LECTURE PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH VÀ ĐÓNG RẮN CHẤT THẢI NGUY HẠI

10/3/2015

CHƯƠNG 5

PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH VÀ ĐÓNG RẮN CHẤT THẢI NGUY HẠI GVHD:PGS.TS. NGUYỄN TẤN PHONG Email: ntphong@hcmut.edu.vn

GIỚI THIỆU Phương pháp ổn định và đông rắn thường được ứng dụng rộng rãi trong quản lý chất thải nguy hại: - Xử lý chất thải công nghiệp; - Xử lý chất thải trước khi bỏ ra các bãi chôn lấp an toàn, hợp vệ sinh.

- Xử lý các vùng đất bị ô nhiễm mà ở đó có một lượng lớn rác chứa đựng các chất độc hại.

1

10/3/2015

ĐỊNH NGHĨA • Ổn định: phương pháp sử dụng chất phụ gia làm giảm tính nguy hại tự nhiên của chất thải bằng cách chuyển đổi chất thải và các thành phần nguy hại của nó thành một dạng mới có tỷ lệ chất gây ô nhiễm ở mức tối thiểu hoặc làm giảm mức độ độc hại của chất thải.

• Đóng rắn: quá trình làm đông đặc một khối lượng lớn vật chất, bao gồm những vật thể rắn, những chất thải nguy hại.  Trong xử lý, người ta thường kết hợp song song cả 2 quá trình ổn định và đông rắn chất thải nguy hại..

QUY TẮC • Loại bỏ những chất thải nguy hại đến sức khỏe cộng đồng, mang lại lợi ích xã hội và môi trường yêu cầu ứng dụng những công nghệ hiệu quả và lâu dài.

• Phương pháp ổn định cũng có thể được ứng dụng để xử lý các vấn đề khác, chẳng hạn như xử lý sinh học hoặc thiêu đốt.

2

10/3/2015

ỨNG DỤNG Công nghệ ổn định được ứng dụng trong lĩnh vực: * Chôn lấp - ổn định các chất thải trước khi đem chôn lấp an toàn * Xử lý những nơi ô nhiễm – phục hồi những vùng bị ô nhiễm * Đóng rắn những chất thải công nghiệp – ổn định các chất thải không nguy hại, như bùn cặn.

CƠ CHẾ Đóng gói kích thước lớn Đóng gói thước nhỏ

Khử độc

Cơ chế Kết tủa

Hấp phụ

Hấp thụ

3

10/3/2015

ĐÓNG GÓI KÍCH THƯỚC LỚN Là cơ chế mà ở đó các thành phần của chất thải độc hại bị giữ bên trong một cấu trúc lớn hơn.

Thành phần độc hại bị giữ bên trong lỗ rỗng của vật liệu ổn định.

ĐÓNG GÓI KÍCH THƯỚC NHỎ Là cơ chế mà ở đó các thành phần của chất thải

độc hại bị giữ bên trong cấu trúc tinh thể của khối chất rắn ở mức vi mô.

Cho dù chất ổn định bị thoái hóa thành thì các chất thải độc hại vẫn bị giam giữ lại.

Chất thải bên trong vật liệu ổn định được giữ yên

là nhờ vào sự ổn định của chất kết dính.

4

10/3/2015

HẤP THỤ Là quá trình mà chất gây ô nhiễm được đưa vào bên trong chất hấp thụ.

Các chất hấp thụ phổ biến nhất gồm có: - Đất (soil) - Tro bay (fly ash) - Bụi lò ximăng - Bụi lò vôi - Vật liệu sét gồm: đất sét bentonit, kaolinite…

- Mạc cưa - Cỏ khô và rơm

HẤP PHỤ Là quá trình các chất gây ô nhiễm tạo liên kết điện-hóa với các tác nhân ổn định trong chất kết dính.

Hiện tượng bề mặt và liên kết tự nhiên được gây ra bởi hiệu ứng Van De Waals (tạo ra bởi hiện tượng phân cực trong phân tử) hoặc liên kết hydro.

5

10/3/2015

KẾT TỦA Là quá trình kết tủa chất ô nhiễm từ chất thải.

Chất kết tủa là các hydroxide, sulfide, silicate và phosphate và được chứa trong khối ổn định.

Quá trình này có thể được áp dụng để ổn định các chất vô cơ như bùn chứa huydoxide kim loại.

Me(OH)2 + H2CO3 -> MeCO3 (kết tủa) + 2H2O

KHỬ ĐỘC Là cơ chế làm thay đổi một thành phần hóa học này thành một dạng khác ít độc hại hơn, thậm chí không còn độc tính.

