Luận án Tiến sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu môi trường đất trong khai thác quặng sắt và đề xuất giải pháp phục hồi đất tại huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên

Mục đích nghiên cứu của Luận án nhằm đánh giá được thực trạng môi trường đất trong khai thác quặng sắt. Đánh giá được hiệu quả giải pháp phục hồi đất sau khai thác quặng sắt. Đề xuất giải pháp phục hồi đất sau khai thác quặng sắt bằng một số loại thực vật. Mời các bạn cùng tham khảo!

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

- -

QUÁCH HOÀNG LONG

NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG ĐẤT TRONG KHAI THÁC QUẶNG SẮT VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP PHỤC HỒI ĐẤT TẠI HUYỆN ĐỒNG

HỶ, TỈNH THÁI NGUYÊN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Thái Nguyên - 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

- -

QUÁCH HOÀNG LONG

NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG ĐẤT TRONG KHAI THÁC QUẶNG SẮT VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP PHỤC HỒI ĐẤT TẠI HUYỆN ĐỒNG

HỶ, TỈNH THÁI NGUYÊN

NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

MÃ SỐ: 9.44.03.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Đỗ Thị Lan

2 PGS.TS Đào Châu Thu

Thái Nguyên - 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được ai công bố trên bất kỳ một tạp chí khoa học nào ở trong và ngoài nước hoặc đã

sử dụng trong các luận văn, luận án để bảo vệ và nhận học vị

Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Thái Nguyên, ngày 27 tháng 02 năm 2021

Nghiên cứu sinh

Quách Hoàng Long

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành công trình này, ngoài sự cố gắng của bản thân, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của nhiều tập thể, các nhà khoa học, đồng nghiệp và bạn bè Nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn đến tập thể các thầy, cô giáo của Khoa Môi trường, Khoa Quản lý Tài nguyên, Phòng Đào tạo, Ban giám hiệu, Trường Đại học Nông Lâm, Đại học Thái Nguyên; Hội Khoa học đất Việt Nam, đã tạo mọi thuận lợi và tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng đến PGS TS Đỗ Thị Lan - Trưởng khoa Khoa Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm, Đại học Thái Nguyên và PGS.TS Đào Châu Thu - Hội Khoa học đất Việt Nam, là những người thầy hướng dẫn khoa học cho đề tài luận án, đã có định hướng về nội dung, phương pháp giải quyết vấn đề trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này

Tôi cũng xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến Ban giám đốc Sở Tài nguyên và Môi trường, UBND huyện Đồng Hỷ, UBND thị trấn Trại Cau tỉnh Thái Nguyên và Ban quản lý mỏ sắt Trại Cau, đã tạo thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình điều tra, thu thập số liệu, tài liệu và thực hiện các thí nghiệm, thực nghiệm mô hình của đề tài luận án

Cuối cùng xin được đặc biệt cảm ơn bạn bè và những người thân đã luôn động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong cuộc sống để hoàn thành kết quả nghiên cứu của luận án

Thái Nguyên, ngày 27 tháng 2 năm 2021

Nghiên cứu sinh

Quách Hoàng Long

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

3.1 Ý nghĩa khoa học 3

3.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

4 Đóng góp mới của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5

1.1 Cơ sở khoa học về môi trường đất sau khai thác khoáng sản 5

1.1.1 Một số khái niệm về môi trường đất 5

1.1.2 Thoái hóa đất 7

1.1.3 Ô nhiễm môi trường đất 8

1.2 Khai thác khoáng sản và những tác động đến môi trường 10

1.2.1 Khoáng sản và khai thác khoáng sản 10

1.2.2 Tác động gây ô nhiễm môi trường của hoạt động khai thác khoáng sản 13

1.3 Kim loại nặng và ô nhiễm do kim loại nặng trong đất 17

1.3.1 Kim loại nặng trong đất 17

1.3.2 Đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản 20

1.4 Tình hình nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản trên Thế giới và ở Việt Nam 24

1.4.1 Tình hình nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản trên Thế giới 24

1.4.2 Tình hình nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản ở Việt Nam 32

1.5 Nhận xét từ nghiên cứu tổng quan và hướng nghiên cứu của đề tài 38

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 40

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 40

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 40

2.2 Nội dung nghiên cứu 40

2.2.1 Khái quát điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Đồng Hỷ liên quan đến khai thác quặng sắt 40

2.2.2 Hoạt động khai thác quặng sắt ảnh hưởng đến môi trường đất của khu vực mỏ sắt Trại Cau 40

2.2.3 Đánh giá khả năng cải tạo đất sau khai thác quặng sắt của một số loài thực vật tại khu vực mỏ sắt Trại Cau 40

2.2.4 Đề xuất giải pháp cải tạo đất sau khai thác quặng sắt 41

2.3 Phương pháp nghiên cứu 41

2.3.1 Khung nghiên cứu 41

2.3.2 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 42

2.3.3 Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp 42

2.3.4 Xác định các vị trí lấy mẫu phân tích đất, cây và các vị trí tiến hành các thực nghiệm 43

2.3.5 Phương pháp lấy mẫu phân tích, theo dõi các chỉ tiêu nghiên cứu 49

2.3.6 Phương pháp xử lý số liệu 51

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 52

3.1 Khái quát điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Đồng Hỷ liên quan đến khai thác quặng sắt 52

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 52

3.1.2 Điều kiện kinh tế xã hội 62

3.1.3 Đánh giá chung về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Đồng Hỷ liên quan đến khai thác quặng sắt 64

3.2 Hoạt động khai thác quặng sắt ảnh hưởng đến môi trường đất của khu vực mỏ sắt Trại Cau 65

3.2.1 Khái quát mỏ sắt Trại Cau 65

3.2.2 Ảnh hưởng của khai thác quặng sắt đến hiện tượng sụt lún, mất nước tại khu vực mỏ 69

3.2.3 Ảnh hưởng của hoạt động khai thác quặng sắt đến tính chất đất khu vực mỏ 74 3.3 Đánh giá khả năng cải tạo đất sau khai thác quặng sắt của một số loài thực vật tại khu vực mỏ sắt Trại Cau 90

3.3.1 Điều tra sự hiện diện và đặc điểm thực vật học của một số loại cây mọc phổ

biến trên đất vùng mỏ sắt Trại Cau 90

3.3.2 Đánh giá khả năng thu hút kim loại nặng của một số loại cây mọc trong đất khu vực mỏ sắt Trại Cau 100

3.3.3 Tiến hành thí nghiệm và khảo sát mô hình sử dụng các loại cây tự nhiên và cây trồng có khả năng phục hồi đất sau khai mỏ 103

3.4 Đề xuất giải pháp phục hồi đất sau khai thác quặng sắt 121

3.4.1 Căn cứ đề xuất giải pháp 121

3.4.2 Giải pháp về chính sách 122

3.4.3 Giải pháp về kỹ thuật 122

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 125

1 Kết luận 125

2 Kiến nghị 126

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 127

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 PHỤ LỤC

UBND Ủy ban nhân dân

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Hiện trạng chất lượng môi trường đất tại một số mỏ ở Thái Nguyên 15

Bảng 1.2 Các nguồn kim loại nặng từ một số hoạt động sản xuất công nghiệp 20

Bảng 1.3 Hàm lượng KLN trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon 21

Bảng 1.4 Hàm lượng kim loại nặng trong đất của một số mỏ tại Anh 22

Bảng 1.5 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao 30

Bảng 1.6 Các loài thực vật có khả năng xử lý kim loại nặng ở Việt Nam 34

Bảng 2.1 Lấy mẫu đất phân tích nhắc lại 3 lần ở các vị trí có cự ly khác nhau với khu khai thác mỏ 44

Bảng 2.2 Lấy mẫu đất phân tích nhắc lại 3 lần ở các khu đất khác nhau của mỏ 45

Bảng 2.3 Lấy mẫu đất và cây phân tích đánh giá khả năng thu hút kim loại nặng của một số loại cây mọc trong đất khu vực mỏ sắt Trại Cau 47

Bảng 2.4 Mô hình trồng keo tai tượng trên đất đã hoàn thổ sau khai thác 49

Bảng 3.1 Nhiệt độ, ẩm độ không khí và lượng mưa bình quân theo tháng của Đồng Hỷ 54

Bảng 3.2 Bảng tổng hợp các mỏ quặng sắt khai thác trên địa bàn huyện Đồng Hỷ 57 Bảng 3.3 Các mỏ quặng sắt trên địa bàn huyện Đồng Hỷ theo doanh nghiệp quản lý 59

Bảng 3.4 Danh sách các mỏ sắt đã kết thúc khai thác và hiện trạng sử dụng đất sau khi kết thúc khai thác 61

Bảng 3.5 Hiện trạng sử dụng đất huyện Đồng Hỷ năm 2018 63

Bảng 3.6 Thống kê hố sụt, rạn nứt và mất nước khu mỏ Trại Cau 71

Bảng 3.7 Thực trạng sụt lún đất, mất nước, rạn nứt công trình do khai thác mỏ 72

Bảng 3.8 Một số tính chất lý học đất ở các vị trí so với khu vực khai trường 75

Bảng 3.9 Một số tính chất hóa học đất ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường 76

Bảng 3.10 Kim loại nặng trong đất ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường 78 Bảng 3.11 Một số tính chất lý học đất ở các khu đất khác nhau của mỏ 82

Bảng 3.12 Một số tính chất hóa học đất ở các khu đất khác nhau của mỏ 83

Bảng 3.13 Kim loại nặng trong đất ở các khu đất khác nhau của mỏ 85

Bảng 3.14 Một số loại cây trồng, cây mọc tự nhiên trên vùng đất sau khai thác mỏ

sắt 91

Bảng 3.15 Đặc điểm thực vật học của cây Keo lá tràm 92

Bảng 3.16 Đặc điểm thực vật học của cây Keo tai tượng 93

Bảng 3.17 Đặc điểm thực vật học của cây cỏ Lau 94

Bảng 3.18 Đặc điểm thực vật học của cây Mua 95

Bảng 3.19 Đặc điểm thực vật học của cây Dương xỉ 96

Bảng 3.20 Đặc điểm thực vật học của cây cỏ Mần trầu 97

Bảng 3.21 Đặc điểm thực vật học của cây Ngải dại 98

Bảng 3.22 Đặc điểm thực vật học của cây Đơn buốt 99

Bảng 3.23 Kết quả phân tích hàm lượng một số kim loại nặng trong đất có cây mọc trên đất đó 100

Bảng 3.24 Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong cây 101

Bảng 3.25 Hệ số tích lũy sinh học của một số loại cây hấp thụ kim loại nặng 102

Bảng 3.26 Sinh khối (thân cành lá) của cây trồng trên đất sau khai khoáng 104

Bảng 3.27 Một số tính chất lý học đất ở thí nghiệm cây trồng sau 2 năm 105

Bảng 3.28 Một số tính chất hóa học đất ở thí nghiệm cây trồng sau 2 năm 106

Bảng 3.29 Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong cây sau 02 năm trồng 108

Bảng 3.30 Kim loại nặng trong đất ở thí nghiệm cây trồng sau 2 năm 109

Bảng 3.31 Sinh khối (thân cành lá) của keo tai tượng ở các mô hình trồng 113

Bảng 3.32 Một số tính chất lý học đất ở các mô hình trồng keo tai tượng 114

Bảng 3.33 Một số tính chất hóa học đất ở các mô hình trồng keo tai tượng 116

Bảng 3.34 Kim loại nặng trong đất ở các mô hình trồng keo tai tượng 118

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Khung nghiên cứu thực trạng môi trường và giải pháp phục hồi đất sau

khai thác quặng sắt 41

Hình 2.2 Sơ đồ địa điểm tiến hành các nghiên cứu của đề tài 46

Hình 3.1 Bản đồ huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên 52

Hình 3.2 Bản đồ khoáng sản quặng sắt trên địa bàn huyện Đồng Hỷ 58

Hình 3.3 Bản đồ khu vực mỏ sắt Trại Cau 65

Hình 3.4 Sơ đồ quy trình khai thác quặng sắt tại mỏ sắt Trại Cau 67

Hình 3.5 Sơ đồ công nghệ tuyển khoáng và các nguồn phát sinh chất thải 69

Hình 3.6 Hố sụt lún đất tại tổ 12, thị trấn Trại Cau 70

Hình 3.7 Rạn nứt công trình xây dựng tại thôn Kim Cương, xã Cây Thị 70

Hình 3.8 Mất nước tại giếng tại thôn Hòa Bình, xã Cây Thị 70

Hình 3.9 Bản đồ hiện trạng và phạm vi tai biến khu vực mỏ sắt Trại Cau 73

Hình 3.10 Hàm lượng mùn và N, P2O5, K2O trong đất tầng 0 - 20 cm ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường 76

Hình 3.11 Hàm lượng kim loại nặng As trong đất ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường 78

Hình 3.12 Hàm lượng kim loại nặng Pb trong đất ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường 79

Hình 3.13 Hàm lượng kim loại nặng Cd trong đất ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường 80

Hình 3.14 Hàm lượng kim loại nặng Zn trong đất ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường 80

Hình 3.15 Hàm lượng mùn và N, P2O5, K2O trong đất tầng 0 - 20 cm ở các khu đất khác nhau của mỏ 84

Hình 3.16 Hàm lượng kim loại nặng As trong đất ở các khu đất khác nhau của mỏ 86

Hình 3.17 Hàm lượng kim loại nặng Pb trong đất ở các khu đất khác nhau của mỏ 86

Hình 3.18 Hàm lượng kim loại nặng Cd trong đất ở các khu đất khác nhau của mỏ 87

Hình 3.19 Hàm lượng kim loại nặng Zn trong đất ở các khu đất khác nhau của mỏ 88

Hình 3.21 Hàm lượng mùn và N, P2O5, K2O trong đất ở các công thức thí nghiệm

khác nhau 107

Hình 3.22 Hàm lượng kim loại nặng As trong đất ở các công thức thí nghiệm cây trồng sau 2 năm 110

Hình 3.23 Hàm lượng kim loại nặng Pb trong đất ở các công thức thí nghiệm cây trồng sau 2 năm 111

Hình 3.24 Hàm lượng kim loại nặng Cd trong đất ở các công thức thí nghiệm cây trồng sau 2 năm 111

Hình 3.25 Hàm lượng kim loại nặng Zn trong đất ở các công thức thí nghiệm cây trồng sau 2 năm 112

Hình 3.26 Độ xốp đất ở các mô hình trồng keo tai tượng 115

Hình 3.27 Hàm lượng mùn và N, P2O5, K2O trong đất ở mô hình trồng keo tai tượng 116

Hình 3.28 Hàm lượng As trong đất ở các mô hình trồng keo tai tượng 119

Hình 3.29 Hàm lượng Pb trong đất ở các mô hình trồng keo tai tượng 120

Hình 3.30 Hàm lượng Cd trong đất ở các mô hình trồng keo tai tượng 120

Hình 3.31 Hàm lượng Zn trong đất ở các mô hình trồng keo tai tượng 121

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển chung của cả nước, các hoạt động khai thác khoáng sản đã và đang góp phần rất lớn vào công cuộc đổi mới đất nước Ngành công nghiệp khai thác mỏ đã và đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế của Việt Nam Trong những năm qua, hoạt động khai khoáng sản đã đóng góp tới 5,6 % GDP Tuy nhiên, bên cạnh những mặt tích cực đạt được, chúng ta cũng đang phải đối mặt với nhiều vấn đề về môi trường Quá trình khai thác mỏ phục vụ cho lợi ích của mình, con người đã làm thay đổi môi trường xung quanh Đến nay, ngành Địa chất và Khoáng sản Việt Nam đã tìm kiếm, phát hiện hơn 5.000 mỏ và điểm quặng của khoảng 60 loại khoáng sản khác nhau Một số khoáng sản đã được phát hiện và khai thác từ rất lâu như vàng, thiếc, chì, kẽm, than đá và các loại vật liệu xây dựng; số khác mới được phát hiện và khai thác như dầu khí, sắt, đồng… Một số nơi, có những mỏ nằm tập trung như than ở Quảng Ninh, bôxit ở Tây Nguyên và apatit, đất hiếm ở miền núi phía Bắc

Trong các tỉnh vùng núi khu vực Đông Bắc Việt Nam, Thái Nguyên là một trung tâm kinh tế - xã hội lớn của khu vực Đông Bắc hay cả vùng trung du và miền núi phía Bắc, có tổng diện tích tự nhiên 3.534 km², là một trong những tỉnh có trữ lượng khoáng sản lớn nhất cả nước, đặc biệt là các khoáng sản phục vụ cho ngành luyện kim và chế biến vật liệu xây dựng như: Sắt, chì, kẽm, barit, wolfram, titan, than, thiếc, đồng, đá, sét, Các khoáng sản này được phân bố tập trung tại các huyện Võ Nhai, Đại Từ, Đồng Hỷ, Phú Lương Hiện nay trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên có khoảng 200 điểm mỏ khoáng sản, gồm 24 loại khoáng sản rắn thuộc 4 nhóm (Nhiên liệu khoáng; khoáng sản kim loại; khoáng chất công nghiệp và vật liệu xây dựng) Số lượng doanh nghiệp, đơn vị tham gia khai thác, chế biến khoáng sản cũng gia tăng nhanh chóng Hoạt động khoáng sản của các doanh nghiệp đã đóng góp vào nguồn thu ngân sách của tỉnh tăng trưởng liên tục qua từng năm Đây

là hoạt động có vai trò rất lớn đối với phát triển kinh tế xã hội của địa phương

Tuy nhiên, với tiềm năng lớn về khoáng sản, trên địa bàn tỉnh có rất nhiều cơ

sở khai thác, chế biến khoáng sản từ quy mô nhỏ đến lớn và đây là một ngành

chiếm dụng diện tích đất nông nghiệp lớn Cũng như việc khai thác, vấn đề cải tạo phục hồi môi trường sau khai thác khoáng sản, đảm bảo chất lượng môi trường xung quanh trong quá trình khai thác vẫn còn hạn chế và thực tế việc bảo vệ môi trường chưa cao Sự phát triển của ngành khai thác khoáng sản không đồng bộ với biện pháp bảo vệ môi trường đã để lại những hậu quả suy thoái môi trường của nhiều vùng khai thác khoáng sản, như: Một diện tích lớn đất nông, lâm nghiệp trước đây bị chiếm dụng cho mục đích khai thác khoáng sản vẫn để hoang hóa sau khi khai thác; Tầng đất mặt bị xáo trộn, gây khó khăn cho việc hoàn thổ phục hồi môi trường; Cân bằng nước khu vực bị phá vỡ, gia tăng các hiện tượng trượt lở, bồi lấp, tích tụ các chất rắn do sự biến đổi chế độ thủy văn của dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm; Hệ sinh thái và cảnh quan khu vực bị biến đổi Biểu hiện rõ nét nhất là suy thoái thảm thực vật, suy giảm diện tích rừng, cạn kiệt trữ lượng gỗ, suy giảm về chủng loại và số lượng các loài động vật hoang dã

Sau thời gian hoạt động của các mỏ khai thác và chế biến khoáng sản, thường phải mất nhiều năm chúng ta mới khắc phục được những hậu quả của nó Sau khai thác, tầng đất mặt bị xáo trộn, trơ sỏi đá, các hiện tượng trượt lở, bồi lấp và tích tụ các chất rắn khiến cho chất lượng nước và đất ở các vùng khai thác khoáng sản bị ảnh hưởng Một số khu vực đất đá thải còn có tiềm năng hình thành dòng axit mỏ, có khả năng hòa tan các kim loại nặng độc hại là nguồn gây ô nhiễm tiềm tàng đối với nước mặt và nước ngầm của khu vực Quá trình ô nhiễm đất và nước dẫn đến làm giảm năng suất cây trồng, làm nghèo thảm thực vật, suy giảm sự đa dạng sinh học Đồng thời chúng có tác động ngược lại làm cho quá trình xói mòn, rửa trôi thoái hóa đất diễn ra nhanh hơn Nhiều diện tích đất canh tác nông nghiệp phải bỏ hoang, diện tích đất trống đồi trọc tăng lên Sự tích tụ cao các chất độc hại, các kim loại nặng trong đất sẽ làm tăng khả năng hấp thụ các nguyên tố có hại trong cây trồng, vật nuôi và gián tiếp gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người (Lưu Thế Anh, 2007)

Việc xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng rất phức tạp và thường không triệt để

do tính chất của đất bị thay đổi khi liên kết với kim loại nặng Nhiều phương pháp hóa học, lý học đã được lựa chọn để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng như: rửa đất, bê tông hóa, đào đất bị ô nhiễm chuyển đến nơi chôn lấp thích hợp, kết tủa hóa học, oxy hóa khử, phản hấp phụ ở nhiệt độ thấp, xử lý nhiệt, trao đổi ion, Vấn đề

hạn chế của những phương pháp này là chi phí quá cao so với điều kiện kinh tế ở các nước đang phát triển, mặt khác môi trường đất sau khi xử lý không thể tái sử dụng được (Lê Văn Khoa và cs, 2005) Do vậy, ngoài những phương pháp xử lý đất

ô nhiễm truyền thống trước đây thì phương pháp sử dụng thực vật đang là hướng nghiên cứu có triển vọng, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên Thế giới bởi tính hiệu quả về kinh tế, đơn giản và thân thiện với môi trường Phương pháp này tuy mới mẻ ở Việt Nam nhưng đã được thực hiện như một công nghệ thương mại trên Thế giới từ những năm 1990 của thế kỷ trước Tuy nhiên chưa có các biện pháp hữu hiệu và đáp ứng vấn đề đặt ra của sản xuất và bảo vệ môi trường

Tại huyện Đồng Hỷ, hiện tại đang có 18 mỏ sắt đang hoạt động với tổng diện tích chiếm đất là 743,92 ha, trong đó mỏ sắt Trại Cau chiếm tới 291,04 ha Mỏ sắt Trại Cau cũng là mỏ được khai thác sớm nhất, từ năm 1969, còn 17 mỏ sắt khác chỉ mới bắt đầu khai thác từ những năm 2009 cho tới nay Quá trình khai thác lâu dài, với diện tích chiếm đất lớn, ngày càng xuất hiện những vấn đề về môi trường tại mỏ sắt Trại Cau đang cần phải quan tâm

