Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Tháng 3–4/2021, sự cố vỡ đê tại cơ sở xử lý quặng phosphate Piney Point (Manatee County, Florida, Mỹ) khiến khoảng 800 triệu lít nước thải công nghiệp tràn vào vịnh Tampa. Nhóm nghiên cứu theo dõi diễn biến trong gần 3 năm (7/2021–5/2024) và phát hiện rằng khoáng vật apatite vốn có sẵn trong trầm tích đáy biển đã hấp phụ nhanh chóng phần lớn lượng phosphate từ nước thải, ngăn chặn sự tích tụ lâu dài của chất ô nhiễm này trong cột nước.

1. Bối cảnh sự cố

Florida là vùng khai thác quặng phosphate lớn của Hoa Kỳ với lịch sử kéo dài hơn 130 năm. Trong quá trình sản xuất phân bón phosphate theo phương pháp ướt, axit sulfuric được phản ứng với quặng canxi phosphate để tạo ra axit phosphoric. Sản phẩm phụ là một khối lượng lớn thạch cao phospho (phosphogypsum), được lưu trữ trong các bãi chứa lớn gọi là gypstack.

Bãi chứa Piney Point, nằm gần vịnh Tampa tại huyện Manatee phía bắc, hoạt động từ năm 1966 đến cuối những năm 1990. Trong giai đoạn đóng cửa, một số ao lót đáy được xây dựng để chứa nước thải sản xuất (process water) — loại nước axit đã tiếp xúc với quặng, giàu phosphate, đạm ammonium và một số kim loại nặng cùng các chất phóng xạ tự nhiên.

Tháng 3/2021, phát hiện rò rỉ tại một ngăn chứa khiến Cơ quan Bảo vệ Môi trường Florida (FDEP) ra lệnh áp dụng biện pháp khẩn cấp để tránh vỡ đê thảm họa. Đơn vị quản lý đã chủ động xả nước theo hệ thống siphon trọng lực qua cảng Manatee ra vịnh Tampa. Trong 10 ngày, khoảng 800 triệu lít nước thải — hỗn hợp nước sản xuất, nước mưa và nước biển — đã được xả ra môi trường.

2. Câu hỏi và phương pháp nghiên cứu

Trong khi tác động tức thời của lượng đạm ammonium từ sự cố đã được nhiều nghiên cứu ghi nhận (bao gồm các đợt tảo nở hoa độc hại), tác động dài hạn của lượng phosphate khổng lồ đối với hệ sinh thái vịnh Tampa vẫn chưa được làm rõ. Nhóm nghiên cứu đặt ra hai câu hỏi: phosphate từ nước thải còn tồn lại bao nhiêu trong cột nước sau sự cố, và phosphate đó đã đi đâu?

Từ tháng 7/2021 đến tháng 5/2024, nhóm tiến hành lấy mẫu trầm tích tại 12 vị trí dọc theo bờ đông vịnh Tampa, cả phía bắc và phía nam điểm xả thải, định kỳ khoảng mỗi tháng một lần. Nồng độ phosphate được phân tích bằng phương pháp chiết EDTA kết hợp đo quang phổ (ICP-OES) và đo màu malachite green. Thành phần khoáng vật được xác định bằng nhiễu xạ tia X (XRD). Bổ sung vào đó là các thí nghiệm trong phòng dùng nước thải và nước biển mô phỏng để đánh giá khả năng hấp phụ phosphate của từng loại vật liệu trầm tích.

3. Kết quả chính

3.1. Phosphate trong cột nước trở về mức nền chỉ sau vài ngày

Toàn bộ mẫu nước thu thập trong vùng nghiên cứu đều có nồng độ phosphate hòa tan dưới ngưỡng phát hiện (<0,02 ppm) trong suốt thời gian theo dõi. Dữ liệu từ nhiều cơ quan môi trường, được tổng hợp bởi Chương trình Cửa sông Tampa Bay (TBEP), cũng cho thấy nồng độ phosphate tổng số trở về mức nền chỉ trong vòng một đến hai ngày sau khi xả thải.

3.2. Phosphate tích lũy trong trầm tích đáy theo phân bố địa lý phù hợp với hướng dòng chảy

Ngược lại với cột nước, trầm tích tại các vị trí xung quanh điểm xả cho thấy nồng độ phosphate có thể chiết xuất cao hơn đáng kể so với đối chứng. Các vị trí cách xa điểm xả 3–10 km về phía đông bắc có nồng độ trung bình dưới 350 ppm. Vị trí cách 1 km về phía bắc đạt 800 ppm. Vị trí gần nhất (cách <20 m) đạt khoảng 2.000 ppm. Đặc biệt, vị trí cách 4 km về phía nam có nồng độ trung bình cao nhất trong toàn bộ chiến dịch lấy mẫu, đạt 3.300 ppm.

Phân bố nồng độ này khớp với mô hình lan truyền đám nước thải do Liu và cộng sự (2024) xây dựng: đám nước thải đầu tiên lan rộng trong hai ngày đầu, sau đó bị đẩy về phía nam và vào gần bờ; từ ngày thứ năm trở đi, một nhánh thứ hai tập trung về phía bắc điểm xả. Phân bố phosphate trong trầm tích phản ánh đúng hai vùng tập trung này.

