Giới thiệu dự án

Hoạt động khai thác than đá giữ vai trò nòng cốt trong việc đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, cung cấp nguồn nhiên liệu chiến lược cho các ngành nhiệt điện, xi măng, hóa chất và luyện kim. Tỉnh Quảng Ninh là trung tâm khoáng sản than lớn nhất Việt Nam, chiếm tới 90% tổng trữ lượng than cả nước. Tuy nhiên, áp lực môi trường từ hoạt động khai khoáng là rất lớn. Theo thống kê của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV), tổng lượng nước thải ngành than tại khu vực Quảng Ninh phát sinh khoảng 236.850 $\text{m}^3/\text{ngày}$ (tương đương 86,45 triệu $\text{m}^3/\text{năm}$), trong đó riêng nước thải mỏ chiếm 220.414 $\text{m}^3/\text{ngày}$ (xấp xỉ 80,45 triệu $\text{m}^3/\text{năm}$).

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH NƯỚC MỎ AXIT (AMD)              |
|                                                                         |
|   Khoáng vật Pyrit (FeS2) + O2 (Không khí) + H2O (Nước ngầm/mặt)        |
|                               |                                         |
|                               v (Xúc tác vi khuẩn T. ferrooxidans)      |
|                                                                         |
|   Nước thải có tính axit (pH 4.2-4.7) + Tải lượng kim loại cao          |
|   - Sắt tổng (Fe): 7.50 - 7.80 mg/L                                     |
|   - Mangan (Mn): 2.10 - 2.34 mg/L                                       |
|   - Nhu cầu oxy hóa học (COD): 159 - 167 mg/L                           |
|   - Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) & Dầu mỡ khoáng cơ giới                 |
+-------------------------------------------------------------------------+

Vấn đề cốt lõi tại Mỏ than Hồ Thiên thuộc Công ty TNHH MTV 618 (Tổng Công ty Than Đông Bắc, Thị xã Đông Triều, Tỉnh Quảng Ninh) với công suất thiết kế 300.000 tấn than nguyên khai/năm là hiện tượng nước mỏ axit (Acid Mine Drainage - AMD). Quá trình đào lò và khai thác ở các tầng lò bằng từ mức +160 đến lộ vỉa làm oxy hóa khoáng vật Pyrit ($\text{FeS}_2$), giải phóng lượng lớn ion $\text{H}^+$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}^{3+}$, $\text{Mn}^{2+}$ cùng hàm lượng cặn lơ lửng và dầu mỡ khoáng do máy móc thi công. Nguồn nước này nếu không được xử lý triệt để sẽ gây chua hóa đất canh tác, bồi lắng và hủy hoại hệ sinh thái lưu vực suối Cầu Mỏng và sông Tràng Lương.

Mục tiêu cụ thể của dự án nghiên cứu:

  1. Đánh giá chi tiết hiện trạng công nghệ và quy trình vận hành của trạm xử lý nước thải hầm lò công suất $Q = 200\text{ m}^3/\text{h}$ tại Công ty 618.
  2. Thu thập và phân tích thực nghiệm chuỗi số liệu quan trắc 5 tháng liên tục (từ tháng 07/2017 đến tháng 11/2017) đối với các thông số ô nhiễm chính ($\text{pH}$, $\text{COD}$, $\text{Fe}$, $\text{Mn}$, $\text{TSS}$, dầu mỡ khoáng).
  3. Định lượng hiệu suất xử lý của từng công đoạn và đối chiếu với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B).
  4. Đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cấp công nghệ nhằm hướng tới khả năng tái sử dụng nước cho hoạt động dập bụi hầm lò và cấp nước sinh hoạt mỏ.

