Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế xã hội hiện nay, bảo vệ môi trường trở thành một nhiệm vụ cấp thiết và không thể tách rời. Hoạt động khai thác than hầm lò, đặc biệt tại khu vực Đông Triều, Quảng Ninh, đã tạo ra lượng lớn nước thải chứa các ion kim loại nặng như sắt (Fe) và mangan (Mn) với nồng độ vượt quá giới hạn cho phép theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 40:2011/BTNMT. Theo số liệu điều tra năm 2013, tổng lượng nước thải ngành than khu vực Quảng Ninh đạt khoảng 236.850 m³/ngày, trong đó nước thải mỏ chiếm 220.414 m³/ngày. Mức độ xử lý nước thải hiện đạt khoảng 63%, còn nhiều tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường nước.

Luận văn tập trung đánh giá hiện trạng ô nhiễm sắt và mangan trong nước thải khai thác than hầm lò tại Công ty TNHH MTV 618, một đơn vị khai thác than hầm lò với công suất thiết kế 300.000 tấn/năm, đồng thời đề xuất phương án xử lý hiệu quả nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2013-2014 tại khu vực Đông Triều, tỉnh Quảng Ninh, với mục tiêu cụ thể gồm: phân tích điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội liên quan; đánh giá chất lượng nước thải trước và sau xử lý; khảo sát công nghệ xử lý hiện tại; nghiên cứu khả năng xử lý nước thải có hàm lượng sắt và mangan cao; đề xuất công nghệ xử lý phù hợp.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ mang tính khoa học khi làm rõ bức tranh ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải mỏ than mà còn có giá trị thực tiễn trong việc cung cấp giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường nước và phát triển bền vững ngành khai thác khoáng sản tại địa phương.

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 và đặc biệt là nước thải khai thác than hầm lò. Theo Luật Bảo vệ Môi trường Việt Nam năm 2005, môi trường bao gồm các yếu tố tự nhiên và nhân tạo ảnh hưởng đến sự sống và phát triển của con người và sinh vật. Ô nhiễm môi trường được định nghĩa là sự thay đổi tính chất môi trường vượt quá tiêu chuẩn cho phép, gây hại cho sức khỏe và sinh vật.

Nước thải khai thác than hầm lò đặc trưng bởi pH thấp (2-7), hàm lượng chất rắn lơ lửng cao (100-30.000 mg/L), cùng các ion kim loại nặng như Fe (100-3000 mg/L) và Mn (2-30 mg/L) vượt ngưỡng cho phép. Lý thuyết về quá trình oxy hóa sắt và mangan trong nước thải được áp dụng để hiểu cơ chế chuyển hóa và kết tủa các ion kim loại này. Quá trình oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và Mn2+ thành Mn4+ diễn ra khác nhau về tốc độ và điều kiện pH, ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.

Các phương pháp xử lý ô nhiễm sắt và mangan được nghiên cứu bao gồm: làm thoáng, sử dụng các chất oxy hóa mạnh (Cl2, KMnO4, O3, H2O2), xử lý bằng vôi, phương pháp sinh học và trao đổi ion. Mô hình xử lý nước thải phổ biến tại các mỏ than hầm lò gồm các bể điều hòa, bể trộn hóa chất nâng pH, bể lắng sơ cấp và thứ cấp, kết hợp sử dụng PAC, PA để keo tụ và lắng các kim loại nặng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ nước thải khai thác than hầm lò tại Công ty TNHH MTV 618 trong giai đoạn 2013-2014, kết hợp với số liệu quan trắc môi trường từ 2012-2013. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các mẫu nước thải trước và sau xử lý, được lấy tại các điểm xả thải chính trong khu vực mỏ.

Phương pháp chọn mẫu là phương pháp khảo sát thực địa kết hợp lấy mẫu định kỳ nhằm phản ánh chính xác hiện trạng ô nhiễm. Phân tích các chỉ tiêu lý hóa như pH, TSS, COD, BOD, hàm lượng Fe và Mn được thực hiện bằng phương pháp trắc quang và các kỹ thuật chuẩn trong phòng thí nghiệm môi trường.

