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

Thoái hoá đất là quá trình thay đổi các tính chất hoá lý và sinh học của đất, làm suy giảm độ phì nhiêu của đất từ đó làm cho sức sản xuất của đất bị suy giảm theo, dẫn đến giảm khả năng

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

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 bản thân 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 các 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 … tháng… 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 … tháng… 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 3

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 7

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 11

1.3 Kim loại nặng và ô nhiễm do kim loại nặng trong đất 15

1.3.1 Kim loại nặng trong đất 15

1.3.2 Đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản 18

1.4 Tổng quan nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản trên Thế giới và ở Việt Nam 22

1.4.1 Tổng quan nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản trên Thế giới 22

1.4.2 Tổng quan nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản ở Việt Nam 29

1.5 Nhận xét từ nghiên cứu tổng quan và hướng nghiên cứu của đề tài 34

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 36

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 36

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 36

2.2 Nội dung nghiên cứu 36

2.2.1 Khái quát điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Đồng Hỷ liên quan đến khai thác quặng sắt 36

2.2.2 Hoạt động khai thác quặng sắt ảnh hưởng đến môi trường đất của khu vực mỏ sắt Trại Cau 36

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 36

2.2.4 Đề xuất giải pháp cải tạo đất sau khai thác quặng sắt 37

2.3 Phương pháp nghiên cứu 37

2.3.1 Khung nghiên cứu 37

2.3.2 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 38

2.3.3 Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp 38

2.3.4 Xác định các vị trí lấy mẫu phân tích đất, cây và các vị trí tiến hành các thực nghiệm 39

2.3.5 Phương pháp lấy mẫu phân tích, theo dõi các chỉ tiêu nghiên cứu 45

2.3.6 Phương pháp xử lý số liệu 47

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 48

3.1 Khái quát điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Đồng Hỷ liên quan đến khai thác quặng sắt 48

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 48

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

PTNT Phát triển nông thôn

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TNHH Trách nhiệm hữu hạn TKV Tập đoàn Than khoáng sản Việt Nam

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các nguồn kim loại nặng từ một số hoạt động sản xuất công nghiệp 17

Bảng 1.2 Hàm lượng KLN trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon 19

Bảng 1.3 Hàm lượng kim loại nặng trong đất của một số mỏ tại Anh 19

Bảng 1.4 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao 26

Bảng 1.5 Các loài thực vật có khả năng xử lý kim loại nặng ở Việt Nam 31

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 40

Bảng 2.2 Lấy mẫu đất phân tích nhắc lại 3 lần ở các khu đất khác nhau của mỏ 41

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 43

Bảng 2.4 Mô hình trồng keo tai tượng trên đất đã hoàn thổ sau khai thác 45

Bảng 3.1 Nhiệt độ, ẩm độ không khí và lượng mưa bình quân theo tháng của Đồng Hỷ 50

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 37

Hình 2.2 Sơ đồ địa điểm tiến hành các nghiên cứu của đề tài 42

Hình 3.1 Bản đồ huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên 48

Hình 3.2 Bản đồ khoáng sản quặng sắt trên địa bàn huyện Đồng Hỷ 54

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 Theo thống kê, hiện tại Thái Nguyên có khoảng 200 điểm mỏ khoáng sản, gồm 24 loại khoáng sản Số lượng các

tổ chức tham gia vào khai thác, chế biến khoáng sản cũng tăng nhanh Hoạt động khoáng sản của các doanh nghiệp đã đóng góp vào nguồn thu ngân sách của tỉnh qua các năm Hoạt động khai khoáng có vai trò rất lớn đối với phát triển kinh tế xã hội của địa phương

Với tiềm năng lớn về khoáng sản nên địa phương có khá 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 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)

Khi đất bị ô nhiễm kim loại nặng, có nhiều phương pháp để xử lý 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) Vì thế, ngoài những phương pháp xử lý ô nhiễm đất 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 ưu việt trên Thế giới từ những năm 1990 của thế kỷ trước

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 đất và môi trường đất

1.1.1.1 Khái niệm đất

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: Đá mẹ, khí hậu, sinh vật, địa hình 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 là da của trái đất: Đất nằm ở phần ngoài cùng của vỏ Trái đất, nó được coi là "làn da của trái đất" Đất phát triển theo thời gian dưới tác động của các quá trình hóa học, vật lý và sinh học Chúng phát triển nơi đá và trầm tích (thạch quyển) chịu ảnh hưởng của hệ thực vật và động vật (sinh quyển), nước (thủy quyển) và khí hậu (khí quyển)

Đất là một tư liệu sản xuất vô cùng quý giá không gì có thể thay thế được trong sản xuất nông lâm nghiệp (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2020)

