Утилизация органического отхода комбикормового производства и элеваторов

В сельском хозяйстве при выращивании и уборке урожая, а также при его переработке и хранении образуется огромное количество отходов, оказывающее негативное воздействие на окружающую среду [1]. На зерноперерабатывающих заводах и элеваторах это отходы в виде лузги зерновой, ее пыли и др. Они служат источником возможного загрязнения производственных помещений, воздушного и водного бассейнов, почвы, относят их к пятому классу опасности (опасные свойства отсутствуют). Утилизация отходов зерновых культур – это приоритетное направление современного природопользования во всем мире [2]. При сжигании либо хранении и захоронении отходы требуют больших площадей. При попадании на свалки это основной источник санитарно-эпидемиологической опасности и неприятных запахов [3].

Цель работы – рассмотреть возможность утилизации органического отхода комбикормового производства и элеваторов при производстве строительных материалов и рекультивации земель отработанных карьеров.

Объекты и методы

На ООО «Омский региональный элеватор» в г. Калачинске, вмещающем до 20 000 т зерна, после его просева и обработки, образуется около 25% лузги (5000 т) и 10% отходов дробленки (2000 т), количество же отходов за месяц работы элеватора составляет 7000 т [4].

На АО « Лузинский комбикормовый завод» количество образующейся комбикормовой пыли по лимитам – 1000 т в год. В ходе технологического процесса зерно проходит обработку и сортировку на сепараторе, образуется отход № 1 – крупный порошок светло-коричневого цвета с частицами от 0,2 до 1,5 см (рис. 1, а). Далее при дроблении зерна образуется мелкая пыль, которая поступает в рукавные фильтры (отход № 2). Размер ее частиц от 5 до 10 мкм (рис. 1, б).

а

б

Рис. 1. Отходы комбикормового производства: а – отход № 1; б – отход № 2

Отходы предприятий, накапливающиеся в бункерах, вывозят на свалки. Для установления возможности утилизации органического отхода в производстве мелкозернистого бетона были исследованы эксплуатационные характеристики растворных смесей и мелкозернистого бетона. Испытания проводили согласно ГОСТ 5802–86 «Растворы строительные. Методы испытаний» [5], ГОСТ 10181–2000 «Смеси бетонные. Методы испытаний» [6], ГОСТ 10180–2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» [7]. Для этого изготавливали растворы из компонентов:

• –    вяжущее – портландцемент;

• –    заполнители – кварцевый песок и отход комбикормового производства с разным размером частиц (от 1 до 10% от массы цемента);

• –    пластифицирующая добавка – суперпластификатор СП-1 в количестве 1% от массы цемента.

В работе исследовали составы строительных смесей с цементно-песчаным отношением Ц/П = 1/3 и П/Ц = 1/2 (табл. 1, 2).

Таблица 1

Составы растворных смесей при отношении Ц/П = 1/3

Ингредиент	Содержание, % масс.
Портландцемент	24,95	24,90	24,75	24,70	24,62	24,32
Кварцевый песок	74,80	74,60	74,26	74,10	73,90	73,00
Суперпластификатор СП-1	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,24
Отход № 1 или № 2	–	0,25	0,74	0,95	1,23	2,43

Таблица 2

Составы растворных смесей при отношении Ц/П = 1/2

Ингредиент	Содержание, % масс.
Портландцемент	33,20	33,10	32,90	32,80	32,70	32,16
Кварцевый песок	66,50	66,30	65,80	65,60	65,40	64,30
Суперпластификатор СП-1	0,30	0,30	0,33	0,30	0,30	0,32
Отход № 1 или № 2	–	0,30	0,97	1,30	1,60	3,22

Водоцементные соотношения растворных смесей определяли по расплыву конуса на встряхивающем столике до величины 106–120 мм.

Результаты исследований

При исследовании возможности утилизации органического отхода в производстве мелкозернистых бетонов у растворных смесей устанавливали водоцементное отношение для всех составов (табл. 3). Зафиксировано, что при добавлении отходов № 1 или № 2 водоцементное отношение увеличивается с увеличением их количества.

