ĐỒ án tốt nghiệp xử lý bùn đỏ được ứng dụng trong trong ngành công nghiệp hấp phụ và xử lý khí thải, đó là biến đổi bùn đỏ thành vật liệu có khả năng xử lý không khí ô nhiễm, đặc biệt là nguồn khí có lượng CO2 lớn

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 Hematite, Natrisilicat, Aluminate, Canxititanat, Monohydrate 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. Hơn nữa, 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. Cho đến nay, trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu sử dụng bùn đỏ (làm vật liệu xây dựng, chất phụ gia trong xi măng, điều chế quặng sắt…) 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. 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. Hiện nay, có một phương pháp rất triển vọng để xử lý bùn đỏ được ứng dụng trong trong ngành công nghiệp hấp phụ và xử lý khí thải, đó là biến đổi bùn đỏ thành vật liệu có khả năng xử lý không khí ô nhiễm, đặc biệt là nguồn khí có lượng CO2 lớn. Việc nghiên cứu bùn đỏ là rất cần thiết, kết quả nghiên cứu là cơ sở quan trọng trong việc lựa chọn các điều kiện tối ưu cho quá trình ứng dụng bùn đỏ vào thực tế xử lý.

LỜI CẢM ƠN

Bằng lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới

Ts Tống Thị Thanh Hương đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo và định

hướng cho em trong suốt thời gian làm đồ án.

Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Lọc Hóa Dầu đã giúp đỡ tạo điều kiện cho em nghiên cứu và thực hiện đề tài này.

Em cũng xin cảm ơn tới các anh chị và các bạn đã hết sức nhiệt tình chỉ dẫn và tạo môi trường làm việc thuận lợi chia sẻ khó khăn trong suốt thời gian qua.

Lần cuối xin cảm ơn tất cả mọi người !

Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2013

Sinh viên

Nguyễn Hữu Dũng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2

1.1 Tổng quan về bùn đỏ 2

1.1.1 Tình hình sản xuất 2

1.1.2 Công nghệ sản xuất alumin 4

1.1.2.1 Sản xuất alumin bằng phương pháp hoả luyện 5

1.1.2.2 Sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer (phương pháp thuỷ luyện) 5

1.1.3 Bùn đỏ và xử lý bùn đỏ 8

1.1.3.1 Bản chất tự nhiên của bùn đỏ 8

1.1.3.2 Quá trình hình thành và tính chất của bùn đỏ 11

1.1.4 Phương pháp thải và lưu giữ bùn đỏ 13

1.1.4.1 Phương pháp thải 13

1.1.4.2 Lưu giữ bùn đỏ 19

1.1.5 Thiết bị trong hệ thống rửa và khử nước bùn đỏ 20

1.1.5.1 Thiết bị chính 20

1.1.5.2 Một số thiết bị công nghệ mới 22

1.1.6 Kinh nghiệm bảo tồn và phục hồi khu vực chứa bã thải bauxit 22

1.1.6.1 Các nguyên tắc và ưu tiên trong sản xuất alumin từ bauxit của Công ty Alcoa 23

1.1.6.2 Kinh nghiệm xử lý bã thải bauxit của Alcoa 26

1.1.6.3 Kinh nghiệm phục hồi Mỏ - Tây Australia 30

1.1.6.4 Sản xuất alumin và xử lý bùn đỏ của Trung Quốc 33

1.1.7.Tác động về môi trường và khuyến nghị các biện pháp khắc phục 36

1.1.7.1 Tác động về môi trường 36

1.1.7.2 Các biện pháp khắc phục 37

1.2 Khí thải công nghiệp và xử lý CO 2 trong khí thải công nghiệp 39

1.2.1 Khí thải công nghiệp 39

1.2.2 Xử lý CO2 trong khí thải công nghiệp 39

1.2.2.1 Tác động của ô nhiễm CO2 đối với khí hậu toàn cầu 39

1.2.2.2 Xử lý CO2 trong khí thải công nghiệp 39

CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM 44

2.1 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm 44

2.1.1 Hóa chất 44

2.1.2 Dụng cụ 44

2.2.Chế tạo vật liệu hấp thụ từ bùn đỏ 44

Các bước thực nghiệm 45

2.3 Nghiên cứu khả năng xử lý CO 2 của bùn đỏ 47

2.3.1 Đánh giá khả năng hấp thụ 47

2.3.2 Cách tính hiệu suất hấp thụ 48

2.3.3 Xử lý RM III ở các nhiệt độ khác nhau 49

2.4 Các phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu 49

2.4.1 Phương pháp phân tích bằng nhiễu xạ tia X (XRD) 49

2.4.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM 50

2.4.3 Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử Atomic Absorption Spectrophotometric (AAS) 50

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 52

3.1 Phân tích thành phần bùn đỏ 52

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp thụ CO 2 52

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian 52

3.2.2 Đặc trưng hình thái học của các mẫu bùn đỏ trước xử lý CO2 57

3.3 Nghiên cứu khả năng hấp phụ CO 2 trên các mẫu bùn đỏ xử lý ở các nhiệt độ khác nhau 58

3.3.1 Mẫu RM III-pH xử lý ở nhiệt độ phòng 58

3.3.2 Mẫu RM III-pH xử lý ở nhiệt độ 200oC 59

3.3.3 Mẫu RM III-pH xử lý ở nhiệt độ 400oC 61

3.3.4 Mẫu RM III-pH xử lý ở nhiệt độ 600oC 63

3.3.5 Mẫu RM III-pH xử lý ở nhiệt độ 800oC 65

3.3.6 Tập hợp kết quả khảo sát khả năng hấp phụ CO2 ở các nhiệt độ khác nhau .68

KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO

2 Hình 1.2 Phân bố cỡ hạt mịn và thô đặc trưng của bùn đỏ 11

4 Hình 1.4 Biến hình thể lỏng/rắn của bùn đỏ phụ thuộc áp

Hiệu suất lưu giữ của một số phương pháp lưu

6 Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ cacbon hóa cho bã thải bauxit 30

7 Hình 2.1 Sơ đồ điều chế bùn đỏ thành vật liệu hấp thụ 47

10 Hình 3.1 Ảnh hưởng của thời gian xử lý CO2 trên các mẫu

11 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ X-ray của RM II-NaOH 55

12 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ X-ray của RM III-NaOH 55

13 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ X-ray của mẫu RM II-NaOH

14 Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ X-ray của mẫu RM III-NaOH

