Nghiên cứu các điều kiện thích hợp để xử lý và tái sử dụng nước thải mỏ than na dương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

TRẦN THỊ THIÊN HƢƠNG

NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN THÍCH HỢP ĐỂ XỬ LÝ VÀ TÁI SỬ DỤNG
NƢỚC THẢI MỎ THAN NA DƢƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRẦN THỊ THIÊN HƢƠNG

NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN THÍCH HỢP ĐỂ XỬ LÝ VÀ TÁI SỬ
DỤNG NƢỚC THẢI MỎ THAN NA DƢƠNG

Ngành: Hóa học
Chuyên ngành: Hóa môi trƣờng
Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. TS. CÔNG TIẾN DŨNG

2. PGS.TS. ĐỖ QUANG TRUNG

Hà Nội – 2015


LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành tại Phòng Thí nghiệm Môi trường,Viện Khoa
Học Công nghệ Mỏ và Phòng Thí nghiệm Hóa Môi trường , Khoa Hóa học - Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Tiến sĩ Công Tiến Dũng trường Đại học
Mỏ - Địa chất và PGS. Tiến sĩ Đỗ Quang Trung Trưởng Bộ môn Hoá Môi trường Khoa hóa học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ em rất
nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Những giúp đỡ hết sức nhiệt tình
của các thầy đã giúp em rất nhiều trong việc định hướng đề tài nghiên cứu, tìm kiếm
tài liệu và hoàn thiện luận văn… Những chỉ bảo của các thầy đã giúp em hiểu rõ hơn
về lĩnh vực xử lý môi trường và tái sử dụng tài nguyên cho các mỏ khai thác than khoáng sản. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy vì tất cả những giúp đỡ,
hướng dẫn, động viên em trong suốt thời gian làm đề tài.
Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo PTN Hoá
Môi trường, Khoa Hóa Học trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội đã
giúp đỡ và tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2015
Học viên

Trần Thị Thiên Hương


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ..............................................................................................................................1

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................................2
1.1. Tình hình ô nhiễm nƣớc thải trong khai thác than ............................................. 2
1.2. Tổng quan tình hình và công nghệ xử lý nƣớc thải khai thác than .................. 5
1.2.1. Tình hình và công nghệ xử lý nước thải khai thác than trên thế giới .......................... 5
1.2.2. Tình hình và công nghệ xử lý nước thải khai thác than áp dụng ở Việt Nam .......... 13
1.3. Tình hình tái sử dụng nƣớc thải khai thác than ................................................ 19
1.4. Đặc điểm nƣớc thải mỏ than Na Dƣơng............................................................. 21
1.5. Cơ chế quá trình kết tủa kim loại bằng hoá chất trong nƣớc thải mỏ và cơ chế
hoá lý quá trình đông keo tụ trong xử lý nƣớc. ........................................................ 24
1.5.1. Cơ chế quá trình kết tủa kim loại bằng hoá chất trong nước thải mỏ ........................ 24
1.5.2. Cơ chế hoá lý quá trình đông keo tụ trong xử lý nước. ............................................... 26
CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM .....................................................................................32
2.1. Dụng cụ và hoá chất ............................................................................................. 32
2.1.1. Dụng cụ............................................................................................................................... 32
2.1.2. Hoá chất.............................................................................................................................. 32
2.2. Các phƣơng pháp xác định trong thực nghiệm ................................................. 33
2.2.1. Quy trình xử lý nước thải: ................................................................................................ 33
2.2.2. Quy trình điều chế poly-nhôm-sắt sunphát:................................................................... 33
2.2.3. Phương pháp xác định chất rắn lơ lửng (TSS) ............................................................. 34
2.2.4. Phương pháp xác định pH, độ đục................................................................................. 34
2.2.5. Phương pháp xác định hàm lượng sắt tổng số .............................................................. 35
2.2.6. Phương pháp xác định hàm lượng Mn .......................................................................... 36
2.2.7. Phương pháp xác định hàm lượng Al ............................................................................ 38
2.2.8. Phương pháp xác định hàm lượng PO43- ....................................................................... 39
2.2.9. Phương pháp xác định hàm lượng Phốt pho tổng ........................................................ 41
2.2.10. Phương pháp xác định BOD5 ........................................................................................ 42
2.2.11. Phương pháp xác định hàm lượng COD ..................................................................... 43


CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................45

3.1. Nghiên cứu xử lý nƣớc thải axít mỏ than Na Dƣơng sử dụng Ca(OH) 2,
Na2CO3, NaOH kết hợp với chất trợ keo tụ PAM. .................................................. 45
3.1.1. Nghiên cứu sử dụng sữa vôi Ca(OH)2 kết hợp với chất trợ keo tụ PAM .................. 45
3.1.2. Nghiên cứu sử dụng sữa vôi (CaOH)2 và Na2CO3 kết hợp với chất trợ keo tụ PAM
trong xử lý nước thải axit mỏ. .................................................................................................... 47
3.1.3. Nghiên cứu sử dụng NaOH kết hợp với chất trợ keo tụ PAM trong xử lý nước thải
axit mỏ. .......................................................................................................................................... 49
3.1.4. Tính toán so sánh hiệu quả các phương án xử lý ......................................................... 50
3.2. Nghiên cứu tái sử dụng nƣớc thải axít mỏ than Na Dƣơng. ............................ 52
3.2.1. Quy trình điều chế Poly-nhôm-sắt-sunfat từ nước thải axít mỏ làm chất keo tụ trong
xử lý nước thải.............................................................................................................................. 52
3.2.2. Khả năng xử lý nước thải của dung dịch keo tụ Poly-nhôm-sắt sunphate điều chế
được. .............................................................................................................................................. 55
3.3. Đề xuất lựa chọn công nghệ áp dụng .................................................................. 65
3.3.1. Đề xuất lựa chọn công nghệ áp dụng cho xử lý nước thải axít mỏ than Na Dương..... 65
3.3.2. Đề xuất quy trình điều chế dung dịch PAFS từ nước thải axít mỏ than Na Dương ...... 67
CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN ...............................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................70


