Nghiên cứu công nghệ xử lý kim loại nặng trong nước thải của các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ THỊ LIÊN

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC
THẢI CỦA CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LUYỆN KIM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

Hà Nội - Năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ THỊ LIÊN

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC
THẢI CỦA CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LUYỆN KIM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. ĐỖ KHẮC UẨN
2. TS. NGUYỄN THÚY LAN

Hà Nội - Năm 2016

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng
dẫn khoa học của PGS.TS. Đỗ Khắc Uẩn và TS. Nguyễn Thúy Lan. Các nội dung
nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa được công bố dưới bất kỳ
hình thức nào. Một số số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận
xét, đánh giá được thu thập và tham khảo từ các nguồn tài liệu khác nhau có ghi rõ
trong phần tài liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về
nội dung luận văn của mình.
Học viên

Lê Thị Liên


LỜI CÁM ƠN
Được sự phân công của Viện Đào tạo sau đại học, Viện Khoa học và Công
nghệ Môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và sự đồng ý của giáo viên
hướng dẫn PGS.TS. Đỗ Khắc Uẩn và TS. Nguyễn Thúy Lan tôi đã thực hiện đề tài
luận văn “Nghiên cứu công nghệ xử lý kim loại nặng trong nước thải của các cơ sở
nghiên cứu thực nghiệm luyện kim”.
Để hồn thành tốt luận văn này tơi xin chân thành cảm ơn các quý Thầy Cô
của Viện Khoa học và Cơng nghệ Mơi trường đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy
trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện tại trường. Đặc biệt tôi xin
chân thành cảm ơn PGS.TS. Đỗ Khắc Uẩn và TS. Nguyễn Thúy Lan đã trực tiếp
hướng dẫn, giúp đỡ tôi những chỉ dẫn khoa học quý giá trong suốt quá trình triển
khai, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hồn chỉnh nhất,
song cịn nhiều hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi
những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa thấy được. Tơi rất mong được sự góp ý

của q Thầy, Cơ và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng
Học viên

Lê Thị Liên

năm 2016.


MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................3
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................5
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................6
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................6
2. Khái quát các phương pháp nghiên cứu .............................................................6
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu..................8
4. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả ................8
5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................9
1.1. Tổng quan về công nghệ và hoạt động nghiên cứu thực nghiệm luyện kim ....9
1.1.1. Công nghệ sản xuất tại các nhà máy luyện kim .......................................9
1.1.2. Cơ sở thực nghiệm luyện kim .................................................................10
1.2. Vấn đề môi trường tại các nhà máy và các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm
luyện kim ...............................................................................................................17
1.3. Đặc tính và nguồn phát sinh nước thải của cơ sở nghiên cứu thực nghiệm

luyện kim ...............................................................................................................18
1.3.1. Đặc tính nước thải ..................................................................................18
1.3.2. Nguồn phát sinh nước thải .....................................................................19
1.4. Tổng quan về các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải ...........21
1.5. Thực trạng xử lý nước thải tại cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim .....26
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................29
2.1. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................29
2.2. Thí nghiệm theo mẻ ........................................................................................30
1


2.2.1. Phương pháp tiến hành ..........................................................................30
2.2.2. Chuẩn bị hóa chất thí nghiệm theo mẻ ...................................................38
2.3. Mơ hình xử lý liên tục ....................................................................................39
2.3.1. Chuẩn bị hóa chất ..................................................................................39
2.3.2. Phương pháp thực hiện ..........................................................................40
2.3.3. Mơ hình thử nghiệm xử lý liên tục ..........................................................42
2.4. Lựa chọn chỉ tiêu và thiết bị phân tích mẫu nghiên cứu ...............................44
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................47
3.1. Ảnh hưởng pH đến hiệu quả xử lý Cr(VI) .....................................................47
3.2. Ảnh hưởng hàm lượng nano Fe0 tới hiệu quả xử lý Cr(VI) ...........................48
3.3. Ảnh hưởng thời gian đến hiệu quả xử lý Cr(VI) ............................................49
3.4. Ảnh hưởng pH đến hiệu quả xử lý kim loại nặng ..........................................50
3.5. Ảnh hưởng hàm lượng PAC đến hiệu quả xử lý kim loại nặng .....................51
3.6. Ảnh hưởng hàm lượng PAM đến hiệu quả xử lý kim loại nặng ....................52
3.7. Đề xuất công nghệ xử lý và áp dụng mơ hình xử lý liên tục ..........................53
3.7.1. Đề xuất công nghệ xử lý .........................................................................53
3.7.2. Kết quả xử lý liên tục ..............................................................................56
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................60

PHỤ LỤC .................................................................................................................54

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Ý nghĩa

BTNMT

: Bộ Tài nguyên môi trường

CTNH

: Chất thải nguy hại

CTR

: Chất thải rắn

QCVN

: Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia Việt Nam

PAC

: Một chất keo tụ (Poly Aluminium Chloride)

PAM

: Một chất trợ lắng (Polyacrylamide)

SS

: Chất rắn lơ lửng

ODM-2F

: Vật liệu lọc đa năng (thành phần chính là diatomit, zeolit,
bentonit).