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) Môi trường đất được xem như là môi trường thành phần của cả hệ môi trường bao quanh

nó và tất cả các thành phần này đều có mối quan hệ với nhau

Mỗi loại đất ở các vị trí khác nhau sẽ có sự biến đổi khác nhau tuỳ thuộc vào môi trường do đó nó sẽ tác động đến sự hình thành và phát triển của môi trường đất Trong tự nhiên, nếu không chịu sự tác động của con người thì sẽ tạo ra một môi trường đất phát triển rất thuận lợi dựa trên quy luật tự nhiên nên không bị ô nhiễm Ngược lại, nếu môi trường đất bị tác động và không có sự bảo vệ của con người thì

cơ bản sẽ bị ô nhiễm (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2020)

Vai trò của môi trường đất: Đất là môi trường cho cây mọc trên đó, cung cấp

các chất dinh dưỡng, nước để cho cây sinh trưởng và phát triển Như vậy khả năng tạo ra các chất dinh dưỡng, độ phì để giúp cho cây trồng sinh trưởng, phát triển là thuộc tính không thể thiếu được của đất Môi trường đất là một bộ phận rất quan trọng đóng vai trò rất lớn trong hệ sinh thái Tuy nhiên, nêu một khi môi trường đất

đã bị ô nhiễm thì sẽ là mối đe dọa nghiêm trọng đến cuộc sống của sinh vật nói chung bao gồm cả con người sống trên đó (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2016)

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, một điểm đáng chú

ý là 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 Môi trường trái đất được xem là nơi lưu trữ và cung cấp thông tin cho con người Bởi vì chính môi trường trái đất là nơi: Cung cấp sự ghi chép và lưu trữ lịch sử trái đất, lịch sử tiến hoá của vật chất và sinh vật, lịch sử xuất hiện và phát triển văn hoá của loài người; cung cấp các chỉ thị không gian và tạm thời mang tín chất tín hiệu và báo động sớm các hiểm hoạ đối với con người và sinh vật sống trên trái đất như phản ứng sinh lý của cơ thể sống trước khi xảy ra các tai biến tự nhiên và các hiện tượng tai biến tự nhiên, đặc biệt như bão, động đất, núi lửa Cung cấp và lưu giữ cho con người các nguồn gen, các loài động thực vật, các hệ sinh thái tự nhiên và nhân tạo, các vẻ đẹp, cảnh quan có giá trị thẩm mỹ để thưởng ngoạn, tôn giáo và văn hoá khác

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 1 Điều 132 Luật Bảo vệ môi trường năm 2014 quy định: Chỉ thị môi trường là thông số cơ bản sphản 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

Theo khoản 3 Điều 3 Thông tư số 43/2015/TT-BTNMT ngày 29/9/2015 của

Bộ Tài nguyên và Môi trường quy định: “Bộ chỉ thị môi trường là tập hợp các chỉ thị môi trường, bao gồm các 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 Chính vì vậy, bộ chỉ thị môi trường được coi là công

cụ quan trọng đối với việc hỗ trợ công tác quản lý môi trường, nghiên cứu 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

Theo khoản 1 Điều 3 Thông tư số 35/2014/TT-BTNMT ngày 30/6/2014 của

Bộ Tài nguyên và Môi trường quy định: Đất bị thoái hóa là đất bị thay đổi những đặc tính và tính chất vốn có ban đầu (theo chiều hướng xấu) do tác động của điều kiện tự nhiên và con người

Thoái hoá đất là quá trình thay đổi các tính chất hoá lý và sinh học của đất, làm suy giảm độ phì nhiêu của đất từ đó làm cho sức sản xuất của đất bị suy giảm theo, 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, 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, điều hoà

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

Ô nhiễm môi trường đất là hiện tượng thay đổi tính chất theo chiều hướng xấu, là hành động đưa vào môi trường các chất thải nguy hại đến mức ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống sinh vật, khi đó các loại hóa chất độc hại vượt mức cho phép,

từ đó khiến nguồn tài nguyên bị ô nhiễm, ảnh hưởng sức khỏe đời sống con người hoặc làm suy thoái chất lượng môi trường dẫn đến những hệ quả khôn lường

Đất bị 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 thì đất bị ô nhiễm và 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)

Ô nhiễm đất làm giảm khả năng sản xuất của đất và còn làm ảnh hưởng đến cây trồng, gia súc, làm hại đến các 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 là tác động làm hàm lượng các chất tự nhiên trong đất tăng lên, hoặc thêm các độc chất (vượt tiêu chuẩn cho phép), gây độc hại cho môi trường, sinh vật và làm xấu cảnh quan Đất còn được dùng làm nơi ở, đường giao thông, kho tàng, mặt bằng sản xuất công nghiệp và cảnh quan phục vụ con người Có nhiều nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường đất, trong đó người ta chia thành hai nhóm chính là nguyên nhân tự nhiên và nguyên nhân nhân tạo, cụ thể:

- Nguyên nhân tự nhiên: Sự gia tăng hàm lượng các chất tự nhiên trong đất cùng việc có thêm nhiều chất độc lạ, vượt quá tiêu chuẩn cho phép cũng là nguyên nhân gây ra hiện tượng ô nhiễm môi trường đất, một số hiện tượng hình thành do nguyên nhân tự nhiên có thể kể đến là: Đất nhiễm phèn, Gley hóa, nhiễm mặn trong đất và sự lan truyền từ môi trường nước ra đất đã bị ô nhiễm

- Nguyên nhân nhân tạo:

+ Do sử dụng một lượng lớn thuốc trừ sâu, phân bón, thuốc, thuốc bảo vệ thực vật 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

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 (Nguyễn Minh Hưng, 2019)

+ Do ảnh hưởng của nước thải từ các khu công nghiệp, khu đô thị trong thành phố:

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

+ 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)

+ 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

Theo định nghĩa, giải thích từ ngữ của Luật Khoáng sản năm 2010: 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 khoáng vật và đá có ích được con người khai thác và

sử dụng Trong lớp vỏ Trái Đất, các nguyên tố hóa học chỉ chiếm một tỉ lệ nhỏ và rất phân tán Khi chúng tập trung với một tỉ lệ cao thì gọi là quặng Khoáng sản đóng vai trò to lớn trong đời sống con người và là những dạng vật chất rất gần gũi với con người như: Sắt, đồng, than, đá, cát sỏi, đất, kẽm, vàng, dầu khí, nước khoáng thiên nhiên… Giá trị của loại khoáng sản càng lớn cũng như tính phức tạp của các vấn đề phát sinh trong quá trình khảo sát, thăm dò, khai thác, chế biến khoáng sản dẫn tới Nhà nước phải quản lý khoáng sản bằng pháp luật

Khoáng sản được chia ra làm ba nhóm:

- Nhóm khoáng sản kim loại như: Sắt, mangan, titan, crôm, đồng, chì, kẽm…

- Nhóm khoáng sản phi kim loại như: Muối mỏ, apatit, thạch anh, kim cương, đá vôi, cát, sỏi

- Nhóm khoáng sản nhiên liệu, năng lượng như: Than đá, than bùn, dầu mỏ, khí đốt

1.2.1.2 Khai thác khoáng sản

Theo định nghĩa, giải thích từ ngữ của Luật Khoáng sản năm 2010: Khai thác

là hoạt động nhằm thu hồi khoáng sản, bao gồm xây dựng cơ bản mỏ, khai đào, phân loại, làm giàu và các hoạt động khác có liên quan Đây là hoạt động được tiến hành sau khi được cơ quan Nhà nước có thẩm quyền cấp giấy phép khai thác khoáng sản và được tính từ khi bắt đầu xây dựng cơ bản mỏ (hay còn gọi là mở mỏ), khai thác theo thiết kế đã được cơ quan có thẩm quyền thẩm định và phê duyệt cho đến khi hết thời hạn khai thác mỏ (đóng cửa mỏ, cải tạo phục hồi môi trường)

Các loại sản phẩm khai thác được từ mỏ như: Sắt, đồng, chì, kẽm, vàng, urani, than, kim cương, đá vôi, đá phiến dầu, đá muối và kali cacbonat đều được gọi

là khoáng sản Bao gồm cả việc khai thác các nguồn tài nguyên không tái tạo như dầu mỏ, khí thiên nhiên, hoặc thậm chí là nước khoáng

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

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):

- Đất nông, lâm nghiệp sau khai thác khoáng sản vẫn để hoang hóa không có các biện pháp cải tạo, phục hồi môi trường

- Lớp đất mặt bị đào xới và đảo lộn, rất khó cho việc hoàn thổ đất về nguyên trạng ban đầu

- Ở một số khu vực khai thác mỏ, đất đá thải còn chứa một phần kim loại nặng độc hại, khi tiếp xúc với nước mưa sẽ có khả năng hòa tan kim loại, hình thành dòng axit mỏ gây ô nhiễm tiềm tàng với đất và nguồn nước mặt, nước ngầm của khu vực

- Thảm thực bì mất, hệ sinh thái, cảnh quan khu vực bị biến đổi, làm 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 mỏ như trượt lở, sập hầm…cũng dễ xảy ra

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 thác xả thải vào môi trường một lượng lớn các chất thải, nguy hiểm nhất là các chất thải nguy hại chưa qua hệ thống xử lý môi trường được thông qua khí thải, nước thải và rác thải hoặc thải trực tiếp xuống đất, phá huỷ sự cân bằng của hệ sinh thái đất

Quá trình khai khoáng đã gây ô nhiễm và suy thoái môi trường đất rất nghiêm trọng Trong khi tiến hành khai thác, một số lớn phế thải và quặng… từ lòng đất được đưa lên trên bề mặt Rồi một phần thảm thực bì trong khu vực khai khoáng bị phá hủy và đất có thể bị xói mòn Một lượng lớn phế thải, xỉ 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 đa số chứa những sản phẩm độc hại ở dạng dung dịch và dạng rắn Đa số chất thải công nghiệp là dạng rắn (chất hữu cơ xí quặng, than, bụi …) và trong đó chúng 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 đến môi trường trong hoạt động khai thác khoáng sản bao gồm: Mất đa dạng sinh học, xói mòn, sụt đất, mất nước, ô nhiễm đất, nước ngầm và nước mặt do hóa chất từ hoạt động chế biến quặng Rừng ở vùng xung quanh mỏ còn bị chặt phá để lấy diện tích chứa chất thải của mỏ Song song với hủy hoại môi trường,

ô nhiễm do hóa chất cũng ảnh hưởng đến sức khỏe của con người

• Tác động cơ học của hoạt động khai thác mỏ

Quá trình đào xúc, vận chuyển đất đá, quặng và đổ thải làm ảnh hưởng đến địa hình, hiện trạng khu vực mỏ, dẫn đến những biến đổi về điều kiện thủy văn, dòng chảy làm thay đổi khả năng thu, thoát nước, hướng và tốc độ dòng chảy mặt, chế độ thủy văn của các dòng chảy

Hoạt động chế biến, tuyển rửa quặng sẽ làm tích tụ chất thải rắn tại các lòng

hồ, kênh mương tưới tiêu và 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

Trong quá trình hoạt động khai thác sẽ hình thành các moong sâu đến hàng trăm mét, là nơi tập trung nước cục bộ và để đảm bảo hoạt động khai thác của mỏ, chủ dự án phải thường xuyên bơm tháo khô nước ở đáy moong, hầm lò do đó sẽ hình thành các phễu hạ thấp mực nước dưới đất với độ sâu từ vài chục đến hàng trăm mét và bán kính phễu hàng trăm mét dẫn đến việc xung quanh khu vực mỏ sẽ xuất hiện tính trạng bị mất nước tại các giếng, tạo ra các hố sụt trên mặt đất

Hoạt động khai thác khoáng sản bắt đầu từ xây dựng cơ bản mỏ đến khai thác, sau khi hết hạn khai thác sẽ là đóng cửa mỏ, cải tạo phục hồi môi trường Các công đoạn này tác động đến tài nguyên và môi trường đất, bên cạnh có còn nhiều khu mỏ có công nghệ khai thác lạc hậu, chưa tân tiến, đặc biệt các khu vực khai thác mỏ kim loại đang khai thác nằm hầu hết nằm ở vùng núi và trung du Vì vậy, hoạt động khai thác khoáng sản tác động đến các khu vực xung quanh mỏ, đầu tiên

là hệ sinh thái rừng sau đó là đất rừng, việc khai thác 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 khoáng sản

Hình thành dòng chảy axit từ khai thác mỏ: 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 một phần lớn đất đá thải chứa các khoáng vật sunfua được đào lên từ một mỏ khai thác lộ thiên hoặc đào từ dưới lòng đất lên, nó phản ứng với nước và oxy để tạo ra axit sulfuric Axit gặp nước mưa tạo thành dòng chảy tràn trên bề mặt 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 (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2020)

Ô nhiễm kim loại nặng: Những mỏ khai thác hầm lò hoặc lộ thiên có kim loại nặng như asen, đồng, chì, coban, bạc, cadimi, kẽm chứa trong đất đá khai thác khi tiếp xúc với nước sẽ gây ra ô nhiễm nguồn nước chính do các kim loại bị rửa trôi

Ô nhiễm do sử dụng hóa chất trong hoạt động chế biến, tuyển rửa quặng: Ô nhiễm hóa học xảy ra khi các hóa chất như axit sulfuric hoặc xyanua được

sử dụng trong các quá trình tuyển rửa quặng gây ra, các chất hóa học sẽ 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: 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 nếu trong quá trình hoạt động khai thác không có các biện pháp phòng chống phù hợp và chiến lược kiểm soát đúng đắn, kịp thời thì khu vực khai thác mỏ

sẽ bị xói mòn nghiêm trọng

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

Để giúp các nhà quản lý hoạch định, định hướng xây dựng các mô hình phát triển bền vững phù hợp với từng cảnh quan khu vực, lãnh thổ thì việc đánh giá cảnh quan sinh thái là một khâu rất quan trọng trong nghiên cứu địa lý ứng dụng

Thực chất của việc đánh giá cảnh quan chính là xác định mức độ thuận lợi của cảnh quan cho các mục đích sử dụng khác nhau và 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 Mỗi loại hình sử dụng đất đều có một yêu cầu nhất định đối với cảnh quan, vì vậy đánh giá cảnh quan được thực hiện dựa trên

cơ sở đối chiếu, so sánh mức độ thuận lợi của cảnh quan đối với từng loại hình sử dụng

Khai thác mỏ đã tác động nhiều đến cảnh quan môi trường trên đất, làm cho thảm thực vật rừng bị thay đổi, thậm chí bị phá hủy từ đó phong cảnh thiên nhiên cũng như đa dạng sinh học bị thay đôi thay đổi 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 các loại mẫu và phân tích

- 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 về kim loại nặng

Những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5 thì được từ điển hóa học định nghĩa là kim loại nặng Kim loại nặng chủ yếu dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề môi trường bao gồm: Đồng, Kẽm, Chì, Thủy Ngân, Niken, Mangan, Chromi, Sắt, Titan, Bạc, Thiếc, cả Asen và Seleni cũng được coi là các kim loại nặng (Bjerregaard et al., 1991)

Các kim loại nặng phổ biến nhất là: Cadmi, Chromi, Đồng, Kẽm, Chì, Thủy Ngân Khi chúng ở hàm lượng cao sẽ rất độc hại đối với quá trình trao đổi chất của

tế bào Vì vậy, ô nhiễm đất bởi các tác nhân kim loại nặng có thể dẫn đến mất cân bằng của các loài động, thực vật bậc cao, đặc biệt trong môi trường đất bị ô nhiễm kim loại nặng với hàm lượng cao, thực vật phát triển kém, độ che phủ bề mặt thấp, hậu quả là các kim loại nặng sẽ xâm nhập vào nguồn nước mặt và nước ngầm (Lombi et al., 2001)

Thực tế cho thấy, các nhà khoa học đã quan tâm đến việc ô nhiễm kim loại nặng trong đất vì tính chất bền vững của chúng Quá trình tích lũy các chất độc hại, các kim loại nặng trong đất 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 Độc tính kim loại nặng 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 Đất hình thành từ đá macma bazơ có lượng Chromi, Mangan, Cobalt và Niken cao, trong khi đó đất hình thành từ đá trầm tích, phiến sét có lượng Chromi, Cobalt, Niken, Kẽm và Chì cao nhất (Antonio et.al., 2008)

Đối với các loại đất hình thành từ những đá mẹ khác nhau thì có hàm lượng kim loại nặng khác nhau Đất phát triển trên đá phiến thạch sét hoặc các khoáng vật giàu sét thường có hàm lượng Đồng cao, dao động từ 2 - 100 ppm Hàm lượng Chì 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

Số liệu bảng 1.1 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 Chì, Cadmi, Thủy Ngân, Asen,… Một số nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng 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 1.1 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,

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 hoạt động khai thác

Hoạt động khai thác khoáng sản đã làm cho đất ở xung quanh các vùng mỏ

bị ô nhiễm kim loại nặng: Nước ở các khe hở trong bãi thải tác động với các vật chất rắn của bãi thải tạo thành một dung dịch axit, kết quả của quá trình oxy hóa sunfua là một dung môi mạnh 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

Các dung dịch axit thoát ra từ bãi thải thường 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 Sắt, Kẽm, Đồng, Chì và các nguyên tố khác 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 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 nguyên nhân xuất hiện hàm lượng kim loại cao trong nước mặt

Quá trình khai khoáng gây ô nhiễm và suy thoái môi trường đất là một thực trạng cần quan tâm Các yếu tố gây ô nhiễm là axit, kim loại nặng, xianua, các loại khí độc Cần phải sớm có giải pháp xử lý với hiện tượng suy giảm chất lượng nước mặt và nước ngầm ở nhiều nơi do ô nhiễm kim loại nặng có nguồn gốc công nghiệp như Niken, Chì, Đồng Chromi, Cadmi, Asen, Seleni, Thủy Ngân Trong đó, nhiều kim loại nặng 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

Quá trình khai thác khoáng sản, về cơ bản đều gây nên ô nhiễm kim loại vào đất, vào trong nước, vào trong không khí và và cơ thể sinh vật Quá trình tích lũy kim loại nặng trong đất không chỉ xảy ra khi mỏ đang hoạt động mà còn tồn tại lâu dài về sau khi mỏ đã ngừng hoạt động Một ví dụ khá điển hình ở mỏ Vàng - Bạc Soncheon đã bỏ hoang ở Hàn Quốc cho thấy đất và nước nhiều khu vực ở đây vẫn

còn bị ô nhiễm một số kim loại ở mức khá cao (Bảng 1.2) (Lim H S và cộng sự, 2004)

Bảng 1.2 Hàm lượng KLN trong một số loại đất ở khu mỏ Songcheon

ĐVT: mg/kg

Nguyên tố Bãi thải quặng Đất

vùng núi Đất trang trại Đất bình thường trên thế giới

(Nguồn: Lim et.al., 2004)

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 Chì trong trầm tích lớn hơn 9.600 μg/g Lượng kim loại nặng liên quan đến hoạt động này không

ngừng gia tăng trên toàn thế giới (Andrade and Mahler, 2002)

Quá trình xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng thường phải mất rất nhiều thời gian, có thể đến vài năm 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

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 kim loại nặng rất cao Chất thải ở đây thường là nguồn gây ô nhiễm môi trường, cả phần trên mặt đất và phần dưới mặt đất Một số

mỏ vàng trong quá trình khai thác thường thải ra môi trường kim loại nặng vượt tiêu chuẩn quy định (Anawar et al., 2007)

Có một số khu vực trên Thế giới 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) Một số nguyên

tố kim loại nặng như: Đồng, Chì, Kẽm, Cadmi, Thủy Ngân, Chromi, Asen… có thể chứa trong phế thải của ngành luyện kim màu, sản xuất ô tô Hàm lượng Cadmi trong đất tại Thuỵ Sỹ có thể lên tới 3 mg/kg trong vòng 20 - 30 năm tới Tính di động gây độc của các kim loại nặng 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 kim loại nặng 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

Từ hoạt động khai thác khoáng sản chất thải có chứa các kim loại nặng như: Chì, Asen, Kẽm, Cadmi, Đồng, Niken… sẽ làm cho môi trường đất bị ô nhiễm do thải trực tiếp ra môi trường mà không qua xử lý

Sự suy thoái và ô nhiễm đất sẽ gây ra những tác động xấu, dẫn đến làm giảm năng suất cây trồng, làm nghèo thảm thực vật và làm suy giảm đa dạng sinh học Tác động trên còn làm cho quá trình xói mòn, rửa trôi thoái hóa diễn ra nhanh hơn

Vì vậy nhiều diện tích đất canh tác nông lâm nghiệp phải bỏ hoang, diện tích đất trống đồi trọc tăng lên

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

Tại hai điểm lấy mẫu bùn lắng cho thấy có dấu hiệu ô nhiễm kim loại nặng Các chỉ tiêu kim loại nặng được phân tích đều có giá trị rất cao Cụ thể, hàm lượng Cadmi cao hơn từ 4,5 đến 8,4 lần so với tiêu chuẩn cho phép (TCVN 7209: 2002), hàm lượng kẽm vượt từ 2,3 đến 2,7 lần và Asen cũng gần xấp xỉ tiêu chuẩn cho

phép từ 11,37 đến 12,95 mg/l, so sánh với 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

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

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

1.4.1 Tổng quan 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 đất bị ô nhiễm lên và di chuyển đất ô nhiễm đi chỗ khác với hy vọng là ở những nơi cần thiết thì đất không bị ô nhiễm (Barceló and Poschenrider, 2003)

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

Có thể áp dụng phương pháp cố định hoặc cô đặc chất ô nhiễm để giữ chúng không phát tán ra xung quanh Trong thực tiễn người ta thường dùng phương pháp

xử lý tại chỗ hoặc chuyển chỗ Phương pháp này cần sử dụng 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 bằng 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 vì 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 kim loại nặng Phương pháp này dựa vào việc hút và tách vật lý để loại bỏ chất ô nhiễm ra khỏi đất (Richard et.al., 1981) Dung dịch làm sạch đất có thể là HNO3,HCl, CaCl2 và EDTA Phương pháp này

chủ yếu là làm giảm 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

lý của phương pháp này 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 xếp đống cao khoảng 1 m, 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 cách 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 các bua 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 Một số nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản

Hiện tại ở các nước có ngành công nghiệp khai thác mỏ phát triển như Thụy Điển, Anh, Australia… và một số nước khác trong khu vực như Malaysia, Indones việc hoàn thổ, phục hồi môi trường khi hết thời hạn khai thác đã trở thành một quy chế bắt buộc đối với các chủ mỏ Trước khi tiến hành hoạt động khai thác, chủ mỏ

bắt buộc phải lập kế hoạch cải tạo, phục hồi môi và ký quỹ, hoàn thổ môi trường

Kế hoạch này như một bộ phận không thể tách rời của phương án khai thác mỏ trong suốt thời gian mỏ hoạt động Trong kế hoạch hoàn thổ phục hồi môi trường có những vấn đề như: Định hướng sử dụng đất sau khi kết thúc khai thác, phương án, trình tự, quy trình công nghệ hoàn thổ, tiến độ thực hiện và kinh phí thực hiện được

đề cập rất chi tiết với những hướng dẫn rất cụ thể và khoa học Trong kế hoạch hoàn thổ phục hồi môi trường còn đề cập đến việc lưu giữ các giống cây bản địa có sẵn, nguyên thủy và mẫu đất đá cũng được thực hiện rất cẩn thận để phục vụ cho việc hoàn thổ phục hồi môi trường nhiều năm sau phục vụ mục đích đưa khu vực về trạng thái gần nhất với lúc ban đầu

