Tổng luận: Xử lý bùn đỏ trong sản xuất alumin từ bauxit

Chia sẻ: Lê Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:40

Thêm vào BST

Báo xấu

137
lượt xem 30
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sự xuất hiện hồ thải quặng đuôi có liên thông với hệ thống thủy văn xung quanh, trong đó việc thiết kế đập có tính toán đến số liệu thủy văn và khí hậu để cho nước mặt thoát ra ngoài vào thủy vực xung quanh theo cửa tràn và vị trí đặt khu vực thải bùn đỏ cũng cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng sao cho nó được đặt trên nền khu vực có lớp đất sét để tránh ảnh hưởng đến nguồn nước ngầm. Để cung cấp thêm thông tin về công nghệ xử lý bùn đỏ trong sản xuất alumin từ bauxit, Trung tâm Thông tin KH&CN Quốc gia xin giới thiệu Tổng luận: “Xử lý bùn đỏ trong sản xuất alumin từ bauxit”. Hy vọng tài liệu sẽ có ích đối với độc giả.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tổng luận: Xử lý bùn đỏ trong sản xuất alumin từ bauxit

NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT Tổ chức Phát triển Công nghiệp của Liên Hợp Quốc UNIDO Cơ quan Thống kê Kim loại Thế giới WBMS Polyethylene có tỷ trọng cao HPDE Chu trình hoà tách ở nhiệt độ thấp đã được cải tiến ILTP Chu trình hoà tách ở nhiệt độ thấp thông thường CLTP Sản phẩm khử silicate DSP Bảo đảm chất lượng/kiểm tra chất lượng QA/QC 1
LỜI GIỚI THIỆU Bùn đỏ là loại quặng đuôi được sinh ra đồng thời với alumin trong quá trình xử lý bằng công nghệ Bayer và quá trình sơ chế quặng, đó là loại chất thải lỏng chứa các kim loại và có thể gây nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe con người. Theo phương pháp xử lý truyền thống, bùn đỏ được bơm và để khô tự nhiên vào trong một khu vực khu trú quặng đuôi, được ngăn cách với xung quanh bởi các đập có phủ lớp đất sét. Đập được thiết kế và xây dựng khác nhau, tùy thuộc vào việc áp dụng những tiến bộ trong công nghệ xây dựng. Tuy nhiên, sự xuất hiện một khu vực chứa quặng đuôi như vậy sẽ gây ra nguy cơ đối với môi trường xung quanh và gây khó khăn cho công tác phục hồi môi trường khi mỏ đã kết thúc vận hành. Sự xuất hiện hồ thải quặng đuôi có liên thông với hệ thống thủy văn xung quanh, trong đó việc thiết kế đập có tính toán đến số liệu thủy văn và khí hậu để cho nước mặt thoát ra ngoài vào thủy vực xung quanh theo cửa tràn và vị trí đặt khu vực thải bùn đỏ cũng cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng sao cho nó được đặt trên nền khu vực có lớp đất sét để tránh ảnh hưởng đến nguồn nước ngầm. Để cung cấp thêm thông tin về công nghệ xử lý bùn đỏ trong sản xuất alumin từ bauxit, Trung tâm Thông tin KH&CN Quốc gia xin giới thiệu Tổng luận: “ XỬ LÝ BÙN ĐỎ TRONG SẢN XUẤT ALUMIN TỪ BAUXIT ”. Hy vọng tài liệu sẽ có ích đối với độc giả. TRUNG TÂM THÔNG TIN KH&CN QUỐC GIA 2
ĐẶT VẤN ĐỀ Bùn đỏ là chất thải không thể tránh khỏi trong quá trình sản xuất alumin. Bùn đỏ bao gồm các thành phần không thể hòa tan, trơ và khá bền vững trong điều kiện phong hóa như Hematit, Natrisilicat, Aluminate, Canxi-titanat, Mono-hydrate nhôm… và đặc biệt là có chứa một lượng xút, một hóa chất độc hại dư thừa từ quá trình sản xuất alumin. Trong quá trình sản xuất, các nhà sản xuất sẽ phải cố gắng tối đa để thu hồi lượng xút dư thừa để giảm thiểu chi phí tài chính và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, lượng xút dư thừa vẫn có thể gây độc hại, nguy hiểm cho con người, vật nuôi và cây trồng nếu bị phát tán ra ngoài. Cho đến nay, trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu sử dụng bùn đỏ (làm vật liệu xây dựng…) nhưng vẫn chưa có các giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề này. Cách thức phổ biến về xử lý bùn đỏ vẫn là xây hồ chứa hoặc chôn cất bùn đỏ ở nơi hoang vắng, gần bờ biển, xa các vùng đầu nguồn các sông suối và các mạch nước ngầm. Như vậy, nếu các tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hồ bùn đỏ không đảm bảo, nguy cơ như vỡ đập, hoặc sự cố tràn (khi lượng mưa quá lớn đột xuất) vẫn sẽ là mối nguy thường trực hàng ngày. Một vấn đề về ô nhiễm môi trường khác cũng cần được quan tâm đó là bùn thải quặng đuôi trong quá trình tuyển quặng. Cùng với nước trong quá trình tuyển quặng, lượng bùn thải này sẽ trôi xuống các con suối, con sông và như bài học kinh nghiệm rút ra từ Tĩnh Tây, Quảng Tây, Trung Quốc các con suối sẽ trở nên „nhuộm‟ một màu đỏ (màu đỏ là màu của đất đỏ bazan). Nguy cơ ô nhiễm lưu vực sông sẽ trở nên lớn hơn. Sản xuất hydroxit nhôm từ công nghệ Bayer luôn phát sinh một lượng chất thải bùn đỏ lớn. Loại bùn này rất chậm đóng rắn và phải 20 năm lưu giữ mới có thể di chuyển trên nền bùn được. Đặc biệt, khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm là rất cao khi lưu giữ bùn với khối lượng lớn trong thời gian dài, không đảm bảo kỹ thuật. Ở một số nước trên thế giới, trước đây người ta thường bơm bùn xuống đáy sông, đáy biển hay ngăn một phần vịnh biển để chứa bùn thải. Tuy nhiên, hiện nay các biện pháp này đều bị nghiêm cấm vì nó phá hủy hoàn toàn môi trường sống của các sinh vật đáy thủy vực. Ở Australia bùn đỏ được thải vào sa mạc. Từ năm 1945, nước Anh đã sử dụng bùn đỏ làm chất keo tụ. Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều ứng dụng từ bùn đỏ, trong đó tập trung vào 3 lĩnh vực như: chất phụ gia trong xi măng, sản xuất vật liệu xây dựng, điều chế quặng sắt. Các phương pháp xử lý bùn đỏ hiện nay đang được áp dụng bao gồm các bước chính sau: - Xử lý phần chất lỏng đi kèm bùn đỏ hoặc phát sinh trong hồ bùn đỏ bằng cách tái sử dụng trong dây chuyền sản xuất hoặc trung hoà bằng nước biển (trường hợp nhà máy đặt cạnh biển) hoặc trung hoà bằng CO2. - Chôn lấp bùn đỏ đã thải, tiến hành hoàn thổ, phục hồi môi trường Xử lý bùn đỏ từ bãi thải, dùng cho các ứng dụng như vật liệu xây dựng (gạch, ngói, bê tông...), làm đường, chế biến sơn, chế tạo các vật liệu đặc biệt khác... Việc lựa chọn các phương án xử lý bùn đỏ sau thải được thực hiện tùy theo các nhà máy alumin cụ thể, tuy nhiên hiện nay phương án chôn lấp, hoàn thổ chiếm ưu thế và được áp dụng rộng rãi, phương án chế biến bùn đỏ đang được nghiên cứu, thử nghiệm vì chi phí để thực hiện cao, hiệu quả kinh tế thấp. 3
