Отходы очистных сооружений и древесноугольного производства как корректирующая добавка в производстве керамзита

УДК 661.179: 504.052

Ю. Н. Картушина, И. Г. Шайхиев, Д. С. Ананьев

ОТХОДЫ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ДРЕВЕСНОУГОЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА КАК КОРРЕКТИРУЮЩАЯ ДОБАВКА В ПРОИЗВОДСТВЕ КЕРАМЗИТА

Ключевые слова: керамзит, угольные отходы, легкоплавкие глины, очистные сооружения, вспучивание.

Проведено исследование в области технологии получения керамзита с вспомогательными добавками в виде отходов после биологической очистки сточных вод и древесноугольного производства. Проанализировано влияние предлагаемой добавки на вспучивания керамзитового сырья. В статье приведены сравнительные физико-механические характеристики опытных образцов, основные химические реакции, происходящие при обжиге керамзита с добавлением в сырье отходов. Корректирующая добавка из органических примесей избыточного активного ила и угольных отходов создает условия для нормального вспучивания керамзитового сырья. Используя рассмотренный в статье метод получения керамзита, можно решить ряд производственных и экологических проблем.

Key words: expanded clay, coal waste, low-melting clays, treatment facilities, blowing.

The present research was realized in the field of expanded clay production technology with support ingredient as a waste of biological sewage treatment and charcoal production. The iInfluence of the introduced ingredient on the blowing of clay raw materials was analysed. The comparative physical and mechanical characteristics of samples, the main chemical reactions which took place during the firing of clay with addition of waste in raw materials were provided in article. The correcting ingredient contains organic impurity of excess active silt and coal waste created the conditions for normal blowing of clay raw materials. Using the considered method of expanded clay production it is possible to solve a number of production and environmental problems.

Введение

При очистке хозяйственно-бытовых стоков на городских очистных сооружениях образуется осадок (примерно 750 м3 осадка из 100 000 м3 сточной жидкости), под хранение которого отчуждаются обширные территории со специально оборудованными площадками [1]. В результате происходит образование экологически опасных объектов - полигонов складирования осадков сточных вод и активного ила, характеризующихся высокой степенью негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека. При этом переработка и вторичное использование уже образовавшихся и размещенных отходов (относящихся к 4 классу опасности) практически не ведется [2, 3].

Изучаемый вид отхода представляет собой смесь осадка из первичных отстойников и активного ила из илоуплотнителя, с влажностью примерно 80 % и содержанием органических и минеральных примесей [4].

Избыточный активный ил - это сложный органо-минеральный комплекс, органическая часть которого представляет собой биомассу и частично разложившиеся окисленные органические вещества бытовых сточных вод, а также азот- и фосфорсодержащие соединения.

Органическая часть активного ила, в основном, состоит из вещества белкового происхождения (до 50 %) при содержании жиров и углеводов соответственно до 30 и 10 %. Во влажном осадке из первичных отстойников белков примерно в 2 раза меньше, а углеводов в 2,5-3 раза больше, чем в активном иле [4, 5].

Предлагаемое нами направление утилизации осадка сточных вод - применение его в качестве корректирующей добавки при

производстве строительного материала -керамзитового гравия. Этот метод включает в себя термическую обработку отхода, при которой погибают опасные возбудители заболеваний.

Рассматриваемая технология относится к отрасли получения строительных материалов и может быть использовано при утилизации отходов углеобогащения и осадков сточных вод после биологической очистки.

Согласно литературным данным хорошо вспучиваются глинистые материалы, содержащие тонкодисперсные органические примеси в пределах 1-5 %, однако в некоторых случаях недостаток их может быть восполнен соответствующими добавками (нефтяные продукты и отходы древесноугольного производства) [6].

