Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ môi trường công nghiệp thị Việt Nam” NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ XỬ LÝ BÙN KHOAN THEO HƯỚNG TẬN DỤNG LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG Nguyễn Quốc Bình, Nguyễn ðức Thái Uyên, Nguyễn Ngọc Châu Anh Viện Kỹ thuật Nhiệt ñới Bảo vệ Mơi trường TĨM TẮT Báo cáo đưa số kết nghiên cứu xử lý thành phần, tính chất cơng nghệ xử lý bùn khoan, tro thải sinh từ q trình đốt chất thải ngành dầu khí theo hướng tận dụng sản xuất gạch ngói Bước đầu đánh giá chất lượng sản phẩm thu cho thấy cơng nghệ có tính khả thi Từ đề xuất biện pháp quản lý loại chất thải cách phù hợp bảo vệ môi trường ABSTRACT The report presents researching results of technology in treatment of drilling mud and ash residues from combustion of oil-gas hazadous solid wastes to produce brick As a first step, the results proclaimed this technology a practical method Base on that some measures for ash management is proposed for environmental protection MỞ ðẦU Rác dầu khí sinh từ q trình khoan thăm dò khai thác dầu khí chất thải nguy hại có nguy gây ô nhiễm môi trường cao với khối lượng 6.000 tấn/năm Trong thời gian vừa qua Vietsovpetro ñã phối hợp với nhiều quan có chức để xử lý chất thải Phần lớn chất thải ñã ñược tái chế đốt lò đốt hai cấp Tuy nhiên, cho ñến nay, hàng trăm hóa chất dung dịch khoan tro sinh từ q trình đốt rác dầu khí chưa giải cách triệt để, chờ bãi chơn lấp an tồn Trước đây, chúng tơi tiến hành nghiên cứu cơng nghệ xử lý chất thải theo hướng bêtơng hóa [1,2] Trong báo cáo này, nhóm nghiên cứu tiếp tục giới thiệu số kết nghiên cứu xử lý chất thải theo hướng tận dụng làm vật liệu xây dựng, cụ thể ñưa vào thành phần vật liệu ñể sản xuất gạch, nhằm hồn thiện qui trình xử lý chất thải dầu khí, bảo vệ mơi trường THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÙN KHOAN VÀ TRO 2.1 Bùn khoan Dung dịch khoan chia làm loại chính, phụ thuộc vào chất làm dung mơi (hay gọi pha mang): dung dịch khoan gốc nước (water based muds: WBMs), dung dịch khoan gốc dầu (oil based mud: OBMs) dung dịch khoan gốc tổng hợp (synthetic based mud: SBMs), Vietsovpetro sử dụng dung dịch khoan gốc nước Hệ dung dịch khoan gốc nước gồm thành phần nước đất sét phụ gia hóa chất khác ðất sét để làm dung dịch khoan gồm có montmorillonite (AlSi2O5(OH).xH2O), kaolinite, illite có montmorillonite loại sẵn có thơng dụng thị trường Bentonite tên thương mại ñược dùng ñể loại ñất sét có thành phần Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -187- Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ môi trường công nghiệp thị Việt Nam” chủ yếu sodium montmorillonite Các phụ gia thêm vào gồm: CaCl2, BaSO4, CMC: C6H7O2(OH)2OCH2COONa), hydroxyethylcellulose (HEC), ferro-chrome lignosulfonate, NaOH hay soña ñược dùng ñể kiểm soát ñộ pH, số chất diệt khuẩn, kim loại nặng [4,5] Bảng 2.1 Thành phần hóa học bentonite [3] Thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 Bentonit nguyên khai 57,21 10,25 2,80 0,30 Bentonit tinh chế 47,80 14,00 4,97 0,10 Thành phần MgO CaO K 2O Na2O Bentonit nguyên khai 1,76 9,13 1,71 2,37 Bentonit tinh chế 4,67 4,90 2,15 3,04 Bảng 2.2 Thành phần kim loại nặng Soltex-một