Giới thiệu dự án

Hoạt động khai khoáng đóng vai trò xương sống đối với an ninh năng lượng quốc gia, đóng góp trên 80% - 90% tổng nhu cầu nhiên liệu sơ cấp phục vụ nhiệt điện và luyện kim tại các quốc gia đang phát triển. Tại Việt Nam, bể than Thái Nguyên sở hữu trữ lượng lớn thứ hai cả nước với hơn 90 triệu tấn than đá antraxit và than mỡ (thăm dò cấp A + B + C1). Tuy nhiên, phương pháp khai thác lộ thiên kết hợp hầm lò tạo ra các moong sâu hàng trăm mét và bãi thải khổng lồ, làm biến dạng địa mạo, gây suy thoái thổ nhưỡng và ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng.

Mỏ than Khánh Hòa (thuộc khoáng sản Ba Sơn – Quán Triều, xã Phúc Hà, thành phố Thái Nguyên) là một trong những cơ sở khai thác lâu đời với sản lượng than sạch địa chất đạt 12.915.000 tấn và than sạch nguyên khai đạt 12.782.000 tấn phân bố qua 4 vỉa chính (vỉa 13, 14, 15, 16). Việc gia tăng độ sâu khai thác với tốc độ 10–12 m/năm cùng lượng mưa khu vực đạt 2007 mm/năm (85% tập trung vào tháng 6–9) đã tạo áp lực xả thải cực lớn ra suối Tân Long và lưu vực sông Cầu lân cận.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Đánh giá hiện trạng suy thoái và tích tụ kim loại nặng (KLN) trong môi trường đất xung quanh moong khai thác và bãi thải.
  2. Định lượng các chỉ tiêu hóa lý, chất rắn lơ lửng (TSS) và kim loại trong nước thải sản xuất moong, nước hầm lò (cửa lò -87) và nước ngầm khu vực lân cận.
  3. Quan trắc và đánh giá mức độ ô nhiễm vi khí hậu, nồng độ bụi TSP, tiếng ồn và các khí độc hại ($SO_2$, $NO_2$, $CO$) tại 13 vị trí trọng điểm.
  4. Đề xuất quy trình công nghệ xử lý nước thải tuyển rửa và quản lý bãi thải đất đá phù hợp với lộ trình đóng cửa mỏ từng phần giai đoạn 2018–2033.

Dự án áp dụng phương pháp tích hợp quan trắc thực địa theo tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC 17025:2005, giải đoán dữ liệu trắc địa VN-2000 kết hợp mô hình hóa quá trình keo tụ bùn than bằng chất trợ lắng Polyacrylamide (Polymer A101).


Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tại khu vực mỏ than Khánh Hòa và xã Phúc Hà, sự dịch chuyển địa mạo do bãi thải Nam và bãi thải Tây tạo áp lực lên hạ tầng thoát nước. Phân tích hiện trạng công nghệ và tác động môi trường giữa các giải pháp quản lý được tổng hợp dưới đây:

Giải pháp hiện hữu Ưu điểm Nhược điểm & Rủi ro kỹ thuật Đánh giá hiệu quả (MoSCoW)
Lắng trọng lực tự nhiên Chi phí đầu tư thấp, không dùng hóa chất Thời gian lắng chậm ($v_s < 0.05\text{ mm/s}$), bùn mịn khó tách, không xử lý được kim loại hòa tan Must Have (Chỉ phù hợp tiền xử lý cơ học)
Keo tụ bằng Phèn nhôm/PAC Kết tủa nhanh, loại bỏ một phần ion phosphate Làm giảm pH nước đầu ra ($pH < 5.5$), tăng nồng độ ion nhôm hòa tan, lượng bùn phát sinh lớn Should Have (Cần kiểm soát liều lượng nghiêm ngặt)
Keo tụ Polymer A101 + Bể gạt bùn Tạo bông lớn ($D_f > 2\text{ mm}$), tốc độ lắng cao ($> 2.5\text{ mm/s}$), thu hồi than cám Cần định lượng chính xác dung dịch pha loãng (nồng độ 0.05% – 0.1%) Must Have (Giải pháp cốt lõi cho nước thải moong)
Phủ thảm thực vật Keo lai Chống sạt lở bãi thải, hấp phụ sinh học kim loại Thời gian phục hồi chậm (3–5 năm), đòi hỏi xử lý đất mặt chua nghèo lân Could Have (Lộ trình hoàn thổ sau đóng tầng)

Thiết kế hệ thống xử lý và quản trị môi trường

Hệ thống xử lý nước thải sản xuất mỏ được thiết kế theo chu trình kín liên tục: Nước thải từ moong và cửa lò -87 qua trạm bơm chìm công suất cao đẩy về Bể điều hòa (BDH) để ổn định lưu lượng và giảm xung nồng độ $TSS$. Tiếp theo, dung dịch chất trợ lắng Polymer A101 (PL1, PL2) nồng độ hoạt tính $0.1\text{ wt}%$ được bơm định lượng vào Bể khuấy trộn (BKT) với vận tốc cánh khuấy $G = 120\text{ s}^{-1}$.

Quá trình keo tụ và tạo bông chuyển dịch nhanh sang Bể lắng gạt bùn (BL/GB). Nước trong bề mặt đạt ngưỡng xả thải QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B) được tái tuần hoàn cấp cho xưởng sàng tuyển rửa hoặc thải ra hệ thống suối tự nhiên. Bùn than mịn lắng đáy được gạt gom định kỳ và bơm lên Bể chứa bùn (BB) phục vụ ép khô, tận thu bùn than phối trộn vào than nguyên khai.

Nước thải moong/hầm lò 

Phương pháp nghiên cứu và quy trình lấy mẫu

Quy trình thu thập và xử lý mẫu tuân thủ nghiêm ngặt hệ thống Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) và Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia (QCVN):

  • Môi trường đất: TCVN 7538-2:2005 (ISO 10381-2:2002) - Đánh giá hàm lượng As, Cd, Pb, Cu, Zn bằng phổ hấp thụ nguyên tử AAS (Model: Shimadzu AA-7000).
  • Môi trường nước: TCVN 5999:1995, TCVN 6663-6:2011, TCVN 6663-11:2011, bảo quản mẫu theo TCVN 6663-3:2008.
  • Môi trường không khí và tiếng ồn: Bụi TSP theo TCVN 5067:1995; $SO_2$ theo TCVN 5971:1995 (TCM/Pararosanilin); $NO_2$ theo TCVN 6137:2009 (Griess-Saltzman cải biên); $CO$ theo TCVN 7172:2002; Tiếng ồn theo TCVN 7878-2:2010.

Thuật toán tự động hóa kiểm định và tính toán tải lượng ô nhiễm nước thải được xây dựng theo mô hình sau:

import numpy as np

def evaluate_water_quality(tss: float, cod: float, bod5: float, ph: float, fe: float) -> dict:
    """
    Kiem tra chat luong nuoc thai mo than theo QCVN 40:2011/BTNMT (Cot B)
    """
    standards = {
        'pH_min': 5.5, 'pH_max': 9.0,
        'TSS_max': 100.0,  # mg/L
        'COD_max': 150.0,  # mg/L
        'BOD5_max': 50.0,  # mg/L
        'Fe_max': 5.0      # mg/L
    }
    
    compliance = {
        'pH_valid': standards['pH_min'] <= ph <= standards['pH_max'],
        'TSS_valid': tss <= standards['TSS_max'],
        'COD_valid': cod <= standards['COD_max'],
        'BOD5_valid': bod5 <= standards['BOD5_max'],
        'Fe_valid': fe <= standards['Fe_max']
    }
    
    all_passed = all(compliance.values())
    
    # Tinh toan toc do lang hat theo dinh luat Stokes
    # v = (g * (rho_p - rho_f) * d^2) / (18 * mu)
    g = 9.81  # m/s^2
    rho_p = 1450.0  # Khoi luong rieng hat than (kg/m3)
    rho_f = 1000.0  # Khoi luong rieng cua nuoc (kg/m3)
    d = 45e-6       # Duong kinh trung binh hat min (45 micrometers)
    mu = 1.002e-3   # Do nhot dong hoc cua nuoc o 20C (Pa.s)
    
    settling_velocity = (g * (rho_p - rho_f) * (d ** 2)) / (18 * mu)
    
    return {
        'compliance_status': 'DAT CHUAN' if all_passed else 'VUOT NGUONG',
        'details': compliance,
        'settling_velocity_mm_s': settling_velocity * 1000
    }

# Vi du kiem dinh mau nuoc thai moong khai thac
sample_result = evaluate_water_quality(tss=285.0, cod=180.0, bod5=65.0, ph=6.8, fe=8.4)
print(f"Ket qua quan trac: {sample_result['compliance_status']}")
print(f"Van toc lang tu nhien tinh toan: {sample_result['settling_velocity_mm_s']:.4f} mm/s")

Implementation và kết quả

Quá trình phân tích thực nghiệm

Nghiên cứu tiến hành lấy mẫu đồng bộ tại 13 điểm không khí ($KK\text{-}4.1\text{-}1$ đến $KK\text{-}4.1\text{-}13$), 5 điểm nước thải sản xuất/sinh hoạt ($NTSH\text{-}4.1\text{-}1$ đến $NTSH\text{-}4.1\text{-}3$, $NTSX\text{-}4.1\text{-}1$ đến $NTSX\text{-}4.1\text{-}2$), 4 điểm nước ngầm ($NN\text{-}4.1\text{-}1$ đến $NN\text{-}4.1\text{-}4$) và 4 điểm mẫu đất ($MĐ\text{-}4.1\text{-}1$ đến $MĐ\text{-}4.1\text{-}4$) định vị chính xác theo tọa độ trắc địa quốc gia VN-2000.

       MĐ-4.1-4 (Ven bãi thải Tây)
  [Fe: 30,510 mg/kg]           [Fe: 33,570 mg/kg]         [Cd: 1.65 mg/kg]
                               [Zn: 23 mg/kg]

Dữ liệu phân tích thổ nhưỡng

Kết quả phân tích mẫu đất xung quanh khu vực khai thác được đối soát trực tiếp với Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 03-MT:2015/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về giới hạn kim loại nặng trong đất):

Ký hiệu mẫu Vị trí quan trắc Tọa độ VN-2000 (X / Y) pH Fe (mg/kg) Zn (mg/kg) As (mg/kg) Cd (mg/kg) Pb (mg/kg) Cu (mg/kg)
MĐ-4.1-1 Khu vực moong khai thác $02390228\ /\ 00425666$ 6.9 33,570 23.0 10.0 < 1.5 24.55 16.75
MĐ-4.1-2 Khu vực bãi thải phía Tây $02391200\ /\ 00424320$ 7.0 30,510 95.0 4.0 1.65 33.30 -
MĐ-4.1-3 Khu vực bãi thải phía Nam $02389509\ /\ 00425839$ 6.8 28,690 80.0 4.8 < 1.5 29.45 -
MĐ-4.1-4 Ven bãi thải phía Tây $02391912\ /\ 00424040$ 6.7 22,810 60.0 36.90 < 1.5 71.10 -
QCVN 03 Đất nông nghiệp - - - 200.0 15.0 1.5 70.0 100.0
QCVN 03 Đất công nghiệp - - - 300.0 25.0 10.0 300.0 300.0

Ghi chú: Giá trị in đậm thể hiện nồng độ vượt ngưỡng quy chuẩn đất nông nghiệp.

Đánh giá và xác thực kết quả

  1. Ô nhiễm đất: Mẫu $MĐ\text{-}4.1\text{-}4$ (khu vực đất nông nghiệp ven bãi thải phía Tây) có hàm lượng Arsen (As) đạt $36.9\text{ mg/kg}$, vượt 146% so với giới hạn tối đa cho phép của đất nông nghiệp ($15\text{ mg/kg}$), đồng thời vượt ngưỡng đất công nghiệp ($25\text{ mg/kg}$). Hàm lượng Chì (Pb) đạt $71.1\text{ mg/kg}$, vượt ngưỡng $70\text{ mg/kg}$. Nguyên nhân chính do hiện tượng phong hóa khoáng vật sunfua sắt ($FeS_2$) và quặng đi kèm trong đất đá thải, bị nước mưa rửa trôi xuống vùng trũng.
  2. Chất lượng nước thải: Nước thải hầm lò cửa lò -87 ($NTSX\text{-}4.1\text{-}1$) và nước đọng lòng moong ($NTSX\text{-}4.1\text{-}2$) trước xử lý có $TSS$ dao động từ $240 - 380\text{ mg/L}$ (vượt chuẩn Cột B từ 2.4 đến 3.8 lần). Nồng độ ion Sắt tổng ($Fe$) đạt $7.2 - 11.5\text{ mg/L}$ do phản ứng oxy hóa pyrit. Sau khi qua trạm keo tụ Polymer A101 và bể lắng gạt bùn, hàm lượng $TSS$ giảm xuống dưới $65\text{ mg/L}$, $Fe$ giảm xuống $< 1.8\text{ mg/L}$, đạt chuẩn xả thải.
  3. Chất lượng không khí: Nồng độ bụi tổng $TSP$ tại các tuyến đường vận chuyển nội bộ ($KK\text{-}4.1\text{-}6$) và khu vực sàng tuyển ($KK\text{-}4.1\text{-}8$) đạt từ $0.68 - 1.25\text{ mg/m}^3$, vượt tiêu chuẩn QCVN 05:2013/BTNMT trung bình 1 giờ ($0.3\text{ mg/m}^3$) từ 2.2 đến 4.1 lần.

Đổi mới và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các đóng góp thiết thực cho ngành kỹ thuật môi trường và công tác quản lý khai thác mỏ tại địa phương:

                            CẢI TIẾN CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG
  1. Mô hình hóa đường di chuyển kim loại nặng: Xác định cơ chế phát tán cục bộ của Asen và Cadmi từ bãi thải Tây sang đất nông nghiệp xã Phúc Hà qua hệ thống rãnh thoát nước mặt tự nhiên, khắc phục thiếu sót của các báo cáo quan trắc định kỳ thông thường vốn chỉ đo đạc đơn lẻ.
  2. Hiệu suất xử lý nước moong tối ưu: Đề xuất quy trình ứng dụng chất trợ lắng Polymer A101 nồng độ siêu thấp ($0.08%$) giúp tăng tốc độ lắng bông cặn từ $0.052\text{ mm/s}$ lên $2.85\text{ mm/s}$ (tăng hiệu suất tách lắng hạt mịn hơn 50 lần), giảm $92%$ tải lượng cặn lơ lửng xả ra suối Nam Tiền.
  3. Cơ sở dữ liệu tích hợp: Xây dựng bản đồ phân bố tải lượng ô nhiễm không khí và nước ngầm tại khu vực giáp ranh giữa 3 huyện/thành phố (TP. Thái Nguyên, Đại Từ, Phú Lương), phục vụ công tác quy hoạch đền bù và tái định cư.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm

                                    GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI THỰC ĐỊA
  • Môi trường đất: Xây dựng bờ bao kè chân bãi thải bằng rọ đá kết hợp bê tông kiên cố ngăn sạt lở vào mùa mưa lũ. Đẩy mạnh chương trình phủ xanh đất trống: duy trì trồng bổ sung 21.000 cây Keo lai trên bãi thải Nam nhằm cố định tầng đất mặt, hạn chế xói mòn và giảm thiểu sự dịch chuyển của ion kim loại nặng $Pb^{2+}$, $Cd^{2+}$.
  • Môi trường nước: Cải tạo hệ thống rãnh tách dòng nước mưa chảy tràn không cho chảy xuyên qua chân bãi thải. Nâng cấp trạm xử lý nước thải moong với công suất $3.500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, tích hợp hồ sinh học kiểm chứng trước khi xả ra môi trường tiếp nhận.
  • Môi trường không khí: Lắp đặt hệ thống phun sương dập bụi áp lực cao tại các cửa dỡ than, cụm sàng tuyển và trạm nghiền; duy trì đội xe tưới nước chuyên dụng với tần suất tối thiểu 4 lần/ngày trên các cung đường vận chuyển than qua khu dân cư xóm Cao Sơn 4 và xóm Làng Ngò.

Phân tích chi phí - lợi ích và hiệu quả đầu tư

Hạng mục đầu tư Chi phí ước tính (VNĐ) Lợi ích kinh tế & môi trường mang lại Thời gian hoàn vốn / Đánh giá
Cải tạo trạm xử lý nước Polymer A101 850.000.000 Tận thu 450 tấn than bùn mịn/năm; tránh phí phạt xả thải vượt chuẩn 18 tháng
Hệ thống tưới dập bụi tự động cố định 320.000.000 Giảm $75%$ nồng độ bụi $TSP$, kéo dài tuổi thọ động cơ xe vận tải 12 tháng
Kè chắn và trồng rừng Keo lai (15 ha) 450.000.000 Chống sạt lở bãi thải, giảm nguy cơ đền bù hoa màu cho dân cư Giá trị bền vững
Hệ thống rãnh tách nước mưa chân bãi thải 280.000.000 Giảm $40%$ lượng nước rỉ axít đi vào trạm xử lý chính mùa lũ Tức thì

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật: Nghiên cứu chưa thiết lập được mô hình mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm trong tầng chứa nước ngầm (Modflow) do hạn chế về số lượng lỗ khoan quan trắc thủy địa chất tầng sâu.
  • Ràng buộc thời gian: Dữ liệu quan trắc tập trung chủ yếu vào mùa khô (tháng 12/2017 đến tháng 3/2018), chưa phản ánh toàn diện đỉnh tải lượng ô nhiễm trong các đợt mưa cực đoan tháng 7–8.
  • Hướng phát triển:
    1. Ứng dụng phần mềm GIS kết hợp viễn thám Landsat/Sentinel để giám sát sự dịch chuyển hình học của bãi thải Tây và biến động lớp phủ thực vật theo thời gian thực.
    2. Thử nghiệm vật liệu hấp phụ sinh học (Biochar từ trấu và phụ phẩm nông nghiệp Thái Nguyên) để xử lý triệt để Asen và Chì trong đất canh tác bị ô nhiễm.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên: Cung cấp tài liệu thực chứng toàn diện về phương pháp luận quan trắc môi trường mỏ khoáng sản và kỹ thuật tính toán định lượng hóa học.
  • Kỹ sư vận hành mỏ: Cung cấp quy trình công nghệ chuẩn hóa liều lượng Polymer A101 và quy chuẩn vận hành hệ thống lắng gạt bùn đáy moong than.
  • Cơ quan quản lý nhà nước (Sở TN&MT Thái Nguyên): Nắm bắt dữ liệu kiểm định độc lập làm căn cứ giám sát việc thực hiện Đề án bảo vệ môi trường chi tiết và phê duyệt kế hoạch hoàn thổ mỏ.
  • Cộng đồng dân cư địa phương: Hưởng lợi từ việc kiểm soát ô nhiễm bụi, bảo vệ nguồn nước tưới tiêu nông nghiệp và hạn chế rủi ro sạt lở bãi thải vào mùa mưa bão.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai hệ thống xử lý nước thải moong mỏ than là gì?

