Введение

По данным Росприроднадзора более 200 млн. кубометров сточных вод ежегодно сбрасывается в реки Волго-Донского бассейна. После прохождения ими очистных сооружений образуют осадки, хранящиеся на специально оборудованных иловых площадках, представляющих собой экологически опасные объекты из-за выделения вредных веществ, вероятности загрязнения грунтовых вод и разрушения ограждающих конструкций [1].

Для предотвращения дальнейшего отчуждения территорий под данный вид полигонов и решения экологической проблемы утилизации уже накопленных отходов необходимо применять методы, обеспечивающие их вторичное использование.

Цель работы: предложить метод безопасной утилизации отходов после биологической очистки сточных вод, на примере получения керамзита, а также сформулировать химическую концепцию о влиянии предлагаемой добавки на вспучивания глинистого сырья.

Данный вид отхода представляет собой смесь осадка из первичных отстойников и активного ила из илоуплотнителя, с влажностью примерно 80%. Осадок сточных вод содержит органические (до 80%) и минеральные (около 20%) примеси, в нем содержатся:

• 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 здесь присутствуют патогенные организмы, избыточное количество нитратов, токсичные вещества, алифатические соединения, эфиры, фенолы и т.д.[4].

Методы

Наиболее практичным и перспективным способом утилизации осадка сточных вод является метод термической обработки, при котором погибают опасные возбудители заболеваний. Одним из примеров реализации данного метода является производство керамзитового гравия.

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) [2].

Применяемый в качестве подобной добавки осадок после биологической очистки сточных вод, содержит окислы железа и углерода, наличие которых создает оптимальные условия для вспучивания легкоплавких глин при производстве керамзита. Оно включает в себя следующие стадии: добычу сырья, подготовку сырья, формование, термообработку (сушку, обжиг) и подготовку продукции к транспортировке.

Третья стадия термообработки или обжига является одной из основополагающих в получении керамзита т.к. здесь происходит процесс вспучивания за счет протекания химических реакций при высоких температурах.

Существует три способа формования гранул для последующего обжига: сухой, пластичный и мокрый. Наиболее подходящим для нас является пластичный способ, т.к. он предусматривает возможность ввода добавочных материалов для регулирования вспучивания основного сырья, а также использование широко встречающегося рыхлого глинистого сырья средней и повышенной пластичности и влажности. После формование шаровидные гранулы поступают в печь для обжига. Обжиг осуществляется в одно и двух барабанных вращающихся печах.

Средняя продолжительность пребывания глинистых гранул в печи равна 35-40 минут, при этом в течение первых 18-20 минут гранулы нагреваются до температуры 600°С, а в течение последующих 2-4 минуты температура их доводится до 1100-1170°С, при этой температуре они в течение 10-12 минут обжигаются, а затем 2-3 минуты охлаждаются до температуры 900-1000°С[2].

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

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

CaCO₃ = CaO+CO₂;

MgCO₃ = MgO+CO_2.

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. 

CO₂+C = 2CO.

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:

3Fe₂O+CO=2Fe₃O₄+CO₂;

1Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂.

Вследствие выделения таких газов как CO и CO₂ происходит рост гранулы керамзита изнутри, ее хорошее вспучивание.

Обсуждение

На основании экспериментальных работ и промышленного опыта можно сделать следующие выводы влияние добавки на вспучивание:

-  только взаимодействие оксидов железа и органических примесей создает условия для нормального вспучивания легкоплавких глин при производстве  керамзита;

- при высоких температурах и наличии С, CO, H или др. восстановителей создаются благоприятные термодинамические условия для восстановительных реакций[3].

Заключение

Предлагаемая технология:

· способствует утилизации отходов, образующихся после биологической очистки сточных вод;

· влияет на улучшение состояния окружающей среды;

· позволяет использовать отходы в качестве сырьевых материалов для получения строительных материалов.