Sự phát triển và ứng dụng công nghệ tích hợp địa môi trường – địa sinh thái

Trên thế giới hoạt động công nghiệp, bao gồm khai thác khoáng sản đổ thải ra môi trường xung quanh nhiều chất độc hại, đặc biệt là nước thải mỏ axit và chứa nhiều kim loại nặng. Ngày nay có nhiều công nghệ khác nhau được sử dụng để xử lý ô nhiễm môi trường nước. Tuy nhiên nhiều công nghệ xử lý thường có chi phí xây dựng và vận hành cao, xử lý không triệt để, hoặc làm phát sinh chất thải thứ cấp cần xử lý tiếp. Vào những năm 90 của thế kỷ 20  trên thế giới bắt đầu phát triển một số giải pháp mới như dùng vi sinh, thực vật… để xử lý ô nhiễm môi trường tại một số vùng khai thác và chế biến khoáng sản. Đó là cơ sở thực tiễn để hình thành loại hình công nghệ mới với tên gọi là công nghệ địa môi trường (ĐMT), công nghệ địa sinh thái (ĐST) để xử lý nước thải tại các khu vực khai thác chế biến khoáng sản. Vào những thập niên đầu của thế kỷ 21, hướng công nghệ này phát triển ở nhiều nơi trên thế giới. một số nguyên liệu tự nhiên được sử dụng để xử lý nước thải mỏ. Một số thực vật, các hệ sinh thái, nhất là hệ sinh thái ngập nước được tận dụng để giải tỏa, đồng hóa các chất ô nhiễm cũng được nghiên cứu và ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới.

Việc sử dụng kết hợp các nguồn nguyên liệu khoáng tự nhiên và thực vật cũng được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao khả năng và hiệu quả xử lý ô nhiễm môi trường với các phương pháp kỹ thuật trung hòa, trao đổi ion, kết tủa, đặc biệt là phương pháp hấp thụ, bãi lọc trồng cây, trên cơ sở đó hình thành công nghệ địa môi trường, địa sinh thái và công nghệ tích hợp ĐMT – công nghệ ĐST xử lý ô nhiễm môi trường nước trong khai thác và chế biến khoáng sản.

Tại Việt Nam theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường, từ năm 2008 đến 2014, Bộ và các tỉnh, thành phố đã duyệt 1.420 dự án cải tạo, phục hồi môi trường với tổng số tiền ký quỹ trên 1.360 tỷ đồng. Việc đề xuất các giải pháp nhằm cải tạo, phục hồi môi trường tại công trình khai thác và chế biến khoáng sản đã được thực hiện tại nhiều nơi như quặng đồng tại khu vực Khe Cam, xã An Lương, huyện Văn Chấn (Yến Bái), quặng sắt tại khu vực phía Bắc núi 300, xã Hưng Thịnh, huyện Trấn Yên (Yên Bái), đá vôi Vạn Xuân tại thôn Trúc Mai, xã Lâu Thượng, huyện Võ Nhai (Thái Nguyên)… Tuy nhiên hiện nay việc lắp đặt và vận hành các hệ thống xử lý tại các mỏ khai thác và chế biến khoáng sản còn hạn chế do cho phí xử lý cao.

Nhóm tác giả đã lựa chọn phát triển bền vững vùng Tây Bắc bởi vì Tây Bắc là khu vực có tiềm năng về các loại khoáng sản với gần 500 mỏ và điểm quặng, gồm 30 loại khoáng sản thuộc 6 nhóm chính. Vấn đề xử lý ô nhiễm môi trường nước ở vùng Tây Bắc hết sức quan trọng và cấp bách. Bởi vì, hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản đã sinh ra một lượng lớn chất thải rắn và nước thải, tuy một phần chất thải đã được xử lý theo công nghệ truyền thống nhưng đạt hiệu quả chưa cao và xử lý chưa triệt để. Chính vì vậy, đã làm phát tán các kim loại nặng có độc tính cao như Pb, As, Cd vào các thủy vực gây ảnh hưởng xấu đến môi trường, hệ sinh thái và sức khỏe người dân. Ngoài ra, Tây Bắc có mạng lưới sông ngòi dày đặc và 4 lưu vực sông chính (lưu vực sông Cùng Kỳ - Bằng Giang, lưu vực sông Hồng -Thái Bình, lưu vực sông Mã, lưu vực sông Cả) là nguồn cung cấp nước cho các tỉnh hạ lưu sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau nên những hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản và đổ thải ở thượng lưu có thể gây tác động trực tiếp đến trung và hạ lưu. Khi đề tài nghiên cứu thành công có thể ngăn ngừa và xử lý ô nhiễm tại nguồn sẽ làm giảm các tác động đó.