Hoạt động khai thác mỏ đã phát triển mạnh từ thế kỷ trước ở nhiều quốc gia giàu tài nguyên như Nga, Mỹ, Ấn Độ, Indonesia, Australia, Campuchia, Trung Quốc, Phillipines mục đích để đáp ứng nhu cầu ngày càng gia tăng về nguyên liệu khoáng của thế giới như quặng sắt, chì, kẽm, thiếc, than đá, đồng và các loại khoáng sản khác Ngành khai thác mỏ là ngành công nghiệp cần 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 mỏ 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 (Đặng Văn Minh, 2011)

- Khai thác vàng thủ công: Với cách thức chế biến đơn giản nhất trong khai thác vàng thủ công là quặng vàng trộn lẫn với thủy ngân, hỗn hợp này sẽ được nung chảy, vàng thì ở lại còn thủy ngân thì bốc hơi Như vậy, các khí độc và chất thải thủy ngân sẽ gây ô nhiễm môi trường đất và làm cho các sản phẩm từ trồng trọt và chăn nuôi cũng không còn an toàn do bị ô nhiễm

- Khai khoáng công nghiệp: Trong khai thác khoáng sản công nghiệp xử lý chất thải dưới dạng đất đá và bùn là khó khăn lớn nhất Các chất thải này có thể chính là các hóa chất độc hại mà người ta sử dụng để chế biến, tuyển rửa, tách quặng ra khỏi đất đá Chất thải ở các mỏ thường có các hợp chất sulfid-kim loại,

chúng có thể tạo thành axit, nếu khối lượng lớn chúng có thể gây hại đối tới 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, để xử lý ô nhiễm do khai thác khoáng sản, trong

đó có xử lý ô nhiễm kim loại nặng và các chất nguy hại khác trong đất thì công nghệ sử dụng thực vật để xử lý môi trường được rất nhiều nhà khoa học quan tâm Nhiều nhà khoa học trên nhiều quốc gia trên Thế giới 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 sử dụng thực vật để xử lý môi trường có ưu điểm là dễ thực hiện,

an toàn, chi phí đầu tư thấp và thân thiện với môi trường Có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau để xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật, phụ thuộc vào từng

cơ chế loại bỏ các kim loại nặng như:

- Phương pháp trồng các loại thực vật có khả năng làm giảm nồng độ kim loại nặng trong đất bằng cách tích lũy kim loại nặng cao trong thân và cho sinh khối cao Có rất nhiều loài đáp ứng được điều kiện tích lũy kim loại nặng trong thân

(Bảng 1.4), nhưng lại không đáp ứng được điều kiện cho sinh khối cao Do vậy phải

trồng loại thực vật có thể kết hợp được cả 2 yếu tố này (Nguyễn Thế Đặng, 2012)

Bảng 1.4 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao

Arabidopsis halleri 13.600 Zn Ernst, 1968

Thlaspi caerulescens 10.300 Zn Ernst, 1982

Thlaspi caerulescens 12.000 Cd Madico và cs, 1992

Thlaspi rotundifolium 8.200 Pb Reeves & Brooks, 1983

Thlaspi geosingiense 12.000 Ni Reeves & Brooks, 1983

Alyssum bertholonii 13.400 Ni Brooks & Radford,1978

Alyssum pintodasilvae 9.000 Ni Brooks & Radford,1978

Psychotria douarrei 47.500 Ni Baker và cs, 1985

Melastomamalabathricum 10.000 Al Watanabe và cs, 1998

(Nguồn: Brooks ed., 1998)

Sinh khối của các loài thực vật này chứa các chất ô nhiễm cũng được loại bỏ

ra khỏi đất và các kim loại quý hiếm như Niken, Titan, Vàng, có thể được chiết tách ra khỏi cây (Nguyễn Thế Đặng, 2012)

- Phương pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại trong đất hoặc bùn bởi

sự hấp thụ của rễ hoặc kết tủa trong vùng rễ Quá trình này làm giảm khả năng linh động của kim loại, ngăn chặn ô nhiễm nước ngầm và làm giảm hàm lượng kim loại khuếch tán vào trong các chuỗi thức ăn

Hiện nay, trên thế giới đã có hơn 450 loài thực vật có khả năng hấp thu cao

kim loại đã được công bố Các họ thực vật “siêu hấp thụ” là Asteraceae,

Brassicaceae, Caryopyllaceae, Cyperaceae, Conouniaceae, Fabaceae, Flacuortiaceae, Lamiaceae, Poaceae, Violaceae và Euphobiaceae Bên cạnh đó các

nhà khoa học trên thế giới cũng tích cực nghiên cứu để tạo ra những loài thực vật vừa có khả năng tích tụ kim loại cao lại vừa cho năng suất sinh học cao để dùng trong công nghệ xử lý sinh học Số lượng công trình nghiên cứu về thực vật có khả năng chiết rút kim loại từ đất (Phytoextraction), hoá hơi (Phytovolatilization), lọc kim loại bằng bộ rễ (Rhizofiltration) hay cố định kim loại (Phytostabilisation) để sử dụng trong xử lý môi trường ô nhiễm khá phong phú (Lombi et.al., 2001)

