Giới thiệu dự án

Khai thác than là ngành công nghiệp trụ cột bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia với sản lượng đạt trên 40 triệu tấn/năm, trong đó hơn 70% tập trung tại vùng mỏ Quảng Ninh. Tuy nhiên, hoạt động khai thác hầm lò, sàng tuyển và chế biến than tạo ra áp lực môi trường rất lớn, đặc biệt là nguồn nước thải mỏ có tính axit cao (Acid Mine Drainage - AMD), chứa hàm lượng cặn lơ lửng (TSS) lớn, dầu mỡ khoáng và các kim loại nặng hòa tan như Sắt (Fe), Mangan (Mn).

Tại bãi sàng tuyển và chế biến than Uông Thượng thuộc Công ty Than Uông Bí (phường Vàng Danh, TP. Uông Bí, Quảng Ninh), nước thải phát sinh chủ yếu từ nước mưa chảy tràn qua bề mặt công trường bãi chế biến (lưu lượng ngày mưa lớn nhất lên tới $5.211\text{ m}^3\text{/ngày}$), nước dập bụi sàng tuyển ($36\text{ m}^3\text{/ngày}$), nước bổ sung tuyển huyền phù ($100\text{ m}^3\text{/ngày}$) và nước rửa xe cơ giới ($5\text{ m}^3\text{/ngày}$). Nguồn nước thải này chảy trực tiếp ra hệ thống suối nhánh đổ về sông Vàng Danh – nguồn cấp nước sinh hoạt chính cho khu vực đô thị Uông Bí.

Nước thải bãi chế biến than Uông Thượng:
- pH: 4.5 - 5.8 (Tính axit cao do oxy hóa khoáng Pyrit)
- TSS: 60 - 79 mg/L (Vượt 1.2 - 1.58 lần QCVN 40:2011/BTNMT Cột A)
- Sắt (Fe): 1.55 - 1.85 mg/L (Vượt 1.55 - 1.85 lần)
- Mangan (Mn): 0.68 - 0.90 mg/L (Vượt 1.36 - 1.80 lần)
- Dầu mỡ khoáng: 63 - 78 mg/L (Vượt 1.26 - 1.56 lần)
- COD: 73 - 86 mg/L

Để giải quyết triệt để bài toán ô nhiễm trên mặt bằng địa hình đồi núi hiểm trở, Công ty Than Uông Bí đã đầu tư xây dựng trạm xử lý nước thải công suất $150\text{ m}^3\text{/h}$ ($3.600\text{ m}^3\text{/ngày.đêm}$) ứng dụng công nghệ lắng bản mỏng (Lamen / Lamella Clarifier) kết hợp keo tụ - tạo bông và lọc áp lực đa tầng.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể

  1. Đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng nước thải mỏ trước và sau xử lý tại bãi chế biến than Uông Thượng theo quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT Cột A.
  2. Phân tích nguyên lý thủy lực, động học lắng hạt cặn trong mô-đun lắng tấm nghiêng Lamen đặt nghiêng góc $60^\circ$.
  3. Xác định hiệu quả khử các thông số ô nhiễm chính: pH, TSS, Fe, Mn, Dầu mỡ khoáng, COD và Coliform.
  4. Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật - môi trường, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật vận hành tối ưu hóa trạm xử lý.

Phạm vi và giới hạn

  • Không gian: Bãi sàng tuyển, chế biến than công trường Uông Thượng, phường Vàng Danh, TP. Uông Bí.
  • Thời gian quan trắc thực nghiệm: Giai đoạn từ tháng 02/2016 đến tháng 11/2016 (bao gồm cả mùa khô và mùa mưa).
  • Đối tượng kỹ thuật: Hệ thống xử lý nước thải công suất $150\text{ m}^3\text{/h}$ gồm cụm keo tụ - lắng Lamen - lọc áp lực.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tại vùng than Quảng Ninh, nhiều công nghệ xử lý nước thải mỏ truyền thống đã được áp dụng nhưng bộc lộ nhiều điểm nghẽn kỹ thuật:

Công nghệ truyền thống Địa điểm áp dụng Ưu điểm Nhược điểm & Rủi ro kỹ thuật
Bể lọc trung hòa đá vôi tự nhiên Xí nghiệp Than Cao Thắng Chi phí đầu tư thấp, vật liệu sẵn có Hiệu quả thấp; hạt đá vôi nhanh chóng bị phủ lớp kết tủa $\text{Fe(OH)}_3$ làm mất hoạt tính trung hòa; không xử lý được cặn lơ lửng mịn.
Hồ lắng hở 2 bậc tự nhiên Nhà sàng Than Mạo Khê ($100\text{ m}^3\text{/h}$) Vận hành đơn giản, chi phí điện năng thấp Cần diện tích đất rất lớn ($>5.000\text{ m}^2$); không trung hòa được axit; bùn lắng tích tụ khó nạo vét; chất lượng nước đầu ra không ổn định khi mưa lớn.
Bể khuấy vôi + Lắng trọng lực tròn Than Hà Lầm (Mức $-51$, $1.200\text{ m}^3\text{/ngày}$) Tự động hóa cao, kiểm soát được pH và TSS Suất đầu tư xây dựng rất cao; chiếm diện tích lớn; chi phí hóa chất sữa vôi và bảo trì cơ khí gạt bùn tốn kém.

Ma trận ưu tiên yêu cầu kỹ thuật (MoSCoW)

  • Must-have (Bắt buộc):
    • Nước đầu ra đạt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT Cột A ($pH = 6 - 9$; $TSS \le 50\text{ mg/L}$; $Fe \le 1.0\text{ mg/L}$; $Mn \le 0.5\text{ mg/L}$; $\text{Dầu mỡ khoáng} \le 5\text{ mg/L}$).
    • Cụm module chế tạo nguyên khối dạng thép sơn phủ chống ăn mòn, chịu được pH axit $4.5$.
  • Should-have (Cần có):
    • Hệ thống châm hóa chất tự động điều khiển qua tín hiệu pH-meter và cảm biến độ đục inline.
    • Khả năng xả cặn tự động định kỳ dưới áp lực thủy tĩnh.
  • Could-have (Có thể thêm):
    • Tuần hoàn $100%$ nước trong sau lắng quay lại máng rửa than huyền phù nhằm tiết kiệm tài nguyên nước cấp.
  • Won't-have (Tạm thời chưa triển khai):
    • Hệ thống màng lọc UF/RO khử khoáng (do chi phí đầu tư và vận hành vượt quá ngân sách bãi chế biến).

Thiết kế hệ thống

Hệ thống xử lý nước thải mỏ Uông Thượng được thiết kế theo dây chuyền công nghệ hóa lý tích hợp liên hoàn:

graph TD
    A["Nước thải mỏ & Nước mưa chảy tràn"] --> B["Song chắn rác thô"]
    B --> C["Hố thu gom & Bể lắng cát sơ cấp"]
    C --> D["Bể điều hòa (Sục khí nén phân tán)"]
    D --> E["Bể phản ứng Keo tụ (Châm NaOH + PAC 10%)"]
    E --> F["Bể phản ứng Tạo bông (Châm Polymer PAM 0.1%)"]
    F --> G["Bể lắng tấm nghiêng Lamen (Góc 60 độ)"]
    G -->|Nước trong tràn máng răng cưa| H["Bể trung gian & Bơm áp lực"]
    G -->|Bùn cặn lắng đáy| M["Hố thu gom & Sân phơi bùn than"]
    H --> I["Bể lọc áp lực đa tầng (Cát thạch anh + Quặng Mangan Filox)"]
    I --> J["Khoang khử trùng (Châm dung dịch Chlorine)"]
    J --> K["Nước sau xử lý đạt QCVN 40:2011/BTNMT Cột A"]
    I -->|Nước rửa ngược| M

Cơ sở lý thuyết thủy lực lắng Lamen (Lamella Settler Design)

Theo định luật Hazen (1904), hiệu quả lắng của hạt cặn trong bể lắng không phụ thuộc vào chiều sâu bể ($H$) mà phụ thuộc vào diện tích bề mặt lắng ($A$). Khi lắp đặt các tấm bản mỏng song song nghiêng góc $\alpha = 60^\circ$ với khoảng cách giữa các tấm $w = 50 - 100\text{ mm}$, diện tích lắng hiệu dụng tăng lên theo công thức:

$$A_{\text{effective}} = A_{\text{footprint}} \cdot \left( \cos\alpha + \frac{L}{w} \cdot \sin\alpha \right)$$

Trong đó:

  • $A_{\text{footprint}}$: Diện tích đáy bể lắng ($\text{m}^2$).
  • $L$: Chiều dài của tấm Lamen ($1.0 - 1.5\text{ m}$).
  • $w$: Khoảng cách giữa các tấm lắng ($0.08\text{ m}$).
  • $\alpha$: Góc nghiêng tấm lắng ($60^\circ$).