I. SẢN XUẤT ALUMIN VÀ XỬ LÝ BÙN ĐỎ 1.1. Tình hình sản xuất Trên thế giới, nhôm là một trong 4 kim loại màu cơ bản được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp quan trọng như chế tạo thiết bị điện, phương tiện vận tải, xây dựng, chế tạo máy, vũ khí, vật liệu bao gói, đồ đựng nước uống giải khát và sản xuất đồ gia dụng. Tổng tài nguyên khoáng sản bauxit trên thế giới ước đạt 75,2 tỷ tấn, phân bố chủ yếu tại các quốc gia nhiệt đới và cận nhiệt đới, trong đó Ghi nê, Australia và Việt Nam là các quốc gia có trữ lượng bauxit lớn nhất. Tổng lượng tiêu thụ nhôm nguyên sinh trên thế giới năm 2007 đạt 38 triệu tấn và dự báo sẽ tăng lên 51,8 triệu tấn năm 2012 và đạt 74,9 triệu tấn vào năm 2020. Trong khi đó, theo dữ liệu nghiên cứu của Cơ quan Thống kê Kim loại Thế giới (WBMS) thì sản xuất nhôm của thế giới năm 2007 đạt 38,02 triệu tấn, năm 2008 đạt 41,9 triệu tấn và đến năm 2020 có thể đạt 78,5 triệu tấn. Từ năm 2008 đến 2011 thị trường nhôm sẽ xảy ra dư thừa từ 0,1 - 1,8 triệu tấn/năm, nhưng đến giai đoạn từ 2012 đến 2020, nhôm sẽ rơi vào tình trạng thiếu hụt khoảng từ 0,3 triệu tấn đến 2,6 triệu tấn/năm. Theo đánh giá của AOA VAMI RUSAL (Nga), sản lượng alumin (nhôm ôxít) của thế giới năm 2007 đạt 74,7 triệu tấn, tăng 6,9% so với năm 2006 và tăng 40,1% so với năm 2000. Sự tăng trưởng mạnh mẽ sản lượng alumin đạt được là do nhu cầu về nhôm tăng mạnh, đặc biệt là từ nhu cầu của Trung Quốc và các quốc gia thuộc Mỹ La tinh. Cũng theo dự báo của RUSAL sản lượng alumin trên thế giới giai đoạn 2008-2014 sẽ tăng khoảng 50 triệu tấn. Phần lớn alumin được giao dịch trên thị trường Thế giới thông qua những hợp đồng dài hạn, chỉ có một phần nhỏ, khoảng 10% tham gia vào thị trường trôi nổi. Giá alumin trên thị trường dao động bằng khoảng từ 11-15% so với giá nhôm. Nhóm Broc Hunt nghiên cứu thị trường alumin Thế giới và cho ra một dự báo dài hạn về thị trường alumin đến năm 2020 theo bảng dưới đây: Bảng 1: Dự báo về thị trường alumin đến năm 2020 Đơn vị: Triệu tấn 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2020 Sản 83.7 90.0 97.7 100.5 104.0 107.0 113.4 118.3 126.8 129.3 148.7 lượng Nhu 82.4 88.4 95.7 99.4 101.8 107.5 113.1 118.8 127.1 130.3 148.3 cầu Thừa/ 1.3 1.6 2.0 1.1 2.1 -0.5 0.3 -0.5 -0.3 -1.0 0.4 Thiếu Nguồn: Broc Hunt 4
Bauxit là một trong những tài nguyên khoáng sản khá dồi dào trên Trái đất. Từ bauxit có thể thu hồi alumin (Al2O3), rồi tiếp tục điện phân sẽ thu hồi aluminium (nhôm kim loại). Những khoáng vật chủ yếu của bauxit là: gippsite, diaspore, boehmite là một biến dạng đa hình của diaspore. Khoảng 96% bauxit khai thác được sử dụng trong ngành luyện kim, 4% còn lại được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác như: Sản xuất vật liệu chịu lửa, gốm sứ, vật liệu mài-đánh bóng, đá trang sức nhân tạo... Hơn 90% sản lượng alumin (được gọi là alumin luyện kim) được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, 10% còn lại được sử dụng trong công nghiệp hoá chất và các ngành công nghiệp khác. Nguồn quặng bauxit toàn thế giới ước tính khoảng 55-75 tỷ tấn, trong đó châu Phi chiếm 33%; châu Đại Dương 24%; Nam Mỹ và vùng Caribê 22%; châu Á 15%; các nơi khác là 6%. Tình hình sản xuất bauxit trên thế giới được thể hiện ở bảng sau: Bảng 2: Khai thác bauxit trên thế giới (đơn vị tính 1000 tấn) TT Quốc gia Sản lượng khai thác Trữ lượng Trữ lượng 2007 2008 khai thác ban đầu 1 Hoa Kỳ - - 20 000 40 000 2 Australia 62400 63 000 5 800 000 7 900 000 3 Braxin 24 800 25 000 1 900 000 2 500 000 4 Trung Quốc 30 000 32 000 700 000 2 300 000 5 Hy Lạp 2 220 2 200 600 000 650 000 6 Guinea 18 000 18 000 7 400 000 8 600 000 7 Guyana 1 600 1 600 700 000 900 000 8 Ấn Độ 19 200 20 000 770 000 1 400 000 9 Jamaica 14 600 15 000 2 000 000 2 500 000 10 Kazakhstan 4 800 4 800 360 000 450 000 11 Nga 6 400 6 400 200 000 250 000 12 Suriname 4 900 4 500 580 000 600 000 13 Venezuela 5 900 5 900 320 000 350 000 14 Việt Nam 30 30 2 100 000 5 400 000 15 Các nước khác 7 150 6 800 3 200 000 3 800 000 16 Tổng cả thế giới 202 000 205 000 27 000 000 38 000 000 (làm tròn) Nguồn: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 1/2009 5