QCVN

: Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia Việt Nam

TS

: Tổng chất rắn

3


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Lưu lượng nước thải sản xuất ...................................................................19
Bảng 2.1. Các thí nghiệm thực hiện ..........................................................................30
Bảng 2.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý Cr(VI) bằng nano Fe0 ..32
Bảng 2.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nano Feo đến hiệu quả xử lý Cr(VI)
...................................................................................................................................33

Bảng 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý Cr(VI) bằng nano Fe0.
...................................................................................................................................34
Bảng 2.5. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý các kim loại nặng .............35
Bảng 2.6. Khảo sát ảnh hưởng của PAC đến hiệu quả xử lý các kim loại nặng .............36
Bảng 2.7. Khảo sát ảnh hưởng của PAM đến hiệu quả xử lý các kim loại nặng ............37
Bảng 2.8. Đặc tính kỹ thuật của các vật liệu lọc ......................................................39
Bảng 2.9. Quy trình vận hành mơ hình xử lý liên tục ...............................................41
Bảng 2.10. Nguyên tắc phân tích một số chỉ tiêu kim loại nặng trong nước thải.....44
Bảng 3.1. Kết quả mẫu nước thải sau xử lý ..............................................................56

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ cơng nghệ luyện kim tổng qt .........................................................9
Hình 1.2. Sơ đồ cơng nghệ tuyển khống..................................................................11
Hình 1.3. Sơ đồ cơng nghệ luyện thiếc......................................................................12
Hình 1.4. Quy trình điện phân thiếc ..........................................................................13
Hình 1.5. Quy trình luyện gang - thép ......................................................................14
Hình 1.6. Quy trình cơng nghệ gia cơng kim loại .....................................................15
Hình 1.7. Sơ đồ xử lý bùn anot ..................................................................................16
Hình 1.8. Sơ đồ cơng nghệ điều chế dung dịch điện phân ........................................16
Hình 1.9. Quy trình sản xuất kèm dịng thải .............................................................20
Hình 1.10. Hệ thống xử lý nước thải khu vực tuyển khống .....................................26
Hình 1.11. Quy trình xử lý nước thải tập trung của cơ sở thực nghiệm ...................28
Hình 2.1. Khảo sát và lấy mẫu tại cơ sở thực nghiệm ..............................................29
Hình 2.2. Sơ đồ mơ tả phương pháp thực hiện các thí nghiệm .................................31
Hình 2.3. Mơ tả thí nghiệm theo mẻ ..........................................................................38
Hình 2.4. Sơ đồ cơng nghệ mơ hình xử lý liên tục ....................................................41
Hình 2.5. Mơ hình xử lý liên tục................................................................................44

Hình 3.1. Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý Cr(VI) ...............47
Hình 3.2. Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng nano Fe0 đến hiệu quả xử lý Cr(VI) ............48
Hình 3.3. Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý Cr(VI) ......49
Hình 3.4. Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý kim loại nặng .....50
Hình 3.5. Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của PAC đến hiệu quả xử lý kim loại nặng ........51
Hình 3.6. Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng PAM đến hiệu quả xử lý kim loại nặng..........52
Hình 3.7. Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải đề xuất ..................................................54
Hình 3.8. Kết quả quá trình xử lý liên tục .................................................................57

5


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngành công nghiệp luyện kim có tỷ trọng tăng trưởng kinh tế cao. Trong đó,
các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim là một mắt xích đóng vai trị quan
trọng trong việc nghiên cứu tìm ra các cơng nghệ sản xuất có hiệu quả cao để áp
dụng cho các nhà máy sản xuất của ngành công nghiệp luyện kim, nhằm từng bước
đáp ứng nhu cầu sản phẩm cả về chủng loại và chất lượng. Đặc thù hoạt động của
các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim khá phức tạp, phải thực hiện triển khai
các thí nghiệm, mơ hình cơng nghệ chế biến khống sản khép kín từ cơng đoạn
tuyển khống đến công đoạn luyện kim cho ra sản phẩm kim loại cuối cùng nên
khối lượng và thành phần ô nhiễm đến môi trường đáng kể. Hiện nay, các vấn đề
môi trường tại các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim đã được quan tâm, chất
thải rắn (CTR), chất thải nguy hại (CTNH), khí thải, nước thải đã thu gom xử lý
trước khi thải ra môi trường. Tuy nhiên, nước thải phát sinh của các cơ sở nghiên
cứu thực nghiệm luyện kim hiện nay đang là vấn đề được quan tâm nhiều do chứa
hàm lượng kim loại nặng cao có khả năng gây ô nhiễm nguồn tiếp nhận, ảnh hưởng
đến động thực vật thủy sinh. Việc quản lý và xử lý nguồn nước thải tại các cơ sở
nghiên cứu thực nghiệm luyện kim đang áp dụng hiện nay chưa thực sự hiệu quả.

