CC BY
0
ЗАПИСКИ ГОРНОГО ИНСТИТУТА
Journal of Mining Institute Сайт журнала: pmi.spmi.ru
Научная статья
Возможность рекультивации шламонакопителей малых объемов с использованием осадков водоподготовки
О.М.ГуманН, И.А.Антонова
ООО «Уралгеопроект», Екатеринбург, Россия
Как цитировать эту статью: Гуман О.М., Антонова И.А. Возможность рекультивации шламонакопителей малых объемов с использованием осадков водоподготовки // Записки Горного института. 2024. Т. 267. С. 466-476. ЕБЫ ШГОШ
Аннотация. В малых населенных пунктах шламонакопители осадков водоподготовки имеют малые объемы и расположены вблизи питьевых водохранилищ или в береговых зонах. Вывозить осадки не экономично, да и понижения рельефа после удаления осадка должны быть рекультивированы. В рудных районах, где расположены основные населенные пункты Урала, осадки водоподготовки имеют повышенные содержания тяжелых металлов, типичных для рудных провинций. Места их накопления являются потенциальными источниками загрязнения водохранилищ. Предложено с помощью специальной техники смешивать осадки с гашеной известью и местными вскрышными грунтами. Ранее осадки водоподготовки в регионе использовались для рекультивации поверхности полигонов ТБО, путем создания анаэробных условий разложения отходов. При размещении их внутри дамб обвалования в качестве самостоятельного объекта возникает необходимость улучшения их свойств для увеличения несущей способности и связывания тяжелых металлов. Целью исследования является обоснование состава и свойств материала для рекультивации шламонакопителя из размещенных в нем отходов водоподготовки с привлечением местных грунтов и гашеной извести (техногрунта). Изучены состав шламов в шламонакопителе, состав и свойства вскрышных пород как компонента смесей с осадками водоподготовки, состав и свойства смесей осадков водоподготовки с вскрышными породами и Са(ОН)2 в качестве компонента, обезвоживающего влажные осадки и обезвреживающего токсиканты. Представлено создание технологии оптимальной обработки осадка водоподготовки при рекультивации шламонакопителя. Выполненные исследования и опыт рекультивации нарушенных земель в регионе подтвердили возможность рекультивации шламонакопителей малых объемов с использованием техногрунта. Анализ результатов химического состава и физико-механических свойств исследуемых смесей показал, что для подготовки рекультива-ционного материала наиболее оптимальным вариантом с экологической и экономической позиций является смесь осадка водоподготовки, грунтов отвала рыхлой вскрыши и Са(ОН)2 в соотношении 60 : 30 : 10 %.
Ключевые слова: осадки водоподготовки; шламонакопитель; рекультивация; техногрунт; устойчивость; экологическая безопасность
Поступила: 29.03.2024 Принята: 03.06.2024 Онлайн: 04.07.2024 Опубликована: 04.07.2024
Введение. Основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения являются поверхностные воды, реагентная очистка которых сопровождается коагуляцией и осаждением значительного количества взвешенных веществ. Отходами осветления выступают высоковлажные органо-минеральные шламы, которые состоят из взвешенных веществ, содержащихся в обрабатываемой воде, и хлопьеобразных продуктов гидролиза коагулянтов с адсорбированными на них органическими и минеральными соединениями [1-3].
Масштабы образования таких отходов, отличающихся высокой влажностью (до 99,9 %) и очень низкой способностью к уплотнению (обезвоживанию), достаточно велики. Например, в США формируется около 10 млн т/год водопроводного осадка, в РФ - около 500 тыс. т/год сухого вещества или 100 млн м3 осадка с влажностью 99,5 %. На водопроводной станции производительностью 750 тыс. м3/сут в среднем образуется до 12 тыс. т/год сухого осадка [4]. По данным МУП «Водоканал» Екатеринбурга, основная станция водоподготовки в Екатеринбурге - Западная фильтровальная станция - функционирует с производительностью 400 тыс. м3/сут. При водоподготовке получается около 60 тыс. м3/сут промывной воды, которая по проектной схеме сбрасывалась
в шламонакопитель. Из-за многолетнего сброса шламонакопитель, построенный в 1970-х годах, переполнился, что привело к превышению нормативов допустимого сброса на выпуске [5].
