Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội Khoa Môi trường Môn Kiểm soát sự cố và rủi ro chất thải quặng đuôi trong khai thác mỏ lộ thiênBÀI TẬP LỚN QUẢN LÝ BÙN ĐỎ TRONG KHAI THÁC BAUXITE Giáo viên hư
Trang 1Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội Khoa Môi trường Môn Kiểm soát sự cố và rủi ro chất thải quặng đuôi trong khai thác mỏ lộ thiên
BÀI TẬP LỚN
QUẢN LÝ BÙN ĐỎ TRONG KHAI THÁC BAUXITE
Giáo viên hướng dẫn:
Đào Trung Thành
Nhóm sinh viên thực hiện:
Vũ Mạnh ĐạtPhạm Trung KiênBùi Minh Tùng
Lê Văn VượngLorxoua Vue
Trang 2MỤC LỤC
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ BAUXITE VÀ BÙN ĐỎ 4
1.1Nguồn gốc hình thành của bauxite và bùn đỏ bauxite 4
1.2Thành phần và đặc tính của bauxite 5
1.3Thành phần và đặc tính của bùn đỏ bauxite 6
1.4Tác động của việc khai thác bauxite 6
1.5Bùn đỏ ở Việt Nam 8
CHƯƠNG 2:MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN ĐỎ 10
2.1Phương pháp chôn lấp 10
2.2Phát triển hệ thực vật đệm trước khi chuyển đất thành đất trồng trọt 13
2.3Trung hòa độc tính của bùn đỏ 13
2.4Lọc bỏ và thay thế các độc chất trong bùn đỏ 14
CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỒ CHỨA BÙN ĐỎ 16
3.1Tính toán thông số cơ bản 16
3.2Thiết kế hồ chứa bùn đỏ 16
CHƯƠNG 4:KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 20
Trang 3DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của bauxite theo khối lượng 5
Bảng 1.2: So sánh các dạng của bauxite 6
Bảng 1.3: Thành phần hóa học của bùn đỏ theo khối lượng 6
Bảng 1.4: Thành phần hóa học của bùn đỏ ở Việt Nam theo khối lượng 6
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Bùn đỏ ở Tây Nguyên 8
Hình 3.2: Mặt cắt đập quây hồ chứa 17
Hình 3.3: Mặt cắt mái đập thượng lưu và nền hồ chứa 17
Hình 3.4: Các lớp nền hồ chứa 18
Hình 3.5: Mặt cắt mái đập hạ lưu và hệ thống tiêu thoát nước 19
Trang 4CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BAUXITE VÀ BÙN ĐỎ
1.1 Nguồn gốc hình thành của bauxite và bùn đỏ bauxite
Bauxite là một loại quặng nhôm có màu hồng, nâu được hình thành từ quá trình phong hóa các đá giàu nhôm hoặc tích tụ từ các quặng có trước bởi quá trình xói mòn Quặng bauxite phân bố chủ yếu trong vành đai xung quanh xích đạo đặc biệt trong môi trường nhiệt đới Tên gọi của loại quặng nhôm này được đặt theo tên gọi của làng Les Baux-de-Provence ở miền nam nước Pháp, tại đây nó được nhà địa chất học là Pierre Berthier phát hiện ra lần đầu tiên năm 1821 Từ bauxite có thể tách ra alumina (Al2O3), nguyên liệu chính để luyện nhôm trong các lò điện phân Khoảng 95% lượng bauxite được khai thác trên thế giới đều được dùng để luyện thành nhôm
Bauxite được hình thành trên các loại đá có hàm lượng sắt thấp hoặc sắt bị rửa trôi trong quá trình phong hóa Quá trình hình thành trải qua các giai đoạn:
- Phong hóa và nước thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra oxit nhôm và sắt
- Làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi của nước ngầm
- Xói mòn và tái tích tụ bauxite
Bùn thải bauxite (bùn đỏ) là loại quặng đuôi được sinh ra quá trình sơ chế quặng và tinh chế alumina trong tiến trình Bayer, chứa 30% chất thải quặng và 70% là nước Loại bùn này được ví như bom bẩn, có nguy cơ đe dọa đến cuộc sống con người
