Một số nghiên cứu trao đổi về thải và lưu giữ bùn đỏ trên thế giới

Mở đầu

Bùn đỏ là chất thải phát sinh ra từ các nhà máy sản xuất alumin, hiện tại trên thế giới tỷ lệ xử lý tái sử dụng đối với bùn đỏ còn thấp khoảng 5%, phần lớn lượng bùn đỏ thải ra đã và đang được đổ thải và lưu giữ bằng các phương pháp khác nhau. Vậy, phương pháp thải, lưu giữ thế nào để đảm bảo tính an toàn, môi trường và kinh tế là một vấn đề lớn và có nhiều tác động tới hoạt động sản xuất của các nhà máy, của cộng đồng dân cư và môi trường tự nhiên xung quanh. Nghiên cứu, tìm hiểu về các phương pháp thải và lưu giữ bùn đỏ trên thế giới, qua đó đúc rút kinh nghiệm khoa học và thực tiễn để vận dụng phù hợp cho điều kiện của ngành công nghiệp nhôm còn mới mẻ ở Việt Nam là rất cần thiết.

1. Các phương pháp đổ thải và lưu giữ bùn đỏ trên thế giới

Các phương pháp đổ thải và lưu giữ bùn đỏ gồm các dạng sau:

1.1 Đổ thải xuống biển (Seawater Discharge)

Là phương pháp đổ thải trực tiếp bùn đỏ xuống biển, thường là bùn đỏ được dẫn đường ống ra xa bờ và đổ vào bùn biển sâu. Ưu điểm của phương pháp này là giảm được áp lực về nhu cầu sử dụng đất, không cần tiến hành cải tạo đóng cửa bãi thải, giảm các tác động tới môi trường so với đổ thải trên đất liền như ô nhiễm bụi, ô nhiễm nước mặt và nước ngầm, các kim loại độc hại rỉ ra từ bãi thải. Tuy nhiên, phương pháp này lại có nhược điểm đó là làm vùng biển bị bao phủ bởi màu đỏ, tăng độ đục của nước biển dẫn tới phá hoại hệ sinh thái, tiềm ẩn phát tán các kim loại độc hại vào môi trường biển, tác động lâu dài tới hệ sinh thái nói chung và chuỗi thức ăn nói riêng, mất đi một lượng kiềm và alumin có giá trị đi theo bùn và dịch thải, gia tăng sức ép cộng đồng và thực tiễn là phương pháp này tiến tới phải ngừng áp dụng.

1.2. Đổ thải vào vùng trũng (Lagooing)

Bùn đỏ từ nhà máy được bơm vào các vùng trũng, các vùng trũng có thể là tự nhiên hoặc các thung lũng có đập chắn đảm bảo vững chắc cho lưu giữ bùn thải. Việc áp dụng phương pháp thường tận dụng vùng có địa hình tự nhiên hoặc các lòng moong do khai thác mỏ hoặc đất tạo thành. Khi tiến hành phương pháp này cần lớp lót xung quanh và đáy để hạn chế tối đa việc thấm dịch rỉ ra từ bãi thải vào nước ngầm. Lớp lót đơn giản nhất là dùng một lớp đất sét lấy từ đất đá thải trong quá trình khai thác mỏ hoặc trong khu vực, tuy nhiên với một lớp này thông thường không đảm bảo. Để nâng cao khả năng chống thấm có thể dùng kết hợp với các loại màng nhựa chống thấm, vải địa kỹ thuật.

Ưu điểm của giải pháp này là giảm chi phí sử dụng đất nếu tận dụng được địa hình phù hợp, không yêu cầu phải cô đặc hoặc lọc bùn đỏ trước khi đổ, hạn chế được ô nhiễm nhờ có lớp chống thấm. Tuy nhiên phương pháp này cần có diện tích lớn để lưu chứa, cần có kế hoạch và vốn để đáp ứng yêu cầu đóng cửa phục hồi bãi thải, mất đi một lượng kiềm và alumin có giá trị đi theo bùn và dịch thải. Mặt khác nếu không được trung hòa, sẽ tạo nên một dạng hồ có độ kiềm cao, đòi hỏi cao về đáp ứng an toàn môi trường đối với con người, động vật hoang dã, dịch kiềm và chất độc hại cao rỉ ra đối với môi trường nước mặt và nước ngầm, chi phí xây dựng và duy trì cao, khó khăn trong cải tạo đóng cửa bãi thải.