Tải trọng thủy lực bề mặt (Surface Overflow Rate - SOR) của bể lắng Lamen đạt $1.5 - 2.5\text{ m}^3\text{/m}^2\text{.h}$, cao gấp $3 - 4$ lần bể lắng ngang thông thường ($0.5 - 0.7\text{ m}^3\text{/m}^2\text{.h}$), giúp giảm đến 65% diện tích xây dựng trạm.

Cơ chế hóa lý xử lý nước thải mỏ than

  1. Quá trình hình thành axit và hòa tan kim loại (AMD Mechanism): $$FeS_2 + \frac{7}{2}O_2 + H_2O \longrightarrow FeSO_4 + H_2SO_4$$ $$2FeSO_4 + \frac{1}{2}O_2 + H_2SO_4 \longrightarrow Fe_2(SO_4)_3 + H_2O$$ $$Fe_2(SO_4)_3 + 6H_2O \longrightarrow 2Fe(OH)_3\downarrow + 3H_2SO_4$$

  2. Trung hòa và kết tủa kim loại: Bổ sung dung dịch Sút ($\text{NaOH}$) nhằm nâng pH nước thải lên vùng tối ưu $7.5 - 8.2$: $$Fe^{3+} + 3OH^- \longrightarrow Fe(OH)_3\downarrow \quad (\text{kết tủa hoàn toàn ở } pH > 4.5)$$ $$Mn^{2+} + 2OH^- + \frac{1}{2}O_2 \xrightarrow{\text{xúc tác Filox}} MnO_2\downarrow + H_2O \quad (\text{kết tủa ở } pH > 8.0)$$

  3. Quá trình keo tụ - tạo bông:

    • Hóa chất PAC ($\text{[Al}_2\text{(OH)}n\text{Cl}{6-n}\text{]}_m$): Giảm điện tích Zeta của hạt keo sét và bột than, tạo mầm bông cặn vi mô.
    • Polymer Anion PAM ($(\text{C}_3\text{H}_5\text{NO})_n$): Tạo cầu nối liên kết các vi bông thành các bông cặn kích thước lớn ($2 - 5\text{ mm}$), làm tăng vận tốc lắng trọng lực từ $0.1\text{ mm/s}$ lên $> 2.5\text{ mm/s}$.
# Thuật toán điều khiển tự động châm hóa chất theo thời gian thực (PLC Control Logic)
def control_chemical_dosing(sensor_data):
    ph_in = sensor_data.get("pH_raw")
    flow_rate = sensor_data.get("flow_rate_m3h")  # m3/h
    tss_in = sensor_data.get("TSS_mgL")

    # 1. Định lượng NaOH để nâng pH lên dải mục tiêu 7.8
    if ph_in < 7.0:
        delta_ph = 7.8 - ph_in
        naoh_dose_lph = flow_rate * delta_ph * 0.15  # Lít/giờ dung dịch 10%
        set_pump_speed("NaOH_Pump", naoh_dose_lph)
    else:
        set_pump_speed("NaOH_Pump", 0)

    # 2. Định lượng PAC (15 - 30 ppm dựa trên TSS)
    pac_ppm = 15.0 if tss_in < 100 else 25.0 + (tss_in - 100) * 0.05
    pac_dose_lph = (flow_rate * pac_ppm) / (10.0 * 1.15)  # PAC nồng độ 10%
    set_pump_speed("PAC_Pump", pac_dose_lph)

    # 3. Định lượng Polymer Anion PAM (1.0 - 2.0 ppm)
    pam_ppm = 1.0 if tss_in < 100 else 1.5
    pam_dose_lph = (flow_rate * pam_ppm) / (0.1 * 1.0)    # PAM nồng độ 0.1%
    set_pump_speed("PAM_Pump", pam_dose_lph)

