Quản lý chất thải nguy hại trong hoạt động khai thác khoáng sản

Thứ Sáu, 27 Tháng Mười Hai 2013 3:04 CH

Có rất nhiều nguồn phát sinh các chất thải nguy hại trong hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản. Các chất thải nguy hại này bắt nguồn từ công đoạn khai thác hoặc chế biến quặng có thể ở dạng các hóa chất, chất lỏng hay chất thải rắn.

1. Nguồn phát sinh

Có rất nhiều nguồn phát sinh các chất thải nguy hại trong hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản. Các chất thải nguy hại này bắt nguồn từ công đoạn khai thác hoặc chế biến quặng có thể ở dạng các hóa chất, chất lỏng hay chất thải rắn.

2. Các loại chất thải nguy hại

Độc tố và tiềm năng ảnh hưởng có hại tới môi trường của một số nhóm chất thải nguy hại phát sinh trong các hoạt động khai thác được tóm tắt dưới đây.

Các chất thải rắn nguy hại

Các chất thải rắn nguy hại có khả năng trở thành một nguồn phát thải độc hại vì chúng có thể biến đổi về mặt hóa học theo thời gian và sinh ra các hợp chất không mong muốn có thể gây hại tới môi trường. Các chất thải rắn nguy hại cũng có thể trở thành một vấn đề nan giải trong quá trình đóng cửa mỏ. Việc thải bỏ các chất thải rắn nguy hại là một thách thức lớn trong công tác quản lý môi trường trong ngành khai thác mỏ. Quản lý hợp lý các chất thải rắn, đặc biệt là quặng đuôi, đất đá phủ và xỉ lò nung là rất quan trọng đối với sự đảm bảo an toàn về mặt môi trường về lâu dài của các khu vực khai thác mỏ.

Quặng đuôi đặc biệt khác các chất thải khác theo 3 phương diện sau:

- Quặng đuôi thường không bị ảnh hưởng bởi thời tiết (trừ khi thân quặng nguyên khai bị ảnh hưởng bởi thời tiết) và do đó chủ yếu chứa các khoáng chất không bị oxy hóa (các khoáng chất này khi oxy hóa sẽ hình thành dòng thải axit mỏ);

- Quặng đuôi không chứa mùn hay các vật liệu hữu cơ khác và do đó không chứa các chất dinh dưỡng quan trọng đối với thực vật thường được tìm thấy trong đất;

- Quặng đuôi có thể chứa nồng độ cao các kim loại nặng và các thuốc thử tuyển và là một nguồn có khả năng gây ô nhiễm.

Chất thải lỏng nguy hại

Một nguồn chất thải lỏng gây ô nhiễm nghiêm trọng từ các hoạt động khai thác mỏ là dòng thải axit mỏ. Các ion kim loại nặng (Cu, Ni, Pb, Zn) được phát hiện trong nước thải axit mỏ thường có nồng độ đủ lớn gây hại cho đời sống thủy sinh và con người.

Một số dòng thải từ quá trình nghiền quặng có thể chứa nhiều hóa chất hay BOD và hàm lượng kim loại nặng cao có thể tác động có hại tới nguồn nước tiếp nhận trong khu vực.

Các loại thuốc tuyển và hóa chất xử lý quặng

Cyanua và thủy ngân là hai hóa chất thường được sử dụng trong quá trình phân tách vàng từ quặng.

Cyanua được sử dụng trong chu trình cyanua hóa để tách chiết vàng. Việc sử dụng phải tuân thủ theo các tiêu chuẩn, các hướng dẫn quốc gia tương ứng hoặc các quy tắc trong ngành.

Thủy ngân được sử dụng trong hoạt động khai thác với quy mô nhỏ và được xem như một trong các kim loại độc nhất được tìm thấy trong môi trường và nên tránh sử dụng thủy ngân liên tục. Thủy ngân cực kỳ độc đối với con người, các động vật khác và cây cối và dễ dàng tích lũy sinh học trong các thực thể sống dưới nước.

Các nhóm thuốc tuyển khác có thể tồn tại như một loại chất thải gồm có các loại thuốc tuyển nổi, thuốc điều chỉnh môi trường tuyển, chất hoạt hóa và chất keo tụ.

Khai thác vàng trái phép là một nguyên nhân gây suy thoái môi trường nghiêm trọng.

Khí thải

Bụi phát sinh do khai thác khoáng chất aminăng hoặc các khoáng chất khác được xem như có hại cho sức khỏe ở trong không khí và có thể ở trong nước. Amiăng có thể gây ra các bệnh về hô hấp (bệnh phổi), còn bụi SiO₂ tự do được phát ra do bụi từ quá trình nghiền mịn, đập và cắt nhỏ có thể gây nên chứng sơ hóa phổi (bệnh do hít thở bụi silic trong không khí), đặc biệt nếu công nhân tiếp xúc trong thời gian dài.