Ví dụ: dùng vật liệu cement trong quá trình ổn định để làm giảm crom +6 bằng cách chuyển thành crom +3 (Crom +3 có độ hòa tan và độ độc hại thấp hơn crom +6).

6

10/3/2015

CÔNG NGHỆ Xi măng

Thủy tinh hóa

Pozzolan

Vật liệu nhựa nhiệt dẻo

Vôi

Đất sét hữu cơ

Silicat

XI MĂNG • Phổ biến nhất là xi măng Portland.

• Tạo thành từ hỗn hợp đá vôi và đất sét (hoặc silicate) ở to cao.

• Thành phần chính là 2CaO.SiO2 và 3CaO.SiO2.

• Phản ứng chính của xi măng Portland là: 3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO.Al2O3.6H2O + nhiệt

7

10/3/2015

XI MĂNG Bảng thể hiện sự tương thích và không tương thích của chất thêm vào Xi măng

Pozzola

Nhựa dẻo

Polyimer hữu cơ

ĐC, B, H

ĐC, B, H

H

ĐC

ĐC, B, H

ĐC, B

H

n Chất hữu cơ không phân cực Chất hữu cơ phân cực Axit Chất oxi hóa Muối

Ph, Ch ĐC, B

Ph, Ch

ĐC

Kim loại nặng Chất phóng xạ ĐC B H Ph Ch

Đông cứng Độ bền Bay hơi Phá hủy Cháy

XI MĂNG - Chất độc hữu cơ cản trở quá trình hydrat hóa, làm

giảm độ bền và khó ổn định.

- Chúng có thể làm giảm hình thành cấu trúc tinh thể kết quả là tạo thành vật liệu vô định hình.

- Những chất thêm vào làm ổn định hỗn hợp xi măng, giảm chất độc hữu cơ và làm tăng ổn định của xi măng.

8

10/3/2015

POZZOLANDS • Là chất phản ứng với nhôm, silic, vôi, và nước hình thành sản phẩm giống bê tông được gọi là bê tông Pozzolan.

• Vật liệu gồm tro, xỉ đất lò luyện gang và bụi khi nung xi măng.

• Cấu trúc của Pozzolan chủ yếu có 45% SiO2, 25% Al2O3, 15% Fe2O3, 10% CaO, 1% MgO, 1% K2O, 1% Na2O và 1% SO3.

VÔI • Ổn định bùn thường bổ sung Ca(OH)2, hoặc vôi.

• Phản ứng của canxi với vôi và aluminiosilicates trong chất thải hình thành hydrat canxi silicat, canxi nhôm, canxi hoặc aluminosilicate.

• Vôi - ổn định là thích hợp nhất cho các chất ô nhiễm vô cơ và đã được sử dụng rộng rãi cho bùn có chứa kim loại.

9

10/3/2015

SILICAT • Silicat được axit hóa để tạo thành một dạng axit monosilic.

• Ngoài ra, kết hợp dung dịch silicat hòa tan và xi măng làm tăng hiệu quả trong việc ổn định đất bị ô nhiễm chì, đồng và kẽm nồng độ cao.

ĐẤT SÉT HỮU CƠ • Đất sét hữu cơ là do đất sét tự nhiên được biến đổi để có nguồn gốc từ hữu cơ.

• Thay thế các cation vô cơ trong cấu trúc đất sét, kết hợp với các cation hữu cơ, các ion amoni bậc bốn. Sau đó, các phân tử hữu cơ được hấp phụ trong cấu trúc tinh thể của đất sét hình thành khi có hiện diện của chất gây ô nhiễm hữu cơ.

10

10/3/2015

ĐẤT SÉT HỮU CƠ • Các ion hữu cơ gắn liền với đất sét dễ dàng hấp thụ các hữu cơ khác.

• Hiệu quả của đất sét hữu cơ trong sự ổn định của chất có chứa chất hữu cơ là do sự hấp thụ của chất gây ô nhiễm hữu cơ trong đất sét

VẬT LIỆU NHỰA NHIỆT DẺO • Bao gồm nhựa đường, dầu hỏa, nhựa đường,

polyethylene, polypropylene và lưu huỳnh.

• CTNH có thể được ổn định bằng cách kết hợp vật liệu nhựa nhiệt dẻo nóng chảy với các chất thải ở nhiệt độ cao.