Phân tích số liệu sử dụng phương pháp thống kê mô tả, so sánh với tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT và các nghiên cứu tương tự trong khu vực. Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các chất xúc tác (H2O2, O3) và điều kiện pH đến quá trình oxy hóa sắt và mangan được tiến hành để đề xuất công nghệ xử lý tối ưu.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 18 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, phân tích, thực nghiệm và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng ô nhiễm nước thải trước xử lý: Mẫu nước thải khai thác than tại Công ty TNHH MTV 618 có pH dao động từ 3,5 đến 5,5, thuộc môi trường axit. Hàm lượng sắt trong nước thải trước xử lý dao động từ 4,98 đến 154,7 mg/L, vượt giới hạn cho phép 5 mg/L theo QCVN 40:2011/BTNMT từ 1 đến hơn 30 lần. Hàm lượng mangan dao động từ 1,75 đến 5,06 mg/L, vượt ngưỡng 1 mg/L từ 1,75 đến 5 lần.

  2. Hiện trạng nước thải sau xử lý: Sau xử lý bằng công nghệ hiện tại gồm nâng pH bằng vôi, keo tụ và lắng, hàm lượng sắt giảm trung bình 70%, còn khoảng 1,5-5 mg/L; mangan giảm khoảng 40-50%, vẫn còn vượt ngưỡng cho phép. TSS giảm từ 478 mg/L xuống còn dưới 100 mg/L, đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.

  3. Ảnh hưởng của chất xúc tác và pH đến quá trình oxy hóa: Thực nghiệm cho thấy sử dụng nước ôxy (H2O2) và ôzôn (O3) làm chất xúc tác tăng hiệu quả oxy hóa sắt và mangan. Ở pH 7-8, quá trình oxy hóa sắt diễn ra nhanh chóng, đạt hiệu suất loại bỏ trên 90%. Quá trình oxy hóa mangan chậm hơn, tối ưu ở pH 8,5-9,5, hiệu suất loại bỏ đạt khoảng 75% khi sử dụng ôzôn. So sánh hiệu quả xử lý giữa H2O2 và O3 cho thấy O3 có khả năng oxy hóa mangan nhanh hơn khoảng 15-20%.

  4. Tác động cạnh tranh giữa sắt và mangan: Quá trình oxy hóa sắt diễn ra nhanh hơn và tiêu tốn lượng oxy lớn, làm giảm oxy hòa tan cho quá trình oxy hóa mangan, dẫn đến mangan còn tồn dư trong nước thải sau xử lý. Điều này giải thích nguyên nhân hàm lượng mangan sau xử lý vẫn vượt ngưỡng.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo ngành than tại Quảng Ninh, cho thấy nước thải khai thác than hầm lò có tính axit và chứa hàm lượng kim loại nặng vượt mức cho phép. Việc xử lý nước thải hiện tại chưa đáp ứng được yêu cầu về loại bỏ mangan do đặc tính oxy hóa chậm và cạnh tranh oxy với sắt.

Sử dụng các chất oxy hóa mạnh như H2O2 và O3 kết hợp điều chỉnh pH là giải pháp khả thi để nâng cao hiệu quả xử lý. Biểu đồ so sánh hiệu suất loại bỏ sắt và mangan theo pH và loại chất xúc tác sẽ minh họa rõ ràng sự khác biệt hiệu quả xử lý. Bảng tổng hợp số liệu trước và sau xử lý cũng giúp đánh giá mức độ cải thiện.

Nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế oxy hóa và tương tác giữa các ion kim loại trong nước thải mỏ than, từ đó đề xuất công nghệ xử lý phù hợp với điều kiện thực tế tại Công ty TNHH MTV 618 và các mỏ than tương tự.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ xử lý kết hợp nâng pH và sử dụng chất oxy hóa mạnh: Sử dụng đồng thời vôi để nâng pH lên khoảng 8,5-9,5 và bổ sung ôzôn hoặc nước ôxy (H2O2) làm chất xúc tác oxy hóa sắt và mangan. Mục tiêu giảm hàm lượng Fe xuống dưới 1 mg/L và Mn dưới 0,5 mg/L trong vòng 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý Công ty TNHH MTV 618 phối hợp với đơn vị tư vấn môi trường.

  2. Tăng cường giám sát và điều chỉnh quy trình vận hành trạm xử lý nước thải: Thiết lập hệ thống quan trắc tự động pH, nồng độ oxy hòa tan, Fe và Mn để điều chỉnh liều lượng hóa chất kịp thời, đảm bảo hiệu quả xử lý ổn định. Thời gian triển khai: 3 tháng. Chủ thể: Phòng kỹ thuật và phòng thí nghiệm môi trường công ty.

  3. Đào tạo nâng cao năng lực nhân sự vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ xử lý nước thải, đặc biệt là kỹ thuật sử dụng chất oxy hóa và kiểm soát pH. Mục tiêu nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành trong 6 tháng. Chủ thể: Ban lãnh đạo công ty phối hợp với các chuyên gia môi trường.

