bbk 000000

УДК 502.55:628.1:691.42

Лебухов В. И.

Утилизация осадка очистных сооружений водоснабжения

Аннотация

Исследована возможность использования илов очистных сооружений питьевого водоснабжения при производстве керамических изделий. Технологические испытания показали, что использование илов очистных сооружений г. Хабаровска в качестве добавок в рядовые глины в дозе до 15% массы сырья позволяет решить проблему их утилизации без снижения качества получаемого продукта. Установлена возможность использования илов очистных сооружений в дозе от 3 до 15% в качестве легирующих добавок, позволяющих повысить пластичность керамической массы, улучшить условия ее спекания, изменить в меньшую сторону параметры усадки на всех технологических стадиях подготовки сырья и изготовления изделий, уменьшить размеры образующихся пор и улучшить показатели водопоглощающей способности.

Ключевые слова:

утилизация , осадок , очистные сооружения питьевого водоснабжения , ил , природные глины , строительная керамика

Скачать журнальную верстку статьи в PDF

Источниками водоснабжения г. Хабаровска служат реки Амур и Уссури. В процессе эксплуатации городских очистных сооружений питьевого водоснабжения образуется большое количество тонкодисперсных илисто-глинистых шламов, утилизация которых представляет серьезную проблему. Накопление осадков в отстойниках изменяет гидравлический режим работы очистных сооружений. Для захоронения осадков необходимо отчуждение ценных пригородных земель, а проблема токсичности шламов, предопределяющая режим их утилизации, не решена.

Для изучения данной проблемы были проведены исследования образцов илов, осаждаемых из Уссурийской струи. Образцы отбирались c головных очистных сооружений водоснабжения Хабаровска (ГОС), а илы, выделяемые из амурской воды, были получены с очистных сооружений горячего водоснабжения города (ОСГВ). Отобранные из разных участков отстойников пробы усреднялись, разделялись на грубую и тонкую фракции на сите № 0,04 со стороной отверстия 40 мкм (ГОСТ 3584-53). Грубая фракция была обнаружена только в илах, полученных с головных очистных сооружений. Фракционированные образцы подвергались кислотному разложению в микроволновом поле и исследовались методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе ICP-MS Elan DRC II PerkinElmer (США).

На первом этапе испытаний был изучен микроэлементный состав образцов илов. Полученные данные позволили предположить, что оптимальным способом нейтрализации илов является их высокотемпературная обработка (спекание) в матрице нейтрального связующего, в качестве которого может выступать глинистое сырье. Присутствующие в небольших количествах вредные компоненты будут связаны в труднорастворимых формах, а органические компоненты полностью выгорят при спекании.

На всех очистных сооружениях питьевого водоснабжения Хабаровска технологическая операция коагуляционного осаждения проводится с использованием алюминиевых коагулянтов. Выводимая в осадок мелкодисперсная твердая фаза насыщается гидроксидами алюминия, которые при термической обработке способны переходить в оксиды. Поэтому выделенная из осветляемой воды и накопленная в отстойниках в виде осадков наиболее тонкая фракция, в основной своей массе представленная глинистыми составляющими, обладает за счет технологической обработки повышенным, по сравнению с фоновым, содержанием соединений алюминия. Отмеченный факт позволил предположить, что получаемый на водоочистных станциях шлам может быть использован в производстве керамических строительных материалов. Для проверки этого предположения был исследован химический состав илов (табл. 1) по стандартным методикам [1], применяющимся при технологическом опробовании глинистого сырья.

В работе [2] отмечается, что гранулометрический состав минеральных смесей оказывает весьма существенное влияние на их технологические свойства и определяет границы применимости при производстве керамических изделий. Взвеси, извлекаемые в ил из осветляемой воды и представленные в основном минеральными частицами, связываются коагулянтами и флокулянтами в достаточно рыхлые и непрочные флокулы, которые легко разрушаются при механической активации.

Проведенная с помощью лазерного анализатора Analysette 22 Comfort (Германия) классификация по крупности исходных образцов взвесей, полученных с головных очистных сооружений и очистных сооружений горячего водоснабжения, показала, что по гранулометрическому составу исследованный материал может быть определен как однородный и тонкодисперсный. Для более точного определения минералогического состава тонкие фракции илов подвергались термогравиметрическим испытаниям. Судя по характеру термогравиметрических кривых и кривых дифференциального термического анализа, в качестве основных минералов в состав образцов входят иллит, монтмориллонит и гидрослюды, оба образца имеют значительное сходство составов.

Анализ полученных данных позволил сделать вывод, что по содержанию основных компонентов и гранулометрическому составу полученные образцы можно отнести (ГОСТ 9169-59) к группе полиминеральных (монтмориллонит-гидрослюдистых) связующих, легкоплавких глин. Высокая доля гидроксидов алюминия, не характерная для перечисленной группы минералов, появляется в образцах в процессе технологической очистки воды. Большое количество органических соединений, определяемых потерями при прокаливании и проявляемых в низкотемпературной области спектров термогравиметрических кривых серией пиков, может объясняться тем, что органика, присутствующая в поверхностных водах, сорбировалась на частицах минералов и была захвачена вместе с ними при коагуляционном и флокуляционном разделении фаз.

Подобные минеральные смеси востребованы при производстве клеевых вяжущих композиций. В работе [3] изучалась возможность использования в качестве связующего мелкодисперсного глинистого компонента, близкого по составу илам очистных сооружений водоснабжения. Его характеристики приведены в табл. 2. Показано, что введение этих глин в качестве связующей добавки в состав масс для производства проницаемой керамики в несколько раз повышает ее прочность, способствует формированию поровой структуры и способно обеспечить минимальное значение открытой пористости не менее 50% при среднем гидравлическом размере пор 0,3–15 мкм.

Илы очистных сооружений горячего водоснабжения могут оказаться перспективными в производстве цементов. Авторы работы [4] показали, что введение в цемент 3–5% предварительно термообработанных мелкодисперсных глин, содержащих до 25% Al₂O₃, повышают его класс.

Проведенные прямые технологические исследования показали возможность использования илов, образующихся в процессах очистки поверхностных вод рек Амура и Уссури, для выработки керамических изделий широкого назначения. Илы головных очистных сооружений и очистных сооружений горячего водоснабжения использовались как добавки в глинистое сырье Матвеевского, Виноградовского и Ракитненского месторождений, расположенных в окрестностях Хабаровска. Глины всех трех месторождений являются сырьем при производстве строительной керамики, их химический состав приведен в табл. 3.

Композиционные смеси глин и илов готовились тщательным истиранием компонентов, смешанных в требуемых массовых соотношениях. Методом мокрого прессования получали образцы цилиндрической формы длиной 2,5–1,5 см и диаметром 0,5 см. Сушка осуществлялась на воздухе в течение 60 часов при абсолютной влажности воздуха 78–82%. Отжиг проводился в муфельной печи со скоростью нагрева, не превышающей 100 С/ч, при последовательном повышении температуры до 1000–1070 С и медленном остывании в течение 4 часов. Замеры длины образцов проводились микрометром с точностью 0,01 мм. Контроль массы образца осуществлялся на весах, имеющих чувствительность 0,0001 г. Результат усреднялся по данным, полученным при испытании не менее трех образцов. Оценка величин линейной воздушной, огневой и полной усадки глин и композитов на их основе выполнялась по стандартным методикам, изложенным в [1].

Изменение массы, размеров и термических характеристик образцов при линейном нагреве исследовалось с помощью дериватографа Q-1000 (МОМ, Венгрия), в режиме скорости нагрева 5 С/мин и дилатометра DIL-407C (NETZSCН, Германия) со скоростью нагрева 10 или 15 С/мин в воздушной среде.

Исследование образцов, полученных на основе глин Виноградовского и Ракитненского месторождений с высоким содержанием песка, показало следующее. Добавка в шихту от 3 до 15% тонких фракций илов головных очистных сооружений и очистных сооружений горячего водоснабжения позволяет за счет сбалансирования количества тонких и грубых частиц изменить в меньшую сторону параметры усадки на всех технологических стадиях подготовки сырья и изготовления изделий и снизить количество крупных пор и каналов.

Глина Ракитненского месторождения оказалась самой чувствительной к соединениям алюминия, которых больше всего в илах очистных сооружений горячего водоснабжения. Добавка их в шихту в количестве до 15% позволяет повысить температуру ее спекания, что упрощает технологию изготовления керамических изделий, снижает риск их пережога и улучшает качество получаемой керамики.

Свойства глины Матвеевского месторождения были улучшены введением грубой фракции илов головных очистных сооружений до 20% массы образца. Повысилась пластичность керамической массы, снизился коэффициент ее чувствительности усадки при низкотемпературной (воздушной) и термической обработке. Снизилась полная усадка получаемых керамических изделий, значительно улучшились показатели их водопоглощающей способности. В то же время введение в глиняное тесто более 30% компонента приводит к резкому снижению его пластичности.

Введение в глину Матвеевского месторождения в качестве легирующей добавки до 30% тонких фракций илов головных очистных сооружений и очистных сооружений горячего водоснабжения вызывает возрастание температуры спекаемости керамической массы на 100–200 С. При этом модифицированное глинистое сырье переходит из класса легкоплавких керамик в тугоплавкие.

Выводы

Лабораторные технологические испытания показали, что использование илов очистных сооружений водоснабжения г. Хабаровска в качестве добавок в глины Матвеевского, Виноградовского и Ракитненского месторождений в дозе до 15% массы сырья позволяет решить проблему их утилизации без снижения качества основного сырья. При этом наряду с возрастанием пластичности полученной керамической массы и улучшением условий ее спекания повышаются потребительские свойства конечного продукта.

Список литературы

1. Ботвинкин О. К., Клюковский Г. И., Мануйлов Л. А. Лабораторный практикум по общей технологии силикатов и технологическому анализу строительных материалов. – М.: Издательство литературы по строительству, 1966.
2. Августиник А. И. Керамика. – Л.: Стройиздат, 1975.
3. Воробьева В. В., Леонов В. Г. Влияние тонкодисперсной составляющей на формирование пористой проницаемой структуры керамики // Стекло и керамика. 2002. № 6.
4. Дмитриев А. И., Кузнецова Т. В., Юдович Б. Э., Запольский А. К. Гидрационное легирование – способ совершенствования свойств цементов / Гидратация и твердение цемента. – М.: НИИЦемент, 1982.