Phương pháp nghiên cứu và quy trình QA/QC

  1. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản: Mẫu nước được lấy định kỳ tại 2 điểm (Điểm 1: Đầu vào bể điều hòa; Điểm 2: Đầu ra bể khử trùng) theo tiêu chuẩn TCVN 6663-1:2011 (ISO 5667-1) và TCVN 6663-3:2008.
  2. Phương pháp phân tích tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm:
    • pH: TCVN 6492:2011 (ISO 10523:2000) bằng máy đo điện cực pH Hanna HI98128.
    • TSS: TCVN 6625:2000 (ISO 11923:1997) sấy ở $105^\circ\text{C}$ qua màng lọc sợi thủy tinh GF/C $0.45,\mu\text{m}$.
    • COD: TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989) phương pháp chuẩn độ Kalidicromat ($\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$).
    • Sắt tổng số (Fe): TCVN 6177:1996 phương pháp trắc phổ UV-Vis với thuốc thử 1,10-phenanthroline ở bước sóng $\lambda = 510\text{ nm}$.
    • Mangan (Mn): TCVN 6002:1995 phương pháp trắc quang dùng Formaldoxim ở bước sóng $\lambda = 450\text{ nm}$.
    • Tổng dầu mỡ khoáng: TCVN 7875:2008 phương pháp chiết dung môi và quang phổ hồng ngoại (IR).
    • Coliform: TCVN 6187:1996 phương pháp lên men nhiều ống (MPN).

Quá trình thực nghiệm và Kết quả đạt được

Diễn biến chất lượng nước thải thô chưa qua xử lý

Kết quả phân tích các đợt quan trắc tháng 02/2016 (mùa khô) và tháng 08/2016 (mùa mưa) tại bãi chế biến than Uông Thượng cho thấy nồng độ ô nhiễm biến động rõ rệt theo chu kỳ thời tiết:

Diễn biến nồng độ ô nhiễm đầu vào:
  • Tính axit: Mùa khô pH thấp ($5.5$) hơn mùa mưa ($5.8$) do không có lưu lượng nước mưa pha loãng.
  • Kim loại nặng (Fe, Mn): Mùa khô tích tụ nồng độ cao (Fe đạt $1.80\text{ mg/L}$, Mn đạt $0.75\text{ mg/L}$).
  • TSS: Mùa mưa đạt đỉnh ($75.0 - 79.0\text{ mg/L}$) do lưu lượng dòng chảy tràn sạt lở cuốn trôi đất đá xít than từ sườn đồi.

Hiệu quả xử lý thực tế qua hệ thống lắng Lamen

Sau khi vận hành trạm xử lý nước thải bãi chế biến than Uông Thượng với công suất thực tế dao động từ $100 - 150\text{ m}^3\text{/h}$, chất lượng nước sau toàn bộ quy trình công nghệ ghi nhận hiệu suất vượt bậc:

Chỉ tiêu phân tích Nước thải đầu vào (Trung bình) Nước sau lắng Lamen Nước sau lọc áp lực & Khử trùng QCVN 40:2011/BTNMT (Cột A) Hiệu suất loại bỏ toàn hệ thống (%)
pH (-) $5.5 - 5.8$ $7.2 - 7.5$ $7.1 - 7.4$ $6.0 - 9.0$ Đạt chuẩn (Trung hòa 100%)
TSS (mg/L) $72.0 - 79.0$ $22.0 - 26.0$ $8.0 - 12.0$ $\le 50.0$ $84.8 - 88.9%$
Sắt tổng số (Fe, mg/L) $1.50 - 1.85$ $0.65 - 0.80$ $0.25 - 0.38$ $\le 1.0$ $79.5 - 83.3%$
Mangan (Mn, mg/L) $0.65 - 0.90$ $0.40 - 0.48$ $0.12 - 0.18$ $\le 0.5$ $80.0 - 81.5%$
Dầu mỡ khoáng (mg/L) $63.0 - 78.0$ $8.5 - 12.0$ $1.8 - 2.5$ $\le 5.0$ $96.8 - 97.1%$
COD (mg/L) $73.0 - 86.0$ $35.0 - 42.0$ $18.0 - 24.0$ $\le 75.0$ $72.1 - 75.3%$
Coliform (MPN/100 mL) $1,150 - 1,200$ $180 - 240$ $< 10$ $\le 3,000$ $> 99.1%$ 
Hiệu suất phân đoạn của công nghệ lắng Lamen:
- Tại bể lắng Lamen: Loại bỏ ngay 70 - 75% lượng hạt cặn than lơ lửng và 85% dầu mỡ dạng kết bông tự do.
- Tại bể lọc áp lực: Loại bỏ triệt để 15 - 20% cặn mịn còn lại, xúc tác oxy hóa giữ lại toàn bộ Fe(OH)3 và MnO2 dạng keo mịn.
- Tại bể khử trùng: Tiêu diệt 100% vi sinh vật gây bệnh bằng Clorin dư duy trì 0.3 - 0.5 mg/L.

