Результаты исследования физико-механических свойств смесей осадка сточных вод с грунтами и фосфогипсом для использования их в качестве рекультивантов

ВЕСТНИК 6/2013

6/2013

УДК 628.3

В.И. Сметанин, В.Н. Земсков

ФГБОУ ВПО «МГУП»

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СМЕСЕЙ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД С ГРУНТАМИ И ФОСФОГИПСОМ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИХ В КАЧЕСТВЕ РЕКУЛЬТИВАНТОВ

В настоящее время в результате деятельности по добыче нерудных полезных ископаемых: песка, щебня, гравия, торфа и других материалов — образовалось огромное количество карьерных разработок и копаней, требующих выполнения технической рекультивации для повторного хозяйственного использования. Проведены исследования зависимости коэффициента фильтрации, несущей способности различных смесей грунта на основе осадка сточных вод, предполагаемых к использованию в качестве рекультиванта при восстановлении нарушенной территории, а также выявлены зависимости концентрации выделяемых газов от процентного содержания в них фосфогипса.

Ключевые слова: осадок сточных вод, карьерные выработки, несущая способность, фильтрация, плотность, биогаз, рекультивация.

Бурное развитие промышленного и гражданского строительства во второй половине XX в. и в наши дни, привело к образованию большого количества выработанных карьеров по добыче нерудных полезных ископаемых. Так в настоящее время в Московской области насчитывается более 2000 заброшенных выработанных бесхозных карьеров и более 150 действующих, большинство из которых образовалось в результате разработки месторождений различных ископаемых, а именно строительного песка, щебня, гравия, торфа и многих других материалов. Общая площадь земель, нарушенная карьерными разработками, превышает 38 000 га [1].

Восстановление нарушенных земель представляет сейчас актуальную задачу. Технический этап рекультивации отработанного карьера выполняют различными способами. К самому простому методу можно отнести метод засыпки карьера грунтом. Но для этого необходимо разработать аналогичный карьер, только уже по разработке горных пород, которые будут использоваться для рекультивации нарушенной территории. А это означает, что для восстановления одной территории нарушают другую.

Поскольку объем карьерных выработок велик, коммунальные и промышленные отходы выступают единственным потенциально значимым материальным ресурсом для их рекультивации. В московском регионе к таким материалам можно отнести обезвоженный осадок сточных вод (ОСВ)1 и фосфогипс [2], как побочный продукт производства минеральных удобрений.

1 Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 54535—2011 «Ресурсосбережение. Осадки сточных вод. Требования при размещении и использовании на полигонах». М. : Стандартинформ, 2012

Вследствие ряда неблагоприятных химических свойств фосфогипс не находит широкого применения в народном хозяйстве. Он образуется в больших количествах и постоянно накапливается, т.е. представляет собой многотоннажный и весьма обременительный отход производства. В России ежегодно образуется и поступает в отвалы порядка 20...30 млн т фосфогипса, для размещения и складирования которого необходимо занять 200.400 га земельных угодий [3].

Аналогичная ситуация наблюдается в отношении накопления и утилизации осадка сточных вод, образование которого только в нашей стране составляет порядка 2 млн т/год по сухому веществу (при исходной влажности 98 % их масса составляет порядка 100 млн т). Только по официальным данным, например, в Московской области накоплено более 120 млн т неутилизированных ОСВ, ежегодно эта цифра увеличивается на 14.20 млн т, суммарная площадь иловых полей превысила 700 га2.

Основная масса осадков складируется на иловых площадках и отвалах, создавая технологические проблемы в процессе очистки стоков. В 99 % случаев иловые карты расположены рядом с очистными сооружениями, имеющими сброс в водные объекты. На большинстве очистных сооружений в последние 10.15 лет очистка иловых карт не осуществлялась. Многие карты к настоящему времени переполнены, что вызывает определенную проблему размещения вновь образующегося ОСВ.

Следует отметить, что отходы, к которым относится ОСВ и фосфогипс, несут в себе существенную потенциальную экологическую опасность. В связи с этим, использование предлагаемых материалов в качестве рекультивантов, требует соблюдения особых требований при их размещении в окружающей среде. В их числе обеспечение высокой степени инженерной защиты геологической среды от проникновения загрязняющих веществ, использование технологий предварительной подготовки перед размещением, применение современных методов складирования.

Основным конструктивным элементом при рекультивации карьерной разработки с использованием в качестве рекультиванта ОСВ является противо-фильтрационный экран (ПФЭ).

Противофильтрационные экраны подразделяются на защитные экраны основания и защитные экраны поверхности (финальное перекрытие). По виду используемого материала их подразделяют

на экраны, сооружаемые из естественных минеральных грунтов (глины или суглинки);

экраны из синтетических или геосинтетических материалов.

В результате заполнения рекультивантом внутри выработанного пространства карьера, как правило, формируется техногенный водоносный горизонт, основной приходной статьей которого является инфильтрация атмосферных осадков. С целью предотвращения распространения загрязнений в основании рекультивируемого участка устраивают противофильтрационные экраны, и

2 Концепция проекта областной целевой программы «Обращение с отходами производства и потребления в Московской области на 2006—2015 годы».

создаются предпосылки к образованию техногенного водоносного горизонта, уровни которого могут превышать естественные уровни подземных вод.

Величина инфильтрации атмосферных осадков в тело полигона — основной фактор, влияющий на интенсивность протекания физических, а также биохимических процессов в толще ОСВ и его смесей и определяющий количество образующегося фильтрата и биогаза. Фильтрат и биогаз, формирующиеся в анаэробной толще техногенных грунтов, являются основными агентами воздействия ОСВ и его смесей на окружающую среду.

В целях изучения образования фильтрата за счет притока атмосферных осадков в тело карьерной выработки проведены исследования зависимости коэффициента фильтрации различных по составу смесей грунта с ОСВ и фосфо-гипса с ОСВ от степени уплотнения исследуемых образцов. Согласно методике ГОСТ 25594—90 «Грунты. Метод лабораторного определения коэффициента фильтрации» проведена серия экспериментов по определению необходимых показателей и построена графическая зависимость коэффициента фильтрации от степени уплотнения (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость коэффициента фильтрации различных смесей на основе ОСВ от степени их уплотнения

Анализ полученной зависимости показывает следующее: при уплотнении только ОСВ (без добавок) до максимально возможных значений плотности достигается снижение коэффициента фильтрации до 0,36 м/сут, или 4Д640-6 м/с, что близко к значениям, соответствующим природным геохимическим барьерам;

При внесении в ОСВ песка от 10 до 50 % по объему по мере уплотнения коэффициент фильтрации смесей повышается и при достижении максимальной плотности коэффициенты фильтрации составляют соответственно 1,42 м/сут (1,64 10-5 м/с) и 3,36 м/сут (3,8-10-5 м/с). При укладке таких смесей в выемки необходимо предварительное устройство противофильтрационного экрана;

при внесении в ОСВ суглинка от 10 до 50 % по объему по мере уплотнения коэффициент фильтрации смесей понижается и при достижении максимальной плотности коэффициенты фильтрации составляют соответственно 0,35 м/сут (4,05-10-6 м/с) и 0,19 м/сут (2,2-10-6 м/с). При укладке таких смесей в выемки необходимо также предварительное устройство противофильтра-ционного экрана;

при внесении в ОСВ фосфогипса от 10 до 50 % по объему по мере уплотнения коэффициент фильтрации смесей понижается и при достижении максимальной плотности коэффициенты фильтрации составляют соответственно 1,28 м/сут (1,4810-5 м/с) и 2,82 м/сут (2,63-10-5 м/с);

коэффициент фильтрации чистого суглинка (без добавки ОСВ) после максимального стандартного уплотнения достигает 0,0014 м/сут (1,62-10-8 м/с), что позволяет его использовать при создании противофильтрационного экрана (геохимического барьера).

Одним из примеров применения осадка сточных вод в качестве рекульти-ванта при восстановлении нарушенных территорий может послужить реализованный проект рекультивации Люблинских полей фильтрации станции аэрации МГУП (ОАО) «Мосводоканал». На месте захоронения предварительно «обезвоженных» ОСВ в настоящее время устроен парк.

Следует отметить, что технология по использованию осадка сточных вод в качестве заполнителя тела полигона имела ряд недостатков. Ввиду того что ОСВ не обладает достаточной плотностью и несущей способностью, по нему было невозможно передвижение спецтехники. С целью обеспечения равномерного распределения ОСВ по площади депонирования потребовалось строительство специальных железобетонных эстакад, обеспечивающих движение автосамосвалов в зону действия подъемных кранов, оборудованных грейферными ковшами для разгрузки автосамосвалов и подачи ОСВ на рабочие кары.

С целью снижения затрат, связанных со строительством вспомогательных сооружений, и за счет упрощения технологии производства работ по заполнению выработанного пространства слабыми грунтами, проведены исследования по изучению физико-механических свойств «чистого» ОСВ, а также в смесях с песком, суглинком и фосфогипсом в зависимости от степени уплотнения.

По результатам исследований построена графическая зависимость несущей способности исследуемого образца грунта от степени уплотнения (рис. 2—4).

Рис. 2. Зависимость несущей способности грунтовых смесей «ОСВ-фосфогипс» от степени уплотнения

9 12 15 18

Колличество циклов уплотнения

27

осе юо%

осе 70% песок 30% песок 100% осе 40% песок 60%

- ОСВ 90% песок 10% -ОСВ 50% песок 50% -ОСВ 60% песок 40%

Рис. 3. Зависимость несущей способности грунтовых смесей «ОСВ-песок» от степени уплотнения

о

з

б

9 12 15 18 21 24 27

Колличестзо циклов уплотнения

—ОСВ 100% ——ОСВ 70% суглинок 30%

Я суглинок 100% —ж—ОСВ 30% суглинок 70%

* ОС8 90% суглинок 10% * ОСВ 50% суглинок 50% —и—ОСВ 40% суглинок 60%

Рис. 4. Зависимость несущей способности грунтовых смесей «ОСВ-суглинок» от степени уплотнения

Анализ полученных зависимостей показывает следующее:

1. Первоначально отсыпанные испытуемые грунты и их смеси (неуплотненные) имеют примерно одинаковую низкую начальную несущую способность, 0,020.0,025 кг/см2.

2. По мере уплотнения «чистых» грунтов их несущая способность начинает возрастать и достигает своих максимальных значений: ОСВ — 0,42 кг/см2 при плотности 1,67 т/м3; песок — 2,02 кг/см2 при плотности 1,63 т/м3; суглинок — 7,5 кг/см2 при плотности 1,67 т/м3, фосфогипс — 3,81 кг/см2 при плотности

3. Добавка фосфогипса в объеме до 50 % к ОСВ не оказывает влияния на существенный прирост несущей способности. При добавке фосфогипса в объеме 60 % к ОСВ наблюдается прирост несущей способности от 1,06 до 2,12 кг/см2, в случае, когда концентрация фосфогипса в смеси достигает 70 % по отношению к ОСВ (рис. 2).

4. При добавке песка в объеме 10 % к ОСВ начинает наблюдаться прирост несущей способности от 0,52 до 1,93 кг/см2 в случае, когда концентрация песка в смеси достигает 50 %. Дальнейшее увеличение добавки песка к ОСВ на повышение несущей способности существенного влияния не оказывает (рис. 3).

5. Добавка суглинка в объеме до 50 % к ОСВ не оказывает влияния на существенный прирост несущей способности. При добавке суглинка в объеме 50 % к ОСВ наблюдается также прирост несущей способности от 1,2 до 3,5 кг/см2, в случае, когда концентрация суглинка в смеси достигает 70 % по отношению к ОСВ (рис. 4).

1,078 т/м3.

6. При выполнении технического этапа рекультивации нарушенных земель карьерными выработками с восстановлением их гипсометрических уровней механизированным способом полученные результаты исследований позволят правильно сориентироваться при обосновании выбора комплекта машин с позиции обеспечения их проходимости. Кроме того, само послойное уплотнение в дальнейшем позволит избежать дополнительных работ по ликвидации осадочных явлений.

7. Как показывает опыт строительной практики, при небольших удельных давлениях (до 0,3 кгс/см2) сохраняется пропорциональность удельного давления и величины деформации залежи, т.е. действует закон Гука.

В толще осадка сточных вод, а также смесей на его основе, используемых для рекультивации карьерных выработок, под воздействием микрофлоры происходит биотермический анаэробный процесс распада органической составляющей.

Конечным продуктом этого процесса является биогаз, основную объемную массу которого составляют метан и диоксид углерода. Наряду с названными компонентами биогаз содержит пары воды, оксид углерода, оксиды азота, аммиак, углеводороды, сероводород, фенол и в незначительных количествах другие примеси, обладающие вредным для здоровья человека и окружающей среды воздействием.

Согласно методике по определению концентрации компонентов биогаза [4], отбор проб происходил с глубины 1 м имитированной газодренажной скважины, путем отсоса.

Состав биогаза и концентрации компонентов в нем необходимо определять анализами его проб, отобранных в ряде точек на глубине 1,0___1,5 м, путем

отсоса биогаза и дальнейших его химических анализов.

В качестве образцов грунта, предполагаемых для использования в качестве рекультиванта, использованы смеси на основе осадка сточных вод:

ОСВ — 100 %;

ОСВ — 90 %, фосфогипс — 10 %;

ОСВ — 70 %, фосфогипс — 30 %;

ОСВ — 50 %, фосфогипс — 50 %.

В результате проведенной серии экспериментов, полученные данные занесены в таблицу.

Содержание основных компонентов в образующемся биогазе

Компонент биогаза Ед. изм. ОСВ-100% ОСВ-90%, фосф-10 ОСВ-30%, фосф-70 ОСВ-50%, фосф-50

СН4 мг/м3 35,8 42,1 121 85,9

СО мг/м3 27,9 34,9 97,8 220,07

мг/м3 67,3 138,84 206,85 348,3

На основе полученных данных построены зависимости концентрации выделяемых газов в зависимости от процентного содержания фосфогипса в смеси с ОСВ (рис. 5).

Рис. 5. Газообразование в толще рекультиванта на основе ОСВ в зависимости от процентного содержания фосфогипса

Выводы. 1. При увеличении концентрации фосфогипса в грунтовой смеси на основе осадка сточных вод от 10 до 50 % по отношению к общему объему, происходит увеличение концентрации оксида углерода в образующемся биогазе от 34,9 до 220 мг/м3 соответственно.

2. При внесении в ОСВ фосфогипса от 10 до 50 % по объему возрастает концентрация сероводорода H2S в образующемся биогазе от 138,84 мг/м3 до 348,3 мг/м3 соответственно. Таким образом, внесение фосфогипса в осадок сточных вод показывает значительный рост концентрации выделяемого сероводорода.

3. При внесении в ОСВ фосфогипса от 10 до 50 % по объему наблюдается рост концентрации метана СН4 в образующемся биогазе и достигает своего максимума в 121 мг/м3 при концентрации фосфогипса в ОСВ, равной 30 %. При дальнейшем увеличении содержания фосфогипса до 50 % в исследуемом рекультиванте, на основе осадка сточных вод, показывает снижение концентрации метана СН4 в биогазе до 85,9 мг/м3.

4. Полученные результаты исследований позволяют наметить принципы разработки технологических решений по нейтрализации образующихся газов при рекультивации отработанных карьеров с помощью грунтовой смеси на основе ОСВ с добавлением фосфогипса:

при устройстве системы газодренажных трубопроводов с выбросом образующего биогаза в атмосферу, необходимо предусмотреть устройство фильтров-поглотителей;

при значительных объемах рекультивации и устройстве системы сбора биогаза в данном районе целесообразно разместить комплекс по сжиганию образовавшегося газа с целью получения тепловой и электрической энергии.

ВЕСТНИК 6/2013

6/2013

Библиографический список

1. Сметанин В.И. Рекультивация и обустройство нарушенных земель. М. : Колос, 2003. 96 с.

2. Фосфогипс: хранение и направление использования как крупнотоннажного вторичного сырья : материалы второй Междунар. науч.-практ. конф. М. : ООО «Футурис», 2010. 192 с.

3. Лесобиологическая рекультивация полигонов складирования фосфогипса / В.Е. Миронов, А.А. Мартынюк, В.Н. Кураев, Л.Л. Коженков. М. : ВНИИЛМ, 2006. 120 с.

4. Методика расчета количественных характеристик выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов твердых бытовых и промышленных отходов / НПП «Экопром» Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова.

5. Технологический регламент получения биогаза с полигонов твердых бытовых отходов. М. : Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, 1989.

6. Добыча и утилизация свалочного газа (СГ) — самостоятельная отрасль мировой индустрии // Экологические системы. 2010. № 5. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://esco.co.ua. Дата обращения: 07.06.2013.

7. Peterson A.E., Speth P.E., Corey R.B., Wright T, Schlecht P.L. Effects of 12 years of liquid digested sludge application on the soil phosphorus level. Amer. Soc. Agron. Annu. Meet. 1992. Minneapolis, 1992. P. 53.

8. Water S. A review of the agricultural use of sewage sludge: benefits and potential hazards Korentajer. Agr. 1991. 17. № 3. рp. 189—196.

Поступила в редакцию в мае 2013 г.

Об авторах: Сметанин Владимир Иванович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой организации и технологии строительства объектов при-родообустройства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет при-родообустройства» (ФГБОУ ВПО «МГУП»), 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 19, 8(499)976-07-13, smetanin2000@yandex.ru;

Земсков Владимир Николаевич — аспирант кафедры организации и технологии строительства объектов природообустройства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО «МГУП»), 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 19, 8(499)976-07-13.

Для цитирования: Сметанин В.И., Земсков В.Н. Результаты исследования физико-механических свойств смесей осадка сточных вод с грунтами и фосфогипсом для использования их в качестве рекультивантов. Вестник МГСУ 2013. № 6. С. 204—213.

V. I. Smetanin, V.N. Zemskov

FINDINGS OF RESEARCH INTO PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES OF MIXTURES OF SEWAGE SLUDGE, SOIL AND PHOSPHOGYPSUM TO BE USED AS LAND RECLAMATION AGENTS

The authors argue that intensive construction and development operations generate a large number of idle quarries. Now Moscow Metropolitan area has about 2,000 abandoned quarries and in excess of 150 quarries in operation. Most of them were used to develop various minerals, namely, sand, crushed stone, gravel, peat and other materials.

Recovery of abandoned quarries and assurance of their safe condition requires a set of actions to be taken. However, mere reclamation cannot resolve all environmental problems arising after the completion of mining operations. Obviously, the use of undisturbed land areas as household waste landfills is not the best idea from the viewpoint of the environment. Therefore, filling idle quarries with specific types of products is an improved method of reclamation of mines and quarries.

This method may solve two problems at once: they are land reclamation and safe waste disposal. Sewage sludge generated by households, as well as industrial enterprises, may serve as the solution.

In this paper, the authors study the dependence between the permeability ratio, the carrying capacity of different soil mixtures containing sewage sludge to be used as the reclamation agent in the course of restoration of disturbed territories. The authors also consider dependence of concentration of biogases and the phosphogypsum content in biogases.

Key words: sewage sludge, mining, carrying capacity, filtration, density, biogas reclamation.

References

1. Smetanin V.I. Rekul'tivatsiya i obustroystvo narushennykh zemel' [Reclamation and Development of Disturbed Lands]. Moscow, Kolos Publ., 2003, 96 p.

2. Fosfogips: khranenie i napravlenie ispol'zovaniya kak krupnotonnazhnogo vtorichnogo syr'ya [Phosphogypsum: Storage and Use as Large-tonnage Recycled Material]. Materialy vtoroy Mezhdunarodnoy nauchno-prekticheskoy konferentsii [Materials of the 2nd International Scientific and Practical Conference]. Moscow, OOO «Futuris» Publ., 2010, 192 p.

3. Mironov V.E., Martynyuk A.A., Kuraev V.N., Kozhenkov L.L. Lesobiologicheskaya rekul'tivatsiya poligonov skladirovaniya fosfogipsa [Forestry Biological Reclamation of Phosphogypsum Landfills]. Moscow, VNIILM Publ., 2006, 120 p.

4. Metodika rascheta kolichestvennykh kharakteristik vybrosov zagryaznyayushchikh veshchestv v atmosferu ot poligonov tverdykh bytovykh i promyshlennykh otkhodov [Methodology for Analysis of Quantitative Characteristics of Pollutants Emitted into the Atmosphere by Household and Industrial Waste Landfills]. NPP Ekoprom Publ.

5. Tekhnologicheskiy reglament polucheniya biogaza s poligonov tverdykh bytovykh otkhodov [Process Regulations for Extraction of Biogas at Household Waste Landfills]. Aka-demiya kommunal'nogo khozyaystva im. K.D. Pamfilova [K.D. Pamfilov Academy of Utility Services]. Moscow, 1989.

6. Dobycha i utilizatsiya svalochnogo gaza (SG) — samostoyatel'naya otrasl' mirovoy industrii. [Extraction and Use of Landfill Gas as the Independent Branch of the World Industry]. Ekologicheskie sistemy [Ecological Systems] Company website 2010, no. 5. Available at: http://esco.co.ua. Date of access: 07.06.2013.

7. Peterson A.E., Speth P.E., Corey R.B., Wright T., Schlecht P.L. Effects of 12 Years of Liquid Digested Sludge Application on the Soil Phosphorus Level. Amer. Soc. Agron. Annu. Meet. 1992, Minneapolis, p. 53.

8. Water S. A Review of the Agricultural Use of Sewage Sludge: Benefits and Potential Hazards. Korentajer. Agr., 1991, vol. 17, no. 3, pp. 189—196.

About the authors: Smetanin Vladimir Ivanovich — Doctor of Technical Science, Professor, Chair, Department of Organization and Building Technology of Environmental Engineering Objects, Moscow State University of Environmental Engineering (MGUP); 19

Pryanishnikova st., Moscow, 127550, Russian Federation, 8(499)976-0713, smetanin2000@ yandex.ru;

Zemskov Vladimir Nikolaevich — Graduate Student, Department of Organization and Building Technology of Environmental Engineering Objects, Moscow State University of Environmental Engineering (MGUP); 19 Pryanishnikova st., Moscow, 127550, Russian Federation, 8(499)976-0713.

For citation: Smetanin V.I., Zemskov V.N. Rezul''taty issledovaniya fiziko-me-khanicheskikh svoystv smesey osadka stochnykh vod s gruntami i fosfogipsom dlya ispol"zovaniya ikh v kachestve rekul''tivantov [Findings of Research into Physical-mechanical Properties of Mixtures of Sewage Sludge, Soil and Phosphogypsum to Be Used as Land Reclamation Agents]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 6, pp. 204—213.