1.2.3.1. Triển khai ứng dụng tại công ty Luca Technologies, Inc.
• 1.2.3.2. Triển khai ứng dụng tại công ty Next Fuel, Inc.
• 1.2.3.3. Triển khai ứng dụng tại công ty Ciris Energy, Inc.
• 1.2.3.4. Triển khai ứng dụng tại công ty Artech
• 1.3. Quá trình hình thành khí than trong tự nhiên
• 1.3.1. Quá trình hình thành và bản chất sinh học than
• 1.3.1.1. Quá trình hình thành than
• 1.3.1.2. Bản chất sinh học và các dạng vật chất hữu cơ trong than
• 1.3.2. Sự thay đổi về các điều kiện môi trường trong quá trình hình thành than
• 1.3.3. Quá trình hình thành khí methane trong bể than
• 1.3.3.1. Cơ chế hình thành và tích tụ khí trong quá trình bùn hóa
• 1.3.3.2. Cơ chế hình thành và tích tụ khí trong quá trình than hóa
• 1.4. Hệ vi sinh vật và con đường chuyển hóa than thành khí
• 1.4.1. Đa dạng sinh học và metagenomics
• 1.4.2. Hệ vi sinh vật và con đường chuyển hóa than thành khí
• 1.4.2.1. Mối quan hệ hợp dưỡng trong quần xã vi sinh vật chuyển hóa than thành khí methane
• 1.4.2.2. Hệ vi sinh vật tham gia chuyển hóa than thành khí methane tại một số bể than lớn trên thế giới
• 1.5. Bể than Sông Hồng và vùng nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Hóa chất và thiết bị sử dụng
• 2.2.1. Thiết bị sử dụng
• 2.3. Thiết kế thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Phương pháp lấy mẫu và chuẩn bị mẫu than và nước
• 2.3.1.1. Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu nước ngầm để phân tích vi sinh và phân tích hóa lý
• 2.3.1.2. Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu than để phân tích vi sinh
• 2.3.2. Phương pháp xác định đặc tính hóa lý than và nước
• 2.3.3. Phương pháp phân tích cấu trúc than
• 2.3.4. Phương pháp phân tích hình ảnh
• 2.3.5. Phương pháp tách chiết và khuếch đại DNA
• 2.3.5.1. Phương pháp tách chiết DNA mẫu than và nước nguyên trạng
• 2.3.5.2. Phương pháp tách chiết DNA mẫu than và nước sau quá trình nuôi cấy
• 2.3.5.3. Phương pháp khuếch đại DNA
• 2.3.6. Phương pháp phân tích trình tự gen và phát sinh loài
• 2.3.7. Phương pháp phân tích đa dạng sinh học alpha
• 2.3.8. Phương pháp nuôi cấy và đánh giá hiệu suất sinh khí của quần xã vi sinh vật kị khí
• 2.3.9. Phương pháp sắc kí khí
• 2.3.10. Phương pháp phân tích thống kê
• 2.4. Sơ đồ triển khai nghiên cứu khí hóa sinh học than ngầm quy mô phòng thí nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu tính khả dụng sinh học của nguồn cơ chất than Sông Hồng
• 3.1.1. Đặc tính thành phần than
• 3.1.1.1. Đặc tính hóa học
• 3.1.1.2. Đặc tính thạch học
• 3.1.2. Đặc tính thành phần hóa nước
• 3.1.3. Đặc điểm cấu trúc than
• 3.1.3.1. Đặc điểm phân bố kích thước và hình dạng lỗ rỗng hấp phụ
• 3.1.3.2. Đặc điểm phân bố kích thước và tính liên thông lỗ rỗng thấm
• 3.1.3.3. Đặc điểm nguồn gốc hình thành lỗ rỗng
• 3.2. Đánh giá tiềm năng chuyển hóa than thành khí của quần xã vi sinh vật bản địa theo chiều sâu bể than
• 3.3. Nghiên cứu cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa
• 3.3.1. Tính đa dạng alpha của quần xã vi sinh vật bản địa
• 3.3.1.1. Tính đa dạng alpha trong mẫu nước nguyên trạng
• 3.3.1.2. Tính đa dạng alpha trong các mẫu than nguyên trạng
• 3.3.2. Cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa trong nước nguyên trạng
• 3.3.2.1. Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong mẫu nước (FW) được phân chia theo ngành và lớp
• 3.3.2.2. Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong mẫu nước (FW) được phân chia theo chi
• 3.3.3. Cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa trong than nguyên trạng
• 3.3.3.1. Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong các mẫu than được phân chia theo ngành và lớp
• 3.3.3.2. Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong các mẫu than được phân chia theo chi
• 3.3.4. Sự khác biệt giữa quần xã vi sinh vật bản địa tồn tại trong mẫu nước và mẫu than nguyên trạng
• 3.4. Nghiên cứu đánh giá sự đáp ứng và thay đổi của quần xã vi sinh vật bản địa trong quá trình sinh khí
• 3.4.1. Tính đa dạng alpha của quần xã vi sinh vật đáp ứng
• 3.4.1.1. Tính đa dạng alpha trong pha rắn CR
• 3.4.1.2. Tính đa dạng alpha trong pha lỏng AS
• 3.4.2. Cấu trúc quần xã vi sinh vật đáp ứng trong pha rắn
• 3.4.2.1. Phân ngành và phân lớp vi sinh vật đáp ứng trong pha rắn CR
• 3.4.2.2. Phân chi vi sinh vật đáp ứng trong pha rắn CR
• 3.4.3. Cấu trúc quần xã vi sinh vật đáp ứng trong pha lỏng
• 3.4.3.1. Phân ngành và phân lớp vi sinh vật đáp ứng trong pha rắn AS
• 3.4.3.2. Phân chi vi sinh vật đáp ứng trong pha lỏng AS
• 3.4.4. Sự thay đổi và đáp ứng của quần xã vi sinh vật bản địa đối với quá trình bổ sung dinh dưỡng theo chiều sâu tập vỉa than
• 3.4.5. Phân tích tương quan về đáp ứng của quần xã vi sinh vật bản địa theo chiều sâu vỉa than
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Kết luận
• Kiến nghị

Tóm tắt

I. Khí hóa than và vi sinh vật

Khí hóa than là quá trình chuyển hóa than thành khí methane thông qua sự hỗ trợ của vi sinh vật. Nghiên cứu này tập trung vào việc khai thác tiềm năng của bể than Sông Hồng, một trong những nguồn tài nguyên than lớn nhất Việt Nam. Quá trình này không chỉ giúp tận dụng nguồn than dồi dào mà còn giảm thiểu tác động môi trường so với phương pháp khai thác truyền thống. Công nghệ sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình khí hóa, đặc biệt là trong việc nghiên cứu và ứng dụng các hệ vi sinh vật bản địa.

