Tác động của hoạt động khai thác sắt tới môi trường nước

nước ngầm tại khu vực Mỏ sắt Trại Cau - Đồng Hỷ - Thái Nguyên

Nguồn phát sinh lượng nước thải bao gồm: Nước mưa chảy tràn phát sinh trên các tuyến đường vận chuyển, khu vực tuyển quặng và khu vực phụ trợ; nước thải sản xuất phát sinh từ quá trình tuyển rửa quặng của Mỏ; nước thải sinh hoạt của công nhân viên phát sinh từ các khu vực phòng ăn, nhà ăn, nơi nghỉ của công nhân.

a. Chất lượng nước mặt

Các chỉ tiêu: pH, Coliform, As, Cd, Fe, Mn, Pb đều nằm trong giới hạn cho phép, chỉ riêng các chỉ tiêu TSS, BOD5, COD là vượt tiêu chuẩn cho phép. Cụ thể như sau:

+ Đối với BOD5, năm 2012 vượt 2,95 lần, năm 2013 vượt xấp xỉ 1,2 lần + Đối với COD, năm 2012 vượt 5,56 lần, năm 2013 vượt xấp xỉ 1,06 lần + Đối với TSS, năm 2011 vượt 70,64 lần, năm 2012 vượt 1,4 lần

b. Chất lượng nước ngầm

Người dân khu vực Mỏ chủ yếu sử dụng nước giếng khoan để sinh hoạt, tuy nhiên trong qúa trình khai thác cũng đã có những ảnh hưởng về chất lượng, số lượng đến nguồn nước trên. Do gần khu vực khai thác nằm trên vùng đất phân bố karst rất dễ bị hạ mực nước ngầm dẫn đến hiện tượng thiếu hụt nước.

Các chỉ tiêu: pH, chất rắn lơ lửng, As, Cd, Fe, Mn, Pb đều nằm trong giới hạn cho phép. Chỉ riêng chỉ tiêu Coliform năm 2012 vượt 26,3 lần.

c. Chất lượng nước thải trong quá trình khai thác

Một số chỉ tiêu như BOD, COD, TSS, Mn vượt QCVN. Cụ thể: + Đối với BOD5: năm 2013 vượt so với QCVN 1,4 lần

+ Đối với COD: năm 2013 vượt so với QCVN 1,98 lần

+ Đối với TSS: năm 2011 vượt 3,2 lần; năm 2012 vượt 1,6 lần + Đối với Mn: năm 2013 vượt so với QCVN 61 lần[1].

1.5.2.2. Tác động của hoạt động khai thác sắt tới môi trường nước đất tại khu vực Mỏ sắt Trại Cau - Đồng Hỷ - Thái Nguyên

Nguồn phát sinh do đặc thù của quá trình khai thác mỏ được tiến hành như sau:

- Công đoạn nổ mìn thường gây ra các hiện tượng sụt lún, nứt đất...

- Quá trình bốc xúc, tuyển rửa quặng, làm đất rơi, xốp tạo điều kiện cho quá trình phong hóa và hóa tách các loại khoáng vật kim loại trong đó.

- Một khối lượng lớn chất thải rắn được hình thành do những vật liệu có ích thường chỉ chiếm một phần nhỏ của khối lượng quặng được khai thác, dẫn đến nhiều khi khối lượng đất đá vượt khối lượng quặng nằm trong lòng đất.

- Do di dời một khối lượng lớn đất đá ra khỏi lòng đất tạo nên một khoảng trống rất lớn và rất sâu.

- Môi trường đất chịu ảnh hưởng lớn nhất trong mở moong khai thác là chất thải rắn không sử dụng được cho mục đích khác, đã tạo nên trên bề mặt địa hình mấp mô, xem kẽ giữa các hố sâu và các đống đất đá.

- Một số diện tích đất xung quanh các bãi thải quặng có thể bị bồi lắng do sạt lở, xói mòn của đất đá thải, gây thoái hóa lớp đất mặt.

Kết quả phân tích đất đồng ruộng tại mỏ sắt Trại Cau thì thấy Zn, As vượt tiêu chuẩn cho phép, Zn vượt 1,4 lần năm 2013; As năm 2011 và năm 2012 đều vượt lần lượt là 1,8 lần và 1,6 lần so với QCVN đối với loại đất Nông nghiệp.

Đối với môi trường đất tại khu vực công trường khai thác ta có thể thấy Zn, As luôn vượt QCVN, chỉ tiêu Pb năm 2013 có dấu hiệu tăng lên rõ rệt và vượt QCVN. Cụ thể các chỉ tiêu vượt như sau:

+ Đối với Zn: năm 2011 vượt 4,4 lần, năm 2012 vượt 1,84 lần, năm 2013 vượt 1,9 lần.

+ Đối với As: năm 2011 vượt 1,98 lần, năm 2012 vượt 3,04 lần, năm 2013 vượt 1,5 lần.

CHƯƠNG 2

ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là Asen và Chì có trong một số mẫu nước, đất tại khu vực mỏ sắt Trại Cau - Đồng Hỷ - Thái Nguyên được xác định bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử và phổ phát xạ nguyên tử.

2.2. Phạm vi nghiên cứu

Mỏ sắt Trại Cau và các khu vực lân cận.

2.3. Phương pháp nghiên cứu

2.3.1. Phương pháp thu thập thông tin

Đây là một trong những phương pháp cơ bản được thực hiện trong quá trình nghiên cứu. Các số liệu về ô nhiễm và chất lượng môi trường sau qua trình khai khoáng và quy trình hoạt động khai khoáng, làm giàu của cơ sở khai khoáng đều đã được tiến hành khảo sát và nghiên cứu rất nhiều lần trong các năm qua. Việc thu thập các thông tin này sẽ giảm bớt thời gian cũng như kinh phí thực hiện đề tài.

2.3.2. Phương pháp điều tra khảo sát thực địa

Nội dung chính trong phần này bao gồm:

- Khảo sát toàn bộ hoạt động khai khoáng, làm giàu, xử lý nước, khí và chất rắn của cơ sở khai khoáng.

- Khảo sát toàn bộ tuyến thải để chọn vị trí thu mẫu hợp lý.

2.3.3. Các phương pháp quan trắc và phân tích kim loại nặng

2.3.3.1. Phương pháp hóa học

 Phương pháp thể tích

Là phương pháp cổ điển phân tích định lượng dựa trên việc đo thể tích dung dịch chuẩn (đã biết chính xác nồng độ) cần dùng để phản ứng vừa đủ với kim loại nặng có mặt trong mẫu.

Là phương pháp phân tích trọng lượng dựa vào việc cân khối lượng sản phẩm được tách bằng phản ứng kết tủa để từ đó xác định được hàm lượng kim loại nặng có mặt trong mẫu.

2.3.3.2. Các phương pháp hóa lý

 Phương pháp quang

Các phương pháp quang được sử dụng để phân tích kim loại nặng thường là trắc quang, AAS, ICP-OES, AES – MS, AAS – MS.

 Phương pháp điện hóa

Các phương pháp điện hóa được sử dụng để phân tích kim loại nặng bao gồm: phương pháp cực phổ dòng một chiều, phương pháp von – ampe hòa tan, ngoài ra còn phương pháp von – ampe hòa tan xung vi phân (DP – ASV).

 Phương pháp tách/ sắc ký

Các phương pháp trao đổi, chiết (phức cơ – kim), sắc ký trao đổi ion đều là những phương pháp thuộc dòng phương pháp tách / sắc ký[7].

2.3.4. Phương pháp lấy và bảo quản mẫu

Đây là phương pháp bắt buộc phải có và phải thực hiện một cách nghiêm túc trong quá trình làm đề tài, việc lấy mẫu và phân tích mẫu sẽ cho ra các kết quả trực quan phản ánh chất lượng môi trường ở khu vực nghiên cứu. Hạn chế việc xảy ra sai sót trong quá trình này nếu không sẽ ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu.

Mẫu nước sau khi lấy được tiến hành lọc ngay tại nơi thu mẫu và tiến hành bảo quản mẫu theo TCVN 6663 – 3:2008.

* Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu

Sử dụng công thức ước lượng 1 tỷ lệ:

Trong đó:

n: Cỡ mẫu nghiên cứu tối thiểu

Z2(1-α/2): Hệ số tin cậy, chọn mức tin cậy 95% → Z2(1-α/2) = 1,96.

p: Tỷ lệ ước tính số các mẫu phân tích có thành phần Asen, Chì là 97,5% (p=0,975)

q = 1 - p = 0,025 d: Sai số mong muốn trong mức 0,05. Thay vào công thức tính được n = 19.

2.3.4.1. Lấy mẫu và bảo quản mẫu

Chúng tôi tiến hành phân tích hàm lượng As, Pb trong một số mẫu nước và mẫu đất tại khu vực mỏ sắt Trại Cau và khu vực lân cận để đánh giá tình trạng ô nhiễm Asen và Chì tại khu vực này.

Trong luận văn này, lấy 19 mẫu nước và mẫu đất. Trong đó: lấy 11 mẫu nước và 08 mẫu đất tại mỏ sắt Trại Cau - Đồng Hỷ - Thái Nguyên và các khu vực lân cận[10].

2.3.4.1.1. Mẫu nước

Bảng 2.1: Các mẫu nước lấy tại khu vực mỏ sắt Trại Cau và lân cận

STT Mẫu Ngày lấy

mẫu Địa điểm lấy mẫu pH

1 N1 18/7/2016 Tổ 16- thị trấn Trại Cau - cách mỏ 100m về phía Tây Nam ( bên ngoài) (x:02387161, y:00444632)

7,4

2 N2 18/7/2016 Tổ 14- thị trấn Trại Cau - cách mỏ 100m về phía Đông Bắc (x:02387841, y:00443793)

7,9

3 N3 18/7/2016

Xóm Kim Cương, xã Cây Thị - Trại Cau - cách mỏ 200m về phía Tây Bắc trước

điểm tiếp nhận (x:02387852,y:00445435) 7,7 4 N4 18/7/2016 Tổ 3- thị trấn Trại Cau - cách mỏ 300m (x:02388665,y:00442105) 8,2 5 N5 18/7/2016 Tổ 2- thị trấn Trại Cau - cách mỏ 200m (x:02388499,y:00442357) 7,8 6 N6 18/7/2016 Tổ 1- thị trấn Trại Cau - cách mỏ 100m (x:02387860,y:00445423) 7,5 7 N7 18/7/2016

Suối Ngàn Me - trước khi chảy qua khu vực mỏ sắt Trại Cau khoảng 200m về

phía thượng nguồn (x:02387798,y:00445453)

8,1

8 N8 18/7/2016

Suối Cây Thị - trước khi chảy qua khu vực mỏ sắt Trại Cau khoảng 200m về

phía thượng nguồn (x:02388842,y:00443900)

STT Mẫu Ngày lấy

mẫu Địa điểm lấy mẫu pH

9 N9 18/7/2016 Nước suối - cách điểm xả thải mỏ sắt Trại Cau 100m (x:02388648,y:00442059)

6,7

10 N10 18/7/2016 Trại Cau 50m (x:02388654,y:00442123) Nước suối - cách điểm xả thải mỏ sắt 6,5

11 N11 18/7/2016 Nước suối - cách điểm xả thải mỏ sắt Trại Cau 200m (x:02388635,y:00442037)

7,2

Mẫu nước được lấy ở độ sâu cách mặt nước khoảng 20 – 30 cm. Mẫu được axit hóa (ngay sau khi lấy và đo pH ban đầu) bằng axit HNO3 đặc sao cho pH = 1 - 2 để tránh sự phân hủy của các ion kim loại. Các mẫu sau khi lấy đều được bảo quản và dán nhãn ghi lý lịch cho biết: vị trí lấy mẫu, thời gian lấy mẫu, pH ban đầu (bảng 2.1).

2.3.4.1.2. Mẫu đất

Mẫu đất sau khi lấy ở các địa điểm trên (bảng 2.2), được đựng trong túi nilon sạch và đưa về phòng thí nghiệm.

Bảng 2.2: Các mẫu đất tại khu vực khu vực mỏ sắt Trại Cau và lân cận

STT Kí hiệu Ngày lấy mẫu Địa điểm lấy mẫu

1 MĐ1 20/7/2016 Tổ 16 - thị trấn Trại Cau - bên trong phía Tây Nam (x:02387196;y:00444636)

2 MĐ2 20/7/2016 ven moong khai thác về phía Bắc

(x:02387842,y:00444439) 3 MĐ3 20/7/2016 tôt 14 - thị trấn Trại Cau - cách mỏ 100m về phía Đông Bắc

(x:02387841,y:00443793)

4 MĐ4 20/7/2016 cách 100m về phía

Bắc(x:02388833,y:00443887)

5 MĐ5 20/7/2016 bên ngoài cách mỏ 100m về phía

Nam (x:02387702,y:00445253)

6 MĐ6 20/7/2016 bên ngoài mỏ phía Bắc cách

100m (x:02387862,y:00443878)

7 MĐ7 20/7/2016 bên ngoài phía Tây

8 MĐ8 20/7/2016 bên trong phía Nam (x:02387206,y:00444702)

2.3.4.2. Xử lý mẫu

Nguyên tắc: Chuyển các ion kim loại về dạng muối vô cơ tan trong nước, rồi xác định hàm lượng của chúng trong dung dịch đó [10].

2.3.4.2.1. Xử lý mẫu nước

- Đo pH của dung dịch mẫu ngay tại thời điểm lấy mẫu, sau đó axit hóa bằng axit HNO3 đặc.

- Lọc bỏ cặn, các chất lơ lửng

- Đem xác định hàm lượng kim loại bằng phương pháp GF – AAS (với phương pháp này ta không cần làm giàu mẫu nước trước khi đo).

2.3.4.2.2. Xử lý mẫu đất

Cân một lượng chính xác 1gam mẫu đất đã xay thành bột, sau đó chuyển vào cốc thủy tinh chịu nhiệt, thêm vào cốc 10ml dung dịch HNO3 63 – 68%, 2ml HClO4. Đun trên bếp điện trong tủ hốt khoảng 2 – 3 giờ đến khi hết mẫu, thu được dung dịch trong suốt (thêm HNO3 63 – 68% và đun tiếp nếu dung dịch chưa trong suốt). Sau đó làm bay hơi hết axit, đến khi còn muối ẩm, định mức 25ml bằng HNO3 2% (nếu muối không tan hết thì thêm 1 – 2ml dung dịch HNO3 63 – 68%). Tùy vào hàm lượng kim loại cần xác định mà chúng tôi làm giàu hay pha loãng để hàm lượng kim loại nằm trong khoảng tuyến tính của phương pháp.

2.3.5. Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

Vì mục tiêu nghiên cứu của luận văn là sự lan truyền của kim loại nặng trong nước và sự lắng đọng trong đất / trầm tích nên các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm tập trung chủ yếu vào quá trình tiền xử lý mẫu và quy trình phân tích. Để có được mẫu cho quá trình phân tích bằng AAS, ICP-OES các mẫu phải được chuyển sang trạng thái hòa tan.

- Đối với kim loại nặng trong mẫu nước: Sau khi bảo quản thì tiến hành phân tích trực tiếp.

- Đối với kim loại nặng trong mẫu trầm tích cần phải tiến hành phá mẫu trước khi phân tích.

Trong nghiên cứu này lựa chọn phương pháp phân tích AAS để tiến hành phân tích hàm lượng kim loại nặng do phương pháp này có độ chính xác cao, có khả năng phân tích được nhiều kim loại nặng khác nhau và giá cả tương đối phù hợp cho phân tích hàng loạt.

2.3.6. Phương pháp xử lý số liệu, tính toán.

Sau khi tiến hành phân tích và thu kết quả. Xử lý số liệu phân tích bằng phần mềm Excel, Word, Origin 8.5. Hiệu chỉnh số liệu một cách hợp lý, trình bày số liệu dưới dạng bảng biểu để dễ dàng theo dõi.

2.3.7. Phương pháp đường chuẩn

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào phương trình cơ bản của phép đo A = K.C và một dãy mẫu đầu để dựng một đường chuẩn, sau đó nhờ đường chuẩn này và giá trị A để xác định nồng độ CX của nguyên tố cần phân tích trong mẫu đo phổ, rồi từ đó tính được nồng độ của nó trong mẫu phân tích.

Trước hết phải chuẩn bị một dãy mẫu đầu, dãy mẫu chuẩn (thông thường là 5 mẫu) và các mẫu phân tích trong cùng điều kiện. Ví dụ các mẫu đầu có nồng độ của nguyên tố X cần xác định C1, C2, C3, C4, C5 và các mẫu phân tích là CX1, CX2… Rồi sau đó chọn một quá trình phân tích phù hợp để rồi đo phổ. Đo các mẫu chuẩn và các mẫu phân tích theo một vạch  đã chọn. Ví dụ thu được các giá trị cường độ tương ứng với các nồng độ là A1, A2, A3, A4, A5, và AX1, AX2… Sau đó dựng đường chuẩn theo hệ toạ độ A - Cx.

Nhờ đường chuẩn và các giá trị AX ta sẽ dễ dàng xác định được nồng độ CX. Công việc cụ thể là đem các giá trị AX đặt lên trục tung A của hệ toạ độ, từ đó kẻ đường song song với trục hoành CX. Đường này sẽ cắt đường chuẩn tại điểm M. Từ điểm M hạ đường vuông góc với trục hoành cắt trục hoành tại CX. CX là nồng độ cần tìm[7].

C7 C6 C5 C4 C3  C ( m g / m L ) A x C x C 1 C2 0

Hình 2.1: Đồ thị của phương pháp đường chuẩn

2.4. Nội dung nghiên cứu

Trong phần thực nghiệm luận văn cần thực hiện các nhiệm vụ sau:

2.4.1. Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Asen, Chì.

2.4.2. Đánh giá sai số, độ lặp, khoảng tin cậy của phép đo, xác định LOD, LOQ. LOQ.

2.4.3. Xác định hàm lượng As, Pb trong các mẫu nước và mẫu đất bằng phương pháp đường chuẩn.

2.5. Thiết bị, hóa chất, dụng cụ 2.5.1.Thiết bị 2.5.1.Thiết bị

- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS700.

- Máy phổ phát xạ nguyên tử Agilent ICP- OES 5100 của Mỹ - Máy cất nước hai lần Aquatron A4000D của Mỹ .

- Cân phân tích CPA2245 của Đức ( 0,1 mg). - Tủ lạnh, bếp điện. 2.5.2. Dụng cụ - Bình định mức 100ml, 1000ml - Pipet 1 ml, 2 ml, 5 ml, 10 ml - Ống đong - Cốc 500ml C (mg/ml)

- Bình nón tam giác 100 ml - Bình tia

- Rây phẳng có cỡ lỗ 2mm, 0,25 mm - Khay đựng và chia mẫu

- Tủ sấy

- Cân phân tích chính xác tới 0,1g

2.5.3. Hoá chất

- Axit Nitric (HNO3) 65%

- Dung dịch chuẩn As, Pb nồng độ 1000 mg/l - Nước cất

CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1. XÁC ĐỊNH CÁC NGUYÊN TỐ ASEN, CHÌ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GF-AAS. GF-AAS.

3.1.1. Các điều kiện thực nghiệm xác định các nguyên tố Asen, Chì bằng phương pháp GF - AAS [7] phương pháp GF - AAS [7]

Các điều kiện tối ưu cho phép đo GF – AAS đối với As và Pb như sau: