CC BY
68
технология строительства. строительные материалы и изделия. наноматериалы и нанотехнологии
УДК 504+691 DOI: 10.22227/2305-5502.2017.3.3
УТИЛИЗАЦИЯ ШЛАМОВЫХ ОТХОДОВ В ГРУНТОПОДОБНЫЕ РЕКУЛЬТИВАЦИОННО-СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
К.Л. Чертес, О.В. тупицына, Е.Г. Мартыненко, В.Н. пыстин
Самарский государственный технический университет (СамГТУ), 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244
АННотАцИя. Статья посвящена исследованию обработки и утилизации обезвреженных малотоксичных шламовых отходов. Рассматривается вопрос использования таких отходов для производства грунтоподобных рекультиваци-онно-строительных материалов (ГРСМ). Утилизация таких отходов в качестве ГРСМ позволяет снизить затраты на приобретение грунта, а также предотвратить экологический ущерб, связанный с разработкой месторождений строительных материалов. Описаны разновидности наиболее крупнотоннажных шламовых отходов и предложены направления их использования. Приведены технологии обезвреживания промышленных отходов, включая их геоконтейнерное обезвоживание, штабельно-слоевую биодеструкцию, а также описано повышение их прочности добавками, обладающими вяжущими и структурообразующими свойствами.
Предложено технологическое оформление комплекса производства ГРСМ в границах ликвидируемого шламо-накопителя, внедрение которого в условиях действующего производства позволило достичь несомненного экономического эффекта.
ключевые Слова: отходы шламовые, утилизация, материалы рекультивационно-строительные, обезвоживание геоконтейнерное, компостирование биотермическое, минерализация мезофильная
для цитирования: Чертес К.Л., Тупицына О.В., Мартыненко Е.Г., Пыстин В.Н. Утилизация шламовых отходов в грунтоподобные рекультивационно-строительные материалы // Строительство: наука и образование. 2017. Т. 7. Вып. 3 (24). Ст. 3. Режим доступа: http://nso-journal.ru.
DISPOSAL OF SOLID WASTE INTO SOIL-LIKE REMEDIATION AND BUILDING MATERIALS
KX. chertes, o.V. Tupitsyna, E.G. Martynenko, V.N. pystin
Samara State Technical University (SamSTU), 244 Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100, Russian Federation
ABSTRACT. For reclamation of the disturbed geo-environment, natural soils are used. This measure is not completely ecological, as it leads to secondary degradation of the earth's surface. The article discusses the use of large-capacity slurry waste as raw material for the production of soil-like remediation and building materials.
The data on the composition and properties of the most large-tonnage sludge wastes with the proposed directions of their use as soil-like remediation and building materials. The results of the authors' research in the field of processing and utilization of slime wastes are presented. The revealed characteristics of the course of processing, including duration, speed, staging, were used for building and technological equipment for the disposal and utilization of sludge wastes.
Geo-container drying, biothermal composting and layered mineralization are considered as treatment methods. The results of the research are the technologies of neutralization and utilization, used in the design and construction of sludge treatment facilities.
Utilization of large-tonnage waste as remediation-building materials allows to reduce costs for the acquisition of mineral soil, as well as to prevent environmental damage associated with the development of deposits of building materials.
KEY WORDS: waste sludge, recycling, remediation and building materials, geo-container drying, biothermal composting, layered mineralization
FOR CITATION: Chertes K.L., Tupitsyna O.V., Martynenko E.G., Pystin V.N. Utilizatsiya shlamovykh otkhodov v gruntopodobnye rekul'tivatsionno-stroitel'nye materialy [Disposal of Solid Waste into Soil-Like Remediation and Building Materials]. Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie [Construction: Science and Education]. 2017, vol. 7, issue 3 (24), paper 3. Available at: http://nso-journal.ru. (In Russian)
Для рекультивации нарушенной геосреды используют природные грунты. Данное мероприятие не вполне экологично, так как приводит к вторичной деградации земной поверхности карьерами и намывами грунта [1].
Альтернативой природным грунтам выступают материалы на основе обезвреженных малотоксичных шламовых отходов. Перечень и основные характеристики наиболее крупнотоннажных шламовых отходов, пригодных к использованию, представлены в табл. 1. Здесь же приведены основные отрасли и источники их образования, технологии предподготовки и направления утилизации в грун-топодобные рекультивационно-строительные материалы (ГРСМ) [2-6].
В отдельных регионах объемы шламовых отходов сопоставимы с объемами природных грунтов, пригодных для рекультивации и строительно-хозяйственного освоения земель. Показатели состава и свойств отдельных видов шламовых отходов представлены в табл. 2.
