Một số kết quả nghiên cứu xử lý bùn đỏ Nhà máy Alumin Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

Kết quả nghiên cứu áp dụng sàng tách nước cao tần để tách nước bùn quặng đuôi thải tuyển nổi (thải khô)

Bùn đỏ là chất thải rắn sinh ra trong quá trình sản xuất alumin từ quặng bauxite, là hỗn hợp các chất oxit chủ yếu silic, sắt, xút NaOH, ô xit nhôm và một số ô xit kim loại khác… Bùn đỏ thường có pH 11-12 thuộc loại chất thải có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường nên cần phải được lưu giữ bảo quản chặt chẽ và an toàn. Ở Việt Nam có 2 nhà máy sản xuất alumina là Tân Rai - Lâm Đồng và Nhân Cơ – Đắk Nông đều có công suất thiết kế 650 ngàn tấn alumina/năm, áp dụng công nghệ Bayer, mỗi tấn alumina sẽ thải ra khoảng 1,05 tấn bùn đỏ khô, và khoảng 1,2 m3 dung dịch chứa xút loãng. Bùn đỏ thải từ cả 2 nhà máy hiện nay đều được xử lí bằng phương pháp thải ướt, theo đó dung dịch bùn đỏ được bơm ra hồ lắng, nước xút loãng được thu hồi bằng thẩm thấu qua lớp lọc dưới đáy hồ và qua ngưỡng tràn của giếng thu nước mặt tại giữa lòng hồ. Một phần dung dịch xút loãng được bơm về nhà máy tái sử dụng, một phần phải xử lí trung hòa đảm bảo tiêu chuẩn an toàn môi trường mới được phép xả thải. Qua 5 năm vận hành nhà máy alumin Tân Rai đã cho thấy xử lí bùn đỏ bằng phương pháp thải ướt cũng đã bộc lộ nhiều nhược điểm như sử dụng nhiều diện tích đất đai làm hồ chứa bùn đỏ, lượng xút loãng thu hồi bằng thẩm thấu qua lớp lọc dưới đáy hồ là rất thấp, tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường đất xung quanh hồ bùn đỏ, chi phí hoàn thổ hồ bùn đỏ là rất lớn và thời gian đóng hồ rất lâu do bùn đỏ lưu lại hồ chứa có độ ẩm cao, việc khử nước làm giảm độ ẩm rất khó khăn, phức tạp và chi phí lớn. Mặt khác theo lộ trình phát triển sản xuất alumin của TKV đối với Dự án nhà máy alumin Lâm Đồng, trong những năm tới có thể sẽ gia cường thiết bị để nâng công suất lên 750.000 tấn/năm và sau năm 2022 có thể mở rộng nhà máy lên 1.300.000 tấn/năm. Nhu cầu xử lí bùn đỏ theo các Phương án công suất nhà máy alumin Lâm đồng được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 1. Dự kiến nhu cầu dung tích hồ chứa bùn đỏ cho Nhà máy alumin Lâm Đồng theo công nghệ thải ướt (tính từ năm 2020)

Năm SX	650.000 tấn alumina/năm		750.000 tấn alumina/năm		1.300.000 tấn alumina/năm
	Lũy tiến (tấn)	Lũy tiến (m3)	Lũy tiến (tấn)	Lũy tiến (m3)	Lũy tiến (tấn)	Lũy tiến (m3)
2020	681.850	568.208	681.850	568.208	681.850	568.208
2025	4.091.100	3.409.250	4.615.600	3.846.333	5.192.550	4.327.125
2030	7.500.350	6.250.292	8.549.350	7.124.458	12.011.050	10.009.208
2035	10.909.600	9.091.333	12.483.100	10.402.583	18.829.550	15.691.292
2036	11.591.450	9.659.542	13.269.850	11.058.208	20.193.250	16.827.708
2037	12.273.300	10.227.750	14.056.600	11.713.833	21.556.950	17.964.125
2045	17.728.100	14.773.417	20.350.600	16.958.833	32.466.550	27.055.458
2046	18.409.950	15.341.625	21.137.350	17.614.458	33.830.250	28.191.875
2050	21.137.350	17.614.458	24.284.350	20.236.958	39.285.050	32.737.542

Toàn bộ dung tích chứa bùn đỏ cho Tổ hợp alumin Lâm đồng cho cả 2 giai đoạn được thiết kế và qui hoạch là 19.711.718 m3, theo thống kê đến năm 2018 đã sử dụng 1.928.648 m3 còn lại là 17.843.070m3. Như vậy theo lộ trình phát triển sản xuất alumin của TKV nếu nâng công suất nhà máy alumin thì đến năm 2037 toàn bộ diện tích đất đai đã thiết kế qui hoạch làm hồ chứa bùn đỏ sẽ không đáp ứng nhu cầu cho công nghệ thải ướt.

