Tổng quan nghiên cứu

Quảng Ninh là trung tâm công nghiệp than lớn nhất Việt Nam, nắm giữ tới 90% tổng trữ lượng than cả nước. Theo ước tính từ các báo cáo ngành, toàn tỉnh xả thải trung bình 236.850 m3 nước thải mỗi ngày, tương đương khoảng 86,45 triệu m3/năm, trong đó riêng nước thải hầm lò chiếm 220.414 m3/ngày (khoảng 80,45 triệu m3/năm). Để khai thác 1 tấn than sạch, doanh nghiệp phải bóc tách 8 đến 10 m3 đất đá và thải ra môi trường từ 1 đến 3 m3 nước thải mỏ. Tại thị xã Đông Triều, địa bàn có 7 đơn vị khai thác than hoạt động trải rộng trên 8 xã và thị trấn, sự gia tăng công suất khai thác hầm lò đang tạo ra áp lực nặng nề lên nguồn tài nguyên nước mặt và nước ngầm.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá thực trạng công tác quản lý và chất lượng nước thải tại 3 đơn vị mỏ tiêu biểu gồm Mạo Khê, Hồ Thiên (Công ty 618) và Hồng Thái; phân tích mức độ ô nhiễm trước và sau xử lý; khảo sát đánh giá tác động tới cộng đồng dân cư xung quanh; từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật công nghệ và quản lý phù hợp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước. Phạm vi nghiên cứu được triển khai tại thị xã Đông Triều trong giai đoạn từ tháng 7/2016 đến tháng 8/2017.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở dữ liệu quan trắc tin cậy phục vụ nâng cấp quy trình xử lý nước thải công nghiệp khoáng sản. Đồng thời, đề tài mở ra tiềm năng thu hồi và tái sử dụng nguồn nước mỏ đã qua xử lý nhằm đáp ứng định mức sinh hoạt khoảng 135 lít/người/ngày cho hơn 100.000 lao động ngành than, cũng như cấp nước dập bụi yêu cầu hàm lượng chất rắn lơ lửng dưới 20 mg/l.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết hình thành dòng thải axit mỏ (Acid Mine Drainage - AMD) dựa trên cơ chế oxy hóa khoáng vật sunfua dạng pyrit (FeS2) dưới tác động của oxy hòa tan, độ ẩm và sự xúc tác sinh học của vi khuẩn hiếu khí tự dưỡng Acidithiobacillus ferrooxidans. Quá trình này giải phóng axit sunfuric (H2SO4), làm suy giảm mạnh độ pH và hòa tan các kim loại nặng vào nguồn nước.

Đồng thời, đề tài áp dụng mô hình động học quá trình keo tụ - tạo bông, lắng trọng lực và oxy hóa xúc tác để xử lý kim loại nặng và cặn lơ lửng. Khung nghiên cứu tập trung vào 5 khái niệm cốt lõi: nước thải hầm lò mỏ than, chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy hóa học (COD), cơ chế oxy hóa cạnh tranh giữa ion sắt (Fe) và mangan (Mn), cùng hệ thống quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường bao gồm QCVN 40:2011/BTNMT (nước thải công nghiệp), QCVN 08-MT:2015/BTNMT (chất lượng nước mặt) và QCVN 09:2008/BTNMT (chất lượng nước ngầm).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu đa tầng kết hợp giữa số liệu thứ cấp từ Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh và dữ liệu quan trắc sơ cấp độc lập. Chương trình quan trắc môi trường được tiến hành định kỳ qua 4 đợt theo các mùa trong năm: Đợt 1 (11/11/2016), Đợt 2 (10/02/2017), Đợt 3 (10/05/2017) và Đợt 4 (10/08/2017). Mẫu nước được thu thập tại 9 vị trí trước xử lý (3 điểm/mỏ) và 7 vị trí sau xử lý tại 3 mỏ Mạo Khê, Hồ Thiên và Hồng Thái theo đúng quy trình TCVN 5998:1995. Cỡ mẫu xã hội học gồm 60 phiếu điều tra, trong đó 20 phiếu dành cho cán bộ quản lý, công nhân mỏ và 40 phiếu phân bổ ngẫu nhiên cho các hộ dân sinh sống trong bán kính 1 đến 2 km quanh khu vực khai trường.

Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm được thực hiện trên 20 chỉ tiêu lý hóa và vi sinh (pH, TSS, DO, COD, BOD5, SO42-, Fe, Mn, As, Pb, Cd, Hg, Coliform...) theo các tiêu chuẩn TCVN và Standard Methods (SWEWW). Lý do lựa chọn hệ thống phương pháp này là nhằm đảm bảo tính pháp lý, độ nhạy cao và phản ánh chính xác các thông số đặc thù của nước thải mỏ than. Toàn bộ dữ liệu được tổng hợp, xử lý thống kê bằng phần mềm chuyên dụng và so sánh trực tiếp với các quy chuẩn xả thải hiện hành trong suốt timeline nghiên cứu 14 tháng (7/2016 - 8/2017).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích 4 đợt quan trắc cho thấy nước thải trước xử lý tại cả 3 mỏ đều mang tính axit mạnh và ô nhiễm nghiêm trọng bởi cặn lơ lửng cùng ion kim loại:

  • Giá trị pH trong nước thải hầm lò thô dao động từ 3,5 đến 5,5 vào mùa khô và từ 4,0 đến 6,5 vào mùa mưa, thấp hơn đáng kể so với ngưỡng quy chuẩn cho phép.
  • Hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng (TSS) trước xử lý ở mức 50 - 300 mg/l trong mùa khô và tăng vọt lên 150 - 500 mg/l trong mùa mưa do nước mặt chảy tràn cuốn theo bùn than vào đường lò, vượt giới hạn QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B) từ 1,5 đến 5,0 lần.
  • Nồng độ tổng sắt (Fe) và mangan (Mn) hòa tan trước xử lý rất cao; Fe dao động từ 2,0 đến 15,0 mg/l (vượt chuẩn tới 300%) và Mn đạt từ 1,5 đến 10,0 mg/l (vượt chuẩn từ 150% đến 1.000%).
  • Sau hệ thống xử lý (kết hợp trung hòa bằng vôi CaO 15 - 35 mg/l, keo tụ bằng PAC 30 - 40 mg/l và lắng tấm nghiêng Lamella), hiệu suất loại bỏ TSS đạt trên 85%, đưa pH về ngưỡng trung tính 6,5 - 7,5. Tuy nhiên, hàm lượng Mn đầu ra tại các trạm xử lý vẫn còn cao hơn 1,5 đến 2,0 lần so với giới hạn Cột B QCVN 40:2011/BTNMT.
  • Điều tra xã hội học ghi nhận 72,5% hộ dân đánh giá nguồn nước mặt bị bồi lắng, đục bẩn và 45,0% phản ánh mực nước ngầm tầng nông bị sụt giảm do hoạt động tháo khô đáy moong, hầm lò của các mỏ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi khiến nước thải hầm lò Đông Triều có tính axit và hàm lượng khoáng hóa cao bắt nguồn từ sự phân giải khoáng vật pyrit chứa lưu huỳnh hữu cơ và vô cơ khi tiếp xúc với không khí ẩm trong các đường lò sâu đến mức âm 80 m và âm 150 m. Hiện tượng hàm lượng Mn sau xử lý vẫn vượt chuẩn quy định là do xảy ra quá trình oxy hóa cạnh tranh giữa ion Fe và Mn; ion sắt bị oxy hóa và kết tủa trước ở dải pH thấp hơn, trong khi Mn đòi hỏi thế oxy hóa khử cao hơn hoặc môi trường pH kiềm mạnh hơn để kết tủa hoàn toàn thành hydroxit.

Để minh họa trực quan các phát hiện trên, dữ liệu nghiên cứu có thể được thiết kế thành biểu đồ cột kết hợp đường đa trục thể hiện biến thiên nồng độ pH, Fe, Mn và TSS qua 4 đợt quan trắc theo mùa. Bên cạnh đó, một bảng tổng hợp ma trận so sánh các thông số đầu vào và đầu ra của từng mỏ với giới hạn Cột A, Cột B của QCVN 40:2011/BTNMT sẽ làm nổi bật rõ hiệu quả xử lý của từng công đoạn. Khi so sánh với các nghiên cứu tại vùng than Cẩm Phả hay Uông Bí, chất lượng nước thải tại Đông Triều có nồng độ kim loại độc hại như Pb, As, Cd nằm trong ngưỡng an toàn, nhưng áp lực về TSS và Mn vẫn là thách thức kỹ thuật lớn nhất cần can thiệp công nghệ chuyên sâu.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giải quyết triệt để bài toán ô nhiễm nước thải mỏ than trên địa bàn thị xã Đông Triều, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể được đề xuất:

  • Cải tiến và bổ sung cụm lọc xúc tác oxy hóa: Lắp đặt bổ sung modul lọc 2 lớp vật liệu gồm cát thạch anh dày 0,6 m phía dưới và cát phủ mangan dioxide (MnO2 hoạt tính 40%) dày 0,4 m phía trên sau bể lắng Lamella. Vận hành ở tốc độ lọc 7 - 9 m3/m2/h với liều lượng hóa chất keo tụ CaO từ 15 - 35 mg/l và PAC từ 30 - 40 mg/l, giúp loại bỏ triệt để ion Mn xuống dưới 0,5 mg/l và TSS dưới 20 mg/l (đạt chuẩn Cột A QCVN 40:2011/BTNMT). Target: Hoàn thiện nâng cấp 100% trạm xử lý nước thải tại mỏ Mạo Khê, Hồ Thiên và Hồng Thái trong vòng 12 tháng do Ban Giám đốc các mỏ than chủ trì thực hiện.
  • Thiết lập hệ thống tái tuần hoàn nước thải khép kín: Đầu tư tuyến ống và bể chứa trung gian để tái sử dụng 100% nước thải sau xử lý cho công tác dập bụi hầm lò, tuyển than và vệ sinh xe máy chuyên dùng; từng bước áp dụng màng lọc nâng cao để cấp nước sinh hoạt cho công nhân với lưu lượng tái chế đạt 30% - 40% tổng lượng xả thải. Target: Giảm thiểu 50.000 m3 nước khai thác ngầm mỗi tháng, thực hiện trong lộ trình 2018 - 2020 do Phòng Cơ điện - Môi trường các mỏ vận hành.
  • Gia cố hạ tầng thu gom dòng tràn và nạo vét bãi thải: Xây dựng hệ thống rãnh gom nước mặt quanh chân các bãi thải đất đá cao gần 200 m dẫn về các hồ lắng sơ bộ chuyên dụng. Thực hiện nạo vét bùn lắng định kỳ 3 tháng/lần trước các đợt mưa lớn nhằm giảm 80% tải lượng đất đá bồi lắng kênh mương thủy lợi. Đơn vị thực hiện: Đội thi công san gạt và bảo vệ môi trường mỏ.
  • Nâng cao năng lực giám sát và chuyển đổi số quản lý: Lắp đặt hệ thống quan trắc tự động liên tục đối với các thông số pH, TSS, lưu lượng xả thải truyền dữ liệu trực tiếp 24/7 về Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh; duy trì áp dụng nghiêm ngặt hệ thống quản lý môi trường theo tiêu chuẩn TCVN ISO 14001:2015. Timeline triển khai trong 6 tháng, do Ủy ban nhân dân thị xã Đông Triều phối hợp cùng các đơn vị thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn đa dạng cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Ban lãnh đạo và cán bộ an toàn - môi trường tại các doanh nghiệp khai thác than (như Than Mạo Khê, Công ty 618, Than Hồng Thái): Ứng dụng các thông số vận hành thực nghiệm (tải trọng lọc, định lượng hóa chất xử lý nước thải) nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành trạm xử lý, đáp ứng quy chuẩn xả thải và giảm thiểu tiền phí bảo vệ môi trường đối với nước thải công nghiệp.
  2. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh, Phòng Tài nguyên và Môi trường thị xã Đông Triều): Sử dụng nguồn dữ liệu hiện trạng để phục vụ công tác thanh kiểm tra, cấp phép xả thải vào nguồn nước và xây dựng quy hoạch phân vùng môi trường tiếp nhận nước thải mỏ trên địa bàn.
  3. Kỹ sư công nghệ môi trường và các đơn vị tư vấn thiết kế xử lý chất thải: Tiếp cận mô hình công nghệ kết hợp keo tụ - lắng lamen - lọc cát phủ dioxit mangan như một giải pháp chuẩn mực để thiết kế các module xử lý nước thải mỏ hầm lò có tính axit cao và chứa nhiều mangan.
  4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên các ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Mỏ, Quản lý Tài nguyên: Khai thác tài liệu tham khảo chất lượng cao về phương pháp luận đánh giá tác động môi trường mỏ, quy trình lấy mẫu hiện trường theo chuẩn TCVN 5998:1995 và phân tích số liệu ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước.

Câu hỏi thường gặp

Nước thải hầm lò mỏ than tại Đông Triều có những đặc trưng ô nhiễm chính nào?

