Cỏc giải phỏp xử lý nước thải mỏ than núi chung và nước thải mỏ than hầm lũ núi riờng tại Mỹ cú thể được phõn thành hai loại: cỏc giải phỏp chủ động và cỏc giải phỏp bị động.
2.1.4.1. Cỏc giải phỏp chủ động
Trong giải phỏp chủ động gồm 2 hướng: hướng xử lý bằng húa học và hướng xử lý bằng sinh học.
a. Hướng xử lý nước thải mỏ than bằng húa học
Đặc tớnh chung của nước thải ngành khai thỏc than là cú tớnh axit mạnh, hàm lượng ion Fe, Mn ở dạng hũa tan cao. Cỏc hoỏ chất cú tớnh kiềm được sử dụng để trung hũa và loại bỏ cỏc kim loại dạng hũa tan trong nước thải mỏ cú tớnh axit. Trong cụng nghệ xử lý nước thải mỏ bằng húa chất cú cỏc yờu cầu được đặt ra đú là: giỏ húa chất xử lý, giỏ vận hành cỏc thiết bị hũa trộn và nạp húa chất, cỏc phản ứng oxi húa, hệ thống hồ lắng trong một hệ thống xử lý nước thải mỏ. Trong quỏ trỡnh xử lý nước thải mỏ thường cú 5 bước chớnh như sau:
- Điều hũa, kiểm soỏt lưu lượng và đặc tớnh của nguồn nước thải; - Trung hũa bằng cỏc húa chất;
- Oxi húa, làm kết tủa cỏc ion kim loại dạng hũa tan;
- Lắng cặn của cỏc hydroxit kim loại và cỏc chất rắn lơ lửng khỏc; - Loại bỏ bựn cặn;
Theo Wildeman và những người khỏc (1994), đó đưa ra quỏ trỡnh chung cho xử lý nước thải mỏ cú tớnh axớt bằng kiềm và oxi húa sắt (Hỡnh 2.8).
Dũng chảy được điều hũa bằng một hệ thống hồ, tại đõy nước thải được tạo thành hỗn hợp nước cú tớnh chất tương đối đồng nhất. Vụi thường được sử dụng để trung hũa, cả ở dạng vụi nung và vụi tụi (sữa vụi). Quỏ trỡnh nạp húa chất xử lý cú thể được điều chỉnh tự động bởi điện cực pH trong nước và sẽ xỏc định khối lượng chất phản ứng thờm vào. Ngay sau khi thờm vụi vào nước chuyển thành màu ngọc lam bởi vỡ sự cú mặt của hợp chất FeSO4. Qua bước khuấy trộn, oxi húa sẽ chuyển ion Fe (II) dạng tan thành Fe (III) và nước nhanh chúng xuất hiện màu đỏ đất son. Fe (III) bắt đầu lắng ở dạng hydroxit sắt từ pH = 4,0 và kết tủa lớn nhất tại pH = 8,0. Mức độ oxi húa phụ thuộc vào hàm lượng oxy. Vỡ vậy, việc khuấy trộn, sục khớ được sử dụng làm tăng tốc độ ụxi húa dẫn tới tăng tốc độ kết tủa. Hydroxit sắt và cỏc chất lơ lửng khỏc được lắng xuống bởi hệ thống hồ lắng. Mangan cũng sẽ kết tủa nếu pH đủ cao (pH 9,0 ữ 9,5). Đồng thời, trong hệ thống xảy ra hiện tượng kết tủa CaSO4 (nhưng khụng đỏng kể) do cú sự quay lại của ion Ca2+ và SO42- thành dạng hũa tan. Điều kiện lắng lý tưởng là cỏc hồ chứa đủ lớn để lưu nước thải trong hồ càng lõu càng tốt. Tuy nhiờn cũng cần thiết nạo vột hồ một cỏch định kỳ. Nước thải sau khi qua hồ lắng cú thể thải trực tiếp vào hệ thống sụng suối trong khu vực. Nước thải mỏ cú thể coi như đó được làm sạch về độ axit, hàm lượng Fe, Mn, cặn lơ lửng nhưng hàm lượng Ca2+ trong nước lại cao.