Проблема безопасного размещения и экологически оправданной утилизации осадков водо-подготовки чрезвычайно актуальна для России, где основными источниками централизованного водоснабжения являются поверхностные воды, доля которых в общем объеме водозабора составляет 68 % [6]. Водоснабжение многих крупных городов страны (Москва, Санкт-Петербург, Саратов, Самара, Екатеринбург, Челябинск, Новосибирск и др.) полностью базируется на поверхностных водоисточниках - реках и водохранилищах. Централизованное водоснабжение половины городов с населением свыше 100 тыс. человек либо полностью основано на поверхностных водах, либо составляет более 90 % в балансе водопотребления. Около 90 % поверхностной воды, поступающей на водопроводные станции, подвергается обработке с удалением (чаще всего коагулированием) избыточных примесей и обеззараживанием. При этом на большинстве водопроводных станций не производится обработка промывных вод и утилизация образующегося осадка [7-9]. Как правило, осадки водоподготовки размещаются в накопителях и иловых площадках [10-12]. Использование прудов-накопителей для складирования и частичного обезвоживания осадка при его длительном гравитационном уплотнении и отводе осветленной воды получило широкое распространение во многих странах мира [4, 13, 14].
Осадки водоподготовки менее опасны для окружающей среды и человека, чем, например, осадки городских сточных вод [15-17]. Наличие загрязняющих примесей в осадке в большей мере зависит от качества поступающей на очистку сточной воды [18]. В то же время осадки водоподго-товки, особенно образующиеся при очистке высокоцветных маломутных вод, имеют более высокие показатели удельного сопротивления фильтрации и требуют больших затрат на сгущение и обезвоживание [19, 20]. Размещение осадков водоподготовки в прудах-накопителях или на площадках обезвоживания приводит к отчуждению значительных по площади земельных территорий, на длительное время выводимых из хозяйственного использования. Это вызывает необходимость поиска оптимальных способов экологически безопасной утилизации отходов и восстановления нарушенных земель.
В настоящее время в России и за рубежом выделяют четыре основных направления применения осадков водоподготовки в хозяйственной деятельности: в качестве компонента строительных материалов, сорбента для очистки почв и вод, сырья для производства железосодержащих порошков и компонента почвогрунта [6, 15, 21].
На основе использования водопроводных осадков разработаны технологии производства цемента, строительного раствора, бетона [15, 22, 23], кирпича [24-26], кровельной черепицы, керамических изделий [15, 27, 28]. Компонентный состав водопроводных осадков позволяет использовать их в качестве заменителей природных глинистых минералов для производства терракотовой керамики [29]. Сельскохозяйственное применение водопроводных осадков считается наиболее доступным и масштабным вариантом их утилизации [15]. Другие известные альтернативные варианты для утилизации осадка водоподготовки включают повторное использование коагулянта или в качестве недорогого адсорбента для тяжелых металлов - ртути, свинца [30-32], а также селена и мышьяка [33].
Применение осадков водоподготовки является одним из эффективных путей рекультивации нарушенных земель. В соответствии с ГОСТ Р 54534-2011 отходы от водоподготовки, обработки сточных вод и использования воды при соответствующем контроле могут применяться в качестве вторичных материальных ресурсов для рекультивации нарушенных земель. Осадки водоподго-товки могут быть использованы для технического этапа рекультивации как материал заполнения карьерных выемок [34-36], биологического этапа рекультивации - в качестве почвогрунтов при создании растительного слоя земли, а также для рекультивации загрязненных и обедненных почв [32, 37].