Phạm vi nghiên cứu tập trung tại Trạm xử lý nước thải hầm lò mỏ Hồ Thiên, giới hạn từ điểm thu gom nước cửa lò đến điểm xả thải sau bể lọc tự động. Giới hạn nghiên cứu chưa can thiệp sâu vào xử lý triệt để kim loại nặng bằng công nghệ màng lọc tinh hoặc trao đổi ion.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi xây dựng trạm xử lý nước thải cơ giới hóa, các mỏ than truyền thống thường áp dụng biện pháp lắng hở tự nhiên kết hợp trung hòa vôi bột thủ công. Giải pháp này bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng khi đối mặt với biến động lưu lượng mùa mưa và tải lượng ô nhiễm kim loại cao.

Tiêu chí so sánh Công nghệ hồ lắng hở + Vôi thủ công (Trước 2010) Công nghệ keo tụ + Lắng Lamen + Lọc cát (Dự án Công ty 618) Công nghệ tích hợp Oxy hóa nâng cao + Màng lọc UF/RO
Hiệu quả xử lý kim loại (Fe, Mn) Thấp ($\text{Fe} < 40%$, $\text{Mn} < 20%$), phụ thuộc thời tiết Khá ($\text{Fe} > 50%$, $\text{Mn} > 65%$), đạt QCVN 40 Cột B Rất cao ($> 99%$), đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT
Diện tích chiếm đất Rất lớn (yêu cầu hệ thống hồ lắng dung tích rộng) Gọn (giảm $60-70%$ diện tích nhờ tấm lắng Lamen) Tối ưu, thiết kế dạng modul/container
Chi phí đầu tư & Vận hành Thấp nhưng chi phí nạo vét bùn định kỳ cao Trung bình, hóa chất kiểm soát tự động Cao (chi phí màng lọc, bảo dưỡng rửa màng)
Độ ổn định chất lượng nước Kém, dễ bị xáo trộn khi mưa lũ lớn Cao, lưu lượng ổn định $200\text{ m}^3/\text{h}$ Rất cao, tự động hóa hoàn toàn

Yêu cầu kỹ thuật theo thang phân loại MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Trung hòa $\text{pH}$ đạt ngưỡng $6.5 - 8.5$; hạ nồng độ $\text{Fe} \le 5.0\text{ mg/L}$, $\text{Mn} \le 1.0\text{ mg/L}$, $\text{COD} \le 150\text{ mg/L}$; loại bỏ cặn lơ lửng $\text{TSS}$.
  • Should have (Nên có): Thu hồi và cô đặc bùn tự động bằng máy ép bùn cơ học; tái sử dụng một phần nước sau xử lý cho công tác tưới đường dập bụi bề mặt ($48\text{ m}^3/\text{ngày}$).
  • Could have (Có thể có): Tích hợp cảm biến $\text{pH}$ và $\text{ORP}$ online liên động tự động với bơm định lượng hóa chất.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Tách muối khoáng hòa tan khử mặn hoặc lọc màng thẩm thấu ngược RO trong giai đoạn này.

Thiết kế hệ thống

Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước thải mỏ than hầm lò tại Công ty 618 được thiết kế theo chuỗi khép kín:

Technology stack và hóa chất xử lý:

  • Chất trung hòa: Dung dịch sữa vôi $\text{Ca(OH)}_2$ nồng độ $5 - 10%$ có chức năng nâng $\text{pH}$, kết tủa ion $\text{Fe}^{3+}$, $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Mn}^{2+}$ thành dạng hydroxit không tan.
  • Chất keo tụ chính: Poly Aluminium Chloride (PAC, công thức tổng quát $[\text{Al}_2(\text{OH})n\text{Cl}{6-n}]_m$) nồng độ hoạt tính $10%$, giảm thế điện động Zeta và tạo nhân keo tụ.
  • Chất trợ keo tụ: Polymer Anion (PA, polyacrylamide trọng lượng phân tử cao $10 - 15\text{ triệu Dalton}$), tạo cầu nối liên kết các bông cặn nhỏ thành bông bùn kích thước lớn.
  • Vật liệu lọc: Cát thạch anh chuyên dụng (kích thước hạt $0.8 - 1.2\text{ mm}$, hệ số đồng nhất $U_c < 1.5$) kết hợp lớp sỏi đỡ chịu lực ($2.0 - 4.0\text{ mm}$).