Xuất phát yêu cầu nêu trên và nhằm đóng góp cơ sở dữ liệu cho thiết lập giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng đất đai sau khi khai thác khoáng sản, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài với trường hợp nghiên cứu khai thác quặng sắt tại Thái

Nguyên là “Nghiên cứu môi trường đất trong khai thác quặng sắt và đề xuất giải pháp phục hồi đất tại huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Đánh giá được thực trạng môi trường đất trong khai thác quặng sắt

- Đánh giá được hiệu quả giải pháp phục hồi đất sau khai thác quặng sắt

- Đề xuất giải pháp phục hồi đất sau khai thác quặng sắt bằng một số loại thực vật

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

3.1 Ý nghĩa khoa học

- Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở dữ liệu mới về môi trường đất khu vực mỏ sắt ở tỉnh Thái Nguyên Giải pháp phục hồi đất sau khai thác quặng sắt bằng thực vật đã góp phần bổ sung vào danh mục các giải pháp cải tạo đất ở khu vực khai thác quặng sắt tại địa phương

- Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở dữ liệu tham khảo tốt cho các nghiên cứu cũng như đào tạo trong lĩnh vực tài nguyên đất ở Việt Nam

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả đánh giá thực trạng về tác động của khai thác quặng sắt đến một số tai biến như nứt, sập sụt lún mặt đất, mất nước cũng như làm suy giảm độ phì và gây ô nhiễm đất sau khai thác quặng sắt là cơ sở cho xác định các giải pháp phục hồi cho đất sau khai khoáng sản ở Thái Nguyên

- Sử dụng các loại thực vật theo tiêu chí dễ thích nghi với đất có độ phì thấp, đất bị ô nhiễm đồng thời phải sinh trưởng phát triển nhanh đem lại sinh khối lớn trả lại cho đất là giải pháp tối ưu cho phục hồi đất sau khai thác quặng sắt ở Thái Nguyên và những nơi có điều kiện tương tự

4 Đóng góp mới của luận án

- Kết quả đánh giá thực trạng về ảnh hưởng của khai thác quặng sắt làm suy giảm độ phì và gây ô nhiễm đất là cơ sở dữ liệu mới góp phần xác định các giải pháp phục hồi cho đất sau khai thác khoáng sản

- Giải pháp nhanh chóng phục hồi độ phì đất sau khai thác quặng sắt là bằng trồng các loại cây theo tiêu chí dễ thích nghi với đất có độ phì thấp, đất bị ô nhiễm đồng thời phải sinh trưởng phát triển nhanh đem lại sinh khối lớn trả lại cho đất Kết quả đánh giá đã chọn được các loại cây ngắn ngày (đơn buốt, ngải dại, mần trầu và dương xỉ) và cây lâu năm như keo tai tượng cho phục hồi độ phì đất và xử lý được đất

bị ô nhiễm kim loại nặng As, Pb và Cd ở vùng khai thác quặng sắt Thái Nguyên

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Cơ sở khoa học về môi trường đất sau khai thác khoáng sản

1.1.1 Một số khái niệm về môi trường đất

1.1.1.1 Khái niệm đất

Đất là một phần của vỏ trái đất, nó là lớp phủ của lục địa mà bên dưới nó là

đá và khoáng sinh ra nó, bên trên là thảm thực bì và khí quyển

Theo nguồn gốc phát sinh, Đokutraiep định nghĩa: Đất là một vật thể tự nhiên được hình thành do sự tác động tổng hợp của năm yếu tố là: khí hậu, đá mẹ, địa hình, sinh vật và thời gian (tuổi của đất) Sau đó các nhà khoa học đất đã bổ sung thêm sự hình thành đất gồm 5 yếu tố tự nhiên và 1 yếu tố hoạt động của con người đối với đất có sự tác động của con người (Nguyễn Mười và cs., 2000) Đất được xem như một thể sống, nó luôn luôn vận động, biến đổi và phát triển

Đối với sản xuất nông lâm nghiệp, đất là một tư liệu sản xuất vô cùng quý giá, cơ bản và không gì thay thế được

1.1.1.2 Khái niệm môi trường đất

Môi trường đất là môi trường bao gồm có đất (trong đất có các vật chất vô

cơ, hữu cơ sắp xếp thành cấu trúc nhất định), các thực vật, động vật và vi sinh vật sống trong đất và trên mặt đất và con người (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2020) Các thành phần này có liên quan mật thiết và chặt chẽ với nhau Môi trường đất được xem như là môi trường thành phần của hệ môi trường bao quanh nó gồm nước, không khí, khí hậu

Sự hình thành và phát triển của môi trường đất phụ thuộc rất nhiều yếu tố môi trường Vì vậy mỗi một loại đất và vị trí khác nhau sẽ có sự biến đổi khác nhau Trong đất tự nhiên, không chịu sự tác động của con người, thường sẽ tạo ra một môi trường đất phát triển thuận lợi theo quy luật tự nhiên vốn có của nó nên không bị ô nhiễm Ngược lại, môi trường đất bị tác động thiếu bảo vệ của con người cơ bản sẽ

bị ô nhiễm

Vai trò của môi trường đất: Đất là môi trường cho cây mọc trên đó, cung cấp chất dinh dưỡng và nước cho cây sinh trưởng phát triển Như vậy khả năng sản xuất

ra sản phẩm cây trồng (độ phì của đất) là thuộc tính không thể thiếu được của đất

Môi trường đất là một bộ phận quan trọng của hệ sinh thái Đất được coi như một “hệ đệm”, như một “phễu lọc” luôn luôn làm trong sạch môi trường với tất cả các chất thải do hoạt động sống của sinh vật nói chung và con người nói riêng trên trái đất (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2016)

Tuy nhiên, môi trường đất một khi đã bị ô nhiễm sẽ là mối đe dọa nghiêm trọng cuộc sống của sinh vật nói chung và con người sống trên đó

Từ lâu môi trường đất được coi là một hệ thống động trong đó bao gồm nhiều thành phần hóa học phức tạp và có nhiều quá trình hóa học xảy Theo Coleman và cộng sự (1998) đất là một hệ thống động trong đó dung dịch đất là môi trường của các quá trình vật lý, hoá học và sinh học trong đất Dung dịch đất tồn tại ở trạng thái cân bằng động với các chất vô cơ, chất hữu cơ, vi sinh vật và không khí đất Vì thế nó đóng vai trò quan trọng trong sự chuyển hoá và vận chuyển các phân tử và các ion cần thiết cũng như các phân tử và các ion có hại trong một hệ sinh thái

Các quá trình chuyển hoá của đất gắn liền với sự sinh trưởng của thực vật, động vật và môi trường phát triển của con người Các quá trình xảy ra trong môi trường đất là nền tảng cho sự tiến hoá của địa quyển, sinh quyển và môi trường sống của con người Vì vậy môi trường đất đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và sự bền vững của hệ sinh thái Việc nắm vững bản chất của các phản ứng và các quá trình chuyển hoá trong đất ở các mức độ nguyên tử, phân tử và vi mô là rất cần thiết đối với các chiến lược quản lý nguồn tài nguyên mới phát triển và để hiểu được và điều chỉnh các hoạt động của hệ sinh thái trên mặt đất trong phạm vi vùng và toàn cầu (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2016)

Môi trường đất nông nghiệp là môi trường bao gồm có đất canh tác, các loại cây trồng vật nuôi sống trên đó và hoạt động canh tác của con người cũng như tác động của khí hậu (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2020)

1.1.1.3 Khái niệm chỉ thị môi trường đất

Theo khoản 5 điều 3 Luật Bảo vệ Môi trường 2014: Tiêu chuẩn môi trường

là giới hạn cho phép các thông số về chất lượng môi trường xung quanh, về hàm lượng của chất gây ô nhiễm trong chất thải được cơ quan nhà nước có thẩm quyền quy định làm căn cứ để quản lý và bảo vệ môi trường

Khái niệm chỉ thị môi trường:

Chỉ thị (indicator) là một tham số (parameter) hay số đo (metric) hay một giá trị kết xuất từ tham số, dùng cung cấp thông tin, chỉ về sự mô tả tình trạng của một hiện tượng/môi trường/khu vực, nó là thông tin khoa học về tình trạng và chiều hướng của các thông số liên quan môi trường Các chỉ thị truyền đạt các thông tin phức tạp trong một dạng ngắn gọn, dễ hiểu và có ý nghĩa vượt ra ngoài các giá trị

đo liên kết với chúng Các chỉ thị là các biến số hệ thống đòi hỏi thu thập dữ liệu bằng số, tốt nhất là trong các chuỗi thứ tự thời gian nhằm đưa ra chiều hướng, các chỉ thị này kết xuất từ các biến số, dữ liệu

Theo Thông tư 08/2010/TT-BTNMT: Chỉ thị môi trường là thông số cơ bản phản ánh các yếu tố đặc trưng của môi trường phục vụ mục đích đánh giá, theo dõi diễn biến chất lượng môi trường, lập báo cáo hiện trạng môi trường

Sinh vật chỉ thị môi trường hay chỉ thị sinh học môi trường là căn cứ vào sinh vật sống để đánh giá môi trường mà nó đang sống (Nguyễn Thế Đặng, 2014)

1.1.2 Thoái hóa đất

Thoái hoá là khái niệm để chỉ sự suy giảm theo chiều hướng xấu đi so với ban đầu Thoái hoá đất được hiểu là quá trình suy giảm độ phì nhiêu của đất từ đó làm cho sức sản xuất của đất bị suy giảm theo

Thoái hoá đất là các quá trình thay đổi các tính chất hoá lý và sinh học của đất dẫn đến giảm khả năng của đất trong việc thực hiện các chức năng của đất như: Cung cấp chất dinh dưỡng và tạo ra không gian sống cho cây trồng, vật nuôi và hệ sinh thái, điều hoà và bảo vệ lưu vực thông qua sự thấm hút và phân bố lại nước, mưa, dự trữ độ ẩm, hạn chế sự biến động của nhiệt độ, hạn chế ô nhiễm nước ngầm

và nước mặt bởi các sản phẩm rửa trôi

Ở Việt Nam nhóm đất đồi núi mà đa số là đất dốc là bị thoái hóa nghiêm trọng hơn cả, kế theo là đất cát ven biển của các địa phương Nam Trung Bộ, Đông Nam Bộ

Trong vùng đất đồi núi, thì đất khu vực bán sơn địa nằm ở vùng tiếp giáp giữa vùng núi và đồng bằng bị thoái hóa mạnh mẽ nhất do cường độ canh tác lớn và dốc Mặt khác rất nhiều vùng khai thác khoáng sản, làm thay đổi và đảo lộn đất đã làm cho đất sau khai thác bị thoái hóa nghiêm trọng (Nguyễn Tử Siêm và Thái Phiên, 1999)

Đặc biệt, đối với các vùng đất sau khai thác khoáng sản trở nên thoái hóa nghiêm trọng do quá trình khai thác đã làm đảo lộn các tầng đất, đến khi hoàn thổ thì không còn theo như gốc tự nhiên trước khi khai thác Vì vậy, từ suy giảm hàm lượng chất hữu cơ, giảm độ xốp, mất kết cấu đã làm giảm khả năng thấm nước và sức chứa ẩm (Mai Văn Trịnh và cs, 2015)