Trước thực trạng đó, lựa chọn đề tài nghiên cứu xây dựng công nghệ xử lý các kim
loại nặng trong nước thải từ các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim là rất cần
thiết. Kết quả nghiên cứu có thể góp phần xác lập cơng nghệ xử lý nước thải phục
vụ dự án đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải cơ sở sản xuất thực nghiệm
luyện kim của Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim tại Thái Nguyên và
tăng cường khả năng ứng dụng cho các cơ sở thực nghiệm luyện kim tương tự.
2. Khái quát các phương pháp nghiên cứu
Nước thải của ngành luyện kim và gia công kim loại chứa nhiều cặn lơ lửng và
các kim loại được hòa tan. Vì vậy giải pháp để xử lý nước thải hiện nay được đề
xuất là hệ thống xử lý nhiều cấp với nồng độ pH được kiểm sốt, từ đó loại bỏ các
hạt thô, các kim loại nặng bằng các kết tủa kim loại và muối trong bùn thải.
Trên thế giới đã có các nghiên cứu xử lý kim loại nặng trong nước thải nói
6


chung và nước thải ngành luyện kim. Các phương pháp sử dụng nhiều là kết tủa hóa
học và oxy hóa khử. Phương pháp oxy hóa khử sử dụng FeSO4 để khử Cr(VI) về
Cr3+ trong môi trường pH ≤ 1,5 và loại bỏ các kim loại nặng khác ở giá trị pH = 7 ÷
9 [34]. Hay tái sử dụng kim loại sắt phế liệu để loại bỏ Cr(VI) trong nước thải [37].
Kết quả nghiên cứu khi sử dụng sắt phế liệu loại bỏ Cr(VI) thì tốc độ phản ứng tỷ lệ
nghịch với nồng độ Cr(VI) ban đầu và tốc độ phản ứng của sắt phế liệu nhanh hơn
so với sắt thương mại, … Trong nước ta các cơng trình nghiên cứu xử lý nước thải
của ngành luyện kim vẫn còn hạn chế. Bên cạnh áp dụng các phương pháp hóa lý,
kết tủa hóa học đã có một số nghiên cứu khác như sử dụng phương pháp keo tụ điện
hóa kết hợp với vi điện hóa để xử lý các ion kim loại nặng và Florua trong nước thải
[15] hay sử dụng nấm men để loại bỏ kim loại nặng [10] Tuy nhiên các công nghệ
xử lý đều tập trung xử lý kim loại nặng trong nước thải của các nhà máy luyện kim
có quy mơ cơng nghiệp, đặc tính nước thải cụ thể. Do đặc thù hoạt động các cơ sở
nghiên cứu thực nghiệm luyện kim khá phức tạp, phải thực hiện triển khai các thí
nghiệm, mơ hình cơng nghệ chế biến khống sản khép kín từ cơng đoạn tuyển

khống đến công đoạn luyện kim cho ra sản phẩm kim loại nên thành phần và nồng
độ chất ô nhiễm rất đa dạng nhưng vẫn chưa được quan tâm xử lý. Ngồi ra hiệu
quả xử lý vẫn đang cịn phụ thuộc nhiều vào công nghệ sử dụng, suất đầu tư và kỹ
thuật vận hành hệ thống.
Hiện nay ứng dụng vật liệu nano Feo trong xử lý ô nhiễm môi trường đã được
nghiên cứu. Vật liệu nano Feo được sử dụng để xử lý các kim loại nặng như Pb, Cr,
Mn với pH = 4,5 – 7,5 hiệu suất tách Pb2+ (hàm lượng ban đầu đến ≤ 50 mg/L) là
325 gPb2+/1kg nano Feo và lượng nano Feo là 0,1 g/L [22]. Sử dụng nano Feo xử lý
nitrat hiệu quả xử lý đạt 98,9 %, nước ơ nhiễm nitrat có nồng độ ban đầu là 30 mg
N-NO3-/L trong 40 phút tại pH = 2 và tỷ lệ hấp phụ nano Feo là 1 g/L [12]… [Các
nghiên cứu sử dụng nano Feo trong xử lý nước thải đều thu được kết quả là thời gian
phản ứng xảy ra nhanh, tạo ít cặn [22, 12]. Kết quả nghiên cứu đang áp dụng đối với
một số đối tượng nước thải như nước thải sinh hoạt hay nước thải của ngành cơng
nghiệp nói chung. Tuy nhiên đối với nước thải của ngành luyện kim chứa nhiều kim
7


loại nặng thì sử dụng nano Feo chưa được nghiên cứu. Đây là hướng quan tâm mới
để xây dựng một quy trình cơng nghệ xử lý vừa đảm bảo hiệu quả xử lý và tiết kiệm
chi phí cho các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn là đề xuất cơng nghệ xử lý các kim loại nặng
trong nước thải của các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim hiệu quả nhất.
Đối tượng nghiên cứu: Nước thải sản xuất của cơ sở nghiên cứu thực nghiệm
luyện kim.
Phạm vi nghiên cứu: Cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim của Viện Khoa
học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim tại Thái Ngun.
4. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Sử dụng vật liệu nano Feo để khử Cr(VI) trong nước thải của Cơ sở nghiên cứu
thực nghiệm luyện kim.