Để giải quyết các vấn đề nhược điểm trên, Tập đoàn TKV đã giao cho Viện KHCN mỏ - Vinacomin triển khai đề tài nghiên cứu khoa học: “Nghiên cứu xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô” nhằm thu hồi tối đa dung dịch xút phục vụ cho tái sử dụng, tiết kiệm tài nguyên đất đai và nâng cao hơn an toàn môi trường trong sản xuất alumin. Trong bài viết này các tác giả giới thiệu tóm tắt một số kết quả nghiên cứu xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô gồm các kết quả đánh giá hiện trạng công tác xử lí bùn đỏ bằng thải ướt, kết quả thử nghiệm lọc ép bùn đỏ để thu hồi xút, kết quả thử nghiệm phơi bùn đỏ và đầm nén, kết quả nghiên cứu tính chất cơ học của bùn đỏ, kết quả thử nghiệm đắp chồng cao bãi chứa bùn đỏ, các kết quả quan trắc môi trường bãi chứa bùn đỏ khô và phương án đề xuất công nghệ thải khô bùn đỏ cho nhà máy alumin Tân Rai - Lâm đồng nhằm tiết kiệm tài nguyên đất đai, tiết giảm chi phí sản xuất và giảm thiểu nguy cơ gây ô nhiễm môi trường từ bùn đỏ alumin.

2. Kết quả nghiên cứu đề tài

2.1 Hiện trạng công nghệ xử lí bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam

Trên thế giới quá trình phát triển công nghệ xử lí bùn đỏ nhà máy alumin được khái lược như sau:

- Từ trước thập kỉ 1990 phần lớn các nhà máy alumin đều xử lí bùn đỏ bằng công nghệ thải ướt, theo đó bùn đỏ được bơm ra và chứa tại các hồ lắng, tỉ lệ rắn/lỏng bùn đỏ khoảng 20/80. Ưu điểm của phương pháp này là chi phí vận hành thấp, dễ vận hành. Nhược điểm lớn là nguy cơ mất an toàn gây ô nhiễm môi trường do vỡ đê đập chắn, rò rỉ xút gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, phải xử lí khối lượng lớn nước xút dư trước khi xả thải, diện tích đất đai phục vụ xây dựng hồ thải là rất lớn.

- Từ sau 1990 đến 2000 các nhà máy alumin đã cải tiến đưa áp dụng rộng rãi công nghệ thải sệt (bán khô), theo đó bùn đỏ trước khi thải ra hồ lắng được cô đặc đến tỉ lệ rắn/lỏng khoảng 45/55. Tại các bãi chứa, bùn đỏ được phơi khô theo từng lớp đến độ ẩm thích hợp sau đó được lu nèn chặt. Xung quanh bãi chứa là các bờ đê che chắn được đắp cao dần bằng chính bùn đỏ khô. Ưu điểm của phương pháp này là chi phí không cao, tương đối dễ vận hành, diện tích đất đai phục vụ xây dựng bãi chứa không lớn nhưng nhược điểm lớn là cần nhiều thời gian phơi, cày xới làm khô bùn đỏ trước khi lu nèn chặt. Công nghệ thải sệt chỉ phù hợp với những nơi ít mưa, khô hạn.

- Từ sau năm 2000 đến nay khi công nghệ xử lí bùn nước bằng phương pháp lọc ép khung bản phát triển, các nhà máy alumin đã đưa áp dụng rộng rãi công nghệ xử lý bùn đỏ bằng phương pháp thải khô. Theo đó bùn đỏ được lọc ép đến độ ẩm khoảng 28-30% sau đó vận chuyển bãi bãi chứa, sau khi phơi khô đến độ ẩm thích hợp sẽ được lu nèn đầm chặt. Tại bãi chứa, bùn đỏ được đắp từng lớp chồng lớp lên cao dần theo qui trình kĩ thuật đảm bảo kĩ thuật an toàn và môi trường. Các bãi chứa có thể đắp chồng lên cao, có nơi cao đến 90 m so mặt đất, tùy theo điều kiện địa chất và khí hậu khu vực, tính chất cơ học bùn đỏ và qui mô công suất của từng nhà máy alumin. Ưu điểm của phương pháp này là dễ vận hành, diện tích đất đai sử dụng thấp, mức độ an toàn môi trường cao. Nhược điểm là chi phí vận hành cao. Hiện nay trên thế giới do nhận thức về an toàn môi trường được quan tâm hơn nên hầu hết các nhà máy alumin mới xây dựng đều ưu tiên áp dụng phương pháp thải khô, các nhà máy đã sử dụng công nghệ thải ướt và thải sệt bùn đỏ đều đang chuyển đổi sang công nghệ thải khô.

Hình 1. Bãi thải bùn đỏ khô nhà máy alumin Bình Quả -Quảng Tây – Trung Quốc

Hình 2. Bãi thải bùn đỏ khô nhà máy alumin Tôn Nghĩa – Quí châu - Trung quốc

Ở Việt Nam khâu xử lí bùn đỏ alumin tại 2 nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ được thiết kế là thải sệt, tuy nhiên do khí hậu Tây Nguyên mưa nhiều, phương pháp thải sệt không phù hợp nên đã được chuyển sang áp dụng công nghệ thải ướt. Hiện tại Dự án alumin Lâm Đồng đang hòan thổ khoang số 1; khoang số 2 và 3 đã lấp đầy và đang gia cường bổ sung tăng sức chứa; khoang số 4 dự kiến sẽ lấp đầy vào năm 2020; khoang số 5; 6; 7; 8 đang thiết kế để thi công phục vụ cho những năm tiếp theo. Nếu Nhà máy alumin Tân Rai vận hành đủ công suất thiết kế 650.000 tấn/năm thì dự kiến đến năm 2028 sẽ lấp đầy các khoang trên, từ năm 2029 sẽ phải đầu tư xây dựng hồ bùn đỏ giai đoạn 2 với sức chứa 11.418.989 m3 và sẽ sử dụng trong 20 năm.