Việc ứng dụng công nghệ ĐMT, ĐST và tích hợp trong xử lý nước thải ở Việt Nam ngày càng mở rộng trong những năm gần đây, tuy nhiên chủ yếu mới dùng lại ở quy mô thí điểm pilot. Để hạn chế được chi phí xử lý ô nhiễm, một số nhóm tác giả tập trung nghiên cứu về khả năng sử dụng thực vật và nguyên liệu khoáng trong xử lý ô nhiễm môi trường.

Một lợi thế nữa mà nhóm tác giả muốn triển khai ở vùng Tây Bắc vì nơi đây có nguồn nguyên liệu khoáng và hệ thực vật có tiềm năng xử lý ô nhiễm môi trường phong phú, phù hợp cho việc triển khai áp dụng quy trình công nghệ tích hợp ĐMT – ĐST để xử lý nước thải mỏ. Nguồn nguyên liệu khoáng có tiềm năng xử lý nước thải bị ô nhiễm kim loại nặng bao gồm: Các khoáng vật silicat (vermiculit dọc đới sông Hồng và Phan Xi Păng, kaolin phân bố tại Phú Thọ, Yên Bái, Điện Biên, Hòa Bình, Thanh Hóa và bentonit ở Thanh Hóa); các khoáng oxit/hydroxit Fe (Bắc Kạn, Cao Bằng, Lào Cai, Hà Giang, Hòa Bình, Sơn La và Lai Châu) và các loài thực vật có khả năng xử lý nuớc thải bị ô nhiễm kim loại nặng.

Bên cạnh đó, mỏ chì kẽm Chợ Đồn (Bắc Kạn) là một trong những mỏ có hoạt động khai thác khoáng sản rất phát triển tại vùng Tây Bắc. Sau quá trình thực địa tại khu khai thác và chế biến khoáng sản chì kẽm Chợ Đồn trong 3 đợt tháng 3, 5, 7/2015, nhằm điều tra, khảo sát tổng hợp thông tin về điều kiện tự nhiên, đặc điểm mỏ, đặc trưng ĐMT, ĐST và tiến hành lấy mẫu nghiên cứu, nhóm tác giả thấy rằng khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn có nguồn nguyên liệu khoáng và các loài thực vật tiềm năng xử lý nước thải bị ô nhiễm kim loại nặng. Với các điều kiện thuận lợi như vậy, nhóm nghiên cứu đã chọn lựa khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn để áp dụng quy trình công nghệ tích hợp ĐMT – ĐST.

Cây dương xỉ

Một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ ĐMT, ĐST và tích hợp trong xử lý nước thải

Trong quá trình triển khai đề tài, nhóm tác giả đã tìm hiểu và tham khảo những nghiên cứu tập trung vào khả năng ứng dụng một số loài cây siêu tích tụ được công bố trên thế giới để xử lý ô nhiễm môi trường gồm Cỏ vetiver, bèo tấm, bèo tây, ngổ trâu, rau muống, cải xoong, cây dương xỉ. Những nghiên cứu này cho thấy tiềm năng sử dụng các loài thực vật này trong xử lý ô nhiễm môi trường đất và nước, đặc biệt là cây dương xỉ và cỏ vetiver.