Переработка осадков водоподготовки для производства вторичных продуктов требует значительных затрат на определение их состава и свойств, выбор и создание технологии утилизации. Утилизация осадков водоподготовки дает экономический эффект для предприятий жилищно-коммунального хозяйства при больших объемах их образования. В крупных городах значительная
часть бюджета организаций, эксплуатирующих станции водоподготовки, идет на вывоз и депонирование осадков, образующихся в большом количестве [37]. В малых городах при небольших объемах образования отходов водоподготовки применение технологий утилизации осадков или их вывоз в специализированные места размещения отходов часто бывает экономически неэффективными.
В малых населенных пунктах Свердловской обл. накопители осадков водоподготовки имеют малые объемы (до 100000 м3), но расположены, как правило, вблизи питьевых водохранилищ или в береговых зонах поверхностных водных объектов. В рудных районах, местоположении основных населенных пунктов Урала, эти осадки как правило имеют повышенные содержания тяжелых металлов, типичных для рудных провинций. Это вызывает необходимость рекультивации шламо-накопителей путем подготовки инертного материала для снижения антропогенной нагрузки на компоненты окружающей среды.
На одном из шламонакопителей водозаборной станции Свердловской обл. изучены возможности рекультивации шламонакопителя осадков водоподготовки in situ и путем применения специальной техники, смешивающей осадки с гашеной известью (Са(ОН)2) и местными вскрышными грунтами, для увеличения несущей способности полученных смесей и снижения экологической опасности осадков.
Целью исследования является обоснование состава и свойств материала для рекультивации шламонакопителя из размещенных в нем отходов водоподготовки. Анализ литературных источников о реализованных в России и за рубежом проектах по обеззараживанию и стабилизации осадков сточных вод показал, что одним из экономически целесообразных, технологичных и простых способов снижения их санитарной и экологической опасности является использование в качестве основного реагента извести, в результате добавления которой происходит обезвоживание и структурирование осадков, что способствует иммобилизации тяжелых металлов [12].
Задачей исследования является изучение состава шламов, накопленных в шламонакопителе, в исходном состоянии; состава и свойств вскрышных пород как компонента смесей с осадками водоподготовки; состава и свойств смесей осадков водоподготовки с вскрышными породами и Са(ОН)2 как компонента, обезвоживающего влажные осадки и обезвреживающего токсиканты, а также создание технологии оптимальной обработки осадка водоподготовки при рекультивации шламонакопителя.
Для того, чтобы разработать технологию утилизации осадка с целью получения оптимального состава с характеристиками для рекультивации шламонакопителя, были проведены исследования, в результате которых был выбран состав техногенного грунта и основные параметры технологии его получения. Свойства состава не только позволили рекультивировать шламонакопитель, но и обеспечить безопасность полученного грунта для окружающей среды в соответствии с нормативными документами.
Объект исследований. В качестве объекта исследований выбран шламонакопитель Черно-источинского гидроузла, предназначенный для складирования водопроводного осадка - взвешенных веществ, образующихся в результате промывки сооружений водоподготовки: микрофильтров и фильтров, при опорожнении и промывке отстойников, при промывке баков реагентного хозяйства «Черноисточинский гидроузел» - структурное подразделение ООО «Водоканал-НТ», осуществляющее снабжение населения и промышленных предприятий Нижнего Тагила питьевой водой.
Шламонакопитель расположен на границе ландшафтного заказника областного значения «Черноисточинский пруд с Ушаковской канавой и окружающими лесами» в пределах водоохранной зоны Черноисточинского водохранилища и в границах II и III поясов зоны санитарной охраны (ЗСО) Черноисточинского гидроузла. Расположение объекта размещения отходов в границах ЗСО и водоохранной зоны определяет необходимость рекультивации шламонакопителя для утилизации отходов, а также снижения негативного воздействия на окружающую среду.
Шламонакопитель осадков водоочистки представляет собой котлован, состоящий из одной секции, глубиной до 4,18 м, который заполнен осадками водоподготовки (шламами). Полный объем шламонакопителя - 75900 м3. В основании шламонакопителя залегают элювиальные суглинки мощностью более двух метров с коэффициентами фильтрации п10 7 см/с.
