Получение легкого золобетона как перспективное направление утилизации техногенных продуктов (на примере отходов водоотведения)

Введение

Для организации объектов размещения отходов приходится выводить из хозяйственного оборота новые площади земель. Масштабы накопленных промышленных отходов в России можно оценить примерно в 80 млрд т. Также размещенные отходы являются комплексным источником загрязнения окружающей среды [1-3]. Вопрос необходимости утилизации многотоннажных производственных отходов представляет собой актуальную экологическую проблему России и мира, учитывая, что эксплуатация объектов размещения сопряжена с выводом земель из хозяйственного оборота и сопутствующим загрязнением [4, 5].

Использование производственных отходов имеет значительные перспективы для наиболее материалоемкой отрасли – строительной индустрии. В условиях роста потребления строительных материалов необходимы новые источники ресурсов для их производства. По данным Перечня инициатив социально-экономического развития Российской Федерации до 2030 г., намечается тенденция дефицита нерудных строительных материалов, которые выступают в качестве инертных заполнителей, – песка, гравия, щебня и т.д. Восполнение дефицита возможно и за счет вовлечения в переработку низкосортного забалансового сырья техногенного происхождения – многотоннажных отходов, в утилизации которых заинтересована промышленность России. Кроме того, свойства некоторых отходов позволяют рассматривать возможность их использования не только в качестве инертных заполнителей в строительных материалах, но и для замены вяжущих веществ или полифункциональных добавок, улучшающих качество продукции. Высоким потенциалом полезного использования обладают следующие группы: отходы минерально-сырьевого комплекса (например, фосфогипс); металлургические шлаки; золы-уноса ТЭС; отходы целлюлозно-бумажных комплексов; углеводородсодержащие отходы; отходы очистки городских и промышленных сточных вод. Вовлечение данных групп отходов в ресурсный цикл строительной отрасли (с условием установления их соответствия отраслевым стандартам и нормативным требованиям к компонентам строительных материалов) позволит значительно расширить ассортимент сырья и готовой продукции, а также добиться снижения объемов отходов, направляемых на размещение. При использовании производственных отходов в строительной промышленности основные направления их утилизации можно классифицировать на две группы:

• использование производственных отходов (или их отдельных компонентов с предварительной переработкой и (или) обезвреживанием) для замены природного сырья, схожего с отходами по составу и свойствам;
• использование производственных отходов (или их отдельных компонентов с предварительной переработкой и (или) обезвреживанием) в качестве вяжущих, нейтрализующих, сорбционных, антисептических, красящих компонентов строительных материалов при наличии у отходов особых свойств, позволяющих эффективно использовать их физико-химическую активность [6].

Анализ перспектив использования доступных отходов производства в строительстве

При оценке потенциала использования в отрасли промышленности строительных материалов производственные отходы подразделяются на неорганические (минеральные) и органические вещества. Большинство твердых неорганических производственных отходов (золы, шлаки и т.д.) могут выступать в качестве вяжущего, например замены части цемента без снижения прочностных свойств продукции. В частности, сталеплавильные шлаки содержат оксиды кальция, кремния, алюминия и железа. Наличие указанных веществ необходимо при расчете состава сырьевой смеси клинкера для производства портландцемента [7].

Фосфогипс (ФГ) СаSO₄∙nH₂O – многотоннажный отход этапа получения экстракционной фосфорной кислоты на предприятиях по производству фосфорсодержащих удобрений. Используется в виде добавки в цементный клинкер при его помоле в шаровых мельницах, что необходимо для регулирования сроков схватывания портландцемента [8]. Однако негативные моменты использования ФГ в технологии производства портландцемента схожи с ограничивающими факторами применения ФГ в составе гипсовых вяжущих. Значительное количество водорастворимых фосфор- и фторсодержащих примесей, содержащихся в ФГ, уменьшает степень схватывания и затвердевания цемента; способствует нежелательному газовыделению внутри технологического оборудования, что говорит о необходимости предварительной очистки ФГ от нежелательных примесей.

Содержание в ФГ 80-98 % гидрата сульфата кальция позволяет отнести его к гипсовому сырью. На основе фосфогипсовых вяжущих могут быть получены различные строительные материалы: сухие строительные смеси (для шпаклевок, облицовочной плитки и т.п.); конструкции (панели, плиты) для устройства перегородок; плиты (облицовочные или акустические) для внутренней отделки; материалы и конструкции с повышенным модулем размягчения (для влажных помещений) и др.

Исходные значения дисперсности ФГ (площадь удельной поверхности 3500-3800 см²/г) позволяют исключить помол из технологического процесса. Однако присутствие в отходе до 40 % влаги затрудняет транспортировку из-за потребности в предварительной сушке. Присутствие в ФГ водорастворимых поллютантов, в том числе P- и F-содержащих, делает утилизацию отхода менее рентабельной по сравнению с использованием природного гипса, поскольку подготовка отхода должна включать стадии предварительной очистки. Прочность гипсовых известково-песчаных материалов на основе старого отвального («лежалого») ФГ снижается с увеличением доли отхода, что объясняется ростом коэффициента водопоглощения из-за высокой пористости образующегося полугидрата [9].

