Nghiên cứu sự biến đổi một số tính chất lý - hóa nước suối Tân Long dưới tác động của nước thải mỏ than Khánh Hòa - tỉnh Thái Nguyên

Đặc tính keo của thành phần sét trong các bãi thải mỏ và nguy cơ tiềm ẩn đối với chất lượng nước suối Tân Long .... Nguyễn Ngọc Minh, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu sự biế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Dương Văn Hùng

NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỔI MỘT SỐ TÍNH CHẤT LÝ – HÓA NƯỚC SUỐI TÂN LONG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA NƯỚC THẢI MỎ

THAN KHÁNH HÒA – TỈNH THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Mã số: 60 85 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Nguyễn Ngọc Minh

Hà Nội năm 2012

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

nước và nước thải

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 10

Chương I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 12

1.1 Giới thiệu chung về khu vực nghiên cứu 12

1.1.1 Vị trí địa lý, ranh giới hành chính 12

1.1.2 Điều kiện khí tượng, thuỷ văn khu vực mỏ than Khánh Hoà 12

1.1.3 Đặc điểm địa hình địa chất mỏ than Khánh Hoà 14

1.1.4 Hoạt động khai thác và đổ thải tại mỏ than Khánh Hòa 14

1.2 Hoạt động khai thác tại mỏ than Khánh Hòa và những vấn đề về ô nhiễm môi trường 15

1.2.1 Thành phần chất thải và đặc điểm các bãi thải mỏ 15

1.2.2 Ảnh hưởng của nước thải mỏ đến môi trường nước ở các lưu vực xung quanh 16

1.2.3 Nguy cơ tiềm ẩn tại các bãi đổ thải do đặc tính keo của sét trong thành phần thải 17

1.2.3.1 Cơ chế hoạt động của keo sét và vấn đề ô nhiễm môi trường nước xung quanh bãi thải mỏ 17

1.2.3.2 Cơ chế phân tán khoáng sét 18

1.2.3.3 Ảnh hưởng của một số tính chất lý - hóa đến đặc tính keo của sét 19

Chương II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Đối tượng nghiên cứu 21

2.2 Phương pháp nghiên cứu 21

2.2.1.Phương pháp nghiên cứu chất lượng nước 21

Các chỉ tiêu hóa lý cơ bản của mẫu nước được xác định theo các phương pháp liệt kê trong bảng 2.1 21

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu mẫu trầm tích và mẫu đất 23

Chương III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 26

3.1 Một số tính chất lý - hóa của nước thải mỏ 26

3.1.1 Tính chất lý học của nước thải mỏ 26

3.1.1.1 Độ đục 26

3.1.1.2 pH 27

3.1.1 3 Chất rắn lơ lửng 28

3.1.1.4 Tính chất hóa học đặc trưng của nuớc thải mỏ 29

3.2 Một số tính chất lý - hóa nước suối Tân Long dưới tác động của nước thải mỏ than Khánh Hòa 31

3.2.1 Nhiệt độ 31

3.2.2 pH 32

3.2.3 Độ đục 33

3.2.4 Chất rắn lơ lửng 34

3.2.5 Chất hữu cơ ( BOD5 và COD) 36

3.2.6 Các kim loại nặng trong nước mặt suối Tân Long 37

3.2.7 Sunphat (SO42-) 38

3.3 Đặc điểm trầm tích suối và mối quan hệ đến độ đục nước suối 39

3.3.1 Một số đặc tính của trầm tích suối Tân Long 39

3.3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố pH, cation và anion lên đặc tính keo của khoáng sét trong trầm tích suối Tân Long 43

3.3.2.1 Ảnh hưởng của các cation 43

3.3.2.2 Ảnh hưởng của anion sunphat (SO42-) đến khả năng phân tán khoáng sét trong mẫu trầm tích và độ đục của nước suối 49

3.3.2.3 Ảnh hưởng của pH 51

3.4 Đặc tính keo của thành phần sét trong các bãi thải mỏ và nguy cơ tiềm ẩn đối với chất lượng nước suối Tân Long 53

3.4.1 Thành phần cấp hạt sét trong mẫu đất thải mỏ 53

3.4.2 Thành phần khoáng sét trong đất nghiên cứu 53

3.4.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên đặc tính keo của khoáng sét 55

3.4.3.1 Ảnh hưởng của pH 56

3.4.3.2 Ảnh hưởng của các cation lên đặc tính keo của khoáng sét 57

3.4.3.3 Ảnh hưởng của các anion đến sự tụ keo của khoáng sét 61

3.4.4 Tác động của keo sét đến lưu vực suối Tân Long 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

1 Kết luận 65

2 Kiến nghị 65

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thống kê lưu lượng các suối chính 13

Bảng 2.1 Các phương pháp phân tích nước 22

Bảng 3.1 Kết quả chất lượng nước thải của mỏ than Khánh Hòa 30

Bảng 3.2 Hàm lượng cấp hạt trong các mẫu trầm tích 39

Bảng 3.3 Một số đặc tính hóa lý cơ bản của mẫu trầm tích vùng nghiên cứu 41

Bảng 3.4 Kết quả sự ảnh hưởng của các cation lên đặc tính keo của khoáng sét trong mẫu trầm tích ( ký hiệu: BĐ - 1) 44

Bảng 3.5 Kết quả sự ảnh hưởng của các cation lên đặc tính keo của khoáng sét trong mẫu trầm tích ( ký hiệu: BĐ - 2) 46

Bảng 3.6 Kết quả sự ảnh hưởng của các cation lên đặc tính keo của khoáng sét trong mẫu trầm tích ( ký hiệu: BĐ - 3) 47

Bảng 3.7 Kết quả sự ảnh hưởng của các cation lên đặc tính keo của khoáng sét trong mẫu trầm tích ( ký hiệu: BĐ – 4) 48

Bảng 3.8 Mức độ ảnh hưởng của anion sunphate đến phân tán khoáng sét 49

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của pH lên đặc tính keo của khoáng sét trong các mẫu trầm tích 51

Bảng 3.10 Hàm lượng cấp hạt trong các mẫu đất nghiên cứu 53

Bảng 3.11 So sánh sự ảnh hưởng của pH lên đặc tính keo của khoáng sét tách từ hai mẫu đất 56

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của các cation lên đặc tính keo của khoáng sét trong mẫu đất 1 58

Bảng 3.13 Ảnh hưởng của các cation lên đặc tính keo của khoáng sét trong mẫu đất 2 60

Bảng 3.14 So sánh mức độ ảnh hưởng của các anion đến khả năng keo tụ của dung dịch khoáng sét 62

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1: Diễn biến độ đục của nước thải theo mùa của từng năm 27

Hình 3.2: Diễn biến pH của nước thải theo thời gian 27

Hình 3.3: Biểu đồ diễn biến pH của nước thải theo thời gian 28

Hình 3.4: Diễn biến nồng độ SO42-của nước thải theo thời gian 30

Hình 3.5: Biến động nhiệt độ nước mặt theo thời gian và điểm quan trắc 32 Hình 3.6: Diễn biến pH nước mặt suối Tân Long thay đổi theo không gian và thời gian 33

Hình 3.7: Diễn biến Độ đục nước mặt suối Tân Long theo không gian và thời 34

Hình 3.8: Diễn biến TSS nước mặt suối Tân Long qua các năm và các điểm điểm 36

Hình 3.10: Diễn biến As và Pb nước suối Tân Long theo thời gian 38

Hình 3.11: Diễn biến Fe và Zn nước suối Tân Long theo thời gian và theo điểm quan trắc 38

Hình 3.12: Diễn biến SO4 của nước suối theo thời gian và không gian 39

Hình 3.13: Nước thải mỏ than cuốn theo các chất lơ lửng đổ vào suối 40

Hình 3.14: Biểu đồ nhiễu xạ tia X của khoáng sét của mẫu trầm tích nghiên cứu 42

Hình 3.15: Ảnh hưởng của các cation đến sự tụ keo của sét trong dung dịch mẫu trầm tích 1 45

Hình 3.16: Ảnh hưởng của các cation đến sự tụ keo của sét trong dung dịch mẫu trầm tích 2 46