Theo Ackman (1986), Kleinmann (1991) cho biết mỏ Bureau ở Mỹ đó ỏp dụng một hệ thống hũa trộn để xử lý nước thải mỏ. Hệ thống vận hành hoạt động tốt do việc sử dụng vụi và cỏc chất phản ứng rất hiệu quả. Hệ thống gồm cú sự kết hợp của một vũi bơm cung cấp khụng khớ kiểu Ventury và một mỏy trộn tĩnh. Mỏy trộn được thiết kế đủ thời gian lưu nước để xuất hiện phản ứng oxi húa. Việc khuấy trộn đồng thời với sự trung hũa bởi dung dịch vụi (hoặc cỏc chất kiềm khỏc) được đưa vào qua lỗ hỳt của vũi bơm. Sự xỏo trộn mạnh mẽ ở đầu ra tạo điều kiện tốt cho phản ứng trung hũa, tiết kiệm được khoảng 30% vụi so với cỏc chất phản ứng thụng thường. Hệ thống được thiết kế theo kiểu bỏn di chuyển để giảm sức ộp trong cụng tỏc bơm thải nước mỏ, vốn đầu tư ban đầu và chi phớ vận hành, duy trỡ đều giảm.
Hydroxit kim loại kết tủa ở dạng rắn lơ lửng, chỳng rất khú loại khỏi nước. Tỏch bựn và xử lý chụn lấp bựn cũng cần được tớnh toỏn đến trong quỏ trỡnh hoạt động của mỏ. Bựn thải từ hệ thống xử lý nước thải cú thể được chụn lấp cựng bói thải đất, đỏ của quỏ trỡnh khai thỏc, hoặc chụn lấp ở cỏc moong đó khai thỏc xong, đụi khi bựn thải cũn được tỏch nước bằng mỏy ộp trước khi đổ thải. Vựng chụn lấp bựn cú thể trở thành khu vực cú nguồn ụ nhiễm tiềm ẩn theo hướng thẩm thấu chất
ụ nhiễm do quỏ trỡnh thủy học. Thiết kế vựng đổ thải bựn hoặc khu vực chụn lấp cần được đỏnh giỏ một cỏch cẩn thận.
Cú nhiều húa chất được dựng để trung hũa nước thải mỏ than cú tớnh axit cao. Mỗi loại húa chất cú những ưu điểm và nhược điểm riờng. Hiện nay, trong lĩnh vực xử lý nước thải mỏ cú tớnh axớt cao người ta thường đề cập tới 5 loại húa chất sau: đỏ vụi (CaCO3), vụi tụi (sữa vụi Ca(OH)2), xỳt (NaOH), Natricacbonat (Na2CO3), Amoniac (NH3).
Skousen và những người khỏc (1996) đó đưa ra hiệu quả trung hũa axit của một số húa chất cơ bản thường dựng (Bảng 2.1).
Bảng 2.1 – Hiệu quả phản ứng trung hũa của một số húa chất
T T Tờn thụngthường Tờn húa học Cụngthức Chuyể n đổi Trung hũa Giỏ 1996 (3) Hệ số (1) Hiệu quả (2) USD/tấn hoặc Gallon Bỏn sỉ Bỏn lẻ
1 Đỏ vụi Canxicacbonat CaCO3 1 30% 10 15
2 Sữa vụi Canxihydroxit Ca(OH)2 0,74 90% 60 10
3 Vụi nung Canxioxit CaO 0,56 90% 80 240
4 Natricacbonat Natricacbonat Na2CO3 1,06 60% 200 320
5 Xỳt (khụ) Natrihydroxit NaOH 0,8 100% 680 880
6 Dung dịch Xỳt 20% Dung dịch Natrihydroxit NaOH 784 100% 0,46 0,60 7 Dung dịch Xỳt 20% Dung dịch Natrihydroxit NaOH 256 100% 1,10 1,25
8 Amoniac Amoniac NH3 0,34 100% 300 680
(1) Hệ số chuyển đổi được nhõn với lượng axit (tấn/năm) để xỏc định lượng húa chất cần trung hũa (tấn/năm). Với dạng lỏng, hệ số chuyển đổi đưa ra đơn vị là gallon cần để trung hoà;
(2) Hiệu suất trung hũa đỏnh giỏ hiệu quả tương quan của húa chất dựng để trung hũa axit nước thải mỏ. Vớ dụ: Nếu để trung hũa 100 tấn axit/năm thỡ lượng sữa vụi cần dựng là: 100 ì (0,74 / 0,90) = 82 tấn;
(3) Giỏ của húa chất phụ thuộc vào khối lượng hàng phõn phối: Giỏ lẻ là giỏ mua với lượng ớt, giỏ sỉ là giỏ mua với lượng nhiều. Dạng lỏng giỏ tớnh cho gallon, dạng khỏc tớnh cho tấn.