Исследования демонстрируют, что в отсутствие предварительной очистки ФГ его обжиг приводит к снижению вяжущих свойств за счет образования безводного CaSO4 под действием P- и F-содержащих соединений. Если содержание ангидрита в ФГ превысит 30 %, это приведет к резкому падению прочности фосфогипсового вяжущего. Примеси свободного фосфора, H₂SO₄ и ряда водорастворимых поллютантов в отходе тормозят твердение вяжущего. Также при обжиге выделяются F-содержащие газы, которые за счет высокой кислотности вызывают сильнейшую коррозию оборудования [10]. Из-за ограничивающих факторов при использовании ФГ в составе строительных материалов необходимо внедрение дополнительных операций по подготовке отхода. Вследствие этого повышаются затраты на производство строительной продукции на основе ФГ и снижается ее конкурентоспособность по сравнению с аналогами. Таким образом, данные направления полезного использования ФГ не реализованы в полной мере и не позволяют утилизовать значительные объемы образующегося отхода.

Некоторые производственные отходы, например осадки сточных вод (ОСВ), обладают полифункциональным ресурсом для воздействия на процессы спекания и формирования структуры керамики и представляют собой ценный материальный ресурс. Испытания показали, что кирпичи с 70-85 % сожженной смеси отходов городских сточных вод имеют надлежащие характеристики и могут эффективно использоваться в качестве строительных материалов [11]. Зола от совместного сжигания органических отходов (рисовой шелухи, древесной щепы и осадков городских сточных вод), пиролизные остатки золы-уноса ТЭС и осадки городских сточных вод могут выступать в качестве замены выгорающим и отощающим добавкам природного происхождения в производстве керамзита [12].

Российские ученые также разрабатывали состав керамики, в основе которой лежали различные неорганические промышленные отходы, в частности золошлаковые отходы ТЭС и буровой шлам с месторождений, добавляемые в керамическое сырье для улучшения свойств, с целью утилизации отходов и предотвращения складирования их на полигонах [13].

Описанные добавки отходов сгруппированы по типу происхождения (отходы горнодобывающей промышленности, обогащения руд, металлургические отходы, шлам, зола, стеклобой, отходы крупнотоннажного строительства и различных химических производственных процессов) с указанием состава керамической смеси, условий формования и обжига, конечной прочности, водопоглощения и других параметров конечных керамических образцов [14]. 

Использование техногенного сырья в дорожном строительстве

Требования к материалам для дорожного покрытия в разы ниже требований, предъявляемых для использования производственных отходов в качестве компонентов для рекультивации нарушенных территорий или удобрений, из-за обильного содержания в составе тяжелых металлов, которые могут нанести существенный вред окружающей среде.

Продукт сгорания осадка городских сточных вод при комбинации с песком соответствует всем нормам, предъявляемым к материалам, подходящим для дорожных насыпей. На основании ситового анализа установлено, что зольный остаток ОСВ соответствует гравийному песку EN ISO 14688-2:2018 (европейская классификация). Следовательно, можно считать отходы очистки осадка производственных сточных вод пригодными для строительства насыпей дорожного строительства. Протестированный зольный остаток осадка городских сточных вод в смеси с песком в объемном соотношении 3:7 соответствует стандарту, сформулированному к побочным продуктам, собираемым в насыпи дорог. Зола, образованная при сжигании в колосниковой печи, является более перспективным продуктом, чем зола от печей псевдоожиженного слоя, за счет пониженного содержания тяжелых элементов и более крупного размера частиц [15].

В качестве заполнителя при ремонте участков поврежденных дорог за рубежом активно используются золошлаковые смеси. Однако из-за необходимости уточнения механических свойств золошлаковых отходов как техногенного грунта в России использование данных отходов не распространено достаточно широко [16]. Углеводородсодержащие производственные отходы, представленные отработанным моторным маслом и отработанной каучуковой резиной, могут выступать в качестве компонента гидроизоляционных составов [17, 18].

Одно из направлений утилизации ФГ – использование для строительства и ремонта дорожных одежд. Но в связи с тем, что ФГ содержит большое количество примесей элементов, относящихся к I и II классам опасности, при его использовании для любых целей (в частности, для строительства дорожных одежд) должны быть оценены состав, свойства и происхождение отхода. Так, некоторые из месторождений фосфатных руд, являющихся сырьем для производства экстракционной фосфорной кислоты (и, как следствие, источником образования ФГ), отличаются повышенным содержанием радионуклидов уран-ториевого ряда, которые концентрируются в отходе. Для месторождений фосфоритов европейско-азиатской зоны (в России – Ковдор, Хибины) повышенная радиоактивность нехарактерна. Тем не менее уровень радиационной безопасности остается одним из важнейших факторов, регламентирующих возможность применения отходов в строительстве.

Эффективность автоклавной технологии производства бетонов доказана практическим опытом ее применения для получения стеновых штучных материалов. При этом многочисленными исследованиями обоснована возможность использования при производстве материалов автоклавного твердения в качестве добавок отходов различных производств (шлаки, золы, шламы, отходы горной промышленности, стеклобой и др.).

Применение минеральных производственных отходов в качестве инертного заполнителя тяжелых и легких бетонов позволяет существенно экономить природное сырье без ухудшения прочностных свойств бетона. В целях экологической и санитарной безопасности возможна переработка золы сжигания ОСВ различного происхождения: станций водоподготовки; городских очистных сооружений; производственных стоков, в частности стоков гальванического производства (с получением качественного золобетона). Данное направление обладает огромным потенциалом по мнению ученых Польши [19], КНР [20], Таиланда [21], Южной Кореи [22], Малайзии [23]. Выбору и обоснованию способов получения золобетона посвящены совместные исследования Хорватии и Великобритании [24], труды ученых Гонконгского политехнического университета [25] и Бирмингемского университета Великобритании [26].