Methodology

Nghiên cứu ứng dụng kết hợp phương pháp khảo sát thực địa, lấy mẫu theo quy chuẩn ISO/TCVN và phân tích phòng thí nghiệm theo các tiêu chuẩn quốc gia:

  • Lấy mẫu và bảo quản mẫu: Tuân thủ TCVN 6663-1:2011 (ISO 5667-1:2006) và TCVN 5999:1995 (ISO 5667-10:1992).
  • Xác định $\text{pH}$: Phương pháp điện cực thủy tinh TCVN 6492:2011 (ISO 10523:2008).
  • Nhu cầu oxy hóa học ($\text{COD}$): Phương pháp chuẩn độ Kali Bicromat trong môi trường axit mạnh TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989).
  • Xác định Mangan ($\text{Mn}$): Phương pháp trắc quang dùng thuốc thử Formaldoxim TCVN 6002:1995.
  • Xác định Sắt tổng ($\text{Fe}$): Phương pháp trắc phổ với thuốc thử 1,10-phenanthroline TCVN 6177:1996.

Implementation và kết quả

Development process

Cơ sở động học và cơ chế phản ứng hóa lý trong quy trình xử lý nước mỏ axit:

[1] Phản ứng sinh axit do khoáng vật Pyrit:
    FeS2 + 7/2 O2 + H2O ---> FeSO4 + H2SO4
    2 FeSO4 + 1/2 O2 + H2SO4 --(T. ferrooxidans)--> Fe2(SO4)3 + H2O
    Fe2(SO4)3 + 6 H2O ---> 2 Fe(OH)3 v + 3 H2SO4

[2] Phản ứng trung hòa và tạo kết tủa kim loại bằng Ca(OH)2:
    H2SO4 + Ca(OH)2 ---> CaSO4 v + 2 H2O
    Fe2(SO4)3 + 3 Ca(OH)2 ---> 2 Fe(OH)3 v + 3 CaSO4 v
    FeSO4 + Ca(OH)2 ---> Fe(OH)2 v + CaSO4 v
    MnSO4 + Ca(OH)2 ---> Mn(OH)2 v + CaSO4 v
    2 Mn(OH)2 + O2 ---> 2 MnO2 v + 2 H2O

Hệ thống điều khiển định lượng hóa chất tự động hóa trên đường ống áp lực được mô hình hóa theo logic điều khiển:

# Thuật toán điều khiển định lượng hóa chất xử lý nước mỏ than
class ChemicalDosingController:
    def __init__(self, target_ph_min=7.0, target_ph_max=7.5):
        self.target_ph_min = target_ph_min
        self.target_ph_max = target_ph_max

    def calculate_dosing_rates(self, flow_rate_m3h, raw_ph, tss_in_ppm):
        """
        Tính toán lưu lượng châm hóa chất dựa trên lưu lượng dòng vào và nồng độ ô nhiễm
        flow_rate_m3h: Lưu lượng nước thải (m3/h)
        raw_ph: Giá trị pH nước thải đầu vào
        tss_in_ppm: Hàm lượng cặn lơ lửng đầu vào (mg/L)
        """
        # 1. Tính lượng vôi Ca(OH)2 cần châm để trung hòa axit
        if raw_ph < self.target_ph_min:
            delta_ph = self.target_ph_min - raw_ph
            lime_dose_rate_l_h = flow_rate_m3h * (delta_ph * 12.5) # Dung dịch vôi 8%
        else:
            lime_dose_rate_l_h = flow_rate_m3h * 1.0

        # 2. Định lượng chất keo tụ PAC (10%)
        # Tỷ lệ PAC điều chỉnh theo tải lượng TSS và lưu lượng dòng
        pac_ppm = max(30.0, tss_in_ppm * 0.15)
        pac_dose_rate_l_h = (flow_rate_m3h * pac_ppm) / 100.0

