Tổng quan nghiên cứu

Thái Nguyên là trung tâm công nghiệp lớn tại vùng trung du miền núi phía Bắc với trữ lượng than đứng thứ hai cả nước, ước tính khoảng 15 triệu tấn than mỡ và 90 triệu tấn than đá. Trong đó, mỏ than Khánh Hòa là cơ sở khai thác lộ thiên trọng điểm với sản lượng vượt 700.000 tấn than nguyên khai mỗi năm. Để thu được khối lượng than này, doanh nghiệp phải bóc tách hơn 7.000.000 m3 đất đá thải và phát sinh lượng nước thải tháo khô moong từ 1 đến 3 m3 trên mỗi tấn sản phẩm. Quá trình khai thác kéo dài đã hình thành các bãi thải khổng lồ với chiều cao thực tế lên tới gần 190 mét, vượt xa ngưỡng thiết kế ban đầu là 150 mét.

Vấn đề môi trường nổi cộm phát sinh khi nước thải mỏ và nước mưa chảy tràn qua các bãi đất đá phong hóa cuốn theo bùn sét xả thẳng ra lưu vực suối Tân Long. Tình trạng này đe dọa trực tiếp đến đời sống của hơn 288 hộ dân sinh sống quanh chân bãi thải và làm suy giảm chất lượng nước cấp cho sông Cầu. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá thực trạng biến đổi tính chất lý - hóa nước mặt suối Tân Long, đồng thời làm rõ cơ chế keo tụ và phân tán khoáng sét dưới tác động của các ion vô cơ trong nước thải mỏ than Khánh Hòa.

Nghiên cứu được triển khai thực địa và quan trắc phòng thí nghiệm liên tục trong giai đoạn từ năm 2009 đến năm 2011 dọc theo chiều dài dòng suối tiếp nhận tại xã Phúc Hà, xã Sơn Cẩm và phường Tân Long. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cung cấp hệ thống số liệu định lượng về độ đục, hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS), sunfat và kim loại nặng, tạo tiền đề xây dựng các giải pháp kiểm soát ô nhiễm và ổn định bãi đổ thải mỏ than.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng thuyết lớp điện kép và thuyết bền vững hệ keo vô cơ nhằm giải thích trạng thái phân tán của khoáng sét trong môi trường nước. Các hạt khoáng sét có kích thước nhỏ hơn 2 µm mang điện tích âm bề mặt vĩnh viễn do hiện tượng thay thế đồng hình trong phiến tứ diện silic và bát diện gipxit. Trạng thái tụ keo hay tán keo của hệ huyền phù sét phụ thuộc vào độ dày lớp điện kép và nồng độ các cation bù xung quanh bề mặt khoáng.

Bên cạnh đó, mô hình oxy hóa khoáng sunfua vô cơ được sử dụng để giải thích bản chất hình thành nước chua mỏ. Khoáng pyrit (FeS2) khi tiếp xúc với oxy và nước sẽ bị oxy hóa qua chuỗi 5 phản ứng sinh hóa, giải phóng axit sunfuric và ion sunfat tự do. Ba khái niệm then chốt chi phối quá trình này bao gồm: dung tích trao đổi cation (CEC), động học keo tụ theo quy luật hóa trị ion và độ truyền quang học (T%) của dung dịch huyền phù.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập thông qua phương pháp lấy mẫu nước mặt và trầm tích đáy đại diện theo mặt cắt không gian từ thượng lưu xuống hạ lưu suối Tân Long. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 4 vị trí mẫu nước mặt (NM-1 đến NM-4) và 4 vị trí mẫu trầm tích đáy (BĐ-1 đến BĐ-4 ở độ sâu 0,1 đến 0,3 mét), kết hợp 2 mẫu đất đại diện tại chân bãi thải phía Nam và phía Tây mỏ than. Timeline khảo sát diễn ra định kỳ 3 đợt mỗi năm trong suốt giai đoạn 2009 đến 2011. Phương pháp chọn mẫu theo khoảng cách 500 mét, 1.500 mét và 2.500 mét sau cửa xả nhằm cô lập chính xác tác động cục bộ của dòng thải mỏ than.