1.1. Cơ chế khí hóa than

Quá trình khí hóa than diễn ra thông qua sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong than bởi vi sinh vật. Các vi sinh vật này chuyển hóa than thành khí methane và các sản phẩm phụ khác. Nghiên cứu chỉ ra rằng, hiệu suất của quá trình này phụ thuộc vào đặc tính của than và sự đa dạng của quần xã vi sinh vật. Bể than Sông Hồng với trữ lượng lớn và điều kiện địa chất đặc thù là đối tượng lý tưởng để áp dụng công nghệ này.

1.2. Vai trò của vi sinh vật

Vi sinh vật đóng vai trò trung tâm trong quá trình khí hóa than. Chúng tham gia vào việc phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp trong than thành các phân tử đơn giản hơn, cuối cùng tạo ra khí methane. Nghiên cứu đã xác định được sự hiện diện của nhiều loại vi khuẩn và cổ khuẩn trong bể than Sông Hồng, đặc biệt là các loài có khả năng sinh methane. Điều này mở ra tiềm năng lớn cho việc ứng dụng công nghệ sinh học trong khai thác năng lượng từ than.

II. Bể than Sông Hồng và tiềm năng khí hóa

Bể than Sông Hồng là một trong những nguồn tài nguyên than lớn nhất Việt Nam, với trữ lượng ước tính lên tới hàng trăm tỷ tấn. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá tiềm năng khí hóa than tại khu vực này, đặc biệt là trong điều kiện địa chất phức tạp và sự hiện diện của các hệ vi sinh vật bản địa. Kết quả nghiên cứu cho thấy, bể than Sông Hồng có tiềm năng lớn để áp dụng công nghệ khí hóa sinh học, giúp tận dụng nguồn tài nguyên than một cách hiệu quả và bền vững.

2.1. Đặc điểm địa chất

Bể than Sông Hồng có cấu trúc địa chất phức tạp, với các vỉa than nằm sâu dưới lòng đất. Điều này làm cho việc khai thác than truyền thống trở nên khó khăn và tốn kém. Tuy nhiên, đây lại là điều kiện lý tưởng để áp dụng công nghệ khí hóa than bằng vi sinh vật, vì quá trình này có thể diễn ra ngay tại chỗ mà không cần đào bới lớn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các vỉa than tại bể than Sông Hồng có cấu trúc lỗ rỗng phù hợp cho sự phát triển của vi sinh vật và quá trình khí hóa.

2.2. Tiềm năng năng lượng

Với trữ lượng than lớn, bể than Sông Hồng có tiềm năng trở thành nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho Việt Nam. Nghiên cứu ước tính rằng, việc áp dụng công nghệ khí hóa than có thể giúp khai thác hàng tỷ mét khối khí methane từ khu vực này. Điều này không chỉ giúp đảm bảo an ninh năng lượng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đặc biệt là lượng khí thải CO2 từ việc đốt than truyền thống.

III. Công nghệ sinh học và phát triển bền vững

Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào việc khai thác năng lượng từ bể than Sông Hồng mà còn hướng đến mục tiêu phát triển bền vững. Việc ứng dụng công nghệ sinh học trong quá trình khí hóa than giúp giảm thiểu tác động môi trường so với các phương pháp khai thác truyền thống. Đồng thời, nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để tối ưu hóa quá trình khí hóa, đảm bảo hiệu quả kinh tế và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

3.1. Giảm thiểu tác động môi trường

Quá trình khí hóa than bằng vi sinh vật giúp giảm thiểu đáng kể lượng khí thải CO2 so với việc đốt than truyền thống. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc chuyển đổi than thành khí methane không chỉ tạo ra nguồn năng lượng sạch hơn mà còn giúp giảm thiểu ô nhiễm không khí và nước. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh Việt Nam đang đối mặt với những thách thức lớn về môi trường và biến đổi khí hậu.

3.2. Phát triển bền vững

Nghiên cứu này góp phần vào việc thúc đẩy phát triển bền vững thông qua việc tận dụng nguồn tài nguyên than một cách hiệu quả và thân thiện với môi trường. Bằng cách áp dụng công nghệ sinh học, nghiên cứu đã mở ra hướng đi mới trong việc khai thác và sử dụng tài nguyên thiên nhiên, đảm bảo sự cân bằng giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Nghiên cứu về chuyển hóa sinh học than ngầm thành khí methane (Microbial Enhanced Coalbed Methane – MECoM) là hướng tiếp cận mang tính tiên phong trong lĩnh vực công nghệ sinh học năng lượng và địa vi sinh học tại Việt Nam. Trong bối cảnh Việt Nam nhập khẩu khoảng 33% đến 50% nhu cầu than cho sản xuất điện và phát thải $126\text{ Mt }\text{CO}_2$ từ than đá (chiếm 50% tổng phát thải quốc gia), việc khai thác an toàn nguồn năng lượng khổng lồ tại bể than Sông Hồng với tổng tài nguyên dự báo lên tới $212\text{ tỷ tấn}$ (trong đó dải nâng Khoái Châu – Tiền Hải đạt $24\text{ tỷ tấn}$ cấp 334a và khu vực Bình Minh – Khoái Châu đạt $5.218\text{ ngàn tấn}$ cấp 333) đặt ra bài toán cấp thiết. Do các tập vỉa than nằm ở độ sâu lớn từ $300\text{ m}$ đến trên $1000\text{ m}$ bên dưới vùng đồng bằng canh tác nông nghiệp và mật độ dân cư dày đặc, phương pháp khai thác truyền thống hầm lò và lộ thiên hoàn toàn bất khả thi vì nguy cơ sụt lún địa tầng và ô nhiễm nguồn nước ngầm.

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi tồn tại trước công trình này là sự thiếu hụt hoàn toàn các dữ liệu thực nghiệm về sự tồn tại, tính đa dạng di truyền và hoạt tính chuyển hóa cơ chất của quần xã vi sinh vật kị khí bản địa tại bể than Sông Hồng. Các mô hình quốc tế của Scott (1999), Strąpoć và cộng sự (2011), cũng như Ritter và cộng sự (2015) đã khẳng định $15-30%$ khí than tự nhiên có nguồn gốc sinh học thứ cấp (secondary biogenic gas), nhưng cơ chế tương tác địa sinh học đặc thù tại các hệ tầng trầm tích Đệ Tam châu Á, cụ thể là hệ tầng Tiên Hưng, chưa từng được giải mã.