  4. Nghiên cứu và áp dụng phương pháp xử lý sinh học bổ sung: Khảo sát khả năng sử dụng vi sinh vật chuyên biệt để xử lý mangan trong nước thải nhằm giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý lâu dài. Thời gian nghiên cứu: 12 tháng. Chủ thể: Phòng nghiên cứu và phát triển công ty phối hợp với các viện nghiên cứu môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các doanh nghiệp khai thác khoáng sản và than hầm lò: Luận văn cung cấp dữ liệu thực tiễn và giải pháp xử lý nước thải chứa kim loại nặng, giúp doanh nghiệp nâng cao hiệu quả quản lý môi trường và tuân thủ quy định pháp luật.

  2. Các đơn vị tư vấn và thiết kế công trình xử lý nước thải: Tài liệu chi tiết về đặc tính nước thải, cơ chế oxy hóa và công nghệ xử lý giúp tư vấn lựa chọn giải pháp phù hợp cho các dự án xử lý nước thải mỏ than.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường: Thông tin về hiện trạng ô nhiễm và hiệu quả xử lý nước thải tại mỏ than hỗ trợ xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và giám sát thực thi.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khoa học môi trường: Luận văn là nguồn tham khảo quý giá về nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải công nghiệp và các phương pháp xử lý tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nước thải khai thác than thường có pH thấp?
    Nước thải khai thác than hầm lò có pH thấp do quá trình oxy hóa lưu huỳnh trong than tạo thành axit sulfuric, làm môi trường nước mang tính axit với pH từ 2 đến 7, ảnh hưởng đến quá trình xử lý và sinh thái.

  2. Hàm lượng sắt và mangan vượt ngưỡng có tác hại gì?
    Hàm lượng sắt và mangan cao gây đục, màu nước không đẹp, ảnh hưởng đến sinh hoạt và sức khỏe con người. Mangan vượt ngưỡng có thể gây nhiễm độc thần kinh, trong khi sắt làm giảm chất lượng nước và gây ăn mòn thiết bị.

  3. Tại sao quá trình oxy hóa mangan chậm hơn sắt?
    Mangan (Mn2+) oxy hóa thành Mn4+ chậm hơn sắt (Fe2+ thành Fe3+) do đặc tính hóa học và yêu cầu pH cao hơn (8,5-9,5) để oxy hóa hiệu quả, trong khi sắt oxy hóa nhanh ở pH trung tính.

  4. Chất xúc tác nào hiệu quả nhất trong xử lý mangan?
    Ôzôn (O3) được đánh giá là chất xúc tác hiệu quả hơn nước ôxy (H2O2) trong oxy hóa mangan, giúp tăng tốc độ phản ứng và nâng cao hiệu quả loại bỏ mangan trong nước thải.

  5. Làm thế nào để kiểm soát hiệu quả quá trình xử lý nước thải?
    Cần giám sát liên tục các chỉ tiêu pH, oxy hòa tan, nồng độ Fe và Mn, đồng thời điều chỉnh liều lượng hóa chất và thời gian tiếp xúc để đảm bảo quá trình oxy hóa và kết tủa diễn ra tối ưu, tránh dư thừa hoặc thiếu hụt hóa chất.

Kết luận

  • Nước thải khai thác than hầm lò tại Công ty TNHH MTV 618 có pH thấp, hàm lượng sắt và mangan vượt ngưỡng quy chuẩn môi trường, gây nguy cơ ô nhiễm nghiêm trọng.
  • Công nghệ xử lý hiện tại giảm được phần lớn sắt nhưng hiệu quả xử lý mangan còn hạn chế do quá trình oxy hóa chậm và cạnh tranh oxy với sắt.
  • Sử dụng chất oxy hóa mạnh như ôzôn và nước ôxy kết hợp điều chỉnh pH là giải pháp khả thi để nâng cao hiệu quả xử lý kim loại nặng.
  • Đề xuất áp dụng công nghệ xử lý kết hợp, tăng cường giám sát và đào tạo nhân sự nhằm đảm bảo hiệu quả và bền vững trong xử lý nước thải mỏ than.
  • Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào phát triển phương pháp xử lý sinh học bổ sung để giảm chi phí và tăng tính thân thiện môi trường.

Luận văn là tài liệu tham khảo quan trọng cho các đơn vị khai thác khoáng sản, tư vấn môi trường và cơ quan quản lý trong việc kiểm soát ô nhiễm nước thải khai thác than. Để tiếp tục phát triển, các bên liên quan cần phối hợp triển khai các giải pháp xử lý hiệu quả và bền vững, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế địa phương.