1.1.3 Ô nhiễm môi trường đất

1.1.3.1 Khái niệm ô nhiễm môi trường đất

(1) Đất bị ô nhiễm được hiểu là khi hàm lượng một số nguyên tố hóa học có trong đất vượt quá ngưỡng thường có của loại đất đó, hoặc đất chứa một một số chất gây độc trực tiếp

(2) Ô nhiễm môi trường là sự đưa vào môi trường các chất thải nguy hại hoặc năng lượng đến mức ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống sinh vật, sức khỏe con người hoặc làm suy thoái chất lượng môi trường Đất được xem là ô nhiễm khi nồng độ các chất độc tăng lên quá mức an toàn, vượt lên khả năng tự làm sạch của môi trường đất

(3) Ô nhiễm môi trường đất là hậu quả các hoạt động của con người làm thay đổi các nhân tố sinh thái vượt qua những giới hạn sinh thái của các quần xã sống trong đất Đất bị ô nhiễm nghiêm trọng hay ô nhiễm trong một thời gian dài thì sẽ dẫn đến tình trạng suy thoái đất, khiến đất mất dần đi khả năng sản xuất vốn có của đất (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2016)

(4) Ô nhiễm đất không những làm giảm khả năng sản xuất của đất mà còn làm ảnh hưởng đến cây trồng, gia súc và con người

(5) Ô nhiễm đất còn làm hại đến môi trường khác như nước ngầm, nước mặt

và không khí, từ đó ảnh hưởng đến con người

1.1.3.2 Nguồn gốc ô nhiễm đất

Ô nhiễm môi trường đất được xem là tất cả các hiện tượng làm hàm lượng các chất tự nhiên trong đất tăng lên, hoặc thêm các độc chất lạ (đến mức vượt tiêu chuẩn cho phép), gây độc hại cho môi trường, sinh vật và làm xấu cảnh quan Như

ta biết, đất là tài nguyên thiên nhiên quan trọng nhất trong sản xuất nông lâm nghiệp Ngoài ra đất được dùng làm nơi ở, đường giao thông, kho tàng, mặt bằng sản xuất công nghiệp…

- Nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường đất (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2016): + Ô nhiễm đất do sử dụng phân bón hóa học trong sản xuất nông nghiệp: Khi sử dụng với lượng lớn và liên tục phân bón hóa học sẽ gây ô nhiễm đất Trong thực tế khi bón phân đạm quá nhiều và liên tục sẽ dẫn đến tích lũy NO3-trong đất và nhất là trong nước ngầm Hàm lượng NO3- có thể lên đến trên 10mg/lít nước trong các giếng khoan ở vùng đồng bằng do bón phân đạm hóa học

+ Ô nhiễm đất do sử dụng thuốc bảo vệ thực vật trong sản xuất nông nghiệp: Các loại thuốc bảo vệ thực vật thường được sử dụng như: Thuốc diệt sâu bệnh, diệt cỏ, diệt chuột khi sử dụng bao giờ cũng để lại lượng tồn dư trong đất Tùy theo loại thuốc và số lượng sử dụng mà lượng tồn dư nhiều hay ít, lâu hay chóng tồn tại trong đất và gây ô nhiễm đất (Nguyễn Minh Hưng, 2019)

Thuốc bảo vệ thực vật được sử dụng ở nước ta không nhiều trong vòng 10 năm gần đây, tính bình quân chỉ đạt 0,3 - 0,4 kg hoạt chất/ha/năm (năm cao nhất cũng mới đạt 0,6 - 0,7 kg hoạt chất/ha/năm) Tuy nhiên, vì người dân sử dụng không đúng quy trình nên vẫn gây ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí Đặc biệt, hiện nay vẫn còn một số loại thuốc bị cấm mà người dân vẫn đang sử dụng

+ Ô nhiễm đất do ảnh hưởng của nước thải thành phố, khu công nghiệp: Hiện nay nước thải của đa số đô thị và nhà máy công nghiệp hầu như không được xử lý, vì vậy gây ô nhiễm nặng cho đất vùng lân cận, nhất là đất nông nghiệp

sử dụng nước tưới từ nước thải

Nước thải của đô thị và khu công nghiệp ngoài chứa muối mặn, chất kiềm hoặc axit còn thường chứa các kim loại nặng như Hg, Pb, Cd, As Mặc dù các chất này khi thấm vào đất được vi sinh vật phân giải làm giảm bớt hàm lượng, nhưng dù chỉ tồn tại trong đất một thời gian ngắn vẫn làm ô nhiễm đất

+ Ô nhiễm đất do khai thác khoáng sản:

Đất bãi thải, đất hoàn thổ của khu vực khai thác khoáng sản đều bị ô nhiễm

do tác động làm đảo lộn đất của quá trình khai thác Đất xung quanh khu khai thác khoáng sản cũng bị ô nhiễm do ảnh hưởng của dòng chảy và không khí (Đặng Văn Minh, 2011)

+ Ô nhiễm đất do các nguyên nhân khác:

Hoạt động của các phương tiện giao thông được coi là một nguyên nhân làm ô nhiễm môi trường không khí và đất nước xung quanh đường giao thông bởi khí CO

Vùng đất xung quanh các trạm xăng dầu cũng bị ô nhiễm kim loại nặng Pb…

1.2 Khai thác khoáng sản và những tác động đến môi trường

1.2.1 Khoáng sản và khai thác khoáng sản

1.2.1.1 Khoáng sản

Khoáng sản là khoáng vật, khoáng chất có ích được tích tụ tự nhiên ở thể rắn, thể lỏng, thể khí tồn tại trong lòng đất, trên mặt đất, bao gồm cả khoáng vật, khoáng chất ở bãi thải của mỏ Khoáng sản là những dạng vật chất rất gần gũi và đóng vai trò to lớn trong đời sống con người như sắt, than đá, kẽm, vàng, dầu khí, nước khoáng thiên nhiên… Giá trị to lớn của khoáng sản cũng như tính phức tạp của các quan hệ xã hội phát sinh trong quá trình khảo sát, thăm dò, khai thác, chế biến khoáng sản tất yếu dẫn tới Nhà nước quản lý khoáng sản bằng pháp luật (Cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam, 2008)

Vậy dưới góc độ pháp luật, Khoáng sản được hiểu bao gồm các tài nguyên trong lòng đất, trên mặt đất dưới dạng những tích tụ tự nhiên khoáng vật, khoáng chất có ích ở thể rắn, thể lỏng, thể khí, hiện tại hoặc sau này có thể khai thác Khoáng vật, khoáng chất ở bãi thải của mỏ mà sau này có thể được khai thác lại, cũng là khoáng sản (khoản 1 Điều 3 Luật Khoáng sản 1996; Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật khoáng sản 2005)

Luật Khoáng sản 2010 được Quốc hội thông qua ngày 17 tháng 11 năm 2010

có quy định Khoáng sản là khoáng vật, khoáng chất có ích được tích tự nhiên ở thể rắn, thể lỏng, thể khí tồn tại trong lòng đất, trên mặt, bao gồm cả khoáng vật, khoáng chất ở bãi thải của mỏ”

Theo tính chất của công dụng, khoáng sản được chia ra làm bốn nhóm: khoáng sản kim loại, khoáng sản phi kim, khoáng sản nhiên liệu và khoáng sản nước như sau (Nguyễn Văn Lâm, 2009):

- Khoáng sản kim loại là những quặng, qua quá trình chế luyện, lấy ra kim loại hoặc hợp chất của chúng, thuộc nhóm này gồm: Nhóm khoáng sản sắt và hợp kim sắt (sắt, Mangan, Crôm…); Nhóm kim loại cơ bản (Thiếc, Đồng, Chì, Kẽm…);

Nhóm kim loại nhẹ (Nhôm, Titan, Magiê…); Nhóm kim loại phóng xạ (Uran, thori, rađi) và nhóm kim loại hiếm và đất hiếm

- Khoáng sản phi kim là những quặng được sử dụng trực tiếp hoặc qua chế biến để lấy ra đơn chất hoặc hợp chất không kim loại: nhóm khoáng sản hóa chất và phân bón (lưu huỳnh, apatit, phôtphorit…); Nhóm nguyên liệu gốm sứ - chịu lửa (sét, kaolin…) và nhóm nguyên liệu kiến trúc xây dựng (cát, đá vôi, đá hoa…)

- Khoáng sản nhiên liệu gồm các đá có nguồn gốc sinh vật (than bùn, than

đá, dầu…) Loại khoáng sản này ngoài việc làm chất đốt, khoáng sản nhiên liệu còn

để sản xuất ra hóa phẩm, dược phẩm và các thành phần khác (sợi nhân tạo, vật liệu khuôn đúc.v.v…)

- Khoáng sản nước: Là các loại nước được dùng cho sinh hoạt và công nghiệp như nước khoáng, bùn khoáng sử dụng trong y tế và sinh hoạt

1.2.1.2 Khai thác khoáng sản

Khai thác khoáng sản là hoạt động xây dựng cơ bản mỏ, khai đào, sản xuất

và các hoạt động có liên quan trực tiếp nhằm thu hồi khoáng sản (khoản điều 3 Luật Khoáng sản 1996) Theo Luật khoáng sản 2010 thì khai thác khoáng sản là hoạt động nhằm thu hồi khoáng sản, bao gồm xây dựng cơ bản mỏ, khai đào, làm giàu và các hoạt động có liên quan Đây là hoạt động được tiến hành sau khi đã có giấy phép khai thác khoáng sản của cơ quan Nhà nước có thẩm quyền và được tính từ khi mỏ bắt đầu xây dựng cơ bản (hay còn gọi là mở mỏ), khai thác bình thường theo công thức thiết kế, cho đến khi mỏ mỏ kết thúc khai thác (đóng cửa mỏ - phục hồi môi trường)

Trước đây, trong thời kỳ bao cấp hoạt động khai thác khoáng sản chủ yếu do các tổng công ty, công ty nhà nước thực hiện tại các mỏ đã được tìm kiếm, thăm dò bằng nguồn vốn của Nhà nước như apatit, quặng sắt, than, đá vôi, sét làm nguyên liệu xi măng, thiếc… với số lượng rất ít Sau năm 1996 khi Luật khoáng sản được ban hành, với chính sách đầu tư của Nhà nước, hoạt động khai thác đã phát triển nhanh cả về quy mô và thành phần kinh tế tham gia hoạt động khoáng sản, nhất là trong vài năm trở lại đây

Khai thác khoáng sản, hay khai thác mỏ là hoạt động khai thác khoáng sản hoặc các vật liệu địa chất từ dưới mặt đất, thường là các thân quặng, mạch

hoặc vỉa than Các vật liệu được khai thác từ mỏ như kim loại cơ bản, kim loại quý, sắt, urani, than, kim cương, đá vôi, đá phiến dầu, đá muối và kali cacbonat Khai thác mỏ ở nghĩa rộng hơn bao gồm việc khai thác các nguồn tài nguyên không tái tạo (như dầu mỏ, khí thiên nhiên, hoặc thậm chí là nước (Nguyễn Văn Lâm, 2009)

1.2.1.3 Đất sau khai thác khoáng sản

Trong khai thác khoáng sản, nhất là mỏ lộ thiên, để đến được quặng người ta bắt buộc phải đào lớp đất đá phủ bên trên hoặc giữa các lớp quặng Lượng đất đá này sẽ được đưa đến các bãi thải Ngoài ra, với các mỏ đã hết chu kỳ khai thác, đất