Xác định các điều kiện xử lý tối ưu để loại bỏ các kim loại nặng (Cr, Pb, Cd, Cr,
Zn, Mn, Ni, Fe) trong nước thải của cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim.
Đề xuất được quy trình xử lý nước thải hồn chỉnh cho một cơ sở nghiên cứu
thực nghiệm cụ thể, từ đó có thể áp dụng đối với các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm
tương tự.
5. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp sau đây được sử dụng trong nghiên cứu đề tài:
Thu thập, phân tích, sắp xếp, tổng hợp các nguồn tài liệu, thông tin khoa học và
tác giả liên quan đến đặc trưng nước thải nghiên cứu và các công nghệ xử lý nước
thải chứa kim loại nặng;
Điều tra, khảo sát thực tế, thu thập tài liệu, số liệu, hình ảnh, mẫu nghiên cứu
cho quá trình nghiên cứu;
Thực nghiệm những điều kiện có kiểm sốt, lặp lại nhiều lần đánh giá sự biến
thiên của đối tượng (như thí nghiệm trong phịng thí nghiệm, kiểm tra kết quả bằng
các mơ hình thực nghiệm, v.v.).
8


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về công nghệ và hoạt động nghiên cứu thực nghiệm luyện kim
Luyện kim là lĩnh vực khoa học kĩ thuật và ngành công nghiệp điều chế các kim
loại từ quặng hoặc từ các nguyên liệu khác, chế biến các hợp kim, gia công phôi kim
loại bằng áp lực bằng cách thay đổi các thành phần hố học và cấu trúc để tạo ra
những tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng. Ngành công nghiệp luyện kim được
phân ra 2 loại chính là cơng nghiệp luyện kim đen (sản xuất ra gang và thép) và
công nghiệp luyện kim màu (sản xuất ra các kim loại không phải sắt) [24].
1.1.1. Công nghệ sản xuất tại các nhà máy luyện kim
Quá trình luyện kim là quá trình sản xuất kim loại từ quặng gốc, gồm ba cơng
đoạn: (1) Khai thác quặng; (2) Tuyển khống; (3) Luyện kim [24].
Sơ đồ công nghệ luyện kim tổng quát được mơ tả trong hình 1.1.

Quặng tinh
(Từ q trình tuyển khống)

Hỏa luyện
(Pb, Co, Fe, Cu, Ni, Ti,…)

Thủy luyện
(Au, Ag)

Điện phân
(Al, Sn,…)

Kim loại/hợp kim thành phẩm

Hình 1.1. Sơ đồ cơng nghệ luyện kim tổng qt
Hình 1.1 cho thấy có ba phương pháp luyện kim để sản xuất kim loại từ quặng
thô là hoả luyện, thuỷ luyện và điện luyện (điện phân).

9


Hỏa luyện là phương pháp dùng nhiệt để thu hồi kim loại từ quặng, gồm các
bước: Tuyển quặng, sấy để tách nước tự do, nung để khử nước liên kết (ở nhiệt độ
lớn hơn 2000C), thiêu kết, nấu luyện để tách xỉ và tạp chất trong quặng.
Thủy luyện là phương pháp dùng dung mơi để hịa tan kim loại cần tách nhằm
tách chúng ra khỏi tạp chất gồm các bước: Tuyển quặng, hịa tan trong dung mơi,
tách kim loại khỏi dung dịch [30].
Điện phân là phương pháp dựa trên nguyên tắc phân ly kim loại về điện cực
trái dấu và tách ra khỏi tạp chất khi trong dung dịch có các điện cực [3].
1.1.2. Cơ sở thực nghiệm luyện kim

Khác với các nhà máy luyện kim, các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện
kim là nơi thực hiện các nghiên cứu công nghệ và ứng dụng sản xuất thử nghiệm
quy mơ pilot hoặc bán cơng nghiệp cho nhiều loại hình khoáng sản khác nhau trước
khi triển khai ứng dụng sản xuất quy mô công nghiệp. Do đặc thù hoạt động như
vậy, nên các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim thường triển khai các thí
nghiệm, mơ hình cơng nghệ chế biến khống sản khép kín từ tuyển khống cho đến
luyện kim để cho ra sản phẩm kim loại cuối cùng [4].
Do vậy, công nghệ triển khai tại các cơ sở thực nghiệm luyện kim thường
khá phức tạp và là tổng hợp từ rất nhiều cơng nghệ tuyển khống và luyện kim khác
nhau, với nhiều đối tượng khoáng sản khác nhau, kể cả kim loại đen (quặng Fe) và
kim loại màu (quặng Pb-Zn, Sn, Ti, Mn, Cu, …).
Cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim thuộc Công ty TNHHMTV Mỏ và
Luyện kim Thái Nguyên là một ví dụ. Cơ sở được thành lập từ năm 1985, tiền thân
là xưởng thực nghiệm X3, đến tháng 7 năm 2007 chuyển đổi thành Trung tâm
nghiên cứu thực nghiệm sản xuất Mỏ và Luyện kim là đơn vị trực thuộc Viện Khoa
học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim thuộc Bộ Công Thương quản lý. Các công nghệ
sản xuất, thử nghiệm đang hoạt động tại Cơ sở bao gồm: Xưởng tuyển khoáng,
xưởng luyện kim, xưởng điện phân tinh luyện thiếc, xưởng luyện gang thép, xưởng
10


gia công kim loại, và một số xưởng phụ trợ khác như xưởng điều chế dung dịch
điện phân, khu vực xử lý bùn thải từ quá trình điện phân.
a/. Xưởng tuyển khống
Quy trình sản xuất của xưởng tuyển khống tại cơ sở nghiên cứu thực nghiệm
luyện kim Thái Nguyên trong hình 1.2.
Quặng thơ đầu vào

