2. Анализ состояния проблемы утилизации отходов, образующихся в процессе водоподготовки

Образование отходов водопроводного хозяйства предполагает их обработку с целью безвредной для окружающей среды и здоровья населения ликвидации путем утилизации или захоронения. До настоящего времени в производственной практике утилизация отходов путем их складирования в отвалах и накопителях остается одним из домини­рующих способов, так как в производственной практике такой способ по сравнению с другими экономически наиболее рациональный. Образующиеся в процессе водоподготовки отходы в большинстве случаев также направляются на складирование, где происходит их естественная сушка. Утилизация данного вида отходов подобным способом негативно воздействует на компоненты окружающей природной среды. По результатам патентного и литературного поиска установлено, что осадки процесса водоподготовки могут быть утилизированы с применением технологий, использующих отходы аналогичного состава и свойств рассматриваемым осадкам водоподготовки.

Выбор способа подготовки водопроводного осадка к утилизации определяется производственными и территориальными условиями на водопроводной станции, техническими возможностями канализационной сети и очистных сооружений коммунальной канализации. Способ обработки осадков предполагает создание технологической инфраструктуры соответствующей производительности. Основой для технико-экономического обоснования, проектирования, строительства инфраструктуры или модернизации очистных сооружений канализации является количество образующегося осадка водоподготовки.

По данным [6], в городах с ограниченной пропускной способностью очистных сооружений городского коммунального хозяйства осадок сбрасывается непосредственно в водоисточник ниже точки водозабора. Такое решение проблемы влечет за собой неблагоприятные экологические последствия. Несмотря на биологическую инертность, водопроводный осадок оказывает техногенное воздействие на экосистему водоема, в первую очередь, по причине заиливания дна, прибрежной полосы и зачастую нерестилищ. В период летнего "цветения" воды образующиеся на водопроводных станциях промстоки содержат заметное количество биоразлагаемых органических веществ, что негативно влияет на кислородный режим в приемнике осадка или иловых вод. Кроме того происходит потеря дорогостоящих коагулянтов.

В работе [6] рассмотрена возможность подготовки питьевой воды, включающая утилизацию алюминийсодержащих осадков методом регенерации коагулянта и дальнейшего использования регенерированного коагулянта для улучшения качества очистки воды и предотвращения сброса осадка в окружающую среду. Наличие в осадке ок­сида алюминия позволяет рассматривать его как исходное сырье для по­лучения сорбента и регенерированного коагулянта (регенерата после кислотной обра­ботки осадка). Авторами [26] установлено, что регенерация коагулянта из шламов водоочистки возможна путем обработки их минеральными кислотами, позволяющего перевести алюминий из шлама в кислый раствор коагулянта. Регенерация заключается во введении в шламовую пульпу водоочистки кислого раствора в качестве которого могут быть использованы сточные воды водород-катионитовых фильтров. Раствор отделяют от осадка фильтрацией или отстаиванием. Очищенный от осадка раствор используют в качестве вторичного раствора коагулянта.

Подготовка воды различного качества определяет состав и дальнейшие возможные направления его утилизации. Так в процессе экс­плуатации очистных сооружений питьевого водо­снабжения образуется большое количество тонкодисперсных илисто-глинистых шламов. На­копление осадков в отстойни­ках изменяет гидравлический режим работы очистных соору­жений. В большинстве случаев технологический процесс коагуляционного осаждения проводится с ис­пользованием алюминийсодержащих коагулянтов. Выводимая в оса­док мелкодисперсная твердая фаза, согласно [26], насыщается гидроксидом алюминия, который при тер­мической обработке способен переходить в оксид алюминия. Поэтому выделенная из осветляемой воды и накопленная в отстойниках в виде осадков наиболее тонкая фракция в основной своей массе представленна глинистыми составляющими и обладает за счет технологичес­кой обработки повышенным по сравнению с фоновым, со­держанием соединений алюми­ния. Авторами [26] установлена возможность использования получае­мого на водоочистных станциях шлама такого состава в производстве керамических строительных материалов.

Выявленные по литературным источникам направления утилизации осадка, образующегося в процессе подготовки воды для отрасли жилищно-коммунального хозяйства, представле­ны на рисунке 4 [6].

Рисунок 4 – Направления утилизации осадка, образующегося в процессе подготовки воды для отрасли жилищно-коммунального хозяйства

Направления утилизации осадков промышленной водоподготовки определяются технологиями получения готового продукта и в зависимости от этого находят свое применение в сельскохозяйственной отрасли, в производстве строительных материалов, резинотехнических изделий и других отраслях хозяйства.

Одним из способов утилизации является применение отхода заданного состава в процессе доменной плавки. В данном процессе, согласно [25], необходимым условием является введение кокса и флюса. В качестве флюсов в доменной плавке применяют кальцийсодержащие материалы. В связи с повышенной пористостью карбонатных брикетов по сравнению с кусковым известняком разложение CaCO₃ в нем происходит в диапазоне температур 600 - 800^oC, то есть в области доменной печи, в которой не развивается эндотермическая реакция.

Одним из возможных и основных потребителей данного вида техногенного ресурса является строительная отрасль. Одним из направлений утилизации осадков водоподготовки в данной отрасли является производство вяжущих веществ на базе карбонатного сырья. Процесс получения строительной извести протекает путем обжига сырьевых материалов при температуре 1000-1200 ºС, а при 1450 ºС портландцемент. Авторами [4] установлено, что разработанная технология позволяет полностью использовать отход производства с минимальным ущербом для окружающей среды и получением вяжущего вещества для производства строительных материалов. Примером использования отходов ТЭЦ в качестве карбонатного сырья является производство силикат­ного кирпича из смеси недопала, являющегося отходом получения известкового молока, и шлама с осветлителей химических цехов в ЗАО «БЭСТКАМ». Отходы водоподготовки ТЭЦ поступают в печь обжига установки регенерации извести для получения восстановленной извести. Активная часть СаО, находящаяся в извести, полученной из недопала, и необходимая для произ­водства силикатного кирпича, по данным [4], составля­ет 60-65 мас.%. Активная часть СаО в извести, полученной из шлама, составляет 20-28 мас.%. Технологическая схема работы кир­пичного завода позволяет получать готовый кирпич марки М 150 и выше [4].

Другое возможное направление утилизации водопроводного осадка является его использование в области дорожного строительства. В работе [27] шлам процесса водоподготовки рекомендуют использовать для укрепления грунта при возведении дорожных оснований посредством смешения его с цементом и с последующим введением в их смесь поверхностно-активных добавок. Авторами [27] установлена возможность применения шлама с химводоподготовки при регенерации асфальтобетона. Смешение асфальтобетона с пластифицирующим компонентом производят, используя фрезерованный старый асфальтобетон, а в качестве пластифицирующего компонента используют триэталонамин, и дополнительно вводят шлам химводоочистки. Шлам химводоочистки в виде пульпы равномерно смешивают в быстроходном смесителе с добавкой ГКЖ и направляют в асфальтосмеситель для подсушивания и подогрева до температуры 90…110 ºС, где происходит его смешение со шлаковым песком и щебнем в соотношениях, указанных в таблице 2. Разогретый до температуры 140…160 º С битум подают в асфальтосмеситель, где происходит его смешение с заполнителями и наполнителями до однородной массы. Полученную смесь уплотняют при температуре 80…90 º С [27]. .

Таблица 2 – Состав асфальтобетонной смеси

Назначение компонента	Наименование компонента	Массовое содержание компонента в смеси, мас.%
Основная добавка	Нефтяной битум	6 (сверх 100% минеральной части смеси)
Наполнитель и структурирующий компонент	Шлам водоочистки	4…8
Гидрофобно-пластифицирующая и структурирующая добавка	Кремнийорганическая жидкость ГКЖ-11	0,04…0,17
Шлаковые заполнители	Песок и щебень из кислого литого доменного шлака	Остальное

По данным [19], шламы водоочистки могут заменять известь в строительных растворах. В раствор дополнительно вводят пластифицирующие ПАВ. Возможно введение также добавки сульфата натрия, реагирующего с гидроксидом железа, содержащимися в шламе. Авторами [19] установлено, что строительные растворы с использованием шламов водоочистки имеют значения основных показателей, характерных для известково-цементных растворов.

Шлам, образующийся на теплоэнергетических централях в процессе водоподготовки на стадии осветления воды (хими­ческое осаждение посредством коагулирования и известкова­ния), обладает рядом физико-химических свойств: поверхно­стной активностью, определен­ным потенциалом ионизации, высокой степенью дисперснос­ти и т.д. [4]. Адсорбционно-связанная вода, присутствующая в шламе интенсифицирует процессы образования контактов между частицами. Поэтому авторами [4] рассматривается возможность утилизации шлама предочистки в качестве наполнителя гипсово­го вяжущего, позитивно влияю­щего на физико-технические ха­рактеристики гипса при опти­мальном выборе степени его на­полнения и дисперсности. Также рассматривается зависимость прочностных характеристик гипсового камня от количества шлама очистки воды (рисунок 5).

Рисунок 5 - Влияние количества шлама очистки воды прочность гипсового камня через 1 час и 28 суток

С увеличением количества вводимого шлама снижается прочность изделия, а также, по данным [4], в зависимости от этого увеличивается время схватывания смеси. Поскольку, данное технологическое решение имеет определенные ограничения и не может решить проблему утилизации таких осадков в полном объеме их образования. Вследствие этого необходимо расширение области их применения, что может быть определено, в частности, путем использования в производстве строительных материалов различного назначения. Основным направлением утилизации осадков водоподготовки является его использование к качестве компонента бетонной смеси.

В работе [28] в качестве добавки к бетонной смеси, содержащей цемент, песок, щебень и воду, рекомендуется использовать шламовые отходы, которые заменяют часть кварцевого песка. Примеры составов предлагаемой бетонной смеси с применением шлама, а также их свойства приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 – Составы бетонной смеси с добавкой шлама

Наименование компонента	Содержание компонентов в смеси, мас.%
	1	2	3	4	5	6
Цемента	11,2	11,2	11,2	11,2	11,2	11,2
Щебень	63,6	63,6	63,6	63,6	63,6	63,6
Кварцевый песок	18,2	15,7	15,6	15,5	15,2	14,7
Шлам	-	2,5	2,6	2,7	3,0	3,5
Вода	7,0	7,0	7,0	7,0	7,0	7,0

Таблица 4 – Свойство бетонной смеси с добавлением шлама

Состав	Плот-ность бетон-ной смеси, кг/м3	Подвиж-ность бетонной смеси, см	Водоотде-ление в течении 1,5 часов, мм	Расслаи-ваемость, см	Предел прочности при сжатии, МПа	Прогиб при нагружении 120 МПа, см	Потери прочности 50 циклов заморажи-вания, %
1	2220	3,0	0,3	11,0	16,4	0,64	18,2
2	2105	3,2	0,4	8,8	15,9	0,56	17,5
3	2100	3,09	Отс	8,8	15,9	0,52	17,4
4	2090	3,08	Отс	8,7	15,8	0,5	17,0
5	2050	2,95	Отс	8,1	15,75	0,5	15,2
6	2030	2,9	Отс	8,0	14,5	0,45	15,0
Средние показа-тели	2075	3,04	0,08	8,48	15,07	0,45	16,42
Средние показа-тели прототи-па	2145	3,48	0,16	4,1	14,02	0,45	16,72

Вы­сокая дисперсность и стабильный химический состав некоторых шла­мов, в соответствии с [30], позволяют примененять их в качестве мине­ральных микронаполнителей и хи­мических активаторов гидратации и структурообразования цементных и композиционных материалов. Авторами [30] установлено, что высо­кая удельная поверхность и химическая активность тонкодисперсного кальцита и других компонентов шламов позволяет применять их не только как добавки, повышающие пластичность растворных и бетонной смесей, но и как химически активные компоненты наполненных цементных систем с целью регулирования схватывания и твердения.

В практике очистки природных вод известны различные способы утилизации осадков, дающие определенный экономический эффект, например, использование осадка для создания жаростойкого покрытия при изготовлении поддонов и изложниц или в качестве добавок при выпуске портландцемента [4]. Возможно также использование таких осадков при производстве строительных материалов, например, керамзита. В работе [4] приводится возможность использования осадка водопроводных станций при изготовлении шпаклевок и мастик, заменяя им мел или меловую пасту.

Другим направлением утилизации осадков данного состава является отрасль сельского хозяйства. Высокое содержание кальция в отходах процесса водоподготовки определяет их использование в качестве минеральных удобрений для мелиорации кислых почв. Установлено, что оптимальная доза вводимого шлама в по­чву авторами [20] рекомендуется порядка 9,3-12 т/га.

Согласно [6], осадок водоподготовки определяется природными компонентами и близок к составу природных донных отложений (сапропелей), которые находят достаточно широкое применение в качестве мелиораторов. Также возможно его использование в качестве компонента почво-грунта при рекультивации почв. Но с точки зрения авторов [6], исходя из наличия в составе осадков реагента – соединений алюминия, который при переходе в растворенное состояние вызывает фитотоксический эффект у многих культурных растений, поэтому применение данного метода ограниченно и требует экспериментальных проработок по предварительной оценке токсичности осадков.

Источники образования, состав и основные способы утилизации осадков водоподготовки обобщены схемой, представленной на рисунке 6.

Выводы:

1. По данным анализа литературных источников установлено, что процесс водоподготовки сопровождается образованием большого количества осадка, представленного преимущественно компонентами минерального состава.

2. Установлено, что осадки процесса водоподготовки могут быть утилизированы с применением технологий, использующих отходы аналогичного состава и свойств рассматриваемым осадкам водоподготовки.