Hình 3. Khoang chứa bùn đỏ số 2-3 tại Tân Rai

Hình 4. Khoang chứa bùn đỏ số 1 tại Nhân Cơ

Hiện trạng và qui hoạch sử dụng đất làm hồ chứa bùn đỏ nhà máy alumin Lâm Đồng thể hiện trong hình 5 và 6

Hình 5. Hiện trạng sử dụng hồ chứa bùn đỏ giai đoạn 1

Hình 6. Qui hoạch sử dụng hồ chứa bùn đỏ giai đoạn 2

Một số chi phí đầu tư cho xây dựng hồ bùn đỏ trong trường hợp sử dụng công nghệ thải ướt cho Dự án Tổ hợp alumin Lâm Đồng công suất 650.000 tấn/năm cho giai đoạn tiếp theo 2020-2050 dự kiến như sau:

Bảng 2: Dự kiến chi phí đầu tư xây dựng hồ bùn đỏ cho giai đoạn 2020-2050

Stt	Một số chỉ tiêu KTKT	Đvt	Số lượng
1	Diện tích đất đai	ha	254,7
2	Chi phí đầu tư xây dựng hồ bùn đỏ	tr.đồng	4.302.971
3	Chi phí đền bù đất đai giải phóng mặt bằng	tr.đồng	197.530
4	Chi phí đóng khoang hoàn thổ	tr.đồng	193.562
5	Tổng chi phí	tr.đồng	4.694.062

Nguồn: Báo cáo Tổng kết đề tài NC xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai – Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

Từ các số liệu trên cho thấy công nghệ xử lí bùn đỏ bằng phương pháp thải ướt cần diện tích đất đai làm hồ chứa là rất lớn, chi phí đầu tư ban đầu rất cao, công tác hoàn thổ cải tạo phục hồi môi trường trên bề mặt hồ bùn đỏ là rất khó khăn và chi phí lớn do trên bề mặt hồ bùn đỏ tỉ lệ lỏng/rắn là rất cao, rất khó san lấp và thời gian thi công kéo rất dài, tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy để tiết kiệm tài nguyên đất, tiết giảm chi phí sản xuất, tận thu xút và giảm thiểu nguy cơ gây ô nhiễm môi trường việc thay thế công nghệ thải ướt bùn đỏ bằng phương pháp khô là rất cần thiết.

2.2 Nghiên cứu thử nghiệm xử lí bùn đỏ bằng lọc ép khung bản

Để nghiên cứu khả năng lọc bùn đỏ, tính chất xút thu hồi, tính chất cơ học của bùn đỏ, triển khai thực nghiệm đắp chồng lớp bùn đỏ trên bãi chứa, đề xuất phương án khả thi thải khô bùn đỏ cho nhà máy alumin Lâm Đồng, Viện KHCN mỏ - Vinacomin đã xây dựng lắp đặt trạm thử nghiệm lọc ép bùn đỏ với công suất ~1,8 tấn/giờ.

Kết quả thử nghiệm lọc ép bùn đỏ

Bảng 3. Kết quả thử nghiệm lọc bùn đỏ thu hồi xút bằng máy lọc ép khung bản

Hàm lượng rắn trong bùn đầu	Thể tích bùn đầu	Áp lực bơm	Thời gian lọc ép		Thể tích nước lọc thu hồi	KL bã lọc ẩm tự nhiên	KL bã lọc qui về độ ẩm 0%	Độ ẩm bã lọc	Chiều dày bánh lọc
			ép bùn	xả bã
g/l	m3	at	phút	phút	m3	tấn	tấn	%	cm
350	2,7	5	30	15	1,81	1,55	0,95	38,89	35÷42
	3,1	6	40	15	2,20	1,72	1,09	32,62	35÷42
	3,3	7	50	15	2,34	1,89	1,16	31,56	35÷42
380	2,4	5	30	15	1,60	1,42	0,91	35,74	35÷42
	2,9	6	35	15	1,99	1,62	1,09	32,54	35÷42
	3,2	7	40	15	2,25	1,72	1,20	30,17	35÷42
420	2,7	5	30	15	1,84	1,41	1,12	32,37	35÷42
	2,7	6	35	15	1,85	1,65	1,14	30,63	35÷42
	2,7	7	40	15	1,92	1,61	1,15	28,27	35÷42

Nguồn: Báo cáo Tổng kết đề tài NC xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai – Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

Từ kết quả thử nghiệm lọc ép bùn đỏ cho các kết quả: Áp lực bơm nén tối ưu 6 - 7at; Chiều dày bánh lọc trung bình 40mm; Năng suất 0,04 tấn/giờ/m2; Độ ẩm bánh lọc thấp nhất 28-30%; Thời gian lọc tối ưu 40-45 phút/mẻ;

Kết quả thử nghiệm phơi bùn đỏ sau lọc ép trên sân bãi tại nhà máy alumin Tân rai

Bảng 4. Kết quả thí nghiệm phơi tự nhiên bùn đỏ sau lọc ép

Chiều dày lớp bùn sau lọc ép (mm)	Độ ẩm bùn sau phơi (%)
	Thời gian phơi (ngày)
	0	1	2	3	4	5	6
200	30,68	28,02	27,12	26,68	25,96	24,62	23,36
400	30,68	28,74	27,87	27,12	26,54	25,52	24,61
600	30,68	29,18	28,58	27,82	27,09	26,32	25,52
800	30,68	29,47	29,00	28,35	27,58	26,77	25,85
1000	30,68	29,69	29,27	28,68	27,81	27,06	26,41

Nguồn: Báo cáo Tổng kết đề tài NC xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai – Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

Kết quả thử nghiệm phơi bùn đỏ sau lọc ép cho thấy độ ẩm của bùn quặng giảm phụ thuộc nhiều vào chiều cao lớp quặng khi phơi, qui trình cày xới đảo trộn và thời tiết. Trong trường hợp không nắng và ít mưa thì độ ẩm có thể giảm từ 1-2 % sau 1 ngày phơi.

Kết quả xét nghiệm pH của bùn đỏ sau lọc: pH trung bình 11,61

- Kết quả xét nghiệm dung dịch chứa xút thu hồi: Hàm lượng Na2Ok trung bình: 3,2 g/l; Hàm lượng Na2Ot trung bình: 4,9 g/l; Hàm lượng Al2O3 trung bình: 2,7 g/l

2.3 Nghiên cứu các tính chất cơ học của bùn đỏ

Kết quả phân tích thí nghiệm tính chất cơ học bùn đỏ

Các mẫu bùn đỏ sau lọc ép được đưa về phòng thí nghiệm cơ học đất để nghiên cứu, phân tích xét nghiệm các tính chất cơ học của bùn đỏ nhằm đánh giá khả năng sử dụng làm vật liệu đắp nền: Thành phần hạt, Độ ẩm, khối lượng riêng, thí nghiệm đầm chặt, thí nghiệm cắt cố kết, nén, độ thẩm thấu của các mẫu bùn đỏ khi đầm chặt với các hệ số đầm chặt khác nhau.

+ Trọng lượng riêng hạt bùn đỏ: 2,8 kg/dm3

+ Kết quả xác định thành phần hạt bùn đỏ nhà máy alumin Lâm đồng thuộc loại rất mịn, tương đối đồng nhất, cỡ hạt 0-0,050mm trong khoảng 85-90%.

Bảng 5 Kết quả phân tích thành phần hạt ùn đỏ

Cỡ hạt (mm)	<0,005	0,005-0,01	0,01-0,05	0,05-0,1	0,1-0,25	0,25-0,5	0,5-1	>1
%	38,5	16,63	30,33	9,83	1,83	1,67	0,83	0,17

Nguồn: Báo cáo Tổng kết đề tài NC xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai – Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

+ Kết quả thí nghiệm độ đầm chặt của bùn đỏ: Độ đầm chặt phụ thuộc rất nhiều vào độ ẩm bùn đỏ. Độ đầm chặt tốt nhất K=1 khi khi độ ẩm bùn đỏ đạt giá trị khoảng 20-21%; Độ đầm chặt đạt giá trị k=0,9 khi độ ẩm bùn đỏ khoảng 26-27% hoặc 12-13%; Độ đầm chặt đạt giá trị k=0,95 khi độ ẩm bùn đỏ đạt giá trị khoảng 25-26% hoặc15-16%. Khối lượng thể tích khô lớn nhất ở độ ẩm tối ưu khoảng 1,65 kg/dm3

Bảng 6. Kết quả thí nghiệm đầm nén bùn đỏ với các độ ẩm

Chỉ tiêu phân tích	Độ ẩm bùn đỏ W(%)
	27,5	25,4	24,2	23,1	21,8	20,2	15,9	12,2
Độ đầm chặt Kp	0,86	0,96	0,96	0,97	0,98	1,00	0,95	0,90
Khối lượng thể tích khô γk(g/cm3)	1,42	1,57	1,59	1,61	1,63	1,65	1,58	1,55

Nguồn: Báo cáo Tổng kết đề tài NC xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai – Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

Hình 9. Sự ảnh hưởng của độ ẩm đến độ đầm chặt bùn đỏ

+ Kết quả thí nghiệm cắt và nén nhanh các mẫu bùn đỏ

Các mẫu bùn đỏ sau đầm chặt với các hệ số k=0,9; k=0,95; k=0,85 ở trạng thái độ ẩm tối ưu và trạng thái ngâm bão hòa được đưa đi thí nghiệm cắt, nén. Kết quả thí nghiệm cắt nén bùn đỏ sau đầm nén k>0,9 cho thấy thuộc loại có tính nén lún nhỏ.

Bảng 7. Kết quả thí nghiệm cắt, nén mẫu bùn đỏ ở trạng thái ẩm tối ưu

Độ đầm chặt Kp	Cắt		Nén nhanh									Nén nở hông qumax (kG/cm2)
			Hệ số rỗng				Hệ số nén lún a(cm2/kG)				Modul tổng biến dạng E (kG/cm2)
	Góc ma sát trong	Lực dính kết C (kG/cm2)	0,5 kG/cm2	1,0 kG/cm2	2,0 kG/cm2	4,0 kG/cm2	0,5 kG/cm2	1,0 kG/cm2	2,0 kG/cm2	4,0 kG/cm2
0,85	15038‘	0,320	0,925	0,908	0,884	0,860	0,060	0,033	0,024	0,012	30,783	1,206
0,9	16028‘	0,365	0,823	0,809	0,788	0,769	0,053	0,027	0,022	0,010	33,590	1,560
0,95	18003‘	0,412	0,728	0,713	0,697	0,681	0,042	0,029	0,016	0,008	42,947	2,364