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

  1. Ứng dụng hiệu ứng Lamella đa tầng trong điều kiện dòng chảy bùn than mài mòn cao: Thiết kế góc nghiêng tấm lắng chính xác $60^\circ$ bằng vật liệu nhựa tấm PVC biến tính bề mặt trơn nhẵn, ngăn ngừa hiện tượng bùn than bám dính gây tắc nghẽn khe lắng, đồng thời đảm bảo bùn tự trượt về phễu thu đáy nhờ trọng lực mà không cần lắp đặt cánh gạt cơ khí tiêu tốn điện năng.
  2. Tối ưu hóa diện tích mặt bằng (Footprint Optimization): Cụm lắng Lamen $150\text{ m}^3\text{/h}$ chỉ chiếm diện tích mặt bằng xây dựng $48\text{ m}^2$, tiết kiệm hơn $68%$ diện tích so với bể lắng ngang truyền thống ($150\text{ m}^2$) và bể lắng tròn ($130\text{ m}^2$). Điều này có ý nghĩa sống còn đối với các mỏ than vùng Đông Bắc nơi địa hình đồi dốc có quỹ đất phẳng hạn chế.
  3. Mô hình kinh tế tuần hoàn thu hồi bột than: Lượng bùn than thu hồi từ đáy bể lắng Lamen đạt độ ẩm $75 - 80%$, sau khi chuyển sang sân phơi bùn được thu gom phối trộn trực tiếp vào sản phẩm than cám thương phẩm, giúp Công ty Than Uông Bí thu hồi hàng chục tấn than mịn mỗi tháng, vừa tăng hiệu quả kinh tế vừa triệt tiêu nguồn chất thải rắn thứ cấp.

Ứng dụng thực tế và Triển khai mở rộng

Quy trình vận hành và súc rửa định kỳ

Quy trình vận hành trạm Lamen 150 m3/h:
1. Giai đoạn 1: Khởi động bơm cấp khí bể điều hòa (Duy trì DO = 1.5 - 2.0 mg/L).
2. Giai đoạn 2: Bật hệ thống châm định lượng PAC, PAM, NaOH theo lưu lượng nước thải.
3. Giai đoạn 3: Theo dõi độ trong máng răng cưa bể Lamen. Xả bùn đáy định kỳ 2 giờ/lần (thời gian xả 3 phút).
4. Giai đoạn 4: Vận hành bình lọc áp lực. Khi chênh áp Delta-P > 0.8 bar -> Tiến hành rửa ngược (Backwash) bằng nước sạch kết hợp khí nén (Thời gian rửa 10 - 15 phút).

Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật

  • Vốn đầu tư ban đầu (CAPEX): Giảm $35%$ so với công nghệ bể lắng tròn scraper nhờ giảm khối lượng bê tông cốt thép móng và kết cấu.
  • Chi phí vận hành (OPEX): Mức tiêu hao hóa chất trung bình trên $1\text{ m}^3$ nước thải:
    • $\text{NaOH } 10%$: $0.05\text{ kg/m}^3$ (Tương đương $450\text{ VNĐ/m}^3$)
    • $\text{PAC } 10%$: $0.03\text{ kg/m}^3$ (Tương đương $240\text{ VNĐ/m}^3$)
    • $\text{PAM Anion}$: $0.0015\text{ kg/m}^3$ (Tương đương $120\text{ VNĐ/m}^3$)
    • $\text{Clorin}$: $0.003\text{ kg/m}^3$ (Tương đương $90\text{ VNĐ/m}^3$)
    • Tổng chi phí hóa chất & điện năng: $\approx 1.250\text{ VNĐ/m}^3$ nước thải xử lý.
  • Thời gian hoàn vốn (ROI): Trực tiếp giảm thiểu $100%$ rủi ro phạt vi phạm hành chính về môi trường theo Nghị định 155/2016/NĐ-CP (mức phạt có thể lên tới hàng tỷ đồng), đồng thời tái cấp $30%$ nước sạch phục vụ dập bụi và rửa than.