Trong quá trình tuyển quặng, quặng bauxite sau khi khai thác được đưa đến nhà máy sơ chế để loại bỏ các thành phần như: sét, silicat và các chất khác được hình thành trong quá trình tạo quặng Đầu tiên, quặng được nghiền nhỏ để đưa đến sàng rửa Tại đây, các hạt quặng được rửa sạch đất, thu hồi các hạt quặng có kích thước lớn hơn đường kính lưới sàng, các hạt quặng nhỏ lọt qua lưới sàng và chất cặn được đưa đến máy ly tâm để thu hồi các hạt bauxite cỡ lớn hơn 1mm Cuối cùng, sét và các chất hòa tan khác hay còn gọi là bùn đỏ được dẫn đến hồ lắng để xử lý
Quặng sau khi sơ chế được đưa đến các nhà máy tinh chế quặng Tại đây, quặng thô được xử lý theo quy trình Bayer để tạo thành alumina Quy trình Bayer gồm có 4 bước: hòa trộn, tách bùn, kết tủa, sấy khô
Trang 5- Hòa trộn: Trong bước đầu tiên, quặng bauxite thô được hòa trộn với soda (NaOH), và bơm vào bồn áp lực lớn Tại đây, quặng này là phải chịu tác động của nhiệt hơi nước (150 –200oC) và áp lực, NaOH sẽ phản ứng với các khoáng chất nhôm của bauxite tạo thành hợp chất bão hòa natri aluminate và tạp chất không hòa tan (bùn đỏ)
Phản ứng mô tả:
Al2O3 + 2OH− + 3H2O → 2[Al(OH)4]−
- Tách bùn: Sau khi hòa trộn, hỗn hợp được truyền qua một loạt các thùng giảm áp suất Tại đây, áp suất không khí được tràn vào, cát được tách ra khỏi hỗn hợp qua các bẫy cát Tiếp theo, cặn mịn và các chất rắn còn lại được bổ sung các hợp chất tổng hợp
và đưa qua bộ lọc vải Những tồn dư sau đó rửa sạch và loại bỏ đi
- Kết tủa: Hợp chất bão hòa natri aluminate tiếp tục được làm mát bằng hệ thống trao đổi nhiệt Vì bị làm lạnh đột ngột, các hydroxit nhôm bị kết tủa lại tạo thành các hạt tinh thể Các tinh thể này kết hợp với các tinh thể khác tạo thành các hạt lớn hơn lắng xuống đáy Sau đó, các hạt hydroxit nhôm được lọc và rửa sạch để loại bỏ soda Phản ứng mô tả:
Na+ + Al(OH)4- → Al(OH)3 + NaOH
- Sấy khô: Các hạt hydroxit nhôm sau khi được nung trong lò ở nhiệt độ hơn 960°C thành alumina
Phản ứng mô tả:
Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2ONhư vậy, trong quy trình Bayer, bùn đỏ được sinh ra trong quá trình tách bùn Do
bị nhiễm soda nên bùn đỏ này có độ pH rất cao, khoảng 13
1.2 Thành phần và đặc tính của bauxite
Thành phần hóa học chủ yếu của bauxite (quy ra oxit) là Al2O3, SiO2, Fe2O3, CaO, TiO2, MgO trong đó, hydroxit nhôm là thành phần chính của quặng
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của bauxite theo khối lượng
Thành phần hóa học Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 TiO2 MgO Mất khi đốt
% theo khối lượng 55,6 4,5 4,4 2,4 2,8 0,3 30
Trang 6Bauxite tồn tại ở 3 dạng chính tùy thuộc vào số lượng phân tử nước chứa trong nó
và cấu trúc tinh thể gồm: gibbsit Al(OH)3, boehmit γ-AlO(OH), và diaspore AlO(OH), cùng với các khoáng vật oxit sắt goethit và hematit, các khoáng vật sét kaolinit và đôi khi có mặt cả anata TiO2 Gibbsit là hydroxit nhôm thực sự còn boehmit và diaspore tồn tại ở dạng hidroxit nhôm oxit Sự khác biệt cơ bản giữa boehmit và diaspore là diaspore có cấu trúc tinh thể khác với boehmit, và cần nhiệt độ cao hơn để thực hiện quá trình tách nước nhanh
α-Bảng 1.2: So sánh các dạng của bauxite
Gibbsit Boehmit DiasporeThành phần Al(OH)3 AlO(OH) AlO(OH)Hàm lượng alumina tối đa (%) 65,4 85,0 85,0
Hệ tinh thể Đơn tà Trực thoi Trực thoiMật độ (g.cm-3) 2,42 3,01 3,44Nhiệt độ tách nước (°C) 150 350 0
1.3 Thành phần và đặc tính của bùn đỏ bauxite
Có 2 loại bùn đỏ, thành phần 2 loại bùn đỏ này là khá giống nhau Tuy nhiên, bùn
đỏ được thải ra trong quá trình Bayer để sản xuất alumina có độ pH trong khoảng 13
và cường độ ion cao, còn bùn đỏ thải ra trong quá trình sơ tuyển quặng có độ pH trung tính và cường độ ion thấp
Bảng 1.3: Thành phần hóa học của bùn đỏ theo khối lượng
Thành phần hóa học Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 TiO2 Na2O
% theo khối lượng 10 - 20 30 - 60 2 - 8 3 - 50 0 - 25 2 - 10
Bảng 1.4: Thành phần hóa học của bùn đỏ ở Việt Nam theo khối lượng
Thành phần hóa học Al2O3 Fe2O3 SiO2 TiO2 Na2O Mất khi đốt
% theo khối lượng 19,76 47,76 4,3 7,25 2,38 14,83
1.4 Tác động của việc khai thác bauxite
1.4.1 Tác động tích cực
Nói một cách tổng quát, trên phương diện phát triển kinh tế và xã hội, việc khai thác bauxite mang lại rất nhiều lợi ích cho người dân, chính quyền địa phương và công
ty khai thác
Trang 7Người dân địa phương có thêm công ăn việc làm và hưởng lợi những tiện ích công cộng do các công ty hỗ trợ hoặc do việc khai thác mang lại như: được huấn luyện nghề
và trả lương cao, có thêm nguồn tài trợ cho các dự án hoặc chương trình xã hội, cơ sở
hạ tầng (đường sá, cầu cống, bệnh viện, trường học, ), người dân được bồi thường và tái định cư Chính quyền địa phương có thêm tiền thuế thu từ các công ty khai thác bauxite Còn các công ty khai thác thu được thêm lợi nhuận do các hoạt động buôn bán hoạt sử dụng quặng mang lại
Một mỏ bauxite cần 200 công nhân để sản xuất 1 triệu tấn bauxite/năm hay 11 công nhân/ha và có thể mang lại lợi tức trung bình khoảng 1,4 triệu USD/ha vào năm
1998, nếu so sánh giá bán trung bình của bauxite là 22,69 USD/tấn (1998) và 31,20 USD/tấn (2007), lợi tức trung bình hiện nay của việc khai thác bauxite vào khoảng 1,9 triệu USD/ha
1.4.2 Tác động tiêu cực
Việc khai thác quặng có thể có ảnh hưởng xấu đến môi trường đất, nước, không khí
và cả sinh vật, đặc biệt là môi trường đất Việc khai quang cây cối sẽ phá hủy nơi cư trú của động vật, phát tán mầm bệnh thực vật, thay đổi điều kiện thời tiết, gia tăng bụi bặm; đất vùng mỏ sẽ bị xói mòn rất nhanh nếu không được che phủ hoặc trồng rừng Nguồn nước mặt có thể bị ô nhiễm, tăng độ acid, và tăng độ đục Những vùng bị khai quang có thể mất cảnh quan và ảnh hưởng tiêu cực đến thị giác, bụi bặm, tiếng động
cơ giới và chất nổ có thể làm gián đoạn môi trường xung quanh, ảnh hưởng đến sức khỏe của dân cư lân cận Hoạt động khai thác mỏ còn ảnh hưởng đến kinh tế xã hội, tùy thuộc vào khoảng cách từ mỏ đến khu dân cư mà tầm ảnh hưởng của hoạt động khai thác sẽ khác nhau Việc khai thác quặng mỏ có thể phá vỡ truyền thống văn hóa, lối sống, và sự ràng buộc bộ tộc, thay đổi hoàn toàn các loại hoa màu và kỹ thuật canh tác cũng như cách thức buôn bán, sự tập trung dân cư từ nơi khác đến sẽ làm nảy sinh nhiều vấn đề về an ninh xã hội