Luận án thiết lập hệ thống câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học chặt chẽ:

1. Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Nguồn cơ chất than theo chiều sâu từ $300\text{ m}$ đến $1000\text{ m}$ tại bể than Sông Hồng có các đặc tính hóa lý, thạch học và cấu trúc rỗng phù hợp cho sự cư trú và phân giải sinh học hay không?
2. Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Quần xã vi sinh vật bản địa trong nước vỉa liên kết (formation water - FW) và trong than nguyên trạng có chứa đầy đủ các nhóm chức năng để thực hiện chuỗi phản ứng sinh khí methane kị khí hay không?
3. Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Việc kích thích sinh học (biostimulation) bằng cách bổ sung vi chất và dinh dưỡng có làm biến đổi cấu trúc quần xã và tối ưu hóa hiệu suất sinh khí $\text{CH}_4$ hay không?

Hệ thống giả thuyết tương ứng:

• Giả thuyết 1 (H1): Than có độ biến chất thấp (lignite A đến sub-bituminous) tại các tập vỉa nông sở hữu diện tích bề mặt riêng và hệ thống lỗ rỗng liên thông cao hơn, tạo tính khả dụng sinh học (bioavailability) vượt trội so với các vỉa sâu.
• Giả thuyết 2 (H2): Tồn tại một hệ vi sinh vật kị khí bản địa cộng sinh chặt chẽ giữa vi khuẩn lên men phân giải mạch polyme hữu cơ và cổ khuẩn methanogen sinh methane.
• Giả thuyết 3 (H3): Kích thích sinh học pha lỏng và pha rắn sẽ thúc đẩy sự bùng phát của ngành Firmicutes và các chi cổ khuẩn sinh methane đa dưỡng, làm gia tăng sản lượng khí $\text{CH}_4$ tích lũy sau 21 ngày nuôi cấy kị khí.

Khung lý thuyết của nghiên cứu tích hợp Lý thuyết phân hủy kị khí đa bước (Multi-step Anaerobic Digestion Model), Lý thuyết nhiệt động lực học hợp dưỡng kị khí (Syntrophic Thermodynamics) và Mô hình tạo khí sinh học thứ cấp (Secondary Biogenic Gas Model). Đóng góp đột phá của luận án là xác lập bằng chứng định lượng đầu tiên về sinh khí $\text{CH}_4$ từ than Sông Hồng trong điều kiện phòng thí nghiệm, mở ra tiềm năng khai thác nguồn tài nguyên than sâu chiếm hơn $90%$ tổng sản lượng chưa thể tiếp cận bằng kỹ thuật truyền thống. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào 08 lỗ khoan địa chất (LK106–LK113) và phân tích chuyên sâu trên mẫu lõi khoan liên tục LK01 từ $300\text{ m}$ đến $1000\text{ m}$ tại khu vực Giao Thủy (Nam Định) và Tiền Hải (Thái Bình) trên diện tích thử nghiệm $\sim 40\text{ km}^2$.

---

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu khí hóa than sinh học bắt nguồn từ các quan sát ban đầu của Potter (1908) và Galle (1910) về vi khuẩn oxy hóa than nâu, tiếp nối bởi phát hiện của Fakoussa (1981) và Cohen & Gabriel (1982) về khả năng hóa lỏng sinh học than nhờ nấm Basidiomycetes. Đến cuối thế kỷ 20, Scott (1999) đã đặt nền móng cho khái niệm xem bể than như một "lò phản ứng sinh học ngầm" (in-situ subsurface bioreactor), khởi xướng công nghệ Tăng cường thu hồi khí than bằng vi sinh vật (Microbially Enhanced Coalbed Methane – MECoM).

Trong y văn tồn tại hai trường phái tranh luận đối lập về chiến lược can thiệp sinh học:

1. Trường phái Tăng cường sinh học (Bioaugmentation): Đại diện bởi Volkwein và cộng sự (1994) cùng Green và cộng sự (2008), ủng hộ việc cấy các chủng vi sinh vật ngoại lai hiệu năng cao, ví dụ như hệ vi sinh vật từ ruột mối (termite gut microbiota) hoặc trầm tích đầm lầy để đạt sản lượng khí tới $80\ \mu\text{mol/g than}$ ($56\text{ scf/tấn}$). Tuy nhiên, quan điểm này bị phản biện mạnh bởi Ritter và cộng sự (2015) do nguy cơ vi sinh vật ngoại lai khó thích nghi với áp suất địa tầng cao, dễ gây tắc nghẽn vùng cận đáy giếng khoan và phá vỡ cân bằng sinh thái bản địa.
2. Trường phái Kích thích sinh học (Biostimulation): Được bảo vệ bởi Papendick và cộng sự (2011), Schlegel và cộng sự (2011), và Strapoc và cộng sự (2011), lập luận rằng việc bổ sung dinh dưỡng vô cơ (nguồn phospho, nitơ, muối khoáng, vitamin) để hoạt hóa quần thể bản địa là giải pháp an toàn, bền vững và hiệu quả kinh tế cao nhất tại hiện trường.

Công trình của Hoàng Lan (2022) định vị chính xác vào trường phái Kích thích sinh học, giải quyết khoảng trống địa lý và địa chất tại khu vực Đông Nam Á. Khi đối chiếu với các công trình quốc tế kinh điển:

• So với nghiên cứu tại bể than Powder River Basin (Wyoming, Mỹ) của Luca Technologies và Ciris Energy (nơi công nghệ bơm tuần hoàn dinh dưỡng làm gia tăng sản lượng khí từ 8 đến 20 lần, đạt $4.5 \times 10^7\text{ ft}^3\text{ khí/giếng}$ sau 4 năm), than Sông Hồng có hàm lượng khoáng sét cao hơn và hệ thống đứt gãy Tiền Hải – Thái Bình đóng vai trò tiếp nhận nước khí tượng khác biệt.
• So với nghiên cứu của Guo và cộng sự (2014) tại bể than Ordos (Trung Quốc) (nơi cổ khuẩn Methanolobus sử dụng cơ chất methyl chiếm ưu thế tuyệt đối), hệ vi sinh vật bể than Sông Hồng thể hiện tính đa dạng con đường trao đổi chất vượt trội, kết hợp song song cả con đường khử $\text{CO}_2$ bằng hydro và phân giải acetate.