1.3. Đổ thải khô trải nhiều lớp (Dry Stacking)

Bùn đỏ sau quá trình rửa được cô đặc thành dạng hỗn hợp có hàm lượng chất rắn từ 48÷55% mới tiến hành đổ thải. Hỗn hợp bùn được vận chuyển tới bãi thải bằng đường ống và được trải thành lớp trên diện tích của bãi thải để khử nước bằng tháo khô và bay hơi dưới ánh nắng mặt trời, phương pháp này làm cho bùn đỏ khô, hàm lượng chất rắn đạt tới 62÷65%. Ngoài ra một một thiết kế tiên tiến còn bao gồm lớp tháo nước ở phía dưới dáy nhằm tăng tính ổn định cho bãi thải. Người ta áp dụng phương pháp thải khô nhiều lớp đối với những nơi thiếu diện tích đất, sử dụng đất hạn chế và đắt; đất phẳng, đất thẩm thấu nhiều; nơi có yêu cầu cao đối với bảo vệ môi trường; địa điểm bãi thải nằm cạnh nhà máy alumin. Tính ưu việt của phương pháp thải khô nhiều lớp này là: An toàn, giảm được nguy hại cho người và động vật hoang dã; thải khô nhiều lớp cho phép tăng chiều cao của bãi thải điều mà bãi thải ướt thông thường không thực hiện được xét về góc độ kinh tế, như thế sử dụng diện tích bãi thải cũng ít hơn. Nhược điểm của phương pháp này là có thể khó khăn ở những khu vực có lượng mưa nhiều, khả năng bốc hơi kém; chi phí trong quá trình đổ thải tốn kém hơn vì bùn trước khi thải phải được cô đặc ở mức độ nhất định, quá trình thải phải thực hiện theo các quy trình nghiêm ngặt và có thể phải tiến hành cả việc dùng máy bừa để đảo lớp bùn cho mau khô.

1.4. Phương pháp thải khô (Dry Disposal)

Bùn đỏ sau quá trình rửa được lọc khô thành dạng bánh (có hàm lượng chất rắn >65%). Bùn đỏ khô được vận chuyển đổ ra bãi thải bằng ô tô hoặc bằng băng tải chuyên dùng. Phương pháp đổ thải khô có ưu điểm là: giảm thiểu được diện tích bãi thải, phù hợp với mọi địa hình; không cần đập lớn và chỉ yêu cầu bờ bao nhỏ; không có nguy cơ thảm họa khi có địa chấn vì chỉ có bùn đỏ đồng nhất được lưu giữ, bùn đỏ này có sức kháng cao đối với hóa lỏng khi tiếp xúc với nước và dung dịch; nguy cơ rò rỉ chất ô nhiễm từ bùn đỏ thấp; thân thiện với môi trường và cải tạo bãi thải nhanh, dễ dàng. Nhược điểm của phương pháp này là đầu tư thiết bị cao và chi phí vận hành tốn cho khâu lọc khô bùn đỏ trước khi đổ thải.

1.5. Lịch sử phát triển của các phương pháp đổ bùn đỏ

Thông qua nghiên cứu phương pháp đổ thải từ 1965÷2007 của 17 nhà máy alumin (chiếm 44% trên tổng số 76 triệu tấn sản phẩm alumin toàn cầu năm 2007) cho thấy tỷ lệ áp dụng các phương pháp đổ thải được thể hiện trên hình sau:

Thông qua hình 1 cho thấy xu hướng phát triển từ phương pháp thải bùn đỏ xuống biển tới thải vào vùng trũng rồi tới trải khô nhiều lớp. Năm 1965 có 1 nhà máy đổ thải bùn đỏ xuống biển, 2 nhà máy đổ thải vào vùng trũng. Phương pháp thải khô nhiều lớp được phát triển vào những năm 1970. Tỉ lệ các nhà máy sử dụng phương pháp trải khô nhiều lớp tăng lên và được xem là hướng ưu tiên đối với các nhà máy xây dựng mới, trong đó có một nhà máy chuyển đổi từ phương pháp trải khô nhiều lớp sang đổ thải khô. Số nhà máy áp dụng phương pháp trải khô nhiều lớp từ 44% (năm 1985) tăng lên tới 70% (năm 2007).

Hình 1. Lịch sử phát triển của các phương pháp đổ thải bùn đỏ

Bảng 1. Dữ liệu về thực hành đổ thải của 17 nhà máy nghiên cứu giai đoạn từ năm 1965-2007

Hiện nay, phương pháp trải khô nhiều lớp được thừa nhận là phương pháp có tính ưu việt về kinh tế và môi trường: Giảm diện tích đổ thải; tiềm ẩn thấp nhất rò rỉ dịch thấm từ bãi thải ra môi trường và tận thu được dịch kiềm để tuần hoàn là lớn nhất.