Nước thải thô tại khu vực mỏ mang tính axit rõ rệt với pH dao động từ 3,5 đến 5,5 vào mùa khô, hàm lượng cặn lơ lửng TSS tăng cao lên tới 500 mg/l vào mùa mưa, cùng nồng độ kim loại nặng đặc thù rất lớn như Fe (tới 15 mg/l) và Mn (tới 10 mg/l). Nguyên nhân do khoáng vật pyrit tiếp xúc oxy và nước ngầm sinh ra axit hòa tan kim loại.

Vì sao công nghệ keo tụ lắng thông thường khó xử lý triệt để kim loại Mangan?

Trong nước thải mỏ than, sắt (Fe) có xu hướng bị oxy hóa và kết tủa trước ở dải pH thấp hơn Mangan (Mn). Khi áp dụng phương pháp keo tụ lắng bằng vôi và PAC thông thường, Mn phần lớn vẫn tồn tại ở dạng hòa tan, khiến nước thải đầu ra vượt chuẩn 1,5 đến 2 lần. Cần bổ sung lớp lọc cát phủ dioxit mangan để xúc tác phản ứng oxy hóa.

Lưu lượng nước thải phát sinh từ các mỏ than tại Quảng Ninh lớn như thế nào?

Theo số liệu thống kê ngành than, tổng lượng nước thải phát sinh trong khu vực đạt khoảng 236.850 m3/ngày (tương đương 86,45 triệu m3/năm), trong đó nước thải hầm lò chiếm 220.414 m3/ngày. Trung bình sản xuất 1 tấn than sạch sẽ thải ra từ 1 đến 3 m3 nước thải mỏ, đặt ra yêu cầu rất lớn về hạ tầng thu gom xử lý.

Hoạt động khai thác than hầm lò tác động như thế nào đến nguồn nước của người dân?

Quá trình bơm hạ mực nước ngầm để tháo khô các đường lò sâu tới -150 m tạo ra các phễu hạ áp lực nước ngầm lớn, làm suy giảm lượng nước của giếng đào tại 45,0% hộ dân lân cận. Ngoài ra, nước mưa chảy tràn qua bãi thải chứa nhiều than bùn gây bồi lấp và làm tăng độ đục của sông suối tưới tiêu nông nghiệp.

Nước thải mỏ than sau xử lý có thể tái sử dụng cho những mục đích nào?

Nước thải sau khi qua hệ thống keo tụ - lắng lamen và lọc xúc tác đạt TSS dưới 20 mg/l và kim loại đạt chuẩn Cột A có thể tái sử dụng ngay cho công tác phun sương dập bụi hầm lò, rửa xe và vệ sinh mặt bằng công nghiệp. Với công nghệ màng lọc bổ sung, nguồn nước này đáp ứng tốt nhu cầu sinh hoạt 135 l/người/ngày cho công nhân.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng nước thải tại 3 mỏ than trọng điểm ở thị xã Đông Triều (Mạo Khê, Hồ Thiên và Hồng Thái) thông qua 4 đợt quan trắc định kỳ trong suốt 14 tháng nghiên cứu.
  • Xác định rõ các thông số ô nhiễm vượt ngưỡng trước xử lý gồm độ axit cao (pH 3,5 - 5,5), TSS mùa mưa lên tới 500 mg/l, tổng Fe lên tới 15 mg/l và tổng Mn lên tới 10 mg/l.
  • Chỉ ra hạn chế của công nghệ xử lý hiện hữu khi nồng độ Mn sau lắng tấm nghiêng vẫn vượt quy chuẩn Cột B từ 1,5 đến 2,0 lần do hiện tượng oxy hóa cạnh tranh giữa Fe và Mn.
  • Lượng hóa tác động môi trường tới cộng đồng dân cư qua khảo sát 60 đối tượng, ghi nhận 72,5% ý kiến phản ánh hiện tượng bồi lắng nước mặt và 45,0% ghi nhận sự suy giảm mực nước ngầm.
  • Đề xuất hoàn thiện công nghệ lọc cát phủ MnO2 đạt chuẩn Cột A và mô hình tuần hoàn nước thải khép kín phục vụ sản xuất và sinh hoạt giai đoạn 2018 - 2020.

Công trình là tài liệu khoa học nền tảng cho việc nâng cấp hạ tầng môi trường mỏ. Các đơn vị khai thác khoáng sản và cơ quan quản lý hãy áp dụng ngay các giải pháp công nghệ và mô hình quản lý này để hướng tới phát triển ngành than bền vững và bảo vệ tài nguyên nước!