Đề tài do tác giả Đặng Đình Kim chủ nhiệm đã tiến hành điều tra nghiên cứu, thu thập mẫu vật tại các bãi thải và vùng phụ cận thuộc các mỏ than Núi Hồng, chì kẽm Làng Hích, thiếc Hà Thượng, sắt Trại Cau (Thái Nguyên). Các kết quả nghiên cứu của nhóm đề tài về 7 loại thực vật triển vọng cho xử lý ô nhiễm As, Pb, Cd và Zn trong đất tại 2 vùng khai thác mỏ là mỏ thiếc Núi Pháo, mỏ chì Đồng Hỷ (Thái Nguyên). Trong 7 loài thực vật này có 3 loài thực vật địa phương, thu tại khu vực khai thác mỏ; 02 loài thực vật thu thập tại các vùng ô nhiễm kim loại năng nghiên cứu của Việt Nam và 02 loài thế giới sử dụng nhiều cho xử lý ô nhiễm kim loại nặng. Kết quả cho thấy các cây như dương xỉ có khả năng xử lý đất nhiêm As, cỏ mần trầu, vetiver và dương xỉ xử lý tốt đất nhiễm Pb, cây mần trầu xử lý đất nhiễm Zn và Cd. Ngoài ra các tác giả của công trình này đã tiến hành xử lý quy mô pilot tại Thái Nguyên và bước đầu cho kết quả khả quan.

Trong khuôn khổ đề tài hợp tác giữa ĐHQGHN và ĐH Barcelona (TBN) “Quản lý bền vững nước thải ở các khu vực nông thôn và các vùng ven độ của tỉnh Quảng Ninh, HN” do tác giả Lê Tuấn Anh làm chủ nhiệm, nhóm đã xây dựng và vận hành công trình thí điểm bãi lọc trồng cây xử lý nước thải từ ngành công nghiệp chế biến thủy sản tại Quảng Ninh. Kết quả cho thấy khả năng xử lý nước thải của cây Sậy, cây Cói.

Cỏ vetiver

Sử dụng nguyên liệu và thực vật địa phương xử lý ô nhiễm nước

Địa môi trường là một lĩnh vực khoa học, nghiên cứu một phần thạch quyển, nơi ảnh hưởng trực tiếp đến điều kiện tồn tại và sự phát triển của xã hội mà con người khai thác và chuyển đổi. Đối tượng nghiên cứu của ĐMT là bề mặt của vỏ Trái đất, nơi có sự tương tác mạnh mẽ giữa thạch quyển, thủy quyển, sinh quyển và khí quyển. Công nghệ  ĐMT là một lĩnh vực kỹ  thuật liên ngành với định hướng phát triển các giải pháp xử  lý ô nhiễm môi trường, bảo vệ  sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững. Công nghệ  ĐMT là công nghệ  ứng dụng nguyên lý của các khoa học Trái đất và chức năng của môi trường địa chất nhằm hạn chế  sự di chuyển và phát tán của các chất ô nhiễm, thiết kế  và triển khai các phương án xử  lý, tái sử  dụng các chất ô nhiễm.

Địa sinh thái là một môn khoa học nghiên cứu trạng thái của môi trường địa chất và các thành phần, các quá trình diễn ra bên trong nó có tác động lên các quyển của Trái đất. Địa sinh thái là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu hệ thống sinh thái của sinh quyển trong mối liên quan với môi trường địa chất, địa lý, vật chất sống. Công nghệ ĐST là công nghệ sử dụng các chức năng của hệ sinh thái nhằm đồng hóa và xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường địa chất

Trong nghiên cứu này, công nghệ tích hợp ĐMT - ĐST được hiểu là công nghệ ứng dụng nguyên lý của các khoa học Trái đất và chức năng của môi trường địa chất, hệ sinh thái nhằm hạn chế sự phát tán, đồng hóa các chất ô nhiễm và nâng cao khả năng chống chịu chất ô nhiễm của môi trường và hệ sinh thái, sử dụng các thành tạo địa chất và hệ sinh thái để xử lý ô nhiễm môi trường.

