MỞ ĐẦU 1. Sự cấp thiết của đề tài Công nghiệp khai thác than và khoáng sản là một trong những ngành công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Ngành công nghiệp khai thác than đã đáp ứng một cách có hiệu quả nhu cầu về than cho các ngành kinh tế quốc dân, đặc biệt là nhu cầu than cho phát điện và cho các ngành công nghiệp khác trong giaiđoạn phát triển, đồng thời góp phần đảm bảo an ninh năng lượng chung của đất nước trong chiến lược năng lượng quốc gia. Để đáp ứng đường lối phát triển kinh tế - xã hội của Đảng và Nhà nước giai đoạn từ nay đến 2020, ngành công nghiệp khai thác than liên tục tăng sản lượng khai thác. Đi kèm với đó là hậu quả ô nhiễm môi trường đặc biệt là ô nhiễm môi trường nước do khai thác than là rất nặng nề [25]. Nước thải hầm lò khai thác than có hàm lượng cặn lơ lửng cao, pH thấp và bị ô nhiễm bởi một số kim loại nặng như Fe, Mn, Cd, Pb, As,… không đảm bảo tiêu chuẩn xả ra môi trường bên ngoài và gây ảnh hưởng tới sức khoẻ con nguời. Các loại nước thải này đã gây ô nhiễm, làm biến đổi cảnh quan môi trường sông suối và ven biển tỉnh Quảng Ninh. Mặt khác Tập đoàn than khoáng sản Việt Nam (TKV) hiện đang áp dụng các dây chuyền công nghệ (DCCN) xử lý nước thải (XLNT) hầm lò nhằm đạt mức B QCVN 40:2011 BTNMT để thải ra môi trường, trong khi đó các hầm lò mỏ than (HLMT) đang thực sự thiếu nước cho quá trình sản xuất như dập bụi, phun sương trong đường lò, tưới cây hoàn thổ và sinh hoạt của công nhân vv…[13]. Nguồn nước mặt và nước ngầm trong khu vực HLMT bị ô nhiễm và cạn kiệt. Việc khai thác than tại các hầm lò phân tán rất khó khăn cho việc cấp nước tập trung. Tập trung khắc phục, xử lý các nguồn gây ô nhiễm, cải thiện điều kiện vệ sinh môi trường tại các khu vực HLMT là rất cấp thiết. Đồng thời với mục đích tiết kiệm tài nguyên, giải quyết việc thiếu nước sinh hoạt và sản xuất bằng biện pháp tái sử dụng lại nước thải sau xử lý để tắm rửa, giặt giũ, tưới cây trồng hoàn thổ, dập bụi, phun sương, bổ cập nước ngầm,… là rất hợp lý. Như vậy, cần thiết phải có nghiên cứu đề xuất dây chuyền tổng hợp và linh động về công nghệ xử lý và tái sử dụng nước thải HLMT để cấp nước cho sinh hoạt và sản xuất. Theo định hướng chiến lược của Tập đoàn Công nghiệp than – khoáng sản Việt Nam việc XLNT mỏ đủ tiêu chuẩn nước thải công nghiệp sẽ được bắt đầu từ năm 2005 và đến 2015 sẽ hoàn thành việc áp dụng bắt buộc đối với tất cả các công ty mỏ trong toàn TKV [25]. Tuy vậy phần lớn các công trình XLNT khai thác than mới được đầu tư xây dựng mấy năm lại đây, số lượng còn hạn chế chưa đáp ứng đủ với khối lượng nước thải hiện nay và trong tương lai của ngành than. Trong quản lý vận hành công trình XLNT ngành than còn nhiều bất cập, hiệu quả xử lý không cao nên mặc dù đạt mức B QCVN 40:2011 BTNMT để thải ra môi trường theo quy định xả thải nước thải công nghiệp nhưng nồng độ các chất ô nhiễm trong đó còn cao. Trong ngành sản xuất than chưa có những công trình nghiên cứu mang tính chất tổng thể trong lĩnh vực XLNT, đặc biệt là tái sử dụng cho mục đích