Вещественный состав и свойства золы от сжигания осадков бытовых сточных вод

Разработка научных и технологических основ использования для получения строительных материалов техногенных отходов является одной из приоритетных задач строительного материаловедения.

Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40 % потребности строительства в сырьевых ресурсах. Применение промышленных отходов позволяет на 10–30 % снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья, экономия капитальных вложений достигает 35–50 % [1, 2].

В Российской Федерации накоплен значительный опыт по использованию золошлаковых отходов электростанций в промышленности строительных материалов. Такие золы могут быть эффективным сырьем для изготовления силикат ного кирпича, зольной керамики, минеральной ваты, стекла [3–6].

Наряду с золой ТЭC многотоннажным сырьевым резервом для получения строительных материалов являются практически неиспользуемые золы от сжигания образующихся в результате функционирования очистных сооружений канализации осадков бытовых сточных вод (ОБСВ). В настоящее время повсеместно используемый в РФ способ утилизации таких осадков – это захоронение на специальных площадках (картах депонирования), под которые заняты большие площади земли [7]. Использование осадка, хранящегося в таких картах, является сложной задачей, что связано с большим содержанием в этих отходах тяжелых металлов и патогенных видов микрофлоры. В этой связи среди возможных вариантов утилизации осадков бытовых сточных вод наиболее рациональный способ – это их сжигание с последующим использованием образующейся золы в качестве сырья при производстве строительных материалов [8–11].

Известно, что конкретные направления использования зол в производстве строительных материалов зависят от их фазово-химического состава [12]. В этой связи назрела необходимость в более детальном исследовании особенностей состава и технологических свойств малоизученных зол от сжигания ОБСВ.

Цель работы: установить вещественный состав и свойства золы от сжигания осадков бытовых сточных вод и сопоставить их с характеристиками используемого для получения строительных материалов сырья.

Материалы и методы

Ввиду невозможности самостоятельного горения обезвоженного осадка по термодинамическим причинам (теплотворная способность – 1500 МДж/кг), золу для проведения лабораторных исследований получали путем обжига в камерной печи Nabertherm LV 9/11/P330 при t = 800 °С осад- ка бытовых сточных вод (отобран в МУП «Горво-доканал» г. Новосибирска).

Рентгенофазовый анализ (РФА) выполняли на дифрактометре Bruker D8 Advance с использованием Cu-K α излучения. Микрофотографии и элементный анализ проводили на электронном микроскопе Hitachi TM-1000. Содержание водорастворимых солей в водной вытяжке из золы определялся методом капиллярного электрофореза на приборе «Капель-105». Гидравлическую активность золы оценивали по количеству поглощенного оксида кальция.

Результаты их обсуждение

Образующаяся зола от сжигания осадка бытовых сточных вод (ОБСВ) представляет пылящий, тонкодисперсный порошок коричневого цвета с удельной поверхностью 7180 см2/г и насыпной плотностью 0,74 г/см³. В твердом состоянии зола образует легко разрушающиеся комки. При увлажнении зола может находиться в жидкотекучем или пластичном состояниях, причем пластичное состояние золы неустойчивое, что может быть обусловлено существенной мономерностью структуры.

Зола от сжигания ОБСВ представлена в основном фракцией 1,0–50 мкм и по зерновому составу относится к тяжелым пылеватым суглинкам (табл. 1, 2).

Таблица 1

Распределение частиц золы ОБСВ по фракциям

Размер фракции, мкм	Кол-во частиц, %
менее 1	6
1–5	17
5–10	20
10–50	47
более 50	10

Таблица 2

Распределение частиц золы ОБСВ по крупности

Цвет	Содержание, %	Макс. размер, мм	Идентификация
Темные	20–30	0,1	Песок, пыль
Коричневые	20–25	0,01	Пыль
Желтые	50–60	0,005	Пыль, глина

Исследование золы методом электронной микроскопии и спектрального анализа показало, что очень мелкие частицы имеют овальную форму (рис. 1) и, помимо соединений Si, содержат существенное количество А1 (3,5–6,7 %), Fe (2,4– 3,6 %), Р (1–1,5 %), Мn (~ 0,5 %), и Са (0,3–0,4 %).

По химическому составу зола представляет собой кислое сырье с повышенным содержанием красящих оксидов (табл. 3). В водных вытяжках золы ОБСВ преобладают катионы Ca2+ и K+ (табл. 4).