Vùng Tây Bắc là khu vực có nguồn nguyên liệu khoáng phong phú và mỏ quặng sắt có trữ luợng tương đối dồi dào. Do có bề mặt mang điện tích dương, nên các oxit/ hydroxit sắt rất phù hợp để  sử dụng làm nguyên liệu hấp phụ As, nhưng cần đặc biệt lưu tâm tới điều chỉnh pH do lưới điện tích bề mặt của chúng biến thiên theo pH. Đá ong sử dụng trong nghiên cứu này được lấy tại vùng Tam Dương, Vĩnh Phúc và vùng Thạch Thất, Hà Nội. Tuy hai địa điểm này không nằm trong vùng Tây Bắc nhưng vật liệu lấy tại đây có thể sử dụng trong xử lý ô nhiễm vùng Tây Bắc.

Trong phạm vi vùng Tây Bắc, có thể tìm thấy bùn thải mỏ sắt phát sinh trong quá trình khai khoáng quặng sắt. Bởi vì, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu tính chất và đặc điểm của bùn thải mỏ chế  biến sắt  Bản Cuôn, huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn (phân bố  gần khu mỏ chì kẽm Chợ  Đồn) như một nguồn nguyên liệu được lựa chọn để  sử  dụng trong công nghệ ĐMT –  ĐST xử  lý ô nhiễm nước ở các vùng khai thác và chế  biến khoáng sản.

Về thực vật, ở các nước Âu Mỹ hệ thực vật đã được khảo sát khá đầy đủ về khả năng chống chịu và hấp thu kim loại. Hiện nay hướng nghiên cứu này vẫn được duy trì và phát triển lý luận, thực tiễn. Nhiều loại công nghệ xử lý ô  nhiễm kim loại đã được hình thành, phát triển và áp dụng thành công, các nước châu Á nơi hệ thực vật vô cùng đa dạng thì những thông tin về cây chống chịu kim loại còn hạn chế. Gần đây các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu nhều hơn về nhóm thực vật. Vì vậy, nhóm tác giả chủ trương sử dụng những loài thực vật bản địa trong xử lý ô nhiễm là giải pháp ưu tiên do không đòi hỏi chi phí cao, lại thích nghi tốt với điều kiện khí hậu và chu kỳ mùa. Lựa chọn thực vật có khả năng tăng trưởng, sinh khối lớn, dễ thích nghi có khả năng chống chịu kim loại nặng và tích tụ kim loại là những tiêu chí quan trọng quyết định hiệu suất xử lý.

Như vậy, kết quả phân tích cho thấy khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn có một số loài có khả năng xử lý nước thải bị ô nhiễm kim loại nặng. Dựa trên các tiêu chí mọc phổ biến trong khu vực nghiên cứu, có khả năng chống chịu với nước thải khu khai thác và chế biến khoáng sản chì kẽm, khả năng tích lũy KLN cao,  sinh khối lớn,  phù hợp với kiểu dòng chảy động, 4 loài thực vật có tiềm năng nhất trong xử nước thải khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn bao gồm: Equisetum diffusum D.Don, Phragmites australis,Thysanolaena maxima (Roxb.) và Pteris vittata L. Các loài thực vật này được lựa chọn để tiến hành các thí nghiệm tiếp theo nhằm xác định loài thực vật phù hợp nhất trong xử lý nước thải khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn.

Sau quá trình điều tra và thu thập thông tin về các nguyên liệu khoáng và nguyên liệu thực vật, nhóm tác giả nhận thấy mỏ chì kẽm Chợ Đồn  đều có đủ điều kiện và các nguyên liệu để áp dụng quy trình công nghệ tích hợp ĐMT – ĐST.

