CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về nước thải mỏ than và các phương pháp xử lý 1. Tổng quan về nước thải mỏ than 1.
Sự hình thành nước thải mỏ than Nước thải mỏ than là loại nước được phát sinh ra trong suốt quá trình khai thác than. Tùy thuộc vào phương thức khai thác, loại hình, địa điểm khai thác than, nước thải mỏ có nguồn gốc phát sinh và thành phần, tính chất khác nhau. Ở Việt Nam, khai thác khoáng sản than hiện nay đang tiến hành theo 02 phương thức chính là khai thác lộ thiên và khai thác hầm lò [8]. Do vậy, nước thải mỏ than thường phát sinh với lưu lượng lớn và có nguồn gốc hình thành khác nhau: - Quá trình khai thác lộ thiên thường tạo ra các moong sâu so với bề mặt tự nhiên của khu vực, nước thải chảy vào các moong khai thác bao gồm nước mưa, nước mặt và nước dưới đất thoát ra từ các tầng chứa nước,.
Nước thải từ các moong khai thác thường được để lắng tự nhiên rồi bơm về các trạm XLNT tập trung trước khi xả ra môi trường [8]; Hình 1. Nước thải mỏ than lộ thiên Hình 1. Nước thải hầm lò (mỏ than (mỏ Tây Lộ Trí, tỉnh Quảng Ninh) Núi Nhện, tỉnh Quảng Ninh) - Quá trình khai thác mỏ hầm lò thường phải đào các đường lò đi sâu vào trong lòng đất, do đó nguồn nước hình thành chính trong mỏ than hầm lò là nước dưới đất thấm ra từ các tầng chứa nước, từ các moong, đường hầm không còn khai thác và từ nguồn nước mặt. Trong các đường hầm khai thác than có các rãnh thu 6 nước và các máy bơm thu nước về các trạm XLNT tập trung để xử lý trước khi xả thải ra môi trường [9].
Đặc điểm nước thải mỏ than Nước thải mỏ than thường có tính chất, đặc điểm khác nhau, tùy thuộc vào nguồn gốc hình thành, loại hình, phương thức khai thác mỏ, đặc điểm địa hình, khí hậu, địa chất thủy văn (ĐCTV), địa chất khu vực khai thác và quá trình thu gom nước thải. NT mỏ than thường có lưu lượng lớn (từ vài nghìn đến vài chục nghìn m3/ngày) và có sự thay đổi lớn giữa mùa mưa và mùa khô cả về tính chất lẫn lưu lượng. NT mỏ than thường có hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) và KLN cao (chủ yếu là Fe, Mn), nước có tính axit (pH thấp), ngoài ra còn chứa một số hợp chất hữu cơ, các ion sulfat, nitrate, amoni,… phát sinh trong suốt quá trình khai thác than của con người [2,3]. Những thông số thường vượt quy chuẩn cho phép, cần được xử lý trong NT mỏ than là KLN Fe, Mn, pH và TSS.
Khai thác than làm tăng quá trình phong hóa sunfua bằng do diện tích bề mặt sẵn có của các thành phần phản ứng, cho phép một lượng lớn vật chất chứa sunfua tiếp xúc với không khí và nước [9]. Khoáng chất sunfua chiếm ưu thế trong nhiều mỏ quặng là pyrit (FeS2) và pyrolusit (MnO2), nó đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo nên dòng thải axit mỏ (AMD) [10]. Tuy nhiên, các khoáng chất sulfua khác cũng có mặt và quá trình oxy hóa của chúng cũng tác động đến thành phần và tính chất hóa học của NT mỏ. Pyrit, pyrotin, marcasit và mackinaw là những sulfua phản ứng mạnh nhất và quá trình oxy hóa của chúng tạo ra nước có độ pH thấp [10].
Khoáng chất sunfua được hình thành trong điều kiện không có oxy ở các mỏ khoáng sản quặng nên chúng được hình thành trong các điều kiện khử và không ổn định khi tiếp xúc với oxy. Trong quá trình khai thác mỏ than, việc tạo ra AMD có thể được giải thích bằng các phương trình (1) - (5) dưới đây. 4FeS2 + 15O2 + 14H2O = 4Fe (OH)3 + 8H2SO4 (1) FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O = 12Fe2+ + 2SO42- + 16H+ (2) 4Fe2+ + O2 + 4H+ = 4Fe3+ + 2H2O (3) 4Fe2+ + O2+ 12H2O = 4Fe(OH)3 + 12H+ (4) FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O = 15Fe2+ + 2SO42- + 16H+ (5) 7 Pyrit có thể phản ứng trực tiếp với oxy tạo thành dung dịch có tính axit theo phương trình (1) và phản ứng này có thể xảy ra khi có hoặc không có VSV. Quá trình oxy hóa và thủy phân Fe2+ trong điều kiện hơi axit thành kiềm dẫn đến sự tạo thành một hydroxit không hòa tan theo phương trình (4).
Khi phản ứng (1) và (4) diễn ra ở pH trên 4,5 và kết quả ở phương trình (5) cho thấy độ pH giảm gấp đôi so với phản ứng 1 và KLN tăng cao. Quá trình khai thác than thường phát sinh khoảng 2-10m3 nước thải trên 01 tấn than khai thác, trong đó NT từ hoạt động khai thác mỏ hầm lò khoảng 3-10m3, khai thác mỏ lộ thiên khoảng 2m3 [11,12]. Lượng nước thải này thường biến đổi theo mùa cả về thành phần, tính chất lẫn lưu lượng. Vào mùa mưa, lưu lượng NT lớn hơn nhiều so với mùa khô và có khả năng tăng cao khi xảy ra các sự cố môi trường như gặp túi nước, lỗ hổng chứa nước trong lòng đất, mưa lũ.
NT mỏ than trong khai thác hầm lò có độ pH thấp, TSS cao, chứa nhiều KLN như sắt, mangan, asen.hơn so với nước thải mỏ lộ thiên. Hàm lượng KLN trong NT mỏ than thường có độc tính cao có thể làm ảnh hưởng tới sức khỏe con người và gây ô nhiễm môi trường nếu không được XL. Đặc trưng ô nhiễm NT mỏ than đã được nhiều tác giả nghiên cứu tại vùng than Quảng Ninh như mỏ Quang Hanh, Dương Huy, Hà Lầm, Mạo Khê, Mông Dương. Đây là những mỏ than lớn ở Việt Nam, đại diện cho cả 2 phương thức thai thác là lộ thiên và hầm lò.
Chất lượng NT mỏ than được quan trắc và phân tích năm 2017, 2018 thể hiện ở bảng 1. Chất lượng NT ở một số mỏ than khảo sát tháng 5/2017 [13] Chỉ tiêu QCVN 40: Đơn Quang Dương Hà Mạo Mông TT phân 2011/BTNMT vị Hanh Huy Lầm Khê Dương tích (B) 1 pH - 4,0 4,1 4,2 3,8 4,0 5,5 ÷ 9 2 TSS mg/l 731 681 641 732 521 100 3 COD mg/l 251 85,4 137,3 157 251 150 8 Chỉ tiêu QCVN 40: Đơn Quang Dương Hà Mạo Mông TT phân 2011/BTNMT vị Hanh Huy Lầm Khê Dương tích (B) 4 Tổng Fe mg/l 8,30 12,8 9,6 10,2 7,21 5 5 Mn mg/l 3,18 2,05 4,8 6,2 4,50 1 Tổng MPN/ 6 3500 3861 1901 3000 1800 5000 Colifom 100ml Bảng 1. Chất lượng NT ở một số mỏ than khảo sát tháng 2/2018 [13] Chỉ tiêu QCVN 40: Đơn Quang Dương Hà Mạo Mông TT phân 2011/BTNMT vị Hanh Huy Lầm Khê Dương tích (B) 1 pH - 3,7 3,5 4,7 3,6 3,4 5,5 ÷ 9 2 TSS mg/l 815 651 768 826 460 100 3 COD mg/l 135,8 112,5 193,7 175,5 273 150 4 Tổng Fe mg/l 10,64 8,6 10,3 10,1 8,52 5 5 Mn mg/l 5,25 2,37 6,2 6,9 5,24 1 Tổng MPN/ 6 2900 3591 1801 3152 3510 5000 Colifom 100ml Kết quả phân tích ở các bảng 1.2 cho thấy, NT mỏ than có giá trị pH thấp (3,4÷4,7), TSS cao (460÷815mg/l), vượt QCVN40: 2011/BTNMT từ 4,8÷8,15 lần, hàm lượng sắt tổng (7,21÷12,8mg/l) vượt QCVN40 từ 1,44÷2,56 lần, hàm lượng mangan (2,05÷6,9mg/l) vượt QCVN40 từ 2,05÷5,4 lần. Từ các kết quả quan trắc và phân tích cho thấy, hầu hết các chỉ tiêu ô nhiễm tại các mỏ đã khảo sát là không giống nhau, chúng dao động theo mùa và theo các tháng.
Kết quả nghiên cứu trong mùa khô (T2/2018) cho giá trị TSS và pH thấp hơn, trong khi hàm lượng KLN Fe, Mn, COD cao hơn kết quả khảo sát trong mùa mưa (T5/2017). Nguyên nhân chính ở đây là do sự pha loãng của nước mưa làm hàm lượng các chất ô nhiễm 9 và tính axít trong NT mỏ giảm. Ngoài ra, do tính axít trong NT mỏ than thấp, kéo theo sự hòa tan của KLN Fe và Mn trong nước thải càng nhiều. Ảnh hưởng của Fe, Mn trong nước đối với con người và sinh vật NT mỏ than sau khi qua hệ thống XLNT thường xả trực tiếp ra môi trường (sông, suối, ao hồ khu vực xung quanh).
Trong nước, các KLN (Fe, Mn) được vận chuyển bởi dòng chảy có thể tham gia vào quá trình lắng đọng tự nhiên hoặc tồn tại dưới dạng ion hòa tan. Các KLN có thể được hấp thụ bởi các động thực vật, tham gia vào chu trình sinh địa hóa; ở đây, chúng được chuyển hóa thành các hợp chất hữu cơ kim loại. Các KLN trong HST thủy vực có thể tồn tại dưới 5 dạng: phức vô cơ, ion kim loại tự do, tạo thành lớp vỏ với pha khử, liên kết với các vật chất ở dạng keo và liên kết với các vật chất ở dạng keo dạng hạt. Trầm tích trong các thủy vực có vai trò sự hấp thụ các KLN do sự lắng đọng của các hạt lơ lửng và các quá trình liên quan đến bề mặt các vật chất hữu cơ và vô cơ trong trầm tích.
Các KLN trong trầm tích hình thành bởi 5 quá trình sau: liên kết các khoáng chất mịn, có bề mặt hoạt tính; kết tủa của các hợp chất riêng lẻ; đồng kết tủa bởi carbonat và bởi ion hydroxit, oxit mangan; gắn kết các phân tử hữu cơ và liên kết trong các khoáng tinh thể. Khả năng sinh học của các KLN trong trầm tích có thể ảnh hưởng đến sự phân bố và thành phần của các nhóm sinh vật đáy và có liên quan đến hàm lượng lớn KLN có trong các sinh vật. Hàm lượng KLN Fe, Mn trong trầm tích và nước chịu tác động của một số yếu tố: sự tương tác giữa các yếu tố của môi trường, nguồn và hàm lượng các KLN khác, các phản ứng phức chất và các mùa khác nhau trong năm. Trong đó, giá trị pH sẽ ảnh hưởng lớn đến nồng độ và hoạt tính của KLN; nếu pH giảm, một số KLN trở nên dễ hòa tan hơn các loại khác và do đó khả năng hoạt động sinh học cao hơn.
Nhìn chung các KLN tập trung trong trầm tích nhiều hơn trong nước và TVTS [14]. Trong môi trường nước, các KLN có thể gây ra ô nhiễm nghiêm trọng do độc tính, khả năng tích lũy sinh học và tính bề vững trong các chuỗi thức ăn của chúng. Sự tích lũy KLN sẽ tác động tới sự sinh sống và tồn tại của các sinh vật thủy sinh, tác động tới sức khỏe của con người thông qua các chuỗi thức ăn của các loài động vật không xương sống khi sử dụng trầm tích làm nguồn thức ăn (cơ thể của chúng sẽ lưu giữ và tích lũy KLN) [15]. Khi các KLN Fe, Mn đi vào chuỗi thức ăn, các 10 sinh vật phản ứng theo các cách không giống nhau.
Sinh vật có khả năng phân biệt được một hoặc nhiều nguyên tố có độc tính và không hấp thụ các nguyên tố đó.