Утилизация ОСВ с получением товарных продуктов

Разработка технологий получения материалов на основе переработанных осадков сточных вод (ОСВ) предприятий коммунального хозяйства является чрезвычайно актуальной и своевременной для городских хозяйств городов России, так как позволяет решить многолетние накопившиеся проблемы в коммунальном хозяйстве: утилизацию осадков сточных вод, которые формируют сложную экологическую проблему городов, загрязнение атмосферного воздуха дурно пахнущими веществами, потерей территорий при объектах размещения коммунальных отходов и др.; удовлетворение потребности в плодородном грунте при благоустройстве и озеленении.

Обычно проблема утилизации осадка сточных вод решается путем его предварительного обезвоживания с последующим захоронением на полигонах с твердыми бытовыми отходами, размещением в иловых прудах или илонакопителях. ОСВ содержит соединения тяжелых металлов и патогенные микроорганизмы и является биологически опасным отходом процесса очистки сточных вод, требующим больших территорий для его последующего размещения в дорогостоящих долговечных сооружениях.

В Европе основными методами утилизации ОСВ являются их захоронение, использование в качестве удобрений в сельском хозяйстве, термическая переработка с использованием теплоты их сгорания с уменьшением на порядок величины объема захороняемого отхода.

Основная проблема, возникающая при сжигании осадка, заключается в образовании продуктов сгорания, содержащих токсичные соединения. Поэтому при разработке безопасных технологий сжигания отходов в первую очередь внимание уделяется поиску эффективных способов очистки отходящих газов от загрязняющих веществ. Современные технологии очистки пылегазовых выбросов позволяют снизить концентрацию загрязняющих веществ в отходящих газах до приемлемого уровня, достаточного для доведения их содержания последующим разбавлением до нормативного уровня.

Благодаря этому объекты для термического обезвреживания ОСВ можно размещать в таких городах, как Санкт-Петербург, Вена. Технология сжигания ОСВ, применяемая на этих заводах, включает очистку пылегазовых выбросов до 99,9%. Зола, образующаяся при сжигании ОСВ, представляет собой легкий, пылящий, тонкодисперсный порошок, состоящий из мелких частиц (размером от 1–2 до 10–50 мкм) и характеризуется однородностью состава и структуры. Основными компонентами золы являются: диоксид кремния, фосфаты железа и кальция, силикаты кальция, магния, железа, калия, алюминия, натрия. Кроме этих основных компонентов в золе ОСВ, особенно образующихся на промышленных предприятиях, содержатся тяжелые металлы в виде фосфатов и силикатов.

Некоторые соединения тяжелых металлов, находящиеся в золе, при контакте с водой (особенно с кислыми поверхностными или грунтовыми водами) могут проникать в водные объекты и почву. Тяжелые металлы и их соединения обладают высокой токсичностью, многие из них способны накапливаться в тканях живых организмов. При значительных масштабах сжигания ОСВ количество образующейся золы определяет необходимость создания новых методов и технологий дальнейшего обращения с образовавшейся золой с целью максимального использования заложенного в ней ресурсного потенциала и минимизации захоронения отходов, которое является наименее рациональным из существующих методов утилизации золы.

Эта зола находит применение вместо первичных минеральных материалов (песка, минерального порошка и других) при производстве строительных материалов, но редко, из-за высокого содержания в ней соединений тяжелых металлов и других токсичных компонентов.

Значительно реже, по сравнению со сжиганием, для термохимической переработки ОСВ применяется пиролиз, который производится как при высоких температурах, так и в низкотемпературном режиме без участия кислорода. В результате пиролиза ОСВ образуется твердый остаток – органоминеральная композиция, представляющая собой гидрофобный материал черного цвета, подобный образующемуся при пиролизе древесины. Органоминеральная композиция содержит повышенное количество тяжелых металлов, что существенно ограничивает сферы ее применения. Проводимые исследования показывают, что предварительная обработка ОСВ кальцийсодержащим реагентом приводит к уменьшению концентрации тяжелых металлов в единице массы ОСВ, а также способствует связыванию серо- и хлорсодержащих соединений в прочные комплексы, устойчивые к разложению в условиях низкотемпературного пиролиза. В результате такой обработки ОСВ, подвергаемых низкотемпературному пиролизу, получается органоминеральная композиция, содержащая существенно меньше тяжелых металлов, а при пиролизе ОСВ снижается загрязненность пылегазовых выбросов.

Известны результаты ряда исследований свойств керамических материалов, полученных с использованием в качестве добавок отходов разных производств. Наиболее часто для этих целей применяется зола и другие отходы ТЭЦ. К основному материалу (глине) добавляют также отходы цветной металлургии, деревообрабатывающей, кожевенной, пищевой, табачной промышленности, ОСВ и пр. Постоянной задачей у производителей керамических строительных материалов является увеличение объема и расширение номенклатуры выпускаемых изделий путем применения новых для региона сырьевых материалов. Добиваются этого изменением состава сырьевых смесей с добавлением различных дополнительных компонентов. Добавки вводят в глину, используемую для производства керамических изделий, для изменения таких характеристик глиняной композиции, как пластичность, спекаемость, воздушная усадка, огнеупорность. Из широкого набора добавок, применяемых при производстве кирпича, наиболее часто используют выгорающие и отощающие добавки. Отощающие добавки (отощители) вводят в высокопластичные глины, которые дают значительную усадку при сушке и обжиге (до 15%). В качестве отощающих добавок применяются неорганические вещества: кварцевый песок, шамот (обожженная и измельченная глина), молотый бой изделий, шлак и зола. Отощающие вещества улучшают формовочную способность и сушильные свойства и уменьшают воздушную усадку.

Выгорающие органические добавки применяются для получения изделий с меньшей плотностью и повышенной пористостью. Частицы выгорающих добавок, будучи по размерам крупнее частиц глины, обволакиваются ими. При обжиге добавки выгорают, оставляя поры между частицами глины, образующими каркас материала. Наиболее часто в качестве выгорающих добавок при производстве кирпича используют древесные опилки, угольную мелочь и угольный порошок, торфяную пыль. Еще одно преимущество использования выгорающих добавок заключается в сокращении расхода топлива, которое является одной из основных статей затрат помимо основного сырья в составе производственных расходов при изготовлении кирпича. Излишек добавок может отрицательно сказаться на качестве, прочностных и других свойствах конечного продукта.

До недавнего времени в качестве отощителей и выгорающих добавок российскими производителями кирпича применялись в основном природные материалы, такие как песок и опилки. В настоящее время расширение объемов производства и необходимость экономии на издержках заставляет предприятия применять более дешевые материалы для использования в качестве добавок. Такие материалы, как правило, получают из отходов разных производств. Анализ состава, структуры, химических и физико-механических свойств золы от сжигания ОСВ показывает, что она характеризуется приемлемой для производства керамических изделий типа керамического кирпича или керамзита однородностью состава и структуры. Наличие в составе золы фосфатов железа, кальция, силикатов кальция, магния, железа, калия, алюминия, натрия обеспечивает устойчивость связи золы с глиной.

Результаты анализа химического состава сырья, используемого для производства керамических материалов, и отходов, образующихся при утилизации ОСВ термическими методами (золы от сжигания ОСВ и органоминеральной композиции, получаемой при их пиролизе), и проведенные лабораторные исследования показывают целесообразность использования указанных отходов в качестве полезных добавок при производстве керамических материалов.