Trang 81.5 Bùn đỏ ở Việt Nam
Hình 1.1: Bùn đỏ ở Tây Nguyên
Ở các tỉnh Tây Nguyên, nổi bật là 2 tỉnh: Lâm Đồng và tỉnh Đăk Nông, đang chịu ảnh hưởng của một loại chất thải đặc biệt “bùn đỏ” Công nghiệp chế biến thải ra môi trường 3 tấn bùn đỏ/1tấn Alumin (tinh chế từ Bauxite) “Bom bùn” treo lơ lửng trên đầu các tỉnh cực Nam Trung bộ, đe dọa vùi lấp lưu vực sông Đồng Nai và các dòng chảy đổ vào sông Mê Kông, nhưng đến thời điểm này, khi những gàu xúc đầu tiên đã
bổ xuống, mở đầu hàng loạt dự án khai thác quy mô ở Tây Nguyên thì vẫn chưa có giải pháp chế ngự nào được đưa ra
Nơi có mỏ bô-xit quan trọng ở Việt Nam là tại tỉnh Dak-Nông, một tỉnh nằm ở phía bắc Bảo Lộc, giữa Đà Lạt và Cambôt Hai địa điểm đầu tiên đang tiến hành việc khai thác là tại xã Nhân Cơ thuộc Đăk-Nông và xã Tân Rai ở ngay Bảo Lộc
Toàn tỉnh Đăk Nông có 13 mỏ Bauxite, trải đều trên địa bàn các huyện nằm ở thượng nguồn 2 hệ thống sông lớn là Srepok (gồm các nhánh Krông Bông, Krông Păk, Krông Ana, Krông Nô - đổ vào dòng chính sông Mê Kông) và Đồng Nai (gồm các nhánh chính là Đăk Huýt, Đăk Glun, Đăk Rtit, Đăk Nông - đổ vào sông Đồng Nai) Phần diện tích sông Srepok trên địa bàn Đăk Nông là 3.583 km2 (chiếm 50% diện tích
Trang 9toàn tỉnh), sông Đồng Nai là 2.934,4 km2 (chiếm 45% diện tích tỉnh) Thượng nguồn của cả 2 hệ thống sông này đều có địa hình thuận lợi, tạo thành các hồ chứa bùn
Theo các nhà khoa học Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, các D.A khai thác đều cần đến những diện tích đất rất lớn làm bãi thải bùn Các hồ chứa quá mong manh trước biến cố thiên tai như lụt, lũ quét… là nguyên nhân dẫn đến thảm họa môi trường trong tương lai, thảm họa về bùn đỏ có thể san phẳng một vùng đồng bằng rộng lớn và
nó sẽ khủng khiếp hơn rất nhiều khi hạ lưu sông Đồng Nai và các dòng chảy đổ vào sông Mê Kông bị bùn đỏ vùi lấp
Bùn đỏ không trữ nhiệt nhưng có chứa hóa chất NaOH là một chất kiềm, tùy theo
độ đậm đặc, NaOH có khả năng làm phỏng da, giết chết sinh vật và cây cỏ Tại Tây Nguyên bùn đỏ được tồn trữ trong hồ chứa, tích lũy lại thành một khối theo năm tháng Nếu thành hồ bị vỡ, hoặc gặp lúc mưa bão, hồ chứa có thể bị tràn và nước chứa bùn đỏ sẽ chẩy ra khắp nơi, giết chết cây cỏ và tôm cá trong các dòng nước Tây Nguyên là nguồn phát xuất của sông Đồng Nai cung cấp nước cho Biên Hoà và Sài Gòn
Trang 10Về cơ bản, thành phần bùn đỏ có oxít sắt nên sẽ có màu nâu đỏ Trong bùn không
có chất phóng xạ nên không gây hại đặc biệt cho môi trường Tuy nhiên trong bùn còn
có dung dịch kiềm nên có tính ăn mòn cao, độ pH lớn, lòng hồ phải được xử lý bằng đất sét đầm chặt, trải vải địa kỹ thuật, trải cát… để không cho bùn đỏ (có NaOH) tràn
ra môi trường
Các phương pháp xử lý bùn đỏ hiện nay đang được áp dụng bao gồm các phương
án chính sau:
• Xử lý phần chất lỏng đi kèm bùn đỏ hoặc phát sinh trong hồ bùn đỏ bằng cách tái
sử dụng trong dây chuyền sản xuất hoặc trung hoà bằng nước biển (trường hợp nhà máy đặt cạnh biển) hoặc trung hoà bằng CO2