2. Nghiên cứu một số bãi thải bùn đỏ điển hình

2.1. Bãi thải bùn đỏ nhà máy Aughinish (Ai-xơ-len)

Nhà máy alumin Aughinsh nằm ở mìn Tây – Nam của Ai-xơ-len, có sản lượng Alumin khoảng 1,5 triệu tấn/năm và lượng bùn đỏ thải ra khoảng trên 1,05 triệu tấn/năm. Năm 2015, World-aluminium.org chọn bãi thải bùn đỏ Aughinsh là bãi thải bùn đỏ có thiết kế và thực hành tiên tiến của thế giới theo phương pháp thải khô trải nhiều lớp (Dry stacking). Quy hoạch của bãi thải này như hình sau:

Hình 2. Quy hoạch bãi thải bùn đỏ Aughinsh

Các hạng mục chính của bãi thải gồm khu chứa bùn, hệ thống mương thu gom nước rỉ và chảy tràn từ bãi thải, hồ chứa nước mưa và nước rỉ ra từ bãi thải. Cấu trúc của bãi thải này thể hiện như hình 3.

Hình 3. Cấu trúc của bãi thải bùn đỏ Aughinish

Bãi thải lúc đầu có diện tích 71,5 ha, sau đó tăng lên 103,5 ha và có tổng sức chứa 13,1 triệu m³, sẽ được đổ đầy vào năm 2010, thể tích đạt được theo như thiết kế. Đáy của bãi thải được chống thấm bằng lớp màng chất dẻo. Bùn được chứa trong các các đập đá lọc có chiều cao 2 m, tính tới năm 2010, khi kết thúc bãi thải được xây dựng 7 cấp đập và có tổng chiều cao lớp bùn là 26 m so với mực nước ngầm. Nước thoát bề mặt bãi thải từ bãi thải bùn đỏ được thấm qua các đập lọc và chảy vào mương xung quanh bãi thải và chảy vào hồ chứa nước mưa và nước thấm. Nước từ hồ này được bơm quay trở lại để phục vụ nước rửa bùn đỏ của nhà máy. Hình 4, thể hiện bãi thải Aughinish trong quá trình đổ thải.

Hình 4. Bải thải bùn đỏ Aughinish trong quá trình đổ thải

2.2. Bãi thải bùn đỏ nhà máy Alumin Bình Quả - Quảng Tây (Trung Quốc)

Nhà máy Alumin Bình Quả thuộc huyện Bình Quả, tỉnh Quảng Tây, Trung Quốc, mỗi năm nhà máy đổ thải khoảng 1,7 triệu tấn bùn với độ ẩm 72%, là một trong các bãi thải bùn đỏ thực hành đổ thải tốt nhất Trung Quốc. Bãi thải bùn đỏ này được bắt đầu tiến hành đổ thải từ năm 1995, diện tích của bãi thải là 45 ha, được phân thành 5 khu đổ thải (hình 5), các khu luân phiên hoạt động (cấp bùn, phơi bùn, đắp đập), bãi thải bùn được thiết kế đổ thải theo nhiều cấp (hình 6). Đập cơ sở có chiều cao 8÷10m, đập bồi tích mỗi cấp có chiều cao 6 m và được đắp bằng chính bùn đỏ. Tính tới năm 2008, phân khu số 1, 2, 3 đã đổ tới cấp đập bồi tích thứ 2 (tổng chiều cao lớp bùn lớn nhất là 20m), phân khu số 4, 5 đã đổ tới cấp đập bồi tích thứ nhất. Phân khu 1, 2, 3 của bãi chứa bùn đỏ sử dụng đất sét để chống thấm toàn bồ đáy và mặt trong của đập cơ sở. Phân khu 4, 5 của bãi chứa bùn đỏ sử dụng bùn đỏ khô và màng chống thấm để làm tầng chống thấm hỗn hợp. Trên bề mặt tầng chống thấm có phủ một tầng thoát nước đá dăm phối cấp, một phần dung dịch kèm theo bùn đỏ sẽ bốc hơi tự nhiên, còn một phần khác đi thấm qua bãi thải được thu vào hệ thống thu nước dưới đáy bãi chứa rồi đưa vào bể thu hồi nước. Nước từ đây được bơm tuần hoàn trở lại phục vụ sản xuất của nhà máy. Khi có mưa lớn, nếu như nước mưa không kịp chảy qua tầng thoát nước dưới đáy sẽ chảy vào ống thép thoát nước trung tâm (ống này nâng chiều cao theo chiều cao tăng dần của bãi thải), phần đáy ống thép nối trực tiếp với cửa thoát nước của ống thép bọc sợi để dẫn về bể thu hồi nước và nhanh chóng xả ra khu bể chứa, đảm bảo bên trong bãi chứa không tích một lượng nước lớn đảm bảo bãi chứa được an toàn. Theo thiết kế, quy hoạch sử dụng đến đập con cấp 8 đến cấp 9 thì sẽ đóng bãi chứa, tổng dung tích chứa bùn đỏ dự kiến là 12.000.000m³.