Таблица 3

Водоцементное отношение растворных смесей

Количество отхода, % от массы цемента	Водоцементное отношение, %
	отход № 1		отход № 2
	Ц/П = 1/3	Ц/П = 1/2	Ц/П = 1/3	Ц/П = 1/2
0 (базовая)	35	28	30	25
1	–	–	32	28
3	40	32	34	32
4	42	34	42	32
5	45	36	38	35
10	63	51	46	40

Мелкозернистые бетоны исследовали по эксплуатационным характеристикам: средняя плотность (табл. 4, рис. 2, 3), прочность на изгиб (табл. 5, рис. 4, 5) и сжатие (табл. 6, рис. 6, 7). Испытания проведены на образцах-балочках размером 4 х 4 х 16 см по истечении 28 сут нормального твердения.

Таблица 4 Результаты определения средней плотности мелкозернистого бетона

Количество отхода, % от массы цемента	Средняя плотность бетона, г/см3
	отход № 1		отход № 2
	Ц/П = 1/3	Ц/П = 1/2	Ц/П = 1/3	Ц/П = 1/2
0 (базовая)	0,2152	0,2169	0,2236	0,2205
1	–		0,2173	0,2162
3	0,2042	0,2054	0,2211	0,2112
4	0,2094	0,2002	0,2054	0,2110
5	0,2029	0,2051	0,2097	0,2107
10	0,1947	0,1940	0,2142	0,2079

Рис. 2. Плотность мелкозернистого бетона с использованием органических отходов с отношением Ц/П = 1/3. Количество вводимых отходов, от массы цемента:

1 – 0% (базовый); 2 – 1%; 3 – 3%; 4 – 4%; 5 – 5%; 6 – 10%

Таблица 5

Количество отхода, % от массы цемента	Прочность на изгиб, МПа
	отход № 1		отход № 2
	Ц/П = 1/3	Ц/П = 1/2	Ц/П = 1/3	Ц/П = 1/2
0 (базовая)	77,50	29,45	99,00	87,50
1	–	–	93,00	79,00
3	16,50	2,70	67,50	65,60
4	8,60	0,72	69,60	60,30
5	5,80	0,43	39,00	12,30
10	1,70	0,28	13,40	11,20

Таблица 6

Количество отхода, % от массы цемента	Прочность на сжатие, МПа
	отход № 1		отход № 2
	Ц/П = 1/3	Ц/П = 1/2	Ц/П = 1/3	Ц/П = 1/2
0 (базовая)	29,45	22,70	36,00	31,40
1	–	–	35,10	36,00
3	2,70	5,30	25,70	35,40
4	0,72	1,18	23,05	30,00
5	0,43	0,68	10,30	2,50
10	0,28	0,40	2,00	2,30

Рис. 6. Прочности на сжатие мелкозернистого бетона с использованием органических отходов с отношением Ц/П = 1/3. Количество вводимых отходов, от массы цемента:

1 – 0% (базовый); 2 – 1%; 3 – 3%; 4 – 4%; 5 – 5%; 6 – 10%

Рис. 7. Прочности на сжатие мелкозернистого бетона с использованием органических отходов с отношением Ц/П = 1/2. Количество вводимых отходов, от массы цемента:

1 – 0% (базовый); 2 – 1%; 3 – 3%; 4 – 4%; 5 – 5%; 6 – 10%

На основании полученных данных можно сказать, что при добавлении отходов комбикормового производства средняя плотность бетона практически не изменяется, прочность на изгиб понижается. Она имеет большее значение при добавлении дисперсного отхода № 2 на 6,1–87,2%. Прочность на сжатие при добавлении отхода № 1 снижается на 76,6–99,0%, а при введении отхода № 2 более 3% от массы цемента до 94,4% по сравнению с базовым образцом.

