Thay vì đưa ra bãi thải, dư lượng từ hoạt động khai thác phốt phát có thể được tận dụng để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải trong các hệ thống đất ngập nước nhân tạo. Nghiên cứu mới cho thấy giải pháp này vừa giúp loại bỏ hiệu quả nhiều chất ô nhiễm, vừa mở ra hướng ứng dụng kinh tế tuần hoàn cho ngành khai khoáng tại các khu vực thiếu nước.

Nghiên cứu: Sử dụng chất thải mỏ chứa phốt phát làm vật liệu nền mới cho các hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy thẳng đứng tiên tiến: Phương pháp tiếp cận kinh tế tuần hoàn. Ảnh: Chawranphoto / Shutterstock

Trong bối cảnh ngành khai khoáng ngày càng chú trọng phát triển bền vững và kinh tế tuần hoàn, việc tìm kiếm các giải pháp tái sử dụng chất thải mỏ đang trở thành một hướng nghiên cứu đầy triển vọng. Không chỉ góp phần giảm áp lực môi trường từ hoạt động khai thác, các loại dư lượng khoáng sản còn có thể được chuyển hóa thành nguồn vật liệu hữu ích phục vụ xử lý nước thải và bảo vệ tài nguyên nước.

Một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Agronomy đã cho thấy chất thải mỏ chứa phốt phát từ ngành công nghiệp khai thác phốt phát của Ma-rốc có thể được sử dụng làm vật liệu nền phản ứng trong các hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy thẳng đứng tiên tiến. Kết quả nghiên cứu cho thấy loại vật liệu này có khả năng nâng cao hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm trong nước thải, đồng thời mở ra cơ hội tận dụng phụ phẩm khai thác theo mô hình kinh tế tuần hoàn, đặc biệt tại các khu vực đang đối mặt với tình trạng khan hiếm nước.

Hướng tiếp cận kinh tế tuần hoàn từ chất thải mỏ

Tình trạng khan hiếm nước đang trở thành thách thức ngày càng nghiêm trọng trên phạm vi toàn cầu, đặc biệt tại các khu vực khô hạn và bán khô hạn như Bắc Phi và vùng Địa Trung Hải. Biến đổi khí hậu, gia tăng dân số và nhu cầu sản xuất nông nghiệp không ngừng tăng đã tạo áp lực lớn lên nguồn tài nguyên nước ngọt vốn đã hạn chế.

Trong bối cảnh đó, nước thải sau xử lý được xem là nguồn nước thay thế tiềm năng cho tưới tiêu và nhiều mục đích sử dụng không dùng cho ăn uống. Tuy nhiên, ngay cả sau khi xử lý, nước thải vẫn có thể chứa kim loại nặng, mầm bệnh và chất dinh dưỡng dư thừa, tiềm ẩn nguy cơ đối với hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng.

Các hệ thống đất ngập nước nhân tạo hiện được đánh giá là giải pháp xử lý nước thải phi tập trung có chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Hoạt động dựa trên các quá trình sinh học, vật lý và hóa học tương tự như trong tự nhiên, các hệ thống này có khả năng loại bỏ nhiều loại chất ô nhiễm. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý của các vật liệu nền truyền thống như cát và sỏi vẫn còn hạn chế, đặc biệt khi thời gian lưu thủy ngắn. Vì vậy, các nhà khoa học đang tìm kiếm những vật liệu nền phản ứng mới nhằm nâng cao hiệu suất xử lý và giảm tác động môi trường của hệ thống.

Tại Ma-rốc, ngành khai thác phốt phát hàng năm tạo ra khối lượng lớn chất thải mỏ giàu canxi và fluorapatite, phần lớn chưa được tận dụng hiệu quả. Xuất phát từ thực tế đó, nhóm nghiên cứu đã đánh giá khả năng sử dụng các dư lượng khai thác này làm vật liệu nền phản ứng trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo. Mục tiêu là tăng cường các cơ chế hấp phụ, kết tủa và trao đổi ion nhằm nâng cao hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm trong nước thải.

Nghiên cứu tập trung đánh giá hiệu quả xử lý của các loại vật liệu nền khác nhau, phân tích ảnh hưởng của thời gian lưu thủy đến khả năng loại bỏ chất ô nhiễm và xem xét tiềm năng tái sử dụng nước sau xử lý cho mục đích nông nghiệp theo các tiêu chuẩn hiện hành của Ma-rốc.

Mô hình thử nghiệm sử dụng vật liệu nền từ chất thải mỏ

Nghiên cứu được triển khai tại trang trại thực nghiệm của Đại học Bách khoa Mohammed VI ở Ben Guerir, Ma-rốc. Nhóm nghiên cứu xây dựng bốn mô hình đất ngập nước nhân tạo dòng chảy thẳng đứng quy mô trung gian trong các bể nhựa hình trụ, trồng cây Arundo donax - loài thực vật thủy sinh thường được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải. Mỗi mô hình được bố trí một loại vật liệu nền khác nhau nhằm đánh giá hiệu quả xử lý của từng môi trường phản ứng.