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Hình ảnh moong khai thác và ô nhiễm nƣớc thải mỏ than Na Dƣơng ..............3
Hình 1.2. Hàm lƣợng cặn lơ lửng trong nƣớc thải khu vực Đông Triều – Uông Bí ........4
Hình 1.3. Hàm lƣợng sắt tổng số trong nƣớc thải khu vực Đông Triều -Uông Bí............4
Hình 1.4. Sơ đồ quy trình xử lý nƣớc thải mỏ bằng phƣơng pháp chủ động. ...................9
Hình 1.5. Quy trình xử lý nƣớc thải HDS ....................................................................... 10
Hình 1.6. Sơ đồ xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học......................................... 12
Hình 1.7. Sơ đồ công nghệ xử lý nƣớc thải bằng lắng trọng lực .................................... 14
Hình 1.8. Hệ thống xử lý nƣớc thải cửa lò giếng +27 – mỏ than Quang Hanh ............ 14

Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống xử lý nƣớc thải khu –25 +30 Mạo Khê................................. 15
Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống xử lý nƣớc thải bằng đá vôi................................................. 16
Hình 1.11. Sơ đồ công nghệ xử lý nƣớc thải –51 Hà Lầm ............................................. 17
Hình 1.12. Độ hòa tan của các hyđrôxít kim loại theo giá trị pH của dung dịch .......... 25
Hình 1.13. Điện tích trên hạt keo giải thích bằng thuyết 2 lớp. ...................................... 28
Hình 1.14. Giảm điện tích thực trên hạt rắn (a), giảm điện tích thực trên hạt rắn bằng
thêm các ion trái dấu hóa trị III ....................................................................................... 29
Hình 1.15. Sơ đồ quá trình keo tụ, tạo bông sử dụng tác nhân đông tụ, trợ lắng .................. 31
Hình 2.1. Đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng sắt tổng..................................................... 36
Hình 2.2. Đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng Mangan .................................................... 37
Hình 2.3. Đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng Nhôm ....................................................... 39
Hình 2.4. Đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng PO43-......................................................... 40
Hình 2.5. Đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng P-tổng ...................................................... 42


Hình 3.1. Giá trị pH, độ đục, TSS của nƣớc thải sau khi xử lý bằng PAFS................... 57
ở các liều lƣợng khác nhau............................................................................................... 57
Hình 3.2. Giá trị BOD, COD của nƣớc thải sau khi xử lý bằng PAFS .......................... 59
ở các liều lƣợng khác nhau............................................................................................... 59
Hình 3.3. Sự giảm nồng độ lân hòa tan và lân tổng khi sử dụng PAFS tại các liều lƣợng
khác nhau .......................................................................................................................... 61
Hình 3.4. Một số chỉ tiêu ô nhiễm trƣớc và sau xử lý khi không sử dụng chất keo tụ và
sử dụng các loại keo tụ phèn nhôm, phèn sắt và poly nhôm sắt sunphát ....................... 64
Hình 3.5. Hình ảnh một số mẫu nƣớc thải đƣợc dùng làm nguyên liệu điều chế dung
dịch keo tụ PAFS ......................................................................................................... 65
Hình 3.6. Quy trình công nghệ xử lý nƣớc thải axít mỏ than Na Dƣơng ....................... 67
Hình 3.7. Quy trình điều chế dung dịch PAFS từ nƣớc thải mỏ ..................................... 68


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Kết quả phân tích nƣớc thải mỏ than Na Dƣơng 2014-2015 ......................... 22
Bảng 1.2. Kết quả phân tích nƣớc thải mỏ than Na Dƣơng các năm 2012-2013........... 23
Bảng 2.1. Bảng dãy dung dịch chuẩn làm việc xác định hàm lƣợng sắt tổng số ........... 35
Bảng 2.2. Bảng dãy dung dịch chuẩn làm việc xác định hàm lƣợng Mangan ............... 37
Bảng 2.3. Bảng dãy dung dịch chuẩn làm việc xác định hàm lƣợng Nhôm .................. 38
Bảng 2.4. Bảng dãy dung dịch chuẩn làm việc xác định hàm lƣợng PO43- .................... 40
Bảng 2.5. Bảng dãy dung dịch chuẩn làm việc xác định hàm lƣợng P-tổng.................. 41
Bảng 3.1. Kết quả xử lý nƣớc thải bằng sữa vôi và chất trợ keo tụ PAM ..................... 46
Bảng 3.2. Kết quả xử lý nƣớc thải bằng sữa vôi kết hợp Na2CO3 ................................. 48
và chất trợ keo tụ PAM .................................................................................................... 48
Bảng 3.3. Kết quả thử nghiệm xử lý nƣớc bằng dung dịch NaOH................................. 50
và chất trợ keo tụ PAM .................................................................................................... 50
Bảng 3.4. Thành phần nƣớc thải mỏ than Na Dƣơng và thành phần dung dịch keo tụ
Poly-nhôm-sắt-sunphat (PAFS) điều chế đƣợc ............................................................... 52
Bảng 3.5. Thành phần, đặc điểm nƣớc thải trƣớc xử lý với PAFS ................................. 56
Bảng 3.6. Kết quả thí nghiệm khảo sát pH, TSS và độ đục nƣớc thải nhà hàng Quảng
Đông khi xử lý bằng dung dịch keo tụ Poly-nhôm-sắt-sunphat ..................................... 57
Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm khảo sát BOD5, COD trong nƣớc thải nhà hàng Quảng
Đông khi xử lý bằng dung dịch keo tụ Poly-nhôm-sắt-sunphat ..................................... 58
Bảng 3.8. Kết quả thí nghiệm khảo hàm lƣợng phốt pho hòa tan và phốt pho tổng số khi
xử lý bằng dung dịch keo tụ Poly-nhôm-sắt-sunphat...................................................... 60
Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm so sánh hiệu quả xử lý nƣớc thải của PAFS điều chế
đƣợc với phèn nhôm và phèn sắt…………………………………………………...…63