cấp nước sản xuất và sinh hoạt. Nguồn nước sử dụng trong quá trình sản xuất, sinh hoạt của công nhân chủ yếu mua từ hệ thống cấp nước sạch của khu vực. Hiện nay trên Thế Giới, công nghệ lọc màng đang là một trong những hướng được tập trung nghiên cứu, triển khai ứng dụng và phát triển thành các loại sản phẩm thiết bị công nghiệp có quy mô cũng như khả năng áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghệ xử lý môi trường (nước cấp, nước thải sinh hoạt và công nghiệp, xử lý chất thải, các yếu tố độc hại, kim loại nặng...). Xuất phát từ thực tế trên, tác giả đã lựa chọn đề tài: "Nghiên cứu công nghệ có màng lọc để xử lý nƣớc thải hầm lò mỏ than khu vực Quảng Ninh phục vụ cho mục đích cấp nƣớc sinh hoạt". Từ đó nâng cao quá trình quản lý, sử dụng hiệu quả và bền vững nguồn nước thải trong ngành khai thác than ở nước ta, phù hợp với Chiến lược phát triển theo quy hoạch ngành than đến năm 2020 có xét triển vọng đến năm 2030;Chiến lược quốc gia về bảo vệ môi trường;Kế hoạch quốc gia kiểm soát ô nhiễm môi trường đến năm 2010 và định hướng đến năm 2020 theo Quyết định số 328/2005/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 12 tháng 12 năm 2005, Nghị định của Chính phủ số 80/2014/NĐ-CP ngày 28 tháng 05 năm 2014 về thoát nước và xử lý nước thải và các văn bản pháp lý khác. Trong luận án này, nghiêncứu sinh (NCS) đã tập trung tìm hiểu các công nghệ XLNT hầm lò đang áp dụng cho ngành than; nghiên cứu hoàn thiện quá trìnhxử lý bậc 1(Keo tụ - Lắng – Lọc) đảm bảo nước sau xử lý đạt nguồn xả loại A theo QCVN 40:2011 BTNMT để có thể tái sử dụng cho các mục đích sản xuất như: Phun sương, dập bụi trong đường lò, tưới cây hoàn thổ… ổn định chất lượng nước đầu vào cho các quá trình xử lý tiếp theo; nghiên cứu xử lý tiếp tục nước thải HLMT bằng công nghệ lọc màng Vi lọc (Microfiltration - MF) và Siêu lọc (Ultrafiltration - UF) để đảm bảo yêu cầu cấp nước cho sinh hoạt chất lượng nước theo QCVN 02:2009/BYT.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Trần Hồng Anh NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ CĨ MÀNG LỌC ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI HẦM LÕ MỎ THAN KHU VỰC QUẢNG NINH PHỤC VỤ CHO MỤC ĐÍCH CẤP NƢỚC SINH HOẠT Chuyên ngành: Kỹ thuật sở hạ tầng Mã số : 62.58.02.10 Hà Nội - Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Trần Hồng Anh NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ CĨ MÀNG LỌC ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI HẦM LÕ MỎ THAN KHU VỰC QUẢNG NINH PHỤC VỤ CHO MỤC ĐÍCH CẤP NƢỚC SINH HOẠT Chuyên ngành: Kỹ thuật sở hạ tầng Mã số : 62.58.02.10 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Trần Đức Hạ PGS.TS Trần Thị Việt Nga Hà Nội - Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu, kết trình bày luận án hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Tác giả Trần Hoàng Anh ii LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành kết nỗ lực học tập, nghiên cứu tác giả với giúp đỡ vô quý báu, hiệu giáo viên hướng dẫn, sở đào tạo, quan chủ quản, hệ nhà khoa học trước đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Đức Hạ, PGS.TS Trần Thị Việt Nga tận tình bảo suốt trình thực luận án Xin cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài NCKH cấp Bộ, Bộ Giáo dục Đào tạo “Nghiên cứu công nghệ màng lọc để xử lý nước thải hầm lò mỏ than cho mục đích cấp nước sinh hoạt, mã số: B2013-03-08” tạo điều kiện cho NCS tham gia thực đề tài khai thác số liệu cho luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty Mitshubishi Rayon (Nhật Bản) cung cấp mô dun màng MF UF giúp đỡ phân tích tượng bám dính màng phương tiện kỹ thuật công ty Tôi xin cảm ơn Công ty TNHH thành viên Than Mạo Khê (tập đoàn TKV), Công ty 790 (Tổng công ty Đông Bắc), Trường đại học Công nghiệp Quảng Ninh tạo điều kiện giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án Xin gửi lời cảm ơn tới tập thể, cá nhân Bộ mơn Cấp nước, Khoa Kỹ thuật môi trường giúp đỡ tác giả suốt thời gian làm luận án Tác giả luận án TRẦN HOÀNG ANH iii MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv MỞ ĐẦU 1 Sự cấp thiết đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3 Mục tiêu nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu .3 Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học Ý nghĩa thực tiễn Các đóng góp Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU CẤP NƢỚC CHO CÁC MỎ THAN KHU VỰC TỈNH QUẢNG NINH, CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ VÀ TÁI SỬ DỤNG NƢỚC THẢI HẦM LÒ MỎ THAN 1.1 Tình hình khai thác nhu cầu cấp nước sinh hoạt sản xuất cho khai thác than mỏ khu vực Quảng Ninh 1.1.1 Tình hình khai thác than khu vực Quảng Ninh 1.1.2 Nhu cầu cấp nước sinh hoạt sản xuất cho khai thác than khu vực Quảng Ninh 1.2 Ô nhiễm môi trường nước thải khai thác than 10 1.2.1 Sự hình thành nước thải trình khai thác than 10 1.2.2 Các thành phần nhiễm nước thải hầm lò mỏ than 11 1.2.3 Ô nhiễm mơi trường nước nước thải mỏ hầm lò khu vực Quảng Ninh 13 1.3 Xử lý tái sử dụng nước thải hầm lò mỏ than nước 17 1.3.1 Xử lý tái sử dụng nước thải hầm lò mỏ than Việt Nam 17 1.3.2 Kinh nghiệm xử lý tái sử dụng nước thải HLMT Thế Giới 24 Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỒN THIỆN Q TRÌNH XỬ LÝ NƢỚC THẢI HẦM LỊ MỎ THAN ĐỂ CẤP NƢỚC SINH HOẠT 33 2.1 Các bước xử lý bậc cao nước thải HLMT để cấp nước sinh hoạt 33 2.2 Hồn thiện cơng nghệ xử lý bậc nước thải hầm lò mỏ than để đảm bảo hiệu cho trình lọc màng 36 iv 2.2.1 Tăng cường trung hòa kiềm hóa nước thải 36 2.2.2 Tăng cường trình lắng keo tụ-tạo 39 2.2.3 Tăng cường trình lắng lắng lớp mỏng 44 2.2.4 Tăng cường trình loại bỏ sắt mangan trình lọc cát 45 2.2.5 Tiền xử lý cho trình lọc màng thiết bị lọc bậc hai 48 2.3 Quá trình màng lọc 49 2.3.1 Khái niệm chung màng lọc 49 2.3.2 Quá trình chuyển khối qua màng xốp 53 2.3.3 Màng vi lọc (MF) siêu lọc (UF) ứng dụng để xử lý nước cấp cho sinh hoạt 58 2.3.4 Tắc màng biện pháp khắc phục 61 Chƣơng 3: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 66 3.