3.3. Apatite là khoáng vật hấp phụ phosphate hiệu quả nhất

Trầm tích tại vịnh Tampa có thành phần chủ yếu là thạch anh, canxit và apatite. Hàm lượng apatite thấp (<1%) ở các vị trí phía bắc, nhưng tăng mạnh ở hai vị trí phía nam, đạt 15,5% và 11% tương ứng. Phân tích XRD xác nhận các hạt cát màu đen đặc trưng ở những khu vực này chính là apatite. Nguồn gốc của chúng là từ tầng đất giàu phosphate Bone Valley ở trung tâm Florida — nơi cung cấp nguyên liệu cho các nhà máy phân bón.

Trong thí nghiệm phòng, hỗn hợp nước thải và nước biển mô phỏng không cho thấy quá trình kết tủa phosphate đáng kể khi không có vật liệu rắn. Khi bổ sung các loại vật liệu trầm tích, apatite tinh khiết hấp phụ 28–77% phosphate trong 30 phút đầu và đạt tối đa 54–96% sau 3–16 ngày. Canxit hấp phụ khoảng 40% sau 1–16 ngày. Thạch anh và trầm tích tự nhiên từ các vị trí khảo sát đều có tốc độ hấp phụ thấp hơn so với apatite tinh khiết.

Cơ chế xảy ra theo hướng: phosphate hòa tan trước tiên hấp phụ lên bề mặt hạt apatite (adsorption), rồi dần kết tinh thành khoáng chất canxi phosphate. Quá trình này nhất quán với các nghiên cứu trước đây cho thấy tinh thể apatite đóng vai trò mầm (seed crystal) thúc đẩy kết tinh canxi phosphate từ dung dịch.

3.4. Cân bằng khối lượng xác nhận giả thuyết hấp phụ

Nhóm nghiên cứu thực hiện tính toán cân bằng khối lượng đơn giản: 800 triệu lít nước thải với nồng độ phosphate khoảng 200 ppm tương đương 10⁸ gam phosphate đưa vào vịnh. Ước tính lượng phosphate tích lũy trong lớp trầm tích dày 1 cm trong phạm vi 5 km từ điểm xả, với nồng độ trung bình 2.000 ppm và phạm vi lan khoảng 45 độ về phía tây nam, cũng cho kết quả xấp xỉ 10⁸ gam. Sự tương đồng này cho thấy trầm tích giàu apatite đã tiếp nhận gần như toàn bộ lượng phosphate từ sự cố.

4. Tại sao phosphate không kết tủa trực tiếp trong nước biển?

Mặc dù tính toán nhiệt động lực học dự đoán nước thải đã ở trạng thái bão hòa đối với apatite khi pha trộn với nước biển, nhưng tốc độ kết tủa thực tế rất chậm do ion Mg²⁺ trong nước biển ức chế quá trình hình thành pha canxi phosphate. Các nghiên cứu trước đó cho thấy nồng độ Mg²⁺ ở mức 40 mM có thể ngăn hoàn toàn quá trình kết tủa apatite, và phosphate trong nước thải pha loãng không đạt ngưỡng nồng độ 0,01–0,5 M cần thiết để kết tủa các pha canxi phosphate khác. Do đó, quá trình hấp phụ lên bề mặt khoáng vật có sẵn trong trầm tích — không phải kết tủa tự do trong cột nước — là cơ chế chủ đạo loại bỏ phosphate.

5. Ý nghĩa và một số lưu ý

Kết quả này gợi ý rằng trong điều kiện địa chất đặc thù của khu vực vịnh Tampa — nơi trầm tích giàu apatite từ tầng Bone Valley — hệ sinh thái đã có cơ chế tự nhiên hấp phụ phosphate khá hiệu quả. Nhóm tác giả đề xuất rằng phương pháp bổ sung apatite nghiền mịn hoặc chất thải đuôi quặng từ khai thác mỏ có thể được ứng dụng để xử lý nước thải tại chỗ trước khi xả ra môi trường tại các cơ sở sản xuất phân bón phosphate trên toàn thế giới.

Tuy nhiên, cần lưu ý một số hạn chế của nghiên cứu: dữ liệu chỉ thu thập từ lớp trầm tích bề mặt 1–2 cm; sự cố năm 2021 còn đưa vào vịnh một lượng lớn đạm ammonium — có liên quan đến các đợt tảo nở hoa sau đó — và tác động sinh thái của đợt ô nhiễm đạm này là vấn đề riêng, nằm ngoài phạm vi bài báo hiện tại. Ngoài ra, mức độ biến động theo không gian trong trầm tích khá cao (chênh lệch giữa các mẫu song song trung bình 37%), phản ánh tính không đồng nhất tự nhiên của trầm tích đáy vịnh.

6. Kết luận

Dữ liệu từ gần ba năm theo dõi cho thấy phần lớn lượng phosphate từ sự cố Piney Point đã được trầm tích giàu apatite trong vịnh Tampa hấp phụ nhanh chóng và giữ lại trong ít nhất ba năm. Phosphate không tuần hoàn trở lại cột nước ở mức có thể đo được bằng thiết bị hiện tại. Nghiên cứu nhấn mạnh vai trò của khoáng vật apatite có sẵn trong trầm tích như một cơ chế làm giảm nhẹ tác động ô nhiễm phosphate từ các sự cố công nghiệp trong môi trường cửa sông ven biển.

Nguồn tham khảo

Major, J.D., Feng, T. & Pasek, M.A. (2026). Rapid removal of mining waste-contributed phosphate from estuarine waters by pre-existing apatite in north Manatee County, Florida. Communications Sustainability, 1, 61.