1.2. Công nghệ sản xuất alumin Trong công nghiệp, có một số công nghệ sản xuất alumin tùy theo loại nguyên liệu và chất lượng nguyên liệu. Hiện tại và trong tương lai, 85% alumin trên thế giới được sản xuất từ quặng bauxit, 10% từ quặng nephelin và alunit, 5% từ các nguyên liệu khác. Điều đó cho thấy bauxit vẫn là nguồn nguyên liệu quan trọng nhất trong sản xuất alumin nói riêng và sản xuất nhôm nói chung. Nếu nguyên liệu là bauxit chất lượng tốt (tỷ lệ Al2O3/SiO2 >= 7), hàm lượng SiO2 thấp, thì có thể áp dụng công nghệ Bayer. Nếu là bauxit chất lượng trung bình, có thể áp dụng phương pháp kết hợp Bayer - thiêu kết song song hoặc nối tiếp. Nếu là bauxit chất lượng xấu, hàm lượng SiO2 cao, có thể áp dụng phương pháp thiêu kết đơn thuần. Hiện tại và dự báo trong tương lai, khoảng 90% sản lượng alumin trên thế giới vẫn được sản xuất bằng công nghệ Bayer. Quá trình sản xuất alumin thực chất là quá trình làm giàu Al2O3, nhằm tách lượng Al2O3 trong bauxit ra khỏi các tạp chất khác (các ôxít…). Alumin luyện kim được chuyển hoá trong quá trình điện phân trong bể muối cryolite nóng chảy (Na 3AlF6) để thành nhôm kim loại. - Sản xuất alumin bằng phương pháp hoả luyện Trong số các phương pháp hỏa luyện thì phương pháp thiêu kết bauxit với Na2CO3 có sự tham gia của CaCO3 (gọi là phương pháp soda-vôi) là phương pháp kinh tế và được ứng dụng trong công nghiệp. Phương pháp thiêu kết dùng để xử lý quặng bauxit có chất lượng trung bình hoặc kém (hàm lượng SiO2 cao) mà nếu xử lý bằng công nghệ Bayer (công nghệ thủy luyện) thì không có hiệu quả kinh tế. Nguyên lý của phương pháp hỏa luyện là: Thiêu kết hỗn hợp bauxit + Na2CO3 + CaCO3 trong lò quay ở nhiệt độ 1200oC để thực hiện các phản ứng sau: Al2O3 + Na2CO3 = 2 NaAlO2 + CO2; SiO2 + 2 CaCO3 = 2 CaO.SiO2 + 2CO2; NaAlO2 rắn là sản phẩm từ thiêu kết, dễ tan trong nước. Còn 2CaO. SiO2 không tan trong nước và đi vào cặn thải (bùn thải). Phương pháp thiêu kết có thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp với phương pháp Bayer: song song hoặc nối tiếp. - Sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer (phương pháp thuỷ luyện) Công nghệ Bayer được Karl Bayer phát minh vào năm 1887. Khi làm việc ở Saint Petersburg, Nga ông đã phát triển từ một phương pháp ứng dụng alumin cho ngành công nghiệp dệt (nó được dùng làm chất ăn mòn trong nhuộm sợi bông), vào năm 1887 Bayer đã phát hiện rằng nhôm hydroxit kết tủa từ dung dịch kiềm ở dạng tinh thể và có thể tách lọc và rửa dễ dàng, trong khi nó kết tủa bởi sự trung hòa dung dịch trong môi trường axít, thì ở dạng sệt và khó rửa sạch. 6
Vài năm trước đó, Louis Le Chatelier, nhà bác học Pháp trong lĩnh vực hoá học và luyện kim đã phát triển phương pháp tạo ra alumin khi nung bauxit trong natri cacbonat, Na2CO3, ở 1200°C, tạo ra natri alumint (NaAlO2) và nước, sau đó tạo kết tủa nhôm hydroxit bằng carbon dioxide, CO2, tiếp theo nhôm hidroxit được đem đi lọc và làm khô. Quá trình này đã không được sử dụng khi phương pháp của Bayer ra đời. Công nghệ Bayer trở nên rất quan trọng trong ngành luyện kim cùng với những phát minh về điện phân nhôm vào năm 1886. Cùng với phương pháp xử lý bằng xyanua được phát minh vào năm 1887, công nghệ Bayer đã hình thành ngành luyện kim bằng nước hiện đại. Ngày nay, công nghệ này vẫn không thay đổi và nó tạo ra hầu hết các sản phẩm nhôm trung gian trên thế giới. Để chuyển từ bauxit thành alumin, người ta nghiền quặng và trộn với đá vôi và sođa cốt tích, bơm hỗn hợp này vào bình chứa áp lực cao, rồi nung lên. Nhôm ôxít bị phân giải bằng sođa cốt tích, sau đó kết tủa, rửa, và nung để tách nước ra. Thành phẩm là bột màu trắng mịn hơn muối ăn mà ta gọi là alumin. Công nghệ Bayer là phương pháp sản xuất chính tinh luyện quặng thô bauxit để sản xuất ra quặng tinh alumin. Trong bauxit có đến 30-54% là alumin, Al2O3, phần còn lại là các silica, nhiều dạng ôxít sắt, và điôxít titan. Alumin phải được tinh chế trước khi có thể sử dụng để điện phân sản xuất ra nhôm kim loại. Trong quy trình Bayer, bauxit bị chuyển hóa bởi một luồng dung dịch natri hydroxit (NaOH) nóng lên tới 175°C để trở thành hydroxit nhôm, Al(OH)3 tan trong dung dịch hydroxit theo phản ứng sau: Al2O3 + 2OH− + 3H2O → 2[Al(OH)4]− Các thành phần hóa học khác trong bauxit không hòa tan theo phản ứng trên được lọc và loại bỏ ra khỏi dung dịch tạo thành bùn đỏ, quặng đuôi hay đuôi quặng của loại quặng bauxit.Chính thành phần bùn đỏ này gây nên vấn đề môi trường liên quan đến đổ thải, giống như các loại quặng đuôi của các khoáng sản kim loại màu nói chung. Tiếp theo, dung dịch hydroxit được làm lạnh và hydroxit nhôm ở dạng hòa tan phân lắng tạo thành một dạng chất rắn, bông, có màu trắng. Khi được nung nóng lên tới 1050°C (quá trình canxit hóa), hydroxit nhôm phân rã vì nhiệt trở thành alumin và giải phóng hơi nước: 2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O Công nghệ Bayer có thể khái quát gồm các công đoạn sau: - Bauxit được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH. Lượng Al2O3 được tách ra trong dạng NaAlO2 hoà tan và được tách ra khỏi cặn không hoà tan (gọi là bùn đỏ mà chủ yếu là các ôxít sắt, ôxít titan, ôxít silic…). - Dung dịch aluminate, NaAlO2 được hạ nhiệt đến nhiệt độ cần thiết và cho mầm Al(OH)3 để kết tủa. 7
- Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng được lọc, rửa và nung để tạo thành Al2O3 thành phẩm. Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ kiềm Bayer được giới thiệu trong hình dưới đây: Bauxit Vôi NaOH Hòa tách trong Ôtôcla Bùn quặng Cô và cốt tích hóa Lắng lọc Dung dịch NaAlO2 Dung dịch cái Khuấy phân hóa Al(OH)3 Al(OH)3 Nung Al2O3 Hình 1: Sơ đồ công nghệ sản xuất alumin theo phương pháp kiềm Bayer Trong quá trình sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer, tùy theo thành phần khoáng vật của bauxit mà công nghệ Bayer được chia thành 2 phương pháp khác nhau: a. Công nghệ Bayer châu Mỹ Được áp dụng nếu Al2O3 của bauxit ở dạng gippsite (trihydrate Al2O3. 3H2O), có thể được hoà tách dễ dàng. Bauxit này thường được hòa tách ở nhiệt độ tối đa 140- 1450C trong dung dịch hòa tách có nồng độ kiềm thấp (120-140g/l Na2O). b. Công nghệ Bayer châu Âu Được áp dụng nếu Al2O3 của bauxit ở dạng boehmite và diaspore (monohydrate Al2O3.H2O), phải hòa tách ở nhiệt độ cao hơn 200oC (240 - 250oC trong các nhà máy hiện đại và có chất xúc tác đối với quặng diaspore) và trong dung dịch hòa tách có nồng độ kiềm cao hơn (180-250g/l Na2O). 8