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 66 3.1.1 Nghiên cứu hồn thiện q trình xử lý nước thải HLMT phương pháp keo tụ - lắng – lọc 66 3.1.2 Nghiên cứu xử lý tiếp tục nước thải HLMT lọc màng để cấp nước cho sinh hoạt 66 3.2 Đối tượng nghiên cứu 67 3.2.1 Nước thải Hầm lò -80m mỏ than Mạo Khê 67 3.2.2 Nước thải HLMT Công ty 790 Tổng công ty Đông Bắc (Bộ Quốc phòng) 67 3.3 Các mơ hình triển khai nghiên cứu thực nghiệm 68 3.3.1 Xác định liều lượng hóa chất tối ưu jar-test 68 3.3.2 Mơ hình quy trình nghiên cứu hồn thiện q trình keo tụ - lắng – lọc trường69 3.3.3 Mơ hình quy trình nghiên cứu xử lý tiếp tục nước thải HLMT màng lọc MF UF quy mô PTN 74 3.3.4 Mô hình quy trình nghiên cứu mơ hình lọc màng đặt trường 78 3.4 Các thơng số/ tiêu phương pháp phân tích, xác định 82 3.4.1 Phương pháp lấy mẫu nước thải 82 3.4.2 Phương pháp phân tích thơng số chất lượng nước 82 3.4.3 Phương pháp xác định đại lượng thông số hoạt động mơ hình 83 3.4.4 Phương pháp nghiên cứu tượng dính bám cặn bẩn muối bề mặt màng lọc rửa màng 84 Chƣơng 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 85 4.1 Kết nghiên cứu tiền xử lý nước thải HLMT phương pháp keo tụ - lắng – lọc.85 4.1.1 Kết xác định liều lượng hóa chất tối ưu jar-test 85 v 4.1.2 Kết nghiên cứu mơ hình keo tụ - lắng thảo luận 88 4.1.3 Kết nghiên cứu mơ hình lọc thảo luận 91 4.1.4 Đánh giá hiệu xử lý nước thải hầm lò -80m mỏ than Mạo Khê theo trình xử lý (keo tụ, lắng, lọc) mơ hình trường 99 4.2 Nghiên cứu xử lý tiếp tục nước thải HLMT lọc màng để cấp nước cho sinh hoạt101 4.2.1 Kết nghiên cứu XLNT HLMT màng MF mơ hình PTN 101 4.2.2 Nghiên cứu XLNT HLMT màng UF mô hình trường 115 4.3 Đề xuất công nghệ xử lý nước thải HLMT tiêu kinh tế kỹ thuật hệ thống cấp nước sinh hoạt từ nguồn nước thải sau xử lý đạt mức A QCVN 40:2011/BTNMT 127 4.3.1 Các số liệu đầu vào tiêu chí lựa chọn cơng nghệ XLNT 127 4.3.2 Đề xuất sơ đồ dây chuyền công nghệ XLNT HLMT cấp nước sinh hoạt 129 4.3.3 Xác định hiệu kinh tế kỹ thuật hệ thống xử lý tái sử dụng nước thải HLMT theo số liệu Công ty 790 132 KẾT LUẬN 137 KIẾN NGHỊ 139 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 PHỤ LỤC PL-1 vi DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu AS Tiếng Anh Aluminosilicat Tiếng Việt Hạt AS B/C Benefit-Cost Ratio Tỷ số lợi ích / chi phí Bảo vệ mơi trường BVMT BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu ôxy sinh học BTNMT Bộ tài nguyên môi trường BYT Bộ y tế COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu ơxy hóa học DCCN Dây chuyền cơng nghệ DA Dự án DAF Dissolved Air Flotation Tuyển bọt khí DO Dissolved Oxygen Ơxy hòa tan ĐHXD FT-IR Đại học Xây dựng Fourrier Transformation InfraRed Quang phổ hấp thụ hồng ngoại HLMT Hầm lò mỏ than HTCN Hệ thống cấp nước IRR Internal Rate of Return Tỷ suất hoàn vốn nội ISO International Organization for Standardization Hệ thống quản lý chất lượng iso Chất huyền phù MES MF MH Microfiltration Mann – Hummel Vi lọc Hãng Mann – Hummel Đức Vật liệu lọc mangan-Cát phủ MQ7 MnO2 MR Mitshubishi Rayon Công ty Mitshubishi Rayon (Nhật Bản) Nghiên cứu sinh NCS