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

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.
Августиник А. И. Керамика. – Л.: Стройиздат, 1975.
Воробьева В. В., Леонов В. Г. Влияние тонкодисперсной составляющей на формирование пористой проницаемой структуры керамики // Стекло и керамика. 2002. № 6.
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.