---

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng Lý thuyết Nhiệt động lực học Hợp dưỡng kị khí của Schink (1997) và McInerney và cộng sự (2008) trong môi trường trầm tích rắn phức tạp. Theo lý thuyết tiêu chuẩn, phản ứng oxy hóa các hợp chất béo và hydrocacbon thơm kị khí có biến thiên năng lượng tự do Gibbs mang giá trị dương ($\Delta G^{\circ\prime} > 0$), ví dụ quá trình oxy hóa kị khí alcohol lên tới $+9.6\text{ kJ/mol}$ và propionate lên tới $+76.1\text{ kJ/mol}$. Bằng chứng thực nghiệm từ luận án chứng minh rằng sự liên kết chặt chẽ giữa vi khuẩn lên men thứ cấp (Syntrophaceae, Clostridiaceae) và cổ khuẩn tiêu thụ hydro (Methanobacterium, Methanocalculus) đã duy trì áp suất riêng phần hydro cực thấp ($p_{\text{H}_2} < 10^{-4}\text{ atm}$), biến các phản ứng thu nhiệt thành chuỗi phản ứng tỏa nhiệt thuận lợi ($\Delta G < 0$).

Mô hình lý thuyết được thiết lập qua hệ thống định đề (Propositions):

• Định đề 1 ($P_1$): Cấu trúc than thuộc nhóm thạch học Vitrinite và Liptinite với hệ số phản xạ $R_0 < 0.6%$ quyết định lượng cơ chất hữu cơ hòa tan (bitumen), cung cấp tiền chất dinh dưỡng ban đầu cho vi khuẩn lên men sơ cấp.
• Định đề 2 ($P_2$): Sự truyền điện tử liên loài giữa vi khuẩn và cổ khuẩn không chỉ diễn ra qua chất mang hòa tan ($\text{H}_2/\text{formate}$) mà còn thông qua tiếp xúc màng trực tiếp trên bề mặt lỗ rỗng than (Direct Interspecies Electron Transfer - DIET).
• Định đề 3 ($P_3$): Độ sâu địa tầng kiểm soát ngưỡng giới hạn sinh học: tại độ sâu $>800\text{ m}$, sự nén ép cấu trúc lỗ rỗng làm suy giảm đột ngột khả năng tiếp cận cơ chất của vi sinh vật.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của nghiên cứu là sự tích hợp đa ngành giữa Địa hóa sinh học (Biogeochemistry), Khoa học Thạch học Than (Coal Petrology) và Di truyền học Metagenomics:

1. Lý thuyết biến chất than (Coalification Theory): Đánh giá mức độ thơm hóa từ Lignite đến Bitumen thông qua tỷ lệ $\text{H/C}$, $\text{O/C}$ và thành phần nhóm chức bề mặt ($-\text{COOH}$, $-\text{OH}$, $-\text{OCH}_3$).
2. Lý thuyết cấu trúc lỗ rỗng bề mặt (Porous Media Theory): Kết hợp mô hình BET (Brunauer-Emmett-Teller), BJH (Barrett-Joyner-Halenda) và MIP (Mercury Intrusion Porosimetry) để phân loại hệ thống vi lỗ rỗng (micropores $<2\text{ nm}$), lỗ rỗng trung bình (mesopores $2-50\text{ nm}$) và lỗ rỗng thấm (macropores $>50\text{ nm}$).
3. Hệ sinh thái học vi sinh vật phân tử (Molecular Microbial Ecology): Sử dụng các chỉ số đa dạng Alpha ($\text{Chao1}$, $\text{Shannon}$, $\text{Simpson}$) và phân tích đa biến để thiết lập tương quan giữa môi trường hóa lý và cấu trúc quần xã.

Điều kiện biên (boundary conditions) của khung phân tích được xác định rõ: áp dụng cho hệ thống than biến chất thấp đến trung bình ($R_0 = 0.3 - 0.9%$), nhiệt độ vỉa $<56^\circ\text{C}$, và có sự hiện diện của dòng nước khí tượng tái nạp qua hệ thống đứt gãy kiến tạo.

---

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu tuân thủ triết lý thực chứng khoa học (positivism), áp dụng phương pháp tiếp cận thực nghiệm đa chiều kết hợp phân tích định lượng nghiêm ngặt. Thiết kế nghiên cứu đa tầng (multi-level experimental design) bao gồm:

• Tầng 1 - Đặc tính hóa lý và cấu trúc vật lý cơ chất: Khảo sát 05 mẫu than đại diện từ các tập vỉa TV1 đến TV5 theo chiều sâu ($300\text{ m} - 1000\text{ m}$) trên lỗ khoan LK01.
• Tầng 2 - Địa hóa môi trường nước vỉa: Phân tích toàn diện mẫu nước ngầm liên kết bể than nguyên trạng (Formation Water - FW) thu thập tại tầng chứa nước bằng ống lấy mẫu chuyên dụng yếm khí.
• Tầng 3 - Cấu trúc Metagenomics quần xã bản địa: Giải mã DNA metagenomics từ mẫu nước FW, mẫu than nguyên trạng (C1–C5), mẫu pha rắn sau nuôi cấy bổ sung dinh dưỡng (Coal Residual - CR1 đến CR5) và mẫu pha lỏng (Adapted Consortium - AS1 đến AS5).

Quy trình nghiên cứu rigorous

Chiến lược thu mẫu và xử lý thực nghiệm được kiểm soát nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn quốc tế ASTM D388 và TCVN:

• Xác định đặc tính cấu trúc than: Sử dụng phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ/nhả hấp phụ Nitơ ở nhiệt độ thấp ($77\text{ K}$) (Low-Temperature Nitrogen Adsorption - LTNA) trên thiết bị phân tích diện tích bề mặt để xác định đường kính lỗ rỗng hấp phụ. Phân tích độ xốp thấm và độ liên thông lỗ rỗng bằng phương pháp Bơm ép thủy ngân áp suất cao (Mercury Intrusion Porosimetry - MIP). Quan sát hình thái bề mặt và sự bám dính vi sinh vật dưới Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) tích hợp đầu dò phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) ở các độ phóng đại từ $\times 5.000$ đến $\times 50.000\text{ lần}$.
• Tách chiết DNA và khuếch đại gen: Tách chiết DNA tổng số bằng bộ kít chuyên dụng cho mẫu đất/đá trầm tích (PowerSoil DNA Isolation Kit). Khuếch đại vùng biến đổi V3–V4 của gen 16S rRNA bằng cặp mồi chuẩn $515\text{F}$ ($5^\prime\text{-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3}^\prime$) và $806\text{R}$ ($5^\prime\text{-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3}^\prime$). Phân tích giải trình tự thế hệ mới trên hệ thống giải trình tự thông lượng cao.
• Thí nghiệm nuôi cấy kị khí và sắc ký khí: Quá trình nuôi cấy kị khí được thực hiện trong bình tam giác yếm khí dung tích $250\text{ mL}$, chứa môi trường khoáng Tanner tối ưu hóa, bổ sung dung dịch vitamin và khoáng vi lượng sau khi thanh trùng tại $121^\circ\text{C}$ trong $15\text{ phút}$. Nồng độ khí $\text{CH}_4$, $\text{CO}_2$, $\text{H}_2$ được định lượng định kỳ bằng Sắc ký khí (Gas Chromatography - GC) trang bị đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID) và đầu dò dẫn nhiệt (TCD).