Sàng phân cấp hạt

Bàn đãi

Tuyển từ khơ

Tinh quặng
Hình 1.2. Sơ đồ cơng nghệ tuyển khống [4]
Quặng thu mua về đưa vào sàng phân cấp bằng máy sàng rung quặng để lựa
chọn các cấp hạt phù hợp. Khi quặng đạt cấp hạt ( = 2 mm) đưa vào tuyển trọng
lực trên bàn đãi (khâu tuyển trọng lực) để làm sạch quặng cần thu và loại bỏ tạp
chất. Sản phẩm sau khi tuyển trọng lực đem phơi hoặc sấy khơ sau đó cấp liệu vào
máy tuyển từ khơ. Dưới tác dụng của từ trường mạnh lấy ra tinh quặng tuyển đạt
chất lượng phục vụ cho quá trình luyện kim.
b/. Xưởng luyện kim (luyện thiếc lò điện hồ quang)
Quy trình sản xuất của xưởng luyện kim tại cơ sở nghiên cứu thực nghiệm
luyện kim Thái Nguyên trong hình 1.3.

11


Quặng tinh sau tuyển

Lị điện hồ quang

Kim loại thơ

Luyện tinh

Kim loại sản phẩm
Hình 1.3. Sơ đồ cơng nghệ luyện thiếc [4]
Quặng sau cơng đoạn tuyển có hàm lượng kim loại cần luyện cao đạt tiêu

chuẩn đưa vào nấu luyện. Trước khi nạp vào lò được trộn đều với than cốc và vơi
bột theo tỉ lệ nhất định sau đó đưa vào lò luyện hồ quang nấu luyện, thời gian nấu
luyện từ 60 đến 70 giờ tùy theo tình trạng trong lị. Sản phẩm của q trình nấu
luyện hồ quang là kim loại thơ. Kim loại thơ sau khi ra lị được tiếp tục cho vào tinh
luyện làm sạch các tạp chất thu được kim loại sản phẩm có độ tinh khiết cao. Thời
gian hoạt động xưởng luyện kim trung bình là 250 ngày/năm.
c/. Xưởng điện phân tinh luyện thiếc
Điện phân tinh luyện thiếc được tiến hành trên cơ sở dung dịch muối sunphat
thiếc (SnSO4). Một số chất phụ gia hữu cơ đóng vai trị chất cân bằng được đưa vào
dung dịch để quá trình điện phân được thuận lợi hơn, quá trình chuyển dịch của các
ion trong dung dịch đều và ổn định hơn tạo mặt phẳng sản phẩm được bóng mịn
hơn. Quy trình cơng nghệ điện phân thiếc hình 1.4.

12


Thiếc sạch

Thiếc tinh

Tấm catot

Tấm anot

Bể điện phân
Sản phẩm catot
tấm
Nấu chảy
Sản phẩm thiếc
thỏi

Hình 1.4. Quy trình điện phân thiếc [4]
Quá trình điện phân tinh luyện thiếc thực chất là quá trình trao đổi điện hố
của hai điện cực khi có dịng điện chạy qua cùng trong một môi trường điện li hay
cịn gọi là dung dịch điện phân. Trong q trình điện phân không làm thay đổi một
vật chất nào mà chỉ làm cải thiện độ tinh khiết của kim loại. Thiếc tinh ở xưởng
luyện kim có độ sạch thấp được đúc thành tấm Anot (cực dương). Thiếc sạch
99,95% Sn đúc thành tấm catot (cực âm). Hòa tan tấm anot trong dung dịch điện
phân khi có dịng điện một chiều chạy qua thì sẽ xuất hiện sự trao đổi vật chất của hai
tấm bản cực sau đó kết tinh tại cực âm (anot) thu được thiếc có độ tinh khiết cao,
thời gian hoạt động xưởng điện phân 250 ngày/năm.
Ngoài đối tượng khoáng sản là thiếc cơ sở cũng tiến hành nghiên cứu công
nghệ luyện kim, gia công kim loại và sản xuất thử nghiệm nhiều đối tượng khoáng
sản khác, đặc biệt là các đối tượng khống sản có hàm lượng thấp và thành phần
phức tạp. Trong đó có thể kể đến một số công nghệ phổ biến như luyện thép, đồng,
gia công kim loại.
13


d/. Xưởng luyện gang thép
Gang thép là sản phẩm của quy trình cơng nghệ luyện kim đen. Quy trình
luyện gang thép như hình 1.5.
Quặng sắt
Sàng tuyển