Hạn chế và Hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Khâu pha chế hóa chất PAC, PAM và bật tắt một số cụm bơm cấp liệu vẫn phụ thuộc vào thao tác thủ công của công nhân ca trực, tiềm ẩn sai số định lượng khi chất lượng nước đầu vào biến động đột ngột giữa ca ngày và đêm.
  • Hiện tượng váng dầu khoáng trôi nổi chưa được tách triệt để ở bể sơ cấp có thể bám dính cục bộ lên bề mặt tấm Lamella, làm suy giảm hệ số trượt của cặn than sau $6 - 8$ tháng vận hành liên tục.

Hướng nâng cấp đề xuất

  1. Nâng cấp tự động hóa toàn diện (SCADA/PLC): Lắp đặt hệ thống cảm biến đo pH, ORP và độ đục (Turbidity) online tại đầu vào bể keo tụ để tự động điều tần bơm định lượng hóa chất thông minh qua biến tần.
  2. Lắp đặt thiết bị gạt váng dầu cơ học tự động (Oil Skimmer): Đặt tại bể lắng sơ cấp nhằm thu gom $90%$ dầu mỡ khoáng trước khi nước chảy vào bể keo tụ lắng Lamen.
  3. Nghiên cứu tuần hoàn $100%$ nước thải sau xử lý: Bổ sung mô-đun lọc cát tự rửa liên tục để tái sử dụng toàn bộ nước thải mỏ cho chu trình khép kín của dây chuyền sàng tuyển huyền phù Uông Thượng.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường: Tài liệu tham khảo thực chứng về tính toán thủy lực bể lắng Lamella, cơ chế chuyển hóa hóa học trong nước thải mỏ axit (AMD) và quy trình quan trắc theo tiêu chuẩn TCVN/QCVN.
  • Kỹ sư vận hành & Thiết kế trạm xử lý nước thải công nghiệp: Bộ thông số thiết kế thực tế ($SOR$, liều lượng hóa chất PAC/PAM/NaOH, chu kỳ xả bùn, quy trình súc rửa bình lọc áp lực) đã được kiểm chứng qua 10 tháng vận hành tại vùng mỏ than.
  • Doanh nghiệp khai thác than và khoáng sản (Tập đoàn TKV): Giải pháp công nghệ có tính khả thi cao, tiết kiệm diện tích đất mặt bằng, chi phí vận hành thấp, dễ dàng nhân rộng cho các mỏ hầm lò và bãi chế biến than khác trên toàn quốc.
  • Cơ quan quản lý nhà nước & Cộng đồng địa phương: Bảo đảm nguồn nước thải đổ ra lưu vực sông Vàng Danh luôn đạt Cột A, bảo vệ sức khỏe cho hơn 13.500 cư dân phường Vàng Danh và hệ sinh thái hạ lưu TP. Uông Bí.

Câu hỏi thường gặp

1. Góc nghiêng tối ưu của tấm lắng Lamen trong xử lý nước thải mỏ than là bao nhiêu?

Góc nghiêng tối ưu tiêu chuẩn là $60^\circ$. Nếu góc nghiêng $< 45^\circ$, bùn than sẽ không thể tự trượt xuống đáy bể dưới tác dụng của trọng lực, dẫn đến tắc nghẽn khe lắng giữa các tấm. Nếu góc nghiêng $> 70^\circ$, diện tích lắng hiệu dụng ($A_{\text{effective}}$) bị suy giảm đáng kể, làm giảm hiệu suất lắng cặn của thiết bị.

2. Vì sao cần kết hợp cả 2 hóa chất PAC và PAM trong bể phản ứng trước khi lắng Lamen?

PAC đóng vai trò là chất keo tụ mang điện tích dương, có nhiệm vụ trung hòa điện tích âm của các hạt keo sét và bột than lơ lửng, tạo thành các vi bông cặn. PAM (Polymer Anion) đóng vai trò chất trợ lắng cao phân tử, tạo các cầu nối liên kết các vi bông cặn lại với nhau thành các bông bùn lớn có tỷ trọng cao, giúp bông cặn lắng nhanh chóng trong các ống lắng nghiêng Lamella với vận tốc lắng đạt $> 2.5\text{ mm/s}$.