Наиболее широко изучены методы утилизации шламов в качестве компонентов производства строительных материалов. При этом отходы использу-
ются в качестве сырья для производства цемента, кирпича, клинкера, тепло- и шумоизоляционных материалов, вяжущих и др. [7-12]. Большинство шламовых отходов содержит в своем составе соединения, обладающие буферностью, коагулирующими и, в отдельных случаях, грунтоформирующи-ми свойствами. Такие виды отходов, как буровые шламы, пастообразные отходы хвостохранилищ, карьерный балласт, содержат выбуренную горную породу. Склонность к скелетообразованию из-за наличия в некоторых шламах прочной матрицы и пластичность отходов также придают им подобие с отдельными видами природных грунтов. Однако избыточная влага, присутствие разлагаемой органики и низкая прочность шламовых отходов диктуют необходимость предварительной обработки перед использованием: обезвоживания, минерализации и повышения прочности.
Авторами в течение многих лет разрабатываются и внедряются в практику технологии обезвреживания промышленных отходов, включая их геоконтейнерное обезвоживание, штабельно-слое-вую биодеструкцию, а также повышение прочности добавками, обладающими вяжущими и структуро-
Табл. 1. Основные виды и направления утилизации шламовых отходов
Название отхода Отрасль Источник образования Технологии обработки Направления утилизации (тип ГРСМ)
Осадки и избыточные активные илы станций аэрации (ОПО и ИАИ) Жилищно-коммунальное хозяйство Очистка сточных вод Биотермическая обработка совместно с органоминеральны-ми отходами Источник редуцирующей микрофлоры (грунты биологической рекультивации)
Осадки водопроводных очистных сооружений (ОГ-ВОС) Шламы химводоо-чистки (ШХВО) Нефтегазовый, теплоэнергетический и металлургический комплексы, жилищно-коммунальное хозяйство Водоподготовка Обезвоживание, слоевая минерализация, упрочнение Формирование грунтовых элементов дамб, корректировка реакции среды (грунты технической рекультивации)
Шламы оборотного водоснабжения (ШОВ) Источник редуцирующей микрофлоры (грунты биологической рекультивации)
Золошлаковые отходы гидроудаления (ЗШОГ) Теплоэнергетические комплексы Повышение пластичности Упрочняющий агент / (грунты технической рекультивации, основа конструкционных грунтовых элементов: отсекающих дамб и призм выполажи-вания)
Нефтесодержащие шламы и замазу-ченные грунты (НШ и НЗГ) Нефтегазовый комплекс Добыча, транспорт и переработка нефтепродуктов Биотермическая обработка Источник минеральной компоненты (грунты технической и биологической рекультивации)
Буровые шламы, пульпы и отходы хвостохранилищ (БШ и ОХХ) Нефтегазовый комплекс, горнодобывающий комплекс и промышленность строительных материалов Обустройство и эксплуатация месторождений Обезвоживание, минерализация, капсулирование Формирование дорожных полотен, создание искусственных грунтовых оснований
се се
ев
оо 2
образующими свойствами [13-18]. Исследования, проведенные в рамках разработки технологий, выявили различные стадии процессов обработки отходов. На рис. 1 представлены графическая зависимость распада углеводородов в нефтешламах по времени и температурно-временная характеристика биохимической реакции.
При биотермическом компостировании нефте-грунтов выделяют три микробиальные фазы. Первая фаза (роста температуры или индукции) протекает при усиленном размножении неспороносных мезофилов. Постепенно, вследствие увеличения температуры до 50...70 °С, появляются споровые формы термофилов, которые, используя в качестве субстрата отмершие клетки мезофилов, разлагают более стойкие углеводороды. Фаза быстрого нарастания температуры может длиться 1.10 сут. Вторая фаза (высоких температур или интенсив-
ной биодеструкции) характеризуется быстрым ростом термофильных бактерий. Длительность этой фазы — до четырех месяцев при температуре до 70 °С, а потери нефтепродуктов — до 90 %. Третья фаза (медленного падения температуры или дозревания) характеризуется постепенным отмиранием термофилов, так как израсходованы легкодоступные формы питания. Развиваются терморезистентные формы споровых бактерий, мезофильные акти-номицеты и грибы, которые используют в качестве источника питания отмершие тела термофилов. На этой стадии протекают процессы разрушения клетчатки, лигнина и происходит глубокое разложение тяжелых нефтепродуктов. Потери углеводородов достигают 90.95 %. Продолжительность третьей фазы от трех месяцев до одного года. При постадий-ном механизме протекания биотермической реакции наибольшее влияние на его продолжительность
табл. 2. Характеристики шламовых отходов
Показатели Наименование отхода
ОПО и ИАИ ОГВОС ШХВО ШОВ ЗШОГ НШ и НЗГ БШ и ОХХ
Физико-механические и водно-физические свойства
Влажность, % 50...90 70...99 70...99 50...80 25...45 40...95 20...80
Удельное сопротивление фильтрации (УСФ), 10-10 см/г 50...1000 600...2900 70...1600 2000...6000 Менее 300 — 500...9000
Плотность, кг/м3 0,7...1,5 1,0...1,2 1,1...1,4 0,9...1,3 1,6...2,2 1,3...2,4 0,99...1,98
Гранулометрический размер основной минеральной части, мм 0,0001...0,001 0,001...0,005 0,001...0,05 0,0001...0,001 0,25...5,0 0,25...1,0 0,001...0,1
Петрохимический состав (массовая доля)
СаО, % 8,9...36,7 15,4...26,7 26,6...58,4 1,4...3,8 2,6...20,7 1,3...4,9 0,6...7,8
MgO, % 1,4...3,4 0,3...2,4 1,9...9,6 0,03...0,19 3,4...9,5 0,2...1,1 0,2...0,9
А1203, % 2,3...16,9 3,4...8,9 7,3...43,2 2,6...4,8 23,6...41,2 3,7...10,7 2,4...8,5
Ре,^ % 5,0...18,7 12,3...42,7 2,9...43,6 10,3...31,5 2,4...6,5 2,8...16,2 12,7...24,9
SiO2, % 15,2...49,6 20,4...37,8 7,4...19,3 23,7...41,9 35,8...53,9 26,7...60,3 30,6...51,4
Показатели экологического состояния
Водородный показатель рН 6,5...7,5 7,5...9,3 7,7...9,5 6,8...8,4 6,1...8,7 5,4...8,3 7,9...10,8
Доля нефтепродуктов, % — — — До 10 — 0,01...0,99 0,1...25,0
Содержание беззольного вещества, % 40...80 10...20 7,7...54,9 70...90 0...1,0 0,01...0,99 1,0...30,0
Общее микробное число (ОМЧ), Кл/кг До 1010 До 106 До 106 До 109 — — —
Массовая доля в сухом веществе, %: органический углерод, азот общий, общий фосфор, общий калий 65...82; 2,4...7,5; 0,8...1,9; 0,2...0,7 До 10; До 1; До 10; До 1; 30,3...51,4; 1,5...2,2; 0,6...0,80; 15...0,22 — До 10; До 1; —
Суммарный показатель химического загрязнения 1е > 128 < 32 < 32 < 32 32.128 64.128 > 128
Эффективная удельная активность радионуклидов, Бк/кг Менее 370 Менее 370 Менее 370 Менее 370 Менее 1500 Менее 370 Менее 1500
сч е>9 и
оказывает фаза нарастания температур, которая является лимитирующей. Интенсификацию процесса биодеструкции при промышленной обработке отходов (рис. 2), как правило, производят именно на этой фазе путем интенсивной продувки (рис. 3).
Также в качестве примера приведены графики полной обработки шламов, образующихся при
водоподготовке, с применением методов геоконтейнерного обезвоживания и мезофильной слоевой биодеструкции (рис. 4). Здесь же представлена деформационно-временная характеристика как инструмент анализа состояния упрочняемых шламов для управления их прочностью и качеством готового ГРСМ.
Рис. 1. Ход процесса биодеструкции: I — фаза роста температуры; II — фаза высоких температур (интенсивная биодеструкция); III — фаза медленного падения температур
Продолжительность наблюдения, сут
Рис. 4. Изменение характеристик ШХВО при его постадийной обработке
Общие виды процессов обработки (обезвоживания и минерализации) шламовых отходов представлены на рис. 5 и 6.
Выявленные характеристики протекания процессов обработки, включая продолжительность, скорость, стадийность, были использованы для строительно-технологического оснащения комплексов обезвреживания и утилизации шламовых отходов, запроектированных и внедренных при участии авторов:
• комплекса биотермической обработки НШ и НЗГ Михайло-Кохановского месторождения АО «Самаранефтегаз»;
• площадок утилизация шламов на АО «Куйбышевский НПЗ» и биодеструкции нефтесодержа-щих отходов на АО «Новокуйбышевский НПЗ».
Компоновочный план комплекса производства ГРСМ представлен на рис. 7.
Обводненный шлам из накопителя доставляют на карту 1.1, куда также вносится кондиционирующая добавка с площадки 1.2. Шлам при помощи насосной станции 1.3 подается в геотекстильный контейнер 1.5 для гравитационного обезвоживания. При необходимости в шлам вносится коагулянт, приготавливаемый в модульном реагентном хозяйстве 1.4. После обработки контейнер вскрывается 1.6, и обезвоженный шлам перемещается
Рис. 5. Обезвоживание шламов в промышленном геоконтейнере
Рис. 6. Слоевая минерализация
сч со и
Рис. 7. Технологическое оформление комплекса производства ГРСМ в границах ликвидируемого шламонакопителя
на площадку слоевой минерализации 2.1. Также на площадку доставляются шламы с повышенным содержанием беззольного вещества с карты 2.2. На площадке слоевой минерализации шлам формируется в слой толщиной до 0,4...0,6 м для обеспечения свободного доступа кислорода. Одновременно в слой вносится ШОВ, выполняющий функции источника редуцирующей микрофлоры. Промежуточное накопление ШОВ предусмотрено на карте 2.3. В периметральной полосе накопителя запроектирован пруд-испаритель фильтрата и загрязненного поверхностного стока 2.4. Избыток стока по мере необходимости направляется на очистные сооружения предприятия.
Обезвоженный и минерализованный шлам направляется на площадку упрочнения 3.1, где смешивается со скелетообразующими добавками. В качестве добавок используются твердые мелкодисперсные отходы производств, сопутствующих водному хозяйству предприятия: золошлаки, а также отходы известняка и доломита. Готовый продукт
складируется на площадке 3.2, откуда отгружается на рекультивацию как самой выемки, так и нарушенных земель в техногенном ареале накопителя.