Bảng 8. Kết quả thí nghiệm cắt, nén mẫu bùn đỏ ở trạng thái ngâm bão hòa

Độ đầm chặt Kp	Cắt		Nén nhanh									Nén nở hông qumax (kG/cm2)
			Hệ số rỗng				Hệ số nén lún a(cm2/kG)				Modul tổng biến dạng E (kG/cm2)
	Góc ma sát trong	Lực dính kết C (kG/cm2)	0,5 kG/cm2	1,0 kG/cm2	2,0 kG/cm2	4,0 kG/cm2	0,5 kG/cm2	1,0 kG/cm2	2,0 kG/cm2	4,0 kG/cm2
0,85	10053‘	0,229	0,906	0,879	0,832	0,757	0,097	0,055	0,047	0,037	16,07	0,585
0,9	11040‘	0,257	0,809	0,778	0,735	0,671	0,080	0,062	0,043	0,032	16,56	0,716
0,95	12027‘	0,274	0,716	0,687	0,648	0,596	0,067	0,058	0,039	0,026	17,47	0,898

Nguồn: Báo cáo Tổng kết đề tài NC xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai – Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

+ Kết quả thí nghiệm xác định tính thấm của bùn đỏ

Tính thấm của bùn đỏ phụ thuộc vào độ đầm nén được thể hiện trên bảng Các kết quả thí nghiệm đã cho thấy bùn đỏ sau lọc ép sau khi được phơi đến độ ẩm nhất định và lu nèn chặt với hệ số Kp≥0,85 thì tính thấm nước của bùn đỏ Kth dao động từ 10-7 đến 10-8 thuộc loại thấm ít đến xem như không thấm.

Bảng 9. Kết quả thí nghiệm xác định tính thấm của bùn đỏ

Hệ số thấm của bùn đỏ sau đầm chặt Kth (cm/s)
Kp	0,86	0,96	0,96	0,97	0,98	1,00	0,95	0,90
kT	5,32x10-6	3,55x10-6	5,43x10-7	6,71x10-7	8,38x10-8	9,81x10-8	6,79x10-7	3,23x10-6
k20	4,52x10-6	3,41x10-6	4,80x10-7	6,22x10-7	7,91x10-8	9,66x10-8	6,50x10-7	3,12x10-6

Nguồn: Báo cáo Tổng kết đề tài NC xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai – Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

+ Kết quả thí nghiệm các thông số sức chịu tải CBR (California Bearing Ratio)

Bảng 10. Kết quả thí nghiệm sức chịu tải CRB của bùn đỏ sau đầm nén

Sức chịu tải CBR
Mẫu thí nghiệm không ngâm bão hoà			Mẫu thí nghiệm ngâm bão hoà 96 giờ
K=0,85	K=0,9	K=0,95	K=0,85	K=0,9	K=0,95
6,92	8,71	10,89	4,33	5,96	7,63

Nguồn: Báo cáo Tổng kết đề tài NC xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai – Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

Kết quả xét nghiệm chỉ số CBR của bùn đỏ sau đầm nén cho thấy có thể đạt tiêu chuẩn tương đương vật liệu dùng đắp nền đường ô tô trường hợp không sử dụng mặt đường cao cấp A1:

Khi đầm chặt 0,95 K ≥ 0,9 thì sức chịu tải CBR đều lớn hơn 5 hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu làm nền đường ô tô cấp phối.

Khi đầm chặt K≥ 0,95 thì sức chịu tải CBR đều lớn hơn 6 hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu làm nền đường ô tô cấp III, cấp IV có sử dụng mặt đường là cao cấp A1.

Đánh giá chung về tính lọc và tính chất cơ học của bùn đỏ

+ Bùn đỏ nhà máy alumin Lâm đồng có độ mịn rất cao, rất khó lọc, pH 11-12;

+ Công nghệ lọc bùn đỏ phù hợp là lọc ép khung bản, độ ẩm bánh lọc nhỏ nhất khoảng 28%;

+ Áp bơm và ép > 7at, nồng độ pha rắn trong bùn đầu không nhỏ hơn 400 g/l;

+ Dung dịch thu hồi sau lọc ép bùn đỏ có hàm lượng Na2Ok khoảng 3,2 g/l tương đương 6,4g xút tinh thể NaOH và 2,7 g/l Al2O3;

+ Độ đầm chặt Kp đạt giá trị 1 khi độ ẩm bùn đỏ khoảng 20-21%;

+ Khi độ đầm chặt bùn đỏ Kp>0,9 bùn đỏ có tính thấm ít, khi Kp>0,95 xem như không thấm. + Khả năng chịu nén lún của bùn đỏ sau khi đầm chặt Kp >0,95 là rất cao, có thể sử dụng làm vật liệu đắp nền đường nếu xử lí được tính kiềm của vật liệu bùn đỏ.

2.3. Kết quả thử nghiệm thi công đầm nén đắp bùn đỏ trên hiện trường

Từ kết quả nghiên cứu các tính chất cơ học bùn đỏ, đề tài đã triển khi khai công lọc ép hơn 2000 tấn bùn đỏ, đắp thử nghiệm bãi chứa bùn đỏ với kích thước dàixrộngxcao khoảng 25mx25mx 4,5m.

