СОВРЕМЕННЫЕ  МЕТОДЫ  УТИЛИЗАЦИИ  ОТХОДОВ  ГОРОДСКИХ  ОЧИСТНЫХ  СООРУЖЕНИЙ.  ИЗБЫТОЧНЫЙ  АКТИВНЫЙ  ИЛ  КАК  КОРРЕКТИРУЮЩАЯ  ДОБАВКА  В  ПРОИЗВОДСТВЕ  КЕРАМЗИТА

Ананьев  Денис  Сергеевич

бакалавр  химической  технологии  и  биотехнологии  ВолгГТУ,  г.  Волгоград

E-mail: 

Картушина  Юлия  Николаевна

канд.  геол.-минерал.  наук,  доцент  ВолгГТУ,  г.  Волгоград

E-mail: 

MODERN  METHODS  OF  DISPOSAL  OF  MUNICIPAL  SEWAGE  TREATMENT  PLANTS.  THE  SURPLUS  ACTIVE  SLUDGE  AS  A  CORRECTIVE  ADDITIVE  IN  THE  PRODUCTION  OF  EXPANDED  CLAY

Ananiev  Denis

bachelor  of  chemical  technology  and  biotechnology  of  Volgograd  State  Technical  University,  Volgograd

Kartushina  Julia

candidate  of  geological-mineralogical  sciences,  associate  professor  of  Volgograd 

State  Technical  University,  Volgograd

АННОТАЦИЯ

Целью  статьи  является  рассмотрение  методов  утилизации  отходов  после  биологической  очистки  сточных  вод,  и  проанализировано  влияние  предлагаемой  добавки  на  вспучивания  керамзитового  сырья.  В  статье  перечислены  современные  методы  утилизации  осадка,  приведены  основные  химические  реакции,  происходящие  при  вспучивании  керамзита  с  добавлением  в  сырье  отходов.  Корректирующая  добавка  из  органических  примесей  избыточного  активного  ила  создает  условия  для  нормального  вспучивания  керамзитового  сырья.

Используя  рассмотренные  в  статье  методы  утилизации  отходов  очистных  сооружений,  можно  решить  ряд  материальных  и  экологических  проблем.

ABSTRACT

The  aim  of  the  article  is  a  review  of  methods  of  waste  disposal  biological  treatment  of  wastewater,  and  the  influence  of  the  proposed  additions  to  the  expansion  gravel  materials.  This  article  lists  the  modern  methods  of  sludge  disposal,  are  the  basic  chemical  reactions  occurring  at  manufacturer  of  expanded  clay  with  addition  of  the  raw  waste.  Adjusting  add  organic  impurities  of  the  surplus  active  sludge  creates  conditions  for  normal  expansion  gravel  materials.

Using  the  paper  methods  of  waste  treatment  facilities,  you  can  solve  a  number  of  substantive  and  environmental  problems.

Ключевые  слова:  керамзит;  биологическая  очистка;  легкоплавкие  глины;  активный  ил;  вспучивание.

Keywords:  expanded  clay;  biological  treatment;  low-melting  clays;  active  sludge;  swelling.

Объем  ежегодного  образования  отходов  в  Российской  Федерации  составляет  3,5  млрд.  тонн:  90  %  из  них  вывозится  на  полигоны  и  свалки,  утилизируется  10  %,  около  7  %  сжигается  и  только  3  %  подвергается  вторичной  переработке.  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  [2,  с.  27].  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.

Изучаемый  вид  отхода  представляет  собой  смесь  осадка  из  первичных  отстойников  и  активного  ила  из  илоуплотнителя,  с  влажностью  примерно  80  %  и  содержанием  органических  (до  80  %)  и  минеральных  (около  20  %)  примесей:

·     органические  соединения,  в  том  числе  углерод  и  жирные  кислоты;

·     минеральные  компоненты,  в  том  числе  минеральный  азот; 

·     фосфор  (P₂O₅);  калий  (K₂O);  железо  (Fe₂O₃)  и  др.

Помимо  минеральных  компонентов  в  нем  присутствуют  патогенные  организмы,  избыточное  количество  нитратов,  токсичные  вещества,  алифатические  соединения,  эфиры,  фенолы  и  т.  д.  [1,  с.  32].

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.

Существует  ряд  методов  для  хозяйственного  использования  отходов  очистных  сооружений:

·     обеззараживание  и  детоксикация  осадков  с  получением  органо-минеральных  удобрений  и  компостов  [6,  с.  87;  3,  с.  42];

·     анаэробная  деструкция  и  обеззараживание  ОСВ  с  получением  биогаза  [4,  с.  124;  5,  с.  55];

·     термическая  обработка  —  сжигание  в  печах  различной  конструкции  и  низкотемпературный  пиролиз  с  получением  жидкого  топлива  [6,  с.  86].

Следует  отметить,  что,  для  промышленных  городов,  в  которых  имеется  металлургические  предприятия,  в  отходах  очистных  сооружений  наблюдается  наличие  повышенного  уровня  содержания  металлов  в  сравнении  с  фоновыми  концентрациями.

Анализ  научно-технической  литературы  по  методам  обеззараживания  и  детоксикации,  удалению  из  осадков  ионов  тяжелых  металлов  показал,  что  для  этих  целей  используется  специальная  обработка  химическими  реагентами  и  препаратами.  Такое  обезвреживание  осадков  основано  на  замещении  тяжелых  металлов  на  ионы  щелочных  и  щелочно-земельных  металлов,  а  так  же  связывании  подвижных  ионов  тяжелых  металлов  в  труднорастворимые  комплексные  соединения  [4,  с.  126;  5,  с.  66].

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.

Керамзит  представляет  собой  легкий  пористый  материал  ячеистого  строения  в  виде  гравия,  реже  в  виде  щебня,  получаемый  при  обжиге  легкоплавких  глинистых  пород,  способных  вспучиваться  при  быстром  нагревании.  Он  является  экологичным  и  востребованным  материалом,  широко  используемым  при  строительных  работах.

Согласно  литературным  данным  хорошо  вспучиваются  глинистые  материалы,  содержащие  тонкодисперсные  органические  примеси  в  пределах  1—2  %,  однако  в  некоторых  случаях  недостаток  их  может  быть  восполнен  соответствующими  добавками  (нефтяные  продукты  и  отходы)  [7,  с.  44].

Применяемый  в  качестве  подобной  добавки  осадок  после  биологической  очистки  сточных  вод,  содержит  окислы  железа  и  органические  соединения,  наличие  которых  создает  оптимальные  условия  для  вспучивания  легкоплавких  глин  при  производстве  керамзита.

Процесс  вспучивания  состоит  из  двух  стадий:  первая  —  спекание  с  образованием  закрытой  поры  и  вторая  —  собственно  вспучивание  под  давлением  газов,  выделяющихся  внутри  закрытой  поры. 

Источниками  газообразования  при  использовании  отходов  очистных  сооружений  в  качестве  вспучивающей  добавки  керамзитовых  гранул  являются  практически  все  минералогические  составляющие  отхода.  При  быстром  обжиге,  когда  термическая  обработка  от  600  до  1150  °С  продолжается  около  8—70  мин.  и  происходит  со  скоростью  55—90  град/мин.,  остатки  конституционной  воды,  двухкальциевого  силиката  и  парафина  удаляются  при  температуре  вспучивания  гранул  и,  несомненно,  могут  принимать  участие  в  порообразовании  и  вспучивании  пиропластической  глинистой  массы  [7,  с.  48].  Карбонаты  кальция  и  железа  интенсивно  разлагаются  при  859—950  и  400—500  ⁰С  соответственно.  Продукты  диссоциации  также  могут  являться  одним  из  источников  образования  газообразной  фазы.

Окисление  органического  вещества  начинается  при  температуре  их  воспламенения  (180  ⁰С),  однако,  полностью  данный  процесс  в  глинистой  массе  заканчивается  при  температуре  900—1000  ⁰С,  то  есть  в  тот  период,  когда  прекращается  противоток  газообразных  продуктов  изнутри  материала,  препятствующий  доступу  воздуха.  При  быстром  обжиге  и  недостатке  кислорода  органика  выгорает  в  области  температур  размягчения  глинистой  массы  [7,  с.  78].  Химический  и  минералогический  состав  отходов  позволил  прогнозировать  их  благоприятное  воздействие  на  вспучиваемость  глинистого  сырья  как  за  счет  значительного  объема  газообразующих  составляющих,  так  и  за  счет  температурного  совпадения  процессов  интенсивного  газообразования  и  оптимального  размягчения  глинистой  массы.

При  температуре  материала  от  500  ⁰С  и  после  завершения  процесса  спекания,  протекает  процесс  декарбонизации  карбонатов  кальция  и  магния:

Благодаря  введенной  в  глинистое  сырье  органической  добавке  начинается  взаимодействие  между  углекислым  газом  и  твердым  углеродом  и  образование  в  закрытых  порах  избыточного  давления  за  счет  выделения  окиси  углерода. 

Окись  углерода  создает  восстановительную  среду  и  оксид  железа  (III)  Fe₂O₃,  содержащийся  в  глинистом  сырье,  восстанавливается  до  магнетита  Fe₃O₄  и  оксида  железа  (II)  FeO,  с  выделением  углекислого  газа  по  следующим  реакциям:

Таким  образом,  благодаря  введённой  в  глинистое  сырье  корректирующей  добавки  происходит  выделения  таких  газов  как  CO  и  CO₂,  что  приводит  к  росту  гранулы  керамзита  изнутри  и  ее  хорошему  вспучиванию.

Используя  выше  описанные  методы  утилизации  отходов  очистных  сооружений,  можно  решить  следующие  проблемы:

·     улучшение  состояния  окружающей  среды;

·     расширение  сырьевой  базы  строительных  материалов;

·     прекращение  отчуждения  и  рекультивация  земель  используемых  под  полигоны;

·     получение  нового  вида  топлива;

·     получение  новых  органо-минеральных  удобрений.

Список  литературы:

1.Евилевич  А.З.  Утилизация  осадков  сточных  вод.  Л.:  Строй-издат,  1988.  —  240  с.

2.Лукашевич  О.Д.,  Барская  И.В.  Экологические  проблемы  обработки  и  утилизации  осадков  сточных  вод  //  Экология  промышленного  производства.  —  2007.  —  №  3.  —  С.  68—75.

3.Покровская  Е.В.,  Сергеева  Т.Н.  Утилизация  осадков  сточных  вод  //  Экология  и  промышленность  России.  —  2005.  —  №  6.  —  С.  23—25.

4.Суханова  Л.И.  Утилизация  осадков  природных  и  сточных  вод:  обзор.  инф.  /  ВНИИПИ.  М.,  1990.  —  30  с.

5.Термическое  обезвреживание  промышленных  органических  отходов  /  М.Н.  Бернадинер,  В.В.  Жижин,  В.В.  Иванов  //  Экология  и  промышленность  России.  —  2000.  —  №  4.  —  С.  17—21.

6.Туровский  И.С.  Осадки  сточных  вод.  Обезвоживание  и  обез­зараживание.  М.:  ДеЛи  принт,  2008.  —  375  с.

7.Онацкий  С.П.  Производства  керамзита.  М.:  Стройиздат,  1987.  —  337  с.