Hình 3.17: Ảnh hưởng của các cation đến sự tụ keo của sét trong dung dịch mẫu trầm tích 3 47

Hình 3.18: Ảnh hưởng của các cation đến sự tụ keo của sét trong dung dịch mẫu trầm tích 4 48

Hình 3.20: Ảnh hưởng của pH đến trạng thái tụ keo và tán keo của khoáng sét 52 Hình 3.21 Nhiễu xạ đồ tia X của mẫu khoáng sét tách từ mẫu đất 1(bãi thải phía Nam mỏ than) với các phương pháp xử lý khác nhau 54 Hình 3.22 Nhiễu xạ đồ tia X của mẫu khoáng sét tách từ mẫu đất 2 (bãi thải phía Tây mỏ than) với các phương pháp xử lý khác nhau 55 Hình 3.23: Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của pH lên đặc tính keo của khoáng sét tách từ hai mẫu đất 57 Hình 3.24 Ảnh hưởng của các cation lên đặc tính keo của khoáng sét mẫu đất 1 58 Hình 3.25 Ảnh hưởng của các cation lên đặc tính keo của khoáng sét mẫu đất 2 60 Hình 3.26 Ảnh hưởng của các anion lên đặc tính keo của khoáng sét mẫu đất 1 62 Hình 3.27: Ảnh hưởng của các anion đến đặc tính keo của khoáng sét mẫu đất 2 63

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong thời kì hội nhập kinh tế toàn cầu, đất nước ta đang đẩy mạnh công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa, phấn đấu cơ bản trở thành nước công nghiệp vào năm 2020 Nền kinh tế đất nước tăng trưởng đáng kể, đạt được nhiều thành tựu Tuy nhiên, việc phát triển kinh tế cũng nảy sinh những vấn đề không nhỏ về môi trường Để phục vụ cho sản xuất, phát triển công nghiệp, một lượng tài nguyên khoáng sản như than, đá bị khai thác, trong đó than là khoáng sản được khai thác

đã có lịch sử kéo dài và quy mô khai khác trên diện rộng khắp các tỉnh thành cả nước Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là hiện nay việc khai thác than sử dụng công nghệ còn quá lạc hậu và thường gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường

Thái Nguyên là tỉnh có nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú cả về chủng loại và trữ lượng Thêm vào đó, Thái Nguyên còn là trung tâm văn hoá - kinh tế - xã hội của các tỉnh miền núi phía Đông Bắc, là cầu nối giao thông giữa các tỉnh phía Đông Bắc với Hà Nội, Tây Bắc và các tỉnh vùng đồng bằng Bắc Bộ, rất thuận lợi cho việc phát triển ngành công nghiệp

Được đánh giá là tỉnh có trữ lượng than lớn thứ hai trong cả nước, với 15 triệu tấn than mỡ và khoảng 90 triệu tấn than đá, phân bố ở các mỏ lớn thuộc các huyện trên địa bàn tỉnh như mỏ than Khánh Hòa, mỏ than Phấn Mễ, mỏ than Núi Hồng…, ngành khai thác than đã và đang phục vụ đắc lực cho công nghiệp luyện kim của tỉnh, điển hình là mỏ than Khánh Hòa với sản lượng khai thác hiện nay trên 700.000 tấn/năm, đóng góp rất lớn cho ngân sách của tỉnh mỗi năm

Nhưng bên cạnh nguồn lợi to lớn mà ngành công nghiệp than đem lại thì vấn

đề môi trường liên quan đến hoạt động khai thác than cũng rất đáng quan tâm Theo

số liệu tại mỏ than Khánh Hòa, để khai thác được 1 tấn than thì khối lượng đất đá cần bóc đi từ 8 đến 10 m3 đất phủ, thải ra 1 đến 3 m3 nước thải Quá trình khai thác kéo dài nhiều năm dẫn đến các bãi thải của công trường khai thác ngày càng mở rộng về số lượng và quy mô, và có những tác động đến hệ sinh thái và sức khỏe của cộng đồng dân cư sống ở khu vực xung quanh Tại các bãi thải mỏ, thành phần chủ

yếu của chất thải trên các bãi thải là đất đá do nổ mìn gồm: cát kết, bột kết, sét kết

và đất phủ Trong các thành phần này, mức độ phong hoá của bột kết chậm hơn so với các đá khác, đá được tạo bởi sét kết bị phong hoá nhanh, dễ nứt nẻ, vỡ vụn, khi gặp nước thì chảy nhão nên dễ gây bồi lắng, lụt lội và trượt lở bãi thải

Để xác định được những ảnh hưởng này, cần phải có những nghiên cứu cụ thể Được sự đồng ý của Ban giám hiệu nhà trường, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của

giảng viên TS Nguyễn Ngọc Minh, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu

sự biến đổi một số tính chất lý - hóa nước suối Tân Long dưới tác động của nước thải mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên” được đặt ra với những mục tiêu và

nội dung nghiên cứu cụ thể như sau:

- Đánh giá những ảnh hưởng từ hoạt động khai thác than tại mỏ than Khánh Hòa các bãi thải mỏ đến chất lượng nước suối Tân Long Tác động của nước thải

mỏ và nước chảy tràn từ các bãi đổ thải là những nguồn tác động chủ yếu và sẽ được tìm hiểu kỹ lưỡng trong nghiên cứu này

- Dự báo và đề xuất giải pháp giảm thiểu các ảnh hưởng của hoạt động khai thác than tại mỏ Khánh Hòa đến chất lượng nước suối Tân Long

- Thu thập điều tra, tổng hợp đánh giá sơ bộ các hoạt động kinh tế xã hội trong vùng tiến hành nghiên cứu

- Hiện trạng điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội trong vùng nghiên cứu

- Nghiên cứu sự rửa trôi khoáng sét tại các bãi thải mỏ

- Đánh giá ảnh hưởng của một số thành phần chất thải đến chất lượng nước mặt của suối Tân Long

- Thu thập điều tra, tổng hợp hiện trạng điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội trong vùng nghiên cứu

- Xác định các tính chất lý hóa cơ bản của nước suối Tân Long

- Xác định thành phần và tính chất của trầm tích suối Tân Long

- Nghiên cứu thành phần sét và nguy cơ rửa trôi khoáng sét tại các bãi thải mỏ

Chương I TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu chung về khu vực nghiên cứu

1.1.1 Vị trí địa lý, ranh giới hành chính

Mỏ than Khánh Hòa nằm trên địa bàn xã Phúc Hà thuộc thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên, Việt Nam Xã nằm ở phía Tây -Tây Bắc của khu vực trung tâm thành phố Toạ độ địa lý của mỏ như sau:

21o37’38’’ – 21o36’00’’ Vĩ độ Bắc

105o44’38’’ – 105o47’21’’ Kinh độ Đông

Tiếp giáp các phía của mỏ như sau:

- Phía Đông giáp cánh đồng lúa

- Phía Tây giáp khu dân cư và phụ lưu suối Tân Long

- Phía nam giáp khu dân cư và cánh đồng lúa

- Phía Bắc giáp khu dân cư và lưu vực suối Tân Long

Mỏ nằm ở phía Đông và phía Bắc xã Phúc Hà Phía Đông Nam của mỏ là trụ

sở UBND xã Phúc Hà và trường tiểu học xã Phúc Hà Xung quanh khu vực mỏ có gần 100 hộ dân sinh sống, trong đó:

Khu vực khai trường cách hộ dân gần nhất là: 500m

Khu vực bãi thải cách hộ dân gần nhất là: 50m

Hệ thống sông suối quanh khu vực mỏ bao gồm suối Khánh Hoà (suối Huyền), suối Nam Tiền, suối Sơn Cẩm, đây là các phụ lưu chính đổ vào suối Tân Long trước khi tiếp nhận nước thải của mỏ than Khánh Hoà

1.1.2 Điều kiện khí tượng, thuỷ văn khu vực mỏ than Khánh Hoà

a/ Điều kiện khí tượng:

Mỏ than Khánh hoà nằm tại địa phận xã Phúc Hà - thành phố Thái Nguyên,

do đó có các đặc điểm khí hậu của khu vực thành phố Thái Nguyên và mang những

nét đặc trưng khí hậu của vùng trung du miền núi Bắc bộ, được chia làm hai mùa rõ rệt Mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10, mùa khố kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau

- Nhiệt độ trung bình năm đạt khoảng 360C trong đó có nhiệt độ trung bình cao nhất đạt 28,80c và trung bình thấp nhất khoảng 170C

- Độ ẩm không khí của khu vực khá cao, trung bình đạt 82%, độ ẩm trung bình lớn nhất 88%và trung bình thấp nhất đạt 77%

- Tổng số giờ nắng trung bình tháng khoảng 113giờ/tháng

- Lượng mưa trung bình tháng lớn nhất là tháng 7 và tháng nhỏ nhất là tháng 2

- Hướng gió thịnh hành tại khu vực mỏ là Đông Bắc (mùa đông) và Đông Nam (mua hè)

b/ Điều kiện thuỷ văn:

- Nước mặt: trong khu vực mỏ than chủ yếu là hệ thống suối Sơn Cẩm, suối Khánh Hoà suối Huyền), suối Nam Tiền, đây là các phụ lưu chính đổ vào suối Tân Long rồi đổ ra sông Cầu Lưu lượng của các suối được thống kê trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Thống kê lưu lượng các suối chính

Sơn Cẩm

Suối Khánh Hoà (Suối Huyền)

Suối NamTiền

Suối Tân Long

và cung cấp nước là nước mưa, miền thoát nước là các tầng đá của tầng chứa than

+ Nước trong địa tầng chứa than: tầng chứa nước trong địa tầng chứa than có thành phần chủ yếu là đá vôi, sét và một số lớp cát, bột kết và bột kết vôi Phần nông trong các lớp đá vôi sét có hang cactơ

1.1.3 Đặc điểm địa hình địa chất mỏ than Khánh Hoà

a/ Địa hình mỏ than Khánh Hoà:

Mỏ than Khánh Hoà nằm trong thung lũng kéo dài huớng Tây Bắc – Đông Nam, với chiều dài khoảng 6km, chiều rộng 600-700m Địa hình trong lòng thung lũng dốc từ phía Tây Bắc (với độ cao trung bình khoảng 32m) xuống phía Đông Nam (độ cao trung bình khoảng 28m) Phía Nam và Đông Nam thung lũng là các dải đồi thấp với độ cao từ +30m đến +70m và có một số đỉnh đồi có độ cao +150m

Các lớp hạt thô: gồm sạn kết, bột kết chiếm tỉ lệ không lớn

1.1.4 Hoạt động khai thác và đổ thải tại mỏ than Khánh Hòa

Tính từ năm 1954 đến 2006, mỏ than Khánh Hòa khai thác được gần 5.000.000 tấn Tính riêng từ năm 1980 đến 2006, tổng sản lượng than nguyên khai khai thác tại mỏ là 3.702.331 tấn Quá trình khai thác lộ thiên đã làm thay đổi địa hình nguyên thủy của khu vực [3] Trong 5 năm gần đây sản lượng than khai thác tăng đáng kể (trong năm 2011 đã bóc 7.5910.000 m3 đất đá; khai thác được 705.000 tấn than nguyên khai; tiêu thụ 853.000 tấn than) Một trong những vấn đề môi trường cấp bách cần được quan tâm đó là các bãi thải của mỏ than và nước thải thoát ra từ mỏ Để làm ra được 1 tấn than phải bốc xúc trên 10 tấn đất đá [5] Như vậy, các bãi thải của công trường khai thác lâu dần sẽ cao lên gây ảnh hưởng lớn đến môi trường và cộng đồng dân cư khu vực xung quanh Ngoài ra, do quy mô khai thác ngày một tăng, diện tích moong càng ngày càng mở rộng, lượng nước thải

phát sinh do tháo khô mỏ lớn >3.000m3/ng.đ và không được thu gom xử lý triệt để

sẽ là tác nhân lớn làm ô nhiễm môi trường nước và làm thay đổi chất lượng nước suối tiếp nhận

1.2 Hoạt động khai thác tại mỏ than Khánh Hòa và những vấn đề về ô nhiễm môi trường

Do hiện nay hoạt động khai thác than với công suất lớn dẫn đến tình trạng các bãi thải xung quanh mỏ than trở nên quá tải, đồng thời không được sự quản lý chặt chẽ mà các bãi thải mỏ dần biến thành các núi thải với chiều cao đổ thải vượt qua mức cho phép tới hàng vài chục mét có thể gây ra những sự cố sạt lở bãi thải

mỏ Tác động của bãi thải đến môi trường xảy ra trên diện rộng và theo chiều sâu:

- Tác động đến địa hình, địa mạo

- Thay đổi độ cao: phức tạp hoá địa hình, tăng độ tương phản, tăng độ chênh cao tương đối giữa các dạng địa hình, giảm thế năng địa hình

- Thay đổi độ dốc tự nhiên của địa hình khu vực sẵn có

- Thay đổi cấu trúc cảnh quan tự nhiên về độ phủ xanh, địa hình tự nhiên…

- Biến đổi lưu vực, các bồn thu nước và dòng chảy: hình thành các bồn trũng mới rất sâu, làm thay đổi hướng của những dòng chảy mặt, phân tán nguồn nước mặt Hình thành các vỉa nước ngầm mới trong các lớp đất đá ở bãi thải…

- Bị sụt lún nên hình thành những vùng trũng, nếp lõm, đứt gãy hoặc tổng hợp các dạng trên tại các bề mặt tương ứng với từng mức độ, từng dạng sụt lún

- Tác động đến lớp thổ nhưỡng: thay đổi thành phần, đặc tính và cấu trúc thổ nhưỡng ảnh hưởng đến quá trình thành tạo đất do làm lộ đá gốc

- Quá trình đổ thải làm thay đổi đáng kể các đặc tính vật lý, hoá học của cả

hệ thống tự nhiên [15]

1.2.1 Thành phần chất thải và đặc điểm các bãi thải mỏ

Sau quá trình khai thác và sàng lọc để thu lấy than sẽ thải ra lượng lớn đất đá

và một phần là lưu huỳnh còn lẫn trong đất đá Hiện công ty than Khánh Hòa có 2 bãi đổ thải (bãi thải Nam và bãi thải Tây) nằm trên địa bàn xã Phúc Hà Bãi thải

Nam có 6 tầng đổ thải, đỉnh cao nhất là +160m, khoảng cách từ chân bãi thải đến đỉnh cao nhất là 300m; bãi thải Tây có 3 tầng đổ thải, đỉnh cao nhất là +80m Nhưng cho đến thời điểm hiện tại đỉnh cao nhất của bãi thải Nam đã lên tới gần +190m trong khi theo thiết kế chỉ được cao tới +150m Trong khoảng cách 200m tính từ chân bãi thải có 288 hộ sinh sống và một số công trình trụ sở hành chính của địa phương gồm trụ sở Đảng ủy - UBND xã, trường mầm non, trạm y tế… Trong

đó có 112 hộ nằm trong phạm vi từ 0m - 12m; 85 hộ nằm trong phạm vi 50m - 100m; 91 hộ nằm trong phạm vi 100m - 200m tính từ chân bãi thải [3]

1.2.2 Ảnh hưởng của nước thải mỏ đến môi trường nước ở các lưu vực xung quanh

Ảnh hưởng từ nước thải mỏ đã làm cho chất lượng nước mặt tại các điểm sông, suối, ao, hồ khu vực lân cận mỏ than bị suy giảm Trong đó, chất lượng nước mặt tại lưu vực bao quanh mỏ có dấu hiệu ô nhiễm nặng về chất rắn lơ lửng, độ đục Trong nước thải mỏ có nguyên tố lưu huỳnh là kết quả quá trình hoạt động của vi sinh vật Than để lâu ngày, lưu huỳnh sunphat sinh ra thay thế dần lưu huỳnh pyrit Sunphat nằm ở dạng muối sắt và axit sunfuric là những chất tan trong nước, đây cũng là nguyên nhân làm cho hàm lượng các ion SO42- cao trong nước thải mỏ cũng như các lưu vực bao quanh mỏ

Hoạt động khai thác than lộ thiên còn làm hạ thấp tầng chứa nước ngầm, làm suy giảm trữ lượng nước và có nguy cơ bị axit hóa cao

Lưu lượng nước thải trung bình mỗi ngày xả ra ngoài môi trường do các hoạt động khai thác hầm lò theo định mức khoảng 3 - 10 m3/ tấn than khai thác; mỏ lộ thiên 2 m3/tấn than khai thác; tuyển than 0,5 m3/ tấn than sạch

Lượng nước thải phát sinh từ các loại hình khai thác than gồm:

* Nước thải hầm lò

Trong hầm than, nước tích lũy từ nước ngầm hay do hiện tượng rò rỉ từ nước

bề mặt Nước này phải được làm khô hoặc phải bơm đi Vì vậy, ở cả mỏ than lộ thiên và mỏ than hầm lò đều có nguồn nước thải

Khối lượng nước phụ thuộc chính vào đặc điểm địa chất của vùng, có vùng

cứ 1 tấn than được bóc, tách phải bơm 1 m3

nước ngầm Trong các mỏ than lộ thiên, lượng nước ngầm là 7,75 m3/tấn than được bóc tách Mặt khác, trong các mỏ than

có lớp phủ thì lượng nước ngầm là 0,96 m3/tấn than bóc tách [3] Nước trong hầm

mỏ có độ pH thấp, chứa hàm lượng lớn chất rắn lơ lửng, sunphat và hàm lượng các kim loại nặng (Fe, Mn, )

* Nước thải từ moong khai thác

Nguồn thải này chỉ có ở mỏ khai thác lộ thiên Nước thải từ các moong khai thác mỏ chủ yếu là nước mưa chảy tràn trên khai trường khai thác, bãi thải, các tuyến đường… Vào mùa mưa, lượng nước mưa này chảy qua bề mặt khai trường khai thác mang theo bùn sét và đất đá, bụi than, và xăng dầu do các phương tiện giao thông, máy móc hoạt động trên công trường Vào mùa khô, lượng nước

1.2.3.1 Cơ chế hoạt động của keo sét và vấn đề ô nhiễm môi trường nước xung quanh bãi thải mỏ

Các keo sét thuộc loại keo vô cơ, là các khoáng vật thứ sinh alumin silicat, được hình thành do sự biến đổi từ các khoáng vật nguyên sinh trong quá trình phong hoá hình thành đất, phân bố rộng rãi trong các loại đất Các khoáng vật này là thành phần chủ yếu của cấp hạt sét vì vậy chúng được gọi là các khoáng vật sét Chúng được phân biệt với nhau bởi mức độ phân tán cao, không tan trong nước

Trong đất có nhiều loại keo sét, nhưng trong chúng có vai trò quan trọng nhất

là các keo sét nhóm kaolinit, montmorilonit và hydromica

Ðặc điểm chung của các keo sét là chúng có cấu tạo lớp giống như mica và

sự thay thế đồng hình

+ Cấu tạo lớp của keo sét được tạo thành do sự liên kết của phiến khối tứ diện ôxit silic và phiến khối bát diện gipxit

+ Hiện tượng thay thế đồng hình

- Ở một số khoáng vật, trong đó có các khoáng sét có hiện tượng một số nguyên tố trong mạng lưới tinh thể của chúng có thể bị các nguyên tố khác ở bên ngoài vào thay thế Sự thay thế này không làm thay đổi hình dạng của khoáng vật

mà chỉ thay đổi tính chất Vì thế gọi là hiện tượng thay thế đồng hình[1]

1.2.3.2 Cơ chế phân tán khoáng sét

Khoáng sét có những đặc trưng riêng về hình thái cấu tạo tinh thể và có sự thay thế các ion trong cấu trúc (ví dụ Al thay cho Si, Mg thay cho Al) nên xét về tổng thể khoáng sét mang điện tích âm Điện tích âm bề mặt duy trì là một phần nguyên nhân giúp cho các khoáng sét có khả năng phân tán và tồn tại một thời gian dài trong dung dịch Quá trình tái tụ keo sẽ lại diễn ra khi khi động năng các hạt sét giảm (do không có các ngoại lực tác động thêm), hay do sự tăng lên nồng độ các cation trong dung dịch Nhìn chung sự có mặt của các cation sẽ làm giảm độ dày của lớp điện kép của khoáng sét Khi lớp điện kép bị mỏng đi tính bền vững của hệ keo cũng bị suy giảm Các hạt sét sẽ có khả năng liên kết với nhau và dẫn đến sự tụ keo Các cation hóa trị càng cao càng có khả năng trung hòa điện tích bề mặt Al3+

có khả năng “bù triệt để” điện tích âm trên bề mặt khoáng sét ở nồng độ rất thấp [16]

Sự thay thế hoặc trao đổi cation dễ hay khó phụ thuộc vào một vài nhân tố, đầu tiên là hóa trị của cation Các cation có hóa trị cao hơn sẽ dễ dàng thay thế các cation hóa trị thấp hơn Với các ion có cùng hóa trị, kích thước của các ion thủy hóa

sẽ đóng vai trò quan trọng, khả năng trao đổi càng lớn nếu kích thước này lớn Sự phức tạp hơn là của Kali, cho dù có hóa trị I lại vừa vặn trong lỗ sáu cạnh của lớp silicat, làm cho nó liên kết rất chặt chẽ với bề mặt các hạt sét và có năng lực thay

thế lớn hơn natri (một nguyên tố cũng có hóa trị I) Các cation liệt kê dưới đây theo khả năng thay thế Khả năng cụ thể phụ thuộc vào loại hạt sét, loại ion bị thay thế và nồng độ các ion khác nhau có mặt trong nước Thứ tự tăng dần khả năng thay thế ion như sau [23]:

Li+ < Na+ < H+ < K+ < NH4+ < Mg2+ < Ca2+ < Al3+

Các anion được nhìn nhận là một trong những nguyên nhân thúc đẩy sự tán keo Sự có mặt của các anion này làm biến đổi một lớp điện kép thông qua hai cơ chế: làm tăng điện tích âm trên bề mặt hoặc cạnh tranh hấp phụ vào các vị trí mang điện tích dương trên “ bề mặt rìa” Các anion hữu cơ là keo âm, do đó khi bị hấp phụ trong cấu trúc khoáng sét sẽ làm điện tích âm tổng thể của khoáng sét tăng thêm Kết quả là các anion hữu cơ có mặt càng nhiều thì sự tán keo càng được tăng cường Nghiên cứu trong những chất giàu hữu cơ đều cho thấy khoáng sét bị rửa trôi với tốc độ nhanh hơn Hiện tượng này là do sự tán keo của khoáng sét trong dung dịch đất dưới ảnh hưởng của chất hữu cơ đất Trong môi trường có phản ứng axit, các anion vô cơ thường bị hấp phụ trên “bề mặt rìa” – nơi các vị trí mang điện tích dương tồn tại Liên kết anion - “bề mặt rìa” sẽ cạnh tranh và làm giảm các liên kết “bề mặt lớn” - “bề mặt rìa” (card house - được biết đến như một nguyên nhân gây tụ keo), và do đó xúc tác cho sự tán keo Các anion hóa trị càng cao thì khả năng hấp phụ vào “bề mặt rìa” càng lớn, và do đó thúc đẩy sự tán keo nhiều hơn Khả năng xúc tác cho quá trình tán keo tuân theo thứ tự sau: PO43- > SO42- > Cl-

1.2.3.3 Ảnh hưởng của một số tính chất lý - hóa đến đặc tính keo của sét

Sự tồn tại của các cation và khoáng sét trong đất phụ thuộc rất lớn vào các yếu tố lý hóa trong đất Sự kết hợp các tính chất đất sẽ đặc trưng cho nguồn gốc phát sinh và khả năng giữ các chất dinh dưỡng cũng như các chất ô nhiễm trong đất, trong đó có các cation và anion hữu cơ hòa tan Chúng tồn tại dưới dạng dung dịch các muối và có mặt trong các cấu trúc tinh thể khoáng

Các cation có khả năng tác động đến sự phân tán của sét thông qua cơ chế trung hòa điện tích bề mặt và làm giảm lớp điện kép của các hạt sét Sự có mặt của các cation hóa trị cao hơn trong dung dịch thường làm cho sét bị keo tụ nhanh hơn