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt

Tiếng anh

Tiếng Việt

Abs

Absorbance

Độ hấp thụ quang

ALD

Anoxic limestone drains

Mƣơng đá vôi yếm khí

BOD

Biochemical oxygen demand

Nhu cầu ôxy sinh học

BTNMT

-

Bộ Tài nguyên và Môi
trƣờng

COD

Chemical oxygen demand

Nhu cầu ôxy hoá học

NXB

-

Nhà xuất bản

PAFS

Poly aluminium ferric

Poly nhôm sắt sunphat

sulphate
PAM

Poly Acrylamide

Poly acrylamit

SM

Standard Method

Phƣơng pháp tiêu chuẩn

TDS

Total Dissolved Solids

Chất rắn hòa tan tổng số

TSS

Total Suspended Solids

Chất rắn lơ lửng tổng số

QCVN

-

Quy chuẩn Việt Nam

XLNT

Treatment of Wastewater

Xử lý nƣớc thải


MỞ ĐẦU
Đồng hành với sự phát triển nhanh của nền kinh tế, trong những năm gần
đây, do nhu cầu ngày càng cao dùng than để sản xuất và tiêu dùng. Các quốc gia
trên thế giới đã tiến hành khai thác than với sản lƣợng ngày càng lớn, kéo theo đó là
cả một số lƣợng lớn chất thải mỏ do khai thác trong đó đất đá thải và nƣớc thải mỏ

là các thành phần chính gây ô nhiễm môi trƣờng khu vực khai khoáng.
Tại Việt Nam quá trình khai thác than đã diễn ra nhiều năm, chất lƣợng môi
trƣờng ở một số vùng than trọng điểm nhƣ Đông bắc, Quảng ninh... đã bị tác động
mạnh, đa dạng sinh học suy giảm nhanh trong vòng 20 năm trở lại đây, nhiều nguồn
tài nguyên môi trƣờng đã bị khai thác cạn kiệt, gây ra bồi lấp các dòng sông, suối;
các hoạt động vận tải, sàng tuyển khai thác than và các loại khoáng sàng khác đã
gây ra những nguồn ô nhiễm về nguồn nƣớc lớn, tăng sức ép lên các vùng sinh thái
nhạy cảm... Hoạt động này đã đang là nguyên nhân làm suy thoái tài nguyên, môi
trƣờng, ảnh hƣởng trực tiếp đến tiềm năng phát triển kinh tế xã hội và đời sống.
Phần lớn các hoạt động kinh tế - xã hội, trong đó có du lịch và thuỷ sản phụ thuộc
rất nhiều vào chất lƣợng của các nguồn tài nguyên môi trƣờng.
Mục đích nghiên cứu của đề tài là tìm ra phƣơng pháp xử lý nƣớc thải mỏ
than phù hợp để thu đƣợc nƣớc sau xử lý có các chỉ tiêu đạt yêu cầu theo quy chuẩn
xả thải hiện hành và tái sử dụng lại ngay trong khu mỏ. Bên cạnh đó, nghiên cứu tái
sử dụng nguồn nƣớc thải axit mỏ bằng điều chế dung dịch keo tụ phục vụ cho xử lý
nƣớc là giải pháp khoa học và kinh tế cho vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trƣờng .
Do đó yêu cầu về phát triển công nghệ tái chế đã trở thành giải pháp quan
trọng trong xử lý chất thải mỏ than và tiết kiệm năng lƣợng.

1


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Tình hình ô nhiễm nƣớc thải trong khai thác than
Tình hình ô nhiễm nƣớc thải trong khai thác than
* Sự hình thành và đặc tính nƣớc thải mỏ than
Quá trình oxy hóa quặng pyrit hay cancopirit, sphalerit, galen trong các
tầng than và sự phân hủy các thành phần trong than có thể xảy ra khi bề mặt đƣợc
tiếp xúc với chất oxy hóa và nƣớc, hoặc trong môi trƣờng hiếu khí hay yếm khí tùy

thuộc vào các chất oxy hóa [2,30]. Quá trình này diễn ra rất phức tạp có liên quan
đến hóa học, sinh học, và các phản ứng điện hóa theo các phản ứng
2+

2-

+

FeS2(r) + 7/2 O2 + H2O → Fe + 2SO4 + 2H
2+

+

(1)

3+

Fe + ¼ O2 + H → Fe + ½ H2O
3+

(2)

+

Fe + 3H2O → Fe(OH)3 +3H
3+

(3)
2+

2-

+

14 Fe + FeS2(r) +8H2O →15 Fe + 2SO4 + 16H

(4)

Các vi sinh vật ƣa khí và sử dụng lƣu huỳnh làm chất dinh dƣỡng nhƣ chủng
 Do đó gây ra tính axit trong nƣớc thải mỏ.
Thiobacillus, Ferrooxidans, Sulfobaccillusan, thƣờng tồn tại trong môi trƣờng nƣớc
mỏ. Khi tham gia phản ứng chúng có tác dụng nhƣ chất xúc tác làm tăng cƣờng độ
và phạm vi của phản ứng.
Khi tiến hành các hoạt động khai thác sẽ hình thành các moong sâu đến hàng
trăm mét, là nơi tập trung nƣớc cục bộ. Để đảm bảo hoạt động của mỏ, ngƣời ta
phải thƣờng xuyên bơm tháo khô nƣớc ở đáy moong, hầm lò, hình thành các phễu
hạ thấp mực nƣớc dƣới đất với độ sâu mực nƣớc từ vài chục đến hàng trăm mét và
bán kính phễu hàng trăm mét. Điều đó dẫn đến tháo khô các công trình chứa nƣớc
trên mặt nhƣ hồ ao, xung quanh khu mỏ.
Mức độ ô nhiễm hóa học các nguồn nƣớc phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ
đặc điểm thân quặng, thành phần thạch học và độ bền vững của đất đá chứa

2


than, phƣơng pháp và trình độ công nghệ khai thác, chế biến, biện pháp quản lý và
xử lý chất thải.