В исходных осадках водоподготовки, накопленных в шламонакопителе, установлены незначительные превышения фоновых значений для почв исследуемого района по цинку, свинцу, мышьяку, меди, никелю, нефтепродуктам, а также превышение ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) для почв по мышьяку (табл.1). Повышенные значения связаны как с природными процессами их концентрирования на взвешенных фазах поверхностных вод в комплексах с органическими веществами, так и с техногенными процессами при обработке осадков на «Черноисто-чинском гидроузле».
Таблица 1
Химический состав осадков водоподготовки шламонакопителя
Наименование показателя Результат испытаний Фон в почве ПДК/ОДК почв по СанПиН 1.2.3685-21 Нормы по ГОСТ Р 54534-2011
Техническая рекультивация Биологическая рекультивация
рН солевой вытяжки (рНсол) 6,4 - Не нормируется 5,0-8,5 5,0-8,5
Общий азот, % >0,6 - Не нормируется Не нормируется Не менее 0,5
Общий фосфор, % 2,1 - Не нормируется Не нормируется Не менее 1,5
Плотный остаток водной вытяжки, % 0,30 - Не нормируется - -
Зольность, % 91,0 - Не нормируется Не менее 65 65-85
Обменный (подвижный) алюминий, ммоль/100 г 0,072 - Не нормируется - -
Кадмий (вал.), мг/кг <0,8 <0,8 2 60 30
Хрома (вал.), мг/кг <10 <10 Не нормируется 2000 1000
Медь (вал.), мг/кг 69 45 132 1500 750
Марганец (вал.), мг/кг 76 632 1500 - -
Никель (вал.), мг/кг 21 14 80 800 400
Свинец (вал.), мг/кг 23 <20 130 1000 500
Цинк (вал.), мг/кг 83 81 220 7000 3500
Мышьяк (вал.), мг/кг 12 3,6 10 40 20
Ртуть (вал.), мг/кг 0,033 0,11 2,1 30 15
Нефтепродукты, мг/кг 47,0 23,0 1000 - -
Бензпирен, мг/кг <0,005 <0,005 0,02 - -
Класс опасности V - - IV-V -
Основными макрокомпонентами осадка водоподготовки исследуемого объекта являются инертные соединения оксидов кремния (20,88 %), алюминия (14,58 %), железа (4,38 %), кальция (4,27 %), магния (4,14 %), которые входят в состав песка, глинистых и минеральных частиц. Остальная часть - органические вещества, удобрительные макроэлементы (азот, фосфор, калий) и микроэлементы. Согласно результатам исследований, содержание обменного (подвижного) алюминия в осадках составляет 0,072 ммоль/100 г, массовая доля общего азота > 0,6 %, массовая доля валового фосфора 2,1 %, массовая доля зольности 91,0 %, плотный остаток водной вытяжки 0,3 %. Водные экстракты проб осадков водоподготовки не токсичны, отнесены к V классу опасности по степени воздействия на окружающую среду.
Методы. В лабораторных условиях были изучены свойства осадка водоподготовки с использованием стандартных методик и оборудования для инженерных изысканий. Эти же методы применялись для изучения вскрышных пород местных месторождений и техногрунта. Осадок водоподго-товки по числу пластичности и показателю текучести относится к глинам текучим, по гранулометрическому составу - к глинам тяжелым. Согласно исследованиям, максимальная молекулярная влагоемкость осадка W = 206,4 %, полная влагоемкость осадка W0 = 720,4 %, плотность грунта 1,07 г/см3.
Прочностные свойства грунта изучались в лабораторных условиях по схеме неконсолидиро-ванно-недренированного среза (быстрый сдвиг/схема НН). Значение компрессионного модуля деформации осадка при природной влажности 0,4 МПа. Прочностные показатели осадка при природной влажности С = 0,002 МПа, ф = 9°.
Основными свойствами, затрудняющими использование осадков для рекультивации, являются высокая влажность осадков и, как следствие, низкие значения прочностных и деформационных свойств; повышенные содержания в осадках мышьяка (выше установленных предельно допустимых
концентраций (ПДК) для почв); незначительные превышения относительно фоновых значений для почв исследуемого района по цинку, свинцу, мышьяку, меди, никелю, нефтепродуктам.