3. Hệ thống xử lý Mangan hòa tan trong nước thải mỏ than như thế nào khi pH ban đầu mang tính axit?

Nước thải mỏ than trước tiên được nâng pH lên mức $7.8 - 8.2$ bằng dung dịch $\text{NaOH}$ trong bể phản ứng keo tụ. Sau khi qua bể lắng Lamen loại bỏ phần lớn cặn thô, nước được bơm qua bể lọc áp lực chứa vật liệu lọc xúc tác Filox/Cát Mangan. Tại đây, bề mặt lớp quặng $\text{MnO}_2$ đóng vai trò xúc tác oxy hóa chuyển hóa ion $\text{Mn}^{2+}$ hòa tan thành kết tủa $\text{MnO}_2\downarrow$ không tan bám trên bề mặt hạt lọc và được thải ra ngoài qua chu kỳ rửa ngược:

$$\text{Mn}^{2+} + \text{MnO}_2\cdot\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{MnO}_2\downarrow + 2\text{H}^+$$

4. Chu kỳ và quy trình rửa ngược (backwash) của bình lọc áp lực diễn ra như thế nào?

Chu kỳ rửa ngược bình lọc áp lực được thực hiện định kỳ $1 - 2\text{ ngày/lần}$ hoặc khi đồng hồ đo áp lực ghi nhận chênh áp qua lớp vật liệu $\Delta P \ge 0.8\text{ bar}$. Quy trình rửa ngược sử dụng nước sạch từ bể chứa kết hợp sục khí nén theo chiều từ dưới lên trong thời gian $10 - 15\text{ phút}$ để làm giãn nở lớp cát lọc $30 - 50%$, cuốn trôi toàn bộ cặn sắt, mangan và bùn than bám dính về hố thu bùn.

5. Khả năng chịu tải của trạm xử lý Lamen Uông Thượng khi lưu lượng nước mưa tăng đột biến là bao nhiêu?

Hệ thống được thiết kế với bể điều hòa dung tích lớn kết hợp sục khí nén phân tán đóng vai trò là bể đệm san phẳng lưu lượng và nồng độ. Khi lưu lượng vượt công suất thiết kế $150\text{ m}^3\text{/h}$, bể điều hòa có khả năng lưu chứa nước đỉnh lũ cục bộ; đồng thời trạm có thể tăng cường độ châm hóa chất PAC/PAM để đẩy tải trọng thủy lực bể lắng Lamen lên mức tối đa $180\text{ m}^3\text{/h}$ trong thời gian ngắn mà vẫn bảo đảm nước đầu ra đạt Cột A.

Kết luận

Đề tài nghiên cứu đã đánh giá toàn diện và khẳng định tính ưu việt của công nghệ lắng bản mỏng Lamen kết hợp keo tụ - tạo bông và lọc áp lực đa tầng trong xử lý nước thải mỏ than tại công trường bãi chế biến Uông Thượng – Công ty Than Uông Bí.

Từ nguồn nước thải thô mang tính axit nguy hại ($pH = 5.5 - 5.8$) và nồng độ chất ô nhiễm cao (TSS vượt $1.58$ lần, Fe vượt $1.85$ lần, Mn vượt $1.8$ lần quy chuẩn), hệ thống đã xử lý triệt để $100%$ các chỉ tiêu đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN 40:2011/BTNMT Cột A với hiệu suất tách TSS đạt $88.9%$, khử Fe đạt $83.3%$, khử Mn đạt $81.5%$ và loại bỏ dầu mỡ đạt $97.1%$.

Mô hình công nghệ không chỉ mang lại hiệu quả kỹ thuật vượt trội và bảo vệ môi trường sinh thái lưu vực sông Vàng Danh, mà còn tối ưu hóa chi phí đầu tư, tiết kiệm $68%$ diện tích đất xây dựng và tái thu hồi tài nguyên than mịn có giá trị. Đây là giải pháp công nghệ tiêu biểu cần được nhân rộng trong chiến lược phát triển bền vững và kinh tế tuần hoàn của ngành công nghiệp khai thác than Việt Nam.