Tổng quan nghiên cứu nước thải mỏ hầm lò và ảnh hưởng của chúng tới quá trình sản xuất

1

1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU NƯỚC THẢI MỎ
1.1. NƯỚC THẢI MỎ
Khai thác mỏ dù theo phương thức nào (lộ thiên, hầm lò hay hỗn hợp) cũng
tạo ra những khoảng trống hàng triệu mét khối trong lòng đất. Do đó, đất đá bên
trên và xung quanh hầm lò sẽ dịch chuyển tới để lấp kín các khoảng trống lập lại
cân bằng tự nhiên. Quá trình đất đá dịch chuyển, biến dạng, phá hủy tạo ra những
vùng sập đổ, nứt vỡ lan tới bề mặt địa hình dẫn nước mưa, nước mặt xuống hầm lò
nhanh hơn trong đất đá nguyên khối hàng trăm, ngàn lần. Nước mưa, nước mặt,
nước dưới đất chảy qua vùng đất đá nứt vỡ đã tương tác với các khoáng vật trong
quặng và đất đá,… chảy vào mỏ trở thành nước thải mỏ.
Định hướng luận văn là tập trung nghiên cứu về nước thải mỏ, trong đó quan
tâm đến tính ăn mòn của nước thải mỏ than (than antraxit, than nâu, than bùn…).
Tính axít của nước thải mỏ than: Đặc trưng đầu tiên của nước thải mỏ than
là có tính axít (tính ăn mòn) ở các mức độ khác nhau, do có nhiều ion H +, Fe2+, Fe3+,
SO42-, TSS,… trong nước thải mỏ than. Để đánh giá tính axít của môi trường nước,
người ta thường sử dụng chỉ số pH. Theo nhà địa chất thuỷ văn Ba Lan Z. Pazdro1964, thì môi trường của nước chia ra:
Bảng 1.1. Đặc tính môi trường nước phân theo Z. Pazdro-1964
Chỉ số pH

Đặc tính môi trường nước

pH < 5

a xít

5 < pH < 7

a xít yếu

pH = 7

trung tính

7 < pH < 9

bazơ yếu

9 < pH < 14

bazơ

Như vậy, nước thải mỏ than có độ pH < 5 là nước thải có tính a xít.

1


2

2

1.2. NGHIÊN CỨU NƯỚC THẢI MỎ THAN TRÊN THẾ GIỚI
Hiện nay, sau thuỷ điện và dầu khí thì than đá là nguồn năng lượng sơ cấp
chủ lực của nhiều quốc gia để đảm bảo an ninh năng lượng và cung cấp nguyên liệu
cho nhiều ngành kinh tế. Trong sự phát triển của nền công nghiệp khai thác than, có
nhiều vấn đề liên quan tới nước mỏ như bục nước, ngập mỏ, nước thải axít ăn mòn,
nước thải ô nhiễm… Công tác nghiên cứu nước mỏ và cách xử lý nước thải được

tiến hành ở nhiều nơi trên thế giới.
Có hai hướng nghiên cứu chính về nước thải mỏ trên thế giới: 1- Nghiên cứu
điều kiện hình thành, thành phần hóa học, ảnh hưởng của nước thải mỏ để tìm giải
pháp giảm thiểu lượng nước thải ngay từ đầu nguồn (giảm lượng nước thải, giảm
mức ô nhiễm). Nghiên cứu theo hướng này, giảm thiểu được tác động ăn mòn của
nước mỏ axít mỏ…; 2- Theo dõi lưu lượng và thành phần hoá học của nước thải ở
cuối nguồn để tìm biện pháp xử lý trước khi thải ra môi trường… Nghiên cứu theo
hướng 1 là chủ động hơn vì vừa nâng cao hiệu suất khai thác mỏ (giảm tác động ăn
mòn) vừa giảm chi phí xử lý nước thải cuối nguồn. Nghiên cứu xử lý ở cuối nguồn
là bị động, đối phó với luật môi trường (sẽ đóng cửa các mỏ xả thải không qua xử
lý).
1.2.1. Nghiên cứu nước mỏ tại Hoa Kỳ
Các nhà khoa học thuộc cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ (Jon Fripp, Dr. Paul
F. Ziemkiewicz và Hari Charkavorki…) đã nghiên cứu về nước thải mỏ, đặc biệt là
nước thải có tính axit tới 2004 cho rằng: Nước thải từ các mỏ than đang hoạt động
chảy thoát ra các dòng mặt. Họ đưa ra cách giải thích như sau về sự hình thành
nước thải mỏ:
Các nhà khoa học Mỹ của cơ quan này đã giải thích cụ thể các nguồn hình
thành nước thải mỏ có tính axit: Tại các mỏ khai thác than, hoạt động khai đào bề
mặt và đào sâu của các mỏ làm tăng lượng oxy của không khí tiếp xúc với vỉa than.
Nước thải mỏ có tính axit được hình thành khi nước dưới đất chảy vào và tiếp xúc
với các lượng than còn lại sau khai thác và đất đá vách trụ vỉa than giàu hợp chất
2


3

3

sunfua. Các hợp chất sunfua trong các vùng than thông thường là pyrite (FeS 2) đi

cùng với các khoáng vật khác (Green Lands-1998). Các khoáng vật sunfua này khi
ngậm nước đã bị oxy hóa tạo ra nước thải mỏ có tính axit cao.

Hình 1.1. Các mỏ than đang hoạt động
tại West Virginia, Hoa Kỳ

Hình 1.2. Nước thải axit của mỏ thải
ra tại tiểu bang Maryland, Hoa Kỳ

Tóm lại: Nước thải mỏ được hình thành khi than chứa nhiều pyrite sắt
(sunfua) khai đào lộ ra, tiếp xúc với không khí và nước tạo ra axit H 2SO4… Trong
nước mỏ, các hợp chất chứa sắt có thể kết tủa tạo thành hydrroxyt sắt có màu đỏ, da
cam hoặc màu vàng đọng ở đáy hệ thống thoát nước mỏ. Nước thải mỏ có tính axit
sẽ hòa tan các khoáng vật nặng như đồng, chì, thủy ngân… trước khi bơm chảy
thoát ra ngoài…
1.2.2. Nghiên cứu nước mỏ tại Australia
Các nhà khoa học ở đại học Wollongong, Australia có công trình “Nghiên
cứu quản lý chất lượng nước thải tại các mỏ than vùng IIlawarra, Australia”.
Vùng than IIlawarra, cách Wollongong 60 km về phía Đông Bắc hiện có 12 mỏ than
đang hoạt động. Hầu hết các mỏ than nằm trong vùng hứng nước và lưu vực cung
cấp nước cho các con sông của New South Wales. Ba tháng một lần họ lấy mẫu
nước tại các điểm quan trắc, đo độ pH, độ dẫn điện, tổng các chất rắn hòa tan, BOD,
Coliform và thành phần bari trong nước thải. Từ đó, họ cho rằng nước thải mỏ được
cung cấp từ các nguồn sau:
+ Nước thải bơm ra từ 03 lỗ khoan hạ thấp mực nước;

3


4

4

+ Nước mặt và nước mưa vào mùa mưa bão chảy tràn trên bề mặt mỏ;
+ Nước mặt và nước mưa chảy tràn qua moong than, băng tải than;
+ Nước thải mỏ hình thành do áp lực nước ngầm,…
Một nghiên cứu khác trong chương trình phát triển bền vững ngành mỏ tại
Australia tháng 2 năm 2007 chỉ ra: Ngoài vấn đề khai thác, phương thức khai thác,
địa hình, cấu trúc địa chất… thì để hình thành nên nước thải mỏ có tính axit thì phải
có sự oxy hóa khoáng vật có chứa sunfua trong vỉa than. Yếu tố dẫn đến sự oxy hóa
sunfua trong than bao gồm:
- Hàm lượng, sự phân bố, tính chất, hình thức tồn tại của các sunfua kim loại
trong vỉa than;
- Tốc độ cung cấp oxy từ khí quyển cho các điểm chứa sunfua kim loại theo
phương thức đối lưu hoặc khuếch tán;
- Thành phần hóa học của nước lỗ rỗng tiếp xúc với điểm chứa sunfua kim
loại có phản ứng, kể cả độ pH và tỷ số giữa sắt II / sắt III;
- Nhiệt độ tại điểm phản ứng;
- Khối lượng nước và vi khuẩn tại điểm phản ứng. Sau đây là một số nguồn
hình thành nước thải mỏ:
Các bãi thải: Các bãi thải ngoài ở mỏ than lộ thiên thường được đổ thải trên
địa hình cao, nơi mà chúng không ngập nước và chỉ chứa chừng 5-10% nước. Với
các bãi thải trong (được đổ trở lại moong khai thác), một phần đá thải ngập trong
nước dưới đất. Trong cả hai trường hợp, bất kỳ vùng đá thải nào chưa bão hòa nước
của bãi đá thải có chứa sunfua sắt đều có khả năng sinh ra nước thải mỏ có tính axit.

4


5

5

Hình 1.3. Sơ đồ thành tạo và di chuyển của nước thải mỏ axit từ một bãi thải
(Ritchie 1994)
Các đống than: Tính chất của các đống than (than đổ chất thành đống ngoài
trời tại các sân công nghiệp, nhà máy tuyển, kho than) nhìn chung tương tự như bãi
thải nhưng hàm lượng sunfua ở trong các đống than đương nhiên cao hơn. Các đống
than thường tồn tại thời gian ngắn rồi mang đi chế biến nhưng đối với những đống
đá than xít có thể tồn tại trong mỏ trong nhiều năm (không tuyển tận thu) là nguồn
tiềm tàng tạo ra nước thải axit…
Kho bãi, bể chứa bùn than: Các loại bùn than sinh ra khi tuyển than thường
được đổ ra một hệ thống kho bãi chứa dưới dạng bùn nhão. Các bể chứa bùn than
có sunfua có thể là nguồn sinh ra nước thải mỏ có tính axit do chúng có kích thước
hạt mịn.
Bờ mỏ moong lộ thiên: Bờ mỏ lộ thiên hay vách trụ vỉa than trong các lộ vỉa
hoặc trong hầm lò đều chứa các khoáng vật chứa sunfua có khả năng sinh ra nước
thải có tính axit. Khai thác đã hạ thấp mực nước dưới đất ở trong bờ mỏ xung quanh
các moong khai thác làm cho các khoáng vật sunfua phơi lộ ra không khí. Từ đó,
nước thải axit hình thành trên bờ mỏ chảy xuống moong khai thác cùng với nước
dưới đất. Do đó, chất lượng nước được bơm ra từ đáy moong, các hầm chứa hoặc

5


6

6

các giếng khoan hạ thấp mực nước dưới đất trong quá trình khai thác thường có tính

a xít (pH < 5).
Trong lò chợ khấu than: Gió (không khí) chứa đầy oxy được thổi vào lò chợ
với tốc độ vài mét/giây, tác động tới các khoáng vật sunphua trong than nguyên
khối hoặc dập vỡ sũng nước,… tạo ra nước thải axít tương tự như trên bờ moong
khai thác. Mọi loại sunfua phơi lộ ra không khí trong quá trình thoát nước, tháo khô
mỏ đều là nguồn tiềm tàng tạo ra nước thải axit.
1.2.3. Nghiên cứu nước mỏ tại NewZealand
Việc nghiên cứu nước thải mỏ axit tại NewZealand được thực hiện bởi Dave
Trumm, CRL Energy LTD, Christchurch, Winterbourn (1998), Lindsay, Kingsbury
và Pizey (2003), Harding và Boothryd (2004), Darding (2005) và Pope, Newman và
Craw (2006). Tại New Zealand, những năm gần đây ở các hồ thủy điện có sự giảm
mực nước hồ chứa nên việc sử dụng than để phát điện được đẩy mạnh hơn. Các
nghiên cứu về nước thải cho thấy sự khác nhau giữa nước thải mỏ axit ở New
Zealand và các mỏ than ở miền Đông nước Mỹ: Có 2 yếu tố chính là: địa hình và
cấu trúc địa chất trong đó có sự tồn tại của khoáng vật sunfua. Địa hình ở West
Coast, New Zealand phát triển theo các bậc từ mặt biển tới độ cao trên 700m, có lớp
thực vật mỏng và có mưa nhiệt đới. Các mỏ thường ở vị trí cao và hẻo lánh. Địa
hình và cấu trúc địa chất ở New Zealand ảnh hưởng rất lớn đến nước thải các mỏ
khai thác than. Các nghiên cứu nhiều năm tập trung vào địa hóa học của nước thải
axit mỏ và những ảnh hưởng của nó tới hệ thống sinh vật sống dưới nước.
Nhận xét chung
Như vậy, vấn đề nước thải mỏ và việc nghiên cứu chúng trên thế giới chỉ
diễn ra ở điều kiện hình thành nước thải mỏ như thế nào? Và cách giải thích chung
là do chủ yếu từ sự oxy hóa các khoáng vật có chứa pyrit, từ các moong, hầm lò, đất
đá thải và các yếu tố liên quan như địa hình,… nhằm phục vụ cho công tác bảo vệ
môi trường khu vực mỏ, đảm bảo phát triển bền vững,…

6

7

7

Ngoài nghiên cứu nước thải mỏ có tính axit, người ta còn nghiên cứu các
thành phần khác của nước thải mỏ như BOD, COD, TSS, Coliform,…
Về những ảnh hưởng của nước thải mỏ đối với hoạt động khai thác (trong đó
có nước thải mang tính axit) thì chưa được nghiên cứu cụ thể. Chính vì vậy, nghiên
cứu điều kiện hình thành và ảnh hưởng của nước thải mỏ đối với khai thác than là
một vấn đề mới mẻ cần được nghiên cứu hiện nay.
Tuy nhiên, trên thế giới họ đã đưa ra các công nghệ xử lý nước thải mỏ nhằm
giảm thiểu ảnh hưởng của nó tới môi trường và một phần đảm bảo quá trình khai
thác bền vững.
1.2.4. Nghiên cứu và xử lý nước thải mỏ trước khi xả thải ra môi trường
Các chuyên gia về mỏ đã nghiên cứu và thường áp dụng các phương pháp xử
lý nước thải mỏ sau đây:
* Công nghệ hóa học
Các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhận định sau: Phương pháp hóa học xử lý
nước thải mỏ gồm 5 bước chính:
+ Điều hòa, kiểm soát lưu lượng và đặc tính của nguồn thải;
+ Trung hòa bằng các hóa chất;
+ Oxy hóa, làm kết tủa các ion kim loại dạng hòa tan;
+ Lắng cặn của các hydroxit kim loại và các chất rắn lơ lửng khác;
+ Loại bỏ bùn cặn.
Tùy theo tính chất và lưu lượng của nước thải mỏ mà người ta áp dụng
những hệ thống khác nhau cũng như các hóa chất, chất trợ lắng khác nhau.
Hiện nay, trên thế giới việc nghiên cứu nước thải mỏ, tác hại của nó gây ra
và xử lý chúng, người ta áp dụng rộng rãi phương pháp hóa học. Phương pháp này
phân thành 2 dạng: Sục khí và sử dụng các hóa chất để trung hòa nước thải mỏ có
tính axit và kết tủa Fe, Mn.

7


8

8

- Dạng sục khí
Sục khí là phương pháp xử lý bằng hóa học đơn giản nhất. Khi sục khí Fe
(II) và Mn (II) ở dạng hòa tan có thể được oxy hóa và kết tủa dưới dạng Fe (III) và
Mn (IV). Mức độ oxy hóa các chất phụ thuộc nhiều vào giá trị pH của nước thải.
Sục khí tạo phản ứng oxy hóa Fe (II) thành Fe (III) khi pH >7,2; với Mn (II)
thành Mn (IV) khi pH > 9,4.
Những khu vực rộng lớn thường được áp dụng kiểu các thác nước để trộn lẫn
không khí khi không có sự điều chỉnh pH.
Theo Dudeney (1994), hệ thống Denby Graige Colliery để xử lý nước thải
mỏ ở Anh đã sử dụng 5 thác nước trong hệ thống sục khí. Các kết tủa của Fe (III) và
Mn (IV) tạo thành các hạt nhỏ phân tán. Do đó, việc lắng đọng dưới tác dụng của
trọng lực rất chậm.
Theo nghiên cứu của ông thì thời gian lưu nước thải để các hạt lắng xuống
đáy phải trên 24 giờ. Sau đó, nước mới được thải ra môi trường. Để tăng khả năng
lắng, cần cấp thêm các chất trợ lắng (polyme hữu cơ và vô cơ) cho phép các hạt kết
tủa lại với nhau tạo thành hạt to hơn nên tốc độ lắng sẽ nhanh hơn.
* Các hệ thống xử lý hóa chất điển hình
Đặc tính chung của nước thải mỏ than là có tính axit cao, đi cùng là hàm
lượng ion Fe, Mn ở dạng hòa tan cao. Trên thế giới, các công ty khai thác mỏ
thường nghiên cứu và chủ động dùng các hóa chất để xử lý nước thải mỏ. Các hóa
chất có tính kiềm được sử dụng để trung hòa và chuyển hóa các kim loại dạng hòa
tan trong nước thải mỏ có tính axit. Wildeman (1994) đã nghiên cứu về nước thải

mỏ và đưa ra sơ đồ công nghệ chung cho việc xử lý nước thải mỏ có tính axit bằng
kiềm và oxy hóa Fe.

8


9

9

Lựa chọn chất kiềm:
1. Đá vôi
4. Na2CO3
2. Vôi tôi
5. NH3
3. NaOH

Nước thải mỏ có tính axit được tập trung, thu gom:
1. Từ trong mỏ
2. Nước chảy tràn trên bề mặt.

Bảo quản, nạp hóa chất:
1. Dạng khô
2. Dạng dung dịch.

Hòa trộn:
1. Máy
2. Công nhân
3. Hòa trộn tự động.
Oxy hóa Fe:

1. Sục khí, khuấy trộn
2. Hóa chất oxy hóa
3. Oxy hóa sinh học.

Bổ sung chất trợ lắng
Cặn lắng:
1. Gạn
3. Ao, hồ lắng
2. Máy tách
4. Đập ngăn.
Bùn thải:
1. Moong đã khai thác
3. Phơi khô
2. Lọc
4. Máy ly tâm.

Xả thải

Hình vẽ 1.4. Quy trình xử lý nước thải mỏ có tính axit bằng kiềm và
oxy hóa Fe của Wildemam
Dưới đây là một số hệ thống xử lý nước thải mỏ than dùng các loại hóa chất
khác nhau như:
+ Hệ thống dùng sữa vôi: Sữa vôi được khuấy trộn và nạp bằng hệ thống
“Aqua Fix Systems” dạng Silo.

9


10

10

Hình 1.5. Hệ thống xử lý nước thải mỏ
bằng sữa vôi ở West Virginia - Mỹ.

+ Hệ thống dùng Natri hydroxit (NaOH) và Na2CO3:

Hình 1.6. Dùng Na2CO3 để xử lý nước thải mỏ than ở Mỹ
* Nghiên cứu và xử lý bằng sinh học
Các chất ô nhiễm trong nước thải mỏ có thể được xử lý bằng việc sử dụng
các phản ứng sinh học. Giảm sunfat bằng sinh học đã được xem như là một phương
pháp để trung hòa nước thải mỏ có tính axit. Đồng thời, kết tủa kim loại ở dạng
sunfit. Trên thế giới, công nghệ xử lý nước thải mỏ bằng sinh học đang ở giai đoạn
thử nghiệm.

10


11

11

* Nghiên cứu nước thải mỏ sử dụng đầm lầy nhân tạo (Wetlands)
“Wetlands” là thuật ngữ chung chỉ vùng bao phủ lầy lội, đầm lầy, đồng cỏ
ngập nước và đơn giản là khu đầm lầy. Đầm lầy tự nhiên có thể hấp thu Fe và các
ion kim loại khác ở trong nước, làm giàu limonit (hợp chất của hydroxit sắt III)
được dẫn chứng bằng việc tìm thấy ở các bãi lầy có chứa quặng sắt ở dạng khoáng
limonit hoặc các bãi lầy chứa quặng mangan (Hammer và Bastian, 1989).
Sử dụng đầm lầy nhân tạo để xử lý nước thải mỏ và giảm thiểu tác hại của nó
được thể hiện qua nhiều công trình nghiên cứu về sự tương tác của đầm lầy tự nhiên

với nước thải mỏ. Chất lượng nước sau khi đi ra khỏi đầm lầy được theo dõi cho
thấy đã cải thiện một cách đáng kể với Fe 2+, Mn2+, Ca2+, Mg2+, SO42- và tăng pH từ
2,5÷3,5 tới 4÷6.
Ngày nay, nhiều mỏ than ở Mỹ và Anh đã nghiên cứu và sử dụng đầm lầy
nhân tạo để xử lý nước thải mỏ có hiệu quả.

ST
T

1

2
3
4

6
7

11

Bảng 1.2. Một số kinh nghiệm cụ thể dùng để lựa chọn
kích thước đầm lầy tại Mỹ
Trường hợp
Giá trị kích thước
Áp dụng
nghiên cứu
2 m3/mg Fe/phút
Dòng vào pH <5,5
Dòng ra Fe=3 mg/l
Kleinman al (1991) 0,75 m2/mg Fe/ phút

Dòng vào pH >5,5
2
7 m /mg Mn/ phút
Dòng vào pH <5,5
Dòng ra Mn=2 mg/l
2
928 m /l/phút
Khoảng từ 61,1 tới
Watson et al (1989)
10.700 m2/l/phút
pH >4,0;
4,9 m2/l/phút (19÷38 l/phút)
Kleinman et al
Fe < 50 mg/l
(1991)
Mn < 20mg/l.
2
0,15 m /mg Fe/phút
Kleinman et at
(1991)
200 tới 500 m2/kg axit
15 m2l/ phút
Girt et al (1987)
0,7 l/m2/phút; 1,1 m2/mg
Brodie et al (1989)
Fe/phút; 2,8 m2/mg Mn/phút
250 m2 cho 5 kg Fe /ngày
Nước kiềm
Hedin el at (1994)
2

1300 m cho 5 kg Fe/ngày
Nước axit


12

12

Bảng 1.3. Một số ví dụ về các đầm lầy đã được thiết kế

1MP1
Tracylarge
Tracysmall

Mỏ than

Kích
thước
(m2)
5.700

Mỏ than

420

30 - 57

3,8 - 7,5

12

Mỏ than

108

23 - 30

1,88 2,47

12

Simcone-4

Mỏ than

2.623

328

4,2

48

Kentucky

Mỏ than

180

5,9

5,1

25.6

Kentucky
Big five
tunnel
Big five
tunnel

Mỏ than

180

5,9

5,1

25.6

Đá vôi/bãi
than bùn
Đá
vôi/phân
nấm
Bãi than
bùn
Phân nấm

Mỏ than

18,3

3,6

3,4

36

Phân nấm

Mỏ than

18,3

3,6

3,4

24

Bãi than
bùn

Hệ thống

Dạng
nguồn

Lưu
lượng
(l/phút)
73

Thời
gian lưu
(ngày)
-

Năm
khai
thác
72

Chất nền
-

* Nghiên cứu và sử dụng công nghệ mương đá vôi yếm khí (ALD Anoxic limstone drains)
Mương đá vôi yếm khí (ALD) là loại mương mà trong lòng có chôn lớp đá
vôi, được sử dụng để xử lý nước thải mỏ có tính axit. Nước thải mỏ được dẫn vào
mương, pH và tính kiềm của nước thải mỏ tăng lên bởi phản ứng với đá vôi. Sử
dụng đá vôi xử lý nước thải mỏ ở trong điều kiện hiếu khí, những viên đá vôi nhanh
chóng bị bao bọc bởi những lớp sắt oxit và sắt hydroxit. Kiềm được cho thêm vào
nước thải mỏ có tính axit cao làm cho pH tăng lên. Dòng nước thải từ mương yếm
khí ra đưa ra môi trường có điều kiện hiếu khí sẽ xảy ra hiện tượng oxy hóa kim
loại, thủy phân và các phản ứng kết tủa.
- ALD là phương pháp xử lý được dùng trước một hệ thống xử lý hiếu khí để
chuyển hóa kim loại từ dạng tan. Khi sử dụng ALD ở trước một đầm lầy nhân tạo
hiếu khí, ALD có thể cung cấp khả năng, điều kiện thuận lợi cho Wetlands loại bỏ

kim loại. Hệ thống Wetlands hoạt động hiệu quả nhất khi pH của mỏ nhỏ hơn 6.0 và
có chứa kiềm. Các phản ứng thủy phân tạo ra H +, mà sẽ làm giảm pH của nước mỏ
trừ phi có lớp đệm bằng kiềm.
12


13

13

* Nghiên cứu và đưa ra phương pháp ngăn chặn tiếp xúc nguồn ô nhiễm
Đây là phương pháp được các nhà chuyên môn nghiên cứu và áp dụng tại mỏ
Nguyên Bảo Sơn, Nội Mông, Trung Quốc. Xung quanh khai trường mỏ, người ta đã
khoan 140 lỗ khoan, chủ động tháo khô hết nước dưới đất trước khi khai thác than.
Do vậy, đã ngăn chặn được sự ô nhiễm ngay từ thượng nguồn. Nước dưới đất được
cung cấp trực tiếp đến các nơi tiêu thụ (như công nghiệp, tưới tiêu).
1.3. NGHIÊN CỨU NƯỚC THẢI MỎ THAN TẠI VIỆT NAM
1.3.1. Nghiên cứu nước thải mỏ ở các trung tâm nghiên cứu
* Về sự hình thành nước thải mỏ
Khi nghiên cứu sự hình thành nước thải mỏ thì điển hình ở nước ta có nhà
nghiên cứu và các trung tâm nghiên cứu sau:
+ Phòng Công nghệ Môi trường - thuộc viện Khoa học Công nghệ Mỏ
(Phương Liệt - Thanh Xuân - Hà Nội);
+ Phòng nghiên cứu Địa chất thủy văn (trước đây) - Viện Khoa học Công
nghệ Mỏ - TKV;
+ TS. Nguyễn Văn Chi - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV: Có các công
trình nghiên cứu sau:
- Sự hình thành và ảnh hưởng của dòng chảy đối với khai thác hầm lò các mỏ
than vùng Quảng Ninh. Luận án tiến sỹ địa chất. Đại học Mỏ - Địa chất, 1 - 2000;
- Nghiên cứu dòng chảy vào -80 mỏ than Mạo Khê, năm 1997,…

+ CN. Bùi Thanh Hoàng - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV.
+ Viện Hoá Công nghiệp thuộc Tổng cục Hoá - Bộ Công Thương ở số 2 phố
Phạm Ngũ Lão - Hà Nội, chuyên phân tích mẫu nước và nghiên cứu xử lý nước thải
cho các mỏ thuộc Tổng cục hoá chất (TS. Hoàng Văn Hoan, TS. Ngô Đại Quang);
+ Viện KHCN Mỏ - Luyện kim, thuộc Bộ Công Thương, ở 30 phố Đoàn Thị
Điểm - Hà Nội, có Trung tâm phân tích môi trường chuyên nghiên cứu xử lý nước
13


14

14

thải axít. Năm 2000, Viện KHCN Mỏ-Luyện kim phối hợp với Viện KHCN Mỏ
nghiên cứu xử lý nước thải axít tại mỏ pirit Giáp Lai - Phú Thọ (TS. Nguyễn Quốc
Khánh, TS. Lê Phan Chính);
+ Trung tâm Cổ phần Tư vấn thiết kế Hoá chất công nghiệp thuộc Tổng cục
Hoá - Bộ Công Thương ở 14 đường Cát Linh chuyên nghiên cứu, thử nghiệm trên
pilot và lắp đặt các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, xử lý chất thải rắn, khí
thải cho các mỏ thuộc Tổng cục hoá chất;
+ Viện Địa chất Khoáng sản - Thanh Xuân - Hà Nội có Trung tâm phân tích
địa chất chuyên phân tích mẫu nước các mỏ khoáng sản (TS. Trần Tân Văn, TS.
Nguyễn Linh Ngọc…).
+ Viện Hoá, Viện Vật liệu, Viện Địa lý… thuộc Trung tâm Khoa học & Công
nghệ Việt Nam, đường Hoàng Quốc Việt cũng có các nghiên cứu về nước thải mỏ
(PGS. TS. Nguyễn Xuân Tặng, TS. Nguyễn Kim Tuyến…).
* Về sự ăn mòn
Hiện nay, việc nghiên cứu sự ăn mòn - ảnh hưởng của nước thải mỏ gây ra
đối với khai thác khoáng sản than thì có đề cập sơ bộ ở một số công trình nghiên
cứu của TS. Nguyễn Văn Chi về nước thải mỏ ở một số mỏ than hầm lò Quảng

Ninh.
1.3.2. Ở các cơ sở sản xuất mỏ than
Cho đến nay, việc nghiên cứu nước thải mỏ than và xây dựng những công
trình xử lý nước thải ở các cơ sở sản xuất, chế biến than đã và đang được sử dụng
chưa nhiều và hiệu quả nhìn chung còn thực sự khiêm tốn.
Tại một số vỉa than ở một số mỏ than của Việt Nam, trong những thời điểm
nhất định hoặc quanh năm đã ghi nhận có nước mỏ a xít:
Bảng 1.4. Một số mỏ than có nước thải a xít ở Việt Nam
Mẫu nước tại mỏ
Nước thải moong Na Dương
14

Năm

độ pH

ΣFe

Mg+2

SO4-2

12/94

2,0

977,2

273,4

5000


15

15

Nước lò chợ V14 Hà Lầm

10/95

4,0

13,96

21,27

300

Nước moong số 3 Núi Hồng

12/94

3,5

376,72

151,9

2500

Nước moong Núi Béo

10/96

3,5

2,8

34,64

180

Nước moong vỉa 10B Hà Tu

10/96

3.5

2,1

44,36

300

Cánh tây -97,5 Mông Dương

12/91

2,0

22,34

60,76

600

Hầm bơm 97,5 Mông Dương

12/94

3,5

121,64

27,34

400

Điển hình về nước mỏ than axít ở Việt Nam phải nói tới mỏ than Na Dương.
Nghiên cứu nước thải mỏ than Na Dương
Trong nhiều năm, ở mỏ than Na Dương, than Neogen khai thác ra tiêu thu rất
chậm vì đun nấu hay làm thủng đáy nồi (trong than có rất nhiều lưu huỳnh). Nước
thải từ mỏ chảy ra đỏ quạch, làm chết cá khi thải ra suối Toòng Già, sông Kỳ Cùng.
Nước thải axít tại Na Dương mạnh tới mức làm tan mềm tất cả các loại đá nửa cứng
như bột kết, sét kết.
Các nghiên cứu về nước thải mỏ than Na Dương được tiến hành tại Viện
Khoa học Công nghệ Mỏ (KS. Nguyễn Huy Hưng, KS. Lã Hồng Dực…) từ những
năm 1990 cho thấy nước thải axít ở mỏ Na Dương hình thành như sau:
Trong các vỉa than đang khai thác ở Na Dương có rất nhiều lưu huỳnh (Sch

≈ 6,61%) tồn tại dưới 3 dạng: các hạch pirit (FeS 2), lưu huỳnh sunfat và lưu huỳnh
hữu cơ và có mặt 2 loại vi khuẩn: Thiobaccilus ferooxidans (TF), Thiobacilus
thiooxidans. Khi có oxy tự do, các vi khuẩn này hoạt động mạnh tham gia vào các
phản ứng oxy hoá khử sau tạo ra nước thải axít theo chu trình dưới đây:
FeS2 + 3O2 + 2H2O → Fe2+ + 2SO42- + 4H+ + 2ePbS + O2 + 2H2O → Pb2+ + SO42- + 4H+ + 4eZnS + O2 + 2H2O → Zn2+ + SO42- + 4H+ + 4eCuFeS2 + O2 + 2H2O → Cu2+ + Fe2+ + 2SO42- + 4H+ + 4e-

15


16

16

Qua các phương trình hoá học trên, lưu huỳnh thể rắn trong kết hạch đã
chuyển sang các muối hoà tan trong nước:
2FeSO4 + H2SO4 + 1/2 O2 → Fe2(SO4)3 + H2O
FeS2 + Fe2(SO4)3 → FeSO4 + 2S0
Trên bờ mỏ khắp nơi còn thấy hiện tượng mọc hoa lưu huỳnh.
S0 + 3/2 O2 + H2O → H2SO4
Nước mỏ dưới moong lúc này thực sự là nước axít, hoà tan rất nhanh mọi
mẫu đá của mỏ Na Dương:
Bảng 1.5. Tốc độ hoà tan trong nước mỏ than Na Dương, (đơn vị: g/l)
Thời gian ngâm
Fe 2+
Fe 3+
SO42Mg2+
Ca2+
mẫu
1 giờ
2,8 g/l

4,44
17,20
1,20
1,70
12 giờ

3,25

5,90

18,97

24 giờ

4,42

6,70

25,55

36 giờ

4,48

8,4

31,18

1,80

2,20

Các nhà nghiên cứu của Viện KHCN Mỏ thời đó đã đề xuất xử lý giảm
lượng lưu huỳnh trong than theo các hướng sau (để giảm lượng nước thải a xít).
1- Tuyển đãi cơ học tách lưu huỳnh pirit trong than Na Dương;
2- Dùng vi sinh vật chuyển hoá pirit thành chất hoà tan trong nước;
3- Hấp phụ lưu huỳnh bởi các phụ gia CaO, CaCO 3. Ví dụ: trộn vữa vôi nung
với than theo tỷ lệ: CaO/S = 3 sau khi đốt khử được tới 86-88% lưu huỳnh chứa
trong than.
Ngoài ra, tại vùng than Quảng Ninh, các cơ sở sản xuất đã nghiên cứu và áp
dụng các hệ thống xử lý nước thải mỏ. Ví dụ như: Công ty than Mạo Khê đã nghiên
cứu và xây dựng hệ thống xử lý nước thải tại các khu -25, +30 và nhà sàng Mạo
Khê. Hệ thống này dùng để xử lý cho những khu vực nước không mang tính axit,
nước bị ô nhiễm chủ yếu là do cặn lơ lửng.
16


17

17

- Công ty than Vàng Danh đã nghiên cứu và xây dựng hệ thống xử lý nước
thải mỏ bằng đá vôi. Hệ thống xử lý này là một hệ thống bể gồm nhiều ngăn, các
ngăn được chứa đầy các hạt đá vôi. Nước thải có tính axit mạnh khi đi qua các lớp
đá vôi sẽ xảy ra phản ứng để tạo Ca(HCO 3)2, Ca(OH)2 khử tính axit trong nước thải.
Đồng thời, nó tạo môi trường để kết tủa Fe và Mn.
- Công ty than Hà Lầm - với sản lượng than khai thác ngày một tăng, lượng
nước thải hầm lò lên tới 180 m 3/h, hệ thống nước thải cũ đã có không đáp ứng được
nhu cầu xử lý. Mặt khác, nhu cầu sử dụng nước công nghiệp và sinh hoạt của công
ty ngày một tăng (2015), các moong nước không còn, đòi hỏi phải có nguồn cung

cấp nước ổn định cho sản xuất và sinh hoạt. Từ thực tế này, công ty đã đầu tư
nghiên cứu và xây dựng trạm xử lý nước thải hầm lò (công suất 70m3/h, tương
đương 1.260 m3/ngày đêm) sử dụng công nghệ hệ thống lắng đứng kết hợp sục khí
và bình lọc áp lực. Sau đó, nâng công suất xử lý lên 120 m3/h, tương đương 2.000
m3/ngày đêm.
Nước trong lò trước khi xử lý có mầu vàng đục, mùi tanh, độ pH 3,3, nồng
độ amôni 3,5 mg/l (cao gấp 2 lần mức cho phép), nồng độ mangan 5,9 mg/l. Trong
quá trình xử lý, nước thải trong các lò than từ bể nguồn được bơm qua bể xử lý
trung hòa gồm 3 ngăn có dung tích 120 m3. Tại đây, các hóa chất cần thiết như nước
vôi trong để nâng độ pH, dung dịch keo tụ cho kết tủa lắng cặn trong nước, hóa chất
diệt khuẩn chlorine, hóa chất cân bằng pH là NaOH được hệ thống bơm định lượng
đưa vào bể nước theo tỷ lệ đã định sẽ được điều chỉnh bởi thiết bị cân bằng độ pH
điện tử. Đồng thời, đưa hệ thống máy thổi khí ly tâm vào bể lắng trung hòa để tăng
độ hòa tan hóa chất và phân giải khí độc trong bể nước. Khi nước ra khỏi bể lắng
trung hòa có độ pH, độ trong, độ sạch khuẩn và độ oxy hóa đạt yêu cầu mới được
đẩy lên bộ xử lý lọc nước áp lực (gồm 12 bình lọc chuyên dụng có dung tích 1
m3/bình) để làm trong nước lần cuối và lọc kim loại nặng. Khi ra khỏi hệ thống xử
lý, nước được lọc đảm bảo các tiêu chuẩn và được chứa vào téc để cấp nước sinh
hoạt cho công nhân. Nước cặn xả của bể lắng trung hòa được xả ra bể trung gian và
được cụm xử lý tách bùn trước khi xả ra môi trường.
17


18

18

Sau khi xử lý tại trạm, nguồn nước đảm bảo các yêu cầu, tiêu chuẩn về độ
trong, không mầu, không mùi lạ, độ pH 6,8, nồng độ amôni 1,64 mg/l, độ oxy
hóa/môi trường kiềm 1,52 mg/l, hàm lượng clorua 28,4 mg/l, hàm lượng nitrate

0,15 mg/l. Nước sau khi lọc được cấp cho khai thác than hầm lò, tưới đường chống
bụi, đưa vào nhà tắm, giặt quần áo công nhân.
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC
THẢI MỎ

Trong [3], TS. Nguyễn Văn Chi đề xuất phương pháp nghiên cứu nước thải
mỏ như sau:
- Quy luật thải nước mỏ theo không gian, thời gian (các giai đoạn khai đào);
- Điều kiện hình thành nước thải mỏ;
- Khối lượng, hướng vận động của nước thải mỏ trong hầm lò;
- Nghiên cứu bản thân nước và khoáng vật trong các vỉa than;
- Nghiên cứu các đặc điểm địa hình, cấu trúc địa chất, lượng mưa,…
- Nghiên cứu quá trình ăn mòn do cái gì và diễn ra như thế nào;
- Đánh giá sự ăn mòn qua tác động của nước thải mỏ tới hoạt động khai thác,
như: ăn mòn vỉ chống lò, bánh công tác, cánh quạt của máy bơm,…
Sớm nhận ra khả năng tạo a xit và triển khai các biện pháp giảm thiểu, kiểm
soát sẽ hạn chế tối đa các tác động tiêu cực tới môi trường và kinh tế (xem sơ đồ
kiểm soát nước thải).

Chuyển hướng dòng chảy mặt ra
Hạn chế lưu lượng
nước chảy vào mỏ
trong khai thác
Kiểm
soát
nước
thải

Ngăn nước mưa thấm-chảy xuyên
Tháo khô đất đá sũng nước vây

Kiểm soát quá
trình tạo axít trong
nước thải mỏ

Ngăn nước mưa, mặt tiếp xúc với vỉa
Ngăn nước ngầm chảy qua lò chợ
Ngăn nước mưa tập trung trên nóc

18

Thu gom và xử lý
nước thải bị ô
nhiễm

Trung hoà nước thải mỏ có tính axít
cao


19

19

Pha loãng nước thải axít bằng nước
Ô xy hoá, kết tủa ion kim loại trong
Hình 1.7. Sơ đồ kiểm soát nước thải
Để đánh giá được sự ăn mòn của nước thải mỏ, nhất thiết phải đặt các trạm
quan trắc một số chỉ tiêu môi trường như: nồng độ pH, tổng các chất rắn hòa tan
(TDS), SO42-,... và phải lấy mẫu phân tích chất lượng của nước thải mỏ tại các vị trí
quan trắc lâu dài.

19


20

20

CHƯƠNG 2
ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT - ĐỊA CHẤT
THỦY VĂN MỎ KHE CHÀM

2.1. VỊ TRÍ ĐỊA LÝ VÀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN MỎ KHE CHÀM
2.1.1. Vị trí địa lý
Vùng nghiên cứu mỏ Khe Chàm thuộc thị trấn Mông Dương, thị xã Cẩm
Phả, tỉnh Quảng Ninh, cách trung tâm thị xã Cẩm Phả khoảng 5 km về phía Bắc,
nằm bên trái đường quốc lộ 18A từ Hạ Long đi Mông Dương.
- Phía Bắc vùng nghiên cứu giáp Dương Huy, Bằng Tây;
- Phía Nam vùng nghiên cứu giáp Khe Sim, Lộ Trí, Đèo Nai, Cọc Sáu;
- Phía Đông vùng nghiên cứu giáp Quảng Lợi, Mông Dương;
- Phía Tây vùng nghiên giáp mỏ Khe Tam.
Vùng nghiên cứu Khe Chàm là vùng khoáng sản than nằm trong giới hạn tọa
độ địa lý theo hệ toạ độ Nhà nước năm 1972 là:
X: Từ 2326.500 đến 2331.000;
Y: Từ 424.000 đến 429.500.

Mỏ Khe Chàm

20

21

21

Hình 2.1. Vùng than Quảng Ninh (trong đó đã chỉ ra vị trí vùng nghiên cứu)
2.1.2. Địa hình
Vùng nghiên cứu Khe Chàm có địa hình là những đồi núi nối tiếp nhau. Độ
cao giảm dần từ Nam đến Bắc, cao nhất là đỉnh Cao Sơn ở phía Nam (+437.80m),
thấp nhất là lòng sông Mông Dương phía Đông Bắc khu mỏ (+10m), độ cao trung
bình từ 100m đến 150 m. Địa hình bị phân cắt chủ yếu bởi hai hệ thống suối chính
là suối Bàng Nâu và suối Khe Chàm.
Địa hình ở khu vực phía Nam chủ yếu là các tầng khai thác lộ thiên (thuộc
mỏ Cao Sơn) và lộ vỉa. Nhìn chung, địa hình trong khu vực đã thay đổi nhiều so với
địa hình nguyên thuỷ ban đầu, thay vào đó là các moong khai thác và các bãi thải.
2.1.3. Mạng sông suối
Vùng nghiên cứu có hai suối lớn là suối Khe Chàm và suối Bàng Nâu. Hai
suối này tập trung toàn bộ lượng nước mặt trong vùng.
Suối Khe Chàm: Hướng chảy Tây Nam - Đông Bắc rồi nhập vào suối Bàng
Nâu, sau đó chảy ra sông Mông Dương. Hiện tại, địa hình khu vực đã thay đổi rất
nhiều do kết quả của quá trình khai thác lộ thiên. Vì vậy, đã làm biến đổi dòng chảy,
vào mùa khô có những đoạn suối chỉ là những lạch nhỏ. Lòng suối rộng trung bình
từ 5m đến 10m, có nơi rộng đến 20m, lòng suối bị đất đá thải do quá trình khai thác
lộ thiên lấp nhiều. Lưu lượng lớn nhất Q max = 2688l/s đo được lúc mưa to, mùa mưa
lũ còn lớn hơn rất nhiều, lưu lượng nhỏ nhất Qmin = 0,045l/s.
Nhìn chung, lưu lượng suối Khe Chàm rất lớn cắt qua nhiều địa tầng chứa
các vỉa than có giá trị công nghiệp. Suối có lưu vực rộng lớn hàng chục km 2 kể cả
suối chính và suối phụ. Suối có độ dốc khá lớn, chênh lệch độ cao từ thượng nguồn
xuống hạ nguồn khoảng 230m đến 300m. Vì vậy, nước tập trung khá nhanh nhưng
cũng thoát dễ dàng, trong nửa ngày là giao thông có thể trở lại bình thường.

21


22

22

Suối Bàng Nâu: Hướng chảy Tây - Đông qua phía Bắc khu vực, đổ ra sông
Mông Dương, đoạn chảy trong vùng nghiên cứu là hạ lưu của suối. Vì vậy, suối này
có lưu vực rộng lớn. Lưu lượng lớn nhất Qmax = 91686,7l/s và Qmin = 188,291l/s.
Nguồn cung cấp nước cho hai suối Khe Chàm và suối Bàng Nâu chủ yếu là
do nước mưa và một phần do nước của tầng chứa than cung cấp qua các điểm lộ.
2.1.4. Khí hậu, khí tượng
Vùng Khe Chàm chịu ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới gió mùa ven biển, độ
ẩm cao chia làm hai mùa rõ rệt. Mùa mưa kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10, mùa khô
kéo dài từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau. Mưa nhiều nhất vào tháng 8, tháng 9.
Tháng 8 năm 2003, lượng mưa cao nhất lên đến 1342.8mm, lượng mưa trung bình
cao trong ngày 144mm/ngày (chi tiết xem trong bảng 2.1 và hình 2.2).

22


23

23

23

24

24

Bảng 2.1. Bảng thống kê lượng mưa tháng trạm khí tượng Cửa Ông, (mm)

24

Năm

Tháng
1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

T10

T11

T12

Tổng

1999

15.8

8.2

48.8

23.3

96.6

529.4

250.8

165.5

51.1

106.8

32.2

32.8

1361.3

2000

134.3

39.0

16.9

36.5

113.7

415.6

555.3

172.6

361.5

5.5

14.7

54.3

1919.9

2001

3.6

43.3

20.8

119.8

304.6

208.6

131.0

670.0

358.8

56.5

77.3

6.0

1995.0

2002

6.5

36.9

140.3

5.6

260.8

243.3

1231.5

372.3

421.4

172.5

61.8

13.9

2966.8

2003

27.4

22.6

48.3

17.4

52.6

280.3

633.1

1342.8

229.4

94.9

87.3

10.8

2846.9

2004

17.4

22.4

111.6

50.8

104.9

346.8

279.8

539.2

624.4

12.1

84.5

5.2

2199.1

2005

83.3

20.1

83.3

163.0

156.9

193.0

665.4

469.1

251.5

53.8

18.9

29.7

2188.0

2006

23.6

11.4

27.3

185.6

80.5

337.9

256.1

419.6

421.5

150.4

6.8

16.7

1937.4

2007

16.1

1.4

25.2

136.7

223.4

193.3

212.4

804.9

159.2

114.4

76.0

25.8

1988.8

2008

2.6

23.3

40.9

65.2

105.2

129.6

441.5

347.5

433.3

166.8

2.6

2.6

1761.1


25

25

Hình 2.2. Biểu đồ lượng mưa trung bình tháng (từ năm 1999 đến năm 2008)
trạm khí tượng Cửa Ông - Cẩm Phả

(Nguồn: Công ty cổ phần Tin học, Công nghệ, Môi trường Than - Khoáng
sản Việt Nam (VITE)).
2.1.5. Dân cư, kinh tế, xã hội, văn hóa
Dân cư trong vùng Khe Chàm chủ yếu là công nhân mỏ và một số hộ dân
(rất ít chỉ có vài 3 - 5 hộ) chủ yếu làm nghề trồng trọt, dịch vụ… Thành phần dân cư

chủ yếu là người kinh và một số dân tộc ít người khác như Sán Dìu.
Vùng Khe Chàm tập trung nhiều mỏ và công trường khai thác than đang hoạt
động. Hệ thống hạ tầng, kinh tế của vùng đã và đang được xây dựng tương đối hoàn
chỉnh và đồng bộ.
2.1.6. Giao thông
Mạng lưới giao thông, công nghiệp trong vùng nghiên cứu khá phát triển rất
thuận lợi cho công tác thăm dò và khai thác mỏ. Trong vùng đã có hệ thống đường
giao thông nối liền với các mỏ than Cọc Sáu, Khe Tam, Mông Dương,…

25