Проделанные исследования дают возможность подвести следующие итоги. Создание специализированных производств обработки шламовых отходов в ГРСМ способствует минимизации негативного воздействия на окружающую среду, сокращению объемов природных грунтов, а также снижению расходов, связанных с размещением отходов: в зависимости от состояния и состава исходного сырья определяют набор методов управляемого воздействия с целью получения готового продукта, обладающего заданными характеристиками. Внедрение комплекса производства ГРСМ в границах ликвидируемого шламонакопителя в условиях действующего производства позволило достичь экономического эффекта приблизительно в 1,9 млн руб., что обусловливается достижением минимальной платы за негативное воздействие на окружающую среду в области обращения с отходами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Цховребов Э.С. Экологическая безопасность в строительной индустрии. М. : Альфа-М, 2014. 302 с.
2. Зеленцов Д.В., Чертес К.Л., Быков Д.Е. и др. Комплекс биодеструкции нефтеотходов // Экология и промышленность России. 2011. № 3. С. 33-34.
3. Самарина, О.А., Чертес К.Л., Быков Д.Е. и др. Обработка водоэмульсионного слоя накопителей нефтехимических отходов в условиях действующих станций аэрации // Экология и промышленность России. 2010. № 4. С. 13-16.
4. Чертес К.Л., Тупицына О.В., Гладышев Н.Г. и др. Обработка и утилизация шламов водоподготовки // Экология и промышленность России. 2011. № 3. С. 26-29.
5. Чертес К.Л., Тупицына О.В., Пыстин В.Н. и др. Направления использования отходов ТЭК с получением рекультивационных материалов // Экология и промышленность России. 2014. № 6. С. 13-17.
6. Тараканов О.В., Пронина Т.В., Тараканов А.О. Применение минеральных шламов в производстве строительных растворов // Строительные материалы. 2008. № 4. С. 68-70.
7. Чумаченко Н.Г., Коренькова Е.А. Промышленные отходы — перспективное сырье для производства строительных материалов // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 3. С. 20-24.
8. Шайхиев И.Г. Валеев Р.Ш. Утилизация шламовых отходов теплоэнергетических централей при производстве строительных материалов // Экология и промышленность России. 2010. № 2. С. 28-29.
9. Sales A., Rodrigues de Souza F., do Couto Rosa Almeida F. Mechanical properties of concrete produced with a composite of water treatment sludge and sawdust // Construction and Building Materials. 2011. No. 25. Pp. 2793-2798.
10. Julcour Lebigue C., Andriantsiferana C., Krou N. et al. Application of sludge-based carbonaceous materials in a
hybrid water treatment process based on adsorption and catalytic wet air oxidation // Journal of Environmental Management. 2010. No. 91. Pp. 2432-2439.
11. Chung-Ho Huang, Shun-Yuan Wang Application of water treatment sludge in the manufacturing of lightweight aggregate // Construction and Building Materials. 2013. No. 43. Pp. 174-183.
12. Пат. РФ 2175580, МПК B09C 1/10. Состав для очистки почвы от нефтяных загрязнений и способ очистки почвы от нефтяных загрязнений / К.Л. Чертес, Д.Е. Быков, А.К. Стрелков и др. № 99127092/13; заяв. 27.12.1999; опубл. 10.11.2001, бюл. № 31.
13. Пат. РФ 2249580, МПК C05F 17/00. Способ обработки и утилизации органосодержащих отходов / К.Л. Чертес, Д.Е. Быков, О.В. Тупицына и др. № 2003101872/12; заяв. 23.01.2003; опубл. 10.04.2005, бюл. № 10.
14. Пат. РФ 2250146, МПК 7 В09С1/10. Способ переработки нефтешламов и очистки замазученных грунтов g / Д.Е. Быков, В.А. Бурлака, К.Л. Чертес, М.Ю. Шинкевич. С № 2004101583/15, заяв. 19.01.2004; опубл. 20.04.05, бюл. | № 11. Eg
15. Пат. РФ 85472, МПК C 02 F 3/00; C 02 F 3/02. Ре- Ци актор доочистки сточных вод / О.В. Тупицына, К.Л. Чер- S g тес, Д.Е. Быков и др. № 2009100352/22, заяв. 11.01.2009; Ц' опубл. 10.08.09, бюл. № 22. V
16. Пат. РФ 2487767 МПК C04B 18/30. Способ по- в лучения композиционных материалов для строитель- 7 ства на основе переработанных отходов / В.Н. Пыстин, I Н.А. Сафонова, О.В. Тупицына и др. № 2014146132/03, g заяв. 17.11.2014; опубл. 20.04.2016, бюл. № 11.
17. Пат. РФ 2584031 МПК B09C 1/10. Способ перера- 3 ботки нефтешламов и очистки замазученных грунтов / К.Л. 2 Чертес, Д.Е. Быков, О.В. Тупицына и др. № 2014149225/13, ) заяв. 05.12.2014; опубл. 20.05.2016, бюл. № 14.
