Giới thiệu dự án

Hoạt động khai thác than đá tại bể than Quảng Ninh đóng vai trò chiến lược trong an ninh năng lượng quốc gia, đóng góp hơn 90% sản lượng than cả nước. Tuy nhiên, quá trình khai thác khoáng sản quy mô lớn tại các mỏ hầm lò và lộ thiên gây ra những thách thức môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là nguồn nước thải mỏ có tính axit cao và chứa hàm lượng kim loại nặng phức tạp. Tại Công ty TNHH MTV 790 (Tổng Công ty Đông Bắc – Bộ Quốc phòng), tọa lạc tại phường Mông Dương, thành phố Cẩm Phả, nước thải phát sinh từ các đường lò sâu tới mức -150m khi tiếp xúc với không khí và nước ngầm liên tục sinh ra axit và hòa tan các khoáng vật độc hại.

                  TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI HIỆN HỮU (BẬC 1)
                  (2.400 m³/ngày-đêm - Keo tụ PAC + PAM)
  XẢ THẢI MÔI TRƯỜNG                             ĐỀ XUẤT NÂNG CẤP (BẬC 2)
  QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B)                     Tái tuần hoàn sinh hoạt & dập bụi
  (Suối Lép Mỹ -> Sông Mông Dương)               QCVN 02:2009/BYT & Cấp sản xuất

Vấn đề kỹ thuật trọng tâm (Problem Statement)

Nước thải mỏ than hầm lò tại Công ty 790 mang đặc tính ô nhiễm đa cấu phần:

  • Hiện tượng thoát nước axit mỏ (Acid Mine Drainage - AMD): Sự oxy hóa pyrit ($FeS_2$) làm giảm độ pH xuống mức 3.5 – 5.0, phá hủy hệ đệm tự nhiên của nguồn tiếp nhận.
  • Tải lượng chất rắn lơ lửng (TSS) vượt ngưỡng: Hàm lượng TSS dao động từ 460 đến 765 mg/L (vượt 4.6 – 7.6 lần quy chuẩn), chứa nhiều bụi than mịn khó lắng tự nhiên.
  • Ô nhiễm kim loại hòa tan: Tổng sắt ($Fe$) đạt 5.87 – 8.51 mg/L (vượt tới 1.7 lần), Mangan ($Mn$) đạt 1.87 – 5.23 mg/L (vượt 1.8 – 5.2 lần quy chuẩn cho phép).
  • Nhiễm bẩn dầu mỡ khoáng: Dao động từ 8.53 đến 16.25 mg/L do rò rỉ từ máy móc khai thác, máy khoan thủy lực và thiết bị vận tải trong lò.

Mục tiêu dự án

  1. Khảo sát, thu thập và đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng nước thải hầm lò tại mỏ than Công ty TNHH MTV 790 từ tháng 09/2015 đến tháng 12/2015.
  2. Kiểm tra, đánh giá hiệu quả vận hành của công nghệ xử lý nước thải Bậc 1 hiện hữu công suất 2.400 $\text{m}^3/\text{ngày-đêm}$ tại mặt bằng +48.
  3. Nghiên cứu cơ chế hóa lý loại bỏ đồng thời $Fe$, $Mn$, $TSS$ và dầu mỡ khoáng dưới tác động của quá trình oxy hóa kết hợp keo tụ - tạo bông.
  4. Đề xuất quy trình công nghệ xử lý Bậc 2 (xử lý nâng cao) nhằm tái tuần hoàn nước thải sau xử lý đạt chuẩn nước sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT phục vụ tắm giặt cho cán bộ công nhân viên và dập bụi sản xuất.

Giải pháp và Kết quả kỳ vọng

Dự án đề xuất giải pháp kỹ thuật tích hợp: nâng cấp hiệu suất bể keo tụ Bậc 1 (sục khí oxy hóa + nâng pH bằng kiềm + keo tụ PAC + trợ keo tụ Polymer Anion) kết hợp hệ thống lọc áp lực đa tầng Bậc 2 (Cát thạch anh + Hạt xúc tác khử Mangan Filox/MnO2 + Than hoạt tính GAC + Khử trùng Clo). Giải pháp hướng tới mục tiêu thu hồi và tái sử dụng 70 - 80% lượng nước thải mỏ (~1.600 - 1.900 $\text{m}^3/\text{ngày-đêm}$), giải quyết triệt để bài toán khan hiếm nước ngọt cục bộ tại vùng khai thác than Cẩm Phả.


Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Phương pháp xử lý Cơ chế tác động Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá độ phù hợp tại Mỏ 790
Lắng tự nhiên qua hồ tiêu năng Trọng lực tách hạt thô Chi phí vận hành thấp, không hóa chất Không khử được $Fe^{2+}, Mn^{2+}$, không trung hòa axit, tốn diện tích lớn Không đạt quy chuẩn xả thải
Đầm lầy nhân tạo (Wetlands) Sinh học hiếu khí/kỵ khí & hấp phụ thực vật Thân thiện môi trường, chi phí bảo trì thấp Tải trọng xử lý thấp, thời gian lưu nước lớn (3 - 7 ngày), diện tích đất hạn hẹp Không khả thi do địa hình mỏ dốc
Hóa lý truyền thống (Vôi sữa + PAC) Trung hòa $H^+$ và tạo kết tủa hydroxit Xử lý triệt để kim loại và TSS, diện tích xây dựng nhỏ Lượng bùn thải lớn, tiêu hao nhiều hóa chất, độ đục sau lắng còn dao động Phù hợp cho giai đoạn xử lý sơ bộ (Bậc 1)
Hóa lý cải tiến + Lọc đa tầng + Than hoạt tính Oxy hóa cưỡng bức + Keo tụ gia cường + Lọc hấp phụ Nước sau xử lý đạt chuẩn sinh hoạt, hiệu suất khử $Mn/Fe > 95%$ Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn hệ thống xả thải thông thường Khả thi tối ưu cho mục tiêu tái tuần hoàn (Bậc 2)

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Nước thải sau xử lý Bậc 1 phải đạt cột B QCVN 40:2011/BTNMT ($pH: 5.5 - 9.0$; $TSS \le 100\text{ mg/L}$; $Fe \le 5\text{ mg/L}$; $Mn \le 1\text{ mg/L}$; Dầu mỡ $\le 10\text{ mg/L}$). Nâng pH tự động, xử lý triệt để bùn than.
  • Should have (Nên có): Hệ thống tái lọc Bậc 2 đạt QCVN 02:2009/BYT phục vụ sinh hoạt tắm giặt cho 1.000+ công nhân; hệ thống cấp hóa chất định lượng tự động.
  • Could have (Có thể có): Cảm biến đo online pH, TSS, DO tích hợp hiển thị trung tâm; cơ chế rửa ngược tự động cho bồn lọc áp lực.
  • Won't have (Chưa thực hiện kỳ này): Hệ thống lọc khử khoáng chuyên sâu bằng màng thẩm thấu ngược RO công nghiệp do chi phí màng cao và áp lực nước thải có cặn than mịn.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐỀ XUẤT                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

 [ Nước thải hầm lò ] (Q = 2.400 m3/ngày)

Thiết kế hệ thống & Danh mục thiết bị

{
  "project_specs": {
    "system_name": "Tram_XLNT_HamLo_Mo790_Upgrade",
    "capacity_m3_day": 2400,
    "flow_rate_m3_h": 100,
    "operating_mode": "Continuous_24_7",
    "standards_compliance": ["QCVN 40:2011/BTNMT_Column_B", "QCVN 02:2009/BYT"]
  },
  "equipment_stack": [
    {
      "unit": "Submersible Raw Wastewater Pumps",
      "model": "Ebara DL Series (Cast Iron/Stainless Impeller)",
      "flow_rate": "55 m3/h each (1 Duty, 1 Standby)",
      "head": "25 m",
      "power_kw": 7.5
    },
    {
      "unit": "Root Air Blowers (Oxidation & Aeration)",
      "model": "Tsurumi TSR2-65",
      "air_flow": "3.8 m3/min",
      "pressure": "0.4 kgf/cm2",
      "power_kw": 5.5
    },
    {
      "unit": "Chemical Dosing Pumps (NaOH, PAC, PAM)",
      "model": "ProMinent Concept Plus / Vario",
      "stroke_rate": "180 strokes/min",
      "materials": "PVDF / PTFE Diaphragm"
    },
    {
      "unit": "Lamella Clarifier Settler",
      "design": "Inclined Plate 60 deg, PVC Modules",
      "hydraulic_surface_loading": "1.2 m3/m2.h"
    },
    {
      "unit": "Multi-Media Pressure Filter Vessels",
      "material": "Composite FRP Pentair Structural 3672",
      "media": "Quartz Sand (0.8-1.2mm) + Manganese Greensand Filox",
      "operating_pressure": "2.5 - 4.0 bar"
    },
    {
      "unit": "Granular Activated Carbon Vessel",
      "material": "Composite FRP with Calgon Carbon Filtrasorb 400",
      "ebct_min": 12
    },
    {
      "unit": "Sludge Dewatering Unit",
      "model": "Chuan Chuing Belt Filter Press (BFP-1000)",
      "sludge_cake_dryness": "28 - 35% DS"
    }
  ]
}

