Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Quảng Ninh chiếm khoảng 90% trữ lượng than của cả nước, là trung tâm khai thác than lớn với nhiều mỏ than lộ thiên và hầm lò. Hoạt động khai thác than tại đây tạo ra lượng nước thải mỏ rất lớn, ước tính khoảng 236.850 m³/ngày, tương đương 86,45 triệu m³/năm, trong đó nước thải mỏ chiếm khoảng 220.414 m³/ngày. Nước thải mỏ than có tính axit, chứa hàm lượng cao các kim loại nặng như sắt (Fe), mangan (Mn), cùng các chất rắn lơ lửng (TSS) vượt nhiều lần quy chuẩn Việt Nam QCVN 40:2011/BTNMT. Việc xử lý nước thải mỏ than hiệu quả là vấn đề cấp thiết nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, bảo vệ nguồn nước mặt và nước ngầm, đồng thời góp phần phát triển bền vững ngành than.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào đánh giá hiện trạng phát sinh nước thải mỏ than tại thành phố Cẩm Phả, tỉnh Quảng Ninh; nghiên cứu ứng dụng công nghệ Đĩa lọc cặn kết hợp với phương pháp xử lý nước thải truyền thống nhằm nâng cao hiệu quả xử lý; đánh giá hiệu suất thực tế tại mỏ than Công ty 790 - Tổng công ty Đông Bắc; đồng thời đề xuất dây chuyền công nghệ cấp nước tái sử dụng cho công nghiệp và phun sương dập bụi. Phạm vi nghiên cứu kéo dài từ tháng 3/2021 đến tháng 9/2022, tập trung tại các mỏ than khai thác lộ thiên ở Cẩm Phả.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc làm rõ hiện trạng môi trường vùng khai thác than và đề xuất công nghệ xử lý nước thải mỏ hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường nước và phát triển bền vững. Về thực tiễn, kết quả là tài liệu tham khảo cho các đơn vị khai thác khoáng sản và tư vấn môi trường, giúp tiết kiệm chi phí xử lý và nâng cao hiệu quả sản xuất than.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các khái niệm và lý thuyết về môi trường, ô nhiễm môi trường, nước thải công nghiệp, ô nhiễm nước và quản lý môi trường theo Luật Bảo vệ môi trường 2014 và các văn bản pháp luật liên quan. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Ô nhiễm nước thải mỏ than: Nước thải có tính axit, chứa kim loại nặng (Fe, Mn, As), chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD), nhu cầu ôxy hóa học (COD), pH thấp.
  • Công nghệ xử lý nước thải mỏ than: Các phương pháp truyền thống như trung hòa, keo tụ, lắng, lọc trọng lực, khử mangan bằng bình lọc áp lực; và công nghệ mới như Đĩa lọc cặn.
  • Công nghệ Đĩa lọc cặn: Bộ lọc đĩa sử dụng các đĩa polypropylene xếp chồng có rãnh lọc ba chiều, tự động rửa ngược, hiệu quả loại bỏ TSS từ 80-90%, giảm chi phí vận hành và bảo trì so với lọc cát truyền thống.
  • Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước thải: pH, TSS, COD, BOD, Fe, Mn, tổng chất rắn hòa tan (TDS), coliform, các kim loại nặng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thứ cấp từ các phòng An toàn - Môi trường của các mỏ than, Sở Tài nguyên Môi trường Quảng Ninh, các văn bản pháp luật và tiêu chuẩn Việt Nam. Thu thập số liệu sơ cấp qua khảo sát thực địa, phỏng vấn, lấy mẫu nước thải tại các mỏ than Cọc Sáu, Mông Dương và Công ty 790.
  • Phương pháp lấy mẫu và phân tích: Lấy mẫu nước thải theo tiêu chuẩn TCVN 6663, bảo quản và vận chuyển mẫu đúng quy định. Phân tích các chỉ tiêu lý hóa như pH, TSS, COD, BOD, Fe, Mn, sunphat, độ cứng, kim loại nặng theo các phương pháp chuẩn TCVN và SMEWW tại phòng thí nghiệm đạt chuẩn ISO/IEC 17025.
  • Phương pháp phân tích: So sánh kết quả phân tích trước và sau xử lý, đánh giá hiệu quả xử lý bằng công nghệ Đĩa lọc kết hợp phương pháp truyền thống. Sử dụng phương pháp so sánh với các quy chuẩn Việt Nam hiện hành và các nghiên cứu tương tự.
  • Timeline nghiên cứu: Khảo sát thực địa và lấy mẫu từ tháng 6/2021 đến tháng 8/2022; phân tích và tổng hợp dữ liệu đến tháng 9/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng nước thải mỏ than tại Cẩm Phả: Nước thải mỏ than có pH dao động từ 3,5 đến 6,5 tùy mùa, hàm lượng TSS từ 50 đến 500 mg/L, Fe từ 0,5 đến 15 mg/L, Mn từ 0,5 đến 10 mg/L, vượt nhiều lần giới hạn cho phép của QCVN 40:2011/BTNMT. Lượng nước thải mỏ ước tính khoảng 220.414 m³/ngày.