Существует практика включения золы от сжигания осадков городских сточных вод в состав шумозащитного пенобетона автоклавного твердения. Отличается высокими показателями прочности и резистентности к погодным условиям, обладает оптимальными акустическими характеристиками и не оказывает негативного воздействия на здоровье человека [27].

Отработанный осадок городских очистных сооружений, переработанный в золу, может частично заменить цемент в бетонной смеси. Для подтверждения предположения проведен ряд экспериментов, по результатам которых установлена схожесть химического состава оксидных компонентов золы ОСВ и цементной смеси: в золе и цементе преобладают кремнезем (SiO₂), оксид кальция (CaO), глинозем (Al₂O₃). При этом установлено, что зола ОСВ значительно влияет на технические свойства бетона. Проведенные эксперименты на водопоглощение и испытания на сжатие при замене золы ОСВ в размере 10 % от массы цемента показали наилучший результат [28].

На основании выполненного обзора отечественных и зарубежных исследований можно сделать вывод, что промышленность строительных материалов в перспективе может являться крупным потребителем отходов, учитывая, что доля сырья в себестоимости строительной продукции достигает 50 %. Установлено, что применение отходов в строительной отрасли может способствовать расширению ассортимента используемого сырья. Это может быть достигнуто за счет снижения доли использования следующих материалов (при замене их отходами): инертных заполнителей – нерудных строительных материалов, или общераспространенных полезных ископаемых (песок, щебень, гравий); вяжущих компонентов (извести, цемента и гипса).

С учетом более низкой стоимости отходов при реализации их в качестве вторичного материального ресурса (или же нулевой стоимости при организации производства предприятием-отходообразователем), себестоимость изготовления строительных изделий может быть снижена на 10-30 %. При этом получаемые строительные материалы и изделия будут обладать характеристиками не ниже аналогичных, произведенных с применением природного сырья. Основные направления для получения строительных материалов из доступных отходов: получение цемента, гипса и строительных изделий на его основе; производство бетонных смесей и изделий (с использованием отходов в качестве добавок, связующих или инертного заполнителя), кирпича и керамических строительных материалов, материалов для дорожного строительства. Все направления являются актуальными с учетом текущей стратегии развития экономики РФ.

Как демонстрируют результаты исследований, в том числе апробированных в промышленных условиях, практически все основные строительные материалы могут быть изготовлены с использованием различных производственных отходов. Важно при этом предварительно установить соответствие данных отходов всем необходимым экологическим, санитарным и другим нормативным требованиям к компонентам строительных материалов.

Российские и мировые научные сообщества с начала XXI в. активно занимаются исследованиями отходов водоочистки, их воздействием на компоненты окружающей среды и потенциальными методами их утилизации, однако проблема утилизации отходов водоочистных систем до сих пор не нашла удовлетворительного решения.

Актуальность рассматриваемого вопроса также находит отражение в его соответствии Национальным проектам России 2019-2024 гг. Так, в рамках национального проекта «Экология» планируется строительство и реконструкция очистных сооружений водоотведения с увеличением объемов очищаемых сточных вод, что будет сопровождаться ростом отходов водоотведения. В совокупности с мероприятиями по внедрению новых предприятий по утилизации отходов в рамках проекта «Комплексная система обращения с твердыми коммунальными отходами» указанные меры приведут к закономерному росту отходов водоочистки (ОСВ) и продуктов их переработки и утилизации.

В России система обращения с отходами водоотведения, представленными в первую очередь ОСВ городских канализационных очистных сооружений, состоит в большинстве случаев из их обезвоживания с последующим размещением на полигонах складирования (иловых картах) [29, 30]. Негативное воздействие отхода на окружающую среду складывается из отчуждения земельных площадей под полигоны складирования и сопутствующего загрязнения атмосферы, почвы и водных объектов [31, 32].

Сжигание (инсинерация) отходов как перспективный способ их утилизации все чаще применяется в различных отраслях, в том числе в области обращения с ОСВ. Термическая деструкция с использованием печей различных конструкций (многоподовые, циклонные и печи с псевдоожиженным «кипящим» слоем) обеспечивает дезинфекцию отходов и рекуперацию теплоты их сгорания для использования в качестве источника энергии или отопления помещений предприятия.

Эффективность использования подобных инсинераторов подтверждается опытом их использования и в других отраслях: обжиг руды или рудных концентратов; сжигание твердых бытовых отходов и отходов сельского хозяйства; деятельность тепловых электростанций. Один из недостатков использования сжигания для утилизации ОСВ – образование продуктов сгорания, содержащих ряд поллютантов (SO_x, NO_x, CO, As, Hg, Cd, Pb, диоксины, фураны и т.д.). Очистка выбросов печей от данных загрязнителей является важной и сложной частью цикла утилизации, однако нагрузка на атмосферный воздух может быть снижена еще на стадии выбора аппаратурного оформления инсинератора. Так, высокая температура при использовании печей «кипящего» слоя (до 1200 °С) позволяет разрушить диоксины и фураны и не допустить их вторичного образования при охлаждении газа без необходимости оборудовать установку камерой дожига отходящих газов [33]. Аспекты применения данной технологии отражены в разработках Центра окружающей среды и устойчивого развития Университета Суррея в Великобритании [34]. Сжигание ОСВ является одним из распространенных способов его утилизации, успешно реализованным в Санкт-Петербурге [35], его использует ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» для снижения объемов образования отходов. Но количество получаемой золы постоянно увеличивается и достигает ~50 тыс. т/год при зольности ОСВ 30-42 %. Непрерывный рост объемов образования отхода, который сопровождается дефицитом свободных площадей для его складирования, подтверждает необходимость активного решения вопроса утилизации золы. В качестве возможных путей утилизации можно назвать использование в сельском хозяйстве или рекультивации. Однако ценные органические компоненты, присутствующие в ОСВ, полностью разлагаются при сжигании. Также при воздействии на золу кислой среды возможен переход тяжелых элементов, которые концентрируются в ней как в продукте термического разложения, в более растворимую форму и их миграция в окружающую среду, что осложняет регистрацию данного отхода в качестве удобрения [36-38].