NF Nanofiltration Lọc nano vii NPV Net Present Value Giá trị Vật liệu lọc đa ODM-2F ODM-2F PAA Polyacrylamit Hóa chất trợ keo tụ PAA PAC Polime aluminium chloride Hóa chất keo tụ PAC PAM Polyacrylamid Hóa chất trợ keo tụ PAM PAN Polyacylonitril Vật liệu PAN PLC Bộ điều khiển biến tần PTN Phòng thí nghiệm PTFE Teflon Nhựa Teflon PVDF Polyvinylidene fluoride Vật liệu PVDF Quy chuẩn Việt Nam QCVN RO Reverce osmosis Lọc thẩm thấu ngược SDI Silt Density Index Chỉ số mật độ bùn SEM Scaning electronic microscopy Máy quét kính hiển vi điện tử SS Suspended Solids Chất lơ lửng TCCP Tiêu chuẩn cho phép TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TDS Total Dissolved Solids Tổng chất rắn hoà tan TNHH Trách nhiệm hữu hạn TKV Tập đoàn than khoáng sản Việt Nam TMP Trans Membrane Pressure Áp suất vận chuyển màng UF Ultrafiltration Siêu lọc XMA X-ray micro Analyzer Phân tích X quang XLNT Xử lý nước thải ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Nhu cầu sử dụng nƣớc Công ty 790 [27] Bảng 1.2 Đặc điểm nƣớc thải hầm lò mỏ than tác động đến mơi trƣờng[78] .13 Bảng 1.3 Đặc tính nƣớc thải số mỏ than hầm lò điển hình khu vực Quảng Ninh thuộc TKV [30] 15 Bảng 1.4 Phân lo i c c công nghệ xử l nƣớc thải ng nh than Việt Nam [13] 18 Bảng 1.5 Hiệu xử lý tr m XLNT hầm lò – 80m Cơng ty Than M o Khê 21 Bảng 1.6 Khả kết tủakim lo i nặng nƣớc thải hầm lò phƣơng pháp trung hòa/ kiềm hóa [62] 26 Bảng 2.1 Yêu cầu chất lƣợng nƣớc thải hầm lò mỏ than sau q trình hồn thiện cơng nghệ q trình xử lý tăng cƣờng 34 Bảng 2.2 Mức độ xử lý nâng cao để cấp nƣớc sinh ho t 35 Bảng 2.3 Kích thƣớc mao quản áp suất làm việc số trình màng [80] 50 Bảng 3.1 Đặc điểm màng sợi rỗng Mitsubishi Rayon 74 Bảng 3.2 Các quy trình rửa màng MF/UF sợi rỗng Mitsubishi Rayon thực 77 Bảng 4.1 Đặc điểm nƣớc thải đầu vào để nghiên cứu trình keo tụ - lắng thiết bị jar-test 85 Bảng 4.2 Chất lƣợng nƣớc thải hầm lò -80m mỏ than M o Khê sau trình xử lý t i tr m XLNT công ty than M o Khê sau mơ hình XLNT trƣờng với q trình lọc khác 100 Bảng 4.3 Hiệu tách chất ô nhiễm nƣớc thải HLMT M o Khê sau xử lý keo tụ - lắng - lọc màng MF mơ hình PTN .106 Bảng 4.4 Hiệu tách chất ô nhiễm nƣớc thải HLMT sau xử lý t i tr m XLNT Công ty 790 hệ thống đĩa lọc Arkan màng UF mơ hình PTN 111 Bảng 4.5 Hiệu xử lý chất ô nhiễm nƣớc thải HLMT màng lọc UF 119 PL - 60 PL - 61 PL - 62 PL - 63 PL - 64 PL - 65 PL - 66 PL - 67 PL - 68 PL - 69 PL - 70 PL - 71 PL - 72 PL - 73 PL - 74 ... có để cấp nước phục vụ cho sản xuất hầm lò để tiếp tục xử lý nâng cao phục vụ cấp nước sinh hoạt - Kết nghiên cứu luận án áp dụng cấp nước sinh hoạt cho công nhân dân cư khu vực khai thác mỏ -... thải mỏ hầm lò khu vực Quảng Ninh 13 1.3 Xử lý tái sử dụng nước thải hầm lò mỏ than nước 17 1.3.1 Xử lý tái sử dụng nước thải hầm lò mỏ than Việt Nam 17 1.3.2 Kinh nghiệm xử lý tái... xử lý nước thải hầm lò mỏ than vùng sản xuất than Quảng Ninh; nhu cầu cấp nước sinh hoạt sản xuất mỏ khai thác than - Nghiên cứu hoàn thiện DCCN xử lýbậc 1( keo tụ - lắng - lọc) để nước sau xử