Hình 5. Phân khu bãi chứa bùn đỏ Bình Quả

Hình 6. Mặt cắt bãi chứa bùn đỏ Bình Quả

Bên cạnh đó, sau hơn 40 năm hình thành và phát triển công nghiệp nhôm, năm 2014 Trung Quốc đã ban hành tiêu chuẩn GB 50986-2014 Tiêu chuẩn thiết kế bãi thải bùn đỏ khô, có hiệu lực thi hành bắt đầu năm 2015 (và hiện là nước duy nhất có Tiêu chuẩn chuyên ngành cho bãi thải bùn đỏ). Trong đó, có đề cập đến việc có thể thiết kế bãi thải bùn đỏ theo nhiều cấp đập, đập cơ sở có chiều cao không nhỏ hơn 5m, đập bồi tích mỗi cấp có chiều cao từ 4÷6m. Với việc thiết kế và đổ thải tại Trung Quốc hiện nay rất chú trọng đến vấn đề vừa đảm bảo an toàn nhưng có hiệu quả về kinh tế. Qua nghiên cứu tiêu chuẩn GB 50986-2014 và bãi thải Bình Quả cho nhiều điểm giống và tương đồng. Phương pháp đổ thải của bãi thải bùn đỏ Bình Quả và các nét chính của tiêu chuẩn GB 50986-2014 được xem như phương phương pháp đổ thải khô trải nhiều lớp theo kiểu Trung Quốc.

Hình 7. Bãi thải bùn đỏ Bình Quả chụp từ Google Maps (2016)

2.3. Bãi thải bùn đỏ nhà máy Alumin Tân Rai (Việt Nam)

Nhà máy Alumin Tân Rai thuộc địa phận thị trấn Lộc Thắng, huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng, nhà máy hoạt động với công suất 650.000 tấn alumin/năm. Theo tính toán, để sản xuất 1 tấn alumin từ nguồn bô xít Tân Rai sẽ thải ra khoảng 1,05 tấn bùn đỏ khô và khoảng 1,20 tấn dung dịch kèm theo bùn đỏ. Như vây, mỗi năm nhà máy thải ra khoảng 660.000 tấn bùn đỏ khô và khoảng 760.000 tấn dung dịch đi kèm. Theo thiết kế, hàm lượng chất thải rắn của bùn đỏ tại nhá máy khoảng 682g/L. Tuy nhiên, thực tế hiện nay chỉ đạt được 530g/L. Tính đến cuối năm 2015, lượng bùn đỏ thải ra vào khoảng 989.537m³. Lượng bùn đỏ thải ra tính trên một đơn vị sản phẩm Al₂O₃ là 1,017 tấn bùn đỏ/1 tấn alumin.

Bùn đỏ thải ra ngoài được đưa về hồ chứa để lưu giữ toàn bộ bùn đỏ của nhà máy trong khoảng 35 năm. Hệ thống hồ chứa được thiết kế với hai hồ chính: Hồ bùn số 1 dung tích khoảng 8,3 triệu m³ sử dụng cho 15 năm đầu; hồ bùn số 2 dung tích khoảng 11,4 triệu m³ sử dụng cho 20 năm cuối của nhà máy). Giai đoạn đầu, hồ bùn số 1 được chia thành 8 lô, mỗi lô diện tích khoảng 16ha, được ngăn bởi đập xây bằng đất sét. Mái dốc phía trong của các đập, đáy hồ và mặt dốc phía trong của thành hồ được chống thấm để ngăn sự rò rỉ dung dịch bùn đỏ ra môi trường xung quanh.

Nguyên tắc thải bùn đỏ: Lô số 1 và số 2 của hồ bùn số 1 được sử dụng đồng thời: Lô 1 chủ yếu chứa bùn đỏ, lô số 2 có nhiệm vụ chính là điều chỉnh lưu lượng nước cho lô số 1 và giữ an toàn cho lô số 1. Khi lô số 1 đầy thì đưa bùn sang lô số 2 và đưa ô số 3 vào sử dụng với trình tự tương tự như trên. Hiện nay, lô số 1 đã đổ đầy và đang đổ thải vào lô số 2. Theo thiết kế, việc đổ thải vào các lô chỉ tiến hành với một cấp đổ thải với chiều cao lớp bùn khoảng 8÷10 m. Thông qua thiết kế và vận hành của bãi thải bùn đỏ nhà máy Alumin Tân Rai cho thấy tương đồng với phương pháp đổ thải vào bùn đỏ vào vùng trũng Lagooing.