Nguyễn Ngọc Minh và nnk (2009) đã chứng mình rằng các cation tác động đến

tốc độ keo lắng của mẫu khoáng sét (chứa chủ yếu illit) theo thứ tự cation hóa trị III > hóa trị II > hóa trị I Ảnh hưởng của các anion hữu cơ đến sự phân tán

khoáng sét cũng đã được đề cập trong nhiều nghiên cứu (Shanmuganathan và

Oades, 1983; Penner và Lagaly, 2001; Frenkel và nnk, 1992) Tejada và Gonzalez (2007) đã chứng minh các anion hữu cơ làm giảm tính ổn định của cấu

trúc đất Đối với khoáng sét, pH ảnh hưởng đến sự chuyển hóa từ khoáng sét này sang dạng khoáng sét khác, cho nên pH là nguyên nhân quan trọng trong sự tạo thành khoáng sét của đất cùng với sự kết hợp của các yếu tố khác như khí hậu, địa hình, nhiệt độ…Dưới tác động của điều kiện tự nhiên khí hậu nóng ẩm, mưa nhiều, địa hình cao, dốc, đá mẹ dễ phong hóa, đặc biệt các loại đá trung tính (vôi), kiềm (mắc ma bazơ), trầm tích sét… bị phá hủy triệt để; các cation kiềm (K, Na) và kiềm thổ (Ca, ) cùng axit silicic bị rửa trôi mạnh (pH chua) thì sự tạo thành khoáng sét chủ yếu là kaolinit Ảnh hưởng của độ ẩm lên khoáng sét thể hiện rõ nhất khi trong đất tồn tại khoáng trương nở 2:1(montmorillonit) Cấu trúc đất khi đủ ẩm rất tốt, do các khoáng này kết hợp với mùn dạng humatcanxi nên cũng khá bền vững Nếu đất quá khô montmorillonit sẽ co lại mạnh làm đất nứt nẻ, khô cứng,

độ ẩm cây héo lớn… làm ảnh hưởng đến sự sống của thực vật Còn nếu đất quá ướt

và thời gian quá lâu thì sự trương nở sẽ phá vỡ cấu trúc đất, gây bí và thiếu oxy

Ngoài ra sự có mặt của các ion trong đất cũng làm ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của khoáng sét Khoáng sét hấp phụ cation hay anion tùy thuộc vào bản chất mang điện Nếu lượng ion để hấp phụ quá lớn thì bản thân khoáng sét có sự chọn lọc các yếu tố mang điện tích phù hợp và đẩy những ion mang điện không phù hợp

Như vậy giữa các tính chất lý – hóa học đất và khoáng sét trong đất có mối quan hệ hết sức mật thiết Tương tác qua lại giữa sét và các thành phần khác trong đất và cùng với những tác động đến đặc tính keo của cấp hạt sét sẽ được tìm hiểu kỹ lưỡng trong nghiên cứu này

Chương II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

Mẫu nước mặt được lấy dọc trên suối Tân Long đoạn trước và sau khi chảy qua khu vực mỏ than Khánh Hòa, nằm trên địa phận: xã Sơn Cẩm, huyện Phú Lương, tỉnh Thái Nguyên; xã Phúc Hà và phường Tân Long, thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên Cụ thể vị trí lấy mẫu như sau:

- Mẫu nước mặt 1 kí hiệu (NM -1): lấy trên suối Tân Long, trước điểm tiếp nhận nước thải của mỏ than Khánh hòa khoảng 500m về phía thượng lưu Tọa độ:

21036’805” Độ Vĩ Bắc; 105046’759” Độ Kinh Đông

- Mẫu nước mặt 2, 3, 4 kí hiệu (NM - 2, 3, 4): lấy trên suối Tân Long, sau điểm tiếp nhận nước thải của mỏ than Khánh hòa ở các khoảng cách 500; 1500, 2500m về phía hạ lưu; (Tọa độ: 21036’680” - 21036’943” - 21037’013” Độ Vĩ Bắc;

105047’510” - 105047’810” - 105048’347” Độ Kinh Đông)

Mẫu trầm tích cũng được lấy cùng tọa độ tại các vị trí lấy mẫu nước mặt trên suối Tân Long, có kí hiệu lần lượt là: BĐ - 1, 2, 3, 4

- Trầm tích được lấy dưới lòng suối ở độ sâu từ 0,1- 0,3m

Mẫu đất được lấy tại khu vực bãi đất thải của mỏ than Khanh Hòa nằm trên địa bàn xã Phúc Hà thuộc thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên (Tọa độ:

21o37’38’’ – 21o36’00’’ Độ Vĩ Bắc; 105o44’38’’ – 105o47’21’’Độ Kinh Đông )

Hai mẫu đất nghiên cứu:

Mẫu 1: lấy tại chân bãi đất thải phía Nam mỏ than

Mẫu 2: lấy chân bãi đất thải phía Tây mỏ than

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1.Phương pháp nghiên cứu chất lượng nước

Các chỉ tiêu hóa lý cơ bản của mẫu nước được xác định theo các phương pháp liệt kê trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các phương pháp phân tích nước

4 Chất rắn lơ lửng

(SS)

Khối lượng (SMEWW-2540 D)

Mẫu được lọc qua giấy lọc 0,45 µm, sấy ở 103 - 105°C trong thời gian 4 - 6 giờ Cân giấy lọc đã sấy ngay sau khi nguội

Cho nước cần phân tích vào đầy bình 300ml, cung cấp cho mẫu một lượng ôxy bão hòa, đậy kín và ủ ở 20oC Đo

DO trước và sau khi ủ 5 ngày bằng máy đo DO

Oxy hóa các hợp chất hữu cơ bằng hỗn hợp bicromat và axit sunfuric trong cuvet đậy kín ở 150o

C trong 2 giờ; đo

ở nhiệt độ 8000C, để nguội trong bình hút ẩm và cân

• Đối với đất: dựa vào khả năng kết tủa của ion SO42- có trong dịch lọc kết hợp với Ba2+ để tạo ra kết tủa BaSO4 màu

• Phân hủy mẫu: đun sôi mẫu nước với hỗn hợp axit để phân hủy các chất hữu

cơ trước khi phân tích Mẫu trầm tích được phân hủy bằng hỗn hợp axit và lọc để phân tích

+ Giai đoạn hòa tan được tiến hành bằng cách quét thế theo chiều dương từ -1000 mV đến -100 mV Đường von-ampe hòa tan được ghi bằng kỹ thuật xung vi phân

- Nồng độ kim loại được xác định bằng phương pháp đường chuẩn

(*)SMEWW - Standard Methods for Examination of Water and Wastewater

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu mẫu trầm tích và mẫu đất

- Quy trình tách cấp hạt sét:

Cấp hạt sét (< 2 µm) được tách ra khỏi các cấp hạt có kích thước lớn hơn trong mẫu đất, trầm tích thải theo phương pháp phân tán và gạn trong cột lắng Cấp

hạt sét tách ra từ cột lắng được pha trong nước cất 2 lần để tạo dung dịch huyền phù

có hàm lượng sét ~ 5mg.mL-1 để phục vụ cho các thí nghiệm tán keo Quy trình thực hiện cụ thể như sau:

50g mẫu trầm tích được hòa vào 1L nước cất và lắc trên máy lắc trong 23h Sau đó huyền phù được chuyển vào cột lắng có độ cao 40 cm Sau 22h11’ phần dung dịch ở phía trên (0-30cm) chứa duy nhất cấp hạt sét được hút ra qua ống hút Quá trình này được lặp lại 4 lần để đạt được hiệu suất tách sét lớn nhất Huyền phù chứa cấp hạt sét pha loãng với nước cất 2 lần để có đuợc dung

nghiên cứu các thị nghiệm tụ keo và tán keo

- Xác định thành phần khoáng sét bằng nhiễu xạ tia X:

Phương pháp nhiễu xạ định hướng (Oriented-mount) được sử dụng để xác định thành phần khoáng sét trong mẫu đất và trầm tích Thiết bị được sử dụng trong phương pháp là các chùm tia X song song chiếu vào lớp mỏng mẫu bột phân tán trên một mặt phẳng (thường là mặt lam kính) Các chùm tia X bị phân tách bởi một detector mà mỗi nhiễu xạ hình chóp được phân biệt trên một cung tròn riêng

rẽ Do vậy mà một loạt các giải nhiễu xạ được ghi lại thành một đường liên tục Cường độ nhiễu xạ hoặc được ghi lại trên giấy hoặc được ghi lại trên đĩa Quy trình được thực hiện như sau:

Mẫu sét được bão hòa với các cation K+ và Mg2+ và được nhỏ lên trên bề mặt lam kính Giữ yên, sau khi mẫu khô đem đi phân tích nhiễu xạ trên máy Siemens D5005 Xử lý ethylenglycol với mẫu sét bão hòa Mg2+ và xử lý nhiệt ở 550oC với mẫu bão hòa K+ rồi đi phân tích nhiễu xạ tia X để nhằm xác định rõ thêm sự có mặt của nhóm khoáng sét

- Thí nghiệm tụ keo và tán keo của sét ở các điều kiện môi trường khác nhau:

Ảnh hưởng của các cation đối với sự phân tán của cấp hạt sét trong dung dịch được xác định theo phương pháp Lagaly cải biên với quy trình như sau:

Hút 2 mL dung dịch sét nồng độ 5mg.mL-1 cho vào ống nghiệm, thêm vào ống nghiệm dung dịch chứa các cation với nồng độ xác định để làm sao sau khi thêm nước cất đến 10ml ta được nồng độ các cation trong ống nghiệm lần lượt là (Na+: 10 - 100 mmol.L-1 ; Ca2+: 1-10 mmol.L-1 và Al3+: 0,1 - 1 mmol.L-1)

Mẫu được phân tán bằng rung siêu âm (Elma S30h) trong thời gian 30s, giữ

yên trong 2h, sau đó hút 2ml dung dịch ở phần trên cùng của ống nghiệm chuyển vào cuvet Độ truyền qua (T%) của dung dịch được xác định tại bước sóng 600

nm Độ truyền qua lớn biểu thị cho dung dịch không bị vẩn đục và các hạt sét tồn tại ở trạng thái gel (tụ keo) Ngược lại độ truyền qua nhỏ chứng tỏ dung dịch vẩn đục và các hạt sét tồn tại ở trạng thái sol (tán keo)

Ảnh hưởng của pH đến sự keo tụ của sét được xác định trong các môi trường

có giá trị pH 1 – 10: Hút 2 mL dung dịch làm việc (*) cho vào ống nghiệm, dung dịch HCl và NaOH được sử dụng để điều chỉnh pH về giá trị định sẵn và tổng thể tích trong ống nghiệm là 10 mL Sau đó, mẫu được xử lý rung siêu âm và tiến hành xác định độ truyền qua của dung dịch tương tự như thí nghiệm về ảnh hưởng của các cation

Chương III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Một số tính chất lý - hóa của nước thải mỏ

3.1.1 Tính chất lý học của nước thải mỏ

3.1.1.1 Độ đục

Quá trình đào xới, vận chuyển đất đá và than làm địa hình khu khai trường 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 như mực nước, lưu lượng Sự tích tụ chất rắn lơ lửng do xói mòn bãi thải than trong các ao, hồ và sông suối cấp nước tưới tiêu có thể làm thay đổi lưu lượng dòng chảy, dung tích chứa nước, biến đổi chất lượng nguồn nước và làm suy giảm công năng của các

lưu vực nằm liền kề với các khu khai thác mỏ

Khi tiến hành các khai thác mỏ lộ thiên 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 dưới đất với độ sâu mực 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

Kết quả phân tích chất lượng nước thải mỏ các mùa của năm 2009, 2010 và

2011 cho thấy độ đục của nước thải luôn ở mức cao (từ 300 đến >600 NTU) (hình 3.1) Nguyên nhân độ đục cao là do hiện nay công suất khai thác mỏ ngày càng tăng trong khi đó hệ thống bể lắng của công ty chỉ đáp ứng được một phần rất nhỏ so với lượng nước xả thải hàng ngày phát sinh

Năm 2011

và nhiều tính toán cân bằng axit-bazơ [2]

Nghiên cứu khảo sát chất lượng nước thải của mỏ than Khánh Hòa qua các năm (2009,

2010 và 2011) cho thấy, giá trị pH có tính axit, luôn giữ ổn định giữa các năm và có giao động nhẹ trong các mùa (pH= 4,8 - 6,5) Nguyên nhân của hiện tượng này là do trong đất đá của mỏ than có một số quặng sunphua đi kèm, khi được tiếp xúc với ôxy trong không khí và nước, gặp điều kiện thuận lợi dễ dàng bị ôxy hóa và tạo thành axit (Hình: 3.2)

Năm 2011

Hình 3.2: Diễn biến pH của nước thải theo thời gian

3.1.1 3 Chất rắn lơ lửng

Các chất rắn lơ lửng là những chất rắn không tan trong nước, việc xác định chất rắn lơ lửng đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu hiện tượng ô nhiễm nước Hàm lượng chất rắn lơ lửng là lượng khô của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi

Ô nhiễm lớn nhất của loại hình nước thải phát sinh từ các hoạt động khai thác than đó là chất rắn lơ lửng trong nước [2]

Kết quả nghiên cứu nước thải mỏ cho thấy hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) luôn vượt tiêu chuẩn cho phép (QCVN 40:2011(B)/BTNMT) từ 3 đến 5,8 lần, và luôn thay đổi theo mùa trong năm ( Hình 3.3) Mùa khô hàm lượng chất rắn lơ lửng giảm (173,5 - 303,5mg/l), ngược lại mùa mưa chất lơ lửng trong nước thải rất cao (421,3 – 587,8 mg/l) Nguyên nhân của hiện tượng này là do quá trình khai thác mỏ, việc khoan nổ mìn, bốc xúc, đổ thải đã làm cho cấu trúc đất đá bị phá vỡ Khi trời mưa than và các loại quặng sunphua có trong đất đá thải có điều kiện tiếp xúc với nước và ôxy trong không khí sẽ thúc đẩy nhanh các phản ứng hóa học cùng với các tác nhân cơ học đã làm rửa lũa khoáng sét cuốn theo dòng thải ra ngoài môi trường Ngoài ra nước thải chảy tràn bề mặt từ các bãi thải trên một diện tích lớn không được thu gom xử lý cũng là nguyên nhân làm tăng lượng chất rắn trong nước

Hình 3.3: Biểu đồ diễn biến pH của nước thải theo thời gian

3.1.1.4 Tính chất hóa học đặc trƣng của nuớc thải mỏ

Than là hợp chất hữu cơ có nhiều các thành phần hóa học, nước ở mỏ than phân hủy nhiều các chất có trong than và đất đá ở mỏ vì vậy thành phần hóa học của nước mỏ là rất phức tạp Một trong những vấn đề cần quan tâm là hàm lượng lưu huỳnh ở trong than Khi than chứa hàm lượng lưu huỳnh cao, nước thải từ mỏ than hay nước chảy qua các bãi thải than sẽ có tính axít cao, gây nhiều tác hại khó phục hồi như làm "chết" đất, hủy diệt cả thực vật và thủy sinh vật khi tiếp xúc Nghiên cứu bản chất quá trình tạo axít của nước mỏ than có ý nghĩa quan trọng trong việc

đề xuất các giải pháp khả thi xử lý nước thải mỏ, giảm nhiều ô nhiễm môi trường Lưu huỳnh trong than tồn tại ở dạng vô cơ và hữu cơ, nhưng ở dạng vô cơ chiếm tỷ trọng cao Lưu huỳnh vô cơ ở dạng khoáng pyrit hay chalcopyrit, khi bị ô xi hóa trong môi trường có nước sẽ tạo thành axít theo phản ứng sau:

Kết quả khảo sát , phân tích chất lượng nước thải của mỏ tại điểm xả trước khi đổ vào suối Tân Long từ năm 2009 đến năm 2011 phát hiện nồng độ sunphat khá cao và có dấu hiệu ngày càng tăng (hình 3.4) và ( bảng 3.1)

Hình 3.4: Diễn biến nồng độ SO 4 2- của nước thải theo thời gian Bảng 3.1 Kết quả chất lượng nước thải của mỏ than Khánh Hòa

As 0,1 mg/l 0,043 0,026 0,014 0,096 0,066 0,04 0,081 0,033 0,059

Pb 0,5 mg/l 0,068 0,049 0,056 0.068 0,049 0.076 0,097 0,068 0,107

Zn 3 mg/l 0,056 0,074 0,224 0,154 0,534 0,324 0,96 0,85 0,319

Fe 5 mg/l 4,05 2,7 3,15 3,22 2,26 3,34 3,1 2.04 3,27 SO42- - mg/l 1.065 908,6 1332 1153,7 1509,2 1699,1 1080,4 1523,7 1248,1

Độ đục NTU - 453 545,6 522 519 632 342 398 589 237,4

Nhìn chung kết quả nghiên cứu trên cho thấy nước thải tại cửa xả ra ngoài môi trường của mỏ có tính axit, hàm lượng chất rắn lơ lửng cao (vượt quy chuẩn cho phép từ 3 - 5,8 lần), các thông số kim loại nặng khác đều nằm trong giới hạn cho phép Chất lượng nước thải thay đổi theo mùa và tuỳ thuộc vào điều kiện thời tiết Thông thường, vào mùa mưa độ pH cao, sunphat giảm, TSS cao, hàm lượng kim

Diễn biến sunphat theo thời gian

Năm 2010

Năm 2011

loại thấp Ngược lại, vào mùa khô, chỉ số pH thường thấp, Sunphat cao, hàm lượng

Fe cao, TSS ít hơn so với mùa mưa Độ đục của nước thải luôn ở mức cao, dao động từ 237,4 - 632 NTU, luôn làm cho nước có màu đen Mặc dù hiện nay công ty than Khánh Hòa đã đưa vào áp dụng mô hình xử lý tiên tiến, tuy nhiên công suất thiết kế chưa đáp ứng được để xử lý toàn bộ lượng nước thải phát sinh trong sản xuất hiện nay (khoảng >3.000m3/ng.đ)

3.2 Một số tính chất lý - hóa nước suối Tân Long dưới tác động của nước thải mỏ than Khánh Hòa

Nhìn chung hầu hết các thông số chất lượng nước (CLN) suối Tân Long như:

pH, nhiệt độ, BOD5, COD, TSS, SO42- và một kim loại nặng (As, Pb, Zn, Fe ) đều đạt quy chuẩn Việt Nam QCVN 08:2008/BTNMT đối với chất lượng nước mặt cho mục đích tưới tiêu thủy lợi (phụ lục:1) Một số vấn đề quan trọng đối với chất lượng nước suối hiện nay là sự ô nhiễm: Độ đục, TSS, SO42- cao làm cho dòng suối bị bồi lắng bùn sét rất nhiều, thu hẹp dòng chảy và giảm dần đa dạng sinh học trên lưu vực

3.2.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ giữ vai trò rất quan trọng đối với các quá trình sinh hóa diễn ra trong tự nhiên Những thay đổi về nhiệt độ của nước có thể ảnh hưởng đến nhiều mặt của chất lượng nước [17] Nó là một đại lượng phụ thuộc vào điều kiện môi trường và khí hậu

Theo [9] nhiệt độ là điều kiện xác định đặc điểm các quá trình sinh, hóa học, v.v diễn ra trong môi trường nước Nhiệt độ có ảnh hưởng đến sự hòa tan oxy và quá trình tự làm sạch nguồn nước Nước mặt thường có nhiệt độ thay đổi theo môi trường Ví dụ: ở miền Bắc Việt Nam, nhiệt độ nước thường dao động từ 13 - 340C, trong khi đó nhiệt độ trong các nguồn nước mặt ở miền Nam tương đối ổn định hơn 26 - 290

C

Nghiên cứu biên độ dao động nhiệt độ nước mặt của suối Tân Long từ năm

2009 đến 2011 cho thấy nhiệt độ nước mặt dao động từ (14- 33,50C) (hình 3.5),

nước thải (15,7 – 30,4 oC) và bị ảnh hưởng không đáng kể từ chất nước thải mỏ do chênh lệch nhiệt độ giữa nước thải và nước suối là không đáng kể

2004 đến 2011)

Trung bình pH về mùa đông có khuynh hướng thấp hơn mùa hè, điều này có thể là do sự phân hủy các chất thải từ các nguồn thải mỏ than đổ vào suối, đặc biệt

là nước thải của mỏ than Khánh Hòa Nghiên cứu cho thấy nước thải mỏ than luôn

có chỉ số pH axit yếu (5,2 - 6,8) và hàm lượng sunphat khá cao (908,6 – 1699,1mg/l) là những nguyên nhân làm cho nước mặt có độ đục cao (hình 3.6)

Năm 2011

Ngoài ra về mùa đông lưu lượng nước suối giảm xuống mức thấp khoảng (0,39m3/s), lưu lượng nước thải lớn trung bình (3.500 m3/ng.đ) [4] làm cho dòng thải khi đó chủ yếu là nước thải mỏ, khả năng tự làm sạch của suối giảm, vì vậy pH nước suối sẽ bị ảnh hưởng đáng kể từ nước thải mỏ than

Hình 3.6: Diễn biến pH nước mặt suối Tân Long thay đổi theo không gian và

Qua khảo sát, nghiên cứu và lấy mẫu phân tích vào các mùa của năm

2009, 2010 và 2011 cho thấy chất lượng nước suối Tân Long đoạn chảy qua khu vực mỏ than có dấu hiệu ngày càng bị ô nhiễm, cụ thể độ đục của nước suối sau khi tiếp nhận nước thải của mỏ cao lên rõ rệt, năm 2009 độ đục dao động từ (70,4 đến 458 NTU), năm 2010 độ đục dao động từ ( 69 đến 502,9 NTU) và đến năm 2011 độ đục dao động (83 đến 573,7 NTU) (Hình 3.7) Như vậy có thể thấy thường vào các mùa mưa do quá trình sói mòn, rửa lũa đất đá thải cùng với việc nước thải mỏ không xử lý triệt để đã cuốn theo các chất rắn lơ lửng xả vào lưu vực suối khiến cho độ đục rất cao

Hình 3.7: Diễn biến Độ đục nước mặt suối Tân Long theo không gian và thời

3.2.4 Chất rắn lơ lửng

Các chất rắn trong nước thường phân tán trong nước dưới dạng lơ lửng (không tan) hoặc dạng tan

Chất rắn lơ lửng (suspended solids - SS) trong nước có thể là các hạt chất vô

cơ, hữu cơ kể cả các hạt chất lỏng không trộn lẫn với nước Các hạt có bản chất vô

cơ có thể là các hạt khoáng sét, phù sa, hạt bùn… Hạt có bản chất hữu cơ thường là sợi thực vật tảo, vi khuẩn… Chất rắn lơ lửng thường có trong nước mặt do hoạt

Năm 2010

Năm 2011

động xói mòn, cuốn trôi và rửa lũa nhưng ít có trong nước ngầm do khả năng tách lọc tốt của đất

Các chất rắn không tan khi được thải vào nước làm tăng lượng chất rắn lơ lửng, tức làm tăng độ đục của nước Các chất này có thể là gốc vô cơ hay hữu cơ, có thể được vi khuẩn ăn Sự phát triển của vi khuẩn và các vi sinh vật khác lại càng làm tăng độ đục của nước và làm giảm độ xuyên thấu của ánh sáng [2]