На основе проведенного анализа установлено, что в целях экологической и санитарной безопасности возможна переработка золы ОСВ с получением качественного золобетона. Использование отходов для производства строительных конструкций и материалов имеет ряд особенностей. Исходный химический состав отходов способен изменяться в широких пределах в зависимости от особенностей производственных процессов, что должно учитываться при оценке возможности их использования. Важные аспекты использования строительной продукции – длительный срок эксплуатации и наличие прямого контакта с человеком и окружающей средой. Поллютанты, содержащиеся в отходах, могут изменять свои свойства за счет воздействия факторов внешней среды [39, 40]. Так, на строительные конструкции воздействуют влажность и кислотность среды, способствующие возникновению эрозионных процессов. Выщелачивание поллютантов, содержащихся в золе сжигания ОСВ, в совокупности с повышением их растворимости и реакционной способности может привести к миграции загрязнителей в окружающую среду. Атмосферные осадки, поверхностные и подземные воды при этом могут выступать не только как движущая сила эрозионных и выщелачивающих процессов, но и как среда, в которой транспортируются поллютанты на значительные расстояния [41-43]. Таким образом, для подтверждения возможности полезного использования золы ОСВ, как и любого отхода, необходимо сначала установить его опасность для окружающей среды – определить класс опасности [44]. В случае отходов водоотведения, а именно золы сжигания осадка городских сточных вод, основным поллютантом в составе являются тяжелые элементы [45]. При присвоении отходу I-IV классов опасности любая деятельность, связанная с его утилизацией, должна осуществляться только на основании лицензии с учетом положений федерального законодательства. Таким образом, исследование нацелено на решение актуальной проблемы полезной утилизации отходов водоотведения с обоснованием перспектив их использования в строительстве как одной из наиболее материалоемких отраслей народного хозяйства.

Методология

Исследование реализуется на основе лабораторной и экспериментальной базы аккредитованного научно-образовательного центра Горного университета с использованием уникального оборудования Центра коллективного пользования, научных центров «Оценка техногенной трансформации экосистем» и «Проблем переработки минеральных и техногенных ресурсов».

Отбор проб золы сжигания ОСВ городских очистных сооружений выполнен с учетом требований к отбору проб отходов [46]. Перечень выполненных экспериментальных исследований по оценке возможности использования золы осадка городских сточных вод в качестве компонента бетона с указанием сведений об используемом оборудовании, а также о нормативной документации, регламентирующей требования к видам исследований, представлен в табл.1. Оценка степени загрязнения и установление класса опасности производственного отхода выполнены в соответствии с актуальными требованиями российского природоохранного законодательства. Результат определения класса опасности подтвержден посредством биотестирования водной вытяжки отхода с использованием тест-культуры водоросли хлорелла. Для получения сведений о качественном составе отхода использован метод рентгенофлуоресцентного анализа. Количественное содержание тяжелых элементов, выбранных на основании качественного анализа, установлено в ходе атомно-абсорбционной спектроскопии [47].

Таблица 1

Структура экспериментальных исследований по оценке возможности использования золы ОСВ в качестве компонента бетона

На основании полученных данных об отнесении отхода к определенному классу опасности рассмотрен способ утилизации – применение в качестве компонента строительных материалов. Установлено соответствие золы сжигания ОСВ требованиям нормативной и справочной документации, которые выдвигаются к аналогичному сырью. В зависимости от компонента строительного материала, который планируется заменить отходом (в рамках исследования – цемент в составе цементно-песчаной смеси), к основным показателям отхода, исследованным по соответствующим методикам, относятся: гранулометрический состав; плотность; содержание оксидных форм SiO₂, MgO, CaO (в том числе CaO_св); радиологические характеристики.

Обязательным этапом испытаний образцов строительных материалов, полученных с использованием производственных отходов, является установление их соответствия нормативам по следующим характеристикам: плотность, прочность на изгиб и сжатие (в зависимости от требований к определенному виду строительных материалов). По результатам испытаний образцам строительных материалов на основе золы ОСВ присвоены класс или марка по упомянутым параметрам в соответствии с нормативной документацией. На основании данных показателей подтверждена возможность применения продукции на основе производственных отходов в различных отраслях строительства.

Результаты

Для подтверждения возможности использования золы рассчитан класс опасности отхода на основании загрязнения пробы тяжелыми элементами. На основе данных о качественном составе золы, полученных при помощи метода рентгенофлуоресцентного анализа, выбран перечень элементов для проведения количественного анализа: Pb, Zn, Mn, Cu в соответствии с методикой проведения измерений методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Зафиксированы следующие превышения соответствующих нормативов предельно допустимых (ПДК) и ориентировочно допустимых (ОДК) концентраций химических веществ в почве согласно СанПиН 1.2.3685-21: Zn (7,9 ОДК); Pb (6,3 ПДК); Cu (3,7 ОДК) (табл.2). В табл.2 полужирным выделены элементы, для которых наблюдается превышение нормативов ПДК/ОДК (соответствующие коэффициенты концентрации больше 1). Суммарный показатель загрязнения равен 15,9 (низкая степень загрязнения). Отнесение отхода к IV классу опасности подтверждено при помощи ПО «Расчет класса опасности отходов 2.0» и по результатам биотестирования водной вытяжки [48].