  2. Hiệu quả xử lý bằng công nghệ truyền thống: Các trạm xử lý hiện tại sử dụng bể điều hòa, trung hòa, keo tụ, lắng và lọc trọng lực hoặc áp lực. Hiệu quả xử lý đạt loại bỏ 60-70% TSS, Fe và Mn giảm nhưng Mn vẫn vượt ngưỡng cho phép khoảng 1,5-2 lần. Chi phí vận hành cao do tiêu thụ điện năng và hóa chất lớn.

  3. Ứng dụng công nghệ Đĩa lọc cặn kết hợp xử lý truyền thống tại mỏ than Công ty 790: Sau xử lý, TSS giảm xuống dưới 20 mg/L, Fe và Mn giảm còn khoảng 0,5 mg/L, đạt mức A của QCVN 40:2011/BTNMT. Hiệu quả loại bỏ TSS tăng từ 60% lên 85-90%. Công nghệ Đĩa lọc giúp giảm lượng hóa chất sử dụng và chi phí vận hành.

  4. Đề xuất dây chuyền công nghệ cấp nước tái sử dụng: Nước sau xử lý có thể tái sử dụng cho phun sương dập bụi và các mục đích công nghiệp, giúp tiết kiệm nguồn nước và giảm chi phí cấp nước mới. Dây chuyền công nghệ được thiết kế phù hợp với lưu lượng và chất lượng nước thải mỏ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy công nghệ Đĩa lọc cặn kết hợp với phương pháp xử lý truyền thống nâng cao hiệu quả xử lý nước thải mỏ than rõ rệt, đặc biệt trong việc loại bỏ TSS và kim loại nặng Mn, Fe. Nguyên nhân là do cấu trúc đĩa lọc ba chiều giúp giữ lại các hạt cặn nhỏ hiệu quả hơn so với bể lắng truyền thống. So với các nghiên cứu trước đây, hiệu quả xử lý TSS tăng từ 60% lên 85-90% là bước tiến đáng kể, đồng thời giảm chi phí vận hành nhờ giảm lượng hóa chất và điện năng tiêu thụ.

Biểu đồ so sánh nồng độ TSS, Fe, Mn trước và sau xử lý minh họa rõ sự cải thiện chất lượng nước. Bảng số liệu phân tích chi tiết cho thấy pH được điều chỉnh ổn định trong khoảng 6,5-8,5, phù hợp cho quá trình xử lý sinh học tiếp theo nếu cần.

Việc tái sử dụng nước thải sau xử lý cho phun sương dập bụi không chỉ giảm áp lực khai thác nguồn nước mới mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do nước thải được xử lý đạt chuẩn. Điều này phù hợp với xu hướng phát triển bền vững và tiết kiệm tài nguyên nước trong ngành than.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi công nghệ Đĩa lọc cặn kết hợp xử lý truyền thống tại các mỏ than khai thác lộ thiên ở Quảng Ninh nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, giảm hàm lượng TSS, Fe, Mn xuống dưới ngưỡng quy chuẩn. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: Tập đoàn Than Khoáng sản Việt Nam (TKV) và các đơn vị khai thác.

  2. Xây dựng và vận hành dây chuyền công nghệ cấp nước tái sử dụng cho mục đích phun sương dập bụi và công nghiệp tại các mỏ than, giúp tiết kiệm nguồn nước và giảm chi phí cấp nước mới. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: Ban quản lý mỏ và phòng môi trường.

  3. Tăng cường đào tạo, nâng cao năng lực vận hành hệ thống xử lý nước thải cho cán bộ kỹ thuật tại các mỏ, đảm bảo vận hành hiệu quả, kiểm soát pH và liều lượng hóa chất chính xác. Thời gian: liên tục. Chủ thể: TKV, các đơn vị đào tạo.

  4. Lắp đặt hệ thống quan trắc nước thải tự động liên tục (online) tại các trạm xử lý để giám sát chất lượng nước thải đầu ra, đảm bảo tuân thủ quy chuẩn môi trường và kịp thời điều chỉnh quy trình xử lý. Thời gian: 6-12 tháng. Chủ thể: Sở Tài nguyên Môi trường, các mỏ than.