Mô hình đối chứng sử dụng cát và sỏi truyền thống, trong khi các mô hình còn lại kết hợp pozzolan với chất thải mỏ chứa phốt phát, đất sét hoặc than sinh học. Với cấu trúc xốp đặc trưng, pozzolan được lựa chọn để duy trì khả năng dẫn nước của hệ thống. Các lớp vật liệu nền được ngăn cách bằng vải địa kỹ thuật nhằm hạn chế thất thoát hạt. Trước khi tiến hành thí nghiệm, các hệ thống được vận hành ổn định trong hai tháng để tạo điều kiện cho thực vật và vi sinh vật phát triển.

Nguồn nước thải được lấy từ nhà máy xử lý nước thải Ben Guerir và được bổ sung cadmium và đồng nhằm mô phỏng điều kiện ô nhiễm khắt khe hơn. Các mô hình được vận hành theo mẻ (gián đoạn) với thời gian lưu thủy lần lượt là 24, 48 và 72 giờ để đánh giá ảnh hưởng của thông số này đến hiệu quả xử lý.

Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học theo dõi nhiều chỉ tiêu chất lượng nước quan trọng, đồng thời sử dụng các phương pháp phân tích tiên tiến để xác định đặc tính của vật liệu nền cũng như cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm trong từng hệ thống.

Nâng cao hiệu quả xử lý nhờ vật liệu nền phản ứng

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc bổ sung các vật liệu nền phản ứng giúp nâng cao đáng kể hiệu quả xử lý nước thải so với mô hình sử dụng cát và sỏi thông thường. Trong đó, các hệ thống chứa than sinh học và chất thải mỏ chứa phốt phát đạt hiệu quả nổi bật trong việc loại bỏ chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, chất dinh dưỡng và kim loại nặng.

Đối với các chỉ tiêu hữu cơ, nhu cầu oxy hóa học giảm đáng kể ở tất cả các hệ thống cải tiến. Mô hình sử dụng than sinh học đạt hiệu suất loại bỏ gần 80% khi thời gian lưu thủy kéo dài. Theo nhóm nghiên cứu, cấu trúc xốp cùng diện tích bề mặt lớn của than sinh học tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật và quá trình truyền oxy, từ đó thúc đẩy phân hủy các hợp chất hữu cơ. Hiệu quả loại bỏ tổng chất rắn lơ lửng cũng đạt trên 84% nhờ khả năng lọc và giữ hạt được cải thiện.

Các hệ thống sử dụng đất sét và chất thải mỏ chứa phốt phát cũng cho kết quả khả quan nhờ thành phần giàu khoáng chất, giúp tăng cường các quá trình hấp phụ và trao đổi ion. Hệ thống bổ sung đất sét đạt hiệu quả loại bỏ nitơ trên 82%, loại bỏ phốt pho đạt gần 89%. Đối với hệ thống sử dụng chất thải mỏ, hiệu quả loại bỏ phốt pho đạt khoảng 76%.

Khả năng xử lý kim loại nặng cũng được cải thiện rõ rệt. Hầu hết các mô hình đều loại bỏ được trên 85% cadmium và đồng. Than sinh học đóng vai trò tăng cường hấp phụ kim loại, trong khi chất thải mỏ chứa phốt phát hỗ trợ quá trình thu hồi kim loại thông qua cơ chế kết tủa canxi - phốt phát.

Bên cạnh những kết quả tích cực, nghiên cứu cũng chỉ ra một số hạn chế trong quá trình vận hành. Hiệu quả loại bỏ vi khuẩn coliform phân suy giảm trong điều kiện thời tiết lạnh, đồng thời chưa có hệ thống nào đáp ứng ổn định các yêu cầu về mầm bệnh để tái sử dụng nước cho mục đích nông nghiệp. Ngoài ra, thời gian lưu thủy kéo dài làm gia tăng thất thoát nước do bốc hơi, với mức tổn thất có thể lên tới 28% trong một số điều kiện nhất định.

Các phân tích thống kê cho thấy cả thành phần vật liệu nền và thời gian lưu thủy đều có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả xử lý, khẳng định vai trò của việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống đối với các ứng dụng xử lý nước thải trong thực tế.

Triển vọng ứng dụng trong xử lý nước thải bền vững

Kết quả nghiên cứu cho thấy dư lượng khai thác phốt phát không còn là chất thải cần quản lý mà có thể trở thành nguồn vật liệu có giá trị cho các hệ thống xử lý nước thải. Việc tận dụng các sản phẩm phụ của ngành khai khoáng để nâng cao hiệu quả xử lý nước vừa góp phần giảm lượng chất thải đưa ra bãi thải, vừa thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn trong lĩnh vực khai thác và chế biến khoáng sản.

Mặc dù hiện nay các nhà nghiên cứu vẫn cần tiếp tục hoàn thiện cấu hình hệ thống, đánh giá hiệu suất dài hạn, cải thiện thành phần vật liệu nền và xem xét tính khả thi về kinh tế, những kết quả ban đầu đã cho thấy tiềm năng đáng kể của hướng tiếp cận này đối với việc triển khai trên quy mô lớn. Trong bối cảnh nhiều khu vực khai thác trên thế giới đang chịu áp lực về tài nguyên nước và môi trường, việc biến chất thải mỏ thành vật liệu xử lý nước thải có thể trở thành một giải pháp bền vững, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và giảm tác động môi trường của ngành khai khoáng./.