Trong quỏ trỡnh xử lý nước thải mỏ, để đẩy nhanh quỏ trỡnh oxi húa, kết tủa cỏc ion kim loại và lắng đọng cỏc chất rắn lơ lửng thường cần phải bổ sung thờm một số húa chất.
Trong đú cú cỏc húa chất đẩy nhanh quỏ trỡnh oxi húa, kết tủa và cỏc húa chất đẩy nhanh quỏ trỡnh lắng.
Cỏc chất oxi húa
Khi oxi húa ở mức cao cỏc kim loại như Fe, Mn sẽ kết tủa ở pH trung hũa (pH = 7 ữ 8), khi pH = 9 ữ 12 oxi húa xảy ra ở mức thấp (theo Skousen và những người khỏc, 1993). Biện phỏp đơn giản nhất cú thể cải thiện được phản ứng oxi húa là sục khớ (khuấy trộn), tức là đưa nhiều oxi vào trong nước. Quỏ trỡnh sục khớ (khuấy trộn) tạo điều kiện kết tủa cỏc hydroxit kim loại và đồng thời nõng cao hiệu quả sử dụng cỏc chất oxi húa khỏc. Oxy là một chất cú tiềm năng oxi húa, sử dụng đơn giản bằng cỏch sục khớ trong nước. Tuy nhiờn, cỏc hợp chất oxi húa như: H2O2 (peroxit) hoặc HClO (hypoclorit) thường được dựng phổ biến hơn. Cỏc hợp chất trờn cú khả năng oxi húa rất mạnh (Skousen, 1993). Ngoài ra, KMnO4 (kalipemanganat) cũng là chất oxi húa được sử dụng ở nhiều nơi.
Cỏc chất keo tụ và kết bụng
Nhụm sunfat là một chất kết bụng thường được sử dụng trong xử lý nước thải (Skousen, 1993). Nú phản ứng với kiềm trong nước thành cụm xốp nhụm hyđrụxớt (cỏc khối hạt) mà tỏc dụng kết tủa cỏc kim loại khỏc. FeSO4 cũng phản ứng với kiềm, nhưng phản ứng chậm hơn nhụm sunfat. Cú thể dựng Fe2(SO4)3 sẽ tăng khả năng lắng nhanh hơn. Do chất này hoạt động ở khoảng pH rộng hơn so với FeSO4.
Trờn cơ sở cỏc húa chất sử dụng, Skousen và những người khỏc (1990,1993) đó đỏnh giỏ chi phớ cho mỗi loại của 4 hệ thống hoỏ chất xử lý được liệt kờ ra bao gồm: Lắp đặt thiết bị, chi phớ sửa chữa, chi phớ tiết kiệm được, chi phớ hoỏ chất phụ thuộc vào nồng độ axit và lưu lượng nguồn thải (Bảng 2.2).
Bảng 2.2 – Chi phớ của cỏc hệ thống xử lý nước thải mỏ cú tớnh axit khi dựng cỏc húa chất khỏc nhau (Theo Skousen: 1990,1993)
Giỏ chất phản ứng (USD) Lưu lượng, l/s 10 25 50 25 75 Hàmlượng axit Natricacbonat Amoniac Xỳt (NaOH) Sữa vụi 100 10.290 3.540 12.210 1.670 100 25.740 8.840 30.520 4.170 100 51.470 17.690 61.040 8.340 500 128.680 44.220 152.610 20.850 2.500 1.930.120 663.320 2.289.090 312.800 Chi phớ khỏc (USD) Chất phản ứng Chi phớ mỏy múc Nhõn cụng hàng năm Sửa chữa hàng năm Natricacbonat Amoniac Xỳt (NaOH) Sữa vụi 200 – 250 5.900 – 6.400 250 – 5.500 38.000 – 204.000 14.000 – 14.250 7.000 – 7.250 7.000 – 7.250 6.500 – 11.250 0 500 0 1.000 – 10.500 Từ bảng 2.2 cho thấy chi phớ khỏc nhau phụ thuộc vào yờu cầu của kớch thước lắp đặt. Skousen cho rằng với cỏc hệ thống xử lý nước thải mỏ cũng cần phải xem xột về mặt thời gian tồn tại của hệ thống là 5 năm, 10 năm hay 20 năm, đồng thời phõn tớch hiệu quả của từng trường hợp cụ thể mà cú quyết định đầu tư hợp lý.