Таблица 2

Содержание тяжелых элементов в золе сжигания ОСВ [48]

В ходе испытаний установлено соответствие золы как компонента бетонной смеси ряду требований нормативной и справочной документации. Как компонент строительных материалов зола соответствует I классу (удельная эффективная активность естественных радионуклидов (ЕРН) А_эфф ≤ 370 Бк/кг) – материал может применяться в строительстве любых объектов, в том числе жилья. Содержание отдельных радионуклидов также не превышает допустимых норм согласно ГОСТ 30108-94. Результаты оценки удельной активности естественных радионуклидов, Бк/кг: Ra-226 73±12; Th-232 60±10; K-40 670±110; Cs-137 3,7±1,5; А_эфф 211±20. Общие результаты экспериментальных исследований по оценке соответствия золы нормативным требованиям к компонентам бетонов представлены в табл.3.

Таблица 3

Установление соответствия полученных результатов оценки состава и свойств золы ОСВ нормативным требованиям

По итогам испытаний отход охарактеризован как кремниевая (ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные. Технические условия») легкая зола с транспортной влажностью W = 0,56 %. Коэффициент неоднородности K_н = 0,45, что говорит об однородности отхода, состоящего преимущественно из тонкодисперсных частиц; дисперсность по остатку на сите 0045 соответствует III классу (ГОСТ 25818-2017 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия»). Отход также удовлетворяет основным требованиям, выдвигаемым при использовании в качестве компонента бетона, по содержанию (%) оксидных форм MgO, SO₃, Na₂O (ГОСТ 25818-2017), а также по содержанию CaO_св (ГОСТ 31108-2003). Содержание CaO (ГОСТ 25818-2017) и значение модуля кислотности позволяют классифицировать золу как кислую. Установленное значение суммарного содержания SiO₂ + Fe₂O₃ + Al₂O₃ (61,87 % по массе) несколько ниже требований соответствующего показателя для кислых зол (≥ 65 % по массе). Ввиду того, что метод рентгенофлуоресцентного анализа является полуколичественным, результат можно считать удовлетворяющим требованию. Отход входит в допустимый диапазон значений истинной и насыпной плотности как плотный заполнитель для легких бетонов (ГОСТ 25820-2014 «Бетоны легкие. Технические условия»).

По данным исследований, присутствие в цементе оксида фосфора (V) Р₂О₅ в концентрации более 1-2 % может негативно влиять на гидратационную активность вяжущего (снижаются прочностные характеристики бетона, увеличиваются сроки схватывания). Зафиксированное содержание P₂O₅ (17,5 % по массе) в золе сжигания ОСВ значительно превышает указанное значение. Тем не менее основные требования к химическому составу цемента, которые содержатся в действующей нормативно-методической документации, не регламентируют предельное содержание оксида фосфора (V) (ГОСТ 31108-2003). Таким образом, применение золы ОСВ в качестве компонента строительных материалов допустимо, если при проведении испытаний будут обеспечиваться требуемые показатели золобетона.

На основании анализа отечественных и зарубежных исследований предложен следующий компонентный состав бетонной смеси – цемент:песок:вода = 1:3:0,5 (принято за контрольный образец). В опытных образцах часть цемента (до 50 % по массе) заменена золой сжигания ОСВ. Необходимое количество воды затворения для каждого из опытных образцов установлено с учетом показателей нормальной густоты цементного теста.

Прочностные характеристики опытных образцов установлены в ходе испытаний на изгиб и сжатие по достижении золобетоном проектного возраста 28 сут. По итогам измерений в соответствии с действующим в строительной сфере нормативным законодательством образцам присвоены класс или марка по параметрам, представленным в табл.4 (полужирным выделены опытные образцы, для которых сохраняются прочностные характеристики (класс или марка) на уровне не ниже контрольного образца).

Таблица 4

Результаты определения прочностных характеристик золобетона

Установлено, что зола сжигания ОСВ городских очистных сооружений соответствует требованиям, выдвигаемым к компонентам легких бетонов. В ходе испытаний образцов золобетона отмечается снижение значений испытуемых показателей в образцах с добавлением золы по сравнению с контрольным, что может быть связано с повышенным содержанием в золе сжигания ОСВ оксида фосфора (V). Тем не менее подтверждена сохранность прочностных свойств бетона при замене золой цемента в пределах до 10 % по массе. Бетонной продукции на основе золы присвоены: марка D1300 (плотность не ниже 1,3 г/см³); класс Btb2 (прочность на изгиб не менее 2 МПа); класс B15 и марка М200 (прочность на сжатие не менее 15 МПа).

В перспективе стройматериал на основе золы может использоваться для получения различных бетонных изделий: строительных блоков (полнотелых и пустотелых) для стен производственных и энергетических зданий; элементов благоустройства (газонные решетки, водосточные желоба, лотки, столбовые камни); тротуарной плитки различных форм; бордюрных блоков; элементов железнодорожной инфраструктуры (панели ограждения, столбы километровые, столбики пикетные, розетки для пикетных столбов и т.д.). В зависимости от вида бетонной продукции необходимо провести дополнительные исследования по установлению значений характеристик, регламентируемых нормативными документами, в частности показателей морозостойкости и водонепроницаемости разработанного материала с использованием золы. В ходе исследования подтверждены прочностные характеристики именно легкого золобетона – на основе цементно-песчаной смеси. В зависимости от требований потребителей бетонных изделий на основе золы можно достичь и более высоких показателей прочности – за счет внесения крупного заполнителя (например, щебня, отсева и т.д.). Дальнейшие исследования будут направлены на уточнение характеристик золобетона и разработку новых составов золобетонных смесей.