Lị cao
Gang thỏi
Lị luyện thép
Thép thỏi

Lị nung

Sản phẩm thép
Hình 1.5. Quy trình luyện gang - thép [4]
Quặng sắt đưa sàng tuyển để lựa chọn quặng có kích thước phù hợp, sau khi
sàng tuyển để thu các hạt có cấp phối nhất định sẽ đưa qua bàn tuyển bằng trọng
lực, dưới tác dụng của nước cặn bẩn sẽ bị rửa trôi đồng thời loại bỏ tạp chất. Quặng
sau khi làm sạch được trộn với than cốc và các chất gây cháy nung trong xưởng
thiêu kết nhiệt độ cao làm nóng chảy, hồ các mẩu quặng và các chất trợ dung với
nhau tạo thành một tảng dạng tổ ong gọi là sản phẩm thiêu kết. Sản phẩm thiêu kết
chuyển vào lị cao giúp cho q trình luyện gang có hiệu quả hơn. Trong lị cao khí
CO thổi qua lò cao và tách oxy khỏi quặng sắt, tạo thành gang. Nhiệt trong lị làm
nóng chảy gang và kết quả là gang lỏng. Gang lỏng chảy vào trong các thùng có cấu
14


tạo đặc biệt và chuyển tới lò luyện thép, tiếp tục thổi khí CO để tách oxy ra khỏi
quặng thu được sản phẩm là thép có thành phần chính là sắt (Fe) với cacbon (C) từ
0,02 % đến 1,7%.
e/. Xưởng gia công kim loại

Kim loại cần gia công
Làm sạch bằng hóa học
và điện hóa

Cắt, hàn, phay, tiện
và điện hóa

Đánh bóng, mạ, sơn
Sản phẩm
Hình 1.6. Quy trình cơng nghệ gia cơng kim loại [8]
Gia công kim loại cũng là một hoạt động sản xuất thực nghiệm của Cơ sở.

Quá trình gia công kim loại chế tạo phôi hoặc chi tiết kim loại để nhận hình dạng và
kích thước mong muốn, quy trình gia cơng kim loại bao gồm 3 cơng đoạn chính: (1)
Làm sạch bề mặt như cạo rỉ sắt, tẩy rửa các tạp chất bám lên bề mặt; (2) Gia cơng
tạo hình sản phẩm bằng các phương pháp cơ học như tiện, cắt, hàn, ghép nối hay
bằng phương pháp nhiệt như đúc, rèn; (3) Gia công bề mặt sơn, mạ để tạo lớp bảo
vệ bề mặt kim loại chống sự ăn mòn, tăng độ cứng bề mặt, chống mài mòn, tăng độ
dẫn nhiệt, dẫn điện.

15


f/. Khu vực xử lý bùn thải từ quá trình điện phân

Bùn anot
Lọc sấy thiêu
và điện hóa

Lọc sau thiêu
và điện hóa

Lọc
Bùn thải
Hình 1.7. Sơ đồ xử lý bùn anot [28]
Quy trình cơng nghệ: Bùn điện phân được thu gom vào một bể và sau đó được
lọc khơ và đem thiêu sấy trong một lị than. Bùn sau thiêu được hồ tách trong một
bể chứa axít HCl, từ đây sau khi lọc thu được bùn sạch đem luyện lại tại lò điện để
thu hồi thiếc. Phần còn lại được thu gom và xử lý như một loại chất thải nguy hại.
g/. Khu vực điều chế dung dịch điện phân
Thiếc sạch đúc Anot

H2SO4

Thiếc sạch đúc catot

Điện phân có màng ngăn
Muối thiếc (SnSO4)
Dung dịch điện phân
Hình 1.8. Sơ đồ cơng nghệ điều chế dung dịch điện phân [28]
Quy trình cơng nghệ: Dung dịch axit H2SO4 cho vào trong bể (cả khoang anot
và catot) H2 phóng điện ở catot và Sn tan ra ở anot. Trong quá trình điện phân, dung
dịch được nạp liên tục vào khoang catot. Túi màng ngăn phải đảm bảo sao cho mức
16


dung dịch trong khoang catot thấm ra ngoài khoang anot chậm, ln đảm bảo có độ
chênh lệch chiều cao dung dịch giữa 2 khoang để ngăn cản không cho ion Sn2+ hình
thành ở khoang anot khuếch tán vào khoang catot. Màng ngăn catot trong trường
hợp này có tác dụng ngăn dòng ion Sn2+ bằng dòng dung dịch chảy cơ học ngược
chiều qua lỗ mao quản của màng ngăn do áp lực của chênh lệch chiều cao dung dịch
giữa 2 khoang chứ không phải là màng lọc ion. Nạp tiếp axit vào khoang catot cho
đến độ cao theo dự kiến thì bắt đầu rút dung dịch SnSO4 ở đáy bể ra. Lượng dung
dịch Sn2+ rút ra phải tương ứng với lượng axit cho vào và cân bằng với lượng Sn2+
đã hòa tan được. Dung dich điện phân được điều chế trong một q trình dài do phải
điện phân thiếc có màng ngăn để tạo muối SnSO4.
1.2. Vấn đề môi trường tại các nhà máy và các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm
luyện kim
Đối với các nhà máy luyện kim, nhìn chung, cơng nghệ sản xuất đã khá hồn
thiện và ngày càng hiện đại, vấn đề chất thải và ô nhiễm môi trường từng bước
được quan tâm xử lý. Tùy thuộc vào công nghệ luyện kim được sử dụng mà các
chất thải sinh ra có những đặc trưng khác nhau.