Các chỉ tiêu lý - hóa được phân tích theo Tiêu chuẩn chuẩn hóa xét nghiệm nước và nước thải (SMEWW):

  • Chỉ số pH đo bằng điện cực thủy tinh; độ đục xác định qua máy đo tán xạ quang học.
  • Hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) phân tích theo phương pháp trọng lượng sấy ở nhiệt độ 103 đến 105 độ C theo chuẩn SMEWW 2540 D.
  • Nồng độ ion sunfat xác định bằng phương pháp kết tủa bari sunfat và so màu quang phổ tại bước sóng 600 nm.
  • Hàm lượng kim loại nặng (Cu, Pb, Zn, Cd) được phân tích bằng kỹ thuật cực phổ von-ampe hòa tan xung vi phân (DP-ASV) trên điện cực giọt thủy ngân treo HMDE nhằm đạt độ nhạy cực cao ở cấp vi lượng.
  • Cấp hạt sét nhỏ hơn 2 µm được phân tách bằng cột lắng cao 40 cm sau 22 giờ 11 phút theo định luật Stokes. Thành phần khoáng sét được xác định chính xác bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Siemens D5005 qua 4 chế độ xử lý hóa nhiệt chuyên sâu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nước thải tại cửa xả mỏ than Khánh Hòa mang tính axit yếu với pH dao động từ 4,8 đến 6,5, nồng độ ion sunfat rất cao từ 908,6 đến 1.699,1 mg/L và độ đục luôn duy trì ở mức 237,4 đến 632 NTU. Đáng chú ý, hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) trong nước thải mỏ dao động từ 173,5 đến 587,8 mg/L, vượt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT cột B từ 3 đến 5,8 lần.

Thứ hai, nước suối Tân Long bị suy giảm chất lượng nghiêm trọng ngay sau điểm tiếp nhận nước thải. Tại vị trí NM-2 (cách điểm xả 500 mét về hạ lưu), TSS tăng vọt lên khoảng 111,4 đến 235,9 mg/L, gấp từ 4 đến 12 lần so với điểm thượng lưu NM-1 (chỉ đạt 9 đến 57,8 mg/L) và vượt quy chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT cột B1 từ 1,05 đến 4,7 lần. Đồng thời, hàm lượng sunfat tại NM-2 tăng đột biến lên 803,8 đến 1.564,7 mg/L, trong khi ở thượng lưu chỉ đạt 6,26 đến 169 mg/L.

Thứ ba, tỷ lệ cấp hạt sét mịn nhỏ hơn 2 µm trong trầm tích suối tăng mạnh từ 29,4% ở điểm BĐ-1 lên 55,7% tại điểm BĐ-2, sau đó giảm dần về 39,8% tại BĐ-3 và 31,6% tại BĐ-4. Phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy thành phần khoáng sét chủ yếu bao gồm kaolinit, illit và vermiculit, trong đó kaolinit chiếm tỷ trọng ưu thế tuyệt đối.

Thứ tư, thực nghiệm hóa keo chứng minh khả năng thúc đẩy tụ keo khoáng sét tuân theo quy luật hóa trị cation: Al3+ > Ca2+ > Na+. Cation Al3+ ở nồng độ cực thấp từ 0,1 đến 1 mmol/L đã giúp hệ keo đạt độ truyền quang T% từ 93% đến 96%, trong khi Na+ cần nồng độ tới 100 mmol/L mới đạt độ truyền quang 64,8% đến 81,5%. Ngược lại, sự gia tăng của anion sunfat đóng vai trò như chất cản trở tụ keo, thúc đẩy quá trình tán keo và duy trì độ đục kéo dài trong nước suối.

Thảo luận kết quả

Các chuỗi dữ liệu thực nghiệm được biểu diễn mạch lạc thông qua đồ thị biến thiên nồng độ sunfat theo không gian, biểu đồ cột so sánh TSS giữa các mùa và phổ nhiễu xạ tia X đặc trưng của từng nhóm khoáng sét. Sự phân hóa rõ rệt của các chỉ tiêu giữa mùa mưa và mùa khô phản ánh rõ nét bản chất cơ học và hóa học của nguồn thải mỏ than.