Cần trang bị bể điều hòa dung tích tối thiểu bằng $40%$ lưu lượng xả thải ngày cực đại, hệ thống khuấy định lượng chất trợ lắng Polyacrylamide anionic (A101) với nồng độ pha loãng chính xác $0.05% - 0.1%$, kết hợp bể lắng có hệ thống cào bùn liên tục để tránh hiện tượng phân hủy kỵ khí gây tái hòa tan ion kim loại.

2. Nguyên nhân chính khiến hàm lượng Asen trong đất tại điểm MĐ-4.1-4 vượt ngưỡng chuẩn?

Do điểm $MĐ\text{-}4.1\text{-}4$ nằm ở chân bãi thải phía Tây, nơi chịu ảnh hưởng trực tiếp từ nước mưa chảy tràn rửa trôi các lớp đất đá phong hóa chứa khoáng vật arsenopyrit ($FeAsS$) và pyrit sunfua mà không có bờ kè bê tông ngăn cách, dẫn đến tích tụ cục bộ trong tầng đất canh tác nông nghiệp.

3. Giải pháp keo tụ bằng Polymer A101 có hiệu quả ra sao đối với hạt than lơ lửng siêu mịn?

Polymer A101 hoạt động theo cơ chế bắc cầu polymer, các chuỗi phân tử dài tích điện âm hấp phụ nhiều hạt keo than tích điện trái dấu, liên kết chúng thành các bông cặn kích thước lớn ($> 2\text{ mm}$), làm tăng tốc độ lắng từ $0.052\text{ mm/s}$ lên $2.85\text{ mm/s}$ theo định luật Stokes.

4. Chi phí xử lý hóa chất trung bình trên 1 m³ nước thải mỏ than là bao nhiêu?

Với định mức sử dụng $1.5 - 2.5\text{ g Polymer A101}/\text{m}^3$ nước thải kết hợp trung hòa vôi bột ($15 - 25\text{ g}/\text{m}^3$), chi phí hóa chất vận hành ước tính dao động từ $450 - 750\text{ VNĐ}/\text{m}^3$.

5. Tần suất và thông số bắt buộc khi thực hiện quan trắc môi trường mỏ than định kỳ?

Theo quy định pháp luật hiện hành, tần suất quan trắc tối thiểu là 3 tháng/lần (4 lần/năm). Các thông số bắt buộc gồm: Không khí (Bụi TSP, ồn, $SO_2$, $NO_2$, $CO$); Nước thải (pH, TSS, COD, BOD5, Tổng Fe, Mn, As, Pb, Sunfat); Đất (pH, As, Cd, Pb, Cu, Zn).


Kết luận

Đề tài nghiên cứu đã phản ánh chính xác bức tranh hiện trạng môi trường tại mỏ than Khánh Hòa và các vùng phụ cận thuộc xã Phúc Hà, thành phố Thái Nguyên. Bằng các phương pháp phân tích thực nghiệm đạt chuẩn ISO/IEC 17025, nghiên cứu đã chỉ rõ các điểm nóng ô nhiễm, đặc biệt là sự tích tụ Asen ($36.9\text{ mg/kg}$) và Chì ($71.1\text{ mg/kg}$) tại đất nông nghiệp ven bãi thải Tây, cùng áp lực nồng độ bụi $TSP$ vượt chuẩn tới 4.1 lần tại các tuyến vận chuyển nội bộ.

Mô hình công nghệ xử lý nước thải khép kín sử dụng chất trợ lắng Polymer A101 kết hợp hệ thống kè đá chân bãi thải và phục hồi sinh thái bằng 21.000 cây Keo lai đã chứng minh tính khả thi kinh tế - kỹ thuật cao, giúp doanh nghiệp đạt mục tiêu kép: tuân thủ nghiêm ngặt quy chuẩn môi trường quốc gia và tận thu tài nguyên than mịn hiệu quả, hướng tới mô hình kinh tế tuần hoàn trong ngành công nghiệp khai khoáng.