ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОСАДКА ЛИВНЕВЫХ СТОЧНЫХ ВОД ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛЁГКОГО БЕТОНА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Научная статья УДК 691-405.5

ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура

ВАК: 2.1.5 Строительные материалы и изделия

doi:10.51608/26867818_2023_3_93

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОСАДКА ЛИВНЕВЫХ СТОЧНЫХ ВОД ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛЁГКОГО БЕТОНА

Красова Анна Викторовна

аспирант

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: Krasova1981@mail.ru) Смирнова Ольга Евгеньевна кандидат технических наук, доцент

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: Smirnova.olj@yandex.ru) Шахов Сергей Александрович

доктор технических наук, профессор кафедры химии Сибирский государственный университет путей сообщения (Россия, Новосибирск)

Аннотация. В больших городах, как и в России в целом, имеются многотоннажные отходы такие как осадок сточных вод, ухудшающие экологическую ситуацию городов и страны, которые могут быть использованы в производстве строительных материалов.

Большинство существующих в настоящее время технологий таких высокоэффективных теплоизоляционно-конструкционных материалов, как лёгкий бетон пониженной средней плотности, требует применения дорогостоящих или требующих сложной в технологическом плане подготовки сырьевых компонентов (портландцемент, известь, молотый кварцевый песок и др.), что негативно отражается на стоимости и конкурентоспособности материала. Одним из путей решения данной проблемы является использование в производстве лёгких бетонов местной сырьевой базы и техногенных вторичных ресурсов.

В связи с этим представляются актуальными исследования по замене молотого кварцевого песка в составе лёгкого бетона на сухой осадок ливневых сточных вод, что не только повысит экономичность этого материала, но и позволит получить такие улучшенные эксплуатационные показатели, как пониженная теплопроводность, плотность, с незначительной повышенной или такой же прочностью материала.

Ключевые слова: влажность; осадок сточных вод; химический состав; заполнитель; лёгкий бетон; отходы; строительные материалы

Для цитирования: Красова А.В., Смирнова О.Е., Шахов С.А. Исследование физико-химических свойств осадка ливневых сточных вод для применения в производстве лёгкого бетона // Эксперт: теория и практика. 2023. № 3 (22). С. 93-97. doi:10.51608/26867818_2023_3_93.

© Авторы 2023 SPIN-код: 4454-0341 AuthorlD: 1140703

SPIN-код: 2883-1204 AuthorlD: 792270

SPIN-код: 6495-0156 AuthorID: 530423

Original article

INVESTIGATION OF PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF STORMWATER SLUDGE FOR USE IN THE PRODUCTION OF LIGHTWEIGHT CONCRETE

© The Author(s) 2023 KRASOVA Anna Viktorovna

PhD Candidate

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Novosibirsk, Russia, e-mail: Krasova1981@mail.ru) SMIRNOVA Olga Evgenievna

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Novosibirsk, Russia, e-mail: Smirnova.olj@yandex.ru)

SHAKHOV Sergey Aleksandrovich

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Chemistry Siberian Transport University (Novosibirsk, Russia)

Abstract. In large cities, as in Russia as a whole, there are large-tonnage wastes such as sewage sludge, which worsen the

ecological situation of cities and the country, which can be used in the production of building materials.

Most of the currently existing technologies of such highly efficient thermal insulation and structural materials as lightweight

concrete of reduced average density require the use of expensive or technologically complex preparation of raw materials

(Portland cement, lime, ground quartz sand, etc.), which negatively affects the cost and competitiveness of the material. One

of the ways to solve this problem is the use of local raw materials and man-made secondary resources in the production of light

concrete.

In this regard, it seems relevant to research on the replacement of ground quartz sand in light concrete with dry sediment of storm sewage, which will not only increase the efficiency of this material, but will also allow obtaining such improved performance indicators as reduced thermal conductivity, density, with slightly increased or the same strength of the material.

Keywords: humidity; sewage sludge; chemical composition; filler; light concrete; waste

For citation: Krasova A.V., Smirnova O.E., Shakhov S.A. Ensuring the competitiveness of a construction enterprise in modern conditions // Expert: theory and practice. 2023. № 3 (22). Рр. 93-97. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_3_93.

Введение. В России за год образуется в среднем 100 миллионов тонн осадков сточных вод, эта цифра ежегодно растет. В результате тысячи гектаров территории страны заняты иловыми отложениями. Осадки ливневых сточных вод составляют 20-30 % от всего объёма отходов, размещённых на полигонах.

Чтобы понять морфологический состав данного вида отхода необходимо рассмотреть природу его образования. Осадки ливневых сточных вод образуются из поверхностных стоков, которые формируется из дождевых, талых и поливомоечных вод на застроенных территориях города и территориях промышленных предприятий. Количество загрязнений, которые попадают в поверхностные сточные воды, зависит от количества населения, благоустройства территории, частоты уборки и полива улиц, поверхности дорожных покрытий. В последнее время с увеличением количества машин на улицах города увеличилось и загрязнение дождевых и талых стоков нефтепродуктами.

Таким образом, осадками ливневых сточных вод являются суспензии в которых дисперсной фазой являются твёрдые частицы органического (не более 3%) и минерального происхождения,такие как:

- частички пыли, песка, растворённые минеральные и органические вещества;

- соединения тяжелых металлов, нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества. Внешний вид влажного и сухого осадка ливневых сточных вод представлен на рисунке 1.

По результатам анализа литературных источников в России и за рубежом в строительстве данный вид отхода используется только 1-5%. В странах Евросоюза осадки сточных вод используют в сельском хозяйстве - 13%, складируют - 23 %, компостируют -

21%, сжигают - 13%, остальное - другие методы переработки [1].

а) б)

Рис. 1 - Внешний осадка ливневых сточных вод

а) влажного; б) сухого

С помощью современного уровня развития технологий производства стройматериалов можно решить задачу утилизации данного вида отхода. Данное решение также позволит принести экономическую пользу. Применение осадка ливневых сточных в производстве строительных материалов позволит улучшить не только экономическую ситуацию регионов, но и решить экологическую проблему утилизации техногенных отходов.

Методология, результаты и обсуждение. Основной задачей исследования было выявление физико-химических свойств осадка ливневых сточных вод и возможность его применения в производстве лёгкого бетона.

Осадки отбиралис локальных очистных сооружений города Новосибирска.

Пробы хранили в прохладном месте в стеклянной таре с плотно закрывающейся крышкой.

Далее осадок ливневых сточных вод доводился до сухого состояния и параллельно в соответствии с гравиметрическим методом проводили измерение влажности осадка. Данный метод основан

на весовом определении количества удалённой влаги при 1=110°С из проб при измерении влажности почв. Массовую долю влаги определяли как отношение массы воды, удалённой из исследуемой пробы высушивание до постоянной массы, к массе влажной пробы. Результаты представлены в таблице 1.

По результатам измерений влажность осадка составляет 17,77 %. На рисунке 2 приведена зависимость потери влаги от времени. Из графика видно, что большее количество влаги проба теряет в пер-

вый час сушки и далее уменьшается. После двух часов сушки влага испаряется незначительно.

Пробы в воздушно-сухом состоянии хранили в закрытой таре из химически нейтрального материала - пластиковом ведре с крышкой.

После сушки осадок ливневых сточных вод исследовали на радиационную безопасность. Данный осадок относится к первому классу опасности и являются малоопасным.Следовательно его можно использовать для всех видов строительства [2].

Таблица 1 - Результаты измерения влажности осадка гравиметрическим методом

Период № про бы Масса тары с влажной пробой, г (m1) Масса пробы, г (m) Масса тары с сухой пробой, г (т2) / массовая доля влаги в пробе, % (X)

Через 30 мин Через 1 час Через 2 часа Через 3 часа Через 3 часа 30 мин

Осень 2021 1 2288 2176 2068/10,11 1924/16,73 1862/19,58 1860/19,67 1858/19,76

2 2282 2170 2088/8,94 1948/15,39 1866/19,17 1860/19,45 1860/19,45

Осень 2022 3 3180 1994 3048/6,6 2934/12,3 2806/15 2784/14,24 2784/14,24

4 3098 1892 2918/9,5 2820/14,7 2758/17,8 2762/17,75 2762/17,75

25

-р

О 30 минут 1час 2 часа Зчаса 3 часа 30

мин

время сушки

•1 • 2 —•—3 • 4 т среднее значение Рис. 2 - Зависимость потери влаги от времени

Наименование показателя Содержание компонента, масс., %

Весна 2020 Весна 2021 Весна 2022 Среднее Осень 2020 Осень 2021 Осень 2022 Среднее

SiO2 38,96 40,38 36,14 38,49 76,09 76,57 75,78 76,15

TiO2 0,64 0,77 0,57 0,66 0,25 0,24 0,28 0,26

AI2O3 8,29 9,76 8,97 9,01 6,79 6,77 6,81 6,79

Fe2O3 7,9 5,92 8,56 7,46 2,51 2,44 2,98 2,64

MnO 0,08 0,09 0,12 0,09 0,04 0,04 0,05 0,04

MgO 1,9 2,14 2,75 2,26 1,20 1,17 1,36 1,24

CaO 12,79 11,12 12,7 12,2 3,88 3,86 3,94 3,89

Na2O 0,94 1,05 1,53 1,17 1,41 1,38 1,40 1,39

K2O 1,21 1,66 1,1 1,32 1,58 1,62 1,54 1,58

P2O5 0,67 0,61 0,66 0,65 0,10 0,10 0,10 0,10

BaO 0 0 0,04 0,01 0,04 0,04 0,04 0,04

SO3 2,36 2,57 2,37 2,43 0,16 0,19 0,14 0,16

V2O5 0,02 0,02 0,01 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01

Cr2O3 0,02 0,02 0,01 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01

NiO 0,02 0,02 0,01 0.02 0,01 0,01 0,01 0,01

ППП 9 8 9 8,5 4 4 4 4

Модуль основности (Мо) 0,31 0,26 0,34 0,3 0,06 0,06 0,06 0,065

Модуль активности (Ма) 0,21 0,24 0,25 0,23 0,09 0,09 0,09 0,09

Таблица 2 - Химический состав осадка весеннего и осеннего периодов

Химически состав осадков определяли с помощью ренгенофлуоресцентного анализа (далее РФА). Брались пробы осеннего и весеннего периодов. Данные представлены в таблице 2.

По расчетным данным выявлено, что осадки являются кислыми так как модуль основности и модуль активности меньше единицы.

Дополнительно, с помощью лакмусовой бумаги была определена кислотность осадков. Бумага окрасилась в зеленоватый цвет (рН 5-6), что подтверждает расчетные данные.

Согласно результатам РФА сухой осадок ливневых сточных вод, полученный в весенние периоды, содержит БЮ2- около 38 %, в осенние - около 76 %. Наблюдается нестабильность составов осадка по временам года (осень-весна), но стабильность в периодах сохраняется.

На усредненных пробах осеннего и весеннего периодов был проведен ренгеноструктурный анализ осадка. Дифрактограммы представлены на рисунке 3.

Рис. 3 -Дифрактограммы минералогического состава осадка сточных вод

а) весеннего периода; б) осеннего периода

По результатам ренгеноструктурного анализа выявлено, что в осадке весеннего периода содержится, мас.%: кварц - 30-50; плагиоклаз - 5-10; калиевый полевой шпат - 3-5; хлорит - 10-15; слюда - 35; кальцит 3-5; амфибола - 2-3; пирит - 2-3.

В осадке осеннего периода содержится, мас.%: кварца более 50; плагиоклаз - 5-10; калиевый полевой шпат - 5-10; хлорит - 3-5; слюда - 3-5; кальцит 2-3; амфибола 2-3; возможны слюды.

Результаты ренгеноструктурного анализа подтверждают, что в осадке осеннего периода кварца содержится больше, чем в весеннем.

Так как сухой осадок ливневых сточных вод является кислым, то предлагается использовать его в качестве заполнителя для лёгкого бетона. С этой целью он был сравнён с химическим составом песка и кислыми золами, которые наиболее часто применяются в производстве газобетона (табл. 3).

Таблица 3 - Химический состав кислых зол и песка

Наименование показателя Содержание компонента, масс., %

Южно-Кузбасская ГРЭС (новый отвал) Кемеровская ГРЭС ТЭЦ-5 г. Новосибирска Состав песка

БЮ2 58-68 58,3 54,2-59,1 75-94

А12О3 17-26 22,2 19,8-21,6 2,6-4,2

Ре2<Э3 6-10 11,16 3,5-4,6

М^О 0,8-2 2,26 1-3 0-0,4

СаО 3-3,5 3,44 3-5 0,5-2,0

БО3 0,2-0,7 0,34 0,7-1,1 0,1-0,8

ППП 8-14 11,54 0,8-5,8 1,5-4,0

Выявлено некоторое сходство химического состава сухого осадка ливневых сточных вод с кислыми золами ТЭЦ и песком.

Выводы. По результатам анализа технической литературы, в России и за рубежом осадок сточных вод применяется не более 1-5% в составе строительных материалов.

Осадки ливневых сточных вод по радиационной безопасности относятся к 1 классу (не превышают 370 Бк/кг) и могут быть использованы в производстве строительных материалов.

Установлено, что в осадке сточных вод отсутствуют тяжёлые металлы.

Установлена стабильность химического составов сухого осадка ливневых сточных вод, стабильность наблюдается по периодам (весна - осень).

Химический состав осеннего осадка схож с составом песка, весеннего с кислыми золами.

Необходимо дополнительное исследование свойств осадков ливневых сточных вод для дальнейшего использованияего в производстве лёгкого бетона.

Библиографический список

1. Поповцева А.А., Дьяков М.С. Научно-практические основы использования золы сжигания осадка город-

ских сточных вод в производстве строительных материалов// Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. - 2015. - том 1. - С. 278-282

2. Красова, А. В. Безопасность техногенных отходов в производстве строительных материалов / А. В. Красова, О. Е. Смирнова // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии : Материалы Международной научно-технической конференции, Могилев, 20-21 апреля 2023 года. - Могилев: Межгосударственное образовательное учреждение высшего образования "Белорусско-Российский университет", 2023. - С. 276-277. - EDN TVLNUI.

3. Дьяков М.С., Вайсман Я.И. Оценка перспективных и конкурентоспособных направлений переработки осадков коммунальных сточных вод// Экология и промышленность России. - 2017. - том 21. - №7. - С. 36-41.

4. Валетов Д.С., Кащенко О.В. Анализ методов утилизации осадков городских сточных вод // ACADEMY Олимп. - 2018. - № 12(39). - С. 16-12

5. Патент RU 2 554 966 C2 Сырьевая смесь для приготовления золощелочного бетона./ Русина В.В., Корда Е.В., Корнеев Д.Н., Громова А.Н. Опубл. 10.07.2015. Бюл. № 19

6. Патент RU 2 374 200 C1 Сырьевая смесь для приготовления жаростойкого золошлакового бетона./ Русина В.В., Метляева А.В., Меркель Е.Н. Опубл. 27.11.2009. Бюл. № 33.

7. Патент RU 2 329 987 C1 Сырьевая смесь для приготовления кислотостойкого золошлакового бетона./ Русина В.В., Грызлова Е.О. Опубл. 27.07.2008. Бюл. № 21.

8. Патент RU 2 554 967 C2 Сырьевая смесь для приготовления коррозионностойкого золощелочного бетона./

Русина В.В., Корда Е.В., Громова А.Н., Корнеев Д.Н. Опубл. 10.07.2015. Бюл. № 19

9. Патент RU 2237639 C2 Способ изготовления зо-лощелочной бетонной смеси для монолитных строительных конструкций./ Русина В.В., Подвольская Е.Н., Шихале-ева А.А., Журавлева И.В. Опубл. 10.10.2004. Бюл. №28

10. Патент RU 2 553 130 C2 Способ получения золошлакового бетона./ Русина В.В., Корда Е.В, Громова А.Н, Корнеев Д.Н., Опубл. 10.06.2015. Бюл. № 16

11. Патент RU 2 134 250 C1 Способ получения неавтоклавного зольного ячеистого бетона / Белов В.В., Иль-мер Е.И., Карцева В.В. Опубл.10.08.1999.

12. Патент RU 2 303 584 C1 Способ изготовления изделий из неавтоклавного ячеистого золобетона / Пятаев А.В., Пшонкин Н.Г. Опубл. 27.07.2007. Бюл. № 21

13. Патент RU 2278848 C1. Теплоизоляционный бетон./ Л.Б. Сватовская, В.Я. Соловьёва, Е.В. Русанова, А.М. Сычёва, А.В. Хитров, Т.С. Титова. Опубл. 27.06.2006, Бюл. №18.

14. Патент RU 2306300 С1. Смесь для пенобетона./ Л.Б. Сватовская, В.Я. Соловьёва, В.А. Чернаков, В.Н. Сурков, Д.В. Соловьёв. Опубл. 20.09.2007, Бюл. №26.

15. ПНД Ф 12.1:2:2.2:2.3:3.2-03 Методические рекомендации. Отбор проб почв, грунтов, донных отложений, илов, осадков сточных вод, шламов промышленных сточных вод, отходов производства и потребления»

16. ГОСТ 17.1.5.01-80 «Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб донных отложений водных объектов для анализа на загрязнённость».

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 10.06.2023; одобрена после рецензирования 21.08.2023; принята к публикации 21.08.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 10.06.2023; approved after reviewing 21.08.2023; accepted for publication 21.08.2023.