  5. Nghiên cứu bổ sung các công nghệ xử lý nâng cao như lọc màng siêu lọc, trao đổi ion kết hợp với Đĩa lọc để xử lý triệt để các kim loại nặng còn tồn dư, nâng cao chất lượng nước tái sử dụng cho mục đích sinh hoạt. Thời gian: 2-3 năm. Chủ thể: Viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các đơn vị khai thác than và khoáng sản: Nhận diện các giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, giảm chi phí vận hành, đảm bảo tuân thủ quy chuẩn môi trường, nâng cao trách nhiệm bảo vệ môi trường.

  2. Các cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và tài nguyên nước: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy định, giám sát và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải mỏ than tại địa phương.

  3. Các tổ chức tư vấn và thiết kế công trình xử lý nước thải: Áp dụng công nghệ Đĩa lọc cặn kết hợp phương pháp truyền thống trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải mỏ than, nâng cao hiệu quả và tính khả thi công trình.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khoa học môi trường, kỹ thuật môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, số liệu thực tế và ứng dụng công nghệ mới trong xử lý nước thải công nghiệp khai thác than.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ Đĩa lọc cặn là gì và ưu điểm chính của nó?
    Công nghệ Đĩa lọc cặn sử dụng các đĩa polypropylene xếp chồng có rãnh lọc ba chiều, giúp loại bỏ hiệu quả các hạt cặn lơ lửng trong nước thải. Ưu điểm gồm khả năng loại bỏ TSS lên đến 90%, diện tích lọc lớn, tự động rửa ngược, giảm chi phí vận hành và bảo trì so với lọc cát truyền thống.

  2. Tại sao nước thải mỏ than có tính axit và chứa nhiều kim loại nặng?
    Nước thải mỏ than có tính axit do quá trình oxy hóa pyrit (FeS₂) trong than và đá vỉa tiếp xúc với không khí và nước tạo ra axit sulfuric (H₂SO₄). Kim loại nặng như Fe, Mn hòa tan trong nước do đặc tính trầm tích cacbon sinh và quá trình khai thác, gây ô nhiễm môi trường nước.

  3. Hiệu quả xử lý nước thải bằng công nghệ Đĩa lọc kết hợp truyền thống so với phương pháp truyền thống như thế nào?
    Công nghệ kết hợp giúp giảm TSS từ khoảng 60% lên 85-90%, giảm Fe và Mn xuống dưới 0,5 mg/L, đạt quy chuẩn môi trường. Đồng thời giảm lượng hóa chất và điện năng tiêu thụ, tiết kiệm chi phí vận hành so với phương pháp truyền thống chỉ dùng keo tụ, lắng và lọc trọng lực.

  4. Nước thải sau xử lý có thể tái sử dụng cho mục đích gì?
    Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn có thể tái sử dụng cho phun sương dập bụi, vệ sinh công nghiệp, tưới cây và các mục đích công nghiệp khác, giúp tiết kiệm nguồn nước tự nhiên và giảm chi phí cấp nước mới.

  5. Các bước chính trong quy trình xử lý nước thải mỏ than bằng công nghệ Đĩa lọc kết hợp truyền thống?
    Quy trình gồm bể điều hòa, trung hòa pH bằng vôi hoặc NaOH, keo tụ tạo bông bằng PAC và PAM, lắng sơ cấp và thứ cấp, lọc qua bộ lọc đĩa cặn, khử mangan bằng bể lọc trọng lực hoặc bình lọc áp lực, xử lý bùn và quan trắc liên tục chất lượng nước đầu ra.

Kết luận

  • Nước thải mỏ than tại Cẩm Phả có pH thấp, hàm lượng TSS, Fe, Mn vượt quy chuẩn nhiều lần, gây ô nhiễm nghiêm trọng.
  • Công nghệ Đĩa lọc cặn kết hợp phương pháp xử lý truyền thống nâng cao hiệu quả xử lý, giảm TSS đến 85-90%, Fe và Mn xuống dưới 0,5 mg/L.
  • Nước thải sau xử lý có thể tái sử dụng cho phun sương dập bụi và công nghiệp, góp phần tiết kiệm nguồn nước và giảm chi phí.
  • Đề xuất triển khai rộng rãi công nghệ này tại các mỏ than Quảng Ninh, đồng thời lắp đặt hệ thống quan trắc tự động để giám sát chất lượng nước thải.
  • Các bước tiếp theo gồm đào tạo vận hành, nghiên cứu công nghệ xử lý nâng cao và hoàn thiện dây chuyền công nghệ cấp nước tái sử dụng.

Kêu gọi hành động: Các đơn vị khai thác than và cơ quan quản lý cần phối hợp triển khai công nghệ Đĩa lọc cặn kết hợp xử lý truyền thống để bảo vệ môi trường nước và phát triển bền vững ngành than tại Quảng Ninh.