• Chất thải được ổn định để không còn nguy hiểm. Sau đó được xử lý.

• Chất thải nhựa nhiệt dẻo ổn định hoàn toàn lọc được và phân hủy sinh học.

11

10/3/2015

THỦY TINH HÓA

• Ứng dụng: xử lý chất thải nguy hại • Thủy tinh hóa: sự đóng rắn và ổn định bởi vì nó làm cho các chất thải có cấu trúc ổn định hơn để giảm chất gây ô nhiễm ra môi trường.

THỦY TINH HÓA TẠI CHỖ • Nhiệt độ cao để làm tan chảy đất thành một khối nóng chảy.

• Khi dòng điện chạy qua đất, nhiệt tích tụ, cuối cùng đất tan chảy. Nóng chảy, đất trở nên dẫn điện hơn và khối lượng nóng chảy sẽ thành trung gian truyền nhiệt.

• Kết quả sản phẩm rất giống với thủy tinh Obsidian, được hình thành bởi quá trình thủy tinh hóa của tự nhiên.

12

10/3/2015

THỦY TINH HÓA TẠI CHỖ • Khi nhiệt độ tăng, các chất hữu cơ bay hơi và sau đó pyrolyze (phân hủy trong điều kiện thiếu ôxy) thành các thành phần nguyên tố.

• Khí di chuyển chậm qua khối nóng chảy (đó là độ nhớt) trên bề mặt, và những chất khí dễ cháy sẽ thoát ra và thu lại để xử lý đảm bảo tiêu chuẩn khí thải. Vì nhiệt độ cao của sự tan chảy (1600 đến 2000oC), chất ô nhiễm còn lại thành cặn lắng. (thủy tinh).

THỦY TINH HÓA TẠI CHỖ • Chất gây ô nhiễm vô cơ xử lý một cách tương tự Ví dụ, nitrat thành khí nitơ (N2) và oxy (O2).

• Thủy tinh hóa tại chỗ đã được sử dụng trong một số dự án tại địa điểm Superfund ở Washington, nơi 3100 tấn đất bị ô nhiễm.

• Kết quả thực hiện trên bãi chôn chất thải cho thấy thủy tinh hóa có thể làm bất động hoặc phá hủy các chất ô nhiễm độc hại và cả phóng xạ và giảm 75% thể tích.

13

10/3/2015

THỦY TINH HÓA TRONG NHÀ MÁY

• Công nghệ sử dụng lò làm thủy tinh hoạt động ở 1600oC..

• Công nghệ có 2 tiềm năng xử lý chất thải nguy hại, đặc biệt là đất bị ô nhiễm, và tạo ra một sản phẩm tái chế.

Các phương án ổn định-đóng rắn tại hiện trường

14

10/3/2015

TIÊU CHÍ LỰA CHỌN QUY TRÌNH ỔN ĐỊNH

1 2 3 4 5

• Đặc tính của chất thải • Quá trình chế biến và xử lý vật liệu • Mục đích ổn định • Yêu cầu của pháp luật • Kinh tế

TRỘN BẰNG TRỐNG (THÙNG) CTNH

Hóa chất (phụ gia)

Xáo trộn Chức năng Vận chuyển đóng rắn

15

10/3/2015

TRỘN BẰNG TRỐNG (THÙNG)

Được ứng dụng rộng rãi

Thực hiện bằng cách điều khiển robot từ xa

TRỘN TẠI CHỖ

Lộ được khoan tới độ sâu mong muốn

Lớp đất được xới lên và xáo trộn Vữa sẽ được cho vào để ổn định

16

10/3/2015

TRỘN TẠI CHỖ

TRỘN TẠI CHỖ

Tỉ lệ pha trộn là : 100 phần bùn : 5 phần vôi : 5 phần xi măng Hỗn hợp được trộn bằng máy xúc và đưa vào bằng cần trục dài.

Có thể thay máy xúc bằng vòi phun để giảm tiếng ồn , tăng xáo trộn.

17

10/3/2015

TRỘN TẠI CHỖ

Quan sát bằng mắt Không chứa nước Tiêu chuẩn đánh giá sự kết dính

Có thể xút bằng thùng mà không bị tràn Tỉ lệ hóa chất cố định từ 1-6

TRỘN TẠI CHỖ

Kỹ thuật trộn tại chỗ phổ biến nhất là kỹ thuật xi măng đất với các ưu điểm sau: Thiết bị nhỏ

Tiết kiệm chi phí

Tận dụng thiết bị có sẵn

Ít tiếng ồn

Xử lý được các vũng, hố lớn

18

10/3/2015

MÁY TRỘN

Phụ gia và chất thải nguy hại được cung cấp liên tục hoặc theo mẻ.

