Статьи об экологии

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОТХОДОВ ВОДООЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Сучков Д.В.
Санкт-Петербургский горный университет, аспирант,
cjgreykot@gmail.com

Аннотация: Исследование посвящено оценке возможности применения отходов водоочистных сооружений (на примере золы сжигания осадка сточных вод) в качестве компонента строительных материалов. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего патентно-информационный анализ проблемы на основе разработок российских и зарубежных ученых и лабораторные методы изучения состава и свойств золы. В ходе исследования определен IV класс опасности отхода и установлено соответствия золы требованиям, выдвигаемым к компонентам легких бетонов. По итогам испытаний подтверждена сохранность прочностных свойств золобетона при использовании золы в качестве замены части цемента. Полученные данные позволяют говорить о потенциальной возможности применения отхода в производстве строительных материалов. Использование продукции в перспективе обладает как значительным ресурсосберегающим, так и экономическим эффектом.
Работа выполнена при поддержке Научно-образовательного центра коллективного пользования высокотехнологичным оборудованием Санкт-Петербургского горного университета.
Ключевые слова: водоотведение; зола; золобетон; осадок сточных вод; отходы; строительные материалы; тяжелые металлы.
Введение. Сложившая система обращения с отходами производства и потребления в России сталкивается с рядом острых проблем. Так, Президент РФ в послании Федеральному Собранию от 15.01.2020 г. подчеркивает, что в ближайшее время необходимо кардинально снизить объем отходов, поступающих на полигоны и в целом переходить на экономику замкнутого цикла.
Тем временем, неотъемлемой частью работы любых современных очистных сооружений является обращение с осадком сточных вод (ОСВ). Чаще всего данный отход размещается на полигонах складирования и не подлежит повторному использованию. При этом происходит изъятие земельных площадей под объекты размещения и сопутствующее загрязнение атмосферы, почвы и водных объектов.
Наиболее актуальна данная проблема в условиях мегаполиса. Так, государственное унитарное предприятие «Водоканал Санкт-Петербурга» на протяжении более 10 лет добивается снижения количества отходов путем сжигания ОСВ в печах псевдоожиженного слоя. Тем не менее, объемы золы, образующейся в результате деятельности трех заводов сжигания, все еще достаточно велики (~50 тыс. тонн в год по данным Постановления Правительства Санкт-Петербурга от 11.12.2013 № 989 «Об утверждении схемы водоснабжения и водоотведения Санкт-Петербурга на период до 2025 года с учетом перспективы до 2030 года»). Отход в полном объеме вывозится на полигоны складирования
«Волхонка-2» (закрыт для ввоза отходов) и «Северный» (заполнен более чем на 91% от проектной мощности). Наличие полигонов в непосредственной близости от жилых кварталов является актуальной экологической проблемой. Прекращение вывоза золы на полигон с перспективой утилизации уже размещенного отхода не только предоставит возможность освободить часть площадей объекта, но и снизить негативное воздействие на окружающую среду в будущем.
Для золы ОСВ как вторичного ресурса существует широкий перечень перспектив применения в народном хозяйстве. Согласно ИТС 10-2019 «Очистка сточных вод сиспользованием централизованных систем водоотведения поселений, городских округов», производство почвогрунтов и искусственных грунтов на основе ОСВ и продуктов их переработки является универсальным методом, гарантирующим полную утилизацию отходов [3, 6]. Также известны исследования, посвященные использованию отхода в сельском хозяйстве, рекультивации нарушенных земель и строительстве [1,2].
Тем временем, рост спроса на строительные материалы требует поиска альтернатив их получения из разных источников, в том числе – из ОСВ и продуктов их переработки. Существует ряд исследований, посвященных получению кирпича, керамики, цемента, заполнителей для бетона и т.д. из отходов водокоммунального хозяйства [4, 5]. В целях экологической и санитарной безопасности также возможно осуществлять переработку золы ОСВ с получением качественного золобетона [9].
Исследование нацелено на решение актуальной проблемы полезной утилизации отходов водоочистных сооружений (на примере золы сжигания ОСВ) с перспективой их использования в производстве строительных материалов.
Цель исследования – разработка способа полезной утилизации золы сжигания ОСВ. Объектом исследования является зола сжигания ОСВ ГУП «Водоканал Санкт- Петербурга», предметом – потенциал использования золы в составе строительных материалов (золобетон).
