Giới thiệu dự án

Hoạt động khai thác khoáng sản, đặc biệt là công nghiệp khai thác than đá, đóng vai trò then chốt trong việc bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia. Theo số liệu thống kê năng lượng toàn cầu, than đá chiếm 29,2% tổng tiêu thụ năng lượng sơ cấp và cung cấp tới 41,2% sản lượng điện năng trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, bể than Quảng Ninh là trung tâm khai thác than lớn nhất cả nước với tổng trữ lượng ước tính khoảng 10,5 tỷ tấn (trong đó đã thăm dò và xác minh 3,5 tỷ tấn, chiếm 67% trữ lượng cả nước). Tuy nhiên, tốc độ công nghiệp hóa cùng quy hoạch gia tăng sản lượng đạt 47–50 triệu tấn vào năm 2020 đặt ra sức ép sinh thái nghiêm trọng đối với hệ sinh thái đất liền và môi trường vịnh Hạ Long.

       [Nước ngầm + Nước mưa]

Vấn đề cốt lõi phát sinh từ hai phương thức khai thác chính: hầm lò (độ sâu xuống tới mức -300m như tại Công ty Cổ phần Than Hà Lầm) và khai thác lộ thiên (tại Công ty Cổ phần Than Núi Béo và Công ty Cổ phần Than Hà Tu). Quá trình tháo khô mỏ bơm hàng triệu mét khối nước mỏ có tính axit cao (Acid Mine Drainage – AMD), chứa hàm lượng kim loại nặng ($Fe^{2+}$, $Fe^{3+}$, $Mn^{2+}$), sunfat ($SO_4^{2-}$) và tổng chất rắn lơ lửng ($TSS$) vượt ngưỡng cho phép nhiều lần. Song song với đó, hàng trăm triệu mét khối đất đá bóc thải tại các bãi thải đồi cao đối mặt với nguy cơ sạt lở, xói mòn và bồi lấp các lưu vực sông suối trong mùa mưa lũ (lượng mưa cực đại đạt 389,3 mm/tháng tại khu vực Hạ Long).

Đề tài "Đánh giá hiệu quả công tác bảo vệ môi trường tại một số mỏ than trên địa bàn thành phố Hạ Long" được triển khai nhằm giải quyết các bài toán kỹ thuật môi trường thực tiễn với 4 mục tiêu cụ thể:

  1. Đánh giá chi tiết hiện trạng kỹ thuật khai thác than và các nguồn phát thải chất thải rắn, nước thải tại mỏ than Hà Lầm, Hà Tu và Núi Béo.
  2. Khảo sát, lấy mẫu và định lượng thực nghiệm các thông số ô nhiễm nước thải đặc trưng ($pH$, $TSS$, $BOD_5$, $COD$, $NH_4^+$, $NO_2^-$, $Fe$, $Mn$) theo quy trình phân tích tiêu chuẩn TCVN.
  3. Đánh giá hiệu quả công nghệ làm sạch của các trạm xử lý nước thải (XLNT) tập trung: Trạm cửa lò +30 Hà Lầm ($250\text{ m}^3/\text{h}$), Trạm XLNT Hà Tu GĐII ($1.800\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$) và Trạm XLNT Núi Béo ($1.200\text{ m}^3/\text{h}$).
  4. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và tối ưu hóa quy trình quản lý chất thải nhằm đảm bảo chất lượng nước xả thải đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B).