        # 3. Định lượng Polymer trợ keo tụ PA (0.1%)
        pa_ppm = 1.5 # Liều lượng chuẩn cho nước mỏ than
        pa_dose_rate_l_h = (flow_rate_m3h * pa_ppm) / 1.0

        return {
            "lime_pump_speed_l_h": round(lime_dose_rate_l_h, 2),
            "pac_pump_speed_l_h": round(pac_dose_rate_l_h, 2),
            "polymer_pump_speed_l_h": round(pa_dose_rate_l_h, 2)
        }

Testing và validation

Dữ liệu quan trắc thực nghiệm trong thời gian 5 tháng (Tháng 7 đến Tháng 11 năm 2017) do Viện Kỹ thuật và Công nghệ Môi trường thực hiện tại trạm xử lý Công ty 618:

Thông số quan trắc Vị trí mẫu Tháng 7 Tháng 8 Tháng 9 Tháng 10 Tháng 11 Giá trị trung bình QCVN 40:2011 (Cột B)
$\text{pH}$ (Không đơn vị) Đầu vào (NT1) 4.30 4.50 4.52 4.20 4.70 4.44 -
Đầu ra (NT2) 7.10 7.31 7.30 6.90 7.45 7.21 5.50 - 9.00
Mangan - $\text{Mn}$ ($\text{mg/L}$) Đầu vào (NT1) 2.21 2.34 2.23 2.30 2.10 2.24 -
Đầu ra (NT2) 0.80 0.70 0.50 0.70 0.60 0.66 $\le 1.00$
Nhu cầu oxy hóa học - $\text{COD}$ ($\text{mg/L}$) Đầu vào (NT1) 167.0 165.0 161.0 160.0 159.0 162.4 -
Đầu ra (NT2) 124.0 125.0 121.0 116.0 115.0 120.2 $\le 150.0$
Sắt tổng - $\text{Fe}$ ($\text{mg/L}$) Đầu vào (NT1) 7.50 7.65 7.62 7.62 7.80 7.64 -
Đầu ra (NT2) 3.20 3.30 3.50 3.30 3.70 3.40 $\le 5.00$

Kết quả đạt được

Hệ thống xử lý đạt 100% các tiêu chí kỹ thuật theo quy chuẩn xả thải loại B:

  • Chỉ số $\text{pH}$: Được nâng từ dải axit mạnh ($4.20 - 4.70$) lên dải trung tính tối ưu ($6.90 - 7.45$), đảm bảo điều kiện lý tưởng cho sự kết tủa kim loại nặng mà không gây ăn mòn đường ống.
  • Xử lý Mangan ($\text{Mn}$): Nồng độ giảm từ $2.10 - 2.34\text{ mg/L}$ xuống còn $0.50 - 0.80\text{ mg/L}$, đạt hiệu suất khử trung bình $70.5%$, triệt tiêu nguy cơ tích tụ độc tính thần kinh trong nguồn nước mặt.
  • Khử Sắt tổng số ($\text{Fe}$): Nồng độ giảm từ $7.50 - 7.80\text{ mg/L}$ xuống $3.20 - 3.70\text{ mg/L}$ (hiệu suất xử lý đạt $55.5%$), loại bỏ triệt để màu vàng đục và mùi tanh của nước mỏ.
  • Xử lý $\text{COD}$: Giảm từ $159.0 - 167.0\text{ mg/L}$ xuống $115.0 - 125.0\text{ mg/L}$ (hiệu suất đạt $26.0%$), đáp ứng ngưỡng an toàn xả thải vào nguồn tiếp nhận không dùng cho cấp nước sinh hoạt trực tiếp.

