Tận thu kim loại và tái chế, tái sử dụng chất thải rắn ngành luyện kim

Mai Trọng Ba, Nguyễn Thúy Lan
Trung tâm Môi trường Công nghiệp, Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim

Quản lý chất thải rắn, nước thải giàu kim loại nặng và có tính axit, ô nhiễm môi trường không khí và đất là một trong số các vấn đề mà bất kỳ hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản nào cũng gặp phải [1]. Nhà nước tăng cường công tác quản lý đối với hoạt động thăm dò, khai thác, chế biến, sử dụng và xuất khẩu khoáng sản qua Chỉ thị số 03/CT-TTg ngày 30 tháng 3 năm 2015, nhằm hạn chế thực trạng khai thác khoáng sản manh mún, nhỏ lẻ: như các quy định không xuất khẩu khoáng sản thô như quặng sắt, quặng đồng, quặng chì-kẽm, quặng và tinh quặng mangan, quặng cromit v.v.; không cấp phép cho các hoạt động thăm dò, khai thác vàng sa khoáng [2]. Vì vậy việc sử dụng có hiệu quả các tài nguyên trong khai thác, sản xuất và chế biến khoáng sản đang là một trong các vấn đề cấp thiết và ưu tiên hàng đầu.

Từ năm 2008, việc xử lý CTR đã được xã hội hóa bằng vốn kinh doanh của các công ty trong nước và nước ngoài. Hiện nay công nghệ xử lý chất thải đang áp dụng là chôn lấp hợp vệ sinh (68,6%), compost (24,6%), tái chế (1,1%) và đốt (5,7%) [5]. Chúng ta thấy rằng, tỉ lệ tái chế, tái sử dụng đang còn chiếm tỉ lệ rất thấp trong xử lý chất thải rắn. Trong khi đó ngành công nghiệp luyện kim là ngành tiêu thụ năng lượng lớn, thải ra một lượng lớn các CTR là nguồn tiềm năng gây ô nhiễm môi trường nếu không được phân loại và quản lý đúng quy định.

Ở Việt Nam hiện nay, gang được sản xuất chủ yếu bằng công nghệ lò cao sử dụng than cốc. Đây cũng là công nghệ thế giới đang dùng là chủ yếu vì ưu điểm của công nghệ này là sản xuất ổn định với sản lượng lớn. Tùy thuộc vào quy trình làm nguội, xỉ lò cao được chia thành hai loại: xỉ lò cao làm nguội chậm (air-cooled blast furnace slag - ABFS) và xỉ hạt lò cao (granulated blast furnace slag - GBFS). Theo [6] một tấn gang sản xuất từ lò cao sẽ sản sinh ra 0,3 ÷ 0,4 tấn xỉ. Trong nấu luyện thép lượng xỉ thải ra dao động từ 0,15 ÷ 0,2 tấn xỉ/tấn sản phẩm.

Hàng năm, các nhà máy luyện kim trên cả nước thải ra khoảng 1÷1,5 triệu tấn xỉ thép và khoảng 100.000 tấn xỉ luyện gang các loại [6], [7]. Để sản xuất ra một tấn kim loại màu lượng xỉ sinh ra dao động từ 10 ÷ 200 tấn [8]. Với công nghệ hỏa luyện, trong luyện đồng lượng xỉ dao động từ 10 ÷ 30 tấn xỉ/tấn sản phẩm.

Từ kết quả nghiên cứu thành phần hóa học và khoáng vật của xỉ gang và xỉ thép, các nước châu Âu và Nhật Bản đã tận thu, tái chế và tái sử dụng xỉ cho các công đoạn sản xuất. Tỷ lệ sử dụng xỉ gang và xỉ thép cho các lĩnh vực và nội bộ (bảng 1).

 