1.3. Bùn đỏ và xử lý bùn đỏ Quặng thải bauxit hay còn gọi là bùn đỏ (bởi vì có mầu đỏ) là sản phẩm phụ chủ yếu từ quá trình hòa tách trong sản xuất alumin theo công nghệ Bayer. Khối lượng và chất lượng bùn đỏ, hàm lượng caustic của pha lỏng (dung dịch bám dính đi theo bùn đỏ) rất khác nhau tại các nhà máy luyện alumin khác nhau. Khối lượng bùn đỏ dao động từ 0,4 tấn đến 2 tấn (tấn khô) cho một tấn alumin sản phẩm, trước tiên phụ thuộc vào chất lượng bauxite đầu vào cấp cho nhà máy. Trong quá khứ người ta ít quan tâm đến rủi ro môi trường do hoạt động công nghiệp gây ra, trong đó có lưu giữ bùn đỏ. Trong 40 năm qua, thế giới đã đạt được nhiều tiến bộ trong rửa, khử nước và lưu giữ bùn đỏ. * Bản chất tự nhiên của bùn đỏ Khái niệm: Bùn đỏ hoặc quặng thải bauxit là cách gọi chất thải từ quá trình hoà tách khoáng sản alumin ngậm nước của bauxit. Bauxit được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH. Lượng Al2O3 hoà tan trong kiềm và được tách ra khỏi cặn không hoà tan, gọi là bùn đỏ. Dung dịch (NaAlO2) có chứa Al2O3 hoà tan được hạ nhiệt đến nhiệt độ cần thiết và cho mầm Al(OH)3 để kết tủa. Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng được lọc, rửa và nung cho mất nước để tạo thành Al2O3 thành phẩm. Trong quá trình xử lý bauxit bằng kiềm, khoảng 76 - 93 % hàm lượng alumin được phân giải trong dung dịch và phần còn lại là cặn bã. Silicate (SiO2) trong bauxit phản ứng với sodium aluminium silicates của các hợp thành khác nhau để chuyển thành chất cặn bã. Các thành phần cơ bản khác trong bauxit, như là sắt và titania, hàm lượng được nâng lên nhưng vẫn tồn tại ở thể rắn, và một số tạp chất nhỏ trong bauxit, như là gallium, vanadium, phốt pho, nickel, chromium, magnesium cũng có trong chất cặn bã bauxit. Khoáng sản alumin ngậm nước hòa tách được là gibbsite, boehmite và diaspore. Bauxit loại gibbsite thường được hoà tách ở nhiệt độ khoảng 140 - 150oC (hoà tách nhiệt độ thấp). Bauxit boehmitic được hoà tách ở nhiệt độ 230 - 270oC, trong khi bauxit diaspore ở nhiệt độ 240 - 280oC. Vôi sử dụng tại các thời điểm khác nhau của chu trình Bayer trở thành hợp phần của bùn đỏ. Bùn đỏ chứa các hạt thô (> 106 μm), gọi là cát. Số lượng hạt cát thay đổi từ 0,1 đến 50 % trong chất thải hoà tách khác nhau, thông thường 5 %. Trong nhiều trường hợp hạt cát được tách ra khỏi trước khi gạn lọc và chuyển tới thiết bị rửa trong hệ thống tách. Hạt cát có thể chứa quartz. Như vậy, thực chất bùn đỏ về cơ bản vẫn là các nguyên tố có trong thành phần bauxit không hoà tan trong kiềm, nguyên tố có thêm là thành phần Na (vì sử dụng kiềm để hoà tan), hoặc Ca (nếu công nghệ có sử dụng CaO làm chất xúc tác với lượng ít). 9
- Hợp chất hoá học của bùn đỏ Hợp chất khoáng học và hoá học của các loại bauxit khác nhau, do đó khả năng hoà tách và các thông số chu trình cũng khác nhau. Hợp chất khoáng học và hoá học cũng như đặc tính vật lý của bùn đỏ từ các nhà máy luyện alumin trên thế giới được nêu ở bảng 3 và bảng 4. Phần lớn soda ở dưới dạng liên kết hoá học (sodium-aluminum-hydrosilicate) và sử dụng soda từ liên kết này rất khó. Còn lại, soda hoà tan được và dung dịch kiềm có trong pha lỏng hay dòng dung dịch đáy đi cùng bùn đỏ. Bảng 3: Hợp chất hoá học của các loại bùn đỏ khác nhau South Darling Boké Weipa Trombetas Iska Parnasse Manch. Range (Guinea) (Australia) (Brasil) (Hungary) (Hy Lạp) (Jamaica) (Australia) Nhiệt độ hoà tách 240 240 143 245 143 240 260 (oC) Hợp chất hoá học Al2O3 14,0 17,2 13,0 10,7 14,9 14,4 13,0 SiO2 7,0 15,0 12.,9 3,0 42,6 12,5 12,0 Fe2O3 32,1 36,0 52,1 61,9 28,0 38,0 41,0 TiO2 27,4 12,0 4,2 8,1 2,0 5,5 6,2 L.O.I. 10,0 7,3 6,4 8,4 6,5 9,6 7,1 Na2O 4,0 9,0 9,0 2,3 1,2 7,5 7,5 CaO 3,2 - 1,4 2,8 2,4 7,6 10,9 Khác 2,3 3,5 1,0 2,8 2,4 4,9 2,3 Bảng 4: Hợp chất khoáng hoá của bùn đỏ khác nhau Hợp chất South Darling Boké Weipa Trombetas Iszka Parnasse (%) Manch. Range Gibbsite 33,0 - 33,0 5,6 - - Hematite 20,0 3,5 38,0 3,5 14,5 33,0 38,0 Goethite 16,0 18,0 19,0 10,0 14,5 6,0 1,0 Cancrinite - 22,0 16,0 SAHS 21,0 27,0 27,0 27,0 5,4 - Sodalite - - - - - 10,0 10,0 Illite - 2,0 - 2,0 4,7 - - Boehmite 5,0 2,0 0,6 2,0 3,5 0,8 0,6 Diaspore 1,2 - 1,2 - 2,5 0,7 0,6 Ca-Al-Si - - - - 1,7 12,5 10,0 CaTiO2 2,0 - 1,5 - - 7,0 10,0 Calcite 4,6 0,5 1,4 0,5 2,3 3,0 3,6 10