đá sẽ được chuyển trở lại để lấp các khu vực đã lấy hết quặng Tất cả các loại đất đá trên chính là đất sau khai thác khoáng sản (Luật Khoáng sản, 1996)

Đất sau khai thác mỏ là đất đã bị thay đổi tính chất lý, hóa, sinh học, thảm thực vật sau quá trình khai thác tài nguyên trong đất của con người, cụ thể (Đặng Văn Minh và cs., 2011):

- Một diện tích lớn đất nông, lâm nghiệp trước đây bị chiếm dụng cho mục đích khai thác khoáng sản vẫn để hoang hóa sau khi khai thác

- Tầng đất mặt bị xáo trộn, gây khó khăn cho việc hoàn thổ phục hồi môi trường

- Cân bằng nước khu vực bị phá vỡ, gia tăng các hiện tượng trượt lở, bồi lấp, tích

tụ các chất rắn do sự biến đổi chế độ thủy văn của dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm

- Chất lượng nước ở các vùng khai thác khoáng sản bị ảnh hưởng Phần lớn nước ở các vùng khai thác khoáng sản đều bị ảnh hưởng bởi độ đục cao do lượng bùn mịn trong nước thải cao Các loại thuốc tuyển khoáng còn dư lại trong bùn thải cũng có khả năng gây ô nhiễm nguồn tiếp nhận Ở một số khu vực đất đá thải còn

có tiềm năng hình thành dòng axit mỏ, có khả năng hòa tan các kim loại nặng độc hại là nguồn gây ô nhiễm tiềm tàng đối với nước mặt và nước ngầm của khu vực

- Hệ sinh thái và cảnh quan khu vực bị biến đổi Biểu hiện rõ nét nhất là suy thoái thảm thực vật, suy giảm diện tích rừng, cạn kiệt trữ lượng gỗ, suy giảm về chủng loại và số lượng các loài động vật hoang dã

- Các sự cố và rủi ro môi trường tại các vùng khai thác như trượt lở, sập hầm…

1.2.2 Tác động gây ô nhiễm môi trường của hoạt động khai thác khoáng sản

1.2.2.1 Các tác động gây ô nhiễm môi trường trong hoạt động khai thác mỏ

Các hoạt động khai khoáng xả vào đất một lượng lớn các phế thải của chúng Các lượng phế thải đó, nguy hiểm nhất là các chất thải nguy hại, được thông qua khí thải, nước thải và rác thải hoặc thải trực tiếp xuống đất Chúng làm ô nhiễm môi trường đất, phá huỷ sự cân bằng của hệ sinh thái đất

Quá trình khai khoáng gây ô nhiễm và suy thoái môi trường đất ở mức nghiêm trọng nhất Do khai thác, một lượng lớn phế thải, quặng… từ lòng đất được đưa lên trên bề mặt Mặt khác thảm thực vật trong khu vực khai khoáng bị hủy diệt, đất có thể bị xói mòn Tiếp theo là một lượng lớn phế thải, xí quặng theo khói bụi bay vào không khí rồi lại lắng đọng xuống đất và làm nhiễm bẩn đất trong một phạm vi lớn

Các chất thải này thường xuyên chứa những sản phẩm độc hại ở dạng dung dịch và dạng rắn Khoảng 50 % chất thải công nghiệp là dạng rắn (than, bụi, chất hữu cơ xí quặng…) và trong đó 15 % có khả năng gây độc nguy hiểm Độ pH của đất giảm do mưa axít và chất thải công nghiệp Tương ứng sự giảm đi 50 % độ no bazơ nghĩa là 1/2 cation bazơ đã được thay thê bằng H+ và Al3+ (Anderson, J C.,

& Gerbing D.W.,1988)

Tác động môi trường của hoạt động khai thác mỏ bao gồm xói mòn, sụt đất, mất đa dạng sinh học, ô nhiễm đất, nước ngầm và nước mặt do hóa chất từ chế biến quặng Trong một số trường hợp, rừng ở vùng lân cận còn bị chặt phá để lấy chỗ chứa chất thải mỏ Bên cạnh việc hủy hoại môi trường, ô nhiễm do hóa chất cũng ảnh hưởng đến sức khỏe người dân địa phương, ở những vùng hoang vu, khai khoáng có thể gây hủy hoại hoặc nhiễu loạn hệ sinh thái và sinh cảnh còn ở nơi canh tác thì hủy hoại hoặc nhiễu loạn đất trồng cấy và đồng cỏ (Wikipedia, 2020)

• Tác động cơ học của hoạt động khai thác khoáng sản

Quá trình đào xới, vận chuyển đất đá và quặng làm địa hình khu khai thác bị

hạ thấp, ngược lại, quá trình đổ chất thải rắn làm địa hình bãi thải được nâng cao Những thay đổi này sẽ dẫn đến những biến đổi về điều kiện thủy văn, các yếu tố của dòng chảy trong khu mỏ như thay đổi khả năng thu, thoát nước, hướng và vận tốc dòng chảy mặt, chế độ thủy văn của các dòng chảy

Bên cạnh đó, sự tích tụ chất thải rắn do tuyển rửa quặng trong các lòng hồ, kênh mương tưới tiêu có thể làm thay đổi lưu lượng dòng chảy, khả năng chứa nước, làm thay đổi chất lượng nguồn nước và làm suy giảm chức năng của các công trình thủy lợi, giao thông gần các khu khai thác mỏ (Lưu Thế Anh, 2007)

Mặt khác, khi tiến hành các hoạt động khai thác sẽ hình thành các moong sâu đến hàng trăm mét, là nơi tập trung nước cục bộ Ngược lại, để đảm bảo hoạt động của mỏ, phải thường xuyên bơm tháo khô nước ở đáy moong, hầm lò, hình thành các phễu hạ thấp mực nước đuôi đất vói độ sâu từ vài chục đến hàng trăm mét và bán kính phễu hàng trăm mét Điều đó dẫn đến tháo khô các công trình chứa nước trên mặt như hồ ao, xung quanh khu mỏ

Quá trình khai thác khoáng sản gồm có ba bước là: mở cửa mỏ, khai thác và đóng cửa mỏ Cả ba công đoạn khai thác đều tác động đến tài nguyên và môi trường đất Hơn nữa, công nghệ khai thác hiện nay chưa hợp lý, đặc biệt các mỏ kim loại

và các khu mỏ đang khai thác hầu hết nằm ở vùng núi và trung du Vì vậy, việc khai thác khoáng sản trước hết tác động đến rừng và đất rừng xung quanh vùng mỏ đều dẫn đến hệ động thực vật bị giảm về số lượng hoặc tuyệt chủng

• Tác động hóa học của hoạt động khai thác mỏ

Thể hiện qua 4 dạng sau:

Thoát axid từ mỏ khai thác: Thoát axid từ mỏ khai thác là một quá trình tự nhiên, trong đó axit sulfuric được hình thành khí sulfua trong đá tiếp xúc với không khí và nước Khi số lượng lớn đá chứa các khoáng vật sunfua được đào lên từ một

mỏ lộ thiên hoặc lấy lên từ dưới lòng đất, nó phản ứng với nước và oxy để tạo ra axit sulfuric Axid được nước mưa hay nước theo dòng chảy thoát ra khu vực mỏ và

đổ vào các sông, suối hoặc nước ngầm xung quanh gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nước

Ô nhiễm kim loại nặng: Các kim loại như asen, coban, đồng, cadimi, bạc, chì, kẽm chứa trong đất đá khai thác hoặc mỏ ngầm lộ thiên tiếp xúc với nước Kim

loại bị rửa trôi ra ngoài gây ô nhiễm nguồn nước dưới hạ lưu (Bảng 1.1)

Ô nhiễm do sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý quặng: Ô nhiễm hóa học xảy ra khi các hóa chất như axit sulfuric hoặc xyanua được sử dụng trong các quá

trình xử lý, tuyển quặng đã gây ra rò rỉ, hoặc ngấm vào nguồn nước mặt và nước ngầm gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới đời sống con người và động vật

Xói mòn và bồi tích: Trong quá trình khai thác không có các biện pháp phòng chống phù hợp và chiến lược kiểm soát đúng đắn, khu vực khai thác mỏ sẽ bị xói mòn nghiêm trọng Bùn cát được chuyển tải tới sông suối, hồ ao gây bồi tích ở

hạ lưu Bồi tích quá mức có thể làm tắc nghẽn dòng chảy, vùi lấp thảm thực vật, động vật hoang dã và ảnh hưởng lớn đến đời sống của động vật trên cạn (Đặng Văn Minh và cs., 2011)

Bảng 1.1 Hiện trạng chất lượng môi trường đất tại một số mỏ ở Thái Nguyên

(Nguồn: Đặng Văn Minh và cs., 2011)

1.2.2.2 Một số phương pháp nghiên cứu môi trường đất sau khai thác mỏ

a, Các phương pháp nghiên cứu cảnh quan sinh thái vùng khai thác mỏ

Đánh giá cảnh quan sinh thái là một khâu quan trọng trong nghiên cứu địa lý ứng dụng nhằm mục đích phục vụ sử dụng hợp lý lãnh thổ, giúp các nhà quản lý hoạch định, tổ chức sản xuất phù hợp với chức năng của từng cảnh quan và đảm bảo phát triển bền vững lãnh thổ (Vũ Tự Lập, 1976)

Bản chất của công tác đánh giá cảnh quan là xác định mức độ thuận lợi của cảnh quan cho các mục đích sử dụng khác nhau Mỗi loại hình sử dụng có một yêu cầu nhất định đối với cảnh quan, đánh giá cảnh quan được thực hiện trên cơ sở đối chiếu, so sánh mức độ thuận lợi của cảnh quan đối với từng loại hình sử dụng Thực chất là đánh giá tổng hợp các thể tổng hợp tự nhiên cho mục đích cụ thể nào đó như: nông nghiệp, lâm nghiệp, thuỷ sản, du lịch, công nghiệp hoặc xây dựng (Nguyễn Cao Huần, 2005)

Khai thác mỏ cũng đồng nghĩa với việc phải đánh đổi phá hủy nhiều cảnh quan môi trường trên đất như thảm thực vật rừng gắn vói phong cảnh thiên nhiên,

đa dạng sinh học; cảnh quan vùng ven biển Nghiên cứu cảnh quan sinh thái xung quanh khu vực khai thác và tại khu vực khai thác để nhận xét, đánh giá mức độ ảnh hưởng của việc khai thác mỏ tới môi trường sống, môi trường phát triển của các loại thực vật trên đất cũng như hệ sinh thái tại khu vực khai thác mỏ

b, Các phương pháp nghiên cứu đánh giá tác động của khai thác khoáng sản đến tai biến môi trường đất (sụt lún đất, mất nước và rạn nứt công trình xây dựng…)

Để đánh giá tác động của khai thác khoáng sản đến tai biến môi trường đất như sụt lún đất, mất nước và rạn nứt công trình xây dựng…, hiện nay thường sử dụng các phương pháp sau (Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản, 2018):

- Khảo sát, điều tra hiện trạng tai biến địa chất nứt, sụt lún mặt đất, mất nước, rạn nứt công trình xây dựng tại khu vực nghiên cứu