Cây sậy được trồng dọc theo hệ thống sông suối khu mỏ để xử lý nước thải

Quy trình công nghệ tích hợp ĐMT – ĐST

Khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn là một trong những khu mỏ điển hình của vùng Tây Bắc về trữ lượng, số lượng mỏ, quy mô và thời gian khai thác, chế biến với vị trí nằm trên thượng nguồn lưu vực sông. Đây là một vùng quặng chì kẽm có chất lượng tốt nhất và trữ lượng lớn nhất nước ta, đã được tìm kiếm thăm dò và khai thác ở các mức độ khác nhau. Mỏ quặng chì kẽm Chợ Đồn là một trong bốn vùng mỏ quặng nằm trong cấu trúc uốn nếp Lô Gâm- Phú Ngữ. Trong cấu trúc này, các thành tạo địa chất chứa khoáng hóa chì kẽm là hệ tầng trầm tích carbonat, lục nguyên carbonat được phân bố rộng rãi các mỏ và điểm quặng Pb-Zn, chiếm 80% trữ lượng Pb Zn kim loại ở Việt Nam, đồng thời cũng là nguồn cung cấp có triển vọng với nhiều nguyên tố hiếm và quý như In, Cd, Ag, Bi, Te. Vùng quặng Chợ Đồn phân bố ở phía Đông cấu trúc Lô Gâm, cách vùng quặng Làng Hích khoảng 50km về phía Bắc. Khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn đang tồn tại 2 phương thức khai thác khoáng sản gồm có khai thác lộ thiên và khai thác hầm lò. Công tác khai thác được cơ giới hóa với mức độ thấp chủ yếu là bán cơ giới và thủ công.

 Năm 2009, theo báo cáo của Sở Tài nguyên môi trường Bắc Kạn sự phân bố những điểm ô nhiễm nước tập trung chính tại các điểm khai khoáng của huyện Chợ Đồn. Riêng khu vực mỏ Chợ Đồn có hệ thống sông suối khá dày đặc nhưng đa số là các nhánh thượng nguồn sông Cầu, sông Năng, sông Phó Đáy, sông Bình Trung với đặc điểm là sông đầu nguồn, lòng sông ngắn, dốc, thủy chế thất thường. Nên nước sông ở khu vực này bị ô nhiễm có nguy cơ gây nguy hiểm cho người dân sử dụng nước ở vùng hạ lưu. Do vậy, cần thiết có cơ chế tập trung xử lý nước thải khai khoáng trước khi thải vào môi trường nước để hạn chế nguy cơ ô nhiễm.

Khu mỏ có hiện tượng ô nhiễm môi trường đất, trầm tích, nước và tích lũy các kim loại nặng trong thực vật mọc trên và xung quanh khu mỏ. Môi trường nước ở khu vực mỏ chì kẽm Chợ Đồn về thành phần kim loại nặng đáp ứng được các chỉ tiêu đối với nước phục vụ tưới tiêu, ngoại trừ một số ít mẫu có hàm lượng Fe, Zn, As, Mn đặc biệt là Pb cao hơn giới hạn trong QCVN 40:2011/BTNMT. Môi trường đất và trầm tích ở khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn bị ô nhiễm bởi Fe, Mn, Zn, Pb, Cd và As có hàm lượng cao hơn giới hạn cho phép (QCVN 03-MT:2015/BTNMT) đối với đất nông nghiệp và đất công nghiệp và QCVN 43:2012/BTNMT đối với chất lượng trầm tích. Đặc biệt, hàm lượng Pb và As cao gấp 48 – 288, 25 – 755 lần so với mức cho phép theo QCVN03-MT:2015/BTNMT đối với đất nông nghiệp và cao gấp 2 - 122 và 4 - 1070 lần so với mức cho phép của QCVN 43:2012/BTNMT.

Sau thời gian nghiên cứu, nhóm tác giả đã thực hiện hai quy trình xử lý nước ô nhiễm ở khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn. Đó là áp dụng quy trình công nghệ tích hợp địa môi trường – địa sinh thái quy mô pilot 50 l/ngày đêm và áp dụng quy trình công nghệ tích hợp địa môi trường – địa sinh thái khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn quy mô 5m3/ngày đêm.