Kết cấu của bãi chứa gồm: Nền đất được đầm nén Kp>0,9; xung quanh đắp đê bằng đất cao 1,5m đầm nén K>0,95; Lớp màng HDPE dày 1,5 mm chống thấm được phủ lên toàn bộ bề mặt bãi chứa và mặt trong của thân đê; Phía dưới màng HDPE được bố trí các ống được đục lỗ bọc vải địa kỹ thuật xung quanh có lớp lọc ngược để theo dõi dịch thấm (nếu có). Phía trên màng HDPE là bùn đỏ lọc ép và hong phơi sau đó lu nèn chặt theo từng lớp độ đầm chặt Kp>0,9; Xung quanh bề mặt đê chắn bãi chứa bùn đỏ có bố trí hệ thống rãnh thu hồi nước mưa rửa trôi; Góc dốc sườn tầng của bãi chứa bùn đỏ là 270; Sau khi đắp xong, toàn bộ bề bề mặt bãi chứa được phủ đất màu và trồng cỏ. Kết cấu bãi chứa thử nghiệm đắp chồng cao bùn đỏ alumin được thể hiện trên các hình ảnh sau:

Hình 10. Mặt bằng và mặt cắt thử nghiệm đắp chồng bùn đỏ khô

Hình 11. Một số hình ảnh thi công thử nghiệm đắp chồng cao bãi chứa bùn đỏ khô

Kết quả thực nghiệm thi công bãi chứa bùn đỏ sau lọc ép và hong phơi đã rút ra một số kinh nghiệm sau:

+ Để đạt được độ đầm nén Kp>0,9 thì độ ẩm của bùn đỏ không vượt quá 27%, độ đầm nén Kp>0,95 thì độ ẩm bùn đỏ không vượt quá 25%.

+ Khi thời tiết khô ráo, nắng nhiều thì chiều dày lớp bùn đỏ khi hong phơi có thể 0,4-0,5m sau khi phơi 2-3 ngày có thể lu nèn đạt Kp >0,9

+ Trường hợp trời không nắng ít mưa, thì chiều dày lớp bùn đỏ có thể 0,3-0,4m sau khi phơi 2-3 ngày có thể lu nèn đạt Kp >0,9. Nếu lớp bùn đỏ 0,2-0,3m sau khi phơi 1-2 ngày có thể lu nèn đạt K>0,9.

+ Trường hợp trời mưa nhỏ, lượng mưa > 6mm/ng.đ thì không lu nèn.

+ Không có hiện tượng sạt lở bờ tầng

+ Kết quả xét nghiệm pH mẫu nước mặt và nước ngầm bãi chứa bùn đỏ

Bảng 11. Kết quả xét nghiệm pH mẫu nước mưa rửa trôi bề mặt bãi thải và nước ngầm

Tên mẫu nước	pH
	Khi chưa hoàn thổ				Sau khi hoàn thổ
	Lượng mưa 28 mm	Lượng mưa 50 mm	Lượng mưa 63 mm	Lượng mưa 75 mm	Lượng mưa 76 mm	Lượng mưa 65 mm
bề mặt	12,1	11,8	11,4	10,8	8,8	8,5
Ngầm	6,9	7,1	7,1	7,2	7,2	7,2

Nguồn: Báo cáo Tổng kết đề tài NC xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai – Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

Kết quả thử nghiệm thi công đắp chồng cao bãi chứa bằng bùn đỏ khô đã khẳng định:

+ Bùn đỏ sau khi lọc ép, hong khô đến độ ẩm thích hợp có thể làm vật liệu đắp nền, đường, đắp chồng thành bãi chứa cao đảm bảo an toàn về độ ổn định.

+ Bùn đỏ có tính kiềm cao nên nước mưa rửa trôi có tính kiềm cao cần phải thu gom tái sử dụng hoặc xử lí về trung tính trước khi xả thải ra môi trường.

+ Khi nền bãi chứa bùn đỏ được gia cố bằng vật liệu chống thấm tốt hoặc HDPE thì nước ngầm dưới bãi thải không bị ảnh hưởng ô nhiễm môi trường.

+ Khi bề mặt bãi thải bùn đỏ khô được hoàn thổ trồng cây thì nước không gây ô nhiễm môi trường.

6. Đề xuất phương án công nghệ khả thi xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

- Công nghệ thải khô bùn đỏ:

Công nghệ xử lí bùn đỏ bằng phương pháp thải khô được đề xuất bao gồm: Khâu lọc ép bùn đỏ thu hồi xút; Khâu vận chuyển lên bãi chứa; Khâu san gạt, hong phơi, lun nèn.

Qui trình công nghệ được mô tả như sau: Bùn đỏ từ nhà máy được được bơm vào các máy lọc ép với áp lực 7at, sau đó được nén ép bằng khí nén hoặc nước với áp lực 7at để ép thu hồi xút. Bánh bùn đỏ sau lọc được băng tải đưa về hố chứa sau đó xả xuống ô tô vận chuyển ra bãi hoặc đưa về kho chứa nếu có mưa. Tại bãi chứa bùn đỏ được san gạt đến độ dày 0,3-1m tùy theo điều kiện thời tiết để hong phơi khô đến độ ẩm 25÷27% thì lu nèn chặt. Bờ tầng đê che chắn bãi chứa, yêu cầu độ đầm chặt Kp >0,95, phía trong đê có thể đầm chặt đến Kp≥0,9. Chiều cao trung bình mỗi bờ tầng chọn 5m.

-Tổng mặt bằng bãi chứa bùn đỏ khô cho nhà máy alumin Lâm Đồng

Đề tài đã lựa chọn khu vực các khoang chứa số 6; 7; 8 làm bãi chứa bùn đỏ khô cho nhà máy alumin qui mô 650.000 tấn/năm. Mặt bằng lựa chọn có ưu điểm nằm trên khu vực qui hoạch đã phê duyệt hồ chứa bùn đỏ, gần nhà máy alumin thuận tiện cho việc vận chuyển bùn đỏ và xút thu hồi, nền bãi chứa chọn từ mức +835 tương đương đáy hồ chứa bùn đỏ ướt.