Đối với nguồn thải cú lưu lượng nhỏ và tớnh axit thấp, hệ thống dựng NaOH là rẻ nhất mặc dự cú giỏ húa chất cao nhất. Tiếp theo là hệ thống dựng Amoniac, mặc dự cú giỏ cao về thiết bị và nhõn cụng, nhưng bự lại giỏ cả của chất phản ứng lại khỏ thấp. Hệ thống rẻ thứ 3 là dựng Natricacbonat cú giỏ cả của chất phản ứng và giỏ của nhõn cụng cao. Ngược lại, sữa vụi cú chi phớ hoỏ chất rẻ nhất, nhưng lại là sự lựa chọn đắt nhất bởi vỡ chi phớ cho hoạt động và thiết bị rất cao.
Đối với nguồn nước thải cú lưu lượng và hàm lượng axit trung bỡnh thỡ lựa chọn dựng Amoniac là kinh tế nhất tiếp đến là dựng sữa vụi.
Đối với nguồn nước thải cú lưu lượng lớn, hàm lượng axớt cao thỡ hệ thống dựng sữa vụi là hợp lý nhất.
b. Hướng xử lý bằng sinh học
Cỏc chất ụ nhiễm trong nước thải mỏ cú thể được xử lý bằng việc sử dụng cỏc phản ứng sinh học. Giảm sunfat bằng sinh học đó được xem như là một phương phỏp để trung hũa nước thải mỏ cú tớnh axit, đồng thời kết tủa kim loại ở dạng sunfit. Sử dụng vi khuẩn giảm sunfat để thay cho việc xử lý bằng húa chất, cỏc vi khuẩn oxi húa cỏc hợp chất hữu cơ, sunfat chuyển thành sunfit (Dill và những người khỏc, 1994).
8 CH3COO- + 8 SO42- + 16 H+ 16 CO2 + 16 H2O + 8 HS-
Phản ứng trờn làm giảm ion H+, dẫn đến làm tăng pH lờn tới 7,0 ữ 7,5. Cỏc kim loại trong nước thải cú thể được kết tủa dưới dạng sunfit kim loại sau phản ứng với H2S (H2S được tạo ra bằng phương phỏp sinh học). Diện tớch bề mặt tiếp xỳc càng lớn giỳp cho vi khuẩn hoạt động mạnh và làm cho cỏc phản ứng sinh học giảm sunfat càng cao. Một số hệ thống thử nghiệm đó được phỏt triển, hầu hết tập trung vào việc trung hoà nước thải axit từ khai thỏc mỏ chứa kim loại. Tuy nhiờn, quỏ trỡnh giảm sunfat bằng sinh học cú thể được ỏp dụng trong tương lai cho việc xử lý nước thải từ khai thỏc than.
Phần lớn quỏ trỡnh sinh học giảm sunfat từ cỏc dạng phản ứng sinh húa. Mặc dự, cỏc phản ứng này cú thể diễn ra trong nước khỏ tốt, chỳng thường bị ảnh hưởng khi nước bị ụ nhiễm cao và sự thay đổi bất thường lớn trong dũng chảy. Một ảnh hưởng khỏc là sản phẩm bựn sẽ bịt kớn, kiềm chế phản ứng khi khối lượng của bựn quỏ lớn. Thụng thường quỏ trỡnh giảm sunfat hầu hết thớch hợp để xử lý nước thải cú hàm lượng cỏc kim loại tương đối thấp (Barns và những người khỏc, 1992).
Rowley và những người khỏc (1994) đó miờu tả quỏ trỡnh Biosunfit (sunfat sinh học) (Hỡnh 2.9).
Hỡnh 2.9 – Quỏ trỡnh Biosunfit trong xử lý tớnh axit của nước thải
Hệ thống tỏch rời cỏc chất kết tủa của sunfit với quỏ trỡnh chuyển húa sunfat thành sunfit. Húa chất hoạt động được đưa lờn trước hoạt động sinh học, mục đớch
tại quỏ trỡnh xảy ra phản ứng sinh học là giảm cỏc chất ụ nhiễm kim loại. Một điều kiện thuận lợi cho phản ứng sinh húa xảy ra cú thể được duy trỡ và kiểm soỏt bởi việc nạp thờm năng lượng cho chỳng (Nitơ). Quỏ trỡnh kết hợp húa học và sinh học xử lý nước thải mỏ được mụ tả trong hệ thống thử nghiệm (Hỡnh 2.10).
Hỡnh 2.10 – Hệ thống thử nghiệm phản ứng đỏy tràn kỵ khớ để xử lý nước thải mỏ cú tớnh axit (Dill, nkk, 1994)
Bựn từ quỏ trỡnh sunfit kim loại và bựn do xỏc vi sinh vật được thu gom tỏch biệt. Điều đú giảm thể tớch bựn ụ nhiễm so với nhiều hệ thống thụng thường, đồng thời quỏ trỡnh kết tủa cho phộp loại bỏ kim loại và cỏch ly với quỏ trỡnh xử lý sinh học. Chất tạo phản ứng kết tủa kim loại ở giai đoạn đầu là khớ thu được (H2S) ở phản ứng sinh húa trong giai đoạn sau. Bởi vậy, hệ thống hoạt động sẽ phụ thuộc vào sản phẩm sinh ra bởi vi khuẩn trong phản ứng sinh húa. Tất cả kết tủa trong xưởng Pilot đều được thực hiện bằng cỏch dựng khớ giàu Hydrosunfua (H2S) được tạo ra trong phản ứng sinh học. Bởi vậy, hệ thống chỉ phụ thuộc vào sản phẩm tạo ra do vi khuẩn để xử lý dũng thải. Hệ thống thử nghiệm cú cụng suất 100 l, nú cú thể xử lý một lượng axit lớn, nước thải mỏ bị ụ nhiễm (pH = 2,5; SO42- = 20 g/l, tổng kim loại = 4 g/l), vỡ rằng cỏc giới hạn nghiờm ngặt của nước thải phải đạt được.
Một nhược điểm chớnh của việc giảm sunfat bằng sinh học là cần phải cung cấp nguồn cacbon hữu cơ như chất nền. Nếu nguồn cacbon hữu cơ bổ sung bị dư cộng với lượng lớn xỏc của sinh vật sẽ tạo nờn sự vẩn đục của nước. Dill và những người khỏc
(1994), đó sử dụng sản phẩm khớ như một nguồn cacbon và năng lượng trong cỏc phản ứng sinh học thớ nghiệm và thực nghiệm thay thế nguồn cacbon hữu cơ.
Thớ nghiệm mức độ phản ứng với một thể tớch 15 l và xưởng thử nghiệm với thể tớch 800 l. Quỏ trỡnh được đỏnh giỏ rất khả quan với việc cho thờm một hỗn hợp men chiết, lacta và cỏc khoỏng vật gốc để cung cấp Nitơ cho vi khuẩn. Đó đạt được tốc độ giảm sunfat 1,8 ữ 2,4 g/l/ngày. Sunfat trong nước đó được xử lý giảm từ 3.000 mg/l xuống 200 ữ 250 mg/l và cỏc kim loại nặng được chuyển hoỏ hoàn toàn. Tuy nhiờn, cỏc thớ nghiệm đũi hỏi phải tỡm ra cụng nghệ cú thể được ỏp dụng để xử lý nước thải mỏ từ khai thỏc than.
2.1.4.2. Cỏc giải phỏp bị động
Cỏc giải phỏp bị động ỏp dụng để xử lý nước thải mỏ than hầm lũ tại Mỹ gồm: Hệ thống đất ngập nước nhõn tạo (Constructed Wetland Systems) và hệ thống mương đỏ vụi thiếu oxy (Anoxic Limestone Drains).
Hệ thống đất ngập nước (Wetlands)
Wetlands là thuật ngữ chung chỉ vựng bao phủ lầy lội, đầm lầy, đồng cỏ ngập nước và đơn giản là khu ngập nước. Đất ngập nước tạo thành vựng chuyển tiếp giữa hệ sinh thỏi nước và hệ sinh thỏi cạn (Hammer và Bastian, 1989). Wetlands tự nhiờn cú thể loại bỏ Fe và cỏc ion kim loại khỏc ở trong nước. Việc tớch tụ và làm giàu limonit (hợp chất của Fe(OH)3) là rất cao, được tỡm thấy ở cỏc bói lầy cú chứa quặng Fe ở dạng khoỏng limonit hoặc cỏc bói lầy chứa quặng Mn (Hammer và Bastian, 1989).
Sử dụng Wetlands để cải thiện nước thải mỏ được phỏt triển từ nhiều nghiờn cứu về sự tương tỏc của Wetlands tự nhiờn với nước thải mỏ. Chất lượng nước đi