Khí radon từ quặng đuôi urani có thể gây nguy hiểm nếu quặng đuôi không được quản lý hợp lý.

Khí SO₂ và SO₃ từ các lò nấu chảy kim loại có thể kết hợp với nước hình thành mưa axit ảnh hưởng tiêu cực tới hầu hết các thảm thực vật và lưu vực nước. Hít thở phải các loại khí này cũng có thể gây ra các chứng bệnh về hô hấp đối với con người.

Các hợp chất làm suy giảm tầng ozôn như CFC (chlorofluorocarbon) và halon thường là các hợp chất được kiểm soát theo luật quốc gia và các công ước quốc tế, có thể phát sinh ngoài ý muốn từ các thiết bị làm lạnh hay các thiết bị chữa cháy.

Các chất thải khác

Các chất thải khác có thể làm nảy sinh các vấn đề tại khu vực mỏ bao gồm: dầu mỡ, polychlorinated biphenyls (PCBs), aminăng (như các lớp cách ly hay sơn phủ), thuốc tuyển, các chất xúc tác trơ, hóa chất phòng thí nghiệm, hóa chất tồn dư, dung môi, sơn và thuốc trừ sâu/diệt cỏ.

3. Xử lý và thải bỏ các chất thải nguy hại

Nhiều biện pháp khác nhau được sử dụng để xử lý và thải bỏ các chất thải nguy hại. Bao gồm: ngăn các đập quặng đuôi hay các khu bãi thải theo đúng kỹ thuật để lưu giữ và kiểm soát các chất thải nguy hại; chôn lấp chất thải đến đâu phủ kín bề mặt bãi chôn lấp bằng thảm thực vật đến đó; bồi lắng chất thải; lắng và phân hủy chất thải trong các vùng đất ngập nước được xây dựng nhân tạo.

Đối với các kim loại nặng

Các kim loại nặng chiếm tỷ trọng lớn, trong đó đáng chú ý nhất (Cu, Pb, Zn, Hg và Cd) thường ở dạng kết hợp với các trầm tích muối sunphua của các kim loại cơ bản. Một số trong các kim loại này có thể được phát hiện ở mức độ nguy hiểm trong nước thải mỏ và có thể tăng cường độc tính,đó là hoạt động kết hợp của hai hợp chất sẽ tạo ra độc tính cao hơn độc tính của mỗi hợp chất đơn lẻ. Một hay nhiều kim loại có thể tồn tại với nồng độ đủ lớn để gây ra các mối lo ngại về môi trường, đặc biệt khi nước thải mỏ có tính axit.

Các cation kim loại có thể gây ra các rủi ro do:

- Gây nguy hiểm cho con người và sự sống trên cạn (chủ yếu là As, Cd, Hg, Pb, Ni, Mn, Mo, Se);

- Gây nguy hiểm cho đời sống thủy sinh (ngoài tất cả các kim loại trên còn thêm Cu, Cr);

- Gây nguy hiểm cho thảm thực vật.

Độc tính thường chỉ phát huy tác dụng khi các kim loại ở dạng ion và hầu hết không có tính độc khi ở trạng thái khoáng hóa. Ngoại trừ nguyên tố thủy ngân là kim loại rất độc và dễ bị hấp phụ vào các mô tế bào sống.

Các kim loại nặng có thể bị kết tủa ở các nguồn nước tiếp nhận ngoài mỏ do độ pH tăng và có thể bị lưu giữ trong các đập chứa hoặc nếu có thể bị loại bỏ do quá trình lắng và lọc trong các khu đất ngập nước nhân tạo.

Đối với đá thải và quặng đuôi giàu sunphua

Các vật liệu giàu sunphua này có khả năng tạo ra nước axit do quá trình oxy hóa các khoáng sunphua trong bãi thải và đập quặng đuôi. Các khoáng sunphua này thường ở dạng Pyrite (FeS₂) dễ bị oxy hóa khi gặp nước, oxy và có mặt vi khuẩn (Thiobacillus ferrooxidans, Thiobacillus thiooxidans).

Sự hình thành axit thường xảy ra trong đá thải nhanh chóng hơn và phạm vi rộng lớn hơn trong quặng đuôi do trong đá thải khả năng thấm nước và oxy lớn hơn. Các đặc tính vật lý của chất thải như diện tích bề mặt hoạt động, độ thấm của chất thải và khả năng chống chịu các điều kiện thời tiết sẽ tác động tới tốc độ hình thành axit.