Đổi mới và đóng góp

  • Ứng dụng công nghệ lắng tấm nghiêng Lamen hiệu năng cao: Tăng diện tích lắng hữu hiệu lên gấp $3.5$ lần so với bể lắng ngang thông thường cùng thể tích, giúp tăng tốc độ lắng của bông cặn hydroxit kim loại lên $2.5 - 3.0\text{ m/h}$.
  • Tối ưu hóa phản ứng keo tụ đa cấp: Quy trình phối trộn ba pha ($\text{Ca(OH)}_2$ trung hòa $\rightarrow$ $\text{PAC}$ tạo mầm $\rightarrow$ $\text{Polymer PA}$ trợ lắng) tại bộ trộn tĩnh Static Mixer giúp giảm $18%$ lượng hóa chất tiêu thụ so với kỹ thuật khuấy trộn cơ học hở.
  • Bảo vệ môi trường lưu vực nhạy cảm: Giải quyết căn cơ nguy cơ ô nhiễm nguồn nước mặt khu di tích danh thắng Chùa Hồ Thiên và bảo vệ chất lượng nước sông Tràng Lương phục vụ hạ du Thị xã Đông Triều.
  • Cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác: Đóng góp bộ dữ liệu định lượng 5 tháng liên tục về dao động chất lượng nước mỏ than khu vực Đông Triều - Quảng Ninh cho các công trình nghiên cứu môi trường mỏ tiếp theo.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Trạm xử lý vận hành ổn định phục vụ khai trường khai thác 300.000 tấn than/năm tại Mỏ than Hồ Thiên với các thông số triển khai:

  • Quy mô xử lý: Công suất danh định $200\text{ m}^3/\text{h}$ (tương đương $4.800\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$), đáp ứng 100% lượng nước thoát từ các gương lò khai thác than hầm lò mức +160 và các vỉa dốc.
  • Phân bổ tái sử dụng:
    • Nước dập bụi hầm lò và tưới đường chống bụi mặt bằng: $72\text{ m}^3/\text{ngày}$.
    • Nước phục vụ xưởng rửa xe, nhà đèn: $12\text{ m}^3/\text{ngày}$.
    • Nước xả ra suối Cầu Mỏng đạt chuẩn QCVN 40 Cột B: Toàn bộ lưu lượng còn lại.
  • Hiệu quả kinh tế: Tiết kiệm hàng năm khoảng 350 triệu đồng chi phí khai thác nước mặt thô từ suối Cầu Mỏng và giảm thiểu 100% rủi ro bị xử phạt vi phạm hành chính về xả thải môi trường.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật:
    • Nồng độ Mangan đầu ra ($0.50 - 0.80\text{ mg/L}$) dù đạt tiêu chuẩn Cột B ($\le 1.0\text{ mg/L}$) nhưng chưa đạt chuẩn Cột A ($\le 0.5\text{ mg/L}$) và chuẩn nước ăn uống sinh hoạt ($\le 0.3\text{ mg/L}$).
    • Chưa có module tiền oxy hóa khử chuyên biệt (như tháp làm thoáng sục khí cưỡng bức) dẫn đến phản ứng oxy hóa $\text{Mn}^{2+} \rightarrow \text{Mn}^{4+}$ chưa triệt để ở dải $\text{pH} < 8.0$.
    • Nước sau xử lý còn chứa hàm lượng khoáng hòa tan ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{SO}_4^{2-}$) cao, dễ gây đóng cặn béc phun sương dập bụi hầm lò.
  • Hướng phát triển:
    • Bổ sung giàn mưa oxy hóa cưỡng bức kết hợp vật liệu lọc Mangan Cát Filox/Birm để nâng hiệu suất tách Mangan lên $> 90%$.
    • Tích hợp cụm màng siêu lọc Ultrafiltration (UF) kết hợp khử trùng Clo để tái sử dụng nguồn nước cấp sinh hoạt cho 1.100 cán bộ công nhân viên mỏ (nhu cầu $135\text{ L/người/ngày} = 148.5\text{ m}^3/\text{ngày}$).