- Về khí thải: Đây là dạng chất thải chủ yếu từ các nhà máy luyện kim, đặc biệt là
các nhà máy hỏa luyện do sử dụng năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch và/hoặc điện
năng để thiêu kết quặng. Thành phần khí thải chủ yếu là bụi, NOx, SO2, CO2, CO và
KLN. Khí thải thường sinh ra từ các lị thiêu kết, có nhiệt độ cao nên thường được
thu hồi để tận dụng nguồn nhiệt và tận thu các kim loại có ích, đồng thời xử lý các
chất ô nhiễm trước khi thải ra khí quyển. Hệ thống thu hồi và xử lý khí thải thường
được trang bị đồng bộ và tích hợp trong dây chuyền công nghệ nên đảm bảo được
khả năng vận hành đạt tiêu chuẩn [14].
- Về chất thải rắn: Chủ yếu là tro xỉ và bụi được thu hồi (từ quá trình hỏa luyện),
bùn thải từ quá trình thủy luyện và điện phân, tuyển khoáng. Các chất thải rắn này
thường được tái sử dụng để làm vật liệu xây dựng (như làm gạch, phụ gia bê tông),
hoặc được nghiên cứu tận thu các khống sản có ích. Trong một số trường hợp, bùn
17


thải từ quá trình luyện kim là các chất thải nguy hại nên được thu gom và xử lý bởi
các đơn vị có chức năng [14].
- Về nước thải: Tại các nhà máy luyện kim, nước thải chủ yếu là nước làm mát cho
các lò thiêu quặng, nước làm nguội khí lị, làm nguội sản phẩm [14]. Lượng nước
thải này sẽ được tuần hoàn tái sử dụng và chỉ một lượng rất ít nước thải xả ra mơi
trường. Đối với các nhà máy thủy luyện và điện phân, lượng nước thải phát sinh
khơng nhiều nhưng lại chứa nhiều hóa chất độc hại từ các phân xưởng tuyển
khoáng, điện phân, phân tích và từ các khu vực xử lý bùn điện phân, ...
Tại các cơ sở thực nghiệm luyện kim, do đặc thù hoạt động nghiên cứu nhiều
loại hình cơng nghệ từ khâu tuyển khoáng đến luyện kim, nên khối lượng và thành
phần ô nhiễm trong nước thải thường biến động và rất phức tạp cần phải được xử lý
triệt để trước khi thải ra mơi trường. Do tính chất phức tạp của nó nên vấn đề quản
lý và xử lý nguồn nước thải này thường rất khó khăn và tốn kém mà chưa mang lại
hiệu quả thiết thực. Do vậy, việc đầu tư nghiên cứu và xử lý nguồn nước thải này là
rất cần thiết và cấp bách.

1.3. Đặc tính và nguồn phát sinh nước thải của cơ sở nghiên cứu thực nghiệm
luyện kim
1.3.1. Đặc tính nước thải
Do đặc thù công nghệ sản xuất tại các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện
kim rất phức tạp, bao gồm rất nhiều các cơng nghệ tuyển khống và luyện kim khác
nhau. Lượng nước thải sinh ra là không nhiều do quy mô sản xuất chỉ dừng lại ở
mức thực nghiệm và/hoặc quy mô bán công nghiệp nhưng thành phần các chất ô
nhiễm trong nước thải lại rất phức tạp. (i) Trong tuyển quặng thường chứa các tạp
chất vơ cơ có hàm lượng chất rắn lơ lửng cao; (ii) Trong hỏa luyện, nước tham gia
vào q trình làm nguội sản phẩm và khí thải lò nung, nước thải thường chứa thành
phần tạp chất của quặng và kim loại luyện; (iii) Trong thủy luyện, dung dịch hòa tan
quặng thường dùng là axit HCl, H2SO4, NaOH hoặc dung dịch muối và nước, nước
thải mang đặc tính của dung dịch hịa tan có lẫn tạp chất ở dạng tan, lơ lửng và kim
18


loại; (iv) Trong gia cơng kim loại, q trình xử lý bề mặt kim loại đều sử dụng nước
để làm sạch và sử dụng hóa chất ở dạng dung dịch để tẩy rửa, mạ bóng, sơn phủ, …
Từ những quá trình này, nước thải sinh ra chứa nhiều chất gây ô nhiễm nguồn nước
như gỉ sắt, kim loại nặng, dầu mỡ, xút, axit, các chất tẩy rửa, …
Như vậy, có thể thấy rằng vấn đề nước thải tại các cơ sở nghiên cứu thực
nghiệm luyện kim là một vấn đề cần phải quan tâm giải quyết. Tuy vậy, việc quản
lý và xử lý nguồn nước thải tại các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim hiện
nay chưa đáp ứng được yêu cầu về điều kiện xả thải. Hầu hết các cơ sở mới chỉ xử
lý sơ bộ do hạn chế về mặt công nghệ. Trên thực tế, số lượng các cơ sở nghiên cứu
thực nghiệm luyện kim là không nhiều, nhưng những ảnh hưởng tới môi trường do
nước thải tại các cơ sở này lại khá lớn do tính chất độc hại của nó.
1.3.2. Nguồn phát sinh nước thải
Nước thải sản xuất của cơ sở nghiên cứu thực nghiệm luyện kim phát sinh từ
hoạt động của các xưởng sản xuất chủ yếu là xưởng điện phân, xưởng luyện kim,

xưởng tuyển khống, khu nhà phân tích, khu vực xử lý bùn điện phân. Quy trình sản
xuất kèm dịng thải và lưu lượng nước thải phát sinh từ các phân xưởng của cơ sở
mơ tả bảng 1.1 và hình 1.9.
Bảng 1.1. Lưu lượng nước thải sản xuất [5]
TT

1
2
3
4

Công suất trung

Công suất lớn

bình (m3/ngày)

nhất (m3/ngày)

10

20

10

15

3

5

Trung tâm phân tích lý hóa.