16 Hình 3.7 Ảnh SEM (a): mẫu RM II-NaOH và (b): mẫu

17 Hình 3.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu RM III-pH 58

18 Hình 3.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu RM III-200oC 59

19 Hình 3.10 Ảnh hưởng của thời gian xử lý trên mẫu RM

III-200oC 61

20 Hình 3.11 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu RM III-400oC 61

21 Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian xử lý trên mẫu RM

22 Hình 3.13 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu RM III-600oC 63

23 Hình 3.14 Ảnh hưởng của thời gian xử lý trên mẫu RM

24 Hình 3.15 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu RM III-800oC 66

25 Hình 3.16 Ảnh hưởng của thời gian xử lý trên mẫu RM

III-800oC

67

27 Hình 3.18 Ảnh hưởng của thời gian lên các mẫu bùn đỏ xử

lý ở nhiệt độ khác nhau

69

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU TRONG ĐỒ ÁN

STT Số hiệu

bảng

1 Bảng 1.1 Dự báo về thị trường alumin đến năm 2020 3

3 Bảng 1.3 Hợp chất hoá học của một số loại bùn đỏ 9

4 Bảng 1.4 Hợp chất khoáng hoá của một số loại bùn đỏ 10

5 Bảng 1.5 Thành phần hóa học pha rắn của bùn đỏ 12

6 Bảng 1.6 Thành phần điển hình của bùn đỏ và phần lỏng tại một số nhà máy sản xuất nhôm ở Trung Quốc 34

7 Bảng 2.1 Các mẫu vật liệu thu được từ bùn đỏ thô 46

8 Bảng 3.1 Kết quả phân tích thành phần bùn đỏ 52

9 Bảng 3.2 Khả năng hấp thụ của mẫu RM II-NaOH phụ

10 Bảng 3.3 Khả năng hấp thụ của mẫu RM III-NaOH phụ

11 Bảng 3.4 Cấu trúc pha của các hợp phần của mẫu bùn đỏ

13 Bảng 3.6 Khả năng hấp phụ của mẫu RM III-200oC ở các

15 Bảng 3.8 Khả năng hấp phụ của mẫu RM III-400oC ở các

17 Bảng 3.10 Khả năng hấp phụ của mẫu RM III-600oC ở các

19 Bảng 3.12 Khả năng hấp phụ của mẫu RM III-800oC ở các

20 Bảng 3.13 Ảnh hưởng của thời gian lên các nhiệt độ khác

nhau

68

MỞ ĐẦU

Bùn đỏ là chất thải không thể tránh khỏi trong quá trình sản xuất alumin Bùn đỏ baogồm các thành phần không thể hòa tan, trơ và khá bền vững trong điều kiện phong hóanhư Hematite, 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 dưthừa để giảm thiểu chi phí tài chính và bảo vệ môi trường Tuy nhiên, lượng xút dư thừavẫn có thể gây độc hại, nguy hiểm cho con người, vật nuôi và cây trồng nếu bị phát tán

ra ngoài Hơn nữa, loại bùn này rất chậm đóng rắn và phải 20 năm lưu giữ mới có thể dichuyển trên nền bùn được Đặc biệt, khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm là rất caokhi lưu giữ bùn với khối lượng lớn trong thời gian dài, không đảm bảo kỹ thuật Cho đếnnay, trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu sử dụng bùn đỏ (làm vật liệu xâydựng, chất phụ gia trong xi măng, điều chế quặng sắt…) nhưng vẫn chưa có các giảipháp 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 cácsông suối và các mạch nước ngầm Như vậy, nếu các tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hồbùn đỏ không đảm bảo, nguy cơ như vỡ đập, hoặc sự cố tràn (khi lượng mưa quá lớn độtxuất) vẫn sẽ là mối nguy thường trực hàng ngày

Việc lựa chọn các phương án xử lý bùn đỏ sau thải được thực hiện tùy theo các nhàmáy alumin cụ thể, tuy nhiên hiện nay phương án chôn lấp, hoàn thổ chiếm ưu thế vàđược áp dụng rộng rãi, phương án chế biến bùn đỏ đang được nghiên cứu, thử nghiệm vìchi phí để thực hiện cao, hiệu quả kinh tế thấp

Hiện nay, có một phương pháp rất triển vọng để xử lý bùn đỏ được ứng dụng trongtrong ngành công nghiệp hấp phụ và xử lý khí thải, đó là biến đổi bùn đỏ thành vật liệu

có khả năng xử lý không khí ô nhiễm, đặc biệt là nguồn khí có lượng CO2 lớn Việcnghiên cứu bùn đỏ là rất cần thiết, kết quả nghiên cứu là cơ sở quan trọng trong việc lựachọn các điều kiện tối ưu cho quá trình ứng dụng bùn đỏ vào thực tế xử lý

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về bùn đỏ

1.1.1 Tình hình sản xuất

Trên thế giới, nhôm là một trong 4 kim loại màu cơ bản được sử dụng nhiềutrong các ngành công nghiệp quan trọng như chế tạo thiết bị điện, phương tiện vậntải, xây dựng, chế tạo máy, vũ khí, vật liệu bao gói, đồ đựng nước uống giải khát vàsản xuất đồ gia dụng Tổng tài nguyên khoáng sản bauxit trên thế giới ước đạt 75,2

tỷ tấn, phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt đới như Caribe, Địa Trung Hải và vành đaixung quanh xích đạo, người ta còn tìm thấy quặng bôxít ở các vùng lãnh thổ như

Úc, Nam và Trung Mỹ (Jamaica, Brazil, Surinam, Venezuela, Guyana), châu Phi(Guinea), châu Á (Ấn Độ, Trung Quốc, Việt Nam), Nga, Kazakhstan và châu Âu(Hy Lạp)

Tổng lượng tiêu thụ nhôm nguyên sinh trên thế giới năm 2007 đạt 38 triệu tấn,đến năm 2012 con số này đã lên tới 47,4 triệu tấn, dự báo sẽ tăng lên 50 triệu tấntrong năm 2013 và đạt 74,9 triệu tấn vào năm 2020 Trong khi đó, theo dữ liệunghiên cứu của Cơ quan Thống kê Kim loại Thế giới (WBMS) thì sản xuất nhômcủa 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 dưthừa từ 0,1 - 1,8 triệu tấn/năm, nhưng đến giai đoạn từ 2012 đến 2020, nhôm sẽ rơivào 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 oxit)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 đoạn2008-2014 sẽ tăng khoảng 50 triệu tấn Phần lớn alumin được giao dịch trên thịtrường Thế giới thông qua những hợp đồng dài hạn, chỉ có một phần nhỏ, khoảng10% tham gia vào thị trường trôi nổi Giá alumin trên thị trường dao động bằngkhoảng từ 11-15% so với giá nhôm Nhóm Broc Hunt nghiên cứu thị trường aluminthế giới và cho ra một dự báo dài hạn về thị trường alumin đến năm 2020 theo bảngdưới đây:

Bảng 1.1: Dự báo về thị trường alumin đến năm 2020 [3]

đá trang sức nhân tạo

Hơn 90% sản lượng alumin (được gọi là alumin luyện kim) được sử dụng làmnguyên 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 Phichiếm 33%; châu Đại Dương 24%; Nam Mỹ và vùng Caribê 22%; châu Á 15%; các nơikhác là 6%

Tình hình sản xuất bauxit trên thế giới được thể hiện ở bảng 1.2:

Bảng 1.2: Khai thác bauxit trên thế giới [3]

(Đơn vị : 1000 tấn)

T

Trữ lượng khai thác

Trữ lượng ban đầu

1.1.2 Công nghệ sản xuất alumin

Trong công nghiệp, có một số công nghệ sản xuất alumin tùy theo loại nguyênliệu và chất lượng nguyên liệu Hiện tại và trong tương lai, 85% alumin trên thế giớiđược sản xuất từ quặng bauxit, 10% từ quặng nephelin và alunit, 5% từ các nguyênliệu khác Điều đó cho thấy bauxit vẫn là nguồn nguyên liệu quan trọng nhất trongsản 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, cóthể áp dụng phương pháp kết hợp Bayer - thiêu kết song song hoặc nối tiếp Nếu làbauxit chất lượng xấu, hàm lượng SiO2 cao, có thể áp dụng phương pháp thiêu kếtđơn thuần Hiện tại và dự báo trong tương lai, khoảng 90% sản lượng alumin trênthế 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 đượcchuyển hoá trong quá trình điện phân trong bể muối cryolite nóng chảy (Na3AlF6)

để thành nhôm kim loại

1.1.2.1 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 phápkinh tế và được ứng dụng trong công nghiệp Phương pháp thiêu kết dùng để xử lýquặng 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 khôngtan trong nước và đi vào cặn thải (bùn thải)

Phương pháp thiêu kết có thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp với phươngpháp Bayer: song song hoặc nối tiếp

1.1.2.2 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 SaintPetersburg, Nga ông đã phát triển từ một phương pháp ứng dụng alumin cho ngành côngnghiệp 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 cóthể tách lọc, rửa dễ dàng, trong khi nó kết tủa bởi sự trung hòa dung dịch trong môitrường axit thì ở dạng sệt và khó rửa sạch