Có thể xác định các khu vực có tiềm năng hình thành nước axit thông qua các yếu tố sau:

- Trong các trường hợp điển hình, đáy lớp nước tiếp nhận sẽ bị bao phủ bởi các kết tủa sắt màu đỏ-cam vàng khá rõ. Màu có thể biến đổi từ vàng-xanh đến tía-đen phụ thuộc vào các kim loại/các khoáng khác trong nước axit và trạng thái oxy hóa. Trong một số trường hợp bản chất của nguồn nước vốn đã có màu.

- Nước axit có thể không có màu (không có kết tủa cam-đỏ vàng) vì thế nước trong suốt không có nghĩa là nước có độ axit thấp.

- Sự xuất hiện dòng thải axit mỏ không liên tục ở những vùng khô cằn thường là do nước mưa và có thể được nhận biết qua sự xuất hiện của: 1) Các “hoa” muối khoáng tại những khu vực thấp như chân các đập chứa chất thải và bãi quặng; và 2) Sự tích tụ thạch cao lỏng màu hơi trắng dọc hệ thống thoát nước bắt nguồn từ các khu vực này trong một khoảng nhiệt độ môi trường nhất định.

- Đất và chất thải tạo ra axit có thể có ít hoặc không có lớp đất nền cho thực vật phát triển và do đó có thể không có các loại côn trùng hay hoạt động của các loài động vật nhỏ có vú.

Quá trình hình thành axit có thể được mô tả bởi 3 giai đoạn phản ứng hóa học oxy hóa pyrit (FeS₂) sau đây:

Giai đoạn 1:    FeS₂ + 7/2O₂ + H₂O à Fe²⁺ + 2SO₄^2- + 2H⁺

Giai đoạn 2:    Fe²⁺ + 1/4O₂ + H⁺ à Fe³⁺ + 1/2H₂O

                          Fe³⁺ + 3H₂O à Fe(OH)₃ + 3H⁺

Giai đoạn 3:    FeS₂ + 14Fe³⁺ + 8H₂O à 15Fe²⁺ + 2SO₄^2- + 16H⁺

Tỷ lệ xảy ra sự hình thành axit phụ thuộc vào các thành phần có khả năng trung hòa của đá thải. Ví dụ như nếu đá gốc là dolomit hay đá vôi thì axit tạo ra có thể được trung hòa bởi thành phần cacbonat trong đá gốc. Một ví dụ cho hiện tượng này là ở mỏ Nchanga ở Zambian Copperbelt nơi có thành phần đá gốc là dolomit và tiềm năng hình thành axit bị trung hòa.

Trong quặng đuôi tại các mỏ đồng, sự xuất hiện vôi trong dây chuyền chế biến quặng tạo ra môi trường kiềm, do đó có khả năng trung hòa lượng axit tạo ra. Tuy nhiên điều này lại không đúng trong trường hợp tách chiết vàng có sử dụng cyanua.

Oxy là nhân tố chính ảnh hưởng tới quá trình oxy hóa hóa học của pyrit. Nếu oxy không thể xâm nhập được vào trong các đống đá thải thì ngay cả khi có nước, cũng rất khó hình thành được axit. Chẳng hạn như trong các đập quặng đuôi, nếu quặng đuôi được phủ ngập nước cỡ vài centimet thì khả năng hình thành axit cũng được giảm xuống đáng kể.

Các phương pháp xử lý bao gồm:

- Xử lý quặng đuôi hay đá thải trước khi thải bỏ hoặc loại bỏ các khoáng sunphua;

- Phân tách đá không chứa sunphua;

- Phủ kín và cách ly bằng các lớp đá không chứa sunphua và đất/đất sét để ngăn chặn oxy thâm nhập và giảm độ thấm nước, phủ đến đâu trồng cây trên bề mặt đến đó để chống xói mòn;

- Phủ ngập nước (trong các đập quặng đuôi) để loại bỏ oxy;

- Thêm các chất phụ gia để kiểm soát pH (như vôi, đá vôi, NaOH) và thuốc diệt khuẩn để tiêu diệt các loại vi khuẩn oxy hóa khoáng sunphua.

Đối với cyanua

Các muối cyanua, đặc biệt là muối natri, thường được sử dụng trong công nghiệp khai thác vàng để tách chiết vàng từ quặng gốc. Người ta cho rằng ion cyanua và các loại hóa chất có liên quan, thậm chí chỉ với hàm lượng nhỏ cũng có độc tính rất cao đối với tất cả các loài động vật sống kể cả con người. Ví dụ, cyanua chứa trong quặng đuôi có thể gây độc cho các loại chim khi chúng hoạt động trong các khu đập quặng đuôi hay các khu đất ngập nước lắng tụ quặng đuôi chứa cyanua.

Do phức chất tạo thành giữa vàng và cyanua rất bền vững nên chỉ cần một dung dịch cyanua tương đối yếu cũng có thể thực hiện được quá trình cyanua hóa. Thông thường, một dung dịch NaCN 200 mg/l có thể cung cấp lượng cyanua cần thiết để thu hồi vàng một cách hiệu quả. Các kim loại khác cũng có thể phản ứng với cyanua để tạo ra các phức kim loại cyanua và do đó gây ra các mối lo ngại về môi trường.