Implementation và kết quả

Quá trình hóa học và kỹ thuật xử lý chuyên sâu

Sự hình thành tính axit và ion kim loại trong nước thải hầm lò Công ty 790 diễn ra qua chuỗi phản ứng phân hủy pyrit dưới tác động của oxy và vi khuẩn hiếu khí Thiobacillus ferrooxidans:

$$\text{FeS}_2 + \frac{7}{2}\text{O}_2 + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{FeSO}_4 + \text{H}_2\text{SO}_4 \quad (1)$$

$$2\text{FeSO}_4 + \frac{1}{2}\text{O}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \xrightarrow{\text{T. ferrooxidans}} \text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3 + \text{H}_2\text{O} \quad (2)$$

$$\text{FeS}_2 + \text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3 \longrightarrow 3\text{FeSO}_4 + 2\text{S} \quad (3)$$

$$\text{S} + \text{H}_2\text{O} + \frac{3}{2}\text{O}_2 \longrightarrow \text{H}_2\text{SO}_4 \quad (4)$$

$$\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3 + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{Fe(OH)SO}_4 + \text{H}_2\text{SO}_4 \quad (5)$$

Để loại bỏ các ion kim loại này, hệ thống vận hành theo quy trình oxy hóa kết hợp nâng pH để chuyển ion hòa tan thành kết tủa hydroxit không tan:

  • Khử sắt ($Fe$): Khi nâng pH lên $7.5 - 8.5$ kết hợp sục khí oxy hòa tan ($DO > 2.0\text{ mg/L}$), sắt chuyển hóa hoàn toàn thành kết tủa $Fe(OH)_3$ màu nâu đỏ:

$$4\text{Fe}^{2+} + \text{O}_2 + 10\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 4\text{Fe(OH)}_3\downarrow + 8\text{H}^+$$

  • Khử Mangan ($Mn$): Mangan kết tủa ở pH cao hơn ($\text{pH} \ge 8.5 - 9.0$) hoặc thông qua lớp vật liệu lọc tiếp xúc $MnO_2$ đóng vai trò chất xúc tác oxy hóa:

$$\text{Mn}^{2+} + [\text{O}] + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{MnO}_2} \text{MnO}_2\downarrow + 2\text{H}^+$$

  • Keo tụ bông cặn: Hóa chất $PAC$ $[\text{Al}_n(\text{OH})m\text{Cl}{3n-m}]_x$ tạo phức polymer vô cơ đa nhân, trung hòa điện tích hạt sét/than lơ lửng; chất trợ keo tụ $PAM$ $(-\text{CH}_2\text{CHCONH}_2-)_n$ trọng lượng phân tử cao liên kết các bông cặn nhỏ thành bông bùn lớn, tăng vận tốc lắng trong bể Lamella lên gấp 3 – 4 lần.

Testing và validation

Số liệu quan trắc thực nghiệm chất lượng nước thải trước xử lý (nước thải thô tại cửa lò) và sau khi qua trạm xử lý tại Mỏ 790 (Giai đoạn 09/2015 – 12/2015):

Thông số Đơn vị Phương pháp phân tích Tháng 9/2015 (Thô) Tháng 10/2015 (Thô) Tháng 11/2015 (Thô) Tháng 12/2015 (Thô) Sau xử lý Bậc 1 Sau xử lý Bậc 2 (Đề xuất) QCVN 40:2011 Cột B QCVN 02:2009 /BYT
pH - TCVN 6492:2011 5.0 4.5 3.5 4.0 7.35 7.15 5.5 - 9.0 6.0 - 8.5
TSS mg/L TCVN 6625:2000 765 690 460 520 24.5 < 2.0 100 -
COD mg/L SWEWW 5220C:2012 75.6 85.3 274.0 250.0 42.0 8.5 150 -
BOD5 mg/L SWEWW 5210D:2012 32.1 44.5 35.0 20.0 12.3 < 2.0 50 -
Fe tổng mg/L TCVN 6177-1996 5.87 6.34 8.51 7.22 0.62 0.08 5.0 0.5
Mn mg/L TCVN 6002:1995 1.87 2.65 5.23 4.51 0.45 0.04 1.0 0.3
Dầu khoáng mg/L TCVN 5070:1995 8.53 11.34 14.71 16.25 0.35 KPH 10.0 -
Amoni mg/L EPA 350.2 1.14 1.26 3.51 2.17 0.85 0.15 10.0 3.0
Coliform MPN/100mL TCVN 6187-1:2009 2.000 2.400 1.800 2.100 160 0 5.000 50
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               BIỂU ĐỒ HIỆU SUẤT XỬ LÝ CÁC CHỈ TIÊU Ô NHIỄM CHÍNH                  |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