Поступила в редакцию в мае 2017 г.
Принята в доработанном виде в июне 2017 г.
Одобрена для публикации в августе 2017 г.
Об авторах: чертес константин львович — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры химической технологии и промышленной экологии, самарский государственный технический университет (самГту), 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244, chertes2007@yandex.ru;
тупицына ольга владимировна — доктор технических наук, профессор кафедры химической технологии и промышленной экологии, самарский государственный технический университет (самГту), 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244, olgatupicyna@yandex.ru;
Мартыненко Елена Геннадьевна — аспирант кафедры химической технологии и промышленной экологии, самарский государственный технический университет (самГту), 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244, lena030191@yandex.ru;
Иыстин виталий Николаевич — кандидат технических наук, ассистент кафедры химической технологии и промышленной экологии, самарский государственный технический университет (самГту), 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244, vitaliy.pystin@yandex.ru.
Natural soils are used for recultivation of the disrupted geological environment. This action is not quite environmentally friendly as it leads to secondary degradation of the earth's surface by open-casts and hydraulic deposition of soil [1].
An alternative to natural soils are the materials based on neutralized low-toxic sludge waste. The list and the main characteristics of the most large-tonnage sludge waste suitable for use are presented in the Table 1. Here are also given the key branches and sources of
their formation, pre-treatment technologies and ways of their utilization in soil-like recultivating and construction materials [2-6].
In certain regions the volumes of sludge waste are comparable with the volumes of natural soils suitable for recultivation and construction and economic development of lands. The composition and properties parameters of certain types of sludge waste are presented in Table 2.
Table 1. Main types and ways of sludge waste utilization
Name of Waste Branch / source of Generation treatment technologies Ways of utilization (type of soil-like recultivating and construction materials)
Precipitation and excess active sludges of activated sludge plants Housing and utilities infrastructure/ Sewage water treatment Biothermal treatment together with organomin-eral waste Source of reducing microbial flora (soils of biological recultivation)
Precipitation of water purification plants Oil and gas, thermal power and metallurgical complexes, Housing and utilities infra-structure/ water treatment Deliquefaction, layer salinity, hardening Formation of soil elements of embankments, correction of the reaction of the ambient (soils of technical recultivation)
Sludges of chemical water treatment
Sludges of recycling water supply Source of reducing microbial flora (soils of biological recultivation)
Bottom ash waste of deliq-uefaction Thermal power complexes Increase in plasticity Reinforcing agent / (soils of technical recultivation, base of construction soil elements: closure embankments and flattening prisms)
Oil-containing sludges and oil contaminated soils Oil and gas complex. Production, transportation and reforming of oil products Biothermal treatment Source of mineral constituent (soils of technical and biological reculti-vation)
Drilling sludges, slurries and waste of tailing dumps Oil and gas complex, (field facilities construction and exploitation), mining complex and construction materials industry Deliquefaction, salinity, capsulating Road base formation, creation of artificial subgrade soil
СЧ M и
The methods of utilization of sludge as components of construction materials production are the most widely studied ones. At the same time waste are used as raw material for production of cement, bricks, clinker, heat and noise insulating materials, bonding materials, etc. [7-12]. Most of the sludge wastes contain compounds with buffer, coagulative and, in some cases, soil-forming properties. Such types as drilling sludges, pastelike waste of tailing dumps and stock-run material contain drilling chips. The tendency to skeleton formation due to the solid matrix in some sludges and the waste plasticity also makes them similar to certain
types of natural soils. However the excessive moisture, the presence of decomposable organics and low hardness of sludge waste dictate the need for pre-treatment before use: deliquefaction, salinity and hardness enhancement.