Применение этих добавок обеспечивает некоторое снижение насыпной плотности керамзита, однако не всегда обеспечивается плотность готового продукта [6]. Поэтому основным результатом данного исследования является снижение насыпной плотности керамзита при оптимальных прочностных характеристиках и увеличение коэффициента вспучивания его гранул. Также целью данного исследования будет являться сравнение полученных образцов с добавлением к отходам сточных вод угля и в отсутствии его.

Указанный технический результат достигается тем, что сырьевая смесь для изготовления керамзита включает: глинистое сырье и органоминеральную добавку, содержит в качестве добавок осадок бытовых сточных вод после биологической очистки, отходы древесноугольного производства в соотношении приведенных в таблице 1.

Осадок бытовых сточных вод содержит, масс. %: органические соединения - 28 и

минеральные компоненты - 72 в том числе минеральный азот (нитратный и аммонийный) -0,29; фосфор общий (Р205) - 1,3; калий общий (К20) - 0,46; железо - 56,5 и др.

Таблица 1 - Состав сырьевой смеси I и II

Глинистое сырье,% Осадок после биол. очистки бытовых сточных вод,% Отходы древесноуг. произв., % % общей органики в образце

I II I II I II I II

100 100 0 0 - 0 0 0

90 92 10 5 - 2 3 4

85 87 15 10 - 2 4 5

80 82 20 15 - 2 5 6

75 77 25 20 - 2 6 7

70 72 30 25 - 2 7 8

65 - 35 - - - 8 -

60 - 40 - - - 9 -

55 - 45 - - - 10 -

45 - 55 - - - 15 -

Отходы древесноугольного производства, масс. %: углерод остаточный - 80; 1-15 -минеральные примеси, главным образом карбонаты и оксиды К, Ыа, Са, Мд, Б1, А1, Ре; остальное вода. Влажность отходов углеобогащения составляет 4,5 %, потери при прокаливании - 80 %.

Глинистое сырье имеет следующий химический состав, в пересчете на сухую массу, %: БЮ2 - 53,90; А1203 - 17,60; Ре203 - 6,33; МдО -2,67; СаО - 5,41; Ыа20+К20 - 3,93; ППП - 8,9; органические примеси - 0.

По содержанию тонкодисперсных фракций размером менее 1 мм глинистое сырье относится к среднедисперсному (47,6 %), по числу пластичности (25,5%) - к высокопластичному сырью, по содержанию оксида алюминия (17,60%) - к группе полукислого, по показателю огнеупорности (1060°С) - к легкоплавкому.

Химический состав пробы сырья без осадка удовлетворяет требованиям ОСТ 21-79-88.

Из ГОСТа 25264-82 следует, что содержания органического вещества в керамзитовом сырье должно быть от 1 до 2 %. При увеличении содержания органической добавки в шихте более 5 % керамзит становится крупнопористым, что ухудшает его качество, а снижение температуры понижает эффект вспучивания глинистого сырья [5]. При введении в глину менее 2 % масс. органической добавки ослабевает эффект вспучивания глинистого сырья, что приводит к увеличению насыпной плотности получаемого керамзита. Повышение температуры обжига приводит к сплавлению гранул между собой, что снижает качество и прочность получаемого керамзитового гравия [7].

Экспериментальная часть

Опытные образцы керамзитового гравия получают следующим образом: глинистое сырье высушивают и готовят глинистое тесто нормальной формовочной влажности (30 %), добавляя отходы очистных сооружений (5-55 % масс.) и отходы древесноугольного производства (2 % масс.). Приготовленному тесту дают возможность выдержаться в течение 2-3 ч, после чего формуют гранулы диаметром и высотой 18 мм. и массой 10 г. Предварительную сушку гранул проводят при температуре 100-110 °С в течение полутора часов. Подсушенные гранулы обжигают в электрической камерной муфельной печи в течение 10 мин при температуре 1050-1075 °С. По завершению процесса обжига вспученные гранулы помещают в термошкаф на 20 мин при температуре 300 °С, а затем охлаждают при комнатной температуре. Полученный керамзитовый гравий имеет

поверхностную корку коричневого цвета, тонкую слегка шероховатую.