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào 3 đơn vị khai thác trọng điểm thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam (TKV) tại TP. Hạ Long trong giai đoạn quan trắc thực địa từ tháng 02/2018 đến tháng 05/2018.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Nước thải mỏ hình thành do sự tương tác giữa nước ngầm, nước mưa chảy tràn với khoáng vật sulfide kim loại (chủ yếu là Pyrit – $FeS_2$) có trong vỉa than và đất đá vây quanh dưới tác động xúc tác của vi khuẩn hiếu khí tự dưỡng Acidithiobacillus ferrooxidans:

$$FeS_2 + \frac{7}{2} O_2 + H_2O \longrightarrow FeSO_4 + H_2SO_4$$

$$2FeSO_4 + \frac{1}{2} O_2 + H_2SO_4 \longrightarrow Fe_2(SO_4)_3 + H_2O$$

$$FeS_2 + Fe_2(SO_4)_3 \longrightarrow 3FeSO_4 + 2S$$

$$S + H_2O + \frac{3}{2} O_2 \longrightarrow H_2SO_4$$

$$Fe_2(SO_4)_3 + 2H_2O \longrightarrow 2Fe(OH)SO_4 + H_2SO_4$$

Các giải pháp truyền thống trước đây chủ yếu sử dụng hồ lắng trọng lực đơn thuần hoặc trung hòa vôi bột thủ công bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng khi so sánh với công nghệ xử lý hiện đại.

Tiêu chí kỹ thuật Hồ lắng lắng tự nhiên hở Trung hòa cơ học + Lắng đứng Keo tụ PAC + Lắng Lamen + Lọc Cát Mangan
Hiệu suất khử TSS Thấp ($40 - 60%$) Trung bình ($70 - 80%$) Rất cao ($95 - 99,5%$)
Khả năng khử $Fe, Mn$ Không đáng kể ($< 30%$) Khử sắt tốt, $Mn$ kém ($< 50%$) Triệt để ($Fe > 98%$, $Mn > 92%$)
Thời gian lưu nước $24 - 48\text{ giờ}$ $4 - 8\text{ giờ}$ $1,5 - 2,5\text{ giờ}$
Diện tích chiếm đất Rất lớn ($> 15.000\text{ m}^2$) Lớn ($5.000 - 8.000\text{ m}^2$) Tối ưu, nhỏ gọn ($< 3.700\text{ m}^2$)
Tự động hóa & kiểm soát Thủ công Bán tự động Tự động hóa kết hợp van trọng lực

Yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW cho hệ thống bảo vệ môi trường mỏ:

  • Must have (Bắt buộc): Nước sau xử lý đạt QCVN 40:2011/BTNMT Cột B; hệ thống lắng bùn và lọc tách kim loại nặng hoạt động ổn định ở công suất đỉnh mùa mưa.
  • Should have (Nên có): Quy trình tuần hoàn tái sử dụng nước cho trạm rửa xe tự động và dập bụi khai trường; hệ thống giám sát pH tự động.
  • Could have (Có thể có): Màng lọc tinh UF/RO thu hồi nước cấp lò hơi sinh hoạt; phủ xanh hoàn nguyên bãi thải bằng cây bản địa chịu hạn.
  • Won't have (Chưa áp dụng): Tuyển nổi than mịn siêu âm kết hợp xử lý màng đắt đỏ cho toàn bộ lưu lượng xả thải hàng trăm nghìn $m^3/\text{ngày đêm}$.

Thiết kế hệ thống kỹ thuật

Quy trình công nghệ tại các trạm XLNT mỏ chuẩn hóa gồm các khối chức năng liên hoàn:

  1. Khối tiền xử lý & Trung hòa: Nước thải từ hầm lò hoặc moong lộ thiên được thu gom qua hố lắng sơ bộ, đưa vào bể trung hòa kết hợp bể phản ứng. Tại đây, dung dịch kiềm ($Ca(OH)_2$ hoặc $NaOH$) được châm tự động để nâng pH từ $3,5 - 5,5$ lên $7,5 - 8,5$, thúc đẩy quá trình kết tủa hydroxit kim loại:

$$Fe^{3+} + 3OH^- \longrightarrow Fe(OH)_3 \downarrow$$

$$Mn^{2+} + 2OH^- \longrightarrow Mn(OH)_2 \downarrow$$

  1. Khối keo tụ & Lắng Lamen (Lamella Clarifier): Bổ sung chất keo tụ PAC (Poly Aluminium Chloride) và trợ keo tụ Polymer Anion (PA) nhằm tạo bông cặn lớn. Nước sau đó chảy qua bể lắng tấm lamen đặt nghiêng $60^\circ$, tăng diện tích lắng hiệu dụng lên 4–6 lần, giúp tách triệt để bông cặn than mịn và hydroxit kim loại.
  2. Khối oxy hóa & Lọc cát Mangan: Nước trong sau lắng chuyển qua tháp làm thoáng tạo điều kiện oxy hóa $Mn^{2+} \rightarrow Mn^{4+}$, tiếp tục qua cụm bể lọc nhanh trọng lực chứa vật liệu lọc cát thạch anh kết hợp cát Mangan hoạt hóa ($MnO_2$), giữ lại toàn bộ cặn lơ lửng kích thước nhỏ và hấp phụ mangan hòa tan dư lượng.
                   [Bể Trung hòa pH (Châm Ca(OH)2)]
                   [Bể Phản ứng Keo tụ (Châm PAC + Polymer)]
                   [Tháp làm thoáng / Oxy hóa Fe2+, Mn2+]
                   [Cụm Bể lọc Cát Mangan Trọng lực Tự động]
                   [Nguồn xả thải đạt QCVN 40:2011/BTNMT]

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng hệ thống phương pháp luận chặt chẽ:

  • Phương pháp lấy mẫu thực địa: Thực hiện theo TCVN 6663-1:2011 và TCVN 6663-3:2008. Lấy mẫu tại 4 điểm đặc trưng trên dây chuyền công nghệ (Nước đầu vào trạm $\rightarrow$ Sau bể trung hòa/phản ứng $\rightarrow$ Sau bể lắng Lamen $\rightarrow$ Sau bể lọc Cát Mangan đầu ra). Dung tích 2,0 lít/mẫu, bảo quản mẫu lạnh sâu trong thùng giữ nhiệt chuyên dụng trước khi chuyển về phòng thí nghiệm.

  • Quy chuẩn phân tích phòng thí nghiệm:

    • $TSS$: Phương pháp khối lượng, lọc qua giấy lọc sợi thủy tinh sấy ở $105 - 108^\circ C$ đến khối lượng không đổi theo công thức:

    $$TSS = \frac{(M_2 - M_1) \times 1000}{V}\ (\text{mg/L})$$

    • $COD$: Phân tích theo tiêu chuẩn TCVN 6491:1999 bằng phương pháp trào ngược đun oxy hóa với $K_2Cr_2O_7\ 0,04\text{ M}$ trong môi trường axit sunfuric đặc ($Ag_2SO_4$), chuẩn độ lượng dư bằng muối Mohr (Sắt II amoni sunfat $0,12\text{ M}$) với chỉ thị Feroin.
    • $BOD_5$: Phương pháp đo nồng độ oxy hòa tan ($DO$) trước và sau 5 ngày ủ ở $20 \pm 2^\circ C$.
    • Định lượng kim loại và ion quang phổ (Spectrophotometry): Amoni ($\lambda = 387\text{ nm}$, thuốc thử Seignette + Nessler), Nitrit ($\lambda = 526\text{ nm}$, thuốc thử Griess A/B), Sắt tổng ($\lambda = 423\text{ nm}$, phức màu Axit sunfosalixilic), Mangan ($\lambda = 545\text{ nm}$, oxy hóa bằng amoni pesunfat $(NH_4)_2S_2O_8$).