For many years the authors have been developing and implementing the technologies for industrial wastes sterilization including their geocontainer deliq-uefaction, stack-layer biodegradation, as well as hardness enhancement with additives of bonding and structural properties [13-18]. Studies carried out within the framework of technology development identified vari-
Table 2. Sludge waste characteristics
Name of Waste
Parameters Unit of measure Precipitation and excess active sludges of activated sludge plants Precipitation of water purification plants Sludges of chemical water treatment Sludges of recycling water supply Bottom ash waste of deliquefac-tion Oil-containing sludges and oil contaminated soils Drilling sludges, slurries and waste of tailing dumps
Physical and mechanical and hydrophysical properties
Humidity % 50...90 70...99 70...99 50...80 25...45 40...95 20...80
Filtration specific resistance 10-10 cm/g 50...1000 600...2900 70...1600 2000... 6000 Under 300 — 500...9000
Density kg/m3 0,7...1,5 1,0...1,2 1,1.1,4 0,9...1,3 1,6...2,2 1,3...2,4 0,99...1,98
Granulometric size of the main mineral part mm 0,0001...0,001 0,001... 0,005 0,001... 0,05 0,0001... 0,001 0,25... 5,0 0,25... 1,0 0,001... 0,1
Petrochemical composition
СаО 8,9...36,7 15,4...26,7 26,6...58,4 1,4...3,8 2,6...20,7 1,3...4,9 0,6...7,8
MgO 1,4...3,4 0,3...2,4 1,9...9,6 0,03...0,19 3,4...9,5 0,2...1,1 0,2...0,9
AlA % 2,3...16,9 3,4...8,9 7,3...43,2 2,6...4,8 23,6...41,2 3,7...10,7 2,4...8,5
FeA 5,0...18,7 12,3...42,7 2,9...43,6 10,3...31,5 2,4...6,5 2,8...16,2 12,7...24,9
SiO2 15,2...49,6 20,4...37,8 7,4...19,3 23,7...41,9 35,8...53,9 26,7...60,3 30,6...51,4
Ecological state parameters
Hydrogen ion exponent pH units 6,5...7,5 7,5...9,3 7,7...9,5 6,8...8,4 6,1...8,7 5,4...8,3 7,9...10,8
Oil products % — — — to 10 — 0,01...0,99 0,1...25,0
Content of ash-free basis % 40...80 10...20 7,7...54,9 70...90 0...1,0 0,01...0,99 1,0...30,0
Total bacterial count kl/kg to 1010 to 106 to 106 to 109 — — —
Organic carbon 65...82 to 10 to 10 30,3...51,4 — to 10 —
Total nitrogen % from 2,4...7,5 to 1 to 1 1,5...2,2 — to 1 —
Total phosphorous drained weight 0,8...1,9 — — 0,6...0,8 — — —
Total potassium 0,2...0,7 — — 0,15...0,22 — — —
Consolidated figures of chemical pollution Zc - >128 <32 <32 <32 32...128 64...128 >128
Effective spe-
cific activity of radioactive nu-clides bq/kg Under 370 Under 370 Under 370 Under 370 Under 1500 Under 370 Under 1500
ous stages of waste treatment processes. The characteristic curve of the hydrocarbons decay in oil sludge in time and the time-temperature characteristic of the biochemical reaction are presented below (fig. 1).
The biotermic composting of oil soils includes three microbial stages. The first stage (temperature rise or induction) proceeds with enhanced multiplication of non-spore-bearing mesophiles. Gradually due to the temperature rise to 50-70 °C, spore forms of thermo-philes appear and decompose more stable hydrocarbon-swhich using the dead cells of mesophiles as a substrate. The stage of rapid increase in temperature can last from 1 to 10 days. The second stage (high temperatures or intensive biodegradation) is characterized by the rapid growth of thermophilic bacteria. The duration of this phase is up to 4 months at temperature up to 70 °C, and losses of crude products — up to 90 %. The third stage (slow drop in temperature) is characterized by a gradual thermophiles die-off as easily accessible forms of nutrition are exhausted. Thermotolerant forms of spore bacteria, mesophilic actinomycetes and fungi, which use dead bodies of thermophiles as a source of nutrition,
are developing. At this stage, the processes of destruction of fiber and lignin and the deep decomposition of heavy crude products occur. Losses of hydrocarbons reach 90-95 %. The duration of the third stage is from three months to one year. In the course of the stepwise mechanism of the biothermal reaction the limiting stage of temperature rise influences its duration most significantly. Intensification of the biodegradation process in industrial waste treatment (fig. 2), as a rule, is carried out precisely at this stage by intensive blowing-out (fig. 3).
Also, as an example, there are the graphs of the total treatment of sludges formed during water treatment, using the methods of geocontainer deliquefaction, me-sophilic layer biodegradation (fig. 4). The deformationtime characteristic is also presented here, as a tool for analyzing the state of hardenable sludges to control their hardness and quality of the finished soil-like re-cultivating and construction materials.
General types of treatment (deliquefaction and salinity) of sludge waste are shown in Figures 5 and 6.
The revealed characteristics of treatment processes including duration, speed and staging were used for
90
m
CO
3 70
aj
60
50
40
30
4) 20
10
o
o
t-T loo,
.1 90
70
60
O 50
40
Ô 30 <u
3 20
S 10
I II III
V /
/" \---3 I1 A
•!l V ■4\----X--- --!----- I \
!........! , .
30
60
90
120 150 180 210
240
Observation duration, days
Fig. 1. Stages of biodegradation: I — Stage of temperature rise; II — Stage of high temperatures (intensive biodegradation);
III — Stage of slow drop in temperature
M
n
U
Fig. 2. General view of the biothermal treatment complex of oil-containing sludges and oil contaminated soils of OJSC "Samaraneftegaz"
Fig. 3. Blowing house of the biothermal treatment complex
Ymunu3au,UH uinaMOBbix omxodoB b грунтоподо6нblе ç 36-47
peKynbmuBau,u0HH0-cmp0umenbHbie Mamepuanbi
constructive and technological equipment of the complexes for sterilization and utilization of sludge waste designed and implemented with the participation of the authors, including:
• biothermal treatment complex of oil-containing sludges and oil contaminated soils, Mikhailo-Kokha-novskoye field, OJSC "Samaraneftegaz";
• Sludge utilization sites at OJSC "Kuibyshev Refinery" and oil-containing waste biodegradation at OJSC "Novokuibyshevsk Refinery".