• Chôn lấp bùn đỏ đã thải, tiến hành hoàn thổ, phục hồi môi trường
• Xử lý bùn đỏ từ bãi thải, dùng cho các ứng dụng như vật liệu xây dựng (gạch, ngói, bê tông ), làm đường, chế biến sơn, chế tạo các vật liệu đặc biệt khác
Việc lựa chọn các phương án xử lý bùn đỏ sau thải được thực hiện tùy theo các nhà máy alumin cụ thể, tuy nhiên hiện nay phương án chôn lấp, hoàn thổ chiếm ưu thế và được áp dụng rộng rãi, phương án chế biến bùn đỏ đang được nghiên cứu, thử nghiệm
vì chi phí để thực hiện cao, hiệu quả kinh tế thấp
2.1 Phương pháp chôn lấp
Bên cạnh khai thác mỏ bauxite, đơn vị đấu thầu Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam (Vinacomin), cũng đã đề xuất một số phương án xử lý bùn đỏ Một trong những phương án khả thi nhất là chôn lấp Hồ chứa bùn đỏ là một bộ phận của hệ thống sản xuất alumina từ quặng bauxite, hồ này được thiết kế rất kỹ để chống thấm chất lỏng trong bùn đỏ xuống nước ngầm theo chiều đứng và chiều ngang
Trang 11Hiện nay Vinacomin đã tính toán cụ thể khối lượng bùn đỏ thải, khu vực thải và việc xử lý chất thải này theo nhiều phương án khả thi nhất Theo đó, Tổ hợp Bauxite - nhôm ở Lâm Đồng đã quy hoạch hồ chứa bùn đỏ với tổng diện tích lên đến 318 ha.
Hồ này nằm trong một thung lũng nên không ảnh hưởng đến việc làm trôi chảy bùn
đỏ đến nơi khác, không ảnh hưởng đến mạch nước ngầm trong khu vực
Để chống tràn, chủ đầu tư xây dựng hệ thống thoát nước mưa hoàn chỉnh xung quanh hồ bảo đảm không có nước mưa chảy xuống hồ gây tràn hồ Hồ sẽ nạo sạch lớp thực bì, bùn và được cán lót 2 lớp đất sét ( dày 60 cm ) với lớp lót vải địa kỹ thuật ở giữa Bảo đảm chống thấm tuyệt đối Mỗi hồ được ngăn ra thành nhiều block nhỏ ( từ
10 – 15 ha ) và lượng bùn đỏ sẽ được thải theo từng ô
Khi đầy ô thì dùng công nghệ xử lý hút nước ( chủ yếu là nước thải chứa xút ) để đưa nước xút này trở lại nhà máy Alumin sử dụng cho công nghệ chế biến Alumin và qua đó cũng làm khô bùn đỏ Sau đó sẽ lấp đất đảm bảo chôn vĩnh viễn nếu như không
sử dụng chất thải này
Chủ đầu tư cũng lắp đặt 4 trạm quan trắc quanh hồ để theo dõi thường xuyên biến động của các hóa chất trong bùn đỏ - đặc biệt là độ pH để xử lý kịp thời Đồng thời nhắm nâng cao độ an tòan, khu vực hồ bùn đỏ sẽ được bảo vệ nghiêm ngặt không cho bất cứ người hay loại gia súc, gia cầm nào đến được gần hồ bằng việc xây dựng bờ tường rào kín quanh hồ, trồng vành đai rừng bao bọc hồ với chiều rộng ít nhất là 10 m
Còn ở dự án sản xuất alumin Nhân Cơ khi dự án sản xuất đạt 650 ngàn tấn alumin/năm thì tổng lượng bùn đỏ gần 1 triệu 400 ngàn tấn/năm( tương đương khoảng
945 ngàn m3)
Dự án Nhà máy sản xuất alumin Nhân cơ sẽ tiến hành xử lý bùn đỏ bằng phương pháp chôn lấp, sau đó tiến hành hoàn thổ, phục hồi môi trường Bùn đỏ trước khi thải
ra bãi sẽ được rửa ngược dòng 6 bước nhằm tận thu kiềm và alumin kèm theo bùn đỏ
Hồ chứa bùn đỏ (rộng hơn 200ha) có các lớp chống thấm tốt để kiềm bám bùn đỏ không bị thẩm thấu vào nước ngầm, nước chứa trong bãi chứa bùn đỏ được thu gom
và bơm hoàn toàn về nhà máy
Các thành phần bùn đỏ có hại cho môi trường được cách ly hoàn toàn, không để rò