4 nhóm hợp chất cyanua chính, đáng quan tâm đứng về góc độ môi trường và độc tính là:

- Cyanua tự do (CNf);

- Cyanua có thể phân ly trong axit yếu (CNwad);

- Cyanua dạng ion;

- Phức cyanua-kim loại.

Tách chiết vàng từ quặng gốc sử dụng cyanua thường được thực hiện ở pH = 10,3 để đảm bảo phần lớn cyanua tự do trong dung dịch tồn tại ở dạng CN^- ổn định, do đó giảm thất thoát cyanua do bay hơi. Tuy nhiên, khi thải quặng đuôi vào đập chứa, pH của nước sau khi lắng có xu hướng giảm xuống một cách tự nhiên tới khoảng pH = 7 do hấp thụ CO₂ trong không khí. Tại giá trị pH này, trên 99% cyanua tự do ở dạng HCN và bay hơi. Sự bay hơi này là một quá trình loại bỏ cyanua rất quan trọng trong nước sau khi lắng tại đập thải quặng đuôi.

Sự phân hủy cyanua tự do trong quặng đuôi tuân theo đường cong phân hủy số mũ, hình dạng của đường cong này được xác định theo chiều sâu của nước và hệ số vận chuyển. Chiều sâu nước càng lớn thì tốc độ phân hủy cyanua càng chậm. Nói chung, cyanua tự do được xem là dạng cyanua độc nhất.

Mặc dù cyanua tự do có thể gây chết người chỉ với một lượng nhỏ, nhưng tính nhạy cảm hoạt động đối với cyanua của con người lại thấp hơn nhiều so với cá. Tiêu chuẩn nước uống quốc gia của Canada đối với cyanua là 0,2 mg/l, đó cũng là tiêu chuẩn của Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (USEPA). Tiêu chuẩn trung bình 1h để bảo vệ đời sống thủy sinh là 0,022 mg/l và trung bình 4 ngày là 0,005 mg/l. Các giá trị này cho thấy yếu tố an toàn khá cao và được xác định dựa trên độc tính của cyanua. Tính độc của cyanua đối với các sinh vật nước mặn và nước ngọt chủ yếu là do sự xuất hiện HCN và mức độ thấp hơn là CN­^-.

Tiêu chuẩn nước uống của Oxtraylia là 0,1 mg/l đối với bảo vệ hệ sinh thái thủy vực là 5 m/l.

Thông thường, tiêu chuẩn đề xuất đối cho sức khỏe nghề nghiệp hay giá trị giới hạn ngưỡng (TLV) của bụi cyanua là 5 mg/m³. TLV đối với khí hydro cyanua (HCN) là 10 ppm (giá trị tối đa).

Đối với thủy ngân

Thủy ngân là một kim loại độc thường được thải bỏ với khối lượng lớn vào môi trường do sử dụng trong quá trình hỗn hống để thu hồi vàng bởi những người khai thác quy mô nhỏ (manh mún). Hầu hết thủy ngân thoát ra môi trường do bay hơi trong quá trình nung hỗn hống vàng-thủy ngân. Hơi thủy ngân (Hg^o) tụ lại (sự oxy hóa Hg⁺, Hg²⁺) trên những bề mặt, thực vật và con người ở gần đó, hoặc có thể lắng đọng trên mặt đất bị thực vật hấp thụ hoặc rửa trôi vào các con sông gần đó. Một lượng lớn hơi thủy ngân này có thể được loại bỏ nếu như sử dụng các bình hỗn hống kín trong quá trình nung.

Thủy ngân cũng có thể thâm nhập vào môi trường dưới dạng các muối hòa tan trong nước thải từ các hồ lắng sử dụng để thu gom quặng đuôi được phân tách từ quá trình hỗn hống. Nước thải này thường sẽ chảy ra các con sông/suối gần đó./.

Ks. Đinh Văn Tôn

Trung tâm Môi trường Công nghiệp

• Quản lý đất đá thải trong hoạt động khai thác khoáng sản. (27/12/2013)
• Đánh giá môi trường chiến lược QH ... quặng titan giai đoạn đến năm 2020... (20/12/2013)
• Nghiên cứu khả năng xử lý bùn đỏ bằng phương pháp trung hòa nước biển (20/12/2013)
• Mô hình ủ thức ăn chăn nuôi bằng men vi sinh hoạt tính giúp giảm ô nhiễm môi trường (19/12/2013)
• Thực hiện các công trình BVMT phục vụ giai đoạn vận hành của Dự án Núi Pháo (26/11/2013)