Это определило необходимость разработки технологии переработки (использования) осадков в искусственный техногенный грунт с последующим применением получаемого материала в рекультивации нарушенных земель путем уменьшения влажности осадка, увеличения механических свойств земель и снижения концентраций загрязняющих веществ в осадках до предельно допустимых концентраций.
В качестве дополнительного материала для рекультивации исследованы грунты, которые можно использовать как наполнитель для смесей с осадками водоподготовки, накопленными в отвале рыхлой вскрыши Главного карьера Высокогорского железорудного месторождения, расположенном в 20 км севернее шламонакопителя. Исследован химический, гранулометрический составы и влажность грунтов отвала рыхлой вскрыши Главного карьера Высокогорского железорудного месторождения, выбранного для использования в качестве рекультиванта.
Исследованы состав, химические и физико-механические свойства смесей осадков водопод-готовки с вскрышными породами Высокогорского месторождения и гидроксидом кальция Са(ОН)2 (гашеной извести) в качестве компонента, обезвоживающего влажные осадки и экоток-сиканты (табл.2).
Таблица 2
Соотношения смешиваемых компонентов, % по массе
Осадок водоподготовки Гидроксид кальция Са(ОН)2 (гашеная известь) Грунт отвала рыхлой вскрыши Главного карьера Высокогорского месторождения
90 10 -
70 30 -
50 50 -
70 - 30
50 - 50
30 - 70
45 10 45
30 10 60
60 10 30
В изготовленных смесях осадков водоподготовки с вскрышными породами Высокогорского месторождения и Са(ОН)2 определены содержания валовых и водорастворимых форм металлов (Cu, Zn, Ni, Al, Mn) и мышьяка, рН солевой и водной вытяжек. Перечень химических веществ, определяемых количественными методами в грунтах, принят с учетом геохимический специфики исследуемого района. Количественный химический анализ выполнен по стандартным методикам ГОСТ 26483-85, РД 52.18.685-2006, ПНД Ф 16.1:2.2:3.17-98, ГОСТ 26485-85, М-МВИ 80-2008. Токсичность смесей определялась по методике ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.8. Исследования выполнены в испытательной лаборатории ООО «Тест-Эксперт» (Екатеринбург).
Лабораторные исследования физико-механических свойств смесей заключались в определении плотности, влажности, модуля деформации, угла внутреннего трения, удельного сцепления в соответствии с ГОСТ 30416-2020, ГОСТ 5180-2015, ГОСТ 12536-2014, ГОСТ 12248-2020. Прочностные свойства смесей изучались в условиях неконсолидированно-недренированного среза (быстрый сдвиг/схема НН). Деформационные свойства определялись методом компрессионного сжатия нагружением по одной ветви в условиях природной влажности. Исследования выполнены в испытательной лаборатории ООО «Уралгеопроект» (Екатеринбург).
Несущая способность техногрунтов, сложенных водонасыщенными органоминеральными и органическими грунтами, определена в соответствии с пп. 5.1.9 и 5.7.5 СП 22.133302016 с расчетом предельного сопротивления основания NU при вертикальной нагрузке на линейных моделях.
Обсуждение результатов. Проведенные исследования позволили установить, что при добавлении в осадок водоподготовки рекультивантов, таких как рыхлые вскрышные породы Высокогорского месторождения и Са(ОН)2 (гашеная известь), происходит обезвоживание осадков и снижение в них концентраций экотоксикантов.
Согласно результатам исследований химического состава грунтов отвала рыхлой вскрыши Высокогорского месторождения, содержания элементов и соединений составляют, мг/кг: медь 107,0, цинк 114,0, свинец менее 20, мышьяк 3,8, никель 27, ртуть 0,097, кадмий менее 0,8, хром менее 10,0, марганец 124,0, бензпирен менее 0,005, нефтепродукты 14,0. Вскрышные породы характеризуются допустимой категорией загрязнения (2с = 3,8), превышений содержаний металлов и мышьяка не обнаружено, грунты не токсичны.