phụ gia dung dịch khoan [4,5] Thành phần SOLTEX Nồng ñộ (mg/kg) Thành phần SOLTEX Nồng ñộ (mg/kg) Sb 6,0 Cu 1,3 As 0,4 F 200,0 Zn 2,1 Pb 3,0 Cd 0,6 Hg 0,2 Cr 1,2 Ni 11,0 Co 2,0 Vd 16,0 Kết phân tích thành phần độc hại bùn khoan lấy bãi chôn lấp Núi Dinh Công ty Sông Xanh – tỉnh BR-VT nhiều ñợt cho kết bảng 2.3 Bảng 2.3 Thành phần kim loại nặng bùn khoan Chỉ tiêu Cr Cd Pb Ni Nồng ñộ (mg/kg) 0,7 - 160 - 0,1 0,4 - 200 0,3 - 44 Chỉ tiêu Cu Zn Mn Ti Nồng ñộ (mg/kg) 0,52 – 69 0,25 – 85 0,5 – 300 20 –500 So với ñợt khảo sát trước (2001 – 2002), hàm lượng kim loại nặng bùn khoan khơng biến đổi nhiều Chỉ có nồng độ Pb, Mn tăng đáng kể Nồng độ Pb (200 mg/kg bùn khô), Ti 500 mg/kg bùn khô 2.2 Thành phần tro Tro sinh q trình đốt chất thải bao gồm tro lắng buồng ñốt (gọi tro ñáy) tro bay theo khói thải (gọi tro nhẹ hay tro bay) Thành phần tro phụ thuộc vào thành phần chất thải đốt cơng nghệ đốt Kết phân tích thành phần độc hại tro lò ñốt Công ty Sông Xanh – tỉnh BR-VT chúng tơi nhiều đợt cho kết bảng 2.4 Như tro sinh từ q trình đốt rác dầu khí có chứa chất có độc tính cao, bắt buộc phải xử lý ñúng qui cách chất thải nguy hại Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -188- Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ mơi trường cơng nghiệp thị Việt Nam” TÌNH HÌNH XỬ LÝ CÁC CHẤT THẢI DẠNG VÔ CƠ Hiện nay, việc xử lý chất thải dạng vơ theo hướng tận dụng phổ biến giới: ðan Mạch ðức, tro ñáy ñược nghiền nhỏ ñể làm vật liệu lót cho bãi ñậu xe, lối ñi dành riêng cho xe ñạp, ñường sá, vỉa hè… Ở Hà Lan, người ta dùng tro cho mục đích xây dựng lót đường, làm ñê bao, hàng rào chắn âm chắn gió Ở Thụy ðiển, người ta dùng tro đáy để lót vỉa hè loại Ở Mỹ, tro ñược sử dụng dự án nhỏ khác làm rặng san hơ nhân tạo, block xi măng, đường hay lớp phủ bề mặt bãi chôn lấp ðể giảm thiểu tác động mơi trường từ q trình thải bỏ tận dụng, tro thường trải qua trình xử lý như: tách vật lý hóa học, xử lý nhiệt, ổn định/hóa rắn Bảng 2.4 Kết phân tích kim loại tro từ q trình đốt rác dầu khí STT Chỉ tiêu Al Cu Si Zn Ca Pb Mn Cd Ti mg/kg 3.000 – 5.000 30 – 3.000 7.000 – 10.000 28 – 220 1.000 – 10.000 20 – 150 24 – 140 – 12 5.000 – 1.000 STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Chỉ tiêu V Ni As Cr Sn Mo Bi Co Ag mg/kg 1–6 – 16 – 18 18 – 55 40 – 190 – 19 – 12 10 2,0 Tại Việt Nam có số cơng trình nghiên cứu cơng nghệ xử lý chất thải nguy hại dạng vô Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải nhà máy xi mạ, nhà máy khí có chứa kim loại nặng, chất hữu cơ, dầu mỡ ñã ñược nghiên cứu xử lý phương pháp nung 600oC Sau đem chơn lấp sử dụng làm bột ñộn cho sơn chống gỉ [6] Chất thải rắn thường gọi dịch ñen xí nghiệp tơn mạ kẽm tận dụng làm nguyên liệu ñể sản xuất sản phẩm hữu ích oxit kẽm làm bột ñộn cho nhà máy cao su, sơn, muối kẽm phục vụ cho sở mạ kim loại [7] Bùn ñỏ từ nhà máy hóa chất Tân Bình nghiên cứu tận dụng ñể sản xuất hỗn hợp chất trợ lắng ñể xử lý nước thải, bột màu dùng để sơn phủ bề mặt, dùng làm bột màu xây dựng ngành công nghiệp gốm sứ [6] Tro từ trình đốt rác y tế rác cơng nghiệp ñược nghiên cứu xử lý phương pháp xi măng hóa [2] Trong báo cáo chúng tơi giới thiệu số kết nghiên cứu theo hướng tận dụng chất thải làm gạch ngói NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ TẬN DỤNG CHẤT THẢI LÀM GẠCH 4.1 Nguyên liệu 4.1.1 ðất sét ðất sét lấy từ lò gạch thủ công Long Thành, ðồng Nai, với thành phần hóa silicat thể bảng 4.1 Khoa Mơi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -189- Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ môi trường công nghiệp thị Việt Nam” Bảng 4.1 Thành phần hóa học đất sét làm thí nghiệm Thành phần SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO % 61,54 1,07 19,35 8,43 0,31 0,00 0,53 Thành phần CaO Na2O K 2O P2O5 MKN (ñộ co) SO3 % 0,00 0,12 1,41 0,11 7,09 0,04 4.1.2 Bùn khoan tro Mẫu bùn khoan tro có thành phần hóa lý nghiên cứu bảng 2.1, bảng 2.2, bảng 2.3 bảng 2.4 4.2 Dụng cụ - thiết bị Q trình thí nghiệm ñược tiến hành với hợp tác lò gạch thủ công Phước An (Long Thành, ðồng Nai) Các dụng cụ, thiết bị gồm có: - Chày cối - Cân - khuôn 5cm x 5cm x 5cm - Máy trộn 4.3 Cách tiến hành 4.3.1 Chuẩn bị mẫu ðất sét mang phòng thí nghiệm trạng thái tạo hình (dẻo: nghiền trộn nước) Nhưng ñể chất thải (bùn khoan dạng huyền phù tro dạng rắn) phân bố tồn gạch mẫu, chất thải phải ñược trộn với ñất sét trạng thái khơ, mịn Do đó, đất sét phơi thật khơ vòng tuần, giã nhuyễn chày cối trước ñem trộn với bùn khoan tro theo tỷ lệ bảng 4.2 bảng 4.3 Bảng 4.2 Tỉ lệ phối trộn ñất sét bùn khoan Kí hiệu mẫu BT0 B1 B2 B3 B4 Tỉ lệ mùn khoan : ñất sét mẫu ñối chứng 1:10 2:10 3:10 4:10 ðất sét g 5.000 5.000 5.000 5.000 5.000 Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -190- Bùn khoan g 500 1.000 1.500 2.000 Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ môi trường công nghiệp thị Việt Nam” Bảng 4.3 Tỉ lệ phối trộn đất sét tro Kí hiệu mẫu BT0 TIV TII TIII Tỉ lệ mùn khoan : ñất sét mẫu ñối chứng 1:15 2:10 3:10 ðất sét g 5.000 3.750 4.000 3.500 Bùn khoan g 250 800 1.050 Hỗn hợp ñất sét chất thải sau nhào trộn với nước ủ vòng ngày Q trình ủ tiến hành cách cho hỗn hợp vào bao ni lơng buộc kín, để đất sét trở nên dẻo tạo hình Sau tạo hình khn 5cm x 5cm x 5cm, gạch mẫu phơi khơ vòng ngày Thời gian phơi ñạt yêu cầu màu viên gạch chuyển sang trắng xám Q trình phơi khơ nhằm đảm bảo gạch khơng bị nứt nổ q trình nung (do lượng nước bốc ñã giảm), ñồng thời gạch bị biến dạng trình chuyên chở 4.3.2 Nung lò gạch Gạch khơ chở xuống lò gạch Phước An, Long Thành ðây lò gạch thủ cơng có chế độ nung sau: - Giai đoạn 1: Xơng lò vòng 12 Q trình gia nhiệt xảy chậm để lượng nước lại gạch bốc từ từ, tránh tượng nứt, nổ viên gạch - Giai đoạn 2: Còn gọi giai ñoạn “lửa lớn” Nhiên liệu (củi) ñược cấp vào lò liên tục để nhiệt độ lò trì khoảng 800oC vòng 12 - Giai ñoạn 3: Ngưng cấp nhiên liệu, lò ñược ñể nguội tự nhiên lấy gạch ngồi, thường sau 24 Lò cao khoảng 8m, gạch mẫu đặt tầng cùng, khoảng 0,5m tính từ xuống 4.4 Đánh giá tính lý vật liệu ðể xác định độ bền nén gạch, chúng tơi tiến hành thực theo TCVN 246:1986 Kết ño ñộ bền nén mẫu ñưa bảng 4.4 bảng 4.5 Bảng 4.4 ðộ bền nén mẫu có chứa bùn khoan STT Kí hiệu mẫu BTO B1 B2 B3 B4 ðộ bền nén (kN/cm2) 1,34 1,34 1,17 1,12 0,67 Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -191- Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ môi trường cơng nghiệp thị Việt Nam” Bảng 4.5 ðộ bền nén mẫu có chứa tro STT Kí hiệu mẫu BTO TIV TII TIII ðộ bền nén (kN/cm2) 1,34 3,53 2,49 2,27 Nhận xét: Với tỷ lệ trộn bùn khoan : ñất sét = : 10, mẫu gạch B1 có độ bền nén tương ñương với ñộ bền nén mẫu gạch ñối chứng Khi hàm lượng bùn khoan mẫu tăng khả chịu nén mẫu gạch giảm, bùn khoan có lẫn dầu hóa chất lẫn bùn khoan Khi nhiệt ñộ tăng, lượng dầu bốc nhanh cháy, với phân hủy hóa chất, làm cho cấu trúc bên viên gạch có nhiều lỗ rỗng, gạch có ñộ xốp cao chịu nén ðộ bền nén mẫu TIV (tỷ lệ tro : bùn khoan = 1:15) cao bốn mẫu Mặc dù ñộ bền nén mẫu gạch giảm lượng tro pha vào mẫu tăng lên ba mẫu có pha tro TIV (tỷ lệ 1:15), TII (tỷ lệ 1:10), TIII (tỷ lệ 2:10) có độ bền nén cao mẫu ñối chứng Như chứng tỏ việc pha lượng tro định vào đất sét góp phần nâng cao khả chịu nén gạch ðiều giải thích oxit kim loại tro có vai trò chất “nêm” vào lỗ xốp cấu trúc tinh thể ñất sét làm cho vật liệu trở nên cứng ðể xác ñịnh ñộ hút nước (ở nhiệt ñộ thường) vật liệu ñã thực ñánh giá theo TCVN 248:1986 Kết kiểm tra ñộ hút nước mẫu gạch ñưa bảng 4.6 bảng 4.7 Bảng 4.6 ðộ hút nước mẫu có chứa bùn khoan sau 48 STT Kí hiệu mẫu BTO B1 B2 B3 B4 ðộ hút nước sau 48 giờ(%) 20,23 21,68 22,10 22,24 26,34 Bảng 4.7 ðộ hút nước mẫu có chứa tro sau 24 STT Kí hiệu mẫu BTO BIV BII BIII ðộ hút nước sau 24 giờ(%) 20,07 16,68 16,73 16,06 Khoa Môi trường – Trường ðHBK – ðHQG TP.HCM -192- Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ môi trường cơng nghiệp thị Việt Nam” Bảng 4.8 ðộ hút nước mẫu có chứa tro sau 48 STT Kí hiệu mẫu BTO BIV BII BIII ðộ hút nước sau 48 giờ(%) 20,23 16,34 16,81 16,10 Nhận xét: ðộ hút nước tất mẫu có pha bùn khoan lớn ñộ hút nước mẫu ñối chứng không pha Khi hàm lượng bùn khoan mẫu tăng độ hút nước gạch tăng theo, dầu hóa chất bị phân hủy trình nung làm cấu trúc bên gạch có nhiều lỗ rỗng Kết phù hợp với kết ñộ bền nén ðộ hút nước tất mẫu có pha tro ñều nhỏ ñộ hút nước mẫu ñối chứng không pha Khi hàm lượng tro mẫu tăng độ hút nước gạch tăng khơng đáng kể ðộ hút nước gạch ngâm sau 24 ngâm sau 48 chênh lệch 4.6 Nghiên cứu độ bền vật liệu mơi trường 4.6.1 Kiểm tra khả hòa tan trở lại kim loại nặng mẫu gạch thu ñược Sau kiểm tra ñộ bền nén ñộ hút nước, mẫu gạch có pha bùn khoan B1 (tỷ lệ 1:10) mẫu gạch có pha tro TIV (tỷ lệ 1:15) có đặc tính lý tốt so với mẫu loại nên ñược ñược chọn ñể kiểm tra tiếp ñộ bền mơi trường song song với mẫu đối chứng BT0 Mẫu gạch ñược chọn ñược ngâm nước cất với tỷ lệ khối lượng gạch : khối lượng nước cất = : 10 Sau tuần, tuần, tuần, tuần,…, nước ngâm gạch ñược lấy ñể xác ñịnh tiêu kim loại nặng Cu, Pb, Ni, Cr, Zn, Cd Nồng ñộ kim loại nặng ñược so sánh với Tiêu chuẩn vệ sinh ñối với chất lượng nước cấp cho ăn uống sinh hoạt [505 BYT/Qð cấp ngày 13/4/1992], ñối chiếu thêm với số tiêu chuẩn nước uống nước Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ EPA, Bộ Y tế Phúc lợi Canada Tổ chức WHO 4.6.2 Kiểm tra khả hòa tan trở lại kim loại nặng mơi trường axit Các bước thí nghiệm tiến hành tương tự mơi trường nước cất có pha thêm dung dịch CH3COOH 5N 4.6.3 Kết - Nhận xét Bảng 4.9 Nồng độ kim loại hòa tan sau tuần ngâm gạch nước cất Chỉ tiêu Cu Pb Ni Cr Zn Cd ðơn vị mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l BT0