  TSS (mg/L)   : [765 mg/L] ================> [24.5 mg/L]   (Hiệu suất: 96.8%)
  Fe tổng (mg/L): [8.51 mg/L] ==============> [0.62 mg/L]   (Hiệu suất: 92.7%)
  Mn (mg/L)    : [5.23 mg/L] ===============> [0.45 mg/L]   (Hiệu suất: 91.4%)
  Dầu mỡ (mg/L): [16.25 mg/L] ==============> [0.35 mg/L]   (Hiệu suất: 97.8%)
  pH           : [3.5 - 5.0]  ==============> [7.2 - 7.5]   (Trung hòa đạt chuẩn)

Đổi mới và đóng góp

  1. Khắc phục triệt để hiện tượng axit hóa: Bố trí ngăn sục khí phân tán trước khi trung hòa giúp giải phóng khí $CO_2$ hòa tan, cung cấp oxy hòa tan nhanh cho phản ứng oxy hóa $Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+}$, giảm $25 - 30%$ lượng kiềm $NaOH/Ca(OH)_2$ cần tiêu thụ.
  2. Cơ chế keo tụ - trợ lắng kép tối ưu: Sử dụng kết hợp $PAC$ (nồng độ $30 - 50\text{ mg/L}$) và Polymer $PAM$ Anion (nồng độ $1.0 - 2.0\text{ mg/L}$) giúp kích thước bông cặn tăng gấp $5 - 8$ lần, rút ngắn thời gian lắng từ 120 phút xuống còn 35 phút trong bể Lamella.
  3. Mô hình kinh tế tuần hoàn nước mỏ (Closed-loop Recycling): Chuyển dịch từ mô hình "Xử lý để xả thải" sang "Xử lý để tái sử dụng", mở ra giải pháp cấp nước sinh hoạt và sản xuất bền vững cho các mỏ than độc lập vùng Đông Bắc.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Phân tích hiệu quả kinh tế - kỹ thuật (Cost-Benefit & ROI)

Với lưu lượng nước mỏ $Q = 2.400\text{ m}^3/\text{ngày-đêm}$, nếu tái thu hồi $75%$ ($1.800\text{ m}^3/\text{ngày}$ tương đương $657.000\text{ m}^3/\text{năm}$):

  • Chi phí mua nước sạch thương phẩm tại Cẩm Phả: $657.000\text{ m}^3 \times 12.500\text{ VNĐ/m}^3 = 8.212.500.000\text{ VNĐ/năm}$.
  • Chi phí vận hành trạm tái xử lý (OPEX - Hóa chất, điện năng, nhân công): $657.000\text{ m}^3 \times 3.650\text{ VNĐ/m}^3 = 2.398.050.000\text{ VNĐ/năm}$.
  • Lợi ích kinh tế ròng thu được: $\approx 5.814.450.000\text{ VNĐ/năm}$.
  • Chi phí đầu tư bổ sung hệ lọc Bậc 2 (CAPEX): Khoảng $4.200.000.000\text{ VNĐ}$.
  • Thời gian hoàn vốn đầu tư (Payback Period):

$$\text{ROI Time} = \frac{\text{CAPEX}}{\text{Net Savings}} = \frac{4.200.000.000}{5.814.450.000} \approx 0.72\text{ năm } (\sim 8.7\text{ tháng})$$

Lộ trình 4 giai đoạn triển khai công trình

Giai đoạn 1: Chuẩn bị & Pháp lý (Tháng 1 - 2)

Giai đoạn 2: Thi công & Cải tạo Bậc 1 (Tháng 3 - 4)

Giai đoạn 3: Lắp đặt Modul Lọc Bậc 2 (Tháng 5 - 6)

Giai đoạn 4: Vận hành thử nghiệm & Bàn giao (Tháng 7)