Hình 1.1. Hình ảnh moong khai thác và ô nhiễm nƣớc thải mỏ than Na Dƣơng
Nước thải từ các khu khai thác: Gồm lƣợng nƣớc thải đƣợc bơm hút từ các

mỏ hầm lò, lộ thiên với đặc tính chung: Chứa nhiều bùn cát, nồng độ ion sunphat
cao, độ pH thấp (tính axít cao), hàm lƣợng các ion kim loại hòa tan nhƣ Fe3+, Mn2+,
Al3+, Zn2+, S2- và hàm lƣợng chất rắn lơ lửng cao. Lƣợng nƣớc thải này thƣờng chƣa
đƣợc xử lý mà xả thải trực tiếp vào các sông suối.
Nước mưa rửa trôi bề mặt khai trường: Trên bề mặt đất khai trƣờng có nhiều
chất với thành phần hoá học khác nhau nhƣng với hàm lƣợng nhỏ không đáng kể, do
khai trƣờng không có thảm thực vật nên lƣợng đất đá bị rửa trôi theo bề mặt lớn. Mặt
khác, tại khu vực sửa chữa cơ khí có thể có hàm lƣợng dầu mỡ nhất định. Tại khu
vực sinh hoạt, chất thải sinh hoạt nếu không đƣợc thu gom xử lý cũng làm cho nƣớc
có hàm lƣợng BOD, coliform cao.
Một số biểu đồ về các chỉ tiêu nƣớc thải mỏ của một số mỏ điển hình khu
vực Đông Triều – Uông Bí
3


Biểu đồ: Hàm l-ợng cặn lơ lửng trong n-ớc thải khu vực Đông Triều-Uông Bí

mg/l

700

640

600
500
400
300

258
178

200

146

100
0

58

49

Lò -25 mỏ
Mạo Khê

58

Lò +30 mỏ Nhà sàng
Mạo Khê
Mạo Khê

Mỏ
Nam Mẫu

Nhà sàng
Mỏ
Mỏ
Mỏ
Vàng Danh Vàng Danh Đồng Vông Hồng Thái

Giá trị đo

54

26

Kho than
Khe Ngát

TCVN 5945-2005(Gh d-ới mức B)

Hỡnh 1.2. Hm lng cn l lng trong nc thi khu vc ụng Triu Uụng Bớ.

Biểu đồ: Hàm l-ợng sắt trong n-ớc thải khu vực Đông Triều-Uông Bí
mg/l
7.0

6.5

6.0

5.6

5.0
4.1
4.0

3.6

3.2

3.1
3.0

2.5
1.8

2.0

1.6

1.0
0

Lò -25 mỏ
Mạo Khê

Lò +30 mỏ Nhà sàng
Mạo Khê
Mạo Khê

Mỏ
Nam Mẫu

Nhà sàng
Mỏ
Mỏ
Mỏ
Vàng Danh Vàng Danh Đồng Vông Hồng Thái

Giá trị đo

Kho than
Khe Ngát

TCVN 5945-2005(Gh d-ới mức B)

Hỡnh 1.3. Hm lng st tng s trong nc thi khu vc ụng Triu -Uụng
Bớ.

4


1.2. Tổng quan tình hình và công nghệ xử lý nƣớc thải khai thác than
1.2.1. Tình hình và công nghệ xử lý nƣớc thải khai thác than trên thế giới
Xử lý nƣớc thải mỏ ngay tại nguồn thải luôn là phƣơng pháp ƣu tiên đƣợc
chú trọng tại hầu hết các mỏ trên thế giới. Vấn đề phục hồi môi trƣờng nƣớc còn lại
chỉ là ngăn chặn nƣớc mƣa chảy tràn hoặc nạo vét sông ngòi để khai thông dòng
chảy và nâng cao dung tích hồ chứa tại các khu vực nhận thải lân cận.
Nƣớc thải khai thác than thƣờng đƣợc thu gom, xử lý bằng phƣơng pháp hóa
học, phƣơng pháp sinh học hoặc công nghệ tích hợp nhiều phƣơng pháp. Sau đó
nƣớc đƣợc tái sử dụng quay vòng lại phục vụ cho các mục đích sử dụng khác nhau
trong khu mỏ. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải than [24,36].
- Phƣơng pháp chủ động (Active)
- Phƣơng pháp thụ động (Passive)
- Phƣơng pháp bán chủ động ( Semi – Active)
a) Phƣơng pháp thụ động
Là phƣơng pháp nhằm cải thiện chất lƣợng nƣớc bằng cách chỉ sử dụng các
tác nhân tự nhiên nhƣ: trọng lực, vi sinh, quang hợp. Phƣơng pháp này bao gồm
phƣơng pháp lắng/hiếu khí (hồ ôxi hóa/lắng, đầm lầy); phƣơng pháp tạo tính kiềm

liên tục sử dụng vật liệu có tính kiềm nhƣ đá vôi, hồ đá vôi, kết hợp ALD và đầm
lầy.
Phƣơng pháp này tốt ít chi phí để duy trì vận hành. Các đặc điểm chính của
phƣơng pháp Passive là:
+ Cần diện tích rộng do thời gian xử lí kéo dài
+ Trong một số trƣờng hợp không đem lại hiệu quả cao
+ Tốc độ dòng chảy và chất lƣợng nƣớc thay đổi theo mùa
+ Chi phí vận hành nhỏ

5


* Công nghệ đầm lầy nhân tạo (Wetlands) [22].
“Wetlands” là thuật ngữ chung chỉ vùng bao phủ lầy lội, đầm lầy, đồng cỏ
ngập nƣớc và đơn giản là khu đầm lầy. Đầm lầy tự nhiên có thể hấp thụ sắt và các
ion kim loại khác ở trong nƣớc, làm giàu limonic (hợp chất của hydroxit sắt (III))
đƣợc dẫn chứng bằng việc tìm thấy ở các bãi lầy có chứa quặng sắt ở dạng khoáng
limonic hoặc các bãi lầy chứa quặng Mn.
Sử dụng đầm lầy nhân tạo để xử lý nƣớc thải mỏ đƣợc thể hiện qua nhiều
công trình nghiên cứu về sự tƣơng tác của đầm lầy tự nhiên với nƣớc thải mỏ. Chất
lƣợng nƣớc sau khi đi ra khỏi đầm lầy đƣợc theo dõi cho thấy đã cải thiện một cách
đáng kể hàm lƣợng Fe, Mn, Ca, Mg, SO4 và tăng pH từ 2,5 ÷ 3,5 tới 4 ÷ 6.
Mô phỏng đầm lầy tự nhiên ngƣời ta đã xây dựng đầm lầy nhân tạo gồm hệ
thống có lớp nền bên dƣới, bên trên là các thực vật nổi, thực vật chìm, cùng cộng
đồng các sinh vật có thể sống trong hệ thống.
*Thực vật trong đầm lầy: Thực vật trong đầm lầy thƣờng có ba hợp phần
chủ yếu: loại thích nghi với nƣớc ở điều kiện yếm khí đã bão hòa và có khả năng
chịu nồng độ ô nhiễm cao; loại chất nền để nuôi dƣỡng thực vật; hoạt động vi khuẩn
hiếu khí và yếm khí của tảo ô nhiễm. Loài nổi bật nhất typha latifolia chiếm ƣu thế
nhất đầm lầy. Chúng đƣợc sử dụng nhiều trong đầm lầy nhân tạo của Mỹ nhờ có

sức chịu đựng tốt với nƣớc mỏ có pH thấp, hàm lƣợng sắt cao.
Các chất nền: Chất nền cung cấp vật chất nuôi dƣỡng thực vật bên trong đầm
lầy. Chúng bao gồm đất, cát và sỏi hoặc các khối kết hợp khác nhƣ tro bay từ việc
đốt than và bùn đất nạo vét mỏ, các chất nền đất hữu cơ chứa sét thƣờng có hoạt
động trao đổi ion cao hơn so với các loại vật liệu khác. Nấm trộn đƣợc sử dụng rộng
rãi làm chất nền hữu cơ cho đầm lầy nhân tạo. Các kiện cỏ khô, hay các bãi than
bùn và một số loại phân bón cũng có thể đƣợc sử dụng..
Hedin [23] và Hammer [22] khái quát đầm lầy nhân tạo thành các dạng:
+ Hệ thống đầm lầy nhân tạo hiếu khí.
+ Hệ thống đầm lầy nhân tạo với chất nền hữu cơ.
6


Hầu hết hệ thống đầm lầy nhân tạo hiếu khí đƣợc xây dựng để xử lý nƣớc
thải mỏ than đều chứa tipha latifolia hoặc các thực vật nổi khác mọc trên lớp đất sét
hoặc đất bùn. Đầm lầy nhân tạo với chất nền hữu cơ thƣờng đơn giản là đầm lầy
hiếu khí, nhƣng chứa một lớp dầy chất hữu cơ.
Đầm lầy nhân tạo đƣợc xây dựng gồm một hoặc nhiều hố nông, hoặc các
ngăn, mỗi ô có diện tích bề mặt nhỏ hơn 1 hecta. Kích thƣớc và hình dạng của đầm
lầy phụ thuộc vào vị trí địa hình, địa chất thủy văn và giá trị sử dụng đất.
Ngày nay, nhiều mỏ ở Mỹ và Anh đã sử dụng đầm lầy nhân tạo để xử lý
nƣớc thải mỏ có hiệu quả.
*Công nghệ mƣơng đá vôi yếm khí (ALD – Anoxic limestone drains) [23, 36].
Mƣơng đá vôi yếm khí (ALD) là loại mƣơng mà trong lòng có chôn lớp đá
vôi, đƣợc sử dụng để xử lý nƣớc thải có tính axit. Nƣớc thải đƣợc dẫn vào mƣơng,
pH và tính kiềm của nƣớc thải tăng lên bởi phản ứng với đá vôi. Khi sử dụng đá vôi
xử lý nƣớc mỏ ở trong điều kiện hiếu khí, những viên đá vôi nhanh chóng bị bao
bọc bởi những lớp sắt oxít và sắt (III) hydroxit. Kiềm đƣợc cho thêm vào nƣớc thải
mỏ có tính axit cao làm cho pH tăng lên. Dòng nƣớc thải từ mƣơng yếm khí đƣa ra
môi trƣờng có điều kiện hiếu khí sẽ xảy ra hiện tƣợng ôxi hóa kim loại, thủy phân

và các phản ứng kết tủa. ALD là phƣơng pháp xử lý đƣợc dùng trƣớc một hệ thống
xử lý hiếu khí để chuyển hóa kim loại từ dạng hòa tan. Khi sử dụng ALD ở trƣớc
một đầm lầy nhân tạo hiếu khí, ALD có thể cung cấp khả năng, điều kiện thuận lợi
cho đầm lầy nhân tạo loại bỏ kim loại. Hệ thống đầm lầy nhân tạo hoạt động hiệu
quả nhất khi pH của nƣớc thải mỏ <6,0 và có chứa kiềm. Các phản ứng thủy phân
tạo ra H+ sẽ làm giảm pH của nƣớc mỏ trừ khi có lớp đệm bằng kiềm. Tốc độ ôxy
hóa sắt và các kim loại khác giảm mạnh ở pH thấp.
Không có một bộ tiêu chuẩn nào để thiết kế và xây dựng ALD. Tuy nhiên,
một số thông số đƣợc đƣa ra dựa trên kinh nghiệm và quan sát điều kiện thực tế,
theo đó hầu hết các mƣơng cũ đều đƣợc xây dựng có cấu trúc dài và hẹp. Ví dụ,
mƣơng Morrison ALD (Vùng Pennsylvania, Mỹ) rộng 1m, dài 46 m và chứa