Сырьевая смесь для производства легкого золобетона и продукция на ее основе могут быть успешно реализованы организациями-застройщиками, дорожными строителями, компаниями, занимающимися благоустройством промышленных и городских территорий, и другими организациями, заинтересованными в бетонной продукции. Данные направления особенно актуальны в условиях мегаполисов и расширяющихся городских промагломераций. Реализация бетонной продукции городскому хозяйству будет способствовать улучшению качества жизни населения за счет развития благоприятной городской среды.

Рентабельность применения золы в качестве компонента золобетона можно оценить на примере линии по производству бетонных блоков методом вибропрессования. Замена части цемента снижает себестоимость продукции. При работе в наиболее перспективный для реализации продукции сезон (май – октябрь) срок окупаемости производства составит менее года. Использование 30 % производственной мощности вибропрессующей установки позволит утилизировать более 16 т/год золы ОСВ или термически обработанных отходов, объемы производства достигнут 250 тыс. бетонных изделий в год.

На российском рынке функционирует большое число производителей строительных изделий – рынок является конкурентным. С учетом того, что на рынке материалов, приобретаемых строительными организациями, ежегодно растут цены, организация производства строительных материалов на основе доступных отходов производства позволит достичь снижения себестоимости продукта. Рост стоимости кирпичного и панельного строительства приводит к увеличению спроса на самостоятельное возведение жилых и производственных сооружений, при этом блоки и стеновые камни из бетона являются популярным строительным материалом в данной области. Торговая деятельность предприятий по производству строительных материалов подвержена сезонности продаж. Пиковые значения спроса приходятся на май – октябрь, т.е. на строительный сезон, при этом разница между продажами в пиковый сезон и в сезон спада может составлять 30 %.

Статистика демонстрирует уверенный спрос на строительные материалы на основе доступных отходов производства в РФ. Реализация продукции возможна через разные каналы сбыта: продажу в розницу со склада предприятия; заключение контрактов со строительными компаниями;
поставки на строительные рынки и др. Перспективы использования предлагаемой разработки находят подтверждение в стратегии развития промышленности строительных материалов.

Заключение

Результаты разработки способа вовлечения отходов водоотведения во вторичный оборот в качестве компонента строительных материалов (золобетона) способствуют решению следующих задач:

• повышения комплексности переработки отходов водоотведения как многокомпонентного сырья техногенного происхождения;
• утилизации отходов в одном из технологических процессов производства строительных материалов в качестве вторичных материальных ресурсов;
• снижения негативного воздействия на окружающую среду от объектов размещения отходов за счет освобождения площадей и предотвращения складирования отхода в дальнейшем;
• расширения сырьевой базы строительных материалов – получение сырьевой смеси для производства бетона на основе термически обработанных отходов для гражданского строительства;
• снижения доли использования природных сырьевых ресурсов, требующихся для производства бетона аналогичного качества.

Снижение себестоимости бетонной продукции по сравнению с аналогами достигается за счет следующих факторов: уменьшения объемов исходного сырья (цемента) за счет замены части цемента (до 10 %) термически обработанными отходами; утилизации отходов – предотвращает направление отходов на размещение, избавляя компанию от платы за негативное воздействие на окружающую среду (по состоянию на 2023 г. ставка платы за размещение отходов IV класса опасности – 835,38 руб./т) и от транспортных издержек, связанных с вывозом отходов. Все это повышает конкурентоспособность как продукции, так и технологического решения.

По итогам научного исследования получен патент на изобретение РФ № 2738072 «Сырьевая смесь для производства легкого золобетона» от 13 мая 2020 г. (что говорит о новизне разработки) и подготовлены рекомендации по его внедрению для ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», ОАО «РЖД», Комитета по благоустройству Правительства Санкт-Петербурга и Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации.