Thực tế cho thấy việc sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm kim loại nặng đã được ứng dụng ở nhiều nơi và áp dụng cho nhiều loại chất ô nhiễm (Chibuike et al., 2016)

Khả năng hấp thu kim loại nặng của các loài thực vật khác nhau thường là

khác nhau Cây Thlaspi caerulescens sinh trưởng trong 391 ngày đã loại bỏ hơn

8mg cadmi/kg đất và 200mg kẽm/kg đất tương ứng với 43% Cadmi và 7% kẽm

trong đất bị ô nhiễm Theo Diels và cộng sự (1999), loài dương xỉ Pteris vittata L

có khả năng tích lũy 14.500 ppm Asen mà mà không bị tổn thương thân lá Loài này sinh trưởng nhanh, có sức chống chịu cao với Asen trong đất (Asen > 1.500ppm) và

chỉ bị độc ở nồng độ 22.630ppm qua 6 tuần Theo các nhà khoa học Mỹ, Pteris

vittata L có thể chứa tới 22g Asen/kg lá Họ cũng đã chứng minh rằng trong vòng

24 giờ, loài dương xỉ này giảm mức Asen trong nước từ 200µg/l xuống gần 100 lần (Trích theo Đặng Văn Minh và cs., 2011)

Theo nghiên cứu của Avílio và cs (1997), các loài cây họ đậu rhizobia hoặc

bradyrhizobia cung cấp khoảng 12 tấn hữu cơ khô và 190 kgN/ha/năm Các thí

nghiệm với các loài cây bản địa và cây họ đậu đã thành công trong việc cải tạo đất, khu vực khai thác mỏ lộ thiên và dư lượng axit từ khai thác bauxite mà không cần

bổ sung các chất hữu cơ Tuy nhiên, cần bổ sung phosphate, thạch cao, vi chất dinh dưỡng và kali (Trích theo Đặng Văn Minh và cs., 2011)

Trong những năm gần đây các nhà khoa học Trung Quốc đã tiến hành một

dự án thử nghiệm đầu tiên trên thế giới là trồng cây để thu gom Asen độc hại trong đất Theo Chen Toongbin thuộc Viện Khoa học địa lý và Tài nguyên thì dự án trên được thực hiện tại ba địa điểm ở tỉnh Quảng Đông, Hồ Nam và Triết Giang Mỗi địa điểm thử nghiệm có diện tích 1ha được trồng 30 tấn hạt dương xỉ (Pteris vittata L.) một loại dương xỉ có thể hấp thu được 10% Asen từ đất trong vòng 1 năm Các nhà khoa học Trung Quốc đã dần dần hoàn thiện kỹ thuật trồng cây dương xỉ (Pteris vittata L.) và cỏ vetiver để “hút” các nguyên tố kim loại nặng trong đất như thạch tín, đồng, kẽm… Với kỹ thuật này, họ hy vọng có thể giải quyết về cơ bản vấn đề ô nhiễm kim loại nặng ở vùng hạ du của Trung Quốc do quá trình khai khoáng gây nên (Shu et.al., 2002) (Trích theo Đặng Văn Minh và cs., 2011)

Một số nghiên cứu cho thấy rằng thực vật có sinh khối cao mà trồng trong môi trường đất bị ô nhiễm và có pH thấp thì khả năng hấp thu kim loại nặng tăng nhưng sinh khối thực vật giảm đáng kể Một số chất tạo phức có thể tăng mức độ linh động của kim loại nặng và nâng cao hiệu quả hấp thu của thực vật (Srivastava et.al., 2016; Yulin et.al., 2018) (Trích theo Đặng Văn Minh và cs., 2011)

Một trong những mục tiêu của công tác hoàn thổ là lập lại thảm thực vật nhằm làm cho khu vực ổn định, bền vững và có thể ngăn ngừa, kiểm soát được xói

mòn Với những đặc trưng sinh lý và hình thái độc đáo, cỏ vetiver (Vetiveria

zizanioides L.) được sử dụng rất hiệu quả không chỉ để kiểm soát xói mòn mà còn là

loài có khả năng chống chịu cao đối với những loại đất bị ô nhiễm kim loại nặng

Có khá nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy, loài cỏ này có thể phát triển tốt trên nhiều loại đất khác nhau, thậm chí cả trong điều kiện môi trường đất khắc nghiệt: rất chua, kiềm, hàm lượng mangan và nhôm di động cao Vì vậy, cỏ vetiver đã được

sử dụng rất thành công trong phục hồi và cải tạo đất vùng mỏ như: mỏ than, vàng, bentonit, bôxit ở Australia; mỏ vàng, kim cương, platin ở Nam Phi; mỏ đồng ở Chi