Kết quả thử nghiệm hệ pilot 50l/ngày đêm hệ thống tích hợp vật liệu (SBC2-400-10S) – dòng chảy mặt (cây Sậy)và vật liệu – dòng chảy ngầm sử dụng nguồn nước thải có hàm lượng kim loại Fe, Mn, Zn, Cd, Pb và As tương tự nước thải khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn cho thấy khả năng của hệ thống xử lý tốt các kim loại này. Nước thải đầu ra của cả hai hệ thống đều đạt QCVN 40:2011 -BTNMT, trong đó hệ thống vật liệu – dòng chảy ngầm có hiệu suất xử lý tốt hơn hệ thống còn lại.

Còn quy trình công nghệ tích hợp ĐMT – ĐST bao gồm hệ thống lắng – hấp phụ (hạt vật liệu SBC2-400-10S) – bãi lọc trồng cây (cây Sậy) quy mô pilot 5 m3/ngày đêm được thiết kế, xây dựng và vận hành tại khu chế biến Lũng Váng thuộc khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn. Kết quả vận hành hệ pilot sau 3 tháng cho thấy hiệu quả xử lý của hệ thống với nước thải đầu ra đều đạt giới hạn cho phép đối với nước thải công nghiệp QCVN 40:2011-BTNMT.

Kết quả thử nghiệm quy trình công nghệ tích hợp ĐMT-ĐST quy mô 50l/ngày đêm và 5m3/ngày đêm tại khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn cho thấy nước thải đầu ra đạt QCVN40:2011 -BTNMT loại B, trong đó nhiều thông số đạt loại A. Bên cạnh đó, công nghệ tích hợp ĐMT-ĐST tận dụng lợi thế điều kiện môi trường địa chất và hệ sinh thái tự nhiên, nguồn nguyên liệu sẵn có hoặc nguồn bùn thải từ quá trình khai khoángvà thực vật bản địa tại địa phương.

Hiện trạng ô nhiễm môi trường tại một số mỏ kim loại vùng Tây Bắc cho thấy nhu cầu áp dụng công nghệ xử lý với kinh phí thấp và thân thiện với môi trường là rất cao. Kết quả áp dụng thử nghiệm quy trình công nghệ tích hợp ĐMT – ĐST xử lý ô nhiễm quy mô pilot 5m3/ngày đêm và so sánh chi phí xây dựng, vận hành cho thấy tiềm năng áp dụng nhân rộng quy trình công nghệ này trong xử lý nước thải tại các mỏ kim loại khác.

Tuy nhiên, sau quá trình triển khai thực tế nhóm tác giả nhận thấy việc chế tạo hạt vật liệu từ bùn thải của hoạt động khai khoáng là cách tiếp cận thân thiện với môi trường, lấy chất thải làm nguồn nguyên liệu đầu vào cho hệ xử lý chính nguồn nước thải do hoạt động khai khoáng sinh ra. Ngoài ra, việc xây dựng các bãi lọc trồng cây sử dụng thực vật địa phương tuy là cách tiếp cận thân thiện môi trường nhưng chưa tận dụng được tối đa khả năng đồng hóa và xử lý chất ô nhiễm của hệ sinh thái khu mỏ. Do đó, để đạt được hoàn toàn tiếp cận của công nghệ tích hợp ĐMT – ĐST và giảm tối đa chi phí xây dựng và vận hành, cần tiến hành các nghiên cứu sử dụng chính chất thải của khu mỏ (trong trường hợp nghiên cứu pilot này là khu chế biến Lũng Váng) và trồng bổ sung cây Sậy dọc theo hệ thống sông suối khu mỏ để xử lý nước thải.

Tóm lại, sau khi thực hiện đề tài nhóm tác giả khẳng định có thể áp dụng quy trình công nghệ tích hợp ĐMT – ĐST để xử lý ô nhiễm môi trước nước ở các mỏ chì kẽm và một số mỏ kim loại vùng Tây Bắc có đặc điểm ĐMT, ĐST tương tự.