Xỉ gang, xỉ thép rất thích hợp dùng làm vật liệu cấp phối hạt không trộn với chất kết dính (vật liệu rời) do chúng có những đặc tính tốt như cường độ cao, chống mài mòn tốt, góc nội ma sát cao. Chính vì vậy xỉ gang, xỉ thép được ứng dụng nhiều làm vật liệu đắp, san lấp trong xây dựng và làm lớp nền, móng cho công trình giao thông, đặc biệt xỉ thép làm vật liệu cho lớp móng đường có khả năng chịu tải trọng lớn [10], [11], [12]. Theo [7] các nghiên cứu cho thấy, với 20% hàm lượng xỉ trong xi măng hỗn hợp xỉ làm tăng tính chống ăn mòn của các mẫu nghiên cứu. Các nghiên cứu về cường độ nén, mác chống thấm cho thấy bê tông khi sử dụng cốt liệu xỉ thép sẽ cho cường độ nén cao hơn so với bê tông sử dụng cốt liệu đá dăm tự nhiên [13]. Cùng với đó, bê tông có khả năng chống mài mòn, rất hiệu quả với các công trình Thủy lợi. Theo [14], sử dụng xỉ thép ở một số điều kiện nhất định có khả năng hấp phụ arsenic trong nước, có khả năng hấp phụ mạnh hàm lượng canxi, sắt, magie, có hiệu quả hơn hẳn các vật liệu khác như sỏi đá, zeolite, đá phiến sét. Kết quả nghiên cứu và sản phẩm gang thu được bằng công nghệ luyện gang từ bã thải hạt nix cho thấy sản phẩm gang có tính chất tương đương và vượt trội cơ tính so với sản phẩm gang dân dụng [15]. Theo [5] sử dụng tro xỉ nhiệt điện, xỉ luyện kim để sản xuất bê tông đã phát huy hiệu quả: vốn đầu tư giảm 2 ÷ 2,5 lần; lượng xi măng giảm: 20 ÷ 25 %; nhân công giảm 1 ÷ 1,5 lần.

Theo [16], lượng bụi PM2,5 xung quang các nhà máy cơ khí – luyện kim chủ yếu là các nguyên tố Cr, V, Zn, Ag, Fe, Ni v.v. Quy trình White Line nhằm xử lý triệt để bụi thu hồi được từ quy trình Black Line, cho phép loại bỏ Chlore và giảm thiểu hàm lượng Fluor [17]. Các nhà nghiên cứu của Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim cũng đã thành công trong việc thu hồi kẽm từ bụi lò hồ quang luyện thép phế liệu (đạt hàm lượng 95 ÷ 97 %) [18], hay tận thu kẽm từ các tro kẽm mạ nóng [19].

Theo [20], mẫu phân tích bùn thải sau quá trình xử lý nước thải có chứa hàm lượng cao các kim loại như: asen (As), Pb, Cu, Mn, Fe. Trong luyện đồng, phần không hòa tan của cực dương bao gồm các nguyên tố: Ag, Au, kim loại họ platin, các sulfua, selenua, telerua v.v. Bùn cực dương có thành phần hóa học như trong bảng 2.

Bảng 2. Thành phần hóa học bùn cực dương [21]

 

Các nhà nghiên cứu của Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim đã thành công trong việc nghiên cứu thu hồi Ag, Au từ bùn dương cực của nhà máy luyện đồng [22] và xây dựng được quy trình phân tích chính xác các nguyên tố Cu, Au, Ag trong xỉ thải luyện đồng [23]. Theo [24] nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc sản xuất ra bột nano oxit thiếc từ việc tận thu thiếc trong xỉ thải luyện thiếc. Đối với bùn thải, việc xử lý, tái chế và tái sử dụng đang được cân nhắc khá thận trọng.

Khối lượng phát thải CTR ngành luyện kim là rất lớn, thành phần gốc của CTR từ luyện kim chủ yếu là các ôxít kim loại, trong đó có lẫn các kim loại và kim loại quý hiếm như: Cu, Pb, Al, Zn, Mn, Si, Ag, Au, Ti, Mo, Co, Ni, Cr, V v.v. Một số loại CTR từ luyện kim vẫn còn các nguyên tố có ích có thể thu hồi (kim loại) và một số loại CTR có khả năng tái chế, tái sử dụng được. Vì vậy, cần phải có các nghiên cứu, định hướng phát triển đồng bộ từ cơ quan quản lý nhà nước, các doanh nghiệp và các nhà khoa học để đảm bảo việc không làm thất thoát các tài nguyên quý này.