По полученным результатам исследований выбран состав мелкозернистого бетона с использованием отхода № 2 АО « Лузинский комбикормовый завод» в качестве заполнителя в количестве от 1 до 3% от массы цемента. При его введении прочность на сжатие увеличивается на 12,7–14,6% при отношении Ц/П = 1/2.

Более крупный отход № 1, который нецелесообразно использовать при производстве строительных материалов, можно применить для компостирования при рекультивации отработанных карьеров по добыче минеральных ресурсов (песка, глины, щебня), так как его химический состав состоит из целлюлозы – 36%, лигнина – 18%, пентозана – 33%, минерального составляющего – 5%.

Вблизи г. Калачинска Омской области на Воскресенском месторождении проводится добыча глинистого (кирпичного) сырья. Карьерная разработка Воскресенского месторождения заканчивается в 2019 г. и часть территории уже не используется для добычи глины, поэтому на этой территории необходимо проводить рекультивационные работы.

В соответствии с ГОСТ 17.5.3.04–83 «Охрана природы. Земли. Общие требования к рекультивации земель» [8] рекультивация нарушенных земель должна осуществляться в два этапа, последовательно: горнотехнический, осуществляемый по окончании годовой добычи глинистого (кирпичного) сырья, и биологический.

Заполнение карьера в соответствии с [8] должно происходить послойным возвращением вынутого грунта, но из-за большого перепада высот (глубина выработки – 4,6 м) становится невозможным сельскохозяйственное использование рекультивируемой территории. Для снижения перепада высот предлагается заполнение карьера компостированием при послойном внесении органических отходов, грунта, удобрений, песка, для необходимого объема заполнения карьера (на площади 55 152 м2) рассчитаны массы компонентов. Предлагается вносить компоненты в последовательности [9]:

• –    органические отходы высотой 1,2 м (в объеме это составляет 79 121,1 м³) могут быть перемешаны с соотношением лузга – 17 406,6 т и дробленка – 26 109,9 т;

• –    карбамид (мочевина) 0,02 м; внесение способствует улучшению урожайности, в объеме 3 309,1 м³ массой 2150,9 т;

• –    грунт толщиной 0,05 м, в объеме 6 596,4 м³ массой 7 912,1 т;

• –    песок 0,07 м, при заполнении объема 9 230,8 м³ его понадобится 13 986 т (табл. 7).

Слои повторяются 3 раза по расчетной глубине карьера, которая составляет 4,02 м. На верхний слой из временных отвалов возвращаются вскрышные породы толщиной 0,5 м. Для заполнения карьера необходимый при компостировании объем отхода элеватор предоставит за 1 год.

Таблица 7

Масса компонентов для заполнения необходимого объема карьера

Название компонента	Объем заполнения, м3	Масса компонента, т
Лузга	79121,1	17406,6
Дробленка		26109,9
Карбамид	3309,1	2150,9
Грунт	6593,4	7912,1
Песок	9230,8	13986,0

Для исключения накопления метана необходимо вывести трубки из толщи на поверхность земли. Трубки предлагается располагать вдоль края карьера.

Выводы

На основании значений прочности на сжатие мелкозернистые бетоны относят к разным маркам и классам [10]. Мелкозернистый бетон с оптимальным количеством дисперсного отхода № 2 соответствует марке М350 и классу В25 и может использоваться для производства фундаментов, дорожек и плит.

Результаты исследований показали, что применение более крупного органического отхода для заполнения отработанных карьеров позволит при сельскохозяйственном использовании рекультивируемых территорий улучшить насыщение почвы полезными веществами, уменьшить необходимость в удобрениях.

Таким образом, возможна утилизация органических отходов комбикормового производства и элеваторов в производстве мелкозернистых бетонов и для заполнения отработанных карьеров.

S.A. Emralieva, O.V. Pleshakova

Siberian State Automobile and Highway Academy, Omsk

Utilization of organic waste and the production of feed grain elevators