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 Natricacbonat (Na2CO3), ở 1200°C, tạo ra Natri aluminat (NaAlO2)và nước, sau đó tạokết tủa nhôm hydroxit, Al(OH)3, bằng carbon dioxide, CO2, tiếp theo nhôm hidroxitđược đem đi lọc và làm khô Quá trình này đã không được sử dụng khi phươngpháp của Bayer ra đời

Công nghệ Bayer trở nên rất quan trọng trong ngành luyện kim cùng với những phátminh về điện phân nhôm vào năm 1886 Cùng với phương pháp xử lý bằng xyanua đượcphát minh vào năm 1887, công nghệ Bayer đã hình thành ngành luyện kim bằng nướchiện đại Ngày nay, công nghệ này vẫn không thay đổi và nó tạo ra hầu hết các sảnphẩm nhôm trung gian trên thế giới

Để chuyển từ bauxit thành alumin, người ta nghiền quặng và trộn với đá vôi vàsoda cốt tích, bơm hỗn hợp này vào bình chứa áp lực cao, rồi nung lên Nhôm oxit

bị phân giải bằng sođa cốt tích, sau đó kết tủa, rửa, và nung để tách nước ra Thànhphẩm 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 đểsản xuất ra quặng tinh alumin

Trong bauxit có đến 30-54% là alumin, Al2O3, phần còn lại là các silica (silicđioxit), nhiều dạng oxit sắt, và đioxit titan Alumin phải được tinh chế trước khi cóthể 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 ứngsau:

Al2O3 + 2OH− + 3H2O → 2[Al(OH)4]−

Các thành phần hóa học khác trong bauxit không hòa tan theo phản ứng trênđược lọc và loại bỏ ra khỏi dung dịch tạo thành bùn đỏ, quặng đuôi hay đuôi quặngcủa loại quặng bauxit Chính thành phần bùn đỏ này gây nên vấn đề môi trường liênquan đến đổ thải, giống như các loại quặng đuôi của các khoáng sản kim loại màunói chung Tiếp theo, dung dịch hydroxit được làm lạnh và hydroxit nhôm ở dạnghòa tan phân lắng tạo thành một dạng chất rắn, bông, có màu trắng Khi được nungnóng lên tới 1050°C (quá trình canxit hóa), hydroxit nhôm phân rã vì nhiệt trở thànhalumin và giải phóng hơi nước:

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2OBauxit được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH Lượng Al2O3 được tách ratrong 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 aluminat, NaAlO2, được hạ nhiệt đến nhiệt độ cần thiết và cho mầmAl(OH)3 để kết tủa Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng được lọc, rửa và nung để tạothành Al2O3 thành phẩm

Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ kiềm Bayer được giới thiệu trong hìnhdưới đây:

Hình 1.1: 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 phầnkhoáng vật của bauxit mà công nghệ Bayer được chia thành 2 phương pháp khácnhau:

a Công nghệ Bayer châu Mỹ:

Được áp dụng nếu Al2O3 của bauxit ở dạng gippsite (trihydrate Al2O3 3H2O), cóthể 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 nhàmáy 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)

Trong quá khứ người ta ít quan tâm đến rủi ro môi trường do hoạt động côngnghiệp gây ra, trong đó có lưu giữ bùn đỏ Trong 40 năm qua, thế giới đã đạt đượcnhiều tiến bộ trong rửa, khử nước và lưu giữ bùn đỏ.

1.1.3.1 Bản chất tự nhiên của bùn đỏ

a Khái niệm

Bùn đỏ hoặc quặng thải bauxit là cách gọi chất thải từ quá trình hoà tách khoángsản 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 vànung cho mất nước để tạo thành Al2O3 thành phẩm

Trong quá trình xử lý bauxit bằng kiềm, khoảng 76 - 93 % hàm lượng aluminđược phân giải trong dung dịch và phần còn lại là cặn bã Silicate (SiO2) trongbauxit phản ứng với sodium aluminium silicates của các hợp thành khác nhau đểchuyển thành chất cặn bã Các thành phần cơ bản khác trong bauxit, như là sắt vàtitania, hàm lượng được nâng lên nhưng vẫn tồn tại ở thể rắn, và một số tạp chấtnhỏ 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 táchnhiệt độ thấp) Bauxit boehmitic được hoà tách ở nhiệt độ 230 - 270oC, trong khibauxit diaspore ở nhiệt độ 240 - 280oC Vôi sử dụng tại các thời điểm khác nhau củachu 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 0,1m), gọi là cát Số lượng hạt cát thay đổi từ 0,1đến 50 % trong chất thải hoà tách khác nhau, thông thường 5% Trong nhiều trườnghợp hạt cát được tách ra khỏi trước khi gạn lọc và chuyển tới thiết bị rửa trong hệthống tách

Như vậy, thực chất bùn đỏ về cơ bản vẫn là các nguyên tố có trong thành phần bauxitkhông hoà tan trong kiềm, nguyên tố có thêm là thành phần Na (vì sử dụng kiềm để hoàtan), hoặc Ca (nếu công nghệ có sử dụng CaO làm chất xúc tác với lượng ít)

b Hợp chất hoá học của bùn đỏ

Hợp chất khoáng học và hoá học của các loại bauxit khác nhau, do đó khả năng hoàtách 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 1.3 và bảng 1.4.

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 1.3: Hợp chất hoá học của một số loại bùn đỏ [3]

Boké Guinea

Weipa Australi a

Trombeta s Brasil

South Manch Jamaic a

Darling Range Australi a

Iska Hungar y

17,215,036,012,07,39,0-3,5

13,012.,952,14,26,49,01,41,0

10,73,061,98,18,42,32,82,8

14,942,628,02,06,51,22,42,4

14,412,538,05,59,67,57,64,9

13,012,041,06,27,17,510,92,3

Bảng 1.4: Hợp chất khoáng hoá của một số loại bùn đỏ [3]

Hợp chất

Weip a

Trombeta s

South Manch.

Darling Range

Iszk a

Parnass e Gibbsite

21,0 5,01,2-2,0

33,03,518,0-27,0-2,02,0 -

38,019,0

-27,0 0,61,2-1,5

33,03,510,0

27,0-2,02,0 -

5,614,514,5

5,4-4,73,52,51,7-

33,06,022,0

-10,0-0,80,712,57,0

38,01,016,0-10,0-0,60,610,010,0

1,42,22,50,8 5,8

0,56,02,06,0

2,337,11,0-0,61,3-1,03,4

3,0 -5,0

3,6 -6,0-3,7

c 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 saucùng là đặc tính của chất thải bùn đỏ từ chu trình hoà tách nhiệt độ cao Bùn đỏcũng có nhiều hoặc ít các cấu thành không định hình

d 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 1.2 [3]

Hình 1.2: Phân bố cỡ hạt mịn và thô đặc trưng của bùn đỏ

Người ta nhận thấy, 80% bùn đỏ có hạt mịn < 10 μm), gọi là cát Số lượng hạt cát thay đổi từ 0,1m, vì vậy tốc độ lắng của cácphần 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.

