Khí sản phẩm thu đƣợc là hỗn hợp bao gồm: CO, CO2, H2S, CH4, H2, CnHm, N2; các chất lỏng, dầu hình thành trong quá trình nhiệt phân (H2O, NH3, pyridin (C6H5N), nhựa hắc ín, phenol, chất hữu cơ chứa O, S và P….); bụi, hơi kim loại và các chất hữu cơ dễ bay hơi khác. Các chất ô nhiễm có trong khí sản phẩm sẽ đƣợc xử lý, thu hồi thông qua hệ thống thiết bị lọc, tách, ngƣng tụ trên mặt đất. Toàn bộ chất thải sẽ đƣợc thu gom, bảo quản theo quy định. Khí sạch sẽ đƣợc chuyển tới các hộ tiêu thụ (chạy máy phát điện, chế biến khí, đốt trực tiếp, …). Trong giai đoạn thử nghiệm, khí sạch sẽ đƣợc đốt trực tiếp.
Nhƣ vậy, các chất ô nhiễm trong khí sản phẩm ít có khả năng tác động đến môi trƣờng nƣớc mặt và không khí. Tuy nhiên, không ngoại trừ trƣờng hợp xảy ra sự cố đối với hệ thống làm sạch khí, rò rỉ đƣờng ống hoặc cháy nổ.
Thực tế, áp suất, nhiệt độ, đặc tính cơ lý của than, đất đá trong khoang khí hóa không đồng nhất theo thời gian vận hành sẽ làm cho các chất ô nhiễm xâm nhập vào nƣớc ngầm và đất đá tại vị trí khí hóa. Từ đó, các chất ô nhiễm dạng khí, lỏng sẽ lan tỏa ra xung quanh khoang khí hóa do vận động của nƣớc ngầm. Nhƣ vậy, tác động ô nhiễm nƣớc ngầm là một trở ngại cho các dự án UCG.
Các chất ô nhiễm nhƣ phenol, chất hữa cơ dạng mạch vòng rất ít tan và tồn tại lâu dài trong nƣớc làm ô nhiễm khu vực khí hóa. Các nghiên cứu đã chứng minh sự lan tỏa của phenol từ khoang khí hóa theo thời gian.
Nghiên cứu nƣớc ngầm đƣợc tiến hành tại hệ thống khí hoá số 17, mỏ Nam Abinsk nơi diễn ra quá trình khí hoá ở độ sâu 300m. Những nghiên cứu trƣớc đây cho thấy phần lớn những chất bị ô nhiễm đƣợc đƣa lên mặt đất và nằm trong hệ thống ngƣng tụ. Ngoài ra, thành phần và lƣợng chất bị ô nhiễm lƣu lại trong lò khí hoá cũng là mối quan tâm. Trƣớc khi diễn ra quá trình UCG, nƣớc ngầm nằm trong lỗ hổng, khe nứt của các lớp đất đá có tổng độ khoáng hoá không cao, khoảng 400- 600 mg/l; nhiệt độ nƣớc ngầm khoảng 6ºC [7].
Một năm sau khi vận hành UCG, ngƣời ta lắp đặt hệ thống quan trắc thành phần hoá học của nƣớc ngầm và duy trì trong vòng 3 năm đã xác nhận: Nhiệt độ cao, khả năng hoà tan của nƣớc tăng. Khi đó, tổng độ khoáng hóa của nƣớc cũng tăng lên. Những nguồn chính dẫn CO2 vào nƣớc chính là khí sản phẩm của quá trình UCG. CO2 có hai nguồn gốc: (i) do việc khí hoá than và (ii) do sự phân huỷ của lớp đất đá trụ và vách vỉa than dƣới nhiệt độ cao. Sự hoà tan CO2 trong nƣớc diễn ra nhƣ sau: CO2 + H2O = H2CO3 = HCO3- + H+ = CO32- + 2H+. Từ đó, nồng độ ion H+
và HCO3- tăng [7].
Nhƣ vậy, trong thành phần nƣớc ngầm tại khu vực khí hoá có cả CO2 ở trạng thái tự do và HCO3-, CO32-. Cân bằng tỷ lệ của các liên kết cácbon này xác định độ pH của môi trƣờng. Kết quả quan trắc cho thấy, trong thành phần nƣớc từ hệ thống khí hoá số 17 bao gồm cả ba liên kết trên, trong đó thành phần liên kết CO32- không đáng kể. Tỷ lệ các thành phần liên kết cácbon ở đây quy định độ pH thuộc loại axít hay là kiềm yếu [7].
Sau khi các ion của liên kết cácbon đạt độ hoà tan tối đa, quá trình khoáng hoá diễn ra chủ yếu với ion SO42-. Hàm lƣợng ion SO42- trong nƣớc trƣớc quá trình khí hoá vào khoảng 85 mg/l. Khi quá trình khí hoá xảy ra ở gần khu vực đó, hàm lƣợng này tăng lên tới 800 mg/l (bảng 3.9) [7].
Bảng 3.9. Thành phần hoá học của nƣớc ngầm gần lỗ khoan 33 của hệ thống khí hóa số 17 khu mỏ Nam Abinsk [7]
Thời gian, năm, tháng Độ pH Cl-
, mg/l SO4 2-, mg/l HCO3-, mg/l Khoáng hoá, mg/l Phenol, mg/l Sunfoxianua, mg/l Xianua (CN), mg/l Nhiệt độ, ºC Trƣớc khi khí hoá 8,0 0,46 85 400 450 - - - 6 Trong quá trình khí hoá Năm 1989 2 6,0 24,12 502,4 850 1185 0,0012 - - 55 4 8,0 24,2 577,6 1458 1363 0,00164 - - 50 5 7,0 21,24 661,88 1480 1524 0,0009 - - 48 10 7,0 10,5 773,0 1452 1811 0,007 - - 38 Năm 1990 3 6,5 11,36 800,0 1480 1733,5 0,017 - - 36 10 7,0 14,56 210,3 1400 1249,5 0,0039 - - 35 11 6,0 15,26 148,9 1100 857 0,001 - - 35 12 7,0 14,56 307,8 980 761 - - - 33 Năm 1991 6 7,0 13,49 155,1 1000 850 - - - 32 7 7,0 16,0 150,0 900 700 - - - 32
Theo bảng trên, tổng độ khoáng hoá cũng tăng, đạt khoảng 1500 mg/l. Hỗn hợp khí có chứa hàm lƣợng chất ô nhiễm do quá trình nhiệt phân than (hắc ín, phenol, xianua, sunfuaxianua, .v.v.). Lƣợng khí thất thoát vào môi trƣờng xung quanh khoang UCG khoảng 7 ÷ 15%. Phần lớn các chất này đƣợc đƣa lên bề mặt cùng với khí dƣới dạng chất ngƣng tụ, nhƣng cùng với sự thất thoát khí dƣới lòng đất, các chất này có thể hoà vào nƣớc ngầm. Hàm lƣợng phenol trong nƣớc ngầm vào khoảng 0,0009 - 0,017 mg/l.
Tuy nhiên, hàm lƣợng các chất phenol, sunfuaxianua, xianua trong phần ngƣng tụ của khí sản phẩm cao gấp hàng nghìn lần so với trong nƣớc bơm lên từ hệ thống khí hoá. Vì vậy, sản phẩm ngƣng tụ của dự án UCG phải đƣợc xử lý để hạn chế tác động tới môi trƣờng.
Trong các thử nghiệm tại Mỹ, đặc biệt là ở Tono 1, Hoe Creek, Hanna và các thử nghiệm RM1. Các chất gây ô nhiễm chính đƣợc xác định là chất hữu cơ xuất hiện trong quá trình ngƣng tụ nhiệt phân than bao gồm các loại hắc ín, keo và phenol; thành phần vô cơ nhƣ sunphát và tổng chất rắn (TDS) trong tro và khí sản phẩm; khí hòa tan nhƣ ammonia và hydrogen sulphide trong nƣớc ngầm do hoạt động UCG tạo ra [7].
Kết quả quan trắc, thí nghiệm đã đƣợc thực hiện cho các thử nghiệm tại Hoe Creek với các chất ô nhiễm hữu cơ trong vùng nhiệt phân và hệ thống khí hóa. Hắc ín đƣợc thành tạo trong khoang khí hóa đƣợc duy chuyển vào các khe nứt trong than, đất đá vây quanh và từ từ thấm vào nƣớc ngầm theo thời gian.
Chất lỏng nhiệt phân và khí là một nguồn chất ô nhiễm quan trọng từ UCG khi nhiệt độ thay đổi. Quá trình phát tán các chất ô nhiễm ở dạng lỏng, khí từ khoang khí hóa ra ngoài tại thời điểm khí hóa, sau khi khí hóa than ngầm đều có thể dẫn đến ô nhiễm nƣớc ngầm [18].
Dựa trên những nghiên cứu về khí hóa than trong các lò khí hóa trên mặt đất, các chất ô nhiễm khác có thể có mặt trong khí sản phẩm của quá trình UCG bao gồm: bụi, hydrogen cyanide, cacbonyl sunfua, PAHs khác, methyl mercaptan, kim loại nặng, dioxin và furan. Tuy nhiên, trong quá trình UCG còn có sự tƣơng tác
phức tạp của các chất gây ô nhiễm với nƣớc ngầm, đất đá xung quanh và của chính các chất ô nhiếm với nhau. Trong các thử nghiệm ở Hoe Creek cho thấy nồng độ phenol lên đến khoảng 10 mg/l tại khoảng cách dƣới 10m tính từ trung tâm lò phản ứng (Hoe Creek II) và giảm xuống dƣới 1ppm sau hai năm [18].
Nhƣ vậy, hoạt động UCG tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm và suy giảm chất lƣợng nƣớc ngầm. Cùng với tác động sụt l n, tác động ô nhiễm nƣớc ngầm, các chất ô nhiễm đƣợc hình thành trong quá trình khí hóa ở dạng rắn, lỏng, khí phát tán qua các lớp địa tầng, trong các đới chứa nƣớc ngầm, theo các đới dập vỡ có thể duy chuyển lên phía trên mặt đất gây ô nhiễm đất và nƣớc mặt. Trong quá trình vận chuyển, làm sạch khí tổng hợp, xử lý nƣớc ngƣng trong hoạt động khí hóa bằng hệ thống đƣờng ống, xử lý chất thải rắn (dầu, nhựa than, …) cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm đất, nƣớc mặt, không khí do sự cố rò rỉ, chảy tràn, rơi vãi, … Hoạt động sống của con ngƣời, sinh vật tại khu vực ô nhiễm cũng bị ảnh hƣởng nghiêm trọng.
Hậu quả của tác động ô nhiễm là các chất ô nhiễm hữu cơ mạch vòng nhƣ phenol, benzen, các kim loại nặng nhƣ Cd, Cr, … tồn tại lâu dài trong nƣớc ngầm khu vực khí hóa và vùng lân cận. Nguồn nƣớc ngầm tại khu vực khí hóa sẽ không đƣợc sử dụng cho các mục đích khác nhau nếu hàm lƣợng chất ô nhiễm vƣợt quá giới hạn cho phép. Theo chế độ vận động của nƣớc ngầm, khu vực ô nhiễm sẽ dần dần đƣợc mở rộng theo cả diện tích và chiều sâu. Do đó, việc lựa chọn khu vực dự án UCG trên cơ sở nghiên cứu chi tiết, thận trọng về điều kiện địa chất thủy văn địa chất công trình là một trong những yêu tiên hàng đầu.