Добавление гашеной извести (Са(ОН)2) и вскрышных пород к осадкам водоподготовки изменяет химический состав исходного материала. Содержания водорастворимых форм металлов и мышьяка значительно ниже, чем их валовых форм, что свидетельствует о связывании экотокси-кантов в виде сложных слабо- и нерастворимых минеральных и органо-минеральных соединений (табл.3).
Таблица 3
Содержание экотоксикантов в смесях
Содержание элементов
Од гп Аз N1 А1 Мп
Характеристика пробы рНвод рНсол ¡2 8 и еом и р ¡2 8 и еом и р ¡2 8 и еом и р II ¡2 8 и еом и р II « Щ £ еом и р II ¡2 8 и еом и р II
о в о О 5 ам р о в о О 5 ам р о в о О 5 ам р о в о О 5 ам р й К й м в ло бдо ом О 5 ам р о в о О 5 ам р
И од о ш И од о ш И од о ш И од о ш -В 8 од о ш И од о ш
Смесь осадка + Са(ОН)2 10,2 9,7 143,0 26,0 120,0 <1 3,6 <1 25,0 1,3 0,26 <5 152 5,9
(90 ■ 10 % по массе)
Смесь осадка + Са(ОН)2 12,5 12,3 63,0 4,7 57,0 <1 0,3 <1 17,0 2,3 <0,05 <5 62,0 <1
(70 ■ 30 % по массе)
Смесь осадка + Са(ОН)2 12,4 12,4 53,0 <1 30,0 <1 1,7 <1 14,0 <1 <0,05 <5 41,0 <1
(50 ■ 50 % по массе)
Смесь осадка + грунта 9,8 8,2 317,0 <1 122,0 <1 6,6 <1 15,0 <1 <0,05 <5 950 14,0
(70 ■ 30 % по массе)
Смесь осадка + грунта 8,4 6,9 427,0 <1 131,0 <1 5,0 <1 14,0 <1 <0,05 <5 1225 12,0
(50 ■ 50 % по массе)
Смесь осадка + грунта 8,3 7,5 289,0 <1 135,0 <1 4,2 <1 <10 1,3 <0,05 <5 777 7,4
(30 ■ 70 % по массе)
Смесь осадка + грунта + Са(ОН)2 12,4 12,4 275,0 11,0 109,0 <1 5,1 <1 20,0 <1 <0,05 <5 1479 1,7
(45 ■ 45 ■ 10 % по массе)
Смесь осадка + грунта + Са(ОН)2 12,5 12,4 254,0 <1 118,0 <1 4,9 <1 12,0 <1 <0,05 <5 1220 4,0
(30 ■ 60 ■ 10 % по массе)
Смесь осадка + грунта + Са(ОН)2 12,0 11,9 200,0 42,0 118,0 <1 0,9 <1 14,0 2,2 0,26 <5 847 16,0
(60 ■ 30 ■ 10 % по массе)
Добавление гашеной извести повышает рН водных вытяжек исследуемых смесей до 9,7-12,4. При этом содержание мышьяка снижается (рис.1).
Результаты исследований показали, что наиболее приемлемой с экологических позиций (при снижении содержания мышьяка ниже ПДК) является смесь осадков водоподготовки с оксидом кальция в таком соотношении: 60 % осадка, 30 % вскрышных пород и 10 % Са(ОН)2. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия при отсутствии в составе компонентов, превышающих предельно допустимые концентрации для почв.
Добавление гашеной извести и вскрышных пород к осадкам водоподготовки изменяет физико-механические свойства исходного материала (табл.4).
По результатам исследований наблюдается увеличение плотности осадка от 1,07 до 1,26 г/см3 при добавлении до 50 % Са(ОН)2, при дальнейшем добавлении Са(ОН)2 плотность смеси почти не повышается. С добавлением глинистого материала плотность смеси увеличивается до 1,78 г/см3.