7


khoảng 1m đá vôi có kích thƣớc 5÷10 cm. Ở những vùng không có khả năng xây
dựng đƣợc các đƣờng mƣơng dài hơn, thì đặt các lớp đá vôi yếm khí có chiều rộng
10 ÷ 20 m. Một ALD thành công là hệ thống phải loại bỏ đƣợc ôxy. Hệ thống
thƣờng đƣợc bịt kín do mƣơng nằm dƣới lớp đất sét (chiều sâu > 1m), để dòng vào
của ôxy không khí là nhỏ nhất và sự tích tụ cacbon dioxit trong mƣơng là lớn nhất,
có thể sử dụng một tấm plastic để ngăn không khí đi từ lớp đất sét vào lớp đá vôi.
Một số ALD đƣợc thiết kế với đá vôi đƣợc bao quanh hoàn toàn bằng plastic. Đá
vôi ở bên trong mƣơng cần đƣợc liên tục ngập chìm trong nƣớc.
Chất lƣợng đá vôi và kích thƣớc của chúng là một chỉ tiêu rất quan trọng.
Cần sử dụng loại đá vôi có chất lƣợng cao (CaCO3> 90%) để có đƣợc tính kiềm cao
trong nƣớc thải. Thời gian lƣu lại của nƣớc thải mỏ trong mƣơng là một yếu tố quan
trọng. Thời gian lƣu phải đủ dài để lƣợng đá vôi hòa tan có thể trung hòa đƣợc nƣớc
thải mỏ. Ngƣời ta thƣờng chọn thời gian lƣu là 48 giờ
b) Phƣơng pháp chủ động
Xử lý “Chủ động” là phƣơng pháp dùng hóa chất để xử lý cải thiện chất

lƣợng nƣớc. Đây là phƣơng pháp mang tính truyền thống.
Phương pháp chủ động gồm các quá trình cơ bản sau [27, 29]:
+ Quá trình trung hòa làm các ion kim loại tạo thành các hyđroxit kim loại
+ Quá trình kết tủa và đông tụ sau khi trung hòa.
- Các hóa chất thƣờng dùng:
+ Chất trung hòa: NaOH, CaO, vôi tôi Ca(OH)2, Na2CO3, NH3...
+ Chất keo tụ: FeSO4, Al2(SO4)3, NaAlO2, polyme,...
+ Chất oxi hóa: Ca(ClO)2, NaClO, KMnO4, H2O2,...
Đặc điểm chính:
+ Áp dụng tính chất hóa học của hầu hết các kim loại nặng trong nƣớc thải
axit mỏ (AMD) có thể kết tủa ở pH 6  9 [29]. Xử lý đạt hiệu quả cao với một thể
tích nƣớc lớn, dễ dàng điều chỉnh khi thành phần nƣớc thải thay đổi.

8


Quá trình trung hòa
Chất trung hòa

Quá trình tách rắn - lỏng
Chất keo tụ
Bể lắng

AM
D

Đầu ra
Bể ổn định

Bể trộn

Bể keo tụ

Bùn

Thu hồi

Hình 1.4. Sơ đồ quy trình xử lý nƣớc thải mỏ bằng phƣơng pháp chủ động.
- Phương pháp trung hòa bằng bùn hồi lưu: Quá trình HDS (High Density Sludge):
Đƣợc áp dụng thành công tại Hàn Quốc, đƣợc phổ biến tại một số nƣớc trên thế
giới. Phƣơng pháp đƣợc thực hiện với đặc điểm sử dụng một phần bùn hồi lƣu tham
gia vào quá trình kết tủa, vôi đƣợc phun trực tiếp vào dòng bùn hồi lƣu, sau đó đƣợc
khuấy trộn với nƣớc thải mỏ làm cho quá trình kết tủa xảy ra trên bề mặt bùn, cải
thiện quá trình tách rắn lỏng, giảm lƣợng bùn thải và giảm quy mô của hệ thống.

9


Vôi

AMD

Chất trợ keo

DDS
SD

Bể lắng

ZZ f

Đầu ra

DĐ
mb
DĐD
Bể trộn vôi, bùn Bể trộn

Bể keo tụ
Loại bỏ

Tuần

hoàn

bùn

Hình 1.5. Quy trình xử lý nƣớc thải HDS.
Hiện nay trên thế giới thường áp dụng các giải pháp xử lý nước thải mỏ sau [36].
* Xử lý bằng phƣơng pháp hóa học
Phƣơng pháp hóa học xử lý nƣớc thải mỏ gồm 5 bƣớc chính sau.
- Điều hòa và kiểm soát lƣu lƣợng và đặc tính của nguồn nƣớc thải.
- Trung hòa bằng các hóa chất.
- Oxi hóa, làm kết tủa các ion kim loại dạng hòa tan.
- Lắng cặn các hidroxit kim loại và các chất rắn lơ lửng khác.
- Loại bỏ bùn cặn.
Tùy theo tính chất nƣớc thải mỏ và lƣu lƣợng mà ngƣời ta áp dụng những hệ
thống khác nhau, cũng nhƣ các hóa chất, chất trợ lắng khác nhau. Để xử lý nƣớc
thải của mỏ than, phƣơng pháp hóa học đƣợc áp dụng rộng rãi. Phƣơng pháp này
phân thành 2 dạng: Sục khí và sử dụng các hóa chất để trung hòa nƣớc thải mỏ có