Vào mùa khô, lưu lượng tự nhiên của suối Tân Long giảm xuống mức thấp chỉ khoảng 0,39 m3/giây, trong khi lượng nước xả mỏ đạt hơn 3.000 m3/ngày đêm khiến tỷ lệ pha loãng suy giảm, làm cho nồng độ sunfat và độ dẫn điện tăng cao. Vào mùa mưa, quá trình xói mòn và rửa trôi đất đá trên khai trường bóc xúc làm bùng phát hàm lượng TSS và độ đục. Kết quả nghiên cứu này hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học trước đây về cơ chế keo tụ của cation đa hóa trị, đồng thời khẳng định vai trò của anion sunfat trong việc làm bền hệ huyền phù khoáng sét tại các mỏ than lộ thiên.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp và mở rộng công suất trạm xử lý nước thải mỏ từ mức hiện tại lên tối thiểu 5.000 m3/ngày đêm, ứng dụng công nghệ keo tụ bằng hóa chất đa hóa trị như polyaluminium chloride (PAC) hoặc phèn nhôm kết hợp bể lắng nhiều bậc nhằm kiểm soát hàm lượng TSS đầu ra dưới 50 mg/L và đưa pH về khoảng trung tính 6,5 đến 8,5, hoàn thành trước quý IV năm 2027 do Công ty Than Khánh Hòa chủ trì thực hiện.

Thứ hai, thi công đồng bộ hệ thống rãnh gom nước mưa chảy tràn quanh chân bãi thải phía Nam và phía Tây với tổng chiều dài trên 4.000 mét, kết hợp xây dựng hồ lắng sơ cấp dung tích 15.000 m3 nhằm giữ lại 90% lượng bùn cát và hạt sét trước khi thoát ra suối Tân Long trong giai đoạn 2026 đến 2027.

Thứ ba, thực hiện hạ độ cao và giật cấp an toàn tại bãi thải phía Nam, khống chế đỉnh đổ thải từ 190 mét xuống dưới ngưỡng an toàn 150 mét theo đúng quy chuẩn kỹ thuật; triển khai phủ xanh sinh học bằng cây keo tai tượng và cỏ Vetiver trên diện tích 20 hecta nhằm cố định bề mặt đất đá phong hóa, hoàn thành trong giai đoạn 2027 đến 2028.

Thứ tư, thiết lập hệ thống quan trắc tự động liên tục 24/7 đối với 4 thông số cốt lõi gồm pH, TSS, sunfat và độ đục tại cửa xả thải và điểm hợp lưu suối Tân Long, giao Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên phối hợp chính quyền địa phương giám sát độc lập bắt đầu từ năm 2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Tài nguyên Nước: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp nghiên cứu tương tác hóa keo khoáng sét, kỹ thuật tách cấp hạt sét chuẩn mực và phân tích định tính khoáng vật bằng nhiễu xạ tia X (XRD).

Kỹ sư môi trường tại các tập đoàn và công ty khai khoáng than đá: Ứng dụng các thông số thực nghiệm về khả năng keo tụ của ion Al3+ và ảnh hưởng của sunfat để tối ưu hóa liều lượng hóa chất xử lý nước thải moong và vận hành hệ thống hồ lắng bùn thải hiệu quả.

Cán bộ quản lý tại các Chi cục Bảo vệ Môi trường và Sở Tài nguyên và Môi trường: Khai thác tài liệu như một nghiên cứu điển hình (case study) về đánh giá tác động môi trường của hoạt động đổ thải mỏ lộ thiên, hỗ trợ công tác thanh tra, thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM) và cấp phép xả thải.

Giảng viên và sinh viên ngành Địa chất Môi trường, Hóa học Môi trường: Sử dụng các dữ liệu phân tích thành phần cấp hạt và cơ chế tán keo làm giáo cụ trực quan trong các bài giảng chuyên đề về xói mòn đất đá phong hóa và ô nhiễm môi trường nước mặt.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nước suối Tân Long sau điểm tiếp nhận nước thải mỏ lại có hàm lượng TSS và độ đục tăng vọt? Do hoạt động khai trường nổ mìn bóc đất làm vỡ cấu trúc đất đá, nước mưa và nước moong cuốn theo hàm lượng lớn hạt sét mịn đổ vào suối. Tại điểm NM-2, TSS tăng vọt lên 111,4 đến 235,9 mg/L (gấp 4 đến 12 lần thượng lưu), kết hợp cùng nồng độ sunfat cao thúc đẩy tán keo khiến nước suối vẩn đục kéo dài.