Hình 12: Tổng mặt bằng Phương án đề xuất xử lý bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

Chú thích: *Nhà máy alumin Tân rai -Khoang số 1 Đang hoàn thổ -Khoang số 2 Đang cải tạo -Khoang số 3 Đang sử dụng -Khoang số 4 Đang sử dụng *Các hạng mục của PA -Khoang số 5: Dự phòng -Xưởng lọc ép bùn đỏ -Bãi chứa bùn đỏ khô -Hồ môi trường

Hình 13. Mặt cắt dọc điển hình qua khu vực bãi thải bùn đỏ khô

Tính toán, xác định một số thông số cơ bản bãi thải chứa bùn đỏ khô

Tính toán xác định chiều cao bãi chứa bùn đỏ khô :

Theo điều kiện đảm bảo ổn định bờ bãi chứa, chiều cao bãi chứa lớn nhất được xác định theo công thức sau:

,m (1)

Trong đó: wn = 45 + jt/2, độ

Cn - cường độ lực dính kết nền bãi chứa, Cn = 0,20 KG/cm2; jn - góc nội ma sát nền bãi chứa, jn = 230; b - góc nghiêng nền bãi chứa, b = 60; α - góc dốc bãi chứa, α = 170; φt - góc nội ma sát của bùn đỏ khô, φt = 16,50; gbc - khối lượng thể tích bùn đỏ tại bãi chứa, gbc = 2,05 t/m3.

Thay các giá trị trên vào công thức (1) ta được H = 86,4 m. Như bùn đỏ nhà máy alumin Lâm Đồng sau khi phơi khô đến độ ẩm thích hợp, thì có thể đắp cao tối đa là 86,4m.

b) Tính toán xác định chiều cao bờ tầng bãi chứa:

Chiều cao bờ tầng bãi chứa hợp lý được xác định trên cơ sở tổng chi phí vận tải và gạt là nhỏ nhất. Kết quả tính toán chi phí đổ thải cho thấy, chiều cao tầng thải H = 5 m cho chi phí thấp nhất.

c)Xác định góc dốc sườn tầng bãi chứa

Góc nghiêng sườn các tầng của bãi chứa bùn đỏ khô được xác định theo công thức:

, độ (2)

Trong đó: a- góc nghiêng sườn tầng, độ; jtt- góc nội ma sát tính toán j = 16,50; K- hệ số an toàn, K = 1,1; Ctt- lực dính kết bùn đỏ, C = 3,65 T/m2; g- khối lượng thể tích bùn đỏ khô, g = 2,04 T/m3; hb- chiều cao tầng bùn, hb = 5,0 m. Thay số liệu vào công thức (2) ta được a = 270. Như vậy đề tài dự tính góc nghiêng của sườn tầng của bãi chứa bùn đỏ là 270.

Tính toán khối lượng bùn đỏ khô thực tế có thể đắp chồng tại bãi chứa với chiều cao 25m tính từ mặt bằng Nhà máy alumin (+850) là 18.633.026 tấn

d) Tính toán ổn định, ứng suất biến dạng bờ tầng bãi chứa bùn đỏ khô

Đề tài đã sử dụng bộ phần mềm mềm GeoStudio của Công ty phần mềm GeoStudio-Canada để giải quyết các bài toán ổn định, ứng suất, biến dạng của đập đất, kiểm toán lại toàn bộ độ ổn định của các bờ tầng công tác bãi chứa bùn đỏ khô. Một số mặt cắt bờ tầng bãi thải điển hình như sau:

Hình 14: Kết quả tính ổn định tại cao trình 875(trái)

Hình 15: Kết quả tính ổn định tại cao trình 875(phải)

Kết quả tính toán ổn định các bờ tầng cả khi có xe lu 29T cho các giá trị hệ số ổn định nhỏ nhất Kminmin ứng với các trường hợp tính toán, xem các hình vẽ, trong đó cung trượt có hệ số Kminmin được thể hiện trên các hình vẽ tương ứng.

Bảng 12. Kết quả tính toán độ ổn định bờ tầng bãi thải bùn đỏ khô

Mái tính ổn định		Hệ số ổn định tính toán Kminmin	Hệ số ổng định cho phép [K]
+875	Bên trái	1,306	1,3
	Bên phải	1,359

Nguồn: Báo cáo Tổng kết đề tài NC xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai – Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

Kết quả cho thấy hệ số ổn định mái bờ tầng đảm bảo theo yêu cầu TCVN 8216-2009, K>[K].

Như vậy, với công suất nhà máy alumin 650.000 tấn/năm, tổng chiều cao bãi thải so mặt bằng Nhà máy alumin là 25m thì tại khu vực khoang số 6; 7; 8 có thể xây dựng bãi chứa bùn đỏ khô, hoàn toàn có thể đáp ứng nhu cầu thời gian tồn tại của nhà máy alumin đến năm 2050.