Triển khai thực nghiệm và kết quả

Quy trình phân tích và xử lý dữ liệu

Thuật toán xử lý số liệu, tính toán đường chuẩn trắc quang và đánh giá hiệu suất phân đoạn được cấu trúc thông qua đoạn mã xử lý dữ liệu thực nghiệm:

import numpy as np

def calculate_removal_efficiency(c_in: float, c_out: float) -> float:
    """Tính toán hiệu suất xử lý loại bỏ chất ô nhiễm (%)"""
    if c_in <= 0:
        return 0.0
    return round(((c_in - c_out) / c_in) * 100, 2)

def evaluate_qcvn40(param_name: str, value: float, limit_b: float) -> dict:
    """Đánh giá tuân thủ quy chuẩn kỹ thuật QCVN 40:2011/BTNMT Cột B"""
    is_compliant = value <= limit_b
    return {
        "parameter": param_name,
        "measured_value": value,
        "limit_qcvn_column_b": limit_b,
        "compliant": is_compliant,
        "margin": round(limit_b - value, 3)
    }

# Dữ liệu phân tích thực nghiệm tại Trạm XLNT Hà Lầm (Cửa lò +30)
datasets = {
    "TSS": {"in": 342.5, "out": 18.2, "limit": 100.0},
    "COD": {"in": 118.0, "out": 24.5, "limit": 150.0},
    "Fe":  {"in": 14.80, "out": 0.42, "limit": 5.0},
    "Mn":  {"in": 4.12,  "out": 0.28, "limit": 1.0}
}

for param, data in datasets.items():
    eff = calculate_removal_efficiency(data["in"], data["out"])
    eval_res = evaluate_qcvn40(param, data["out"], data["limit"])
    print(f"[{param}] Hiệu suất: {eff}% | Nước ra: {eval_res['measured_value']} mg/L | Đạt: {eval_res['compliant']}")

Kết quả thử nghiệm và kiểm chứng chất lượng nước

Các phép đo trắc quang xây dựng hệ số tương quan tuyến tính $R^2 > 0,998$ đối với tất cả các đường chuẩn thực nghiệm:

  • Amoni: $y = 0,4661x + 0,0001$ ($\lambda = 387\text{ nm}$)
  • Nitrit: $y = 4,2655x + 0,0391$ ($\lambda = 526\text{ nm}$)
  • Sắt tổng ($Fe^{3+}$): $y = 0,1750x + 0,0004$ ($\lambda = 423\text{ nm}$)
  • Mangan ($Mn^{2+}$): $y = 0,0823x + 0,0008$ ($\lambda = 545\text{ nm}$)
Thông số quan trắc Đầu vào Hà Lầm Đầu ra Hà Lầm Đầu vào Hà Tu Đầu ra Hà Tu Đầu vào Núi Béo Đầu ra Núi Béo QCVN 40:2011 Cột B
pH $4,82$ $7,45$ $5,12$ $7,20$ $5,64$ $7,38$ $5,5 - 9,0$
TSS (mg/L) $342,5$ $18,2$ $286,4$ $16,5$ $412,0$ $22,4$ $\le 100$
$COD$ (mg/L) $118,0$ $24,5$ $95,6$ $18,2$ $132,0$ $26,0$ $\le 150$
$BOD_5$ (mg/L) $32,4$ $8,6$ $28,0$ $6,4$ $35,2$ $9,1$ $\le 50$
Fe tổng (mg/L) $14,80$ $0,42$ $11,25$ $0,38$ $16,90$ $0,51$ $\le 5,0$
Mn tổng (mg/L) $4,12$ $0,28$ $3,45$ $0,22$ $4,85$ $0,35$ $\le 1,0$
Amoni (mg/L) $3,85$ $1,12$ $2,94$ $0,85$ $4,20$ $1,34$ $\le 10,0$
Nitrit (mg/L) $0,18$ $0,03$ $0,14$ $0,02$ $0,22$ $0,04$ -

Hiệu suất xử lý sau chuỗi công nghệ đạt chỉ số vượt bậc:

  • Hiệu suất loại bỏ $TSS$ đạt $94,2% - 94,7%$, nồng độ xả thải thấp hơn giới hạn quy chuẩn từ 4,5 đến 6 lần.
  • Hiệu suất loại bỏ Sắt ($Fe$) đạt $96,6% - 97,2%$, Mangan ($Mn$) đạt $92,8% - 93,6%$.
  • Nước thải đầu ra của cả 3 trạm xử lý đều đạt 100% các tiêu chí kỹ thuật theo QCVN 40:2011/BTNMT Cột B.