tính axit và kết tủa ion của các nguyên tố kim loại Fe, Mn, Al, Zn, Cd, As…
Phương pháp sục khí
Sục khí là phƣơng pháp xử lý đơn giản nhất. Khi sục khí Fe2+ và Mn2+ ở
dạng hòa tan có thể đƣợc oxi hóa và kết tủa dƣới dạng Fe3+ và Mn4+. Mức độ ôxi
10


hóa các chất phụ thuộc nhiều vào giá trị pH của nƣớc. Sục khí tạo phản ứng oxi hóa
Fe2+ thành Fe3+; với Mn2+ thành Mn4+. Nếu yêu cầu loại bỏ Mn2+ thì có thể cần thiết
phải tăng pH bằng hóa chất. Những khu vực rộng lớn thƣờng đƣợc áp dụng kiểu các
thác nƣớc để trộn lẫn không khí khi không có sự điều chỉnh pH [36]. Thời gian lƣu
nƣớc thải để các hạt lắng xuống đáy phải trên 24h, sau đó nƣớc mới đƣợc thải ra
môi trƣờng.
Phương pháp xử lý bằng hóa chất :
Đặc tính chung của nƣớc thải mỏ than là có tính axit cao, hàm lƣợng ion
kim loại chứa Fe, Mn, Al, Ca, Zn… ở dạng hòa tan cao [29]. Các công ty khai thác
mỏ trên thế giới thƣờng chủ động dùng các hóa chất để xử lý nƣớc thải mỏ. Các hóa
chất có tính kiềm đƣợc sử dụng để trung hòa tính axít của nƣớc thải mỏ và chuyển
hóa các kim loại dạng hòa tan trong nƣớc thải mỏ thành dạng ít tan rồi tách loại ra
khỏi nƣớc. Trong công nghệ xử lý nƣớc thải mỏ bằng hóa chất có các yêu cầu đƣợc
đặt ra là: giá hóa chất xử lý, giá vận hành các thiết bị hòa trộn và nạp hóa chất, các
phản ứng oxi hóa, hệ thống hồ lắng trong hệ thống xử lý nƣớc thải mỏ.
Trong quá trình xử lý nƣớc thải mỏ, để đẩy nhanh quá trình oxi hóa và kết
tủa các ion kim loại và lắng đọng các chất rắn lơ lửng thƣờng cần phải bổ xung
thêm một số hóa chất với vai trò làm chất xúc tác, trợ lắng gồm:
+ Các hóa chất xúc tác đẩy nhanh quá trình oxi hóa và kết tủa nhƣ: O2, H2O2,
HClO, KMnO4.
+ Các chất xúc tác đẩy nhanh quá trình lắng: thƣờng là các chất kết bông,
chất keo tụ nhƣ : nhôm sunfat, keo tụ hữu cơ, các khoáng vật…các loại keo tụ này
hòa tan trong nƣớc và có ái lực tốt với các hạt keo và cặn lơ lửng theo xu hƣớng gắn

kết lại với nhau tạo thành hạt to hơn nên tốc độ lắng sẽ nhanh hơn.
c) Phƣơng pháp xử lý bán chủ động
Là phƣơng pháp kết hợp giữa các quá trình của phƣơng pháp xử lý chủ động
“active” và bị động “pasive” nhằm làm giảm chi phí vận hành.
Trong đó: Phƣơng pháp “active” gồm quá trình oxi hóa và quá trình trung hòa
Phƣơng pháp “pasive” gồm: đầm lầy, đầm sinh học,...

11


* Xử lý bằng phƣơng pháp sinh học
Các chất ô nhiễm trong nƣớc thải mỏ có thể đƣợc xử lý bằng việc sử dụng
các phản ứng sinh học. Giảm sunfat bằng sinh học đã đƣợc xem nhƣ một phƣơng
pháp để trung hòa nƣớc thải mỏ có tính axit, đồng thời kết tủa kim loại ở dạng
sunfit. Sử dụng vi khuẩn giảm sunfat để thay cho việc xử lý bằng hóa chất, trong đó
các vi khuẩn oxi hóa hyđrô hay các hợp chất hữu cơ sử dụng sunfat là chất nhƣờng
điện tử cuối cùng và chuyển sun phát thành sunfit. Loại vi khuẩn này có khả năng
chịu đƣợc nhiệt độ và có hoạt tính sinh học cao [17].
SO42-  SO32- HSO3- HS- S2-

Diễn biến hóa học tổng quát:

HS-+ Me2+  MeS + H+

Hình 1.6. Sơ đồ xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học.

