автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Утилизация осадков сточных вод и некондиционного глинистого сырья в производстве керамзита

и

^Г" / V ' ■ ^ / '

Московский Государственный Строительный Университет.

На правах рукописи

Королева Екатерина Александровна

Утилизация осадков сточных вод и некондиционного глинистого сырья в производстве керамзита.

05.23.05. Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д-р техн. наук. проф. Орентлихер Л.П.

■тк

Москва- 1998

Оглавление стр.

Введение.........................................................................5....

Глава 1. Альтернативные технологии производства строительных материалов с использованием осадков сточных вод (ОСВ)........10...

1.1 Классификация осадков сточных вод (ОСВ). Методы обработки и обезвоживания осадков. Основные направления и методы утилизации (ОСВ). Определение тенденций развития технологии производства пористых заполнителей на основе исследований литературных источников и патентной информации......................................."Ц...

1.2 Теоретические аспекты производства высокопористых керамических материалов...............................................................

Выводы по главе 1..........................................................£5....

Глава 2. Экспериментальные исследования состава и свойств компонентов сырьевой смеси для производства керамзита........25...

2.1. Осадки городских сточных вод (ОГСВ).....................

2.2. Осадки поверхностных стоков (ОГ1С)........................22....

2.3. Физико-химические и петрографические анализы некондиционного глинистого сырья. Методика экспериментальных исследований.........................................................................................33...

Выводы по главе 2..........................................................^б....

Глава 3. Определение оптимального соотношения шихт из некондиционного глинистого сырья и корректирующих добавок, содержащих специфические (коагулянты и флокулянты) компоненты, вводимые в состав ОГСВ (ОПС) станциями аэрации, а также параметров обжига керамзита...................................................................................49...

3.1. Оценка вспучивания некондиционного глинистого сырья в естественном составе.................................................................Ц-д---

3.2. Сырьевая смесь с механически обезвоженным ОГСВ, содержащим коагулянт....................................................................5^...

3.3. Сырьевая смесь с механически обезвоженным ОГСВ, содержащим флокулянт....................................................................61....

3.4. Сырьевая смесь с ОГСВ, подвергнутым естественному обез-

65

воживанию............................................................................4/.....

3.5. Сырьевая смесь с механически обезвоженным осадком поверхностных стоков(ОПС), содержащим коагулянт.................69.....

3.6. Сырьевая смесь из традиционной глины, с механически обезвоженным ОГСВ, содержащим коагулянт, или избыточным активным

илом (ИАИ)..........................................................................87.....

Выводы по главе 3........................................................9.2.....

Глава 4. Условия образования и стабилизации ячеистой микроструктуры высокопористых керамических материалов............95.....

4.1. Реологические явления деформации и течения применительно к вспучиванию глин..............................................................$5......

4.2. Условия стабилизации микроструктуры керамзита нового поколения................................................................................97.......

4.3. Влияние температуры и продолжительности обжига на вспучивание и свойства заполнителя нового поколения..........106.....

Выводы по главе 4........................................................X2I-.....

Глава 5. Технико-экономическая оценка разработанных технологических решении.............................................. ........................

5.1. Уточнение составов и технологические параметры производства керамзита с добавкой ОГСВ (ОПС). Выпуск, оценка свойств и спо-

. собы применения опытной партии керамзита.........................£2-3.....

5.2. Нетрадиционные направления использования, полученного с добавкой ОГСВ (ОПС), керамзита.........................................13.6.....

5.3. Определение технико-экономических показателей экспериментального цеха реального проектирования..............................

Выводы по главе 5........................................................Х50.....

Общие выводы..............................................................153......

Использованная литература..........................................15.6......

Приложение.................................................................163......

Приложение 1. Результаты рентгенофазового анализа глинистых материалов и обожженной гранулы из технологической шихты... .J53..

Приложение 2. Основные калькуляции и расчеты...............Х72-

Приложение 3. Акты испытаний опытно-производственной партии керамзитового гравия. Заключение Академии архитектуры и строительных наук. Акт внедрения............................................................1.73.