Основные этапы (задачи):
Анализ существующей системы обращения с отходами производства и потребления;
Поиск эффективных направлений утилизации золы (патентно-литературный анализ);
Определение класса опасности золы;
Разработка способа использования золы в качестве компонента строительных материалов (золобетона)
Научной новизной работы является установление соответствия золы требованиям, выдвигаемым к компонентам легких бетонов.
Практическая значимость работы заключается в разработке состава золобетона с использованием золы в качестве замены части цемента, в перспективе представляющей собой активную минеральную добавку, обладающую вяжущими свойствами и способную улучшать прочностные характеристики бетона.
Можно выделить основные направления перспективного использования золобетона:
ремонт автомобильных дорог (включая формирование дорожных откосов);
строительство;
благоустройство городских территорий.
Все перечисленные направления являются чрезвычайно актуальными в условиях мегаполисов и промышленных агломераций.
Расчет класса опасности отхода. Внешне объект исследования представляет собой тонкодисперсный порошок коричневого оттенка. Для подтверждения возможности полезного использования отхода необходимо установить его опасность для окружающей среды. В случае золы основным поллютантом в составе являются тяжелые металлы (ТМ). Чтобы оценить степень загрязненности золы ТМ, необходимо в первую очередь установить их содержание в пробе и соответствие нормативам качества ГН 2.1.7.2041-06 и ГН 2.1.7.2511-09.
На основе данных о качественном составе отхода, полученных при помощи метода рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) посредством портативного анализатора металлов Niton XLt 898, выбран перечень элементов для последующего количественного анализа: Pb, Zn, Mn, Fe, Cu, Mo. Для выполнения измерений методом атомноабсорбционной спектроскопии использован спектрометр модели ААС-7000 (Shimadzu, Япония) по методике М-МВИ-80-2008 «Методика выполнения измерений массовой доли элементов в пробах почв, грунтов и донных отложениях методами атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектрометрии». Зафиксированы следующие превышения соответствующих нормативов: Zn (7,9 ОДК), Pb (6,3 ПДК), Cu (3,7 ОДК). Суммарный показатель загрязнения равен 15,9 (низкая степень загрязнения согласно МУ 2.1.7.730-99
«Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест»). Отход отнесен к IV классу опасности при помощи ПО «Расчет класса опасности отходов 2.0», что подтверждено результатами биотестирования водной вытяжки с использованием тест-культуры водоросли хлорелла по соответствующей методике [10].
Оценка возможности использования отхода в составе строительного материала. Как компонент бетонной смеси, зола должна соответствовать ряду требований, установленных нормативной документацией. Соответствие ее указанным требованиям было установлено в ходе ряда испытаний состава и свойств отхода.
По результатам испытаний отход охарактеризован как кислая (кремниевая) легкая зола средней плавкости. По гранулометрическому составу зола однородна (коэффициент неоднородности Кн=0,45), состоит в основном из тонких частиц; дисперсность (по остатку на сите 0045) соответствует 3-му классу. Зола удовлетворяет основным требованиям, выдвигаемым при использовании отхода в качестве компонента бетона, по химическому составу (содержанию оксидных форм CaO, включая содержание свободного CaO, MgO, SO3, Na2O), а также входит в допустимый диапазон значений влажности, плотности и крупности [7, 8].
Следует отметить, что для кислых зол суммарное содержание SiO2+Fe2O3+Al2O3 не должно быть меньше 65% масс. Установленное значение (61,9% масс.) несколько ниже требуемого показателя. Ввиду того, что метод анализа (РФА) является полуколичественным, результат можно считать удовлетворяющим требованию. Применение золы допустимо, если при проведении дальнейших испытаний будут обеспечиваться требуемые показатели золобетона.
Оценка прочностных свойств золобетона. На основании литературно-патентного анализа был предложен следующий состав контрольного образца золобетонной смеси:
«ЦЕМЕНТ»:«ПЕСОК»:«ВОДА» = 1:3:0,5. В опытных образцах зола заменяет часть цемента из расчета 5-10-15-20-25-30-50% (по массе). Окончательный состав образцов был уточнен с учетом показателей нормальной густоты цементного теста (согласно ГОСТ 310.3-76 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема с использованием прибора Вика»). Цементное тесто было приготовлено ручным способом, с использованием чаши и лопатки.
