Nghiên cứu, đánh giá thực trạng và đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả cho các trạm xử lý nước thải mỏ than thuộc TKV

KHCNM SỐ 5/2019 * CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG 27 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ CHO CÁC TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI MỎ THAN THUỘC TKV Ths. Nguyễn Tiến Dũng TS. Bùi Thanh Hoàng TS. Nguyễn Văn Hậu Viện KHCN Mỏ - Vinacomin Biên tập: ThS. Hoàng Minh Hùng Tóm tắt: Trong giai đoạn vừa qua, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản đã không ngừng đầu tư các trạm xử lý nước thải đặc biệt là đối với các mỏ than. Theo nghiên cứu cho thấy, tùy theo giai đoạn áp dụng, mức độ yêu cầu về nước thải đầu ra và khả năng đáp ứng về mặt tài chính mà các hệ thống xử lý nước thải có thể được áp dụng với những quy trình công nghệ xử lý khác nhau. Các trạm xử lý nước thải mỏ đã và đang vận hành đáp ứng yêu cầu để xả nước thải mỏ ra môi trường theo quy định. Tuy nhiên, việc khảo sát, đánh giá một cách tổng thể toàn bộ các trạm xử lý nước thải mỏ than thuộc TKV để phát hiện ra những ưu, nhược điểm, từ đó nghiên cứu đề xuất các giải pháp tổng hợp nhằm nâng cao hiệu quả, giảm chi phí xử lý nước thải mỏ than thuộc TKV là hết sức cần thiết. Bài báo này, tóm tắt kết quả kháo sát, đánh giá thực trạng và đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả cho các trạm xử lý nước thải mỏ than thuộc TKV cho thời gian tới. 1. Thực trạng nước thải và công nghệ xử lý nước thải mỏ than trong TKV 1.1. Về tính chất nước thải mỏ Ngành than hiện đang áp dụng 02 hình thức khai thác lộ thiên và hầm lò. Khai thác lộ thiên thường tạo ra các hố moong sâu so với địa hình tự nhiên của khu vực, nguồn nước chảy vào moong bao gồm nước ngầm và nước mưa. Khai thác hầm lò tạo ra các đường lò đi sâu xuống lòng đất, nguồn nước chảy vào hầm lò chủ yếu là nước ngầm thấm ra. Để khai thác được than cần thực hiện bơm thoát nước ra khỏi khu vực, từ đó xuất hiện nước thải mỏ. Nước thải mỏ thường có tính axít và hàm lượng kim loại (chủ yếu là Fe, Mn) cao, nguyên nhân là do trong các mỏ than đều có pyrít (FeS2) đi kèm. Khi khai thác than pyrít sắt có trong than và trong các vỉa đá tiếp xúc với không khí và nước, bị oxy hoá, sẽ tạo ra axít H2S04. Theo công nghệ khai thác, vùng địa lý, địa chất tầng khai thác và thời tiết (mùa mưa, khô), thành phần các tác nhân gây ô nhiễm trên có thể thay đổi. 1.2. Các công nghệ xử lý nước thải mỏ đang áp dụng Có thể phân chia kết quả thực hiện công tác thu gom, xử lý nước thải mỏ tại vùng than Quảng Ninh theo hai giai đoạn sau đây: - Giai đoạn từ năm 2009 trở về trước: Giai đoạn này nước thải mỏ hầu như không qua xử lý mà thải thẳng ra môi trường, một số mỏ có chất lượng nước tương đối xấu được xử lý bằng công nghệ hết sức đơn giản (trung hòa bằng sữa vôi + lắng) dẫn đến hiệu quả xử lý không cao. Vì vậy, chất lượng nước sau xử lý đa số chưa đạt tiêu chuẩn, quy chuẩn cho phép. - Giai đoạn từ năm 2009 trở lại đây: Việc xử lý nước thải mỏ đã được TKV quan tâm nghiên cứu một cách bài bản, quy mô và có ứng dụng công nghệ tiên tiến trong nước cũng như nước ngoài, đồng thời hợp tác với nước ngoài để học hỏi kinh nghiệm một cách khoa học. Hiện nay, ngành than đang vận hành khoảng 40 trạm xử lý nước thải mỏ theo các nhóm công nghệ chính như sau: Nhóm 1: Bể điều hòa → Trung hòa → Keo tụ → Lắng (lắng ngang, lắng tấm nghiêng). 28 KHCNM SỐ 5/2019 * CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải từ CL +38.I và CLG +40 - mỏ than Dương Huy Hệ thống xử lý nước thải CL +38.I và CLG +40 - mỏ than Dương Huy Nhóm công nghệ này chủ yếu áp dụng cho nước thải mỏ có tính axít, hàm lượng TSS, Fe vượt quy chuẩn cho phép, tuy nhiên hàm lượng Mn tương đối thấp nằm trong giới hạn cho phép. Nhóm 2: Bể điều hòa → Trung hòa → Keo tụ → Lắng (lắng ngang) → Khử Mangan bằng bình lọc áp lực. Nhóm công nghệ này có thể xử Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải CL +260 khu Đông Vàng Danh - Công ty than Uông Bí Hệ thống xử lý nước thải CL +260 khu Đông Vàng Danh - Công ty than Uông Bí lý triệt để nước thải có tính axít, hàm lượng TSS, Fe, Mn cao vượt giới hạn cho phép. Tuy nhiên, công nghệ này có nhược điểm tiêu tốn nhiều điện năng cho khâu lọc áp lực để xử lý Mn, dẫn đến chi phí xử lý tương đối cao. Nhóm 3: Bể điều hòa → Trung hòa → Keo tụ → Lắng (lắng tấm nghiêng) → Khử Mangan bằng bể lọc trọng lực. Công nghệ này đang ngày càng được ứng dụng nhiều cho xử lý nước thải Sơ đồ công nghệ của Hệ thống xử lý nước thải mỏ than Cọc Sáu mỏ, có thể xử lý triệt để nước thải có tính axít, hàm lượng TSS, Fe, Mn cao vượt giới hạn cho phép. Ngoài ra, công nghệ này có ưu điểm là chi phí đầu tư và vận hành thấp, thuận lợi trong cải tiến, mở rộng hệ thống. Nhóm 4: Bể điều hòa → Keo tụ → Lắng I (lắng đứng) → Trung hòa & Oxy hóa → Keo tụ KHCNM SỐ 5/2019 * CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG 29 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Hệ thống xử lý nước thải mỏ than Cọc Sáu Sơ đồ công nghệ của Hệ thống xử lý nước thải tập trung khu vực Tràng Khê - Hồng Thái Hệ thống xử lý nước thải mỏ than Tràng Khê - Công ty than Uông Bí → Lắng II (lắng đứng) → Hạ pH bằng axit H2SO4. Công nghệ này mới được áp dụng tại Trạm xử lý nước thải khu vực Tràng Khê - HồngThái do MIRECO thiết kế, đây là trạm xử lý nằm trong chương trình hợp tác với Hàn Quốc của TKV. 2. Những vấn đề bất cập hiện nay trong quá trình vận hành các hệ thống xử lý nước thải mỏ than thuộc TKV 2.1. Vấn đề chung Chất lượng nước thải đầu vào là yếu tố quyết định đến việc lựa chọn quy trình công nghệ xử lý. Nếu nước thải đầu vào có tính axít, hàm lượng Fe, cặn lơ lửng vượt giới hạn cho phép thì chỉ cần xử lý qua các công đoạn trung hòa, keo tụ, lắng (nhóm công nghệ số 1) là đảm bảo yêu cầu trước khi thải ra môi trường. Tuy nhiên, thực tế thì rất nhiều trạm có nước thải đầu vào như trên, nhưng lại được đầu tư quy trình công nghệ để xử lý cả mangan tức là bao gồm các công đoạn như trung hòa, keo tụ, lắng và lọc khử mangan. Việc này đã làm phát sinh thêm công đoạn xử lý không cần thiết dẫn đến gia tăng chi phí xử lý. 2.2. Bất cập từng khâu công nghệ * Đối với khâu trung hòa: Việc lưu giữ vôi cho các trạm đang được chuyển dần sang dạng silo nhằm giảm sức người, không gây ảnh hưởng đến môi trường, sức khỏe do phát sinh bụi bột vôi trong công đoạn pha chế. Tuy nhiên, hầu hết các trạm đều không cấp trực tiếp vôi bột từ sillo vào bể trung hòa mà phải qua công đoạn pha thành dung dịch trước khi cấp vào bể trung hòa. Kinh nghiệm trên thế giới và ngay tại trạm XLNT mỏ than Vàng Danh cho thấy việc cấp trực tiếp vôi bột vào bể trung hoàn toàn khả thi, giảm khâu trung gian không cần thiết qua đó giảm thất thoát vôi bột. Ngoài ra, các trạm hầu hết áp dụng trung hòa một cấp, định lượng hóa chất trung hòa bằng kinh nghiệm sẽ khó khăn trong kiểm soát chất lượng đầu ra. * Đối với khâu lắng: - Bể lắng tấm nghiêng đang được sử dụng khá phổ biến đối với các trạm xử lý nước thải mỏ trong những năm gần đây. Bể lắng tấm nghiêng được biết đến có hiệu suất lắng cao, giảm diện tích xây dựng bể. Tuy nhiên, khảo sát thực tế tại các trạm nhận thấy đa số bể lắng sau một ca vận hành bông bùn đã bịt kín các ống lắng gây ảnh hưởng đến hiệu quả lắng. Để giải quyết vấn đề trên, công nhân vận hành buộc phải dừng xử lý, xả hết nước trong bể lắng rồi dùng vòi áp lực 30 KHCNM SỐ 5/2019 * CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ cao để xịt rửa. Việc thường xuyên phải xịt rửa ảnh hưởng đến năng lực xử lý của trạm. - Bể lắng ngang được sử dụng tại các trạm xử lý nước thải mỏ được đầu tư trong giai đoạn đầu đa số thiết kế chưa phù hợp, hay có thể nói chưa đúng theo tiêu chuẩn quy định dẫn đến hiệu quả lắng chưa cao, ngoại trừ các trạm xử lý Dương Huy, Mông Dương được thiết kế tương đối phù hợp. * Đối với khâu xử lý bùn: Bể lắng bùn thường có chiều cao từ 1m đến 1,5m. Bùn thu từ các bể lắng được bơm về bể lắng bùn. Để thoát nước trong, bể có hệ thống ống thoát có van, bố trí thành nhiều tầng (thường là 2 tầng). Thực tế khảo sát nhận thấy hầu hết bùn trong bể lắng ở trạng thái khó lắng, khó tách nước, dẫn đến thời gian lưu bùn lớn, lại phụ thuộc vào điều kiện thời tiết (khi trời mưa, bùn lại bị làm loãng trở lại). Ngoài ra, chưa có có quy định cụ thể về tỷ lệ rắn/lỏng trước khi vận chuyển đi đổ thải. Quá trình đổ thải tại bãi thải có thể là nguồn tái ô nhiễm đối với môi trường xung quanh. * Đối với khâu lọc khử mangan: Các chất bẩn dạng hạt và dạng keo thường nhanh chóng tích tụ trên bề mặt lớp vật liệu trong bể lọc và tạo thành một lớp màng tại các bể lọc xuôi chiều. Lớp màng này càng dễ hình thành khi vật liệu trong bể không có thành phần cấp phối đồng nhất, các hạt nhỏ bị đưa lên lớp trên, các hạt to nằm lại ở dưới sau mỗi lần rửa ngược. Đây là lý do khiến bể lọc nhanh bị tắc, thậm chí xảy ra hiện tượng áp suất âm do trở lực sinh ra trong bể (đặc biệt là qua lớp màng cặn) lớn, vượt qua cả thế năng của lượng nước ở trên bể. Màng cặn cũng làm cho dung lượng chứa cặn trong bể giảm vì cặn chưa vận chuyển được xuống các lớp vật liệu bên dưới, bể đã bị tắc, sẽ phải ngừng bể lọc rửa thường xuyên, gây tốn kém, đồng thời nước sau lọc có chất lượng kém. Điều này đã xảy ra ở trạm XLNT 600 m3/h, 1.200m3/h mỏ than Mạo Khê làm ảnh hưởng tới hiệu quả lọc Mn. 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới giá thành xử lý Nhìn chung, tính chất nước thải đầu vào là yếu tố chính quyết định chi phí xử lý, nước thải có pH thấp, hàm lượng kim loại nặng (Fe, Mn), cặn lơ lửng lớn sẽ tiêu tốn nhiều hóa chất, tăng chi phí xử lý bùn...dẫn đến chi phí xử lý cao. Công nghệ xử lý cũng ảnh hưởng đến chi phí xử lý, thực tế nhóm công nghệ II thường có chi phí xử lý cao hơn nhóm công nghệ 3 khi so sánh ở cùng công suất, chất lượng nước thải đầu vào. Mặt khác, đối với các trạm có cùng tính chất nước thải đầu vào, trạm XLNT có công suất lớn sẽ có chi phí xử lý nhỏ hơn. 3. Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả cho các trạm xử lý nước thải mỏ than thuộc TKV Thông qua thực trạng, các vấn đề bất cập, tham khảo công nghệ của thế giới đề xuất một số giải pháp để nâng cao hiệu quả cho các trạm xử lý nước thải mỏ than thuộc TKV như sau: 3.1. Các giải pháp tổng thể - Trang bị hệ thống điều khiển tự động trong quá trình vận hành các trạm xử lý để kiểm soát hiệu quả của từng khâu công nghệ nhằm kiểm soát tốt chất lượng nước sau xử lý, hạn chế sự phụ thuộc vào yếu tố kinh nghiệm của người vận hành trực tiếp. - Đối với các trạm xử lý có thiết kế hệ thống bể lọc khử mangan, trong khi thực tế hàm lượng mangan trong nước thải đầu vào nằm trong giới hạn cho phép cần cải tiến tách biệt hai khâu công nghệ lắng và lọc bằng van đóng chặn, nước sau lắng dẫn trực tiếp ra môi trường, công đoạn lọc dự phòng trong trường hợp hàm lượng mangan nước thải đầu vào vượt giới hạn cho phép theo các giai đoạn khai thác. Trong trường hợp nước thải sau bể lắng chưa đạt hoặc yêu cầu chất lượng nước sau xử lý cao hơn thì có thể thay thế vật liệu lọc cát mangan bằng các loại cát thông thường khác có giá thành rẻ, thông dụng hơn. 3.2. Các giải pháp cụ thể đối với các khâu công nghệ - Cần khuyến khích chuyển sang áp dụng hệ thống chứa và cấp vôi bột tự động dạng silo để đảm bảo vệ sinh, sức khỏe của công nhân. Vôi bột nên cấp trực tiếp vào bể trung hòa, việc cấp cũng cần phải phù hợp để quá trình hòa trộn KHCNM SỐ 5/2019 * CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG 31 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ được đồng đều giúp phản ứng trung hòa, kết tủa diễn ra triệt để. Mặt khác, quan hệ giữa pH và nồng độ hoặc khối lượng hóa chất trung hòa cho vào nước là không tuyến tính, việc phải pha trộn một khối lượng nhỏ hóa chất vào một khối lượng lớn nước thải sẽ khó đều ngay tức khắc. Để khắc phục các khó khăn trên nên tiến hành trung hòa từ 2 bậc trở lên. - Trong quy trình trung hòa, kết tủa, keo tụ truyền thống hiện đang áp dụng, các hạt cặn sẽ lớn dần lên qua quá trình keo tụ, khoảng cách giữa các hạt tương đối lớn và hình thành nên các lớp vô định hình xếp chồng lên nhau dạng xốp có thể tích lớn. Phương pháp Geco là phương pháp tuần hoàn một phần bùn được tách ra từ bể lắng hòa trộn với nước thải trước khi sang công đoạn trung hòa, khi đó pH nước thải sẽ tăng do lượng vôi còn dư thừa trong bùn và các hạt nhỏ phân tán sẽ kết tụ trên bề mặt các hạt đã kết tụ trước đó và cuối cùng hình thành nên một kết tụ có kích thước lớn hơn. Bùn trung hòa khi đó có khối lượng lớn hơn và nồng độ cao hơn nên dễ dàng tách ra khỏi nước bằng quá trình lắng, tức là hiệu quả lắng sẽ cao hơn. Phương pháp Geco có những ưu, nhược điểm chính sau: - Ưu điểm: + Bùn thải từ phương pháp Geco có nồng độ đạt trên 30% (rắn/lỏng), phương pháp truyền thống chỉ đạt tối đa 5%. Thời gian tách nước có thể giảm xuống tối đa còn 0,5 giờ, so với phương pháp truyền thống là 2 giờ. - Khắc phục hiện tượng hay bị tắc đối với bể lọc khử mangan xuôi chiều, giải pháp khả thi nhất là cải tạo bể lọc một lớp vật liệu lọc như hiện tại thành 2 lớp vật liệu lọc để thời gian lọc hiệu quả hơn, độ tăng tổn thất áp lực nhỏ hơn, chất lượng nước sau lọc tốt hơn, tuy nhiên phải chọn loại vật liệu lọc sao cho đạt đồng thời các yêu cầu: + Đường kính hạt vật liệu lớp trên lớn hơn đường kính hạt lớp dưới, để cặn bẩn có kích thước lớn sẽ được giữ lại ở lớp trên, cặn bẩn có kích thước nhỏ chuyển xuống và giữ lại ở lớp dưới, Nhờ vậy, dung lượng chứa cặn bẩn trong lớp vật liệu tăng lên. + Trọng lượng riêng của vật liệu lọc lớp trên nhỏ hơn trọng lượng riêng của vật liệu lọc lớp dưới để tránh sự xáo trộn 2 lớp vật liệu khi rửa lọc. + Hai loại vật liệu có độ giãn nở khi rửa ngược tương đương nhau, để tránh sự xáo trộn và kiểm soát được chiều cao lớp vật liệu giãn nở khi rửa, tránh trôi vật liệu. 4. Kết luận Các trạm xử lý nước thải mỏ than thuộc TKV đã và đang vận hành đáp ứng yêu cầu xả nước thải ra môi trường theo quy định. Tuy nhiên, thực trạng trong quá trình vận hành đã bộc lộ một số bất cập, hạn chế. Bài báo đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả cho các trạm xử lý nước thải mỏ than thuộc TKV. Các giải pháp cần được thử nghiệm để đánh giá trước khi áp dụng rộng rãi trong thời gian tới. Tài liệu tham khảo: 1. Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin (2005), Báo cáo khảo sát đánh giá thực trạng công nghệ xử lý nước thải ngành công nghiệp sản xuất than trong nước và tổng quan công nghệ xử lý nước thải ngành sản xuất than ở nước ngoài, Hà Nội. 2. Viện KHCN Mỏ - Vinacomin, (2010), Đánh giá thực trạng và đề xuất giải pháp kiểm soát ô nhiễm từ lò chợ, lò vận tải của mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. 3. Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin (2014), Báo cáo xây dựng báo cáo tình hình tác động ngành Công thương từ hoạt động khai Sơ đồ phương pháp Geco 32 KHCNM SỐ 5/2019 * CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ thác và chế biến than, Hà Nội. 4. Báo cáo đánh giá hiệu quả kỹ thuật, công nghệ, quản lý các trạm xử lý nước thải mỏ than hiện có vùng Quảng Ninh và đề xuất định hướng áp dụng cho các trạm tiếp theo (2014), Hà Nội. 5. Bernard Aubé, P. Eng., M.A.Sc, The Science of Treating Acid Mine Drainage and Smelter Effluents, 2004. 6. Short Course: Mine Water Treatment - Technologies, Case Studies, and Cost, May 3, 2015. Research, evaluation on the current situation and proposal of some solutions to improve the efficiency of coal mine wastewater treatment stations of Vinacomin MSc. Nguyen Tien Dung, Dr. Bui Thanh Hoang, Dr. Nguyen Van Hau Vinacomin – Institute of Mining Science and Technology Abstract: In the recent period, Vietnam National Coal Mineral Industries Holding Corporation Limited has constantly invested wastewater treatment stations, especially for coal mines. According to the study, depending on the stage of application, the required level of output wastewater and the financial capacity of the wastewater treatment systems that can be applied with technological processes in different treatment. Mine wastewater treatment stations that have been operating to meet requirements for discharging mine wastewater into the environment in accordance with regulations. However, the overall survey and assessment of all coal mine wastewater treatment stations of Vinacomin to identify the advantages and disadvantages, from which general solutions will be studied and proposed to improve efficiency, reduce coal mine wastewater treatment costs of Vinacomin, which is absolutely necessary. This paper summarizes the survey results, assesses the current situation and proposes some solutions to improve the efficiency of coal mine wastewater treatment stations in the coming time.