TM-1000_726u                             D3.1 хйОк 20 um

Рис. 1. Микрофотография частиц золы ОБСВ

Таблица 3

Химический состав ( % масс.) золы ОБСВ

MgO	Al 2 O 3	SiO 2	P	K 2 O	CaO	TiO 2	MnO	FeO	Cu	Zn	O
1,9	10,6	53,9	6,1	3,1	6,2	6,3	0,2	7,5	0,12	0,3	47

Таблица 4

Содержание водорастворимых солей в золе ОБСВ по данным капиллярного электрофореза

№ п/п	Ионы	Концентрация, мг/кг золы
		без УЗ-обработки	УЗ-обработка 10 мин
1	NH 4 +	–	0,26
2	K+	6,442	9,579
3	Na+	14,54	1,071
4	Mg2+	–	2,639
5	Ca2+	100,9	157,8

Следует отметить, что наличие оксидов кальция и алюминия в золе в значительной степени обусловлено не столько составом коммунальных стоков, как технологией их обработки: в МУП «Горводоканал» г. Новосибирска в сброженный осадок вводятся известь (как самостоятельный коагулянт и для предотвращения загнивания) и минеральный коагулянт (оксихлорид алюминия Al2(OH)5Cl) (рис. 2). Дозы коагулянтов: оксихлорид алюминия 5–8 %, известь 15–30 % (от сухого вещества осадка).

При использовании золы ОБСВ для получения строительной керамики наличие в составе золы оксидов алюминия и кальция является позитивным фактором, поскольку с участием этих соединений при обжиге возможно образование кальцийсодержащих фаз, в частности анортита. Положительное влияние последнего на структурномеханические свойства керамики отмечено в целом ряде работ [14, 15].

Рентгенофазовый анализ показал, что основной идентифицируемой фазой в золах, обожженных при температурах 400–1200 °С, является кварц (рис. 3).

При этом кварц частично находится в высокодисперсном состоянии. На это, в частности, указы- вают результаты сравнения адсорбционной активности глины, кварцевого песка, золы, а также глины и золы, взятых при соотношении 1:1 (рис. 4).

Полученные результаты свидетельствуют, что зола обладает более высокой адсорбцией метиленового красителя по сравнению с основными компонентами шихты для получения кирпича: глиной и крупнокристаллическим песком, что, по нашему мнению, связано с присутствием в ней частиц кварца с диаметром менее 0,05 мм. Согласно [16], такие частицы нельзя классифицировать как ото-щающую добавку, поскольку по своим адсорбционным свойствам они близки к глине, при этом, однако, не обладая ее пластичностью.

В табл. 5 представлены экспериментальные результаты по определению гидравлической активности золы. С учетом рекомендаций [17], величина поглощения золой СаО свидетельствует о возможности использования золы в качестве активных добавок к цементному клинкеру.

Зола ОБСВ относится к 2 классу кислых шлаков (Ма ≥ 0,33). При этом значения силикатного (Мс = 1,8) и глиноземистого (Мг = 2,06) модулей свидетельствуют с учетом рекомендаций [18, 19] о возможности использования золы для получения вяжущих материалов.

Рис. 2. Схема обработки ОБСВ коагулянтом и известью [13]: 1 – подача ОБСВ; 2 – смеситель соли алюминия; 3 – смеситель извести; 4 – буферная камера;

5, 6 – насосы дозаторы; 7 – обработанный ОБСВ

200 С

900°С

Рис. 3. Рентгенограммы золы ОБСВ: 1 – кварц; 2 – кальцит; 3 – гематит

Рис. 4. Интенсивность адсорбции метилового красителя: 1 – метиленовый красный; 2 – песок кварцевый; 3 – глина;

4 – 50 % глина + 50 % зола ОБСВ; 5 – зола ОБСВ

Активность золы ОБСВ по поглощению CaO

Таблица 5

Материал	Кол-во СаО в растворе с золой в 1 сут, мг/л	Кол-во СаО в растворе с золой через 10 сут, мг/л	Кол-во поглощенного СаО на 10-е сутки, мг/л
Зола	2,370	1,497	0,873

Зола ОБСВ содержит потенциально вредные тяжелые металлы, такие как Zn, Cu, Cr, Pb, Ni, Cd и Hg (табл. 6). Содержание Zn, Cu, Ni, и Cd превышает предельно допустимую концентрацию для почвы, что вызывает опасения по поводу их выщелачивания при использовании золы в качестве строительного материала. Установлено, что зола имеет pH от умеренно кислой до значительно щелочной (средний pH 9,0), и в целом можно ожидать, что восприимчивость к выщелачиванию будет увеличиваться в более кислых или основных условиях.

Зола от сжигания ОБСВ по ряду характеристик (коэффициент фильности, истинная плотность (табл. 7), гранулометрический состав (рис. 5), содержание ряда оксидов (табл. 8) существенно отличается от используемых для получе- ния строительных материалов зол ТЭС и суглинка. В то же время данные по количеству оксидов алюминия, кремния и кальция, грансоставу, адсорбционной активности, температуре плавления и интервалу размягчения (табл. 9) позволяют считать технически рациональным использование золы от сжигания ОБСВ в качестве легкоплавкого алюмосиликатного сырьевого компонента с расширенным интервалом спекания при производстве строительной керамики. Следует, однако, отметить, что зола ОБСВ, в отличие от глинистого сырья, представляет собой материал с увеличенной потребностью в воде из-за недостаточной пластичности, необходимой при формообразовании керамики.

С учетом полученных результатов золу от сжигания бытовых сточных вод можно охарактеризовать

Таблица 6

Содержание тяжелых металлов в золе ОБСВ

Содержание металла	Cd	Cr	Co	Cu	Hg	Mn	Ni	Pb	Zn
Зола ОБСВ, мг/кг	11,6	55,7	21,0	259	0,01	2140,0	21,9	69,9	644,0

Таблица 7

Свойства частиц суглинка и зол

Характеристика	Зола ТЭС-3 (г. Новосибирск)	Зола ОБСВ	Суглинок Каменского месторождения
Коэффициенты фильности частиц	1,69	2,91	1,76
Истинная плотность частиц, г/см3	1,99–2,12	1,89	2,800
Удельная поверхность, см2/г	3200–5100	7180	3073

Таблица 8

Химические составы зол ТЭC-3, золы ОБСВ и суглинка

Материал	Cодержание оксидов, масс %
	SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	CaO	MgO
Зола ТЭС-3 г. Новосибирск (уголь из Назаров-ского разреза Канско-Ачинского бассейна)	24,2–27,0	6,7–7,5	13,8–20,7	38,0–44,1	4,1–5,5
Зола ОБСВ	53,9	10,6	7,5	6,2	1,9
Суглинок Каменского месторождения	61,0	12,54	4,03	5,67	1,89

Таблица 9

Температуры плавления и интервалы размягчения зол ТЭC [20–22], золы ОБСВ и суглинка Каменского месторождения

Золы ТЭС		Зола ОБСВ		Суглинок
Температура начала плавления, °С	Интервал размягчения, °С	Температура начала плавления, °С	Интервал размягчения, °С	Температура начала плавления, °С	Интервал размягчения, °С
1100–1430	90–175	970	180	940	160

б)

в)

Рис. 5. Распределение частиц по размерам: а – зола ТЭС-3 (г. Новосибирск); б – зола ОБСВ; в – суглинок Каменского месторождения (Новосибирская обл.)

как сыпучий мелкозернистый материал, цвет которого варьируется от красного до коричневого. Зола состоит из частиц с шероховатой текстурой поверхности и пористой микроструктурой и проявляет высокие впитывающие свойства (в среднем 15–18 %). Основные оксиды, присутствующие в золе (SiO2, Al2O3 и СаО), обычно встречаются в цементных смесях и в глинах. Аморфная составляющая (варьируется от 55 до 75 %) указывает на то, что материал реакционноспособен, проявляет определенную гидравлическую активность и потенциально может быть использован в качестве пуццолановой добавки.

При благоприятных условиях сжигания стойкость золы ОБСВ к раздавливанию значительно меньше, чем у гранитного щебня, и сравнима с керамзитом, что допускает в ряде случаев пригодность ее в качестве наполнителя или мелкого заполнителя.

Зола ОБСВ имеет «среднюю» водопроницаемость и сопоставима в этом отношении с чистым песком, что позволяет рассматривать ее в качестве материала для строительства оснований автомобильных дорог.

Заключение

• 1.    По химическому составу зола представляет собой кислое алюмосиликатное сырье с повышенным содержанием красящих оксидов.

• 2.    Оксидный состав, грансостав и адсорбционная активность золы от сжигания осадков сточных вод свидетельствует о возможности ее использования при производстве строительной керамики в качестве легкоплавкого алюмосиликатного сырьевого компонента с расширенным интервалом спекания.

• 3.    Анализ системы модулей показывает наличие технологического потенциала золы при использовании ее для получения вяжущих материалов. Зола обладает гидравлической активностью, что позволяет ее использовать в качестве активной минеральной добавки к цементному клинкеру.

• 4.    Дренажные характеристики допускают использование золы при строительстве оснований автомобильных дорог.