Испытание прочности образцов-балочек из цементного теста при изгибе (с помощью приспособления к прессу ПИ) и при сжатии (с использованием пресса гидравлического настольного) выполнено согласно ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии» и ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» с использованием испытательной машины на сжатие и растяжение при изгибе ToniPRAX (Германия). Образцы были испытаны в возрасте 29 суток. По результатам испытаний образцам золобетона присвоены класс или марка по следующим параметрам: плотность (марка D), прочность на изгиб (класс Btb) и на сжатие (класс B, марка М) в соответствии с ГОСТ 25820-2014 «Бетоны легкие. Технические условия».
По итогам измерений, ряд опытных образцов совпал по значениям параметров прочности с образцом-контролем (D1300; Btb2; B15; M200). Таким образом, исследование подтверждает сохранность прочностных свойств золобетона при замене золой цемента в количестве, установленном в ходе испытаний в аккредитованной лаборатории Центра коллективного пользования Санкт-Петербургского горного университета.
Заключение. Производство золобетона на основе золы ОСВ решает следующие задачи:
полезная утилизация отхода;
освобождение площадей объекта складирования отхода и уменьшение негативного воздействия на окружающую среду;
получение легкого золобетона, перспективного для использования в строительстве, ремонте автомобильных дорог и т.д.
При этом использование продукции обладает значительным ресурсосберегающим эффектом: за счет утилизации отхода и за счет снижения объемов цемента, требующегося для производства бетона, а также эффектом экономическим, поскольку замена части цемента при изготовлении золобетона снижает его себестоимость. Строительный материал может быть успешно реализован заинтересованным организациям-застройщикам и дорожным строителям.
По итогам научного исследования готовится к подаче заявка на изобретение РФ. Предлагаемый подход к разработке состава сырьевой смеси для получения легкого бетона на основе золы сжигания ОСВ позволяет устранить ряд недостатков существующих способов применения термически обработанных отходов для производства строительных материалов, выявленных в ходе литературно-патентного анализа.

Литература
Cieślik, B.M., Namieśnik, J., Konieczka, P. (2015) Review of sewage sludge management: standards, regulations and analytical methods. Journal of Cleaner Production, V. 90, pp. 1-15.
Healy, M.G., Clarke, R., Peyton, D., Cummins, E., Moynihan, E.L., Martins, A., Béraud, P., Fenton, O. (2015) Resource recovery from sewage sludge. Sewage Treatment Plants: Economic Evaluation of Innovative Technologies for Energy Efficiency (eds. Katerina Stamatelatou, Konstantinos P. Tsagarakis), London, UK: IWA Publishing, 376 p.
Herzel, H., Krüger, O., Hermann, L. Adam, C. (2016) Sewage sludge ash – a promising secondary phosphorus source for fertilizer production. Science of The Total Environment, V. 542, Part B, pp. 1136-1143.
Li, J., Poon, C.S. (2017) Innovative solidification/stabilization of lead contaminated soil using incineration sewage sludge ash. Chemosphere, V. 173, pp. 143-152.
Lynn, C.J., Dhira, R.K. Ghataora, G.S. West, R.P. (2015) Sewage sludge ash characteristics and potential for use in concrete. Construction and Building Materials, V. 98, pp. 767-779.
Smola, M., Kulczyckab, J., Henclika, A., Gorazdac, K., Wzorek, Z. (2015) The possible use of sewage sludge ash (SSA) in the construction industry as a way towards a circular economy. Journal of Cleaner Production, Vol.95 (eds. Donald Huisingh): Elsevier, p. 45-54.
Данилович И.Ю., Сканави Н.А. Использование топливных шлаков и зол для производства строительных материалов / И.Ю. Данилович, Н.А. Сканави. – М, 1988.
Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Справочник по строительному материаловедению / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин. – М, 2010.
Дрозд Г.Я. Переработка осадков сточных вод: инновационное предложение для водоканалов // Справочник эколога. – №8. – 2015.
Министерство природных ресурсов и экологии РФ (2014) Приказ от 4 декабря 2014 года N 536 «Об утверждении Критериев отнесения отходов к I-V классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду».

Проект "Климат и экология" реализуется при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации