CC BY
1
УДК 628.38; 666.973.2; 539.1.074
Исследование экологической безопасности автоклавного золопенобетона, полученного с использованием золы от сжигания осадка сточных вод
Е. В. Русанова
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Россия, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Русанова Е. В. Исследование экологической безопасности автоклавного золопенобетона, полученного с использованием золы от сжигания осадка сточных вод // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. СПб.: ПГУПС, 2024. Т. 21, вып. 3. С. 686-693. DOI: 10.20295/1815-588Х-2024-03-686-693
Аннотация
В статье приведены исследования экологической безопасности автоклавного золопенобетона с использованием золы от сжигания осадка сточных вод в построенном и эксплуатируемом производственном здании. Показано, что после продолжительной эксплуатации здание из автоклавного золопенобетона, полученного с использованием золы с завода по сжиганию осадка сточных вод, оказалось экологически безопасным для человека. Цель: зола от сжигания осадка сточных вод обладает высокой средней удельной радиоактивностью (радия и тория), что сильно ограничивает ее дальнейшее применение. Ранее было установлено, что применение золы от сжигания осадка сточных вод в качестве сырья в автоклавном золопенобетоне в различных пропорциях оказывает влияние на содержание естественных радионуклидов в готовой продукции. В статье рассматривается экологическая безопасность автоклавного золопенобетона после продолжительной эксплуатации. Методы: исследования проводились на действующем объекте при помощи поверенного дозиметра-радиометра АТОМЕХ МКС-АТ6130. Результаты: было установлено, что во всех образцах автоклавного золопенобетона с использованием золы от сжигания осадка сточных вод создаваемый радиационный фон был ниже нормы — на границе пороговых значений. Практическая значимость: результаты работы имеют важное значение для строительства, так как расширяют представления об особенностях автоклавного золопенобетона и возможности безопасного использования золы от сжигания осадка сточных вод в строительстве.
Ключевые слова: зола от сжигания осадка сточных вод, утилизация золы, автоклавный золопенобетон, применение автоклавного золопенобетона, строительство зданий, содержание естественных радионуклидов, радиационное исследование золы, экологическая безопасность
В настоящее время во многих городах мира реализована технология утилизации осадка, возникающего после очистки канализационных сточных вод. Осадок в виде золы получается чаще всего путем его сжигания в печах преимущественно с кипящим песчаным слоем. Это позволяет обработать весь поступающий осадок. Возникающая от сжигания осадка сточных вод зола позволяет существенно
сократить объем получающегося продукта, что влечет за собой значительное сокращение экономических затрат на перевозку и дальнейшее хранение. Необработанный осадок сточных вод, как и зола от его сжигания, являются отходом IV класса опасности [1, 2]. Однако зола гораздо меньше загрязняет окружающую среду, чем осадок, так как суммарный объем ее производства за год существенно меньше.
Физико-механические свойства золы от сжигания осадка сточных вод Санкт-Петербурга (ГУП «Водоканал СПб») были исследованы в [3].
С точки зрения экологической безопасности выявлено следующее:
— пыление золы создает вторичное загрязнение воздушного бассейна вокруг полигонов складирования [4], загрязнение водного бассейна, в том числе подземных вод;
— повышенное содержание ионов тяжелых металлов и повышенное содержание естественных радионуклидов в золе от сжигания осадка сточных вод является следствием особенности канализования г. Санкт-Петербурга и обработки осадка в данной местности (рис. 1).
В НИИ радиационной гигиены и ГУП «Радиевый институт им. В. Г. Хлопина» были проведены исследования содержания естественных радионуклидов в золе при сжигании осадка (рис. 1). С точки зрения экологической безопасности зола от сжигания осадка сточ-
ных вод имеет умеренный класс опасности [5] — не выше II (рис. 2).
Несмотря на то что осадки после очистки сточных вод в мире сжигаются уже давно, вопрос о полном или хотя бы малоотходном производстве пока не решен. Длительное время ведутся исследования по использованию золы от сжигания осадка сточных вод [6, 7, 8, 9, 10], чтобы добиться полностью замкнутого цикла:
очистка ^ осадок ^ зола ^ приме-сточных сточных нение
вод вод золы
Один из вариантов использования золы от сжигания осадков сточных вод — использование ее как вторичного сырья при производстве пенобетона автоклавным методом. Данный материал получил название автоклавного золо-пенобетона [11], его основные свойства представлены в табл. 1. Содержание естественных радионуклидов в образцах автоклавного золо-пенобетона различного состава представлено на рис. 3.
Рис. 1. Содержание естественных радионуклидов в различных естественных
и искусственных материалах
Рис. 2. Классы материалов и область их применения
Рис. 3. Содержание естественных радионуклидов в образцах автоклавного золопенобетона
ТАБЛИЦА 1. Свойства золопенобетона автоклавного твердения
Автоклавный золопенобетон с использованием золы от сжигания осадка сточных вод экологически безопасен, так как относится к I классу (рис. 3), и его можно применять во всех сферах строительства без ограничений [12].
Таким образом получается создать полную цепочку утилизации данного вида отходов:
очистка ^ осадок ^ зола ^ авто- ^ при-сточных сточных клавный менение
вод вод золопе- в строи-
нобетон тельстве
Опытная научно-производственная база строительных материалов Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения получила данные, с учетом которых был построен корпус промышленного здания из блоков автоклавного золопенобетона (рис. 4).
Для определения экологической безопасности были проведены исследования по определению уровня величины поглощенной дозы излучения на этом действующем объекте при помощи поверенного дозиметра-радиометра ATOMEX MKC-AT6130 (рис. 5). Результаты замеров приведены в табл. 2.
ТАБЛИЦА 2. Результаты измерения автоклавного золопенобетона
Средняя плотность автоклавного золопенобетона Средние измеренные значения, ^у/Ъ
Д500 без золы 0,05
Д600 без золы 0,05
Д800 без золы 0,06
Д500 с 50% золы 0,06
Д600 с 50% золы 0,07
Д800 с 50% золы 0,08
Фоновое измеренное значение 0,08
Средняя плотность золопенобетона, полученного по автоклавной технологии Физико-механические свойства Средние значения ЕРН, Бк/кг
Прочность при сжатии, МПа Сорбционная влажность, % Морозостойкость, циклов Теплопроводность, Вт/м°
Д500 без золы 19 11 15 0,12 66
Д600 без золы 25 12 25 0,14 71
Д800 без золы 35 15 25 0,21 80
Д500 с 50% золы 15 14 15 0,10 96
Д600 с 50% золы 20 14 15 0,12 100
Д800 с 50% золы 25 17 15 0,19 107
Рис. 4. Корпус промышленного здания (Предпортовая) из блоков автоклавного золопенобетона: а — 2005 год; б — 2024 год (фото Е. В. Русановой)
Рис. 5. Проведение измерений автоклавного золопенобетона различного состава: а и б — блоки пенобетона, в — фоновое значение (фото Е. В. Русановой)
Измерения показали, что доза излучения 0,30 pSv/h (рис. 6). То есть данный материал
в пределах корпуса промышленного здания не вносит вклад в дополнительное облучение
составила не более 0,08 pSv/h. Также видно, населения в целом и рабочих в частности. что во всех случаях в исследуемых образцах Вывод: автоклавный золопенобетон, кото-
доза излучения составила не более 0,08 pSv/h рый получен с использованием золы от сжи-и находится в пределах фоновых значений гания осадка канализационных сточных вод,
(табл. 2). По сравнению с известными поро- является экологически чистым и безопасным
говыми значениями радиационного фона [13] для человека. Это позволяет без ограничений
автоклавный золопенобетон обладает безопас- использовать его в строительстве, а область
ным уровнем для человека и составляет менее применения золы существенно расширить.
Рис. 6. Доза излучения, мкЗв/ч
Библиографический список
1. Об утверждении критериев отнесения отходов к I-V классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду: приказ Министерства природных ресурсов и экологии РФ от 04.12.2014 № 536.
2. Эколого-гигиеническая оценка отходов производства для применения в дорожном строительстве / Н. В. Русаков [и др.] // Гигиена и санитария. 2017. Т. 96, № 4. С. 309-313. DOI: 10.18821/00169900-2017-96-4-309-313. EDN YKUQIB.
3. Русанова Е. В. Физико-химические исследования автоклавного золопенобетона // Новые исследования в материаловедении и экологии: сборник научных статей сотрудников, аспирантов, докторантов и студентов. СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, 2005. Вып. 5. С. 95-96. EDN DHLODO.
4. Новые экозащитные технологии на железнодорожном транспорте: монография / Л. Б. Сватовская [и др.]. М.: Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2007. 159 с. ISBN 978-5-89035-358-0. EDN RYRPAV.
5. ГОСТ 30108-94. Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов.