Nước thải mỏ than tác động như thế nào đến nồng độ ion sunfat trong nguồn nước suối? Quá trình oxy hóa khoáng pyrit vô cơ trong các vỉa than giải phóng một lượng lớn axit sunfuric và ion SO42-. Dòng thải mỏ chứa sunfat lên tới 1.699,1 mg/L đã trực tiếp làm hàm lượng sunfat tại suối Tân Long tăng từ 6,26 mg/L ở thượng lưu lên tới 1.564,7 mg/L tại khu vực hạ lưu.

Thí nghiệm keo tụ chứng minh vai trò gì của các cation đối với quá trình xử lý nước đục? Kết quả thực nghiệm khẳng định hiệu quả tụ keo tăng mạnh theo hóa trị cation theo thứ tự Al3+ > Ca2+ > Na+. Cation Al3+ ở nồng độ thấp 0,1 đến 1 mmol/L đã trung hòa triệt để điện tích âm bề mặt khoáng sét, làm tăng độ truyền quang T% lên tới 96%, chứng minh tính ưu việt của phèn nhôm trong xử lý bùn sét.

Thành phần khoáng sét chủ yếu trong trầm tích suối Tân Long gồm những loại nào? Phân tích phổ XRD xác định trầm tích đáy suối chứa 3 loại khoáng sét chính theo thứ tự hàm lượng giảm dần là kaolinit > illit > vermiculit. Đặc tính trương nở kém và khả năng phân tán cao của nhóm kaolinit và illit là nguyên nhân chính khiến hạt sét lơ lửng lâu trong môi trường nước mặt.

Bãi thải mỏ cao 190 mét gây ra những hiểm họa trực tiếp nào đối với khu vực lân cận? Chiều cao đổ thải thực tế vượt ngưỡng thiết kế 40 mét làm gia tăng áp lực tải trọng lên nền địa chất. Khi gặp mưa lớn, thành phần sét phong hóa bị ngậm nước, trương nở và chảy nhão, tạo ra nguy cơ sạt lở đất đá nghiêm trọng đe dọa trực tiếp 288 hộ dân và bồi lắng làm tắc nghẽn dòng chảy suối Tân Long.

Kết luận

  • Nước thải mỏ than Khánh Hòa có tính axit yếu (pH 4,8 đến 6,5), nồng độ sunfat cao (908,6 đến 1.699,1 mg/L) và TSS vượt quy chuẩn xả thải từ 3 đến 5,8 lần.
  • Dòng suối Tân Long tiếp nhận nước thải bị suy thoái mạnh với độ đục lên tới 573,7 NTU, TSS đạt 235,9 mg/L và sunfat đạt 1.564,7 mg/L tại vùng hạ lưu.
  • Trầm tích đáy suối bị bồi lắng bùn sét nghiêm trọng với tỷ lệ hạt mịn dưới 2 µm đạt 55,7%, thành phần khoáng vật chủ đạo là kaolinit và illit.
  • Cơ chế hóa keo chỉ ra rằng cation Al3+ thúc đẩy tụ keo tối ưu ở nồng độ 0,1 đến 1 mmol/L, trong khi anion sunfat làm gia tăng trạng thái tán keo lơ lửng.
  • Bãi thải cao 190 mét tiềm ẩn nguy cơ trượt lở lớn, đòi hỏi phải hạ độ cao, xây dựng rãnh gom lắng và tăng cường phủ xanh bề mặt.

Luận văn đã đóng góp một hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện và chuẩn xác về cơ chế biến đổi lý - hóa nước mặt dưới tác động của khoáng sét và nước thải mỏ than đá. Trong giai đoạn 2026 đến 2028, việc triển khai đồng bộ các giải pháp công nghệ lắng lọc và quan trắc tự động là yêu cầu cấp thiết để bảo vệ lưu vực suối Tân Long và sông Cầu. Các nhà khoa học, kỹ sư và cơ quan quản lý hãy áp dụng ngay các kết quả thực nghiệm này để nâng cao hiệu quả kiểm soát ô nhiễm môi trường mỏ tại địa phương.