Các giải pháp bảo vệ môi trường bãi thải bùn đỏ khô

Bề mặt nền, mặt thành trong của thung lũng và sườn phía trong của thân đê cơ sở bao quanh bãi chứa phải được lu nèn chặt và chống thấm đảm bảo an toàn ổn định và môi trường. Giữa bãi chứa xây dựng các giếng thu nước mưa rửa trôi và đường ống dẫn nước mưa nhiễm xút về hồ môi trường để tận thu nước mưa kèm xút. Trong trường hợp lượng nước mưa nhiễm xút vượt quá Qui chuẩn và có nhu cầu xả thải thì phải xử lí về trung tính trước khi xả thải. Xung quanh bãi thải bùn đỏ được trồng cây che chắn tạo bóng mát và tạo cảnh quan môi trường. Các sườn tầng bãi thải được phủ lớp đất màu dày 0,3 m để trồng cỏ chống rửa trôi và giảm thiểu ô nhiễm. Khi đóng bãi thải bùn đỏ khô cần tiến hành phủ lớp đất màu trên bề mặt dày 0,5m sau trồng cây để giữa ẩm cho đất và chống rửa trôi bề mặt. Xử lí chống bụi bằng phương pháp phun sương hoặc tưới nước cục bộ cho đường ô tô trong quá trình vận chuyển bùn đỏ lên bãi chứa.

- Tính toán hiệu quả kinh tế của phương án đầu tư xử lí bùn đỏ Nhà máy alumin Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

Đề tài đã tính toán Phương án đề xuất thải khô bùn đỏ và so sánh với Phương án thải ướt bùn đỏ cho Nhà máy alumin Lâm đồng với công suất 650.000 tấn/năm, thời gian vận hành dự kiến khoảng 30 năm (2020-2050):

Bảng 13. Một số chỉ tiêu KTKT của PA thải khô và thải ướt bùn đỏ n/m alumin Tân Rai Lâm đồng

STT	Nội dung	ĐVT	PA thải khô	PA thải ướt	Chênh lệch
1	Chi phí đầu tư	tr.đ	420.149	4.694.062	-4.273.914
	Chi phí xây dựng	"	280.060	4.302.971	-4.022.911
	Chi phí thiết bị	"	94.966		94.966
	Chi phí đền bù	"	37.244	197.530	-160.286
	Chi phí hoàn thổ	"	7.879	193.562	-185.683
2	Chi phí vận hành	tr.đ	900.011	95.714	804.298
	Chi phí vận hành đơn vị	đồng/ tấn bùn đỏ	47.141	5.172	41.970
3	Tổng chi phí (ĐT+ VH)	tr.đ	1.320.160	4.789.776	-3.469.616
4	Tổng chi phí quy đổi	tr.đ	618.431	2.816.067	-2.197.635

Nguồn: Báo cáo Tổng kết đề tài NC xử lí bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai – Lâm Đồng bằng phương pháp thải khô

Qua so sánh Phương án xử lí bùn đỏ bằng phương pháp thải khô với phương pháp thải ướt cho Dự án nhà máy sản xuất alumin Tân Rai Lâm Đồng trong thời gian khoảng 30 năm (2020-2050) năm) cho thấy:

Về kĩ thuật – môi trường: Phương án thải khô có ưu điểm thu hồi xút lớn hơn và an toàn hơn

Về kinh tế: Tổng chi phí đầu tư và chi phí qui đổi của Phương án thải khô là thấp hơn nhiều so phương án thải ướt, chi phí vận hành của phương án thải khô cao hơn so thải ướt, tuy nhiên xét về tổng thể cả đời Dự án thì phương án thải khô hiệu quả hơn do Tổng chi phí đầu tư vận hành qui đổi thấp hơn nhiều.

Về xã hội: Phương án thải khô sử dụng đất đai làm bãi chứa bùn đỏ ít hơn rất nhiều so thải ướt nên quá trình đền bù giải phóng mặt bằng sẽ ít hơn và thuận tiện hơn.

Kết luận: Xử lí bùn đỏ alumin bằng công nghệ thải khô là phương pháp hiện đại có nhiều ưu điểm tiết kiệm tài nguyên đất, tận thu tối đa vật liệu xút để tái sử dụng và an toàn về môi trường. Hiện nay trên thế giới các nhà máy mới xây dựng và cải tạo đều ứng dụng công nghệ thải khô. Các kết quả nghiên cứu, thử nghiệm của đề tài đã chứng minh thực nghiệm bằng công nghệ thải khô bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai – Lâm Đồng có thể đắp chồng cao an toàn, tiết kiệm tài nguyên đất, tận thu nguyên vật liệu xút, giảm thiểu rủi ro về môi trường, giảm chi phí đầu tư và nâng cao hơn hiệu quả sản xuất alumin.

Kiến nghị: Đề nghị các cơ quan quản lí Nhà nước, TKV cho phép triển khai lập Báo cáo khả thi Dự án đầu tư công nghệ xử lí bùn đỏ bằng phương pháp thải khô cho Nhà máy alumin Tân Rai lâm Đồng và Nhân Cơ - Đắk Nông nhằm tiết kiệm tài nguyên đất, an toàn môi trường, tận thu xút, giảm chi phí đầu tư, giảm giá thành sản xuất alumin và làm các cơ sở cho triển khai các bước tiếp theo.

ThS. Hoàng Minh Hùng; TS. Lê Bình Dương; TS. Đoàn Văn Thanh; KS. Nguyễn quang Hà; ThS. Đỗ kiên Cường; KS. Tôn Thu Hương - Viện KHCN mỏ - Vinacomin

KS Nguyễn Quang Thuyết và những người khác - Công ty Nhôm Lâm Đồng

(Tài liệu hội thảo “Bảo vệ môi trường trong khai thác, chế biến, sử dụng than, khoáng sản và dầu khí”)