Bùn đỏ mang tính giáp tuyến (thixotropic), nghĩa là độ nhớt giảm nhanh khi chịutác dụng hiệu ứng cơ như là ứng suất cắt Giáp tuyến là một hiện tượng đảo chiềuđược 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 khôbùn 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 Mưathấm vào các bùn khô chỉ ở mức độ tối thiểu Nếu dòng dung dịch đáy có hàmlượng chất rắn cao từ thiết bị rửa hoặc thiết bị cô đặc xuất hiện thì xu hướng bốcbụi không xẩy ra với bùn đỏ

1.1.3.2 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 1.1 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

Bảng 1.5: Thành phần hóa học pha rắn của bùn đỏ [1]

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 mịnđến rất mịn Đa phần bùn đỏ có cấp hạt 100% dưới sàng là 100 k, bùn đỏ (bauxitJamaica) cấp dưới sàng 44 k chiếm tới 90%

Bùn đỏ là chất thải không những vô dụng mà còn có thể gây ra ô nhiễm môitrường nghiêm trọng nếu phương pháp thải và lưu giữ không đảm bảo an toàn

1.1.4 Phương pháp thải và lưu giữ bùn đỏ

1.1.4.1 Phương pháp thải

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 Phươngpháp 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:

a 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 yêucầu 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 vềyêu cầu kinh tế Những vấn đề liên quan đến địa chất thủy văn và yêu cầu của quátrình công nghệ của nhà máy alumin cần được xem xét Sự hợp tác rất chặt chẽ củacác 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 Nhưvậy chi phí vận chuyển bùn đỏ sẽ là ít nhất Tuy nhiên, một khoảng cách nhất địnhgiữa nhà máy và bãi thải cũng cần phải được chú ý nhằm đáp ứng quy định củakiểm tra môi trường

Để chọn được địa điểm cần thiết phải có những số liệu đã nghiên cứu như: địahình, thủy văn, địa chất, động đất, gió và tính chất của đất, thêm nữa là số liệu vềgiá 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 tráchcần phải được xem xét Trong bất cứ thời điểm nào với hầu hết mỗi nước đều có sẵnnhững kế hoạch hoặc quy hoạch phát triển công nghiệp và xã hội của các khu vực.Đồng thời 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 xâydựng, sông, hồ, biển, nước ngầm là những vấn đề mà các nhà thiết kế phải biếttrước 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 kỹthuật và kinh tế, nhưng phải phù hợp với quy định của nhà chức trách cũng như vớingười đặt hàng Để chọn địa điểm cần phải có những nghiên cứu và tính toán chitiết: Bản đồ tỉ lệ 1:5000 đến 1:20.000 với đường đồng mức từ 1 đến 10 m phụ thuộcvào 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 kháccủa 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 vềcông nghệ và vấn đề nước

Sự lựa chọn để lấy một trong số những phương án là một công việc phức tạp vàcũng cần có sự hợp tác giữa các chuyên gia về công nghệ và xã hội học Việc xây dựngcác quy định bảo vệ chất lượng nước và môi trường cần có sự tham gia của các nhàquản 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 thốngthải 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 kiểmsoát 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 thếnào thì những chi phí này phải được coi là một phần chi phí cần thiết của chi phíđầu 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 loạihình chính của bãi thải bùn đỏ cùng với những ưu và nhược điểm của chúng, nhữngvấn đề về làm kín đáy bãi thải, thiết bị và phương pháp đo vẽ được dùng trong cảquá 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 bãithải bùn đỏ được xây dựng dần dần, trước hết cho 6 đến 8 năm và sau đó mở rộngdần song song với quá trình sản xuất alumin Như vậy, trong giai đoạn mở rộng xâydựng bãi thải bùn đỏ tất cả những kinh nghiệm thu được của giai đoạn vận hànhtrước liên quan đến công nghệ đổ thải, vấn đề thu hồi nước, vấn đề xây dựng vàchống thoát v.v có thể sử dụng để có được cách giải quyết thích hợp và kinh tếhơn

b Phương pháp thải bùn đỏ trên đất liền

-Phương pháp thải ướt [3]

Loại hình tối ưu nhất cho thải bùn đỏ ướt phải được xác định bởi các điều kiện cụthể của địa phương Các phương án lựa chọn như sau: Thải vào khu vực được vâyquanh bằng đê; thải vào thung lũng có đập chắn; thải vào khu vực mỏ đã khai thác

và không còn sử dụng nữa Có thể tóm tắt kỹ thuật thải vào thung lũng có đập chắnnhư sau:

Nếu gần khu vực nhà máy có thung lũng thích hợp cho thải bùn đỏ và có thể đắpđập chắn ngang lại thì có thể dùng làm bãi thải Các điều kiện cụ thể cần phải xemxét 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 thửnghiệm 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 [3]

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 nhữngđiều 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

- Yêu cầu có hoàn thổ đất trồng

- Điều kiện thời tiết khí hậu phù hợp

Nội dung phương pháp thải khô

Bùn đỏ đã lọc được xử lý cơ học bằng cách khuấy mạnh để giảm độ nhớt Sau đóbùn được bơm từ nhà máy ra bãi thải

Bãi thải bùn đỏ cần phải được bao quanh bằng cách đắp đập Vật liệu xây dựngđược 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 Lớpnày có khả năng hấp thụ một phần hàm lượng nước của bùn đỏ nhưng một lớpkhông thấm sẽ được tạo thành bởi phần hạt mịn của hàm lượng sét trong bùn đỏ vàchính lớp này sẽ đóng vai trò hàn kín phần đáy

Ưu, nhược điểm của phương pháp thải khô

- Sau khi thải đầy bãi thải từ 2-3 tuần, người ta đã có thể đi lại trên bề mặt và sau4-5 tháng xe có thể chạy trên bề mặt Đồng thời bùn đỏ rắn sau một thời gian nhấtđịnh có thể được dùng vào việc hoàn thổ và như làm vật liệu xây dựng đập của bãithải hoặc các lĩnh vực xây dựng đê đập khác Bãi thải đã hết bùn có thể lại được tiếptục chất bùn đỏ mới

- Cùng một diện tích bãi thải, phương pháp này cho phép chất nhiều hơn từ 4-5lần 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 bùnkhông 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 khólọc 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 sẽngày càng cao nên phương án này có thể là một phương án kinh tế cần được xemxét kỹ để có thể áp dụng

Thải khô bùn đỏ nhiều lớp [3]

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 phươngpháp 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 hoặcthiết 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 vàbay 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

Tại các địa điểm áp dụng công nghệ thải khô nhiều lớp, người ta áp dụng 2 lớpchống thấm Ở đáy một lớp đá sét nén chặt dày 600 mm, lớp này có thể thay bằngmột lớp sét tổng hợp địa kỹ thuật Lớp chống thấm trên là tấm màng plastic, làmbằng polyethyene có tỷ trọng cao (HPDE), có chiều dày khoảng 1,5-1,75mm, chấtnày 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 sốnày 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 thànhống có nhiều lỗ; rồi phủ lên ống một lớp cát dày 0,8-1m Nước bùn đỏ thấm xuốngtạo 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 docông 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 (tạicác 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%, thảibằng phương pháp khô nhiều lớp chiếm gần 1/3

Hình 1.3: Sơ đồ thải khô nhiều lớp của Alcoa [3]

1.1.4.2 Lưu giữ bùn đỏ

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 cónơi 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; phươngpháp này làm giảm đáng kể sự rò rỉ nước, nhưng không hoàn toàn triệt để Trongnhững năm tiếp theo, người ta thiết kế lớp đất sét dày hơn Alcoa đã lót lớp đất sétdày 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 đãphản ứng với đất sét, sodium-aluminium-hydrosilicate và zeolite trong một cơ chếphản ứng phức hợp Phản ứng này tương tự như phản ứng của khoáng sản sét trongdung dịch Bayer, nhưng chậm hơn rất nhiều Sự thay đổi này làm tăng tức thì tínhthấm nước của đáy lót sét, gây ô nhiễm hệ thống nước ngầm sau nhiều thập kỷ Mộtvấn 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 làmgiảm 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 cóthể gây nguy hại cho sinh vật biển Áp dụng phương pháp này đã giảm đi trong vàinăm 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 khôngcho nó rò rỉ ra, tuy nhiên chi phí rất cao bởi tiêu thụ năng lượng rất lớn, không cóhiệu quả kinh tế Ngoài ra còn có thể trung hoà bùn đỏ bằng axít và bằng xục khícarbon dioxide và carbonate

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 dàngbốc xúc cũng được lưu giữ trong các thùng, như vậy không có bốc bụi và nước mưakhông thấm vào

1.1.5 Thiết bị trong hệ thống rửa và khử nước bùn đỏ

1.1.5.1 Thiết bị chính

a Thiết bị rửa buồng đơn thông thường

Máy rửa thon cổ chai buồng đơn có đường kính thường là tới 45m, chiều cao trên6m 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 rắntrong dòng đáy thường chiếm 22-35%, tuỳ thuộc vào loại bauxit, chất tạo bọt và độmịn của chất tạo bọt Khối lượng chất rắn trong dòng đáy có thể thu được cao hơnvới loại thiết bị rửa có đáy hình côn

b 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 lượngchất rắn trong dòng đáy thường tới 48% đối với bùn đỏ Tây Australia Yếu điểmcủa thiết bị này là mô men xoắn nghiêng lớn, yêu cầu phải có một giải pháp cơ họctốn kém

c Thiết bị rửa hình côn tốc độ cao

Thiết bị rửa hình côn đầu tiên được lắp đặt trong những năm 80, thiết bị nàyđược cải tiến từ thiết bị rửa nhiều buồng đã lạc hậu Nhờ thiết kế, tạo bọt tốt vàđược 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 thểđược lắp đặt có hoặc không cần độ nghiêng bên trong và không cần thiết phải táchcát so với các máy rửa và lắng một buồng Đường kính tối đa của loại thiết bị này là

24 m

d 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 hoạtđộng ở Đức trong những năm 60 để rửa và khử nước của bùn đỏ Sử dụng những con lăntrần khiến cho vận chuyển bùn đỏ ở dạng vụn dễ dàng Yếu điểm của thiết bị này là chấtlỏng được lọc có hàm lượng 20-40g/l, và cần thiết phải đốt chất lỏng này Nhiều loạithiết bị kiểu này đã được cải tiến trong những năm qua nhằm nâng cao công suất và rửađạt 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 tanđược: 0,6-1,2%; tính ổn định của bùn đã loc: bùn dính

e 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 máyluyện trước những năm 30 Gần đây, thiết bị này được lắp đặt tại nhà máy luyệnalumin Gardanne, Pháp và nhà máy luyện alumin của công ty Aluminium deGreece Yếu điểm là: hoạt động không liên tục và năng suất thấp Độ ẩm thấpkhoảng 28 %, và bùn đỏ có thể bốc xúc tốt

f 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 1.4.

Hinh 1.4: 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 Điềukiện đòi hỏi độ ẩm không được > 28% Loại bùn đỏ này không còn mang tính giáptuyến.

g 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 bịrửa Yếu điểm của bơm ly tâm là chỉ thoát nước từ đầu vòi khoảng 100m mặc dù nóđược đấu nối tiếp

Băng tải là một giải pháp khác để vận chuyển bùn đỏ dạng vụn không kết dính

1.1.5.2 Một số thiết bị công nghệ mới

a Thiết bị lọc Hi-Bars

Thiết bị lọc này (có sử dụng hơi nước nóng) có thể tạo ra bùn đỏ với 75-77% độđậm đặc (độ ẩm: 23-25%), có thể bốc xúc dễ dàng Công nghệ này rất quan trọngbởi bùn đỏ có thể được tận dụng mà không cần lưu giữ Đã có thử nghiệm ở qui môthí nghiệm và hiện trường tại Bauxilum, Venezuela và ở Aluminium Oxid StadeGmbH, Đức Ở đây, trên 30% soda liên kết hoá học được thải ra bằng chất khửsilicate (DSP) nếu rửa bằng nước nóng Loại thiết bị này tạo ra loại bùn đỏ ít sinhbụi và không thấm nước mưa nhiều

1.1.6 Kinh nghiệm bảo tồn và phục hồi khu vực chứa bã thải bauxit

Những chú ý trong quá trình khai thác bauxit và xử lý bùn đỏ

Vấn đề khai thác

 Khai thác bauxit là việc sử dụng tạm thời đất đai

 Các kế hoạch quản lý toàn diện cần phải được phát triển và thực hiện để đảmbảo hạn chế đến mức thấp nhất các tác động đến môi trường và cộng đồng.

 Những khu vực đã khai thác có thể được phục hồi tốt và được trả lại cho việc

sử dụng có hiệu quả sau khi khai thác kết thúc

 Phục hồi và quản lý môi trường khai thác tốt nhất đòi hỏi nỗ lực nghiên cứukhoa học và phát triển toàn diện tập trung vào các yêu cầu cụ thể của địaphương và môi trường

Vấn đề bã thải bauxit

 Một chương trình phát triển bền vững đối với bã thải bauxit vạch ra nhữngmục tiêu rõ ràng về bảo vệ môi trường

 Lưu giữ hoàn toàn bã thải bauxit là giải pháp tối thiểu có thể chấp nhận được

về mặt môi trường đối với các nhà máy sản xuất alumin

 Tồn tại công nghệ để làm giảm độ pH của bã thải Chi phí vận hành và vốntăng nhưng được bù đắp bằng việc giảm thiểu những rủi ro về môi trường và

an toàn, phục hồi dễ dàng hơn và vận hành được cải thiện

 Tồn tại công nghệ để phục hồi những khu chứa bã thải bauxit Đối với phụchồi khu chứa bã thải bauxit, cần có một chương trình nghiên cứu và pháttriển toàn diện tập trung vào các yêu cầu cụ thể

1.1.6.1 Các nguyên tắc và ưu tiên trong sản xuất alumin từ bauxit của Công ty Alcoa [4]

Hai khía cạnh quan trọng của Alcoa, Hoa kỳ gắn liền với khai thác bauxit và sảnxuất alumin đó là:

Khía cạnh thứ nhất: phục hồi và bảo tồn khu vực khai thác bauxit

Khía cạnh thứ hai: lưu giữ và phục hồi khu chứa bã thải bauxit, một chất thải từ quá

trình sản xuất alumin

Alcoa là một công ty hàng đầu sản xuất các sản phẩm nhôm của Hoa Kỳ Trongnăm 2008, chín nhà máy sản xuất alumin do Alcoa quản lý đã sản xuất 15,3 triệutấn alumin bằng khoảng 20% sản lượng alumin toàn cầu Trong cùng năm, 23 nhàmáy luyện nhôm do Alcoa quản lý đã sản xuất 4 triệu tấn nhôm Thành tích vượtbậc toàn cầu của Alcoa về bảo vệ môi trường và phát triển bền vững đã thườngxuyên được ghi nhận Tháng 1 năm 2009, Alcoa được vinh danh là một trong nhữngcông ty phát triển bền vững nhất trên thế giới trong danh sách Toàn cầu 100 xếphạng các công ty tiêu biểu hàng đầu về thực hành kinh doanh bền vững được công

bố tại Diễn đàn Kinh tế Thế giới ở Davos, Thụy Sỹ Alcoa đã được xếp hạng về

phát triển bền vững liên tục hàng năm từ khi danh sách Toàn cầu 100 được bắt đầucông bố năm 2005.

Nguyên tắc cơ bản của khai thác khoáng sản bền vững là việc công nhận rằng khaithác khoáng sản là việc sử dụng đất tạm thời Khi mà quặng đã được lấy đi, đất đai sẽđược trả lại cho việc sử dụng khác nào đó phù hợp với mong muốn của chính quyền vàcộng đồng Nguyên tắc này dẫn đến bốn thực hành cơ bản cần được thực hiện đối vớikhai thác khoáng sản bền vững:

 Hạn chế đến mức thấp nhất diện tích đất bị ảnh hưởng bởi các hoạt động khaithác cần có để lấy đi nguồn khoáng sản

 Hạn chế đến mức thấp nhất các tác động lên môi trường và cộng đồng bằngviệc áp dụng các hệ thống quản lý thực hành tốt nhất

 Phục hồi khu vực đã khai thác cho việc sử dụng đất có hiệu quả sau khaithác; hoặc là việc sử dụng đất đã tồn tại trước khai thác, hoặc cho việc sửdụng mới theo yêu cầu của chính quyền và cộng đồng địa phương

 Trả lại khu vực đất đã được phục hồi cho chính quyền và cộng đồng địaphương một cách nhanh nhất có thể sau khi việc khai thác đã kết thúc

Nguồn khoáng sản bauxit thường nằm ở tầng đất nông trên một diện tích đất rộng.Phục hồi từng bước nhanh chóng ngay sau khi từng hố mỏ đã được khai thác là mộtphương pháp thực hành tốt Vì vậy, trong một khu mỏ bauxit đang được khai thác người

ta có thể thấy một số khu vực đang được chặt cây và bóc lớp đất phủ để chuẩn bị chokhai thác, trong cùng thời điểm đó một số khu vực đang được khai thác và một số khuvực khác đang được phục hồi

Khu vực đã được khai thác có thể được phục hồi để trở về cảnh quan tự nhiên giốngnhư đã từng tồn tại trước khi khai thác (như rừng), hoặc có thể được phục hồi cho việc sửdụng hiệu quả đất đai mới (như canh tác nông nghiệp) Cách thức phục hồi cần được xácđịnh bằng việc tham vấn chính quyền và đại diện của cộng đồng địa phương liên quan.Một lưu ý quan trọng là việc phục hồi hiệu quả cần có sự hỗ trợ của một chương trìnhnghiên cứu và phát triển phù hợp

Chương trình nghiên cứu và phát triển này có thể được xây dựng với sự cộng táccủa các trường đại học địa phương hoặc các tổ chức nghiên cứu của chính phủ Mụctiêu của chương trình nghiên cứu và phát triển này là nhằm quyết định một phươngthức có hiệu quả kinh tế nhất nhằm đạt được mục tiêu phục hồi mong muốn Khicách phục hồi mong muốn đã được nhất trí, thì việc xây dựng tiêu chuẩn về chấtlượng phục hồi cần phải hoàn thành trước khi trả lại việc sử dụng đất cho chính

quyền hoặc cộng đồng Về cơ bản, chính quyền liên quan sẽ khảo sát khu vực đất đãđược phục hồi để xác nhận là các tiêu chuẩn đề ra đã được đáp ứng

Các ưu tiên quản lý môi trường khai thác

Trong hoạt động khai thác, cần thiết phải thiết lập các ưu tiên quản lý môitrường, và tiến hành các kế hoạch quản lý môi trường để quản lý các tác động Các

ưu tiên môi trường của Alcoa trong khai thác là:

 Bảo vệ và phục hồi sự đa dạng sinh học

 Sử dụng tài nguyên một cách hiệu quả

 Các nghiên cứu cơ sở để hiểu rõ đa dạng sinh học hiện tại trước khai thác vànguy cơ tiềm năng đối với đa dạng sinh học

 Xác định các nhu cầu nghiên cứu và giám sát

 Lập kế hoạch bảo vệ đa dạng sinh học và tránh các tác động từ việc xây dựng

Sử dụng hiệu quả tài nguyên tập trung vào những vấn đề sau:

 Đất đai - hạn chế đến mức thấp nhất diện tích và thời gian chiếm giữ đất, vàngăn chặn sự thoái hóa của đất

 Không để lại bauxit không cần thiết sau khi khai thác

 Nhiên liệu và năng lượng - sử dụng một cách hiệu quả và hạn chế đến mứcthấp nhất việc thải khí nhà kính

 Nước - sử dụng một cách hiệu quả, sử dụng nước có chất lượng thấp nhất cóthể (để nước chất lượng cao dành cho cộng đồng), và tái chế nếu có thể

 Đất trồng - bảo tồn đất trồng, ngăn chặn xói mòn, và tái sử dụng đất trồngcho việc phục hồi khu vực khai thác

 Gỗ và cây thực vật - tái sử dụng gỗ và thực vật đã đốn hạ ở những nơi có thể(ví dụ như dùng làm nhiên liệu hoặc lớp phủ để bảo vệ cây mới trồng)

Ngăn chặn ô nhiễm bao gồm:

 Ô nhiễm nước do xói mòn đất và dòng chẩy, tràn hay rò rỉ dầu, các hóa chất,hoặc lưu giữ không tốt các chất thải

 Ô nhiễm đất trồng từ các chất chứa hydrocarbon, hóa chất, và các việc lưu giữchất thải

 Ô nhiễm không khí từ bụi và khí thải

 Hạn chế đến mức thấp nhất chất thải sản xuất bao gồm:

 Tối đa tái chế và tái sử dụng các chất thải từ sản xuất

 Hạn chế đến mức thấp nhất lượng vật liệu thải ra bãi chôn lấp

 Thay đổi trọng tâm quản lý chất thải từ bị động (tái sử dụng và tái chế) sangchủ động (giảm hoặc loại bỏ chất thải từ nguồn)

Để hạn chế đến mức thấp nhất những tác động đến cộng đồng dân cư địaphương, những vấn đề sau đây cần được xem xét:

 Tiếng ồn từ các hoạt động khai thác

 Bảo vệ dòng chảy và chất lượng cung cấp nước cho cộng đồng

 Bụi phát ra từ các hoạt động khai thác

 Việc thâm nhập vào khu vực gần với khu vực khai thác

 Tác động của vận chuyển khai thác lên đường xá địa phương

 Chia sẻ lợi ích của hệ thống hạ tầng được phát triển để phục vụ khai thác với cộngđồng

 Phát triển cộng đồng - sức khỏe, giáo dục, đào tạo và việc làm

 Áp lực di trú - tác động của công nhân di chuyển đến sống trong cộng đồngdân cư gần khu mỏ

1.1.6.2 Kinh nghiệm xử lý bã thải bauxit của Alcoa [4]

Thải và lưu giữ an toàn bã thải bauxit là một trong những nhiệm vụ quản lý môitrường quan trọng bậc nhất đối với sản xuất alumin Trong quá trình tinh chiếtalumin, alumin trong bauxit bị hòa tan bởi dung dịch xút (NaOH) ở nhiệt độ và ápsuất cao Phần chất rắn còn lại sau khi alumin bị hòa tan được gọi là bã thải bauxit

Bã thải bauxit bao gồm bùn đỏ, và trong một số trường hợp một lượng đáng kể cátthải, phụ thuộc vào thuộc tính của bauxit được chế biến.

Bã thải bauxit được rửa bằng nước để thu hồi xút càng nhiều càng tốt Xút là mộtvật tư quý, vì vậy người ta tránh bị mất xút trong quá trình tinh chiết alumin Xútthu hồi qua công đoạn rửa bã thải bauxit được cấp trở lại quá trình tinh chiết alumin.Hầu hết xút được thu hồi bằng việc rửa bã thải bauxit, tuy nhiên không thể rửa hếtsạch tất cả xút trong bã thải bauxit Phần xút còn lại được đưa ra khu vực lưu giữcùng với bã thải bauxit Xút là một chất có tính kiềm cao, và do vậy bã thải bauxit

là một vật liệu có tính kiềm Do đó, bã thải bauxit chưa được xử lý có thể nguyhiểm cho sự an toàn của người tiếp xúc với nó (gây bỏng hóa học), và chất lỏngđược lưu giữ cùng với bã thải bauxit có thể gây ra tác hại lên môi trường nếu khôngđược chứa bên trong khu vực lưu giữ Tính kiềm của bã thải bauxit còn gây ranhững khó khăn trong việc phục hồi bề mặt của khu vực lưu giữ bã thải bauxit.Nhận thấy chất thải là trọng tâm quan trọng trong việc quản lý môi trường, Alcoa

đã xây dựng một “chương trình phát triển bền vững” đối với bã thải bauxit Chươngtrình phát triển bền vững đã định ra phương hướng cho nghiên cứu và phát triểntoàn diện của Alcoa tập trung vào tính bền vững của bã thải bauxit

Tái sử dụng bã thải bauxit

Trong chương trình phát triển bền vững của Alcoa, đối với bã thải bauxit đó làphương pháp sử dụng bã thải bauxit đã được làm giảm độ pH, và cuối cùng để sản xuấtcác sản phẩm có giá trị bằng việc chế biến bã thải bauxit Để đạt được những mục tiêunày Alcoa đang tiến hành một chương trình nghiên cứu và phát triển lớn nhằm triển khaiứng dụng bã thải bauxit và phát triển các sản phẩm được chế tạo từ bã thải bauxit Trong khi một số phương thức sử dụng bã thải bauxit đã được xác định, cácphương pháp sử dụng này hiện nay vẫn chưa có khả năng xử lý được số lượng lớn

bã thải do các nhà máy alumin thải ra Công tác nghiên cứu và phát triển vấn đangđược tiến hành để tìm ra các phương thức sử dụng bã thải bauxit mới

- Lưu giữ hoàn toàn bã thải - không thải ra môi trường

Điểm xuất phát của các nhà máy đang hoạt động hiện nay là tất cả khu chứa chấtthải đã được xây dựng cần phải lưu giữ hoàn toàn bã thải bauxit và chất lỏng tồn tạibên trong bã thải Với tiêu chuẩn tối thiểu này, việc để rò rỉ bã thải chưa được xử lý

và dung dịch xút ra môi trường sẽ không được chấp nhận

Để đạt được việc lưu giữ hoàn toàn, điều quan trọng là tuân thủ chặt chẽ nguyêntắc thực hành xây dựng Nguyên tắc thực hành xây dựng là hệ chống thấm của khuchứa bã thải phải được thiết kế và thực hiện làm sao cho không có rò rỉ trong suốt

thời gian vận hành của khu chứa bã thải Để đạt được mục tiêu này Alcoa đã pháttriển và triển khai hệ thống chống thấm có tên là “chống thấm composite” Phươngthức chống thấm composite nghĩa là sử dụng việc bảo vệ nhiều tầng để ngăn sự rò rỉ

từ khu chứa bã thải bauxit

Trong một hệ chống thấm composite, tầng bảo vệ thứ nhất là một lớp đất sét dầy40cm Đất sét phải có độ chống thấm phù hợp với mục đích này Phủ lên trên lớpđất sét là một lớp vải nhựa PVC hay HDPE (chiều dầy khoảng 1mm) Mép của cáctấm vải nhựa được “hàn” với nhau để đảm bảo không có khe hở

Một lớp cát thoát nước 80cm nằm phía trên lớp vải nhựa và các ống thoát nướcđược đặt bên trong lớp cát thoát nước Việc xây dựng lớp cát thoát nước mang lạilợi ích sau:

 Áp lực thủy tĩnh lên đáy chống thấm của hồ chứa được giảm xuống dẫn đếnviệc giảm khả năng rò rì nếu có thể có những điểm yếu nào đó trong đáychống thấm

 Việc thoát các chất lỏng từ bã thải bauxit làm tăng độ kết rắn của bã thải.Điều này làm tăng hiệu quả chứa (mật độ) của bã thải, cải thiện sự ổn địnhcủa khu chứa bã thải và cho phép cải thiện việc thâm nhập khu chứa bã thải

để phục hồi bề mặt của khu chứa này

 Xút được thu hồi bằng hệ thống thoát nước đáy được đưa trở lại quá trìnhtinh chiết alumin

Chi tiết cụ thể của hệ chống thấm composite có thể thay đổi phụ thuộc vào đặc tínhcủa nền đất nơi khu chứa bã thải được xây dựng và vật liệu xây dựng có sẵn tại địaphương Chi tiết xây dựng cũng thay đổi theo địa hình Ví dụ, chi tiết xây dựng hệchống thấm cho một khu chứa bã thải ướt nhiều lớp ở một thung lũng thì khác với chitiết xây dựng hệ chống thấm cho một khu chứa bã thải khô nhiều lớp trên một địa hìnhbằng phẳng Dù các chi tiết xây dựng có khác nhau, một điểm quan trọng của trong quytắc xây dựng nghiêm ngặt các khu chứa bã thải bauxit là tiến hành một chương trìnhQA/QC (bảo đảm chất lượng/kiểm tra chất lượng) nhằm đảm bảo các thông số kỹ thuậtxây dựng được tuân thủ một cách chính xác

- Nâng cao hiệu suất lưu giữ

Một số phương pháp lưu giữ bã thải bauxit khác nhau đã được sử dụng trongngành công nghiệp alumin Sự khác nhau cơ bản giữa các phương pháp là độ ẩmcủa bã thải khi nó được thải ra khu chứa Nói chung khi tỷ lệ các chất rắn trong bãthải bauxit tăng (tức là tỷ lệ chất lỏng giảm), tỷ trọng cuối cùng của bã thải bauxittăng lên, và độ cao lưu giữ cho phép đối với bã thải bauxit cũng tăng lên Kết quả là

ở nồng độ rắn cao, một lượng lớn bã thải bauxit có thể được chứa trong cùng mộtdiện tích đất Đây là một điểm quan trọng trong điều kiện không có nhiều diện tíchđất

Phương pháp lưu giữ chất thải hiệu quả nhất là phương pháp “thải khô chồnglớp”, với phương pháp này lượng bã thải bauxit có thể được chứa trong một diệntích đất cho trước lớn hơn ít nhất gấp 2,5 lần so với phương pháp thải ướt chồngđống Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp thải khô chồng lớp chỉ khả thi với điềukiện địa hình tương đối bằng phẳng và lượng mưa thấp đến trung bình

Đối với việc chứa bã thải bauxit trong thung lũng, đòi hỏi sự chú ý hết sức cẩnthận đến từng chi tiết để đảm bảo sự hoàn thiện của công tác xây dựng

Hình 1.5: Hiệu suất lưu giữ của một số phương pháp lưu giữ bã thải bauxit

- Giảm độ pH của bã thải

Để giảm sự rủi ro gắn liền với việc lưu giữ bã thải bauxit, người ta mong muốngiảm tính kiềm (độ pH) của bã thải Đây là bước tiếp theo của Tầm nhìn phát triểnbền vững của Alcoa đối với bã thải bauxit Lợi ích của việc giảm độ pH của bã thảibauxit bao gồm:

 Giảm rủi ro môi trường đối với nguồn nước

 Dễ dàng phục hồi khu chứa bã thải bauxit

 Vận chuyển và chế biến bã thải bauxit dễ dàng hơn

Một số quy trình đã được phát triển để giảm độ kiềm của bã thải bauxit:

 Trung hòa bằng nước biển (chỉ phù hợp với các nhà máy nằm ở ven biển)

 Cacbon hóa (Công nghệ của Alcoa)

 Bổ sung hóa chất chẳng hạn như axit (thường giá thành cao)

Việc làm giảm độ kiềm của bã thải bauxit đòi hỏi kinh phí bổ sung và làm tăngchi phí vận hành Tuy nhiên những chi phí này được bù đắp bởi những lợi ích vềmôi trường và lợi ích trong vận hành

