Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm kim loại nặng (KLN) trong đất là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng hiện nay, đặc biệt tại các khu vực khai thác khoáng sản. Tại Việt Nam, tỉnh Thái Nguyên là vùng có nhiều mỏ khoáng sản, trong đó mỏ Pb-Zn Làng Hích, huyện Đồng Hỷ là một điểm nóng về ô nhiễm KLN. Theo khảo sát, có tới 72,3% mẫu nước mặt xung quanh các mỏ có hàm lượng As, Cd, Pb, Zn, Fe vượt quy chuẩn từ 1,05 đến 35,8 lần; mẫu nước ngầm có 30% vượt quy chuẩn từ 1,2 đến 1,96 lần; và 83,3% mẫu nước thải vượt quy chuẩn từ 1,05 đến 435,5 lần. Đặc biệt, hàm lượng Zn trong đất nông nghiệp tại một số khu vực có thể vượt quy chuẩn tới 23 lần, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm phân tích dạng hóa học của kẽm (Zn) trong đất tại khu vực khai thác quặng Pb-Zn Làng Hích, đánh giá mức độ ô nhiễm và phân bố các dạng liên kết của Zn trong đất và trầm tích. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định hàm lượng tổng và 5 dạng liên kết của Zn (trao đổi, liên kết cacbonat, liên kết với oxit sắt-mangan, liên kết hữu cơ và dạng cặn dư) trong các mẫu đất lấy từ bãi thải, đất nông nghiệp và trầm tích suối gần mỏ. Thời gian khảo sát và lấy mẫu là tháng 11 năm 2018, tại huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá chính xác mức độ ô nhiễm kim loại nặng, từ đó đề xuất các biện pháp quản lý và phục hồi môi trường đất tại khu vực khai thác khoáng sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết phân tích dạng hóa học của kim loại nặng trong đất và trầm tích, tập trung vào 5 dạng liên kết chính theo quy trình chiết tuần tự của Tessier: dạng trao đổi (F1), dạng liên kết với cacbonat (F2), dạng liên kết với oxit sắt-mangan (F3), dạng liên kết với hữu cơ (F4) và dạng cặn dư (F5). Mỗi dạng liên kết phản ánh mức độ linh động và khả năng sinh học khác nhau của Zn trong môi trường đất.

Ngoài ra, các chỉ số đánh giá mức độ ô nhiễm được áp dụng gồm: chỉ số tích lũy địa chất (Igeo), nhân tố gây ô nhiễm cá nhân (ICF) và chỉ số đánh giá mức độ rủi ro (RAC). Igeo so sánh hàm lượng kim loại trong mẫu với giá trị nền tự nhiên, ICF đánh giá mức độ ô nhiễm dựa trên tỷ lệ các dạng linh động so với dạng cặn dư, còn RAC tập trung vào tỷ lệ các dạng dễ hòa tan và có khả năng gây rủi ro sinh thái.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là 22 mẫu đất và trầm tích được lấy tại các vị trí khác nhau trong khu vực mỏ Pb-Zn Làng Hích, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên, với độ sâu lấy mẫu từ 0-20 cm. Mẫu được thu thập tại bãi thải, đất nông nghiệp gần bãi thải, và trầm tích suối gần mỏ. Mẫu được xử lý sơ bộ bằng phơi khô, nghiền nhỏ và sàng qua rây 2 mm.

Phân tích hàm lượng tổng và các dạng liên kết của Zn được thực hiện bằng phương pháp chiết tuần tự cải tiến theo quy trình Tessier, sử dụng các dung dịch chiết đặc trưng cho từng dạng liên kết. Hàm lượng Zn trong dung dịch chiết được xác định bằng kỹ thuật phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) với thiết bị Nexion 2000 của Perkin Elmer. Quy trình phá mẫu sử dụng lò vi sóng Milestone Ethos 900 với hỗn hợp axit cường thủy.

Cỡ mẫu phân tích là 1 gam đất cho mỗi bước chiết, lặp lại 3 lần để đảm bảo độ chính xác. Phương pháp phân tích được đánh giá qua độ thu hồi mẫu chuẩn MESS_4, giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) được xác định dựa trên mẫu trắng. Dữ liệu được xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel 2010, tính toán các chỉ số thống kê như giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và biên độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đường chuẩn và độ nhạy của phương pháp ICP-MS: Đường chuẩn xác định Zn có phương trình y = 746,22x + 56,86 với hệ số xác định R² = 0,9988, cho thấy độ tuyến tính rất cao. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) lần lượt là 0,0015 ppb và 0,0018 ppb, đảm bảo độ nhạy cao cho việc phân tích hàm lượng Zn trong mẫu đất.