1. World Bank 2011. Vietnam development report 2011: natural resources management.
2. Chỉ thị số 03/CT-TTg ngày 30 tháng 03 năm 2015 của Thủ tướng Chính Phủ về việc tăng cường hiệu lực thực thi chính sách, pháp luật về khoáng sản.
3. Quyết định số 880/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính Phủ Việt Nam về phê duyệt Quy hoạch tổng thể phát triển ngành công nghiệp Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030.
4. Phạm Chí Cường, Xử lý chất thải trong ngành công nghiệp Thép Việt Nam // Tạp chí Khoa học Việt Nam. – 2012. – số 10. – trang 52-54.
5. Nguyễn Thị Phương Loan, Lựa chọn công nghệ trong Quản lý chất thải rắn bền vững, 2017.
6. Tăng Văn Lâm, Nghiên cứu sử dụng phế thải luyện kim làm cốt liệu chế tạo bê tông / Tăng Văn Lâm, Ngô Xuân Hùng. – Trường Đại học Mỏ - Địa chất 
http://www.vncold.vn/Modules/CMS/Upload/10/KhoaHocCongNghe/150409/PheThaiLuyenKim.pdf
7. Nguyễn Vĩnh Phước, Tái chế xỉ thép lò hồ quang điện làm thành phần phụ gia khoáng Xi-măng / Nguyễn Vĩnh Phước [và nnk] // Tạp chí KHCN Xây dựng. – 2014. – số 2. – trang 49-56.
8. Третьяков, А. Н. Охрана окружающей среды: учебное пособие по дисциплине "Экология". – 2014 г. – Режим доступа
http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/t/TRETYAKOV/Ucheb_rabota/oos/Tab1/OOS_LK7.pdf
9. Nghiêm Gia, Sử dụng xỉ gang, xỉ thép của thế giới - Bài học kinh nghiệm về bảo vệ môi trường cho ngành thép Việt Nam / Nghiêm Gia, Nguyễn Văn Sưa // Tạp chí Môi trường. – 2018. – chuyên đề 1. – trang 3-6.
10. A guide to the use of iron and steel slag in roads, Australasian Slag Association, Available at http://www.asa-inc.org.au/knowledge/technical-literature/technical-guides
11. Properties and uses of iron and steel slags, National slag association
12. Quyết định số 430/QĐ-BXD về ban hành chỉ dẫn kĩ thuật “xỉ gang và xỉ thép sử dụng làm vật liệu xây dựng” của Bộ trưởng Bộ Xây dựng ngày 16 tháng 5 năm 2017.
13. Nguyễn Quang Phú, Sử dụng xỉ thép và phụ gia siêu dẻo thế hệ mới thiết kế bê tông ứng dụng trong các công trình thủy lợi // Khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường. – 2018. – số 62. – trang 3-8.
14. Trần Thị Thu Trang, Nghiên cứu khảo sát và đánh giá các điều kiện ảnh hưởng xỉ thép hấp phụ và loại bỏ arsen trong nước / Trần Thị Thu Trang và nnk // Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển. – 2015. – số 3. – trang 280-287.
15. Nguyễn Trung Kiên, Nghiên cứu công nghệ luyện gang từ bã thải hạt nix trong lò điện hồ quang / Nguyễn Trung Kiên và nnk // Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Công nghiệp Hà Nội. – 2016. – số 36. – trang 59-62.
16. Vũ Xuân Đán, Đánh giá phơi nhiễm bụi cá nhân PM2,5 và nguồn phát sinh của người dân sống gần 2 trạm quan trắc môi trường ở TPHCM / Vũ Xuân Đán, Trương Thanh Cảnh // Science & Technology development. – 2017. – số 20. – trang 26-34.
17. Available at http://eplh.free.fr/oxindus/oxindus.pdf
18. Đỗ Hồng Nga, Tái sinh kẽm từ bụi lò điện hồ quang luyện thép phế liệu bằng hòa tách với axit sunfuric // Tạp chí Khoa học và Công nghệ Kim loại, 2013.
19. Đề tài nghiên cứu cấp bộ “Nghiên cứu xây dựng công nghệ sản xuất oxyt kẽm ZnO từ tro kẽm mạ nóng”, Lê Gia Mô // Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, 2008.
20. Mai Trọng Ba, báo cáo đề tài cấp bộ “Nghiên cứu công nghệ xử lý hoá chất dư và kim loại nặng trong nước thải của các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim” / Mai Trọng Ba và nnk, 2015.
21. Báo cáo tình hình sản xuất của Xí nghiệp Liên doanh đồng Lào Cai từ năm 2000 đến nay.
22. Báo cáo đề tài cấp nhà nước “tận thu các nguyên tố có ích trong quá trình tuyển và luyện đồng Sin Quyền, Lào Cai” // Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, 2011.
23. Báo cáo đề tài cấp bộ “Nghiên cứu quy trình xác định các nguyên tố Cu, Au, Ag trong xỉ đồng của nhà máy luyện đồng” // Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, 2012.
24. Đề tài nghiên cứu cấp bộ “Nghiên cứu quy trình sản xuất bột nano oxít thiếc từ xỉ thải luyện thiếc”, Võ Công Thanh // Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, 2012