Quartz - 6,0 2,2 6,0 37,1 - - Anatase 7,0 2,0 2,5 2,0 1,0 - - Rutile 19,0 6,0 0,8 6,0 - - - Na-Titanates 2,0 - - - 0,6 - - Magnetites - - - - 1,3 - - Chamosite - - - - - - 6,0 Ilmenite - - - - 1,0 - - Khác 2,2 - 5,8 3,4 5,0 3,7 - Hợp chất khoáng hoá của bùn đỏ Các hợp chất khoáng hoá sau đây được tìm thấy trong bùn đỏ: gibbsite, boehmite, diaspore, hematite, alumo-goethite, magnetite, maghmite, kaolinite, quarts, chamosite, sodium-aluminium-hydrosilicats (sodalite, cancrinite, v.v…), anatase, rutile, Ca(Mg, Al, Fe) titanates, calcium-alumo-silicate. Hai hợp chất sau cùng là đặc tính của chất thải bùn đỏ từ chu trình hoà tách nhiệt độ cao. Bùn đỏ cũng có nhiều hoặc ít các cấu thành không định hình. - Đặc tính vật lý của bùn đỏ Tỷ trọng: 2,6-3,5 t/m3; pH: 12-13,5 (có khi tới 14); tỷ lệ lắng, Cm/Ks: 0,014-35,9 (tỷ lệ cao hơn cho thấy có cát). Độ phân bố cỡ hạt đặc trưng của bùn đỏ (hạt mịn và hạt thô-cát) được trình bày tại hình 2. Hình 2. Phân bố cỡ hạt mịn và thô đặc trưng của bùn đỏ Người ta nhận thấy, 80% bùn đỏ có hạt mịn < 10 μm, vì vậy tốc độ lắng của các phần tử mịn diễn ra đặc biệt chậm. Tuy nhiên, với kỹ thuật tạo bọt (là chất trợ đông) thì quá trình lắng này có thể diễn ra nhanh. 11
Bùn đỏ mang tính giáp tuyến (thixotropic), nghĩa là độ nhớt giảm nhanh khi chịu tác dụng hiệu ứng cơ như là ứng suất cắt. Giáp tuyến là một hiện tượng đảo chiều được. Nếu độ ẩm < 28 %, bùn đỏ không có đặc tính giáp tuyến nữa. Bùn đỏ có khuynh hướng trở nên nứt nẻ và vỡ khi khô. Trong quá trình làm khô bùn đỏ, bụi bùn đỏ bay lên khi có gió. Nếu bùn đỏ được tạo ra ở dạng vụn và đã được làm khô sẽ không bốc bụi. Mưa thấm vào các bùn khô chỉ ở mức độ tối thiểu. Nếu dòng dung dịch đáy có hàm lượng chất rắn cao từ thiết bị rửa hoặc thiết bị cô đặc xuất hiện thì xu hướng bốc bụi không xẩy ra với bùn đỏ. * Quá trình hình thành và tính chất của bùn đỏ Bùn đỏ là chất thải độc hại nhất của nhà máy alumin khi xử lý bauxit theo phương pháp Bayer được nêu trong sơ đồ hình 1. Để hiểu rõ hơn về bản chất của bùn đỏ người ta thường tách nó ra thành hai pha là pha rắn và pha lỏng để phân tích. - Pha rắn của bùn đỏ. Pha rắn của bùn đỏ được đặc trưng bởi các yếu tố chính như thành phần hóa học, khoáng vật, cỡ hạt... - Về thành phần hóa học Theo báo cáo tổng hợp của UNIDO, tài liệu đã chuyển giao cho Việt Nam trong khuôn khổ dự án DPVIE 85-006, thành phần hóa học pha rắn của bùn đỏ các Nhà máy alumin trên thế giới dao động như trong bảng dưới đây: Bảng 5: Thành phần hóa học pha rắn của bùn đỏ Số TT Thành phần hóa học % 1 Al2O3 5-25 2 SiO2 1-20 3 Fe2O3 25-60 4 TiO2 1-10 5 MKN (H2O liên kết) 5-15 6 CaO 2-8 7 Na2O 1-10 - Về thành phần khoáng vật của bùn đỏ: Về định tính thì tương tự như thành phần của bauxit nhưng thay đổi về định lượng và có thêm hai pha mới là Na2O.Al2O3.2SiO2.nH2O và hợp chất có thành phần dao động của CaO với các cấu tử Al2O3, Na2O và SiO2. - Về thành phần cỡ hạt của bùn đỏ: Do bauxit trước khi đưa vào hòa tách phải nghiền đến cỡ hạt nhỏ và do quá trình tự vỡ vụn nên bùn đỏ thường có cỡ hạt từ mịn đến rất mịn. Đa phần bùn đỏ có cấp hạt 100% dưới sàng là 100 k, bùn đỏ (bauxit Jamaica) cấp dưới sàng 44 k chiếm tới 90%. 12
- Pha lỏng của bùn đỏ: Pha lỏng của bùn đỏ được đặc trưng bởi thành phần hóa học của 3 cấu tử Na2Ot (NaOH + Na2CO3), Na2Oc (NaOH) và Al2O3. Cũng theo tài liệu đã dẫn ở trên, thành phần hóa học của pha lỏng có thể dao động như sau: Na2Ot = 0,6 - 8,0 g/l Na2Oc = 0,5 - 6,0 g/l Al2O3 = 0,5 - 3,0 g/l Như đã thấy trong bùn ở pha rắn có Na2O ở dạng liên kết còn ở pha lỏng có Na2O nhưng ở dạng tự do (NaOH). Na2O ở pha rắn ít độc hại còn Na2O trong pha lỏng là chất độc hại nhất. Tuy vậy khi giải quyết vấn đề bùn đỏ thì phải giải quyết tổng thể. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu nhằm sử dụng bùn đỏ vào các mục đích khác nhau nhưng đều chưa có thể ứng dụng ở quy mô đại trà. Bùn đỏ là chất thải không những vô dụng mà còn có thể gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu phương pháp thải và lưu giữ không đảm bảo an toàn. 1.4. Phương pháp thải và lưu giữ bùn đỏ Các nhà máy alumin thường lưu giữ bùn đỏ ở những chỗ được gọi là bãi thải bùn đỏ. Tuy nhiên, phương pháp lưu giữ của các nhà máy thường rất khác nhau. Đã từng có hai phương pháp thải bùn đỏ: Thải trên đất liền và thải xuống nước. Phương pháp thải xuống nước (sông, biển) đã quá lỗi thời, hiện nay không sử dụng. Những ưu nhược điểm của phương pháp thải bùn đỏ trên đất liền theo quan điểm cả về kinh tế lẫn bảo vệ môi trường sẽ được tóm tắt dưới đây. Phương pháp thải này gồm các nội dung: - Lựa chọn địa điểm thích hợp cho bãi thải Bãi thải bùn đỏ được xây dựng và vận hành thích hợp phải đáp ứng những yêu cầu về an toàn, bảo vệ môi trường mà trước hết là bảo vệ chất lượng của nước ngầm và các nguồn nước xung quanh, đồng thời đáp ứng dung tích thải của nhà máy về yêu cầu kinh tế. Những vấn đề liên quan đến địa chất thủy văn và yêu cầu của quá trình công nghệ của nhà máy alumin cần được xem xét. Sự hợp tác rất chặt chẽ của các nhà chuyên môn, công nghệ, địa chất, địa chất thủy văn, các kỹ sư xây dựng, v.v... là điều cần thiết. Điều kiện thuận lợi nhất là bãi thải bùn đỏ đặt ngay gần nhà máy alumin. Như vậy chi phí vận chuyển bùn đỏ sẽ là ít nhất. Tuy nhiên, một khoảng cách nhất định giữa nhà máy và bãi thải cũng cần phải được chú ý nhằm đáp ứng quy định của kiểm tra môi trường. Để chọn được địa điểm cần thiết phải có những số liệu đã nghiên cứu như: địa hình, thủy văn, địa chất, động đất, gió và tính chất của đất, thêm nữa là số liệu về giá trị nông nghiệp của địa điểm lựa chọn cũng như khả năng sử dụng đất. Những kế hoạch phát triển của khu vực và những quy định của chính phủ và nhà chức trách cần phải được xem xét. Trong bất cứ thời điểm nào với hầu hết mỗi nước đều có sẵn những kế hoạch hoặc quy hoạch phát triển công nghiệp và xã hội của các khu vực. Đồng thời 13