Tiến hành khảo sát, nghiên cứu các năm 2009; 2010 và 2011 cho thấy lượng nước thải từ mỏ phụ thuộc vào sản lượng khai thác than từng năm Theo số liệu kê khai nộp phí bảo vệ môi trường đối với nước thải công nghiệp của mỏ, tổng lượng nước thải từ mỏ (năm 2009) là 900.000m3/năm thì đến nay con số này là khoảng 1.900.000 m3 /năm Con số này chưa phản ánh đầy đủ, vì chưa có nghiên cứu cụ thể nào về lượng nước rửa trôi từ các bãi thải mỏ Thông số điển hình tác động đến môi trường của nước thải mỏ là độ pH, chất rắn lơ lưởng, độ đục và các kim loại nặng Trong đó hàm lượng chất rắn lơ lửng cao hơn quy chuẩn cho phép đối với nguồn nước phục vụ tưới tiêu thủy lợi từ 1,05 đến 4,7 lần Cụ thể: tại mẫu nước (NM - 1) trên suối Tân Long trước khi nhập lưu với dòng thải của mỏ than, hàm lượng chất rắn lơ lửng nhỏ và dao động ( 9 - 57,8mg/l ) Nhưng tại điểm sau khi nhập lưu với nước thải mỏ (NM - 2) thì hàm lượng TSS tăng đột biến tại các thời điểm trong năm (111,4 – 235,9 mg/l), nguyên nhân của hiện tượng này là do nguồn thải của nước thải mỏ chưa được xử lý triệt để trước khi xả thải vào suối Số liệu nghiên cứu về TSS trong nước thải mỏ cho thấy, chỉ số này luôn ở mức cao (173,5 - 587,8 mg/l) Tương tự như ở mẫu số 2, mẫu nước mặt số 3 và 4 hàm lượng chất rắn lơ lửng có giảm đáng

kể do quá trình xa lắng và keo tụ, song so với vị trí thượng lưu suối, trước khi bị ảnh hưởng của nước thải mỏ thì hàm lương TSS vẫn cao (20,8 - 161,2mg/l) (Hình 3.8)

Hình 3.9: Biến động BOD 5 và COD qua các năm và các điểm quan trắc

Hình 3.8: Diễn biến TSS nước mặt suối Tân Long qua các năm và các điểm điểm

3.2.5 Chất hữu cơ ( BOD5 và COD)

So với quy chuẩn (QCVN 08: 2008(B1); <15 mg/L), hàm lượng các chất hữu cơ của nước suối Tân Long luôn có xu thế tăng dần qua các vị trí từ thượng lưu đến hạ lưu

Cụ thể tại mẫu NM1 của các năm chỉ số BOD5 là (6,5 - 21,4mg/l), COD là (11,7 - 43,2 mg/l) tương đối thấp, chưa có biểu hiện bị ô nhiễm, nhưng tại mẫu NM2 chỉ số này đã thay đổi rõ nét (BOD5 dao động 7,3 - 16,5 mg/l, COD dao động 32,1 -56,7mg/l) Nguyên nhân của hiện tượng này có thể lý giải là do tác động một phần của nước thải mỏ (BOD5 là 24,1- 45,4 mg/l, COD 43,7 - 95,6mg/l) cùng với các chất thải xung quanh mỏ xâm nhập vào suối

và bị phân hủy bới vi sinh vật tạo ra Tiếp đó, các mẫu NM- 3, NM - 4 hàm lượng các chất hữu cơ giảm nhẹ so với NM - 2 và cao hơn không đáng kể so với NM - 1 (Hình 3.9) Như vậy, diễn biến của BOD5 và COD trong nước suối cũng là một yếu tố góp phần minh chứng cho sự ảnh hưởng của nước thải mỏ đến biến đổi một số tính chất của nước suối Tân Long

3.2.6 Các kim loại nặng trong nước mặt suối Tân Long

Phần lớn các kim loại nặng có trong nước bị ô nhiễm và nước thải tồn tại ở dạng các ion Các kim loại nặng gây độc hại cho người và động vật Các kim loại nặng bao gồm: Fe, Mn, Pb, Zn, As

Kim loại nặng có trong nước do nhiều nguyên nhân: quá trình hòa tan các khoáng sản, các thành phần kim loại có sẵn trong tự nhiên hoặc sử dụng trong các công trình xây dựng, các chất thải công nghiệp Ảnh hưởng của kim loại nặng đối với môi trường phụ thuộc vào thành phần và nồng độ của chúng Kim loại nặng có ích khi ở nồng độ thấp và có hại khi ở nồng độ cao Kim loại nặng trong nước thường keo tụ hoặc bị hấp phụ bởi các hạt sét, phù sa lơ lửng trong nước Các chất

lơ lửng này dần sa lắng, làm cho nồng độ kim loại nặng trong trầm tích thường cao hơn nhiều trong nước Các loại động vật thủy sinh đặc biệt là động vật đáy tích tụ một lượng lớn kim loại nặng trong cơ thể Thông qua chuỗi thức ăn mà kim loại nặng được tích lũy trong con người và gây độc với tính chất bệnh lý rất phức tạp Vì chúng được tích tụ và cơ thể tiêu thụ thực phẩm nên việc xác định hàm lượng kim loại nặng rất có ý nghĩa trong đánh giá ô nhiễm môi trường

Khảo sát, nghiên cứu hàm lượng kim loại nặng trong nước suối Tân Long vào các mùa của năm 2009, 2010 và 2011 cho thấy kết quả đều thấp so với QCVN 08:2008/BTNMT(B1) Tuy nhiên hàm lượng kim loại nặng đang diễn biến theo chiều hướng tăng dần theo thời gian và không gian Nguyên nhân của hiện tượng này chưa thực sự rõ dàng do bản chất nguồn thải (trong thời gian nghiên cứu) chưa

có dấu hiệu ô nhiễm về kim loại nặng Nhưng không ngoại trừ khả năng các kim loại nặng có trong đất đá thải sau khi được đổ thải bị phong hóa, xói mòn do mưa cuốn trôi và tích tụ ở trầm tích suối cũng là một nguyên nhân Mặc dù cho đến nay chưa có một nghiên cứu cụ thể nào về trầm tích suối Tân Long và các tính toán cụ thể về dòng chảy do các đợt mưa lũ cuốn theo các chất lơ lửng đổ và suối là các nguồn chính làm cho KLN trong suối có xu thế tăng dần theo thời gian vì vậy rất khó có thể ước tính tải lượng KLN đổ vào (Hình: 3.10 và 3.11)

thải mỏ và (NM4 = 97,6 - 203,8mg/l) tại điểm cuối cùng của suối trước khi nhập lưu với Sông Cầu Như vậy có thể thấy, nước mặt suối Tân Long đã bị ảnh hưởng rất rõ về vấn để ô nhiễm sunphat, điều này thể hiện qua biểu đồ ( hình: 3.12)

3.3 Đặc điểm trầm tích suối và mối quan hệ đến độ đục nước suối

3.3.1 Một số đặc tính của trầm tích suối Tân Long

- Hàm lượng cấp hạt sét trong trầm tích:

Kết quả phân tách cấp hạt sét (kích thước <2 µm) được thể hiện trong bảng 3.2

Bảng 3.2 Hàm lượng cấp hạt trong các mẫu trầm tích

mỏ than cho thấy cấp hạt sét trong trầm tích ở mức thấp (29,4%) Tuy nhiên, hàm

lượng cấp hạt sét đã tăng đột ngột lên 55,7% ở mẫu trầm tích số 2 (BĐ – 2), và giảm dần ở mẫu 3 (BĐ – 3) là 39,8%, ở mẫu 4 (BĐ – 4) là 31,6% Nguyên nhân này

có thể giải thích là do ở tại các vị trí này, suối Tân Long đã bị tác động đáng kể do quá trình rửa lũa bãi thải và việc xả nước thải chưa xử lý triệt để cuốn theo các hạt sét từ hoạt động khai thác than gây ra (Hình: 3.13)

Hình 3.13: Nước thải mỏ than cuốn theo các chất lơ lửng đổ vào suối

Các thông số lý - hóa cơ bản của mẫu trầm tích cho thấy nhìn chung hàm lượng chất hữu cơ (CHC) giảm dần theo không gian của lưu vực Trầm tích có phản ứng với axit nhẹ, do vậy sẽ không ảnh hưởng đến quá trình lý – hóa – sinh xảy ra trong trầm tích Hàm lượng các chất hòa tan trong trầm tích tương đối cao Kết quả phân tích cho thấy, hàm lượng các ion hòa tan trong nước của Na+, K+, Ca2+ và

Mg2+ lần lượt là: 5,27-188 mmol.Kg-1; 2,5-7,4 mmol.Kg-1; 2-5,25mmol.Kg-1 và 25,6- 46,2 mmol.Kg-1