6. Утилизация коммунальной золы / С. В. Селиванова [и др.] // Actualscience. 2016. Т. 2, № 4. С. 38- 39. EDN VXCWHJ.
7. Сучкова М. В. Полезная утилизация золы сжигания осадка сточных вод // Нефтяная столица: Третий Международный молодежный научно-практический форум (Нижневартовск, 18-19 февраля 2020 года): сборник материалов. Нижневартовск: Центр научно-технических решений, 2020. С. 310-316. EDN LUJBYU.
8. 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. EDN WVMACH.
9. Результаты исследований по применению осадков городских сточных вод в производстве строительных материалов / М. В. Паршикова [и др.] // Интеллектуальные системы в производстве. 2023. Т. 21, № 4. С. 25-30. DOI: 10.22213/2410-9304-20234-25-30. EDN VPNZUR.
10. Способ утилизации золы: патент № 2294905 C2 Российская Федерация, МПК C04B 20/04, C04B 18/06, C04B 20/10. № 2001136046/03 / С. В. Карпов, А. О. Дьяков; заявл. 26.12.2001, опубл. 10.03.2007. Заявитель: А. Г. Умвельт. EDN ZKGZBJ.
11. Автоклавный золопенобетон: патент № 2256632 C1 Российская Федерация, МПК C04B 38/10. № 2004108763/03 / Л. Б. Сватовская [и др.]; заявл. 24.03.2004, опубл. 20.07.2005. Заявитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации». EDN ZOLIUX.
12. Русанова Е. В. Снижение радиоактивности при производстве строительных материалов // Новые исследования в материаловедении и экологии: сборник научных статей сотрудников, аспирантов, докторантов и студентов (кафедра «Инженерная химия и защита окружающей среды») / отв. ред. Л. Б. Сватовская. СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, 2004. С. 71-74. EDN PSOJFK.
13. Stabin M. G. Radiation Protection and Dosimetry: an Introduction to Health Physics. Springer, 2010.
Дата поступления: 18.07.2024 Решение о публикации: 01.09.2024
Контактная информация:
РУСАНОВА Екатерина Владимировна — канд. техн. наук, доцент; [email protected]
Research of ecological safety of autoclaved ash-foam concrete produced with ash from sewage sludge incineration
E. V. Rusanova
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russia
For citation: Rusanova E.V Research of ecological safety of autoclaved ash-foam concrete, produced with ash from sewage sludge incineration // Proceedings of Petersburg Transport University. 2024. Vol. 21, iss. 3. P. 686-693. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2024-03-686-693
Abstract
The article presents the research of ecological safety of autoclaved ash-foam concrete using ash from sewage sludge incineration in the constructed and operated production building. It is shown that after more than eighteen years of operation, the building made of autoclaved ash-foam concrete obtained using ash from sewage sludge incineration plant turned out to be environmentally safe for humans. Purpose: ash from sewage sludge incineration has high average specific radioactivity (radium and thorium), which strongly limits its further use. Earlier it was found that the use of ash from sewage sludge incineration as a raw material in autoclaved ash-foam concrete in different proportions affects the content of natural radionuclides in the finished product. The paper considers the environmental safety of autoclaved ash-foam concrete after prolonged operation. Methods: the research was carried out at the operating facility using a verified dosimeter-radiometer ATOMEX MKC-AT6130. Results: it was found that in all samples of autoclaved ash-foam concrete produced with ash from sewage sludge incineration the generated radiation background was below the norm, on the border of threshold values. Practical significance: the results of the work are important for construction, as they expand the ideas about the peculiarities of autoclaved ash-foam concrete and the possibility of safe use of ash from sewage sludge incineration in construction.
Keywords: ash from sewage sludge incineration, ash utilisation, autoclaved ash-foam concrete, application of autoclaved ash-foam concrete, building construction, natural radionuclide content, radiation study of ash, environmental safety
References
1. Ob utverzhdenii kriteriev otneseniya otxodov k I-V klassam opasnosti po stepeni negativnogo vozde-jstviya na okruzhayushhuyu sredu: prikaz Ministerst-va prirodnyx resursov i e'kologii RF ot 04.12.2014 № 536. (In Russian)
2. E'kologo-gigienicheskaya ocenka otxodov proiz-vodstva dlya primeneniya v dorozhnom stroitelstve / N. V. Rusakov [i dr.] // Gigiena i sanitariya. 2017. T. 96, № 4. S. 309-313. DOI: 10.18821/0016-9900-2017-964-309-313. EDN YKUQIB. (In Russian)
3. Rusanova E. V. Fiziko-ximicheskie issledovaniya avtoklavnogo zolopenobetona // Novy'e issledovaniya v materialovedenii i ekologii: sbornik nauchnyx statej sotrudnikov, aspirantov, doktorantov i studentov.