còn có các thông tin về số liệu bảo vệ môi trường và bảo tồn thiên nhiên, vấn đề cung cấp nước của khu vực, vấn đề nhà cửa đã có và vấn đề về vật liệu xây dựng, sông, hồ, biển, nước ngầm là những vấn đề mà các nhà thiết kế phải biết trước và phân tích các phương án khác nhau trong khi lựa chọn địa điểm cuối cùng và việc thiết kế xây dựng bãi thải phải được chọn trên cơ sở những tính toán kỹ thuật và kinh tế, nhưng phải phù hợp với quy định của nhà chức trách cũng như với người đặt hàng. Để chọn địa điểm cần phải có những nghiên cứu và tính toán chi tiết: Bản đồ tỉ lệ 1:5000 đến 1:20.000 với đường đồng mức từ 1 đến 10 m phụ thuộc vào loại hình khu vực để nghiên cứu địa hình chi tiết của bãi thải. Những số liệu bằng ảnh hàng không cũng cần được sử dụng. Thí nghiệm chi tiết về đất cần phải tiến hành để nghiên cứu xác định độ thấm và những đặc tính khác của đáy. Trong trường hợp nếu quy mô thải lớn thì ngoài yếu tố kinh tế phải nghiên cứu chi tiết cả vấn đề về an toàn. Kế hoạch cũng phải bao gồm cả những đòi hỏi về công nghệ và vấn đề nước. Sự lựa chọn để lấy một trong số những phương án là một công việc phức tạp và cũng cần có sự hợp tác giữa các chuyên gia về công nghệ và xã hội học. Việc xây dựng các quy định bảo vệ chất lượng nước và môi trường cần có sự tham gia của các nhà quản lý và chuyên môn thuộc các lĩnh vực ngư nghiệp, trồng trọt, bảo tồn thiên nhiên, lâm nghiệp, nông nghiệp, sức khỏe cộng đồng v.v... Đòi hỏi phải vận hành hệ thống thải khép kín để tránh cho trường hợp nước từ bãi thải chảy vào nguồn nước sinh hoạt và nước ngầm. Yêu cầu phải có hệ thống giếng sử dụng xung quanh bãi thải để kiểm soát sự thấm rỉ và thảm họa ô nhiễm nước ngầm. Việc thực hiện những quy định này sẽ làm tăng chi phí của bãi thải. Bất luận thế nào thì những chi phí này phải được coi là một phần chi phí cần thiết của chi phí đầu tư và chi phí vận hành trong sản xuất alumin. Tiếp theo đó tất cả những yếu tố quan trọng cần phải xem xét trong quá trình đo vẽ, thiết kế, xây dựng và vận hành phải được xử lý chi tiết. Cần xem xét các loại hình chính của bãi thải bùn đỏ cùng với những ưu và nhược điểm của chúng, những vấn đề về làm kín đáy bãi thải, thiết bị và phương pháp đo vẽ được dùng trong cả quá trình xây dựng và vận hành. Không nhất thiết phải xây dựng một bãi thải bùn đỏ có sức chứa cho 20 tới 30 năm vì phải huy động vốn đầu tư khá lớn. Do đó bãi thải bùn đỏ được xây dựng dần dần, trước hết cho 6 đến 8 năm và sau đó mở rộng dần song song với quá trình sản xuất alumin. Như vậy, trong giai đoạn mở rộng xây dựng bãi thải bùn đỏ tất cả những kinh nghiệm thu được của giai đoạn vận hành trước liên quan đến công nghệ đổ thải, vấn đề thu hồi nước, vấn đề xây dựng và chống thoát v.v... có thể sử dụng để có được cách giải quyết thích hợp và kinh tế hơn. - Phương pháp thải bùn đỏ trên đất liền Phương pháp thải ướt Loại hình tối ưu nhất cho thải bùn đỏ ướt phải được xác định bởi các điều kiện cụ thể của địa phương. Các phương án lựa chọn như sau: Thải vào khu vực được vây quanh bằng đê; thải vào thung lũng có đập chắn; thải vào khu vực mỏ đã khai thác và 14
không còn sử dụng nữa. Có thể tóm tắt kỹ thuật thải vào thung lũng có đập chắn như sau: Nếu gần khu vực nhà máy có thung lũng thích hợp cho thải bùn đỏ và có thể đắp đập chắn ngang lại thì có thể dùng làm bãi thải. Các điều kiện cụ thể cần phải xem xét và tính đến là: - Thung lũng có độ dốc tự nhiên của đáy. - Có thể kiểm tra được việc thoát nước mặt. - Chiều cao của đập có thể tạo ra bức chắn đủ an toàn. - Đập không gây nguy hiểm cho các công trình xây dựng và khu định cư v.v... Để khẳng định được việc lựa chọn này cần có một loạt các nghiên cứu và thử nghiệm như: - Điều kiện địa chất thủy văn. - Mặt cắt của các lớp đất đá. - Độ thấm của đất đá. - Khả năng cung cấp tại chỗ vật liệu cho xây đập. Vấn đề động đất: - Điều kiện khí hậu. - Sự hoàn hảo của đá gốc (vết nứt, sự đứt đoạn). - Dấu vết trượt của đất đá, v.v... Để tính toán kích thước của đập cần phải có các số liệu sau: - Lượng bùn đỏ trong năm. - Cân bằng nước của nhá máy alumin. - Vận chuyển nước từ bãi thải. - Đánh giá chất lượng nước quay vòng phụ thuộc các vấn đề như: hàm lượng bùn đỏ lơ lửng, mưa, bay hơi, thẩm thấu v.v... - Áp lực của chất thải kể cả khi có động đất. - Những số liệu nghiên cứu về địa chất thủy văn. Phương pháp thải khô Thực chất là chất đống bùn đỏ sau khi lọc (đạt hàm lượng chất rắn tới 70%). Phương pháp chất đống bùn đỏ sau khi lọc (thải khô) được lựa chọn trong những điều kiện cụ thể như sau: - Thiếu địa điểm phù hợp. - Giá đất đắt và phải sử dụng hạn chế. - Khan hiếm nước và yêu cầu tiết kiệm tối đa lượng nước tiêu thụ. - Địa điểm là bãi phẳng nằm ngang. - Có quy định đặc biệt nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường... - Bãi thải nằm cận kề nhà máy alumin. 15