Thiết bị sử dụng có thể bao gồm máy nhào đất và máy đúc ép.

3. Máy trộn

Quá trình theo mẻ: cố định được thời gian tiếp xúc.

Quá trình liên tục: cung cấp chất thải và phụ gia liên tục, tạo tiếp xúc nhờ máng vận chuyển và thiết bị xáo trộn.

Chất thải sau khi xử lý được thải bỏ ở bãi chôn lấp.

Máy trộn được sử dụng ở những nơi rộng lớn, thiết bị có thể di chuyển dễ dàng.

19

10/3/2015

Thiết kế quá trình ổn định – đóng rắn

THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH

Có 2 yếu tố quan tâm: đặc tính của chất thải và vị trí thực hiện

Vấn đề quan trọng là mối tương quan thấp giữa quy mô nghiên cứu PTN và thi công tại hiện trường.

Khó khăn: liên quan đến quá trình xáo trộn giữa chất thải và hóa chất.

20

10/3/2015

QUY TRÌNH THIẾT KẾ

QUY TRÌNH THIẾT KẾ

21

10/3/2015

THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH

Nghiên cứu khả năng xử lý bao gồm lựa chọn và hoàn thiện chất kết dính để giảm hoặc loại bỏ tính nguy hại của chất thải.

Việc hoàn thiện công thức của quá trình ổn định là một nghệ thuật.

Lựa chọn công thức phù hợp dựa trên t/c của chất thải kết hợp với các tài liệu trước đó và kinh nghiệm của công ty.

Ví dụ 11-1: Đánh giá chôn lấp so với phương pháp ổn định.

- Σm = 120.000 tấn - Xe tải mang 31.500 pound - L = 850 dặm - Chi phí chở: $2/dặm - Chi phí ổn định: $67/tấn

Chi phí ổn định: $67/tấn x 120.000 tấn = $8.040.000

Chi phí xe tải: (120.000 tấn × 2.000 pound/ tấn)/ 31.500 pound/xe tải = 7.619 xe 7.619 xe × 850 dặm/ xe × $2/dặm = $12.952.381

Phương pháp ổn định sẽ hiệu quả về mặt chi phí hơn.

22

10/3/2015

VD 11-2: Đánh giá hiệu quả của ổn định Thông số

Bùn chưa xử lý

Bùn đã xử lý

% giảm

Ar

0.724

0.049

93.2

Cd

3.3

0.126

96.2

Cr

0.566

1.16

-104.9

Cu

3.86

3.2

17.1

Fe

48.4

1.57

96.8

Chì

0.328

0.019

92.0

Mn

11.5

1.48

87.0

Kẽm

120

3.02

97.5

Nồng độ Cr cao là do biến đổi nhiều và có hóa trị là +6. Quá trình ổn định nên xem xét việc giảm Cr đầu tiên đến hóa trị +6 và sau đó là sự kết tủa của Crom hydroxit.

Ví dụ 11-3 Tại bãi chôn lấp an toàn, chất thải đã được ổn định với tro bay mang có tính kiềm có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện sử dụng than ở phía Tây.

Vật liệu được pha trộn sau đó được vận chuyển đến bãi chôn lấp và trải đều bằng xe ủi đất.

Thành phần: 14% dầu và mỡ, 2,2% TOC, và 72% chất thải rắn bay hơi bao gồm 180mg/kq 1,1,1 –trichloroethane, 71mg/kg butylbenzylpthalate, 15mg/kg cadmium, 150mg/kd đồng, 20mg/kg chì, 15mg/kg kẽm. Ổn định theo tỉ lệ 1.2 phần tro bay vào 1 phần chất thải theo khối lượng.

23

10/3/2015

Ví dụ 11-3 Cường độ kháng nén nở tự do là 1758kg/m2 ở thời điểm khuấy trộn và 48,828 kg/m2 sau 6 ngày đóng rắn.

Kết quả phân tích : 89% tổng chất rắn, 14% chất rắn bay hơi, bao gồm 1.5mg/kg 1,1,1 –trichloroethane, 1,1 mg/kg 4-methyl- 2 – penatone, 12 mg/kg toluene, 14mg/kg ethyl benzen, và 25mg/kg tổng xylen.

• Yêu cầu: tính toán nồng độ chất ô nhiễm được loại bỏ dựa trên sự pha loãng.