Key plan of soil-like recultivating and construction materials production complex is presented in the Figure 7.
Water-flooded sludge from the tanker is delivered to the map 1.1, where the conditioning additive from the site 1.2 is also introduced. The sludge is fed to the geotextile container 1.5 for gravitational deliquefac-tion with the help of pumping station 1.3. If necessary, a coagulant prepared in a modular chemical plant is added to the sludge 1.4. After treatment the container is opened 1.6, and the deliquefacted sludge is moved to the layer salinity site 2.1. The sludge with increased ash-free basis from the 2.2 map is also delivered to the site. At the layer salinity site the sludge is formed into a
layer with a thickness of up to 0.4-0.6 m to ensure free access of oxygen. At the same time the sludge of recycling water supply is introduced into the layer, which functions as a source of reducing microbial flora. The intermediate storage of sludge of recycling water supply is provided on the map 2.3. An evaporation pond for filtrate and contaminated surface runoff 2.4. is designed in the perimetral zone of the tanker. Runoff excess, as and when necessary, is sent to the treatment plants of the enterprise.
Deliquefacted and salinited sludge is sent to the hardening site 3.1, where it is mixed with skeleton forming additives. Additives are represented by solid finely divided production wastes associated with the enterprise water industry: ash and slag, as well as limestone and dolomite waste. The finished product is stored on the site 3.2, from where it is shipped for recultivation of the excavation itself and the disturbed land in the technogenic area of the tanker.
Findings:
1. The creation of specialized production facilities for sludge treatment into the soil-like recultivating and construction materials contributes to minimizing the negative impact on the environment, reducing the natu-
Observation duration, days
Fig. 4. Changing in characteristics of sludges of chemical water treatment in the course of its stepwise treatment
Fig. 5. Sludges deliquefaction in an industrial Fig. 6. Layer salinity 4
geocontainer
Fig. 7. Technological arrangement of soil-like recultivating and construction materials production complex within the boundaries of a sludge tanker being liquidated
ral soils amount, as well as reducing costs associated with waste disposal.
2. Depending on the state and composition of the feedstock, a set of controlled impact methods is determined in order to obtain a finished product with specified characteristics.
3. Technological arrangement of soil-like reculti-vating and construction materials production complex
within the boundaries of a sludge tanker being liquidated has been proposed.
4. The introduction of such complex under existing industry made it possible to achieve the economic effect equal to 1.9 million rubles, which is due to the achievement of the minimum payment for the negative impact on the environment in the sphere of waste management.
REFERENCES
1. Tskhovrebov E.S. Ekologicheskaya bezopasnost' v stroitel'noy industrii. Moscow, Al'fa-M Publ., 2014. 302 p. (In Russian)
2. Chertes K.L., Strelkov A.K., Bykov D.E. Utilizatsiya Çf osadkov stochnykh vod v kachestve materiala dlya izolyatsii S TBO [Utilization of Sewage Sludge as a Material for the Iso-G® lation of Solid Household Waste]. Vodosnabzheniye i sani* tarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Engineering]. ¡2 2001, no. 6, pp. 36-38. (In Russian)
3. Zelentsov D.V. Chertes K.L., Bykov D.E. et al. Kom-pleks biodestruktsii nefteotkhodov [Complex of Biodegradation of Oil Waste]. Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and Industry of Russia]. 2011, no. 3, pp. 33-34.
^ (In Russian)
O 4. Samarina, O.A. Chertes K.L., Bykov D.E., et al. Ob-<gg rabotka vodoemul'sionnogo sloya nakopiteley neftekhimi-¡1 cheskikh otkhodov v usloviyakh deystvuyushchikh stantsiy oo aeratsii [Treatment of Water-Emulsion Layer of Storage Tanks eS « of Petrochemical Wastes in Conditions of Operating Aeration H Stations]. Ekologiya ipromyshlennost'Rossii [Ecology and Industry of Russia]. 2010, no. 4, pp. 13-16. (In Russian)
5. Chertes K.L., Tupitsyna O.V., Gladyshev N.G., et al. Obrabotka i utilizatsiya shlamov vodopodgotovki [Processing and Utilization of Water Treatment Sludges]. Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and Industry of Russia]. 2011, no. 3, pp. 26-29. (In Russian)
6. Chertes K.L., Tupitsyna O.V., Pystin V.N., et al. Napravleniya ispol'zovaniya otkhodov TEK s polucheniyem rekul'tivatsionnykh materialov [Directions of Waste Utilization of Fuel and Energy Complex with Reception of Reclamation Materials]. Ekologiya ipromyshlennost'Rossii [Ecology and Industry of Russia]. 2014, no. 6, pp.13-17. (In Russian)
7. Tarakanov O.V., Pronina T.V., Tarakanov A.O. Prim-eneniye mineral'nykh shlamov v proizvodstve stroitel'nykh rastvorov [Application of Mineral Slurries In the Production of Mortars]. Stroitel'nyye materialy [Constructional Materials]. 2008, no. 4, pp. 68-70. (In Russian)
8. Chumachenko N.G. Koren'kova E.A. Promyshlen-nye otkhody — perspektivnoe syr'e dlya proizvodstva stroitel'nykh materialov [Industrial Waste — Promising Raw Materials for the Production of Building Materials]. Pro-myshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2014, no. 3, pp. 20-24. (In Russian)
9. Shaykhiyev I.G. Valeyev R.Sh. Utilizatsiya sh-lamovykh otkhodov teploenergeticheskikh tsentraley pri proizvodstve stroitel'nykh materialov [Utilization of Slime Wastes of Thermal Power Plants in the Production of Building Materials]. Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and Industry of Russia]. 2010, no. 2, pp. 28-29. (In Russian)
10. Sales A., Rodrigues de Souza F., do Couto Rosa Almeida F. Mechanical Properties of Concrete Produced with a Composite of Water Treatment Sludge and Sawdust. Construction and Building Materials. 2011, no. 25, pp. 2793-2798.