Đổi mới và đóng góp

  1. Tối ưu hóa module hóa thiết kế trạm xử lý: Việc áp dụng cụm lắng Lamen góc nghiêng $60^\circ$ kết hợp module lọc trọng lực tự động tại mỏ Hà Lầm và Núi Béo giúp thu hẹp $40 - 50%$ diện tích mặt bằng xây dựng so với bể lắng ngang truyền thống, phù hợp tuyệt đối với địa hình đồi núi dốc, chật hẹp của vùng mỏ Quảng Ninh.
  2. Khử Mangan xúc tác không hóa chất độc hại: Tận dụng lớp hạt cát Mangan hoạt hóa phủ màng dioxit mangan ($MnO_2$) làm chất xúc tác tự nhiên, kết hợp tháp làm thoáng tự nhiên để oxy hóa ion $Mn^{2+} \rightarrow MnO_2 \downarrow$, giúp loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng các hóa chất oxy hóa mạnh đắt tiền và độc hại như $KMnO_4$ hay Clo lỏng.
  3. Mô hình kinh tế tuần hoàn nước mỏ: Toàn bộ lượng nước sau cụm xử lý lọc cát tại mỏ Núi Béo và Hà Lầm được tái cấp phục vụ trạm rửa xe tải tự động, dập bụi băng tải sàng tuyển và tưới ẩm đường nội mỏ, giúp tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí nước sạch công nghiệp mỗi năm cho doanh nghiệp.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Hệ thống công nghệ đã được vận hành thực tế tại 3 trung tâm sản xuất than lớn nhất thành phố Hạ Long:

  • Công ty CP Than Hà Lầm: Trạm xử lý nước thải cửa lò +30 (công suất $250\text{ m}^3/\text{h}$) phục vụ diện khai thác giếng đứng mức -50m đến -300m, giải quyết triệt để nguồn nước mỏ axit sâu trong lòng đất.
  • Công ty CP Than Núi Béo: Trạm xử lý tập trung công suất $1.200\text{ m}^3/\text{h}$ (vận hành 2 module độc lập $600\text{ m}^3/\text{h}$) đặt tại phân xưởng Vận tải 1, xử lý toàn bộ nước gom từ moong vỉa 11-ĐB, moong vỉa 14 và trạm rửa xe tự động.
  • Công ty CP Than Hà Tu: Trạm XLNT Hà Tu GĐII công suất $1.800\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ tiếp nhận nước tháo khô khai trường và nước mưa bề mặt tầng thải vỉa 16.

Phân tích hiệu quả kinh tế - kỹ thuật (ROI & Chi phí):

  • Giảm thiểu $100%$ nguy cơ bị xử phạt vi phạm hành chính về xả thải vượt chuẩn môi trường.
  • Tái sử dụng $30 - 45%$ lưu lượng nước xả thải cho khâu công nghệ phụ trợ, cắt giảm trực tiếp chi phí mua nước thô phục vụ sản xuất.
  • Đảm bảo an toàn sinh thái cho các lưu vực đổ ra vịnh Hạ Long, nâng cao năng lực cạnh tranh và đáp ứng tiêu chuẩn "Mỏ xanh – Sạch – Hiện đại" của TKV.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật: Lượng bùn thải chứa hydroxit sắt và than mịn phát sinh khối lượng lớn, đòi hỏi chi phí tiêu hao vôi trung hòa và điện năng cho máy ép bùn khung bản; chưa tích hợp hệ thống cảm biến đo lường kim loại nặng online.
  • Hướng phát triển:
    1. Tích hợp hệ thống SCADA điều khiển liều lượng hóa chất châm tự động dựa trên cảm biến lưu lượng và chỉ số pH thời gian thực.
    2. Ứng dụng công nghệ màng lọc siêu lọc (UF) và thẩm thấu ngược (RO) để tinh chế nước mỏ thành nước cấp tinh khiết cho lò hơi công nghiệp.
    3. Nghiên cứu thu hồi khoáng oxit sắt trong bùn thải làm phụ gia sản xuất gạch không nung và vật liệu xây dựng.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên chuyên ngành: Cung cấp tài liệu thực chứng toàn diện về quy trình công nghệ xử lý nước mỏ axit và phương pháp phân tích chỉ tiêu môi trường chuẩn hóa TCVN.
  • Kỹ sư vận hành & Doanh nghiệp khai khoáng: Cung cấp bộ thông số vận hành thực tế, giải pháp thiết kế module lắng lamen và lọc mangan tiết kiệm chi phí đầu tư.
  • Cơ quan quản lý nhà nước & Cộng đồng địa phương: Công cụ giám sát tuân thủ môi trường, bảo vệ nguồn nước mặt và cảnh quan sinh thái du lịch vịnh Hạ Long.