Hình 8. Bãi thải bùn đỏ nhà máy Alumin – Tân Rai

3. Một số nhận xét, trao đổi

Thông qua nghiên cứu các phương pháp đổ thải bùn đỏ trên thế giới, lịch sử phát triển và các nghiên cứu cụ thể, có một số ý kiến trao đổi như sau:

- Việc áp dụng phương pháp đổ thải cho các nhà máy Alumin cần được xem xét trên nhiều phương diện về điều kiện khí hậu, địa hình, yêu cầu về bảo vệ môi trường của từng khu vực. Tuy nhiên, phương pháp thải khô trải nhiều lớp được xem là hướng ưu tiên đối với các nhà máy xây dựng mới, nó là phương pháp phát huy được tổng hợp các mặt: an toàn, kinh tế và môi trường. Đi kèm với việc phải thực hiện cô đặc bùn trước khi thải, trải bùn đỏ nhiều lớp thì xu hướng nâng chiều cao tối đa lớp bùn đổ thải mới có tính kinh tế. Thực tiễn đã cho thấy 2m mỗi cấp và đã xây dựng 7 cấp ở bãi thải Aughinish (Ai-xơ-len); 4÷6m mỗi cấp và đã xây dựng 3 cấp đập ở kiểu bãi thải Bình Quả (Trung Quốc). Vật liệu đắp đập thứ cấp có sự khác biệt như đối với bãi thải kiểu Aughinish (Ai-xơ-len) là đập đất đá có thể lọc nước thấm, còn đối với kiểu bãi thải thải Bình Quả (Trung Quốc) là đập chính bằng bùn thải khô. Điều này cũng sẽ phần nào ảnh hưởng tới chi phí xây dựng bãi thải.

- Đa phần các bãi thải đều có lớp chống thấm, tuy nhiên mỗi quốc gia có những yêu cầu khác nhau. Để nâng cao khả năng chống thấm có thể dùng kết hợp lớp chống thấm bằng đất sét với các loại màng nhựa chống thấm, vải địa kỹ thuật.

- Việc làm khô bùn thải, thoát nước mưa chảy tràn và rỉ thấm có các dạng chính: 1-Kết hợp tự bốc hơi và thu nước tràn trung tâm và đáy. 2- Kết hợp tự bốc hơi và thu nước tràn bề mặt bằng các đập lọc xung quanh bãi thải và đáy bãi thải . Ngoài tác dụng là thu hồi nước để tuần hoàn cho nhà máy việc có thêm lớp thu nước dưới đáy các bãi thải bùn đỏ là hết sức cần thiết để tăng tính ổn định cho bãi thải.

- Khi đổ thải theo phương pháp khô trải nhiều lớp có thể có thể nâng cao hiệu suất sử dụng đất, tăng ít nhất là từ 30÷40% so với phương pháp thải vào vùng trũng (thải ướt), đồng thời giảm thấp được rủi ro rò thấm và vỡ đập.

Kết luận

Việc có nhiều thông tin, kiến thức về bùn đỏ và các kinh nghiệm đúc rút từ các nước trên thế giới về bùn đỏ nói chung, thải và lưu giữ bùn đỏ nói riêng là rất quan trọng. Thông qua đó các thông tin, kiến thức, kinh nghiệm qúy báu của thế giới cần được tuyên truyền, tiếp tục nghiên cứu ứng dụng, cải tiến phù hợp với điều kiện của Việt Nam, để từ đó nhận thức về bùn đỏ của cộng đồng, nhà quản lý, nhà kỹ thuật có những thay đổi căn bản. Thiết kế và vận hành bãi thải bùn đỏ quá an toàn thì không kinh tế, nhưng nếu chú trọng quá về kinh tế thì vấn đề an toàn có thể bị đe dọa, do đó không ngừng nghiên cứu, tìm kiếm các giải pháp tiếp cận hài hòa các yếu tố an toàn - kinh tế-môi trường phải luôn được quan tâm, chú trọng từ đó góp phần tăng tính cạnh tranh, hiệu quả cho các nhà máy Alumin của Việt Nam.

TS. Bùi Thanh Hoàng, ThS. Nguyễn Tiến Dũng - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vincomin

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