SPb.: Peterburgskij gosudarstvenny'j universitet putej soobshheniya Imperatora Aleksandra I, 2005. Vy'p. 5. S. 95-96. EDN DHLODO. (In Russian)
4. Novy'e ekozashhitnye texnologii na zhelezno-dorozhnom transporte: monografiya / L. B. Svatovska-ya [i dr.]. M.: Uchebno-metodicheskij centr po obra-zovaniyu na zheleznodorozhnom transporte, 2007. 159 s. ISBN 978-5-89035-358-0. EDN RYRPAV. (In Russian)
5. GOST 30108-94. Materialy' i izdeliya stroi-telnye. Opredelenie udelnoj e'ffektivnoj aktivnosti estestvennyx radionuklidov. (In Russian)
6. Utilizaciya kommunalnoj zoly' / S. V. Selivano-va [i dr.] // Actualscience. 2016. T. 2, № 4. S. 38-39. EDN VXCWHJ. (In Russian)
7. Suchkova M. V. Poleznaya utilizaciya zoly' szhiganiya osadka stochny'x vod // Neftyanaya stoli-cza: Tretij Mezhdunarodny'j molodezhny'j nauchno-prakticheskij forum (Nizhnevartovsk, 18-19 fevralya 2020 goda): sbornik materialov. Nizhnevartovsk: Centr nauchno-texnicheskix reshenij, 2020. S. 310-316. EDN LUJBYU. (In Russian)
8. Smirnov Yu. D., Suchkova M. V. Perspektivy' poleznogo ispol'zovaniya zoly' szhiganiya osadka stochny'x vod v narodnom xozyajstve // Voda i e'kologiya: problemy' i resheniya. 2019. № 3 (79). S. 16-25. DOI: 10.23968/2305-3488.2019.24.3.16-25. EDN WVMACH. (In Russian)
9. Rezul'taty' issledovanij po primeneniyu osadkov gorodskix stochny'x vod v proizvodstve stroitel'ny'x materialov / M. V. Parshikova [i dr.] // Intellektual'ny'e sistemy' v proizvodstve. 2023. T. 21, № 4. S. 25-30. DOI: 10.22213/2410-9304-2023-4-25-30. EDN VPNZUR. (In Russian)
10. Sposob utilizacii zoly': patent № 2294905 C2 Rossijskaya Federaciya, MPK C04B 20/04, C04B 18/06, C04B 20/10. № 2001136046/03 / S. V. Karpov, A. O. D'yakov; zayavl. 26.12.2001, opubl. 10.03.2007. Zayavitel': A. G. Umvel't. EDN ZKGZBJ. (In Russian)
11. Avtoklavny'j zolopenobeton: patent № 2256632 C1 Rossijskaya Federaciya, MPK C04B 38/10.
№ 2004108763/03 / L. B. Svatovskaya [i dr.]; zayavl. 24.03.2004, opubl. 20.07.2005. Zayavitel': Gosu-darstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vy'sshego professional'nogo obrazovaniya "Peterburgskij gosu-darstvenny'j universitet putej soobshheniya Minister-stva putej soobshheniya Rossijskoj Federacii". EDN ZOLIUX. (In Russian)
12. Rusanova E. V. Snizhenie radioaktivnosti pri proizvodstve stroitel'ny'x materialov // Novy'e issledovaniya v materialovedenii i e'kologii: sbornik nauchny'x statej sotrudnikov, aspirantov, doktorantov i studentov (kafedra "Inzhenernaya ximiya i zashhita okruzhayushhej sredy'") / otv. red. L. B. Svatovskaya. SPb.: Peterburgskij gosudarstvenny'j universitet putej soobshheniya Imperatora Aleksandra I, 2004. S. 71-74. EDN PSOJFK. (In Russian)
13. Stabin M. G. Radiation Protection and Dosimetry: an Introduction to Health Physics. Springer, 2010.
Received: 18.07.2024 Accepted: 01.09.2024
Author's information:
Ekaterina V. RUSANOVA — PhD in Engineering, Associate Professor; [email protected]