Đối tượng hưởng lợi

  • Doanh nghiệp khai thác (Công ty Than 618 & Tổng Công ty Đông Bắc): Đảm bảo tính pháp lý về môi trường, ổn định sản xuất kinh doanh, giảm thiểu chi phí mua nước sạch ngoài mặt bằng.
  • Công nhân thợ lò: Đảm bảo nguồn nước tưới dập bụi đạt chuẩn giúp giảm nồng độ bụi hô hấp trong gương lò, hạn chế bệnh bụi phổi nghề nghiệp.
  • Cộng đồng dân cư địa phương: Bảo vệ nguồn nước mặt sinh hoạt và tưới tiêu nông nghiệp tại hai xã Bình Khê và Tràng Lương thuộc Thị xã Đông Triều.
  • Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Môi trường: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết, số liệu thực chứng về mô hình trạm xử lý nước mỏ axit thực tế tại Quảng Ninh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Yêu cầu kỹ thuật chính để vận hành trạm xử lý nước thải hầm lò công suất $200\text{ m}^3/\text{h}$ là gì? Trạm cần nguồn điện 3 pha ổn định cho hệ thống bơm chìm và máy ép bùn, diện tích mặt bằng xây dựng tối thiểu $350\text{ m}^2$, hệ thống kho chứa vôi bột và PAC khô ráo, cùng đội ngũ kỹ thuật viên kiểm tra định kỳ nồng độ hóa chất và lưu lượng xả bùn.

  2. Tại sao nồng độ Mangan trong nước mỏ than lại khó xử lý hơn Sắt? Sắt ($\text{Fe}^{2+}$) dễ dàng bị oxy hóa và kết tủa thành $\text{Fe(OH)}_3$ ở môi trường $\text{pH} > 6.0$. Ngược lại, Mangan ($\text{Mn}^{2+}$) chỉ bị oxy hóa và kết tủa hoàn toàn thành $\text{Mn(OH)}_2/\text{MnO}_2$ khi $\text{pH}$ đạt trên $8.5 - 9.0$ hoặc khi có chất xúc tác oxy hóa mạnh.

  3. Nước sau xử lý đạt Cột B QCVN 40:2011/BTNMT có dùng để tắm giặt cho thợ mỏ được không? Không. Nước đạt Cột B chỉ được phép xả vào nguồn tiếp nhận không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Để dùng tắm giặt và ăn uống, nước phải qua hệ thống lọc tinh khử trùng đạt QCVN 01:2009/BYT hoặc QCVN 02:2009/BYT.

  4. Biện pháp xử lý bùn thải phát sinh từ trạm xử lý nước than hầm lò? Bùn cặn hóa lý sau khi lắng ở bể Lamen và bể điều hòa được thu gom về bể nén bùn, sau đó bơm qua máy ép bùn cơ học. Bánh bùn khô được vận chuyển đổ thải tại bãi thải đất đá mỏ theo đúng quy hoạch đánh giá tác động môi trường (ĐTM).

  5. Giải pháp nào giúp tối ưu hóa chi phí hóa chất vận hành trạm? Cần lắp đặt đầu dò cảm biến $\text{pH}$ tự động liên động biến tần điều khiển bơm định lượng sữa vôi, đồng thời kiểm soát chất lượng mầm lắng bằng cách tuần hoàn một phần bùn hoạt tính từ đáy bể Lamen về bể trộn tĩnh.

Kết luận

Đề tài nghiên cứu đã đánh giá toàn diện hiệu quả hoạt động của Trạm xử lý nước thải hầm lò tại Công ty TNHH MTV 618. Kết quả phân tích chuỗi dữ liệu thực nghiệm 5 tháng khẳng định công nghệ keo tụ - lắng Lamen kết hợp lọc cát trọng lực xử lý hiệu quả nước mỏ axit, đưa toàn bộ các chỉ số $\text{pH}$ ($7.21$), $\text{Mn}$ ($0.66\text{ mg/L}$), $\text{Fe}$ ($3.40\text{ mg/L}$), $\text{COD}$ ($120.2\text{ mg/L}$) đạt quy chuẩn xả thải QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B). Hệ thống góp phần giải quyết bài toán môi trường mỏ vùng Đông Triều, đồng thời mở ra tiềm năng ứng dụng công nghệ nâng cao để tái tuần hoàn tài nguyên nước trong ngành công nghiệp khai thác than bền vững.