Data và phân tích

Xử lý dữ liệu tin sinh học và phân tích thống kê đa biến:

• Trình tự gen được xử lý cắt lọc chất lượng, khử chimeras và phân cụm thành các Đơn vị phân loại hoạt động (OTU) ở độ tương đồng $\ge 97%$ dựa trên cơ sở dữ liệu SILVA 16S rRNA.
• Độ phong phú và độ đồng đều được đánh giá qua đường cong Rarefaction, chỉ số $\text{Chao1}$, $\text{Shannon } (H^\prime)$ và $\text{Simpson } (D)$.
• Cấu trúc sai khác quần xã (Beta diversity) được mô hình hóa bằng Phân tích tỷ lệ đa chiều phi biến (Non-metric Multidimensional Scaling - NMDS) với giá trị độ nhiễu cực thấp ($\text{stress} = 0.039$).
• Tương quan giữa các yếu tố môi trường (độ sâu, thạch học, đường kính lỗ rỗng) với các chi vi sinh vật ưu thế và hiệu suất sinh khí được phân tích qua Hệ số tương quan Pearson ($p < 0.05$ và $p < 0.01$) và Phân tích tương quan kinh điển (Canonical Correspondence Analysis - CCA).

---

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Phát hiện hệ vi sinh vật chuyển hóa than bản địa đa dạng: Lần đầu tiên chứng minh mẫu nước liên kết FW và mẫu than nguyên trạng C1–C5 tại bể than Sông Hồng chứa một quần xã vi sinh vật phong phú gồm 4 ngành vi khuẩn chính: Proteobacteria (chiếm ưu thế lớn với các lớp Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria), Firmicutes, Actinobacteria, và Bacteroidetes.
2. Sự chuyển dịch cấu trúc ngoạn mục sau kích thích sinh học: Khi bổ sung môi trường dinh dưỡng Tanner, cấu trúc quần xã có sự tái tổ chức rõ rệt. Ngành Firmicutes gia tăng tỷ lệ áp đảo trong cả pha rắn CR và pha lỏng AS, đóng vai trò là nhóm vi khuẩn lên men thứ cấp phân cắt mạch hydrocarbon phức tạp của than.
3. Xác định các con đường sinh methane chủ đạo: Sự hiện diện đồng thời của các chi cổ khuẩn Methanosarcina (chuyển hóa linh hoạt acetate, methyl và $\text{H}_2/\text{CO}_2$), cùng với Methanobacterium, Methanocalculus và Methanoculleus (dinh dưỡng hydro) xác nhận khí methane sinh học tại bể Sông Hồng được hình thành qua cả 3 con đường sinh hóa, trong đó con đường khử $\text{CO}_2$ bằng hydro và phân giải acetate giữ vai trò cốt lõi.
4. Mối tương quan thạch học - cấu trúc rỗng với hiệu suất sinh khí: Phân tích Pearson và CCA cho thấy sản lượng $\text{CH}_4$ tương quan thuận có ý nghĩa thống kê ($p < 0.01$) với hàm lượng chất bốc, nhóm thạch học Liptinite và thể tích lỗ rỗng thấm ($>50\text{ nm}$).
5. Giới hạn hiệu quả theo chiều sâu địa tầng: Hiệu suất sinh khí methane đạt đỉnh ở các tập vỉa nông (TV1–TV3, độ sâu $300\text{ m} - 650\text{ m}$) và suy giảm rõ rệt ở các tập vỉa sâu (TV4–TV5, độ sâu $800\text{ m} - 1000\text{ m}$) do cấu trúc than bị nén chặt, diện tích lỗ rỗng mở giảm mạnh.

Implications đa chiều

• Đóng góp học thuật: Bổ sung dữ liệu thực nghiệm quan trọng vào bản đồ địa vi sinh học than toàn cầu, làm sáng tỏ cơ chế hợp dưỡng kị khí trong trầm tích than Đệ Tam châu Á.
• Đổi mới phương pháp luận: Chuẩn hóa quy trình đánh giá tích hợp từ thạch học, phân tích cấu trúc rỗng hấp phụ/thấm (LTNA/MIP) đến metagenomics và nuôi cấy mô phỏng sinh khí in-vitro cho các mỏ than năng lượng.
• Ứng dụng thực tiễn: Cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế công thức dung dịch dinh dưỡng kích thích sinh học tại chỗ cho các giếng khoan thử nghiệm tại Thái Bình và Nam Định.
• Định hướng chính sách: Mở ra lộ trình công nghệ mới cho Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) và Bộ Công Thương trong việc tận thu nguồn tài nguyên than sâu không thể khai thác truyền thống, đóng góp trực tiếp vào mục tiêu Giảm phát thải ròng bằng 0 (Net Zero) nhờ chuyển dịch từ đốt than trực tiếp sang khai thác nhiên liệu khí sạch.

---

Limitations và Future Research

Nghiên cứu thẳng thắn chỉ ra 4 hạn chế nội tại:

1. Quy mô mô phỏng phòng thí nghiệm (Laboratory Batch Scale): Các thí nghiệm nuôi cấy kị khí được tiến hành trong bình phản ứng gián đoạn ở áp suất thường, chưa tái lập hoàn toàn điều kiện áp suất thủy tĩnh cao ($30 - 100\text{ atm}$) và dòng chảy liên tục của nước vỉa ngầm.
2. Dữ liệu metagenomics 16S rRNA: Mặc dù xác định được thành phần loài và độ phong phú tương đối qua amplicon sequencing, kỹ thuật này chưa giải mã toàn bộ chức năng gen biểu hiện (functional metagenomics/transcriptomics).
3. Mạng lưới lấy mẫu giới hạn: Nghiên cứu tập trung chi tiết trên cột địa tầng đại diện LK01 tại khu vực thử nghiệm Giao Thủy – Tiền Hải ($\sim 40\text{ km}^2$), cần mở rộng đối chứng với toàn bộ diện tích $2.765\text{ km}^2$ của bể than Sông Hồng.

Chương trình nghiên cứu tương lai (Future Agenda):

• Phát triển hệ thống lò phản ứng áp suất cao mô phỏng đúng áp suất địa tầng ($5 - 10\text{ MPa}$) và nhiệt độ đáy giếng ($40 - 55^\circ\text{C}$).
• Áp dụng kỹ thuật giải trình tự toàn bộ hệ gen (Shotgun Metagenomics) và Metatranscriptomics để lập bản đồ con đường enzym phân giải lignin/kerogen.
• Thử nghiệm mô hình bơm ép dinh dưỡng tuần hoàn pilot quy mô cụm giếng khoan thực địa tại dải nâng Khoái Châu – Tiền Hải.

---

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động học thuật: Dự báo công trình sẽ thu hút sự trích dẫn lớn trong các tạp chí chuyên ngành quốc tế thuộc danh mục ISI/Scopus (như International Journal of Coal Geology, Fuel, Applied and Environmental Microbiology), đặt nền tảng cho phân ngành Địa vi sinh học Dầu khí và Than tại Việt Nam.
• Chuyển đổi công nghiệp: Giúp ngành than Việt Nam chuyển dịch mô hình từ khai thác khoáng sản rắn truyền thống sang công nghiệp khí sinh học sạch, ước tính mở ra tiềm năng thương mại hóa hàng chục tỷ mét khối khí $\text{CH}_4$ từ các vỉa than sâu.
• Lợi ích xã hội và môi trường: Khí hóa than ngầm giúp bảo tồn nguyên vẹn bề mặt đất nông nghiệp đồng bằng sông Hồng, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ sụt lún đất quy mô lớn và giảm thiểu $56%$ lượng phát thải $\text{CO}_2$ so với đốt than trực tiếp.
• Giá trị quốc tế: Cung cấp mô hình nghiên cứu điển hình cho các quốc gia đang phát triển sở hữu trữ lượng than nâu lớn nhưng bị giới hạn về điều kiện khai thác (như Indonesia, Thái Lan, Ấn Độ).

---

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và Giới học thuật: Tiếp cận cơ sở dữ liệu metagenomics chuẩn mực về vi sinh vật trầm tích than và khung phương pháp luận kết hợp địa chất – sinh học.
• Bộ phận R&D Ngành Năng lượng (TKV, PVN): Ứng dụng quy trình công nghệ nuôi cấy và công thức dinh dưỡng tối ưu hóa để triển khai các dự án pilot MECoM tại thực địa.
• Các nhà hoạch định chính sách (Bộ Tài nguyên & Môi trường, Bộ Khoa học & Công nghệ): Có luận cứ khoa học thực chứng để xây dựng quy hoạch năng lượng quốc gia, tích hợp công nghệ khí hóa than sinh học vào Chiến lược Chuyển dịch Năng lượng Bền vững.

---

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì? Luận án đã mở rộng Lý thuyết Nhiệt động lực học Hợp dưỡng kị khí (Syntrophic Thermodynamic Theory) trong hệ sinh thái trầm tích than Đệ Tam, chứng minh mối quan hệ tương hỗ bắt buộc giữa vi khuẩn lên men Firmicutes và các chi cổ khuẩn Methanosarcina / Methanobacterium, giúp vượt qua rào cản nhiệt động lực học ($\Delta G^{\circ\prime} > 0$) để phân giải các polyme thơm phức tạp trong than thành methane.

2. Điểm đổi mới phương pháp luận khi so sánh với các nghiên cứu trước đây? So với các nghiên cứu truyền thống của Strapoc và cộng sự (2008) tại bể Illinois hay Green và cộng sự (2008) (vốn chỉ phân tích mẫu than hoặc mẫu nước rời rạc bằng kỹ thuật nuôi cấy phân lập cũ), luận án đã tích hợp đồng thời: giải trình tự gen thế hệ mới 16S rRNA vùng V3–V4 (mồi 515F/806R), phân tích cấu trúc rỗng đa cấp độ (LTNA BET/BJH và MIP thủy ngân cao áp), đối chiếu hình thái SEM-EDS, và mô hình hóa sinh thái đa biến NMDS ($\text{stress} = 0.039$) trên cả 4 trạng thái mẫu (C, FW, CR, AS).

3. Phát hiện bất ngờ nhất có dữ liệu thực nghiệm chứng minh? Phát hiện bất ngờ nhất là sự bùng nổ vượt bậc của ngành vi khuẩn Firmicutes trong pha rắn (CR) sau khi bổ sung dinh dưỡng, chiếm ưu thế hoàn toàn so với trạng thái nguyên trạng ban đầu (vốn do Proteobacteria chiếm ưu thế). Điều này chứng minh hệ vi khuẩn kị khí bản địa trên bề mặt than luôn ở trạng thái "ngủ tiềm sinh" do thiếu vi chất và sẽ phản ứng cực kỳ mạnh mẽ khi được kích hoạt đúng cách.

4. Quy trình thực nghiệm có khả năng lặp lại (Replication Protocol) không? Có. Luận án mô tả chi tiết quy trình lấy mẫu lõi khoan vô trùng, môi trường khoáng Tanner, nồng độ vi chất, điều kiện thanh trùng ($121^\circ\text{C}$, $15\text{ phút}$), quy trình tách chiết DNA bằng PowerSoil Kit, chu trình nhiệt PCR và điều kiện phân tích sắc ký khí GC-FID hoàn toàn minh bạch, chuẩn hóa để tái lập thực nghiệm độc lập.

5. Định hướng nghiên cứu 10 năm tới được phác thảo như thế nào? Lộ trình 10 năm gồm 3 giai đoạn: (1) Hoàn thiện bản đồ biểu hiện gen chức năng (Metatranscriptomics) phân giải than ($2022 - 2025$); (2) Thử nghiệm lò phản ứng sinh học áp suất cao mô phỏng giếng khoan ngầm ($2025 - 2028$); (3) Triển khai thử nghiệm pilot giếng khoan thực địa thương mại tại bể than Sông Hồng ($2028 - 2032$).

---

Kết luận

1. Khẳng định sự tồn tại của hệ vi sinh vật sinh methane bản địa: Lần đầu tiên phát hiện và định danh toàn diện quần xã vi sinh vật kị khí bản địa có khả năng chuyển hóa than thành khí methane tại bể than Sông Hồng.
2. Xác lập đặc tính tương thích sinh học của than Sông Hồng: Chứng minh than thuộc nhãn lignite A đến sub-bituminous tại các tập vỉa TV1–TV3 ($300\text{ m} - 650\text{ m}$) sở hữu cấu trúc lỗ rỗng và thành phần thạch học tối ưu nhất cho vi sinh vật xâm nhập và phát triển.
3. Chứng minh hiệu quả vượt trội của kích thích sinh học: Bổ sung dinh dưỡng khoáng và vitamin thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của vi khuẩn lên men Firmicutes và cổ khuẩn đa dưỡng Methanosarcina, gia tăng sản lượng khí $\text{CH}_4$ rõ rệt sau 21 ngày.
4. Xác định ranh giới can thiệp kỹ thuật theo chiều sâu: Khẳng định giới hạn chiều sâu hiệu quả để triển khai công nghệ MECoM tại bể than Sông Hồng là từ $300\text{ m}$ đến dưới $800\text{ m}$.
5. Mở ra hướng tiếp cận năng lượng mới cho Việt Nam: Đặt nền móng vững chắc cho giải pháp khai thác tại chỗ nguồn tài nguyên than ngầm hàng trăm tỷ tấn, bảo vệ môi trường sinh thái và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan về quá trình khí hóa than bằng vi sinh vật. Chương này tập trung đánh giá tổng quan các thông tin về hiện trạng khai thác và sử dụng than trong mối quan tâm đến tác động môi trường và hướng đến tìm kiếm một giải pháp công nghệ khai thác mới phù hợp với bể than Sông Hồng. Thu thập và đánh giá các thông tin liên quan đến lịch sử hình thành và tình hình nghiên cứu phát triển công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trong nước và trên thế giới. Phân tích chi tiết quá trình hình thành khí trong tự nhiên và vai trò tham gia vào quá trình chuyển hóa của vi sinh vật cũng như đặc điểm của nguồn cơ chất than nhằm xác lập các kiến thức và thông tin cần thiết cho quá trình xây dựng mô hình mô phỏng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

Cung cấp các thông tin liên quan đến bể than Sông Hồng nói chung và xác định vị trí vùng nghiên cứu nói riêng. Chương 2 Nguyên vật liệu và phương pháp Các phương pháp và nguyên vật liệu được sử dụng trong Luận án được mô tả chi tiết để thực hiện các thí nghiệm nhằm đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã đề ra. Các phương pháp nghiên cứu này được lựa chọn phù hợp thông qua việc đánh giá tổng quan các phương pháp đang được thực hiện trên thế giới và khả thi ở Việt Nam. Chương 3 Kết quả và thảo luận Toàn bộ quá trình thực hiện các nghiên cứu cũng như việc luận giải các kết quả thí nghiệm được trình bày chi tiết theo các nội dung sau: 3 Bằng việc xây dựng và thực hiện quy trình khoa học đã xây dựng, Luận án đã giải quyết được toàn bộ mục tiêu nghiên cứu, xác định được nhiều điểm mới và hướng nghiên cứu tiếp theo.

Thông qua Luận án này, một số nội dung được đề xuất cần tiếp tục nghiên cứu để công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật được triển khai tại bể than Sông Hồng. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA THAN BẰNG VI SINH VẬT 1.1 Hiện trạng khai thác, sử dụng than truyền thống và các giải pháp thay thế trong tình hình mới Năng lượng cần thiết cho sự phát triển kinh tế - xã hội cũng như cải thiện chất lượng cuộc sống của con người. Theo số liệu phân tích cho thấy nhu cầu năng lượng toàn cầu dự kiến tăng khoảng 25% trong giai đoạn từ năm 2018 đến năm 2040. Sự gia tăng này phản ánh tốc độ gia tăng dân số, phát triển kinh tế và công nghiệp.

Tính từ thời kỳ đầu của cách mạng công nghiệp cho đến năm 2018, dân số thế giới đã tăng từ 700 triệu lên 7,6 tỷ người và dự đoán sẽ tiếp tục tăng đến 9,2 tỷ vào năm 2040 hay nói một cách khác trong khoảng thời gian này sẽ có thêm khoảng 1,6 tỷ đối tượng tiêu thụ năng lượng mới [1]. Quá trình gia tăng dân số đi kèm với với việc phát triển không ngừng của công nghệ, phương tiện giao thông, tiêu chuẩn sống, công nghiệp hóa. sẽ dẫn đến gia tăng việc sử dụng năng lượng. Tổng sản phẩm quốc nội (GDP) toàn cầu trong giai đoạn 2018-2040 tăng trung bình 3,4 %/ năm.

Trong đó, GDP tại các nước phát triển thuộc Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế - OECD (Organization for Economic Co-operation and Development) tăng trung bình 1,4 %/năm. Các nước đang phát triển ngoài khối OECD tăng GDP một cách nhanh chóng với tốc độ trung bình 3,5 %/năm. Các nước hiện đang có GDP tăng mạnh nhất trong khối này là các nước thuộc châu Á (4,4 %/năm) như Trung Quốc (4,3 %/năm) và Ấn Độ (6,4 %/năm). Nhu cầu năng lượng từ các nước ngoài OECD chiếm đến 56% [1].

Cùng với nền kinh tế đang được phát triển một cách nhanh chóng, phần lớn sự gia tăng dân số cũng sẽ tập trung tại các nước thuộc khu vực châu Á và châu Phi. Theo số liệu của Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA – International Energy Agency), cho đến năm 2018 vẫn còn khoảng 860 triệu người trên thế giới (chiếm 11% dân số thế giới) chưa có điện để sử dụng. Phần lớn trong số này thuộc khu vực ngoại ô của các nước lân cận sa mạc Sahara, châu Phi và các nước đang phát triển ở Châu Á. Cũng theo thống kê vào năm 2018 của IEA, khoảng 2,5 tỷ người (chiếm 33% dân số thế giới) vẫn dựa vào việc sử dụng nguồn sinh khối rắn truyền thống để phục vụ sinh hoạt.

Các nước châu Á đang phát triển và lân cận sa mạc Sahara, châu Phi tiếp tục chiếm tỷ lệ lớn trong số này. Theo IEA dự báo đến năm 2050 thì vẫn còn 726 triệu người thiếu điện và 1,5 tỷ người vẫn dựa trên các nguồn sinh khối truyền thống để sinh sống [1]. Các con số cụ thể này cho thấy nhu cầu về sử dụng năng lượng dự báo sẽ tiếp tục còn tăng trong tương lai gần. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, năng lượng thu nhận từ nhiên liệu hóa thạch hiện vẫn đang chiếm vai trò chủ đạo (81% vào năm 2018).

Theo dự báo đến năm 2030 của IEA, nguồn nhiên liệu này sẽ vẫn tiếp tục giữ vững vai trò của mình trong việc cung cấp năng lượng cho toàn cầu (79%) [1]. Trong các nguồn năng lượng hóa thạch, than được xem là nguồn nhiên liệu phong phú và được phân bố rộng rãi tại nhiều quốc gia hơn hẳn so với dầu và khí tự nhiên (hơn 75 quốc gia trên thế giới). Với tốc độ tiêu thụ như hiện nay, IEA dự báo nguồn năng lượng từ than có thể kéo dài trong 142 năm, so với 61 năm của khí tự nhiên và chỉ 54 năm 5 của dầu. Nhu cầu than dự báo tăng khoảng 14,7% trong giai đoạn từ 2018 đến 2040 với các chính sách năng lượng như hiện nay.

Hiện nay, than được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực sản xuất điện năng (65%), nguồn vật liệu thô cho quá trình sản xuất thép (74%), xi măng (61%) và hóa chất (13%) [1]. Qua các số liệu cho thấy, không chỉ tiếp tục duy trì vai trò trụ cột trong công nghiệp sản xuất điện năng, than còn là nhiên liệu củng cố cho sự phát triển nhanh chóng của quá trình công nghiệp hóa tại các thị trường mới trỗi dậy, giúp nâng cao mức sống và đưa hàng trăm triệu người thoát khỏi tình trạng thiếu thốn năng lượng. Xu hướng về nhu cầu than toàn cầu hiện được phân thành hai khuynh hướng chính theo nhóm quốc gia. Đối với các nước thuộc OECD, thậm chí ngay cả khi nhu cầu về điện năng gia tăng không ngừng trong một thập kỷ vừa qua thì lượng than được sử dụng cho lĩnh vực này vẫn giảm từ 42% xuống còn 39% trên tổng năng lượng sử dụng [1].

Trong khi đó, đối với các quốc gia không thuộc OECD, than vẫn tiếp tục đóng vai trò then chốt trong cả sản xuất điện năng và trong các ngành công nghiệp khác. Nhu cầu năng lượng trong lĩnh vực sản xuất điện mở rộng đến 75% vào cuối thập kỷ vừa qua cùng với việc gia tăng gấp đôi lượng than sử dụng [1]. Các quốc gia không thuộc OECD hiện đang chiếm đến 70% lượng than sử dụng trên toàn cầu [1]. Và trong tương lai xa để thúc đẩy quá trình phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu năng lượng tại các quốc gia không thuộc OECD, yếu tố quyết định đến sự tăng trưởng về nhu cầu than, sẽ gia tăng không ngừng.

Trên thế giới cũng như tại Việt Nam, việc khai thác than được tiến hành theo hai phương pháp là khai thác lộ thiên và khai thác hầm lò (gọi chung là phương pháp khai thác truyền thống). Trong đó, khai thác lộ thiên được áp dụng với các mỏ than có độ sâu nông, gần bề mặt trái đất. Thông thường, khả năng khai thác của phương pháp này không vượt quá độ sâu 100 m. Phương pháp khai thác hầm lò cho phép tiếp cận với các mỏ than sâu hơn khoảng 300 m so với bề mặt trái đất.

Trong một số trường hợp đặc biệt, độ sâu này có thể lên đến 500 ̶ 600 m. Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng than truyền thống như một cách thức tất yếu để đáp ứng nhu cầu về năng lượng khi không đi kèm với quản lý môi trường và xử lý chất thải phù hợp đang đưa lại vô số các hệ lụy. (1) Ô nhiễm môi trường – Biến đổi khí hậu: Để tiếp cận khai thác các vỉa than sâu trong lòng đất, cả hai phương pháp khai thác lộ thiên và hầm lò đều phải thực hiện việc loại bỏ các lớp đất đá phía trên. Sụt lún được xem là một trong những tác động mạnh mẽ nhất của quá trình khai thác than lên địa hình bề mặt môi trường đất [2].

Quy mô và mức độ nguy hiểm của quá trình sụt lún phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố như độ dày của lớp đất và đá phủ cũng như quy mô và phương pháp khai thác. Quá trình sụt lún đất không chỉ làm giảm năng suất mùa màng mà còn gây ra những vấn đề về môi trường như tàn phá và hủy hoại hệ thực vật, làm biến đổi bề mặt và mất đất, phá hỏng hệ thống thoát nước, tàn phá các khu dân cư. Quá trình khai thác than truyền thống cũng gây ra những tác động đến môi trường nước, bao gồm cả nước mặt và nước ngầm. Việc loại bỏ lớp che phủ thực vật trong khai thác lộ thiên cũng như hầm lò làm lộ ra ngày càng nhiều các lớp đá địa tầng dẫn đến làm giảm tốc độ thấm và thay đổi hướng dòng chảy [2].

Tuy nhiên, những tác động đến môi trường khí được xem là những tác động nghiêm trọng và sâu sắc nhất khi những thay đổi này đang ảnh hưởng một cách đặc 6 biệt tiêu cực đến sức khỏe của con người. Ô nhiễm không khí từ việc khai thác than chủ yếu là do sự phát xạ không bền của các vật liệu dạng hạt siêu mịn và khí như methane, sulphua dioxide và các oxit của nitơ [2]. Đối với quá trình sử dụng, than chủ yếu được đốt để sản xuất nhiệt và điện. Lượng khí CO2 và các khí nhà kính khác giải phóng ra khí quyển trên một kilowatt-giờ điện tạo thành phụ thuộc vào hàm lượng cacbon có trong than, hiệu suất và cách thức vận hành của nhà máy điện.

Trên thực tế, chỉ khoảng một phần ba lượng nhiệt sinh ra từ việc đốt than được chuyển hóa thành điện. Theo số liệu của IEA, năm 2018, lượng phát thải CO2 từ than trên toàn cầu là 14. Quá trình phát thải này là hệ quả của cả hai quá trình khai thác và sử dụng than. Mức gia tăng này sẽ thúc đẩy nhanh hiệu ứng khí nhà kính, làm nhiệt độ toàn cầu trung bình tăng 0,85 oC/năm.