Первые образцы керамзита были получены по рецепту из таблицы 1. Физико-механические показатели гравия определены по ГОСТ 9757-90.

0 0 4 5 6 7

0345 678 9 10 15 % органики

Рис. 1 - График зависимости коэффициента вспучивания от содержания органики

Из рисунка 1 видно, что при увеличении количества органики в образцах I коэффициент вспучивания растет, однако при достижении в грануле концентрации более 5 % керамзит начинает терять свои прочностные характеристики. Коэффициент вспучивания при данном показателе достигает показателя 1,59, что крайне неэффективно из-за малой пористости.

Источниками газообразования при использовании отходов очистных сооружений в качестве вспучивающей добавки керамзитовых гранул являются практически все минералогические и органические составляющие отхода. В ходе предварительного и основного нагрева гранул происходит выделение водяного пара и кислорода за счет испарения остаточной влаги и удаления химически связанной воды, газообразование вследствие разложения органических веществ, образование диоксида серы, а также угольной кислоты из карбонатов тем самым происходит интенсивная потеря массы гранулы [8].

Причина недостаточной вспучиваемости сырья исходит из состава отходов очистных сооружений, т.к. содержание минеральных компонентов (72 %) в значительной степени

превосходит органических примеси (28 %). Данное условие не может благоприятно влиять на химизм процесса и конечные прочностные характеристики материала и создание оптимальной пористости материала.

Присадка отхода древесноугольного производства к осадку бытовых сточных вод увеличивает количество твердого углерода в смеси и снизит содержание минеральных компонентов отходов очистных сооружений.

Благодаря введенной в глинистое сырье отходов очистных сооружений и угля начинается взаимодействие между углекислым газом и твердым углеродом, и образование в закрытых порах избыточного давления за счет выделения окиси углерода (уравнение 1).

С02+С <-> 2СО;

Окись углерода создает восстановительную среду (при Т > 840 К), и оксид железа (III), содержащийся в глинистом сырье и отходах, восстанавливается до магнетита Ре304 и оксида железа (II) с выделением углекислого газа по следующим реакциям (2, 3):

3Ре203 +С0 ^ 2Бе304 +С02;

Образующаяся высокоактивная с малой энергией активации закись железа тут же вступает во взаимодействие с другими составляющими глины; при этом образуется расплав, обладающий оптимальной для вспучивания вязкостью и равномерно распределенной газовой фазой в виде пузырьков СО, СО2 или Н2О. Вследствие выделения таких газов происходит рост гранулы керамзита изнутри, ее хорошее вспучивание.

Вторые образцы керамзита были получены по рецепту из таблицы 2. Физико-механические показатели гравия определены по ГОСТ 9757-90.

Как видно из рисунка 1 при содержании общей органики 5-7 % были достигнута оптимальная вспучиваемость образцов II (к>2), насыпная плотность, плотность керамзита в куске и водопоглащение (16 %) соответствует ГОСТу 25264-82. Чем выше коэффициент вспучивания сырья, тем меньше плотность керамзита, и тем более ценно это сырье для производства керамзита (рис. 2).

560,4 567,5 572.5 575,8 594.2 688,3 3,00 -1-

а 1,оо

0,50 -1--11-и----

ы  .1 (х; ........ 'X х

Насыпная плотность, и:г/м -

Рис. 2 - График зависимость коэффициента вспучивания от насыпной плотности образцов

Удельная теплопроводность керамзита одна из важнейших его характеристик в отношении использования в строительстве, так как именно это свойство наряду с легкостью и прочностью материала делает его применение в строительстве таким популярным. Чем выше коэффициент теплопроводности, тем большее количество тепла проходит через слой изолятора за определенное время и тем, соответственно, ниже его теплозащита [6]. Таким образом, чем больше пористость керамзита, тем ниже его плотность (рис. 3), а также теплопроводность.