- Khảo sát điều tra cấu trúc địa chất, địa chất karst, địa chất thủy văn, địa chất công trình và mối liên hệ của chúng với các hiện trạng nứt, hố sụt, mất nước, rạn nứt công trình xây dựng Xác định các nguyên nhân và dự báo nguy cơ tiềm ẩn tai biến địa chất trong khu vực nghiên cứu

- Đo địa vật lý trên một số mặt cắt tại các diện tích trọng điểm bằng phương pháp đo sâu điện

- Thi công dọn vết lộ, hố đào địa chất, thiết kế, thi công các lỗ khoan địa chất thủy văn và địa chất công trình

- Lấy và phân tích mẫu các loại

- Quan trắc mực nước trong quá trình bơm hút nước tại moong khai thác

- Đo và đánh giá rung động nền đất do hoạt động nổ mìn trong quá trình khai thác lộ thiên

- Thành lập bản đồ thạch học cấu trúc, bản đồ địa chất thủy văn, bản đồ địa chất công trình và bản đồ hiện trạng nứt, sụt lún mặt đất, mất nước, rạn nứt công trình xây dựng, bản đồ phân vùng dự báo nguy cơ tai biến địa chất khu vực nghiên cứu

- Thành lập bản đồ ranh giới ảnh hưởng và trách nhiệm của từng đơn vị khai thác khoáng sản gây ra sự cố: nứt, sụt lún mặt đất, mất nước, rạn nứt công trình xây dựng tại vùng nghiên cứu

c, Các phương pháp nghiên cứu tính chất lý, hóa của đất liên quan đến độ phì đất và ô nhiễm môi trường đất

Xác định các tính chất lý, hóa, sinh học của đất là cơ sở để nhận xét, đánh giá

sự thay đổi tính chất đất sau khai thác mỏ, đặc biệt là sự ô nhiễm đất do khai thác

mỏ gây nên, từ đó đưa ra các biện pháp cải thiện môi trường đất

Để xác định các tính chất lý, hóa, sinh học của đất, hiện nay người ta sử dụng phổ biến phương pháp lấy mẫu đất và phân tích trong phòng Trên cơ sở số liệu phân tích cần so sánh và xem xét với thực trạng môi trường trên vùng đất để đưa ra những nhận định và đánh giá chính xác môi trường đất (Nguyễn Thế Đặng, 2015)

1.3 Kim loại nặng và ô nhiễm do kim loại nặng trong đất

1.3.1 Kim loại nặng trong đất

1.3.1.1 Khái niệm kim loại nặng

Thuật ngữ kim loại nặng (KLN) được từ điển hóa học định nghĩa là các kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5 Đối với các nhà độc tố học, thuật ngữ Kim loại nặng chủ yếu dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề môi trường bao gồm:

Cu, Zn, Pb, Hg, Ni, Mn, Cr, Fe, Mn, Ti, Fe, Ag, Sn Ngoài ra, các phi kim như As

và Se cũng được xem là các kim loại nặng (Bjerregaard et al., 1991)

Các nguyên tố này thường ở dạng vết trong môi trường đất tự nhiên Các kim loại nặng phổ biến nhất là: Cd, Cr, Cu, Zn, Pb, Hg Trong đó Cu và Zn là các nguyên tố

vi lượng có vai trò quan trọng đối với quá trình trao đổi chất trong tế bào và là thành phần, cấu trúc của các protein và enzym Tuy nhiên các nguyên tố vi lượng nói riêng và các KLN nói chung ở hàm lượng cao là yếu tố cực kì độc hại đối với quá trình trao đổi chất của tế bào Vì vậy ô nhiễm đất bởi tác nhân KLN có thể dẫn đến mất cân bằng của các loài động, thực vật bậc cao, đặc biệt trong môi trường đất bị ô nhiễm KLN với hàm lượng cao, thực vật phát triển kém, độ che phủ bề mặt thấp, hậu quả là các KLN sẽ xâm nhập vào nguồn nước mặt và nước ngầm (Lombi et al., 2001)

Trong những năm gần đây, ô nhiễm KLN trong đất đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học vì tính chất bền vững của chúng Độc tính của kim loại đối với sinh vật liên quan đến cơ chế oxy hóa và độc tính gen (Collins et al., 1989) Sự tích tụ các chất độc hại, các KLN trong đất sẽ làm tăng khả năng hấp thụ các nguyên tố có hại trong cây trồng, vật nuôi và gián tiếp gây ảnh hưởng xấu tới sức khoẻ con người, làm thay đổi cấu trúc tế bào, gây ra nhiều bệnh di truyền, bệnh về máu, bệnh ung thư Tác hại của KLN đối với động vật và con người là làm tổn hại hoặc giảm chức năng của hệ thần kinh trung ương, giảm năng lượng sinh học, tổn hại đến cấu trúc của máu, phổi, thận, gan và các cơ quan khác Tiếp xúc với KLN trong thời gian dài có thể ảnh hưởng mãn tính đến thể chất, cơ và quá trình thoái hóa hệ thần kinh dẫn đến biểu hiện các bệnh Parkinson, bệnh teo cơ, bệnh đa xơ cứng, ung thư…Hơn nữa KLN còn làm tăng các tương tác dị ứng và gây nên đột biến gen, cạnh tranh với các kim loại cần thiết khác trong cơ thể ở các vị trí liên kết sinh hóa và phản ứng như các kháng sinh giới hạn rộng chống lại cả vi khuẩn có lợi và

có hại Độc tính KLN trong chuỗi thức ăn là một trong những vấn đề bức xúc về môi trường và sức khỏe cộng đồng trong xã hội công nghiệp ngày nay (Nguyễn Thế Đặng

và cs., 2016)

Các kim loại nặng tồn tại trong môi trường đất thông qua các quá trình tự nhiên và nhân tạo, gây ra nhiều tác động độc hại đối với hoạt động sinh học đất gây ảnh hưởng không nhỏ đến các quá trình chuyển hóa trao đổi chất cũng như chức năng của hệ sinh thái (Nguyễn Hữu Thành 2008)

1.3.1.2 Nguồn gốc kim loại nặng trong đất

a, Nguồn gốc từ khoáng vật và đá mẹ

Kim loại nặng tồn tại trong đất theo con đường tự nhiên liên quan đến các quá trình phong hóa đá và khoáng vật Đá macma và đá biến chất là các nguồn tự nhiên phổ biến đưa KLN vào đất Đất hình thành từ đá macma bazơ có lượng Cr,

Mn, Co và Ni cao, trong khi đó đất hình thành từ đá trầm tích, phiến sét có lượng

Cr, Co, Ni, Zn và Pb cao nhất (Antonio et.al., 2008)

Đối với các loại đất có nguồn gốc đá mẹ khác nhau thì có hàm lượng KLN khác nhau Đất phát triển trên đá phiến thạch sét hoặc các khoáng vật giàu sét thường có hàm lượng Cu cao, dao động từ 2 - 100 ppm Hàm lượng Pb trong đất thường dao động từ 10 - 33 ppm, tăng theo thứ tự: đá bazan < đá cát kết < đá trầm tích < đá vôi, trong đó hàm lượng Pb trong đá bazan có hàm lượng trung bình 3 ppm và đá cát kết 19 ppm (Vernet, 1991)

Mức độ phong hóa các khoáng vật ảnh hưởng đến sự xâm nhập các nguyên tố này vào đất Theo độ sâu phẫu diện đất, hàm lượng các nguyên tố Mn, Ni và Cr tích lũy ở tầng dưới nhiều hơn ở tầng trên (Trích theo Lê Đức, Trần Khắc Hiệp, 2006)

b, Nguồn gốc từ hoạt động của con người

Hoạt động khai khoáng, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải là các nguồn chính phát thải chất ô nhiễm và các kim loại nặng được tích tụ lại trong môi trường đất thông qua quá trình sử dụng phân bón, hóa chất, đổ bỏ chất thải rắn, tiếp nhận nước thải và lắng đọng từ khí quyển Trong đó, các lĩnh vực luyện kim và khai khoáng, sản xuất và sử dụng thuốc trừ sâu, phân bón, nhựa, giấy, pin, chế biến gỗ được cho là nguyên nhân quan trọng góp phần làm gia tăng nguy

cơ gây ô nhiễm đất (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2016)

Số liệu bảng 1.2 cho thấy khoảng 50 % chất thải trong công nghiệp là dạng rắn (than, bụi, chất hữu cơ, xỉ quặng), trong đó 15 % có khả năng tồn lưu lâu dài trong đất, điển hình là các kim loại Pb, Cd, Hg, As,… Một số nguồn gây ô nhiễm KLN tại bảng 1.2 còn cho thấy hoạt động khai thác khoáng sản để lại cho đất số lượng lớn kim loại nặng, nhất tại các khu vực hứng nước từ hoạt động khai khoáng

Bảng 1.2 Các nguồn kim loại nặng từ một số hoạt động sản xuất công nghiệp

1 Công nghiệp khai khoáng, luyện kim As, Cd, Hg, Pb, Ni, Cr, Zn, Cu,

3 Công nghiệp vi điện tử Cu, Ni, Cd, Zn, Sb

5 Lắng đọng từ khí quyển As, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn,

(Nguồn: Sheila et al., 1994)

1.3.2 Đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản

Nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản: Dung dịch axit sinh ra trong quá trình oxy hóa sunfua có thể hòa tan các kim loại và chất độc hại khác từ đó chúng phát tán vào môi trường, gây ô nhiễm môi trường Trong bãi thải, nước lỗ hổng tương tác với các vật chất rắn của bãi thải là một dung dịch axit, kết quả của quá trình oxy hóa sunfua là một dung môi mạnh Khi tạo thành các dòng axit tiêu hóa thoát từ bãi thải chúng thường là các dung dịch có hàm lượng cao (thậm chí bão hòa) các kim loại nặng và các ion hòa tan Khi dung dịch bị trung hòa, xảy ra sự lắng đọng nhiều hợp chất thứ sinh của Fe, Cu, Zn, Pb và các nguyên

tố khác Các hợp chất này lại là những hợp chất tương đối dễ tan khi thay đổi các điều kiện Eh - pH Tính linh động cao của các nguyên tố là điều kiện để xuất hiện hàm lượng kim loại cao trong nước mặt Thành phần kim loại nặng và các chất độc hại của dòng thải axit phụ thuộc vào thành phần ban đầu của vật chất bãi thải và đặc điểm của các quá trình biến đổi biểu sinh (Phạm Tích Xuân, 2010)

Quá trình khai khoáng gây ô nhiễm và suy thoái môi trường đất ở mức độ nghiêm trọng nhất và là một thực tế đáng báo động Các dạng ô nhiễm môi trường tại những mỏ đã và đang khai thác rất đa dạng như ô nhiễm đất, nước mặt, nước ngầm (Nguyễn Thế Đặng, 2013) Các tác nhân gây ô nhiễm là axit, KLN, xianua, các loại khí độc, v.v… Hiện tượng suy giảm chất lượng nước mặt, nước ngầm ở nhiều nơi do ô nhiễm KLN có nguồn gốc công nghiệp như Ni, Cr, Pb, As, Cu, Se,

Hg, Cd … cần phải sớm có giải pháp xử lý Nhiều KLN rất độc đối với con người

và môi trường cho dù ở hàm lượng rất thấp

1.3.2.1 Các nghiên cứu đất sau khai thác mỏ bị ô nhiễm kim loại nặng trên Thế giới

Công đoạn nào của quá trình khai thác khoáng sản cũng đều gây nên ô nhiễm kim loại vào đất, nước, không khí và cơ thể sinh vật Sự nhiễm bẩn kim loại không chỉ xảy ra khi mỏ đang hoạt động mà còn tồn tại nhiều năm sau kể từ khi mỏ ngừng hoạt động Theo Lim H S và cộng sự (2004), tại mỏ vàng - bạc Soncheon đã bỏ hoang ở Hàn Quốc, đất và nước nhiều khu vực ở đây vẫn còn bị ô nhiễm một số

kim loại ở mức cao (Bảng 1.3)

Bảng 1.3 Hàm lượng KLN trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon

ĐVT: mg/kg

Nguyên tố Bãi thải quặng Đất

vùng núi Đất trang trại Đất bình thường

(Nguồn: Lim et.al., 2004)

Các hoạt động khai thác mỏ thải ra một lượng lớn các KLN vào dòng nước và góp phần gây ô nhiễm cho đất Sự rò rỉ chất thải ở Tây Australia, đã làm gia tăng hàm

lượng Pb trong nước gần nguồn phát thải lên tới 100 μg/l và Cd là 680 μg/l Hàm lượng

Pb trong trầm tích lớn hơn 9.600 μg/g Lượng phát thải các KLN liên quan đến hoạt

động này không ngừng gia tăng trên quy mô toàn thế giới (Andrade and Mahler, 2002)

Ở Anh, việc xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng ước tính phải mất vài chục năm để xử lý Shelmerdine và cs (2009) cho biết ở rất nhiều vùng đất khai thác

khoáng sản của Anh bị ô nhiễm kim loại nặng ở mức đáng lo ngại (Bảng 1.4)

Bảng 1.4 Hàm lượng kim loại nặng trong đất của một số mỏ tại Anh

Đơn vị: ppm

Nguyên tố Mỏ chì Cumbria Mỏ thiếc, đồng

Cornwall

Mỏ đồng Devon

Hàm lượng trung bình

(Nguồn: Shelmerdine et.al., 2009)

Môi trường đất tại các mỏ vàng mới khai thác thường có độ kiềm cao (pH: 8

- 9), ngược lại ở các mỏ vàng cũ, thường có độ axit mạnh (pH: 2,5 - 3,5); dinh dưỡng trong đất thấp và hàm lượng KLN rất cao Chất thải ở đây thường là nguồn gây ô nhiễm môi trường, cả phần trên mặt đất và phần dưới mặt đất Ở Úc, chất thải

từ các mỏ vàng chứa hàm lượng các KLN vượt tiêu chuẩn cho phép rất nhiều lần (Anawar et al., 2007)

Một số vùng thuộc các nước như Đan Mạch, Nhật, Anh và Ailen có hàm lượng Pb trong đất cao hơn 100 mg/kg đã phản ánh tình trạng ô nhiễm Pb Trong khi

đó hàm lượng Pb ở Alaska lại khá thấp chỉ khoảng 20 mg/kg trên lớp đất mặt (Lim

và cs., 2004) Các nguyên tố KLN như: Cu, Pb, Zn, Cd, Hg, Cr, As… thường chứa trong phế thải của ngành luyện kim màu, sản xuất ô tô Khi nước thải chứa 13 mg Cu/l, 10 mg Pb/l, 1 mg Zn/l đã gây ô nhiễm đất nghiêm trọng (Vasileios et.al., 2017) Hàm lượng Cd trong đất Thuỵ Sỹ có thể lên tới 3 mg/kg trong vòng 20 - 30 năm tới Tính di động gây độc của các KLN còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: sự thay đổi điện thế oxy hoá - khử, pH, số lượng muối và các phức chất… có khả năng hoà tan những KLN đó ở trong đất (Lương Thị Thúy Vân, 2012)

1.3.2.2 Các nghiên cứu đất sau khai thác mỏ bị ô nhiễn kim loại nặng ở Việt Nam

Ở Việt Nam, trong thời gian qua, tình trạng khai thác khoáng sản trái phép đã diễn ra tràn lan ở một số địa phương (như khai thác vàng, than thổ phỉ ở Thái Nguyên, thiếc ở Tĩnh Túc, Cao Bằng …) Các chất thải từ các hoạt động khai thác khoáng sản

có chứa KLN như: Pb, Zn, Cd, As, Ni, Cu … thường được thải trực tiếp ra môi trường

mà không qua xử lý, làm cho môi trường đất bị ô nhiễm Đồng thời một diện tích lớn rừng đã bị ảnh hưởng và tác động, làm cho môi trường đất bị suy thoái

Ảnh hưởng của sự suy thoái và ô nhiễm đất sẽ gây ra những hậu quả nghiêm trọng, dẫn đến làm giảm năng suất cây trồng, làm nghèo thảm thực vật, suy giảm đa dạng sinh học Đồng thời chúng có tác động ngược lại làm cho quá trình xói mòn, rửa trôi thoái hóa diễn ra nhanh hơn Nhiều diện tích đất canh tác nông nghiệp phải

bỏ hoang, diện tích đất trống đồi trọc tăng lên Sự tích tụ cao các chất độc hại, các KLN trong đất sẽ làm tăng khả năng hấp thụ các nguyên tố có hại trong cây trồng, vật nuôi và gián tiếp gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người

Thái Nguyên cũng là một tỉnh có nhiều điểm quặng, những tác động tiêu cực tới môi trường: ô nhiễm môi trường không khí, ô nhiễm môi trường nước, ô nhiễm môi trường đất do hoạt động sản xuất, khai thác, chế biến là không thể tránh khỏi (Bùi Thị Kim Anh, 2011) Kết quả phân tích các mẫu đất khu vực xí nghiệp thiếc Đại Từ cho thấy: Chỉ số As trong đất vượt tiêu chuẩn, As từ 13,10 đến 15,48 mg/kg trong khi tiêu chuẩn là 12 mg/kg (TCVN 7209-2002) (Lê Đức và cs., 2008)

Mẫu bùn lắng ở 2 điểm lấy mẫu cho thấy có dấu hiệu ô nhiễm KLN Các chỉ tiêu KLN được phân tích đều có giá trị rất cao Cụ thể, hàm lượng kẽm vượt từ 2,3 đến 2,7 lần , cadimi cao hơn từ 4,5 đến 8,4 lần so với tiêu chuẩn cho phép (TCVN 7209: 2002) và asen cũng gần xấp xỉ tiêu chuẩn cho phép (từ 11,37 đến 12,95 mg/l , TCVN 7209:2002 là 12 mg/l ) (Sở Tài nguyên và Môi trường Thái Nguyên, 2007)

Theo nghiên cứu của Bùi Thị Kim Anh (2011) kết quả đánh giá hàm lượng một số kim loại nặng ở các vùng khai thác mỏ tại huyện Đại Từ và Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên cho thấy hàm lượng của As, Pb, Cd và Zn lần lượt là 181,2 - 6754,3 ppm; 235,5 - 4337,2 ppm; 0,8 - 419 ppm; 361,8 - 17565,1 ppm; cao hơn rất nhiều lần

so với QCVN 03-MT:2015/BTNMT Tại mỏ khoáng Ti/Sn, kết quả phân tích chất lượng đất cho thấy hàm lượng As ở mức rất cao 4521 ppm, hàm lượng Pb và Zn ở mức trung bình 235 và 463 ppm; hàm lượng Cd ở mức thấp 4,5 ppm Hàm lượng As,

Cd, Pb và Zn cao hơn lần lượt là 301,4; 3; 3,4 và 2,3 lần so với quy chuẩn cho phép QCVN 03-MT:2015/BTNMT Kết quả phân tích một số mẫu đá thải tại huyện Đại

Từ cho thấy hàm lượng As trung bình đạt tới 5000 ppm, vượt nhiều lần tiêu chuẩn cho phép Hàm lượng các KLN khác trong mẫu cũng rất cao Cu - 1260 ppm; Pb -

105 ppm; Cd - 0,5 ppm; Se - 17 ppm

Bãi xỉ thải của Mỏ kẽm chì làng Hích thuộc xã Tân Long, huyện Đồng Hỷ là một trong những khu vực có nguy cơ gây ô nhiễm cao cho đất, nước Nghiên cứu của Đặng Thị An và cộng sự (2008) cho thấy ở khu bãi thải mới, hàm lượng chì và cadimi đạt cao nhất ở trong khu bãi thải (5,3.103 - 9,2.103 ppm và 5,9 - 9,05 ppm), đất vườn nhà dân khu vực này có hàm lượng thấp nhất Khu vực bãi thải cũ có hàm lượng cao nhất ở trong bãi thải (1,1.103 - 13.103 ppm và 11,34 - 61,04 ppm) sau đó

là các ruộng lúa (1.271 - 3.953 ppm và 2,30 - 42,90 ppm) Ngay cả nhà dân gần khu vực cũng có hàm lượng chì và cadimi cao hơn tiêu chuẩn

Hoạt động khai khoáng đã đưa một lượng lớn các kim loại nặng vào môi trường xung quanh Hàm lượng Cd, Pb và As trong nước tưới ở 4 vùng khai thác

mỏ lần lượt là 0,91- 1,92 mg/l; 103,6 - 198,1 mg/l và 19,3 - 72,1 mg/l Kết quả nghiên cứu của Phan Thị Thu Hằng (2008) đã chỉ ra được mối quan hệ giữa hàm lượng KLN trong nước tưới ảnh hưởng đến sự tích lũy KLN trong rau ở thành phố Thái Nguyên

Nghiên cứu trên các vùng khai thác khoáng sản ở Tây Nguyên: Các kim loại vết trong các mẫu đất được thu thập từ một bãi thải gần tám loại địa điểm khai thác bao gồm cao lanh, vàng, sắt, đất sét, bauxite, bazan, đá xây dựng và antimon, nằm ở Tây Nguyên cho thấy: Hàm lượng Cu, Pb và Zn trong đất thuộc nhóm cao hơn so với các kim loại nặng khác tại hầu hết các khu vực khai thác ở Tây Nguyên Hàm lượng Cu, Zn, Pb, Mo, B, As, Hg và Cd cao nhất lần lượt là 120,46 mg/kg (Antimon Đăk Drông), 71,70 mg/kg (Tam Bố), 21,70 (Felspat Ea Kar), 17,33 (Trai Mát), lần lượt là 15,61 (Felspat Ea Kar), 8,87 (Trại Mát), 6,96 (Tân Rai) và 2,91 (Nhân Cơ) (Manh Ha Nguyen et al., 2021)

1.4 Tình hình nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản trên Thế giới và ở Việt Nam

1.4.1 Tình hình nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản trên Thế giới

1.4.1.1 Khái quát các phương pháp cải tạo đất sau khai thác khoáng sản

a, Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng

• Phương pháp đào và chuyển chỗ (Dig and Haul)

Đào và chuyển chỗ là phương pháp xử lý chuyển chỗ (ex-situ) đất nhằm di chuyển các chất độc hại đến một nơi khác an toàn hơn Với phương pháp này, các chất ô nhiễm không được loại bỏ khỏi đất ô nhiễm mà đơn giản chỉ là đào lên và

chuyển đất ô nhiễm đi chỗ khác với hy vọng là không bị ô nhiễm ở những nơi cần thiết (Barceló and Poschenrider, 2003)

• Phương pháp cố định hoặc cô đặc (Stabilization/Solidification)

Cố định hoặc cô đặc chất ô nhiễm có thể là phương pháp xử lý tại chỗ hoặc chuyển chỗ Phương pháp này liên quan đến hỗn hợp các chất đặc trưng được thêm vào đất, hoặc là các thuốc thử, các chất phản ứng với đất ô nhiễm để làm giảm tính linh động và hoà tan của các chất ô nhiễm (Dary et.al., 2010)

• Phương pháp thuỷ tinh hoá (Vitrification)

Phương pháp thuỷ tinh hoá là quá trình xử lý bởi nhiệt, có thể được sử dụng

để xử lý đất tại chỗ hay chuyển chỗ Đây là quá trình chuyển chất ô nhiễm thành dạng thuỷ tinh cố định (Stable glassy form) Hiện nay phương pháp này được sử dụng khá rộng rãi nhưng chỉ được áp dụng trên diện tích nhỏ, chi phí giá thành cao, yêu cầu kỹ thuật hiện đại nên người ta cần tìm kiếm những phương pháp khác có hiệu quả kinh tế cao hơn, thân thiện hơn với môi trường (Bergeron et.al., 2008)

• Phương pháp rửa đất (Soil washing)

Rửa đất là công nghệ xử lý đất chuyển vị (ex-Situ treatment technology), có thể được sử dụng để xử lý đất ô nhiễm KLN Quá trình này dựa vào cơ chế hút và tách vật

lý để loại bỏ chất ô nhiễm ra khỏi đất (Richard et.al., 1981) Quá trình vật lý loại bỏ những hạt kim loại có kích thước lớn và vận chuyển các chất ô nhiễm vào pha lỏng Dung dịch làm sạch đất có thể trung tính hoặc chứa các yếu tố hoạt tính bề mặt Các chất thường dùng trong các dung dịch làm sạch đất là HCl, EDTA, HNO3 và CaCl2 Quá trình này sẽ làm giảm hàm lượng kim loại trong đất và tạo ra một dịch lỏng với hàm lượng kim loại cao và tiếp tục xử lý (Jennifer et.al., 2002)

b, Các phương pháp sinh học

• Phương pháp ủ thành đống

Phương pháp này thường sử dụng để xử lý đất ô nhiễm chất hữu cơ Nguyên tắc cơ bản của phương pháp là phân hủy chất ô nhiễm bằng cách ủ đống nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân giải hảo khí tự nhiên Nếu muốn gia tăng quá trình hoạt động của vi sinh vật cần kiểm soát 3 yếu tố là không khí, nước và chất dinh dưỡng (thức ăn cho vi sinh vật) Nguồn vi sinh vật chủ yếu là vi sinh vật bản địa,

cũng có thể thêm các vi sinh vật ngoại lai có chọn lọc (Abhilash et al., 2015) Có các kiểu ủ đống như sau:

- Ủ thành phân (composting):

Đất đào lên được rải thành luống hay đánh đống đều đặn với chu vi mỗi đống ủ vài mét, cao khoảng 1 m Đất được để ở dạng tự nhiên không nén chặt nhằm đảm bảo tính thông khí để thúc đẩy quá trình phân hủy thường trộn thêm vào đất một chất hữu cơ thô nhằm giúp môi trường thông thoáng, đồng thời cung cấp thêm chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật

- Làm đất theo canh tác nông nghiệp (land farming):

Các vật liệu ô nhiễm được xử lý như làm đất nông nghiệp nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân hủy chất ô nhiễm Trước hết, đất ô nhiễm được rải đều trên một mặt phẳng lớn thành lớp dày khoảng vài chục cm, để tránh nguy cơ ô nhiễm cho khu vực xử lý công việc này thường được tiến hành trên bề mặt không thấm ở vùng ngoại ô, trong khu công nghiệp hay ở những bãi có bề mặt đã được trải nhựa

- Cải tạo đất bằng cây trồng (culture):

Khu đất sau khai thác được làm đất bằng phẳng, bón phân, tưới nước và trồng các loại cây lâm nghiệp, nông nghiệp có khả năng hấp phụ chất thải độc hoặc tạo sinh khối hữu cơ cải tạo đất Sau vài năm đất sẽ có độ màu mỡ (các chất dinh dưỡng) để trở thành đất nông nghiệp (đất hoàn thổ) Đây là phương pháp quan trọng

và khả thi nhất hiện đã và đang được áp dụng cho các khu vực đất sau khai thác khoáng sản trên Thế giới và ở Việt nam

- Phương pháp gò sinh học (biopile):

Đây là phương pháp được dùng để xử lý đất ô nhiễm các chất bay hơi hoặc

do quy định của luật pháp khu vực hay quốc gia cấm xử lý ô nhiễm ngoài trời

Quá trình xử lý cần bố trí thiết bị giám sát chặt chẽ các thông số hoạt động của đống ủ như nhiệt độ, độ ẩm, pH cũng như hàm lượng khí ô nhiễm ở môi trường xung quanh Mẫu đất cũng được lấy thường xuyên để kiểm tra hàm lượng chất đinh dưỡng và nồng độ chất ô nhiễm (Kelepertzis, 2014)

• Xử lý tại chỗ trên quy mô hẹp "in situ"

Xử lý sinh học trong quy mô hẹp thường được ứng dụng cho việc xử lý chất

ô nhiễm dưới các vật kiến trúc, ô nhiễm ở các tầng sâu hàng chục mét, ô nhiễm

cácbua hydro đã mở rộng theo chiều ngang Trong trường hợp này, chất ô nhiễm

đã ngấm theo trọng lực xuống sâu thậm chí là đến nước ngầm, sau đó tiếp tục lan rộng trên quy mô lớn Để khống chế được hoàn toàn quá trình sinh học xảy ra ở các lớp đất sâu cần nắm vững hoạt động của khu hệ vi sinh vật và hệ thống thủy văn của khu vực (Dary et.al., 2010)

• Quạt sinh học (bioventing) và tạo bọt sinh học (bioparging)

Đây là phương pháp xử lý trên quy mô hẹp kết hợp giữa phá hủy ô nhiễm bằng sinh học và quạt Kỹ thuật quạt sinh học là thực hiện hiếu khí cưỡng bức trong đất không bão hòa phía trên mực nước ngầm Trong kỹ thuật tạo bọt sinh học người

ta bơm trực tiếp không khí vào lớp nước ngầm (Dary et.al., 2010)

• Rào chắn sinh học và bình phong sinh học

Kỹ thuật này được sử dụng để xử lý nước ngầm trên quy mô hẹp "in situ" Người ta tạo ra ở phía hạ lưu trên đường đi của nước ngầm một vùng nhiều vi sinh vật phù hợp với chất ô nhiễm cần xử lý Theo dòng nước ngầm, chất ô nhiễm bị phá hủy khi vượt qua sinh khối vi sinh vật Thông thường sử dụng giống vi sinh vật bản địa Vùng hoạt động mạnh của vi sinh vật sẽ tạo thành một rào chắn sinh học (Nguyễn Minh Hưng, 2019)

1.4.1.2 Tình hình nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản

Ở các nước có ngành công nghiệp khai thác mỏ phát triển như ở Anh, Thụy Điển, Australia, … và một số nước khác trong khu vực như Malaysia, Indonesia vấn

đề hoàn thổ phục hồi môi trường đã trở thành một quy chế bắt buộc Trước khi tiến hành các hoạt động khai thác, chủ mỏ bắt buộc phải lập kế hoạch hoàn thổ phục hồi môi trường hay ký quỹ môi trường Kế hoạch này như một bộ phận không thể tách rời của kế hoạch khai thác mỏ Trong kế hoạch hoàn thổ phục hồi môi trường những vấn đề như: hướng sử dụng đất sau khai thác, quy trình công nghệ hoàn thổ, tiến độ thực hiện và kinh phí được đề cập rất chi tiết với những hướng dẫn rất cụ thể và khoa học Việc lưu giữ các mẫu đất đá và giống cây nguyên thủy cũng được thực hiện rất cẩn thận để phục vụ cho việc hoàn thổ phục hồi môi trường nhiều năm sau (Chaney et al., 1997)

Hoạt động khai thác khoáng sản đã phát triển mạnh từ thập kỷ trước ở nhiều quốc gia giàu tài nguyên như Nga, Mỹ, Australia, Campuchia, Indonesia,

Phillipines, Trung Quốc, Ấn Độ, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng gia tăng nguyên liệu khoáng của thế giới như quặng sắt, chì, kẽm, thiếc, than đá, đồng và các loại khoáng sản khác, Ngành khai thác khoáng sản là ngành sử dụng diện tích đất rất lớn, mặt khác đa số các mỏ đều nằm dưới những cánh rừng và thủy vực có chức năng tạo sinh kế cho người dân Hoạt động khai thác khoáng sản dẫn đến suy thoái tài nguyên đất, tài nguyên rừng, tài nguyên nước, là rất lớn Tổ chức Bảo vệ môi trường Green Cross của Thụy Sĩ và Viện Blacksmith của Mỹ đã công bố kết quả nghiên cứu và đưa ra 10 nguyên nhân ô nhiễm môi trường gây tác hại nghiêm trọng nhất trên thế giới, trong đó có 2 nguyên nhân gây ô nhiễm thoái hóa môi trường đất

có liên quan đến khai khoáng

- Khai thác vàng thủ công: Với phương tiện đơn giản nhất như quặng vàng trộn lẫn với thủy ngân, hỗn hợp này sẽ được nung chảy, thủy ngân bốc hơi, chất còn lại là vàng Hậu quả, người khai thác hít khí độc, còn chất thải thủy ngân gây ô nhiễm, môi trường đất từ đó tích tụ trong cây cối, động vật và từ đó lan sang chuỗi thực phẩm

- Khai khoáng công nghiệp: Khó khăn lớn nhất là xử lý chất thải dưới dạng đất đá và bùn Chất thải này có thể có các hóa chất độc hại mà người ta sử dụng để tách quặng khỏi đất đá Chất thải ở các mỏ thường có các hợp chất sulfid-kim loại, chúng có thể tạo thành axít, với khối lượng lớn chúng có thể gây hại đối với đồng ruộng và nguồn nước ở xung quanh Bùn từ các khu mỏ chảy ra sông suối có thể gây ùn tắc dòng chảy từ đó gây lũ lụt (Chantachon et.al., 2003)

Trong những năm gần đây, người ta quan tâm rất nhiều về công nghệ sử dụng thực vật để xử lý môi trường, trong đó có xử lý ô nhiễm kim loại nặng và các chất nguy hại khác trong đất (Chibuike and Obiora, 2014) Nhiều nhà khoa học đặc biệt

là ở Mỹ và châu Âu đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ này như một công nghệ mang tính chất thương mại Công nghệ này có ưu điểm là chi phí đầu tư thấp, dễ thực hiện, an toàn và thân thiện với môi trường Năm 1998, Cục môi trường châu Âu (EEA) đánh giá hiệu quả kinh tế của các phương pháp xử

lý kim loại nặng trong đất bằng phương pháp truyền thống và phương pháp sử dụng thực vật tại 1.400.000 vị trí bị ô nhiễm ở Tây Âu Kết quả cho thấy chi phí trung bình của phương pháp truyền thống trên 1 ha đất từ 0,27 đến 1,6 triệu USD, trong