1,5

2

Tổng cộng

24,5

42

Đối tượng dùng nước
Nước sản xuất tại xưởng tuyển
khoáng (nước thải bàn đãi).
Nước sản xuất tại xưởng luyện kim.
Nước thải sau hòa tách (từ quá trình
xử lý bùn điện phân).

19


Quặng thơ

Nước sạch

Xưởng tuyển khống
(trọng lực, tuyển nổi, điện,
từ)

Đất, cát, KLN

Nước sạch,
axit/bazơ

Xưởng luyện (Hỏa luyện,
thủy luyện, điện phân)

KLN, axit, dầu mỡ

Khu hịa tách,
phân tích mẫu

KLN, axit, dầu mỡ,
hóa chất phân tích

Nước sạch, hóa
chất, axit/bazơ

Kim loại/hợp kim thành phẩm

Hình 1.9. Quy trình sản xuất kèm dịng thải
Đối với xưởng tuyển: Đặc tính nước thải trong khâu tuyển quặng, thường chứa
các tạp chất vơ cơ có hàm lượng chất rắn lơ lửng cao. Ngồi ra cịn có nước rửa sản
phẩm và lắng, gạn lọc sản phẩm, thường mang tính axit và có chứa thành phần kim
loại cần luyện cũng như một số chất hòa tan do hòa tan quặng.
Đối với xưởng luyện: Nước chỉ tham gia vào quá trình làm nguội sản phẩm và
khí thải. Nước thải thường chứa thành phần tạp chất của quặng và kim loại luyện.
Ngoài ra nước thải cịn hịa tan một số khí bị hấp phụ như SO2, CO2, CO làm cho

nước thải có tính axit và tạo ra các hợp chất sunfua, ...[6].
Nước thải từ xử lý bùn điện phân: Lưu lượng nước thải không lớn khoảng 5
m3/ngày đêm. Bùn điện phân được thu gom vào một bể và sau đó được lọc khơ và
đem thiêu sấy trong một lị than. Bùn sau thiêu được hồ tách trong một bể chứa
axít HCl, từ đây sau khi lọc thu được bùn sạch đem luyện lại tại lò điện để thu hồi
thiếc do đó nước thải từ cơng đoạn tách bùn sẽ chứa kim loại nặng và tính axit cao
thể hiện qua độ pH tương đối thấp [6].
Nước thải trung tâm phân tích lý hóa: Trung tâm phân tích hóa lý là khu vực
20


sử dụng các hóa chất để phân tích chất lượng quặng đầu vào và sản phẩm sau quá
trình tinh luyện. Nước thải từ khu vực này không lớn nhưng mức độ nguy hại cao,
lưu lượng nước thải phát sinh khoảng 2 m3/ngày đêm, nước thải chứa kim loại nặng,
axit và một số loại hóa chất khác [4].
1.4. Tổng quan về các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải
Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải như
phương pháp kết tủa hóa học, hấp phụ, oxy hóa khử, điện hóa hay phương pháp sinh
học, … Các phương pháp trên đều mục đích tách kim loại ra khỏi nước thải hoặc đưa
các kim loại nặng về dạng dễ xử lý và ít độc hơn. Các cơ sở lý thuyết, ưu nhược điểm
một số phương pháp xử lý kim loại nặng đang áp dụng hiện nay như sau:
1. Phương pháp kết tủa hóa học
Phương pháp kết tủa hóa học dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào
nước thải với các kim loại cần tách, ở giá trị pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết
tủa và được tách ra khỏi nước bằng phương pháp lắng. Phương pháp thường được
dùng là kết tủa kim loại dưới dạng hydroxit bằng cách trung hòa đơn giản các chất
thải axit. pH kết tủa cực đại của tất cả các kim loại không trùng nhau thường dao
động từ 7 - 11 tùy theo từng kim loại cụ thể. Các hóa chất được sử dụng trong q
trình kết tủa bao gồm NaOH, Ca(OH)2, Na2CO3, Na2S,… Phản ứng kết tủa kim loại
nói chung được mơ tả như sau: Me+n + X-m → MemXn

Trong đó: Me+n là các cation kim loại trong nước như Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cr3+, …
X-m: Các anion hóa chất đưa vào như OH-, S2-, SO42-, PO43-, …
Ví dụ: Sử dụng Ca(OH)2 để kết tủa ion Cr3+ trong nước thải [21] thời gian
phản ứng từ 15 - 20 phút, lượng Ca(OH)2 cần sử dụng là 3,522 g/h với tải lượng
Cr3+ ban đầu 1,65 g/h. Phương trình phản ứng xảy ra như sau:
Cr2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 → 3CaSO4 + 2Cr(OH)3 ↓
Phương pháp kết tủa hóa học hiện nay được sử dụng nhiều để xử lý các kim
loại nặng trong nước thải vì đây là phương pháp đơn giản, dễ sử dụng, hóa chất xử
lý dễ kiếm có sẵn trên thị trường, xử lý được cùng lúc nhiều kim loại, hiệu quả xử
21