  2. Độ thu hồi phương pháp: Độ thu hồi hàm lượng Zn trong mẫu chuẩn MESS_4 đạt 103,22%, nằm trong giới hạn cho phép 90-110%, chứng tỏ quy trình phân tích có độ chính xác và tin cậy cao.

  3. Hàm lượng tổng và dạng liên kết của Zn trong mẫu đất: Hàm lượng tổng Zn trong các mẫu đất bãi thải và trầm tích suối gần mỏ rất cao, vượt nhiều lần giới hạn cho phép theo QCVN 03-MT:2015/BTNMT (200-300 mg/kg). Các dạng liên kết chủ yếu của Zn là dạng liên kết với cacbonat (F2), dạng liên kết với oxit sắt-mangan (F3) và dạng cặn dư (F5). Dạng trao đổi (F1) chiếm tỷ lệ nhỏ nhất, nhưng lại có mức độ linh động cao, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng di chuyển và sinh học của Zn.

  4. Đánh giá mức độ ô nhiễm: Chỉ số Igeo cho thấy mức độ ô nhiễm Zn tại các điểm lấy mẫu dao động từ mức trung bình đến rất nghiêm trọng, với một số mẫu có Igeo > 5. Chỉ số ICF cho thấy mức độ ô nhiễm cá nhân của Zn ở mức cao đến rất cao (>3). Chỉ số RAC cho thấy nguy cơ rủi ro sinh thái do Zn gây ra ở mức cao (>30%), đặc biệt tại các điểm bãi thải và đất nông nghiệp gần mỏ.

Thảo luận kết quả

Kết quả phân tích cho thấy hoạt động khai thác và chế biến quặng Pb-Zn tại Làng Hích đã làm gia tăng đáng kể hàm lượng Zn trong đất và trầm tích, vượt xa các tiêu chuẩn môi trường quốc gia. Sự phân bố các dạng liên kết của Zn phản ánh tính chất hóa học và điều kiện môi trường tại khu vực nghiên cứu. Dạng liên kết với cacbonat và oxit sắt-mangan chiếm tỷ lệ lớn cho thấy Zn có khả năng bị giải phóng khi pH đất giảm hoặc trong điều kiện khử, làm tăng nguy cơ ô nhiễm lan rộng.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, mức độ ô nhiễm Zn tại Làng Hích tương đương hoặc cao hơn nhiều khu vực khai thác khoáng sản khác, như lưu vực sông Cầu hay các khu vực khai thác vàng ở Nam Phi. Việc sử dụng ICP-MS cho phép xác định chính xác hàm lượng Zn ở mức vi lượng, giúp đánh giá chi tiết hơn về mức độ ô nhiễm và khả năng sinh học của kim loại này trong đất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố hàm lượng Zn tổng và từng dạng liên kết theo vị trí lấy mẫu, bảng so sánh chỉ số Igeo, ICF và RAC giữa các điểm khảo sát để minh họa rõ ràng mức độ ô nhiễm và rủi ro sinh thái.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thực hiện biện pháp xử lý và cải tạo đất ô nhiễm: Áp dụng các kỹ thuật xử lý sinh học hoặc hóa học nhằm giảm hàm lượng Zn linh động trong đất, tập trung tại các khu vực bãi thải và đất nông nghiệp gần mỏ. Mục tiêu giảm chỉ số RAC xuống dưới 10% trong vòng 3 năm, do các cơ quan quản lý môi trường phối hợp với địa phương thực hiện.

  2. Giám sát môi trường định kỳ: Thiết lập hệ thống quan trắc môi trường đất, nước và không khí tại khu vực mỏ và vùng lân cận, với tần suất 6 tháng/lần để phát hiện sớm các biến động về hàm lượng KLN, đặc biệt là Zn. Đơn vị thực hiện là Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên.

  3. Tuyên truyền và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình đào tạo, hội thảo cho người dân địa phương về tác hại của ô nhiễm kim loại nặng và các biện pháp phòng tránh, nhằm giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp với đất và nước ô nhiễm. Thời gian triển khai trong 1 năm đầu sau nghiên cứu, do các tổ chức phi chính phủ và chính quyền địa phương phối hợp thực hiện.