•Xác định quá trình khác mà có thể làm giảm nhiều hơn nữa nồng độ chất ô nhiễm.

Phương pháp giải ví dụ 11-3 Co x W w = Cf (W w + W FA) Co : nồng độ chất ô nhiễm ban đầu Ww: khối lượng chất thải WFA : nồng độ chất ô nhiễm cuối cùng Co/ Cf = (W w + W FA)/ W w = (1.0 + 1.2)/ 1.0 = 2.2 Cf/ Co = W w / (W w + W FA = 1.0 +( 1.2/+1.0) = 0.45

24

10/3/2015

Phương pháp giải ví dụ 11-3 Nồng độ chất ô nhiễm bằng 45% nồng độ ban đầu đó là kết quả của sự pha loãng, điều này có nghĩa là giảm 55%, bao gồm cả thay đổi tỷ trọng.

Kim loại có thể phản ứng trong xi măng porland với tro bay.

Các chất dễ bay hơi có thể bay ra trong suốt quá trình xử lý mở rộng.

Nhiệt từ phản ứng pozzolanic làm tăng tốc độ của quá trình bay hơi.

Quá trình hydrat hóa phụ thuộc vào thời gian.

NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG 1

Nghiên cứu của US EPA ở hệ thống ổn định tại chỗ cho đất bị ô nhiễm PCB.

Sử dụng phụ gia riêng biệt + đất sét hữu cơ bị biến đổi và trộn dưới đất ở một độ sâu.

Chi phí xử lý năm 1989 ước tính là 110$/tấn. .

25

10/3/2015

NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG 1

Kết quả kiểm tra Tích cực

Độ bền nén cao

Sản phẩm có cấu trúc dày và ổn định

Độ thẩm thấu thấp

Độ xốp thấp

NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG 1

Kết quả kiểm tra Chưa đạt Phân tích mẫu nước rò trước và sau xử lý đều không đạt yêu cầu Quá trình đóng băng – tan băng làm vật liệu ổn định biến chất.

Nghiên cứu theo dõi 1 năm nhưng kết quả không được chấp nhận.

26

10/3/2015

NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG 2

Năm 1974, nhà máy The Leigh thực hiện đóng bao lượng lớn CHC và VC trong một loại đá tổng hợp.

Mục đích: đảm bảo an toàn, không thấm nước, không gây ô nhiễm và không rĩ nước.

NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG 2

Kết quả kiểm tra Nhiều vật liệu yếu hơn so với yêu cầu, hệ số thấm thấp.

Nước tự do trong cái hố có nồng độ phenol lên đến 140mg/L

Nguyên nhân do năm 1980 sử dụng ít xi măng trong quá trình ổn định.

27

10/3/2015

NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG 2

Kết quả kiểm tra

Trường hợp này cần phải kiễm tra liên tục, đánh giá, quan trắc.

Thay đổi hóa chất ổn định và tỉ lệ trộn cũng như sự thay đổi bản chất của chất thải.

NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG 3

Một nhà máy sx thép xử lý Cadmi, Cr (IV), Ni, và CN bằng cách trộn vôi, tro với xi măng Pozzoland

Chất ô nhiễm được cố định trong cấu trúc của canxi aluminosilicat trong quá trình hydrat hóa.

28

10/3/2015

NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG 3

Kết quả Thành công trong việc giảm đáng kể sự di chuyển của các thành phần nguy hại Kết quả kiểm tra độc tính EP và TCLP đều đạt.

Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP): phương pháp chiết độc tính.

Extration Proceduce Toxicity Test (EP): kiểm tra độc tính bằng phương pháp chiết

NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG 4

Quá trình ổn định đất cát bị ô nhiễm cadmi được thực hiện tại địa điểm công nghiệp ở New York.

Tổng nồng độ cadmi trong sỏi và đất gần 130mg/L. kiểm tra nồng độ TCLP là 2.2 mg/L vượt quá giới hạn quy định là 1.0mg/L. Từ nghiên cứu và vật liệu sẵn có, hỗn hợp vữa 25% xi măng với 1 phần sulfate sắt đã được chọn và ổn định bằng kỹ thuật xi măng đất.

29

10/3/2015

NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG 4

Kết quả

Lấy mẫu ở 39 vị trí tại hiện trường, tất cả điều không phát hiện hàm lượng cadmi.

Dự án này được xem như là thành công bởi vì nó đúng tiến độ và dưới ngân sách, nhận được sự đồng tình từ địa phương.

30