11. Julcour Lebigue C., Andriantsiferana C., Krou N., et al. Application of Sludge-Based Carbonaceous Materials in a Hybrid Water Treatment Process Based on Adsorption and Catalytic Wet Air Oxidation. Journal of Environmental Management. 2010, no. 91, pp. 2432-2439.
12. Chung-Ho Huang, Shun-Yuan Wang. Application of Water Treatment Sludge in the Manufacturing of Lightweight Aggregate. Construction and Building Materials. 2013, no. 43, pp. 174-183.
12. Chertes K.L., Bykov D.E., Strelkov A.K., et al. Patent RU 2175580 IPC B09C 1/10 Sostav dlya ochistkipochvy ot neftyanykh zagryazneniy i sposob ochistki pochvy ot nefty-anykh zagryazneniy [Composition for Soil Purification from Oil Pollution and Method of Soil Purification From Oil Contamination]. Application: 99127092/13, 27.12. 1999; published 10.11.2001, bull. no. 31. (In Russian)
13. Chertes K.L., Bykov D.E., Tupitsyna O.V. et al. Patent RU 2249580 IPC C05F 17/00. Sposob obrabotki i utilizat-
sii organosoderzhashchikh otkhodov [Method of Processing and Utilization of Organic Containing Wastes]. Application 2003101872/12, 23.01.2003; published 10.04.2005, bull. no. 10. (In Russian)
14. Bykov D.E., Burlaka V.A., Chertes K.L., Shinkev-ich M. Yu. Patent RU 2250146, IPC 7 B09C1/10. Sposob pererabotki nefteshlamov i ochistki zamazuchennykh gruntov [Method of Processing Oil Sludge and Cleaning of Oil Soils]. Application 2004101583/15, 19.01.2004; published 20.04.05, bull. no. 11. (In Russian)
15. Tupitsyna O.V., Chertes K.L., Bykov D.E., et al. Patent RU 85472, IPC C 02 F 3/00; C 02 F 3/02. Reaktor doochistki stochnykh vod [Reactor of Post-Treatment of Wastewater]. Application 2009100352/22, 11.01.2009; Published 10.08.09, bull. no. 22. (In Russian)
16. Pystin V.N., Safonova N.A., Tupitsyna O.V., et al. Patent RU 2487767 IPC C04B 18/30. Sposob polucheniya kompozitsionnykh materialov dlya stroitel'stva na osnove pererabotannykh otkhodov [Method for Producing Composite Materials for Construction pn the Basis of Recycled Wastes]. Applications 2014146132/03, 17.11.2014; published 04/20/2016, bull. no. 11. (In Russian)
17. Chertes K.L., Bykov D.E., Tupitsyna O.V., et al. Patent RU 2584031 IPC B09C 1/10. Sposob pererabotki nefteshlamov i ochistki zamazuchennykh gruntov [Method for Processing Oil Sludge and Cleaning Oil-Contaminated Soils]. Application: 2014149225/13, 05.12.2014; published 05/20/2016, bull. no. 14. (In Russian)
Received in May 2017.
Adopted in revised form in June 2017.
Approved for publication in August 2017.
About the authors: chertes Konstantin L'vovich — Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Chemical Technology and Industrial Ecology, samara state Technical university (samsTÜ), 244 Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100, Russian Federation; chertes2007@yandex.ru;
tupitsyna olga Vladimirovna — Doctor of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Chemical Technology and Industrial Ecology, samara state Technical university (samsTu), 244 Molodogvardeys-kaya str., Samara, 443100, Russian Federation; olgatupicyna@yandex.ru;
Martynenko Elena Gennad'evna — Post-graduate student of the Department of Chemical Technology and Industrial Ecology, samara state technical university (samsTO), 244 Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100, Russian Federation; lena030191@yandex.ru;
pystin Vitaliy Nikolaevich — Candidate of Technical Sciences, Assistant of the Department of Chemical Technology and Industrial Ecology, samara state technical university (samsTO), 244 Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100, Russian Federation; vitaliy.pystin@yandex.ru.
ce ta
CD
GO 2