- Yêu cầu có hoàn thổ đất trồng. - Điều kiện thời tiết khí hậu phù hợp. Nội dung phương pháp thải khô như sau: Bùn đỏ đã lọc được xử lý cơ học bằng cách khuấy mạnh để giảm độ nhớt. Sau đó bùn được bơm từ nhà máy ra bãi thải. Bãi thải bùn đỏ cần phải được bao quanh bằng cách đắp đập. Vật liệu xây dựng được khai thác tại chỗ. Bùn đỏ khô hoặc bùn đỏ đã được xử lý bằng vôi có thể được sử dụng để xây dựng đập đầu tiên. Đập có thể được đắp cao bằng bùn đỏ đã được xử lý. Hàm lượng kiềm hòa tan trong bùn đỏ phải được giảm đến mức dưới 0,5%. Một lớp sét hoặc một lớp bùn đỏ đã được xử lý ổn định được trôi xuống đáy. Lớp này có khả năng hấp thụ một phần hàm lượng nước của bùn đỏ nhưng một lớp không thấm sẽ được tạo thành bởi phần hạt mịn của hàm lượng sét trong bùn đỏ và chính lớp này sẽ đóng vai trò hàn kín phần đáy. Ưu, nhược điểm của phương pháp thải khô: Ưu điểm: - Bùn đỏ khô đã được rửa và lọc tốt không làm ô nhiễm môi trường. Đồng thời không cần thiết có lớp chống thấm đặc biệt. - Độ ẩm của bùn đỏ tại bãi thải có thể giảm xuống dưới 30% do được phơi trong không khí. - Nước mưa không thâm nhập vào bùn đỏ, một phần nước mưa được bay hơi, phần khác sẽ chảy đi không gây ra hậu quả do hàm lượng chất rắn của bùn đỏ cao. Hào bao quanh bãi thải cần được xây dựng để dẫn nước mưa. - Sau khi thải đầy bãi thải từ 2-3 tuần, người ta đã có thể đi lại trên bề mặt và sau 4- 5 tháng xe có thể chạy trên bề mặt. Đồng thời bùn đỏ rắn sau một thời gian nhất định có thể được dùng vào việc hoàn thổ và như làm vật liệu xây dựng đập của bãi thải hoặc các lĩnh vực xây dựng đê đập khác. Bãi thải đã hết bùn có thể lại được tiếp tục chất bùn đỏ mới. - Cùng một diện tích bãi thải, phương pháp này cho phép chất nhiều hơn từ 4-5 lần so với phương pháp thải bùn đỏ dạng huyền phù không lọc. Nhược điểm: - Chi phí theo phương pháp này có thể cao hơn 30% so với phương pháp thải bùn không lọc do nhu cầu năng lượng cao hơn cho khâu lọc, bơm và hóa chất làm dẻo và xử lý ổn định bùn đỏ. - Trong trường hợp bùn đỏ lọc quá chậm thì phương pháp này có thể không kinh tế vì khi hoà tách ở nhiệt độ 145oC trong quy mô phòng thí nghiệm, bùn đỏ rất khó lọc. Nếu muốn áp dụng phương pháp thải khô thì phải xem xét các tiêu chí nêu trên và cần phải thực nghiệm khâu lọc. Tuy nhiên, do sự phát triển hiện nay giá đất sẽ ngày càng cao nên phương án này có thể là một phương án kinh tế cần được xem xét kỹ để có thể áp dụng. 16
1.5. Thiết bị trong hệ thống rửa và khử nước bùn đỏ - Thiết bị rửa buồng đơn thông thường Máy rửa thon cổ chai buồng đơn có đường kính thường là tới 45m, chiều cao trên 6m. Đáy có thể phẳng (tháo dòng dung dịch đáy ở bên thành) hoặc đáy hình côn (tháo dòng đáy ở tâm đáy). Thiết bị này đuợc sử dụng từ 1960. Khối lượng chất rắn trong dòng đáy thường chiếm 22-35%, tuỳ thuộc vào loại bauxit, chất tạo bọt và độ mịn của chất tạo bọt. Khối lượng chất rắn trong dòng đáy có thể thu được cao hơn với loại thiết bị rửa có đáy hình côn. * Thiết bị siêu cô đặc bùn đỏ Loại thiết bị này có đường kính tới 90 m, được sử dụng từ những năm 80. Thiết bị cô này có đáy hình côn thường được đặt gần địa điểm lưu giữ bùn đỏ. Khối lượng chất rắn trong dòng đáy thường tới 48% đối với bùn đỏ Tây Australia. Yếu điểm của thiết bị này là mô men xoắn nghiêng lớn, yêu cầu phải có một giải pháp cơ học tốn kém. * Thiết bị rửa hình côn tốc độ cao Thiết bị rửa hình côn đầu tiên được lắp đặt trong những năm 80, thiết bị này được cải tiến từ thiết bị rửa nhiều buồng đã lạc hậu. Nhờ thiết kế, tạo bọt tốt và được kiểm tra quá trình rửa, nên thiết bị này có thể đạt công suất 10-20 tấn/m2 ngày. Khối lượng chất rắn của dòng đáy khoảng 50-55%. Thiết bị rửa loại này có thể được lắp đặt có hoặc không cần độ nghiêng bên trong và không cần thiết phải tách cát so với các máy rửa và lắng một buồng. Đường kính tối đa của loại thiết bị này là 24 m. - Thiết bị lọc chân không hình trống Thiết bị loại quy mô thương mại thuộc thế hệ đầu tiên được phát triển và đưa vào hoạt động ở Đức trong những năm 60 để rửa và khử nước của bùn đỏ. Sử dụng những con lăn trần khiến cho vận chuyển bùn đỏ ở dạng vụn dễ dàng. Yếu điểm của thiết bị này là chất lỏng được lọc có hàm lượng 20-40g/l, và cần thiết phải đốt chất lỏng này. Nhiều loại thiết bị kiểu này đã được cải tiến trong những năm qua nhằm nâng cao công suất và rửa đạt hiệu quả hơn. Một vài thông số vận hành của thiết bị này như sau: Công suất: 150-250 kg/m2h; hàm lượng chất rắn của bùn đỏ: 50-65% (độ ẩm: 35%); hàm lượng soda hòa tan được: 0,6-1,2%; tính ổn định của bùn đã loc: bùn dính. - Thiết bị lọc áp lực, thiết bị lọc ép bằng tấm phẳng và khung Hệ thống rửa bùn đỏ dòng chảy ngược được nối với máy ép lọc tại vài nhà máy luyện trước những năm 30. Gần đây, thiết bị này được lắp đặt tại nhà máy luyện alumin Gardanne, Pháp và nhà máy luyện alumin của công ty Aluminium de Greece. Yếu điểm là: hoạt động không liên tục và năng suất thấp. Độ ẩm thấp khoảng 28 %, và bùn đỏ có thể bốc xúc tốt. - Thiết bị lọc Hyper Baric (Hi-Bar Filtration) Thiết bị lọc Hyper Baric dựa vào tính biến hình thể lỏng/rắn của bùn đỏ, là hàm số giữa áp lực tách và độ cứng của bùn đỏ được thể hiện ở sơ đồ hình 3. 17
Hinh 3: Biến hình thể lỏng/rắn của bùn đỏ phụ thuộc áp lực tách Bùn đỏ dễ vỡ vụn có thể được vận chuyển, lưu cất và cải tạo lại dễ dàng. Điều kiện đòi hỏi độ ẩm không được > 28%. Loại bùn đỏ này không còn mang tính giáp tuyến. - Thiết bị vận chuyển bùn đỏ tới địa điểm lưu giữ * Bơm ly tâm Bơm ly tâm được sử dụng rộng rãi để vận chuyển dung dịch bùn đỏ từ thiết bị rửa. Yếu điểm của bơm ly tâm là chỉ thoát nước từ đầu vòi khoảng 100 m mặc dù nó được đấu nối tiếp. * Bơm dung tích Bơm này thường được sử dụng để vận chuyển dung dịch bùn đỏ từ thiết bị rửa hình côn hoặc từ thiết bị lọc hình trống chân không nếu khoảng cách (tránh bị mất áp lực) vừa phải. Bơm này là thiết bị kỹ thuật cao, đắt tiền, yêu cầu bảo dưỡng kỹ thuật cũng ở mức độ cao. * Vận chuyển bùn dạng cục Chi phí vận chuyển bùn đỏ dạng vụn đã lọc tương đối rẻ. Loại hình vận chuyển này có thể phù hợp với sự thất thường của dây chuyền sản xuất. Tuy nhiên phải có xe tải chuyên dụng nếu vận chuyển bùn đỏ từ thiết bị lọc hình trống chân không. * Băng tải Băng tải là một giải pháp khác để vận chuyển bùn đỏ dạng vụn không kết dính. - Thải và lưu giữ bùn đỏ Có hai cách thải bùn đỏ là thải trên mặt đất (đất bằng hoặc các thung lũng có các bờ bao) hoặc thải vào nước (thải ra biển, sông suối hoặc vào các đầm phá ven biển). Thải bùn đỏ trên đất có 2 phương pháp là thải khô hoặc thải ướt: - Thải khô là bơm bùn đỏ ra bãi thải với hàm lượng chất rắn cao, tiết kiệm diện tích, nhưng tốn kém và phức tạp hơn, thích hợp với bãi thải bằng phẳng và những nơi thời tiết ít mưa, lượng nước bốc hơi lớn. 18