  4. Kiểm soát và quản lý hoạt động khai thác khoáng sản: Áp dụng các biện pháp kỹ thuật giảm thiểu phát thải kim loại nặng trong quá trình khai thác và chế biến quặng, đồng thời tăng cường kiểm tra, xử lý nghiêm các vi phạm về môi trường. Mục tiêu giảm lượng Zn phát tán ra môi trường ít nhất 30% trong 5 năm tới, do các cơ quan chức năng và doanh nghiệp khai thác phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường: Luận văn cung cấp phương pháp phân tích dạng hóa học của kim loại nặng trong đất bằng kỹ thuật ICP-MS, cùng các chỉ số đánh giá ô nhiễm, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu chuyên sâu.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và chính quyền địa phương: Thông tin về mức độ ô nhiễm và phân bố dạng liên kết của Zn hỗ trợ trong việc xây dựng chính sách quản lý, giám sát và xử lý ô nhiễm đất tại các khu vực khai thác khoáng sản.

  3. Doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản: Nghiên cứu giúp nhận diện các tác động môi trường do hoạt động khai thác, từ đó áp dụng các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm và tuân thủ quy định pháp luật về bảo vệ môi trường.

  4. Cộng đồng dân cư sống gần khu vực khai thác: Hiểu rõ về mức độ ô nhiễm và nguy cơ sức khỏe do kim loại nặng, từ đó có các biện pháp phòng tránh và bảo vệ sức khỏe cá nhân, gia đình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần phân tích dạng hóa học của kẽm trong đất thay vì chỉ đo hàm lượng tổng?
    Phân tích dạng hóa học giúp xác định mức độ linh động và khả năng sinh học của kẽm, từ đó đánh giá chính xác hơn nguy cơ ô nhiễm và ảnh hưởng đến hệ sinh thái, vì các dạng liên kết khác nhau có tính ổn định và độc tính khác nhau.

  2. Phương pháp ICP-MS có ưu điểm gì trong phân tích kim loại nặng?
    ICP-MS có độ nhạy rất cao với giới hạn phát hiện ở mức ppt, khả năng phân tích nhiều nguyên tố cùng lúc, tốc độ nhanh và phạm vi tuyến tính rộng, phù hợp cho việc xác định hàm lượng vết kim loại trong mẫu đất phức tạp.

  3. Chỉ số Igeo phản ánh điều gì về mức độ ô nhiễm đất?
    Igeo so sánh hàm lượng kim loại trong mẫu với giá trị nền tự nhiên, phân loại mức độ ô nhiễm từ không đến rất nghiêm trọng, giúp đánh giá mức độ tích lũy kim loại do hoạt động nhân tạo.

  4. Các dạng liên kết của kẽm trong đất ảnh hưởng thế nào đến khả năng di chuyển và độc tính?
    Dạng trao đổi và liên kết với cacbonat có tính linh động cao, dễ bị giải phóng vào môi trường khi điều kiện pH thay đổi, làm tăng khả năng hấp thụ sinh học và độc tính. Ngược lại, dạng cặn dư bền vững, ít ảnh hưởng trực tiếp đến sinh vật.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu ô nhiễm kẽm trong đất tại khu vực khai thác?
    Có thể áp dụng các biện pháp xử lý sinh học như sử dụng vi sinh vật hoặc cây trồng hấp thụ kim loại, xử lý hóa học để cố định kẽm trong đất, đồng thời kiểm soát nguồn thải và cải thiện quản lý khai thác khoáng sản.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình phân tích dạng hóa học của kẽm trong đất bằng phương pháp chiết tuần tự cải tiến kết hợp ICP-MS với độ nhạy cao và độ chính xác tốt.
  • Hàm lượng tổng và các dạng liên kết của Zn tại khu vực mỏ Pb-Zn Làng Hích vượt giới hạn cho phép, đặc biệt dạng liên kết với cacbonat và oxit sắt-mangan chiếm tỷ lệ lớn, làm tăng nguy cơ ô nhiễm môi trường.
  • Chỉ số Igeo, ICF và RAC cho thấy mức độ ô nhiễm và rủi ro sinh thái do Zn gây ra ở mức cao đến rất cao tại nhiều điểm khảo sát.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc đánh giá ô nhiễm kim loại nặng và đề xuất các biện pháp quản lý, cải tạo môi trường đất tại khu vực khai thác khoáng sản.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai giám sát môi trường định kỳ, áp dụng biện pháp xử lý ô nhiễm và nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của ô nhiễm kim loại nặng.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan chức năng và doanh nghiệp khai thác cần phối hợp triển khai các giải pháp quản lý và phục hồi môi trường dựa trên kết quả nghiên cứu để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững khu vực khai thác.