Câu hỏi thường gặp

  1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai trạm xử lý nước thải mỏ hầm lò là gì? Cần hệ thống hố lắng sơ cấp điều hòa lưu lượng, bể phản ứng định lượng vôi nâng pH lên $7,5 - 8,5$, bể lắng tấm nghiêng Lamen và tháp làm thoáng kết hợp bể lọc cát Mangan có van xả rửa tự động.
  2. Hệ thống xử lý được sự biến động lưu lượng đột biến trong mùa mưa bão như thế nào? Hệ thống thiết kế theo cấu trúc module phân tán (như trạm Núi Béo gồm 2 module $600\text{ m}^3/\text{h}$) kết hợp các hồ điều hòa dung tích lớn tại chân khai trường nhằm cắt đỉnh lũ và ổn định nồng độ chất ô nhiễm đầu vào.
  3. Nước thải sau xử lý có tái sử dụng an toàn cho sinh hoạt được không? Nước sau xử lý đạt QCVN 40:2011/BTNMT Cột B đủ tiêu chuẩn dùng cho tưới đường dập bụi, rửa xe công nghiệp. Để cấp nước sinh hoạt, cần bổ sung công đoạn khử trùng Clorin và lọc màng UF/RO để xử lý triệt để vi sinh vật và ion sunfat hòa tan.
  4. Chi phí hóa chất chiếm bao nhiêu phần trăm giá thành xử lý mỗi mét khối nước mỏ? Chi phí hóa chất ($Ca(OH)_2$, PAC, Polymer) chiếm khoảng $40 - 55%$ tổng chi phí vận hành thường xuyên, dao động tùy thuộc vào độ pH và hàm lượng kim loại nặng ban đầu của nước thô.
  5. Thời gian bảo trì và hoàn nguyên lớp vật liệu lọc cát mangan định kỳ là bao lâu? Bể lọc cát mangan được rửa ngược tự động định kỳ 24–48 giờ/lần bằng nước sạch áp lực cao; lớp vật liệu lọc được bổ sung hoặc thay thế định kỳ sau 3–5 năm vận hành.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã đánh giá sâu sắc thực trạng phát sinh chất thải và kiểm chứng hiệu quả kỹ thuật tại các mỏ than Hà Lầm, Hà Tu và Núi Béo. Thông qua chuỗi phân tích thực nghiệm nghiêm ngặt, nghiên cứu chứng minh công nghệ kết hợp trung hòa kiềm hóa, lắng tấm nghiêng Lamen và lọc xúc tác cát Mangan giải quyết triệt để các thông số ô nhiễm nguy hại ($TSS$, $Fe$, $Mn$, $COD$), đưa chất lượng nước xả thải tuân thủ 100% QCVN 40:2011/BTNMT Cột B. Kết quả này cung cấp cơ sở khoa học và luận cứ kỹ thuật vững chắc để nhân rộng mô hình kinh tế tuần hoàn nước cho toàn ngành than Việt Nam, bảo đảm mục tiêu phát triển bền vững song hành với bảo tồn di sản sinh thái vịnh Hạ Long.