Alcoa đã phát triển một công nghệ gọi là công nghệ cacbon hóa để giảm độ pHcủa bã thải bauxit Công nghệ này đã được áp dụng ở quy mô toàn diện ở nhà máyalumin Kwinana của Alcoa ở Tây Australia Trong phương pháp này, khí cacbonic(CO2) được đưa vào phản ứng hóa học với bã thải bauxit Kết quả là độ pH của bãthải bauxit giảm đáng kể và việc phát khí thải nhà kính giảm Ở Kwinana, khícacbonic sẵn có được thải ra từ một nhà máy chế biến gas gần đó Tuy nhiên có thể

áp dụng công nghệ “chiếm các bon” bằng khí cacbonic lấy từ ống khói nhà máyđiện

Hình 1.6: Sơ đồ công nghệ cacbon hóa cho bã thải bauxit 1.1.6.3 Kinh nghiệm phục hồi Mỏ - Tây Australia [4]

Alcoa lần đầu tiên được cấp giấy phép khai thác ở TâyAustralianăm 1961, và bắtđầu khai thác năm 1962 Công việc phục hồi mỏ đầu tiên được tiến hành năm 1966,bốn năm sau khi bắt đầu khai thác Đến năm 2005, tổng diện tích bị ảnh hưởng bởikhai thác lên tới 15.000 hecta, và 12.500 hecta trong tổng diện tích đó (khoảng

85%) đã được phục hồi Hiện nay, Alcoa sản xuất tổng cộng khoảng 8 triệu tấnalumin một năm tại ba nhà máy sản xuất alumin ở Tây Australia.

Hoạt động khai thác bauxit của Alcoa tại Tây Australia được tiến hành trong khuvực rừng bạch đàn trên cao nguyên Darling Đây là một hệ sinh thái duy nhất màkhông thể tìm thấy ở bất kỳ nơi nào khác trên thế giới Khoảng 600 hecta được khaithác và phục hồi mỗi năm Khai thác ở độ sâu không lớn (khoảng 4m) và được thựchiện bằng việc sử dụng máy ủi, máy xúc và xe tải Các mỏ bauxit xuất hiện với lớpđất đá phủ mỏng trên đỉnh và sườn các đồi

Mục tiêu phục hồi mỏ của Alcoa là tạo dựng một hệ sinh thái rừng bạch đàn tựtồn tại và phát triển tự nhiên và được quy hoạch để duy trì và nâng cao tất cả việc sửdụng đất rừng đã từng tồn tại trước khai thác: bảo tồn, sản xuất gỗ, tích trữ nước,vui chơi giải trí và những giá trị về rừng khác Quy trình phục hồi của Alcoa đãđược xây dựng và cải tiến liên tục trong vòng 35 năm qua, và bao gồm các côngđoạn sau:

 San lấp hố mỏ

 Xới ban đầu

 Phủ lại đất trồng

 Hoàn lại môi trường sống cho động vật

 Xới lần cuối và gieo hạt

 Trồng các loài cây “cứng đầu”

 Bón phân

 Liên tục theo dõi giám sát và quản lý khu vực được phục hồi

Một mục tiêu môi trường quan trọng là phục hồi 100% sự phong phú về chủngloài thực vật của rừng nguyên sinh cho khu vực phục hồi vào thời điểm một nămsau khi công việc phục hồi được hoàn thành Trong khi mục tiêu này đã đạt đượcvào năm 2000, việc đảm bảo để mục tiêu này vẫn tiếp tục đạt được là một tháchthức nhằm cải thiện hơn nữa chương trình phục hồi

San lấp hố mỏ là công đoạn đầu tiên trong quy trình phục hồi San lấp hố mỏ làtái tạo lại cảnh quan của hố mỏ đã được khai thác, loại bỏ thành vách và đáy hố mỏ,chôn các tảng đá lớn và tạo bề mặt trên cùng của hố mỏ phù hợp với địa hình xungquanh San lấp hố mỏ còn tạo cơ hội để kiểm soát việc thoát nước trong khu vực hố

mỏ Việc thiết kế san lấp hố mỏ đảm bảo nước được giữ lại trong hố mỏ và ngăncản đất bị nước cuốn trôi ra khu vực rừng xung quanh Hố mỏ sau khi đã được sanlấp và tạo mặt bằng lần cuối cùng thì thấp hơn khu vực rừng xung quanh 30-40cm

Điều này cho phép khu vực được phục hồi ở cùng độ cao với khu vực rừng xungquanh sau khi lớp đất trồng được phủ trở lại Gỗ vụn và đá ở rìa của hố mỏ được lấy

đi để đảm bảo không có rào cản nào được tạo ra giữa khu vực phục hồi và rừngxung quanh

Công đoạn xới ban đầu được tiến hành sau khi hố mỏ đã được san lấp và trước côngđoạn phủ lại lớp đất trồng Mục đích của công đoạn xới ban đầu là làm tơi đất và cầy xớiđất nền Điều này rất quan trọng vì độ rắn của đáy hố mỏ lớn hơn rất nhiều độ rắn củakhu vực không bị khai thác xung quanh do bị lún ép bởi các thiết bị khai thác mỏ nặng

và việc lấy đi lớp quặng bauxit tơi xốp trong quá trình khai thác Nghiên cứu đã chỉ rarằng việc xới sâu tạo điều kiện cho rễ cây và nước ăn sâu vào đất và do vậy giúp chothực vật phát triển thành rừng tự tồn tại và phát triển tự nhiên Alcoa đã cam kết vớichính phủ xới sâu tất cả các hố mỏ và xới hầu hết các hố mỏ với độ sâu thấp nhất là1,2m Xới sâu được tiến hành cho 80% hố mỏ (loại trừ sườn dốc thành hố mỏ và cácđống chất thải) tới độ sâu 1,5m hoặc lớn hơn Sau khi xới, một máy san ủi được sử dụng

để san ủi bề mặt chuẩn bị sẵn sàng cho việc rải lại lớp đất đá phủ và lớp đất trồng

Lớp đất đá phủ và lớp đất trồng trên cùng được phủ trở lại hố mỏ sau công đoạnxới ban đầu Việc phủ lại đất được thực hiện bằng các máy cạp ủi lớn Máy cạp ủicạp một khối lượng lớn đất và sau đó rải một lớp mỏng trên bề mặt hố mỏ đã đượcsan lấp Chiều dầy của lớp đất rải thay đổi phụ thuộc vào khu vực trước đây có lớpđất đá phủ và lớp đất trồng đã được lấy đi Một số khu vực rừng có lớp đất đá phủ

và lớp đất trồng rất mỏng Chiều dầy trung bình của lớp đất đá phủ và lớp đất trồngkhoảng 30 cm Sau khi lớp đất đá phủ đã được rải trở lại, lớp đất trồng được rải mộtlớp mỏng (khoảng 15cm) phía trên lớp đất đá phủ Tốt nhất là lớp đất trồng được rảitrực tiếp trở lại khu vực phục hồi từ các hố mỏ vừa được phát quang; điều này làmtăng đến mức cao nhất số lượng hạt giống có trong lớp đất trồng và do đó chúng ta

có thể có được số lượng cao nhất các chủng loài thực vật có thể trong khu vực phụchồi

Sau công đoạn rải trở lại lớp đất đá phủ và lớp đất trồng, hố mỏ được xới theochu vi với độ sâu xới thấp nhất 0,8m bằng một máy ủi ba lưỡi xới Việc xới đấtđược tiến hành theo chu vi trên cùng một độ cao để tăng khả năng trữ nước của đất.Rãnh luống tạo ra xung quanh còn có thể ngăn chặn xói mòn đất Hạt giống đượcgieo ngay sau khi xới bởi một máy gieo hạt điều khiển bằng máy tính gắn trên máy

ủi đã được sử dụng để xới đất Nghiên cứu chỉ ra rằng thời điểm gieo hạt là quantrọng và tốt nhất là trong điều kiện đất khô giữa tháng 12 và tháng 4 của năm