Литература

1. Lytaeva T.A., Isakov A.E. Environmental impact of the stored dust-like zinc and iron containing wastes // Journal of Ecological Engineering. 2017. Vol. 18. Iss. 3. P. 37-42. DOI: 10.12911/22998993/69355
2. Lytaeva T.A., Isakov A.E. Recycling of dust-like zinc and iron containing wastes of electric furnace steelmaking // International Journal of Ecology and Development. 2017. Vol. 32. № P. 115-120.
3. Strizhenok A., Tcvetkov P. Ecology-economical assessment of new reclamation method for currently working technogenic massifs // Journal of Ecological Engineering. 2017. Vol. 18. 1. P. 58-64. DOI: 10.12911/22998993/66251
4. Danilov A., Smirnov Yu., Korelskiy D. Effective methods for reclamation of area sources of dust emission // Journal of Ecological Engineering. 2017. Vol. 18. Iss. 5. P. 1-7. DOI: 10.12911/22998993/74947
5. Коротаева А.Э., Пашкевич М.А. Применение данных спектральной съемки для экологического мониторинга водной растительности // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. № 5-2. С. 231-244. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_52_0_231
6. Пугин К.Г., Пугина В.К. Особенности использования ресурсного потенциала отходов производства для получения строительных конструкций и материалов // Фундаментальные исследования. 2016. № 9-2. С. 289-293.
7. Tianming Gao, Tao Dai, Lei Shen, Li Jiang. Benefits of using steel slag in cement clinker production for environmental conservation and economic revenue generation // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 282. № 124538. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.124538
8. Isteri V., Ohenoja K., Hanein T. et al. Ferritic calcium sulfoaluminate belite cement from metallurgical industry residues and phosphogypsum: Clinker production, scale-up, and microstructural characterisation // Cement and Concrete Research. 2022. Vol. 154. № 106715. DOI: 10.1016/j.cemconres.2022.106715
9. Золотухин С.Н., Кукина О.Б., Абраменко А.А. и др. Исследования процессов структурообразования дисперсных материалов при получении строительных композитов с заранее заданными свойствами // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. Т. 21. № 5 (74). С. 93-106. DOI: 10.21869/2223-1560-2017-21-5-93-106
10. Zihao Jin, Baoguo Ma, Ying Su et al. Preparation of eco-friendly lightweight gypsum: Use of beta-hemihydrate phosphogypsum and expanded polystyrene particles // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 297. № 123837. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123837
11. Erdoğmuş E., Harja M., Gencel O. et al. New construction materials synthesized from water treatment sludge and fired clay brick wastes // Journal of Building Engineering. 2021. Vol. 42. № DOI: 10.1016/j.jobe.2021.102471
12. Yuchi Chen, Jingwen Shi, Hao Rong et al. Adsorption mechanism of lead ions on porous ceramsite prepared by co-combustion ash of sewage sludge and biomass // Science of the Total Environment. 2020. Vol. 702. № 135017. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.135017
13. Guryeva V.A., Doroshin A.V., Dubineckij V.V. Sludge of the Fuel-Energy and Oil-Producing Complex in the Production of Wall Ceramic Products // Materials Science Forum. 2019. Vol. 945. P. 1036-1042. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.945.1036
14. Boltakova N.V., Faseeva G.R., Kabirov R.R. et al. Utilization of inorganic industrial wastes in producing construction ceramics. Review of Russian experience for the years 2000-2015 // Waste Management. 2017. Vol. 60. P. 230-246. DOI: 10.1016/j.wasman.2016.11.008
15. Zabielska-Adamska K. Sewage Sludge Bottom Ash Characteristics and Potential Application in Road Embankment // 2020. Vol. 12. Iss. 1. № 39. DOI: 10.3390/su12010039
16. Лунёв А.А., Сиротюк В.В. Сопоставление деформационных параметров золошлаковой смеси, полученных в лабораторных и натурных условиях // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. Т. 21. № 2. С. 215-227. DOI: 10.31675/1607-1859-2019-21-2-215-227
17. Sang-Tae Park, Jong-Yong Lee, Sang-Keun Oh. A Study on the Practical Use of Synthetic Polymerized Rubber Gel Waterproofing Materials Based on the Mixture of Waste Oil and Waste Rubber // Applied Sciences. 2022. Vol. 12. Iss. 18. № DOI: 10.3390/app12189298
18. Smirnova O.M., Menéndez Pidal de Navascués I., Mikhailevskii V.R. et al. Sound-Absorbing Composites with Rubber Crumb from Used Tires // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. 16. № 7347. DOI: 10.3390/app11167347
19. Rutkowska G., Wichowski P., Franus M. et al. Modification of Ordinary Concrete Using Fly Ash from Combustion of Municipal Sewage Sludge // Materials. 2020. Vol. 13. Iss. 2. № 487. DOI: 10.3390/ma13020487
20. Xiaoliang Fang, Lei Wang, Chi Sun Poon et al. Transforming waterworks sludge into controlled low-strength material: Bench-scale optimization and field test validation // Journal of Environmental Management. 2019. Vol. 232. P. 254-263. DOI: 10.1016/j.jenvman.2018.11.091
21. Saphongxay K., Tuakta C., Jongprateep O. Industrial wastewater sludge as potential filler materials for fabrication of lightweight concrete blocks // Suranaree Journal of Science & Technology. 2022. Vol. 29. № 2. № 010118. 1-8.
22. Chakraborty S., Byung Wan Jo, Jun Ho Jo, Baloch Z. Effectiveness of sewage sludge ash combined with waste pozzolanic minerals in developing sustainable construction material: An alternative approach for waste management // Journal of Cleaner 2017. Vol. 153. P. 253-263. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.03.059
23. Siew Choo Chin, Doh Shu Ing, Kusbiantoro A. et al. Characterization of sewage sludge ash (SSA) in cement mortar // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Vol. 11. № 4. P. 2242-2247.
24. Vouk D., Nakic D., Štirmer N., Cheeseman C.R. Use of sewage sludge ash in cementitious materials // Reviews on Advanced Materials Science. 2017. № 49. P. 158-170.
25. Pingping He, Chi Sun Poon, Tsang D.C.W. Using incinerated sewage sludge ash to improve the water resistance of magnesium oxychloride cement (MOC) // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 147. P. 519-524. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.04.187
26. Lynn C.J., Dhir R.K., Ghataora G.S., West R.P. Sewage sludge ash characteristics and potential for use in concrete // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 98. P. 767-779. DOI: 10.1016/J.CONBUILDMAT.2015.08.122
27. Титова Т.С., Макарова Е.И., Дудкин Е.П. Использование в строительстве автоклавного шумозащитного пенобетона // Технологии техносферной безопасности. 2014. № 2 (54). С. 1-7.
28. Baeza-Brotons F., Payá J., Galao O. et al. Concrete for Precast Blocks: Binary and Ternary Combination of Sewage Sludge Ash with Diverse Mineral Residue // Materials. 2020. Vol. 13. Iss. 20. № DOI: 10.3390/ma13204634
29. Валетов Д.С., Кащенко О.В. Анализ методов утилизации осадков городских сточных вод // Academy. 2018. № 12 (39). С. 16-20.
30. Kacprzak M., Neczaj E., Fijałkowski K. et al. Sewage sludge disposal strategies for sustainable development // Environmental Research. 2017. Vol. 156. P. 39-46. DOI: 10.1016/j.envres.2017.03.010
31. Пашкевич М.А., Алексеенко А.В., Власова Е.В. Биогеохимическая и геоботаническая оценка состояния морских экосистем (г. Новороссийск) // Вода и экология: проблемы и решения. 2015. № 3. С. 67-80.
32. Пашкевич М.А., Бек Дж., Матвеева В.А., Алексеенко А.В. Биогеохимическая оценка состояния почвенно-растительного покрова в промышленных, селитебных и рекреационных зонах Санкт-Петербурга // Записки Горного института. 2020. Т. 241. С. 125-130. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.125
33. Валиев В.С., Иванов Д.В., Шагидуллин Р.Р. Способы утилизации осадков городских сточных вод (обзор) // Российский журнал прикладной экологии. № 4. С. 52-63. DOI: 10.24411/2411-7374-2020-10034
34. Kleemann R., Chenoweth J., Clift R. et al. Comparison of phosphorus recovery from incinerated sewage sludge ash (ISSA) and pyrolysed sewage sludge char (PSSC) // Waste Management. 2017. Vol. 60. P. 201-210. DOI: 10.1016/j.wasman.2016.10.055
35. Рублевская О.Н., Васильев Б.В., Протасовский Е.М., Петров С.В. Обработка и утилизация осадков сточных вод на очистных сооружениях Санкт-Петербурга: опыт и перспективы // Водоснабжение и санитарная техника. № 10. С. 47-51.
36. Alvarenga P., Mourinha C., Farto M. et al. Sewage sludge, compost and other representative organic wastes as agricultural soil amendments: Benefits versus limiting factors // Waste Management. 2015. Vol. 40. P. 44-52. DOI: 10.1016/j.wasman.2015.01.027
37. Petrova T.A., Rudzisha E., Alekseenko A.V. et al. Rehabilitation of Disturbed Lands with Industrial Wastewater Sludge // Minerals. 2022. Vol. 12. 3. № 376. DOI: 10.3390/min12030376
38. Петрова Т.А., Рудзиш Э. Рекультивация техногенно-нарушенных земель с применением осадков сточных вод в качестве мелиорантов // Записки Горного института. Т. 251. С. 767-776. DOI: 10.31897/PMI.2021.5.16
39. Gabdulkhakov R.R., Rudko V.A., Pyagay I.N. Methods for modifying needle coke raw materials by introducing additives of various origin (review) // Fuel. 2022. Vol. 310. Part A. № 122265. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.122265
40. Пашкевич М.А., Харько П.А. Применение композитной смеси для очистки кислых дренажных вод хвостового хозяйства от металлов // Обогащение руд. 2022. № 4. С. 40-47. DOI: 10.17580/or.2022.04.07
41. Fedoseev I.V., Barkan M.Sh., Kornev A.B., Danilov A.S. Theoretical Foundations and Technological Capabilities of Hydrocarbonyl Process of Recovering Copper from Technogenic Wastes // Journal of Ecological Engineering. 2018. Vol. 19. Iss. 5. P. 33-37 DOI: 10.12911/22998993/91264
42. Матвеева В.А., Петрова Т.А., Чукаева М.А. Очистка дренажных вод хвостохранилищ АО «Апатит» от молибдена // Обогащение руд. 2018. № 2. С. 42-47. DOI: 10.17580/or.2018.02.08
43. Рыжова Л.В., Гендлер С.Г., Титова Т.С. Управление экологической безопасностью при обращении с грунтами, образующимися при строительстве объектов метрополитена // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 10 (32). С. 29-41. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-1032-29-41
44. Ivanov A.V., Smirnov Yu.D., Petrov G.I. Investigation of Waste Properties of Subway Construction as a Potential Component of Soil Layer // Journal of Ecological Engineering. 2018. Vol. 19. Iss. 5. P. 59-69. DOI: 10.12911/22998993/91267
45. Barkan M., Kornev A. Development of new technological solutions for recovery of heavy non-ferrous metals from technogenic waste of electroplating plants and sludge of water treatment systems // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. Т. 2. Вып. 10 (92). P. 17-24. DOI: 10.15587/1729-4061.2018.128532
46. Сарапулова Г.И. Геохимический подход в оценке воздействия техногенных объектов на почвы // Записки Горного института. 2020. Т. 243. С. 388-392. DOI: 10.31897/PMI.2020.3.388
47. Чукаева М.А., Матвеева В.А., Сверчков И.П. Комплексная переработка высокоуглеродистых золошлаковых отходов // Записки Горного института. 2022. Т. 253. С. 97-104. DOI: 10.31897/PMI.2022.5
48. Смирнов Ю.Д., Сучкова М.В. Перспективы полезного использования золы сжигания осадка сточных вод в народном хозяйстве // Вода и экология: проблемы и решения. 2019. № 3 (79). С. 16-25. DOI: 10.23968/2305-3488.2019.24.3.16-25