Рис. 3 - Вид в разрезе готовых образцов керамзита

В данной работе для исследования тепловых характеристик образцов использовался измеритель плотности теплового потока ИПП-2м, который позволяет определить как собственно плотность потока (интенсивность теплового излучения, Вт/м2), так и температуру (в оС). Результаты исследований занесены в таблицу 2.

Таблица 2 - Тепловые показатели образцов керамзита __

Органика, Плотность Коэффициент

% лучистого потока, Вт/м2 теплопроводности, Вт/м°С

I II I II I II

3 4 95 45 0,136 0,043

4 5 90 40 0,129 0,040

5 6 86 37 0,129 0,039

6 7 81 35 0,124 0,037

7 8 78 33 0,123 0,036

Коэффициент теплопроводности был рассчитан по ГОСТ 7076-66.

Полученные показатели соответствуют требованиям, предъявляемым к данному теплоизолятору. Однако, как видно из рисунка 4, показатель теплопроводности у образцов II ниже в сравнении с образцами I. Связано это с образованием микропор и достаточным коэффициентом вспучивания, чем меньше поры, тем меньше теплопроводность. При этом, сама пористость при этом существенно на этой характеристике не сказывается. В образцах с добавлением угля удалось достичь более

эффективного порообразования и их распределения в грануле.

Рис. 4 - График зависимости коэффициента теплопроводности от содержания органики

В результате проведенных исследований была выбрана сырьевая смесь с составом, масс. %: глинистое сырье - 87-78; осадок после биологической очистки бытовых сточных вод - 1020; отходы древесноугольного производства - 2. Рецепт позволяет получить продукт с наилучшими свойствами: значительное снижение насыпной плотности керамзитового гравия с сохранением прочностных характеристик по требованиям ГОСТ 25264-82 (плотности в куске продукта), увеличение

коэффициента вспучивания и уменьшение теплопроводности.

Из этого состава следует, что имеющихся компонентов отходов очистных сооружений недостаточно для получения продукта, только взаимодействие оптимального количества органических примесей (5-7 %) и умеренное содержание минеральных компонентов создает условия для нормального вспучивания и получения прочностных характеристик керамзита.

Литература

1. О. Д. Лукашевич, И.В. Барская, Экология промышленного производства, 3, 68-75, (2007).

2. А.З. Евилевич, Утилизация осадков сточных вод. Стройиздат, Ленинград 1988. 240 с.

3. С.В. Свергузова, В.С. Севостьянов, И.Г. Шайхиев, Ж.А. Сапронова, М.Н. Спирин, Вестник Казанского технологического университета, 4, 199-203, (2013).

4. Е.Э. Нефедьева, М.Н. Белицкая, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 19, 223-227, (2013).

5. Е.В. Покровская, Т.Н. Сергеева, Экология и промышленность России, 6, 23-25, (2005).

6. С. П. Онацкий, Производство керамзита. Стройиздат, Москва, 1987. 337 с.

7. Д.С. Ананьев, Ю.Н. Картушина, Бюллетень медицинских Интернет-конференций, 6, 981-982 (2013).

8. P. Gorman, International J. of hightweitght Conogete, 2, 4, 211-219 (2007).

© Ю. Н. Картушина - к.г.-м.н., доцент кафедры "Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности" ВолгГТУ, г. Волгоград, kartysina@rambler.ru; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой "Инженерная экология" КНИТУ, ildars@inbox.ru; Д. С. Ананьев - магистр химической технологии и биотехнологии ВолгГТУ, г. Волгоград, D19921@yandex.ru.

© Y. N. Kartushina - candidate of geological-mineralogical sciences, associate professor of Volgograd State Technical University, Volgograd, kartysina@rambler.ru; I. G. Shaikhiev - doctor of technical Sciences, head of Department "environmental Engineering" KNRTU, ildars@inbox.ru; D. S. Ananiev - Master student of Volgograd State Technical University, Volgograd.