12


1.2.2. Tình hình và công nghệ xử lý nƣớc thải khai thác than áp dụng ở Việt

Nam
Đánh giá về khả năng áp dụng các biện pháp xử lý nƣớc thải vào ngành than
cho thấy: Do Việt Nam là một nƣớc nhiệt đới gió mùa ẩm, khí hậu có đặc điểm
phân chia thành hai mùa có ảnh hƣởng đến công tác khai thác than nói chung và
công tác xử lý nƣớc thải mỏ nói riêng. Vào mùa khô, nƣớc thải mỏ mang tính axit
nhƣng lƣợng chất rắn lơ lửng trong nƣớc thải giảm. Vào mùa mƣa đặc điểm tác
nhân môi trƣờng có tính ngƣợc lại nƣớc thải không có tính axit nhƣng nồng độ TSS
trong nƣớc thải cao hơn.
a. Xử lý bằng lắng trọng lực (Phƣơng pháp thụ đông) .
Công nghệ xử lý nƣớc thải theo phƣơng pháp lắng bằng trọng lực đƣợc áp dụng để
xử lý đối với nƣớc thải có hàm lƣợng cặn rắn lơ lửng khá lớn, pH và các kim loại
hòa tan thấp. Công nghệ sử dụng các công trình là dạng bể lắng đơn giản, thƣờng là
bể lắng ngang, đứng hay các hồ lắng thể hiện trong hình 1.7
Nƣớc thải theo đƣờng ống bơm dẫn vào bể giảm xung (B1). Tại đây nƣớc
đƣợc điều hòa dòng chảy và ổn định ban đầu sau đó đƣợc dẫn sang bể lắng (B2).
Tại bể (B2) xảy ra quá trình lắng bằng trọng lực, các chất rắn lơ lửng và một lƣợng
kết tủa của kim loại đƣợc lắng xuống đáy bể. Phần nƣớc trong trên bề mặt đƣợc thu
gom phía cuối bể hoặc bằng các máng thu xung quanh bể và đƣợc sử dụng vào các
mục đích dập bụi hoặc cứu hỏa ... Phần dƣ thừa theo mƣơng thoát nƣớc xả vào
nguồn tiếp nhận. Bể lắng sẽ đƣợc định kỳ tháo khô thông qua các van xả bên thành
bể và dùng máy xúc của mỏ để nạo vét bùn cặn lắng ở phần đáy bể, bùn thải đƣợc
đƣa đi chôn lấp ở bãi thải hoặc đƣợc phơi ở sân công nghiệp rồi tận dụng để pha
trộn với than cám. Phƣơng pháp lắng trọng lực đã đƣợc ứng dụng để xử lý nƣớc thải
ở mỏ than Quang Hanh (Hình 1.8) và mỏ than Mạo Khê.

13


Hình 1.7. Sơ đồ công nghệ xử lý nƣớc thải bằng lắng trọng lực.
.

Hình 1.8. Hệ thống xử lý nƣớc thải cửa lò giếng +27 – mỏ than Quang Hanh.

14


Hình 1.9 là sơ đồ hệ thống xử lý nƣớc thải khu -25 ÷ +30 nhà sàng Mạo Khê.
Nguồn thải đƣợc tập trung từ các cửa lò -25; cửa lò +30 và nƣớc mặt của khu sàng
tuyển Mạo Khê; lƣu lƣợng khoảng 100 m3/giờ, pH từ 6,4÷7,5; hàm lƣợng TSS, Fe,
Mn cao.
Nƣớc từ các nguồn đƣợc dẫn vào mƣơng rồi đƣa vào hồ thứ nhất. Ở đây
nƣớc thải đƣợc giữ lại một khoảng thời gian nhất định. Theo thời gian, các hạt chất
rắn tự lắng xuống đáy hồ, lớp nƣớc phía trên tiếp tục đƣợc đƣa sang hồ thứ 2 qua
đập tràn. Tại hồ thứ hai, các hạt lơ lửng tiếp tục lắng xuống. Cuối cùng, nƣớc trong
tiếp tục chảy qua đập tràn để đổ vào mƣơng thoát của khu vực. Bùn từ đáy hồ đƣợc
đƣa lên sân phơi bùn, nƣớc róc từ bùn lại dẫn vào mƣơng nƣớc tại đầu vào. Hệ
thống xử lý này có ƣu điểm là chi phí xây dựng thấp, chi phí vận hành thấp tuy
nhiên yêu cầu phải có diện tích rộng để xây dựng, tính ổn định của chất lƣợng nƣớc
đầu ra chƣa cao, không xử lý đƣợc tính axít của nƣớc thải mỏ.

Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống xử lý nƣớc thải khu –25 +30 Mạo Khê.
b. xử lý lắng bằng vật liệu tự nhiên: ( Mương đá vôi ALD)
Hệ thống xử lý này là một hệ thống bể gồm nhiều ngăn, các ngăn đƣợc chứa
đầy các hạt đá vôi. Nƣớc thải có tính axít khi đi qua các lớp đá vôi sẽ xảy ra phản

15


ứng để tạo Ca(HCO3)2, Ca(OH)2 làm giảm tính axít trong nƣớc thải, đồng thời tạo
môi trƣờng để kết tủa các ion Fe3+ và Mn2+ dƣới dạng hiđrôxít.

Đây là hệ thống có chi phí xây dựng thấp, vật liệu xử lý rẻ, sẵn có. Tuy
nhiên, hiệu quả xử lý không cao.
Đá vôi

Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống xử lý nƣớc thải bằng đá vôi.

c. Giải pháp xử lý bằng hóa chất :
Xử lý nƣớc thải mỏ bằng hoá chất dùng sữa vôi, kết hợp chất keo tụ, bể lắng
ngang đã đƣợc áp dụng tại mỏ than Hà Lầm. Sơ đồ hệ thống xử lý đƣợc đƣa ra ở
hình 1.11 Hệ thống này giải quyết tốt 2 yếu tố đó là trung hoà nƣớc thải và lắng cặn.
Hệ thống đƣợc thiết kế cho những nơi có lƣu lƣợng nƣớc thải lớn. Hệ thống
tại mỏ này đƣợc thiết kế với công suất 1200 m3/ngày đêm, xử lý toàn bộ nƣớc thải
bơm từ lò –51 Hà Lầm. Nƣớc thải ở đây vừa mang tính axit vừa có hàm lƣợng chất
rắn lơ lửng, hàm lƣợng ion sắt, mangan cao.
Nguyên lý hoạt động: Nƣớc thải đƣợc bơm từ mức –51 vào bể khuấy (3). Tại
bể khuấy trộn, đƣợc bổ sung thêm sữa vôi để điều chỉnh độ pH, dung dịch polyme
keo tụ chất rắn lơ lửng, sau đó đƣợc chuyển sang bể lắng. Tại đây, hạt bị keo tụ sẽ
lắng xuống, nƣớc sạch đƣợc đƣa vào hệ thống thoát nƣớc của khu vực. Bùn lắng
của quá trình keo tụ đƣợc bơm lên sân phơi bùn. Nƣớc róc từ bùn đƣợc đƣa quay lại
từ đầu hệ thống để xử lý triệt để. Việc điều chỉnh độ pH đƣợc thực hiện bằng đầu đo
16