Приложение 4. Принципиальная схема очистных сооружений города Серпухова производительностью 180 т.м3/сут в фотографических

иллюстрациях............................................................................1.79

Приложение 5. Лабораторные экспериментальные установки в фотографических иллюстрациях.....................................................X-8I

Введение

Задачи использования некондиционного глинистого сырья, а также утилизации осадков сточных вод (ОСВ) приобретают важнейшее народохо-зяйственное значение. Интенсификация промышленного производства связана с истощением запасов качественного природного сырья, а рост народонаселения мегаполисов- с увеличением объемов потребляемой воды, и, в итоге, с увеличением количеств образующихся осадков.

Актуальность работы: Проблема утилизации осадков сточных вод (ОСВ) приобретает особое значение, так как имеет не только природоохранное, но и экономическое значение, содействуя восполнению сырьевых и материальных ресурсов. На очистных сооружениях Москвы и Московской области, по данным Мособлжилкомхоза, образуется в среднем до 1.5% осадков сточных вод (ОСВ) от количества поступающей сточной воды (СВ), что составляет в год свыше 3 млн. 650 тыс. м\ Подобная ситуация наблюдается и в других крупных городах и мегаполисах.

В результате недостаточного внимания к изучаемой проблеме вопросы обработки и утилизации упомянутых отходов не решаются. В силу этого многие осадки поступают в переполненные шламонакопители, приводя к аварийным сбросам загрязнений. Из общего количества осадков используется в качестве удобрения лишь около 1.5%. Традиционные же технологии промышленной обработки ОСВ - пиролиз, сжигание и др. при высокой энергоемкости приводят к нерациональному расходованию органической составляющей и образованию не утилизируемых вторичных отходов. В то же время переработка и использование накопленных техногенных отходов, в том числе многотоннажных сточных осадков, при кооперировании со строительной индустрией, позволяет быстро получить реальные экономические и социально-экологические результаты при минимальных затратах. Предложенная обжиговая технология решит проблему безотходной утилизации техногенных отходов в производстве керамзита из вскрышного глинистого сырья при корректировании его свойств сточными осадками, обеспечивая включение в работу добавок, содержащихся в них. Она позволит максимально утилизировать минеральную часть ОСВ и, в итоге, получить экологически чистые, полезные конечные продукты: керамзитовый гравий и песок.

Анализ сырьевой базы природных глинистых месторождений ряда регионов России показал существенное снижение, вплоть до истощения, запасов качественного сырья и избыток некондиционного, пригодного лишь для получения керамзита марок 400. .600, не применимого для легких теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструктивных бетонов^в связи с высокими нормативными требованиями по теплозащите, поставленными соответствующим СНиПом.

Предложенная обжиговая технология позволит использовать низкосортные некондиционные мало- и среднепластичные глины, а так же техногенное сырье- запесоченную вскрышную глинистую породу,, совместно с многокомпонентными отходами станций аэрации- осадками городских сточных вод (ОГСВ) и, ранее не употреблявшимися, осадками поверхностных стоков (ОПС), включающими коагулянты (флокулянты) и др. составляющие, которые по нашему мнению, произведут комплексное корректирование свойств пористых заполнителей, способствуя получению низкой насыпной плотности и улучшенных эксплуатационных характеристик керамзита.

Цель диссертационной работы состоит в: разработке технологии утилизации некондиционных вскрышных глинистых пород совместно с осадком городских и поверхностных сточных вод, корректирующие свойства компонентов которых дают возможность получить суперлегкий экологически чистый керамзит.

Основные задачи исследования: Для достижения поставленной цели в работе поставлены к разрешению следующие основные задачи:

•Исследовать состав и свойства компонентов сырьевой смеси для производства керамзита, в том числе со статистической обработкой по однородности свойств корректирующих добавок.

• Определить оптимальные соотношения параметров шихты, термообработки и обжига керамзита из некондиционного глинистого сырья и корректирующих добавок, содержащих соединения тяжелых металлов и специфических добавок- коагулянтов (флокулянтов), вводимых в состав ОГСВ (ОПС) станциями аэрации.

•Экспериментально обосновать оптимальные условия стабилизации ячеистой макроструктуры керамзита низкой насыпной плотности.

•Установить взаимовлияние факторов обжига и газообразования на изменение процесса вспучивания и свойств заполнителя.

•Уточнить технологические параметры производства, осуществить выпуск опытно-производственной партии керамзита. Изучить и сопоставить свойства лабораторных образцов и опытно-производственной партии керамзита.

•Исследовать экологические аспекты алгоритма производства и потребления керамзита «сырье- сырьевая смесь- технология- состав и свойства керамзита- применение- окружающая среда».

•Разработать замкнутую технологическую схему, включающую этапы биологической очистки СВ и обработки ОГСВ, производство и расширение областей применения керамзита.

• Оценить возможность нетрадиционных направлений использования керамзита, полученного с добавкой ОГСВ (ОПС), в качестве фильтрующей загрузки в циклах обработки и доочистки сточной жидкости, и пористого носителя в аэротенках и метантенках.

•Выполнить технико-экономическое обоснование эффективности производства и применения керамзита пониженной плотности для реальных условий проектирования.

Научная новизна работы: Разработаны принципы технологического производства керамзита из некондиционного сырья вскрышных пород, ОГСВ и ранее не используемых ОПС, отличающихся следующим: содержащиеся в ОГСВ (ОПС) коагулянты (флокулянты) обладают пластифицирующем эффектом на стадии механического обезвоживания осадков^на порядок снижая их удельное сопротивление, что способствует снижению влажности на 21-25%. Корректирующие добавки ОГСВ (ОПС) способны к проявлению пластифицирующего эффекта и в шихте, повышая свыше 20% число пластичности и понижая до минус 0.37 коэффициент консистенции, что уменьшает формующее давление и технологическую энергоемкость.

•Доказано, что ОГСВ (ОПС), содержащие коагулянты (флокулянты), тяжелые металлы и органику, являются сильными модификаторами структуры и газообразователями, что при интенсивном нарастании стеклофазы и избыточном газовыделении способно не только дополнительно количественно повышать пористость, но и качественно ее изменять, создавая стабильную «многогранную» замкнутую ячеистую макроструктуру с углом

120° между ячейками пор (Кнас до 0.13) при коэффициенте качества Кк более 3.

• Показано, что совершенствование обжига при значительно пониженных температурах 1020... 1 080°С достигается вводом ОГСВ (ОПС) с добавками коагулянтов (флокулянтов), что отражается на увеличении коэффициента вспучивания свыше 5.45.. 7.49, расширении интервала вспучивания в 1.5 раза, вызванном присутствием органических и минеральных тугоплавких соединений. При изменении времени изотермической выдержки до 10 мин в установленном интервале температур и значительном У-образном изменении вязкости системы с 1 08-1 07 до 1 05-1 04Па.с и вновь повышением до 108Па.с, с ярко выраженным экстремумом, вызванным преимущественным содержанием плавня группы СаО и двояким влиянием 8102.

•Установлено воздействие специфических добавок и плавней на значительное снижение температуры обжига в область оптимальных значений 1020... 1080°С, расширение интервала вспучивания с 85 до 120НС и более при 10 мин. обжиге по традиционной технологии. Симбатный характер дифференциальных кривых распределения пор по размерам свидетельствует об оптимальных параметрах термообработки керамзита, модифицирующем эффекте специфических, содержащихся в ОГСВ (ОПС), добавок, наличии максимального содержания в керамзите равномерных замкнутых пор диаметром 0.367...0.606 мм, при общей пористости более 80% и достаточном пределе прочности 1.48...2.16 МПа.

•Установлено, что максимальное усвоение газообразования, плавление и аморфизация кристаллических составляющих, а такоке модифицирующий эффект порообразования при избытке стеклофазы (более 90%) в шихте, нагретой свыше 1020°С, снижают теплопроводность керамзита (до

0.076...0.079 Вт/(м°С), то есть на 20...30%,)по сравнению со значениями

*

СНИПа Н-3-79 «Строительная теплотехника» при значении пористости керамзита более 81%) и насыпной плотности 150...200 кг/м3.

• Доказано, что нетрадиционное использование загрузки из керамзита в аэротенках и метантенках интенсифицирует работу и позволяет существенно сократить их объем за счет развитой активной поверхности и разделения процессов гидролиза и метаногенеза, осуществляя последний в реакторе с микрофлорой, закрепленной на поверхности пористого носителя; керамзит, применяемый нетрадиционно, в качестве фильтрующей загрузки

систем доочистки сточной жидкости, обеспечивает улучшение условий фильтрования СВ, соответственно возрастание грязеемкости загрузки и увеличение до 1.5 раз, продолжительности фильтроцикла по сравнению с загрузкой из кварцевого песка.

Практическое значение работы: Разработанная обжиговая технология позволила использовать низкосортные некондиционные мало- и средне-пластичные глины, а так же техногенное сырье- запесоченную вскрышную глинистую породу совместно с многокомпонентными отходами станций аэрации- осадками городских сточных вод (ОГСВ) и, ранее не употреблявшимися, осадками поверхностных стоков (ОПС), включающими коагулянты (флокулянты) и др. составляющие, которые произвели комплексное корректирование свойств пористых заполнителей, способствуя получению экологически чистого, суперлегкого керамзита.

Изучены свойства ОГСВ (ОПС), подтверждающие возможность их использования в качестве добавок широкого спектра действия, оцененные статистически стабильностью важнейших составляющих- гранулометрии, химического состава, основных технологических параметров, а так ^ же значением коэффициента основности Косн. силикатов, позволившими считать ОГСВ (ОПС) техногенными, органоминеральными отходами.

Разработаны оптимальные технологические параметры: температура обжига-1020... 1080°С и время изотермической выдержки-10 мин, установлено оптимальное соотношение компонентов шихт- 75% глины и 25% ОГСВ при комплексном воздействии имеющихся в них специфических добавок для получения минимальных значений насыпной плотности до 150...200 кг/м3, объемного водопоглощения менее 10.3%, и максимальных- морозостойкости свыше 70-75 циклов и предела прочности керамзита свыше 1.48 МПа. Предложена и разработана замкнутая технологическая схема безотходного производственного процесса, включающая сооружения полной биологической очистки СВ, обработки ОГСВ и уточненную в соответствии с экспериментальными данными традиционную схему производства керамзита, позволяющую получить экологически чистый суперлегкий керамзит с эффективной утилизацией отходов СВ и обеспечением реального ресурсосберегающего и экологического эффектов.

Установлен синергизм влияния части коагулянтов (флокулянтов) в качестве сильных ПАВ на обезвоживание ОГСВ (ОПС), пластифицирующий

эффект, облегчающий переработку некондиционных глинистых пород, улучшающий структуру сырцовых гранул и способствующий получению сплошной бездефектной поверхности, что отражается на процессе вспучивания, дополнительно снижая насыпную плотность керамзита.

Подтверждено данными санитарно-гигиенического, радиационно-гигиенического и рентгенофазового анализов достигнутое при обжиге керамзита обезвреживание патогенной микрофлоры, перевод тяжелых металлов: кадмия, цинка, никеля, меди, хрома и др. в стабильную, не выщелачиваемую, не оказывающую вредного воздействия на окружающую среду форму, и дающую экологически чистый керамзит.

Доказана эффективность работы аэротенков и метантенков с использованием керамзита в качестве загрузки, позволяющей интенсифицировать их работу и существенно уменьшить их объем за счет проведения процессов в реакторах с микрофлорой, закреп