- Thải ướt là bơm bùn với hàm lượng chất rắn thấp hơn ra bãi thải, đỡ tốn kém, thích hợp với các vùng có thung lũng dễ tạo thành hồ chứa, có thể sử dụng cả những mỏ đã khai thác hết quặng để thải bùn đỏ, những nơi mưa nhiều. Lưu giữ bùn đỏ ở ao hồ Lưu giữ bùn đỏ ở ao hồ là cách rất phổ biến, ao hồ cần có độ sâu 6-10m, cũng có nơi tới 20-25m. Tại những địa điểm lưu giữ được xây dựng vào những năm 60, không có lớp chống thấm ở đáy. Có một số trường hợp bùn đỏ đã thấm vào đáy và bờ ao hồ, làm ô nhiễm mạch nước ngầm và gây nguy hại cho sức khoẻ cộng đồng. Sau năm 1960, người ta đã lót đáy ao hồ bằng đất sét dày 100-200mm; phương pháp này làm giảm đáng kể sự rò rỉ nước, nhưng không hoàn toàn triệt để. Trong những năm tiếp theo, người ta thiết kế lớp đất sét dày hơn. Alcoa đã lót lớp đất sét dày tới 300-400 mm ở các nhà máy luyện alumin ở Tây Australia trong những năm 80. Điều tra gần đây cho thấy qua nhiều thập kỷ kiềm trong pha lỏng của bùn đỏ đã phản ứng với đất sét, sodium-aluminium-hydrosilicate và zeolite trong một cơ chế phản ứng phức hợp. Phản ứng này tương tự như phản ứng của khoáng sản sét trong dung dịch Bayer, nhưng chậm hơn rất nhiều. Sự thay đổi này làm tăng tức thì tính thấm nước của đáy lót sét, gây ô nhiễm hệ thống nước ngầm sau nhiều thập kỷ. Một vấn đề khác là bụi bốc lên từ bề mặt bùn đỏ khô tại các địa điểm lưu giữ bùn đỏ. Lưu giữ bùn đỏ bằng phương pháp trung hòa Trung hoà bùn đỏ sẽ làm giảm tiềm năng tác động đến môi trường và cũng làm giảm công việc quản lý khu bãi thải sau khi đóng cửa khu bãi thải. Trung hoà cũng là cơ hội để tận dụng chất thải vì độ pH giảm đi. Bùn đỏ đã được lưu giữ ở biển của Pháp, Hy Lạp và Nhật Bản từ nhiều năm. Nước biển trung hoà tính kiềm của bùn đỏ. Mối quan ngại là phương pháp này có thể gây nguy hại cho sinh vật biển. Áp dụng phương pháp này đã giảm đi trong vài năm qua, và tiến tới sẽ dừng hẳn trong vài năm tới. Thiêu kết bùn đỏ cũng là một phương pháp trung hoà, giữ lại được kiềm không cho nó rò rỉ ra, tuy nhiên chi phí rất cao bởi tiêu thụ năng lượng rất lớn, không có hiệu quả kinh tế. Ngoài ra còn có thể trung hoà bùn đỏ bằng axít và bằng xục khí carbon dioxide và carbonate. Thải khô bùn đỏ nhiều lớp Phương pháp này được phát triển đầu tiên ở nhà máy alumin Burntisland, Scotland năm 1941. Giulini GmbH ở Đức cũng là công ty đi đầu áp dụng phương pháp này. Bùn đỏ khô cứng nhanh, đây được xem là chi phí hiệu quả và không gây ra ảnh hưởng đến môi trường. Các nhà máy luyện alumin của Alcoa tiếp nhận phương pháp này từ 1985. Bùn đỏ đậm đặc trong dòng dung dịch đáy từ thiết bị rửa hoặc từ thiết bị cô đặc hoặc thiết bị lọc ép chân không (để khử nước ra khỏi bùn đỏ) được bơm tới khu vực thải và được trải thành những lớp trên diện tích bãi thải để khử nước bằng tháo khô và bay hơi dưới ánh nắng mặt trời, phương pháp này làm cho bùn đỏ khô cứng tới 72% so với 52% của phương pháp thải bùn đỏ ra ao để khô. 19
Tại các địa điểm áp dụng công nghệ thải khô nhiều lớp, người ta áp dụng 2 lớp chống thấm. Ở đáy một lớp đá sét nén chặt dày 600 mm, lớp này có thể thay bằng một lớp sét tổng hợp địa kỹ thuật. Lớp chống thấm trên là tấm màng plastic, làm bằng polyethyene có tỷ trọng cao (HPDE), có chiều dày khoảng 1,5-1,75mm, chất này có độ bền rất tốt trong môi trường soda nồng độ cao và trong môi trường pH. Tất cả các biện pháp này đảm bảo tốc độ thấm nước < 10-7 - 10-12 cm/s. Thông số này đáp ứng yêu cầu về chống rò rỉ từ việc chôn cất chất thải nguy hại của châu Âu và Hoa Kỳ. Người ta còn thiết lập một mạng ống trên nền chống thấm ở bãi thải, trên thành ống có nhiều lỗ; rồi phủ lên ống một lớp cát dày 0,8-1m. Nước bùn đỏ thấm xuống tạo thành lớp nước ngập trên nền chống thấm, rồi ngấm vào các ống qua các lỗ. Nước trong ống được thu gom và bơm lên. Bùn đỏ dạng vụn (không ngấm nước) hoặc bùn đỏ đậm đặc của dòng đáy do công nghệ thải khô nhiều lớp sản xuất ra rất khó thấm nước ngay cả lúc trời mưa. Trong những năm 70, 70-80% bùn đỏ được lưu giữ bằng phương pháp ướt (tại các ao hồ), số còn lại lưu giữ trong biển ở 10 nhà máy luyện alumin lớn ở Hoa Kỳ, Australia và châu Âu. Cho tới nay, bùn đỏ được thải ở dạng lỏng chiếm 66%, thải bằng phương pháp khô nhiều lớp chiếm gần 1/3. Hình 4: Sơ đồ thải khô nhiều lớp của Alcoa Lưu giữ bùn đỏ trong thùng Bùn đỏ dạng vụn ròn từ thiết bị lọc áp lực và lọc Hi-Bar có thuộc tính dễ dàng bốc xúc cũng được lưu giữ trong các thùng, như vậy không có bốc bụi và nước mưa không thấm vào. - Một số thiết bị công nghệ mới * Thiết bị lọc Hi-Bar Thiết bị lọc này (có sử dụng hơi nước nóng) có thể tạo ra bùn đỏ với 75-77% độ đậm đặc (độ ẩm: 23-25%), có thể bốc xúc dễ dàng. Công nghệ này rất quan trọng bởi 20