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Nồng độ Sunfat ($SO_4^{2-}$): Nước sau xử lý hóa lý vẫn giữ hàm lượng $SO_4^{2-}$ khoảng $300 - 500\text{ mg/L}$. Dù an toàn cho tắm giặt và dập bụi, nguồn nước này chưa thể dùng làm nước ăn uống trực tiếp (cần $SO_4^{2-} < 250\text{ mg/L}$).
  • Biến động lưu lượng cực đoan: Vào mùa mưa bão (tháng 6 – 8), lưu lượng nước mỏ có thể tăng đột biến gấp 2 – 3 lần, gây quá tải thủy lực cho bể lắng Lamella.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Ứng dụng màng siêu lọc (Ultrafiltration - UF) trước khi qua màng thẩm thấu ngược (RO) để thu hồi nước tinh khiết đạt QCVN 01:2009/BYT.
  • Thu hồi bùn hydroxit sắt ($Fe(OH)_3$) và bột than mịn từ bánh bùn máy ép để sản xuất chất trợ phân tán hoặc phụ gia vật liệu xây dựng không nung.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Môi trường/Khai khoáng: Nắm bắt phương pháp luận nghiên cứu thực địa, kỹ năng lấy mẫu theo Thông tư 10/2007/TT-BTNMT và quy trình tính toán công nghệ xử lý nước thải mỏ axit.
  • Kỹ sư vận hành & Doanh nghiệp khai thác mỏ: Sở hữu tài liệu kỹ thuật có thông số thực chứng để tối ưu hóa liều lượng hóa chất, giảm $20 - 30%$ chi phí vận hành trạm XLNT.
  • Cơ quan quản lý nhà nước (Sở TN&MT Quảng Ninh): Dữ liệu tham khảo phục vụ thẩm định cấp phép môi trường và giám sát xả thải lưu vực sông Mông Dương.

Câu hỏi thường gặp

  1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để nâng pH nước thải mỏ than từ 3.5 lên 7.5 là gì?
    Cần sử dụng hệ thống châm kiềm tự động kết hợp sục khí phân tán đáy. Khí nén giúp thoát $CO_2$ hòa tan và hòa trộn tức thời dung dịch kiềm, ngăn chặn hiện tượng đóng cặn cục bộ của hydroxit kim loại.

  2. Giải pháp nào chống quá tải hệ thống khi lưu lượng nước thải mỏ tăng vọt trong mùa mưa?
    Cần bố trí hồ điều hòa dung tích tối thiểu $5.000 - 8.000\text{ m}^3$ trước trạm xử lý để cân bằng tải trọng thủy lực và nồng độ chất bẩn trước khi bơm vào cụm phản ứng keo tụ.

  3. Vật liệu lọc Filox/MnO2 trong Bậc 2 có tuổi thọ bao lâu và hoàn nguyên như thế nào?
    Vật liệu Filox có tuổi thọ vận hành từ 3 – 5 năm. Hoàn nguyên định kỳ thông qua chu trình rửa ngược tự động bằng nước kết hợp khí nén (chu kỳ 24 – 48 giờ/lần).

  4. Nước thải sau xử lý có dùng trực tiếp cho nồi hơi mỏ than được không?
    Không. Nước sau xử lý Bậc 2 chỉ đạt chuẩn sinh hoạt tắm giặt và dập bụi. Nước cấp cho lò hơi yêu cầu độ cứng $< 0.1\text{ mg-đl/L}$ và cần qua hệ thống trao đổi ion làm mềm nước (Cation Exchange).

  5. Chi phí hóa chất trung bình để xử lý $1\text{ m}^3$ nước thải mỏ than hầm lò là bao nhiêu?
    Chi phí dao động từ $1.800 - 2.500\text{ VNĐ/m}^3$ tùy thuộc vào độ pH đầu vào và nồng độ ion Fe/Mn thực tế của từng ca sản xuất.


Kết luận

Đồ án đã phân tích chính xác bản chất ô nhiễm của nước thải hầm lò tại Công ty TNHH MTV 790 – Tổng Công ty Đông Bắc với các chỉ tiêu đặc trưng: pH thấp ($3.5 - 5.0$), TSS, Fe, Mn và dầu mỡ khoáng vượt nhiều lần giới hạn xả thải. Đề tài đã kiểm chứng công nghệ xử lý Bậc 1 và thiết kế thành công hệ thống tái xử lý Bậc 2 đạt chuẩn QCVN 02:2009/BYT. Công trình mang lại giá trị kép: bảo vệ môi trường sinh thái vịnh Bái Tử Long - sông Mông Dương và tiết kiệm hơn 5.8 tỷ đồng mỗi năm chi phí cấp nước sạch cho doanh nghiệp mỏ.