При добавлении до 50 % Са(ОН)2 влажность смеси снижается с 700 до 65 %, с добавлением глинистого грунта до 70 % - с 700 до 47 %.
рНс<
Л8, мг/кг
14 12
10
4 .......
12
10
Й 8 ,е
I 6
й
а
57 4 о
О
2 0
Хр хр хр хр хр Хр Хр хр хр хр хр хр хр хр Хр Хр Хр
О4 О4 О4 О4 О4 О4 О4 О4 О4 О4 О4 О4 О4 О4 О4 О4
О О О О О О О О О О О О О О О О О
О 3 ш 3 ш |> О 3 ш 3 ш |>
<4 <4 се 03 03 <4 <4 <4 <4 <4 <4 се се се
¡4 о Э э э И о Э Э Э
Э о о о Л Л Л о о о Э о о о Л Л Л
ев О ^ ^ ^ & & & ^ ^ ^ се О ^ ^ ^ & & &
о и и и о ей о ео о ео и и и о и и и о ео о ео о ео
+ + + + + + + + + + + + + + +
ох ох ох £ £ £ ох ох ох ох ох ох £ £ £
о ^ О 1> О ш о |> о ш о т О т ш ^ О Ю О ^ О 1> о ш о |> о ш о т
ы о Ч св О о Ы О ч ее О О ¡4 О ч 03 О о ы о э о О ¡4 О э о О ы о Э О О се э & о се э & о се э & о ы о п се О о Ы О ч се О о ¡4 О ч се о О ы о э о О ¡4 О э о О ы о 5 о о
Я
о
о
+
а
&
я
о V
о
+
я
о V
о
+
а
&
Рис. 1. Изменение рНСОл (а) и содержания мышьяка (б) в смесях осадков водоподготовки с Са(ОН)г и вскрышными породами
Таблица 4
Результаты исследования физико-механических свойств смесей
Характеристика пробы, % Природная влажность W, % Плотность грунта р, г/см3 Модуль деформации Е, МПа Угол внутреннего трения ф, град Удельное сцепление С, МПа
Осадок 100 % 700,0 1,07 0,4 9 0,002
Смесь осадка + Са(ОН)2 249,6 1,20 0,7 10 0,003
(90 ■ 10 % по массе)
Смесь осадка + Са(ОН)2 135,3 1,25 0,8 20 0,023
(70 ■ 30 % по массе)
Смесь осадка + Са(ОН)2 64,4 1,26 2,9 35 0,035
(50 ■ 50 % по массе)
Смесь осадка + грунта 46,6 1,78 0,9 27 0
(30 ■ 70 % по массе)
Смесь осадка + грунта 89,8 1,50 1,3 16 0
(50 ■ 50 % по массе)
Смесь осадка + грунта 169,5 1,28 0,7 10 0
(70 ■ 30 % по массе)
Смесь осадка + грунта + Са(ОН)2 46,7 1,68 1,3 36 0,004
(30 ■ 60 ■ 10 % по массе)
Смесь осадка + грунта + Са(ОН)2 71,9 1,51 1,3 38 0,006
(45 ■ 45 ■ 10 % по массе)
Смесь осадка + грунта + Са(ОН)2 113,8 1,35 0,9 29 0,008
(60 ■ 30 ■ 10 % по массе)
б
а
8
6
2
0
Прочностные характеристики смеси с добавлением Са(ОН)2 выше, чем с применением глинистого материала. Уменьшение влажности происходит более интенсивно с привнесением Са(ОН)2.
При оценке грунтов по несущей способности для обеспечения движения техники при рекультивации выявлено, что при ширине насыпи до одного метра только осадок с добавлением 30 и 50 % Са(ОН)2 удовлетворяет расчету по несущей способности. При ширине полосы два метра этому условию удовлетворяют смеси, включающие в разных соотношениях вскрышные породы и 10 %
Са(ОН)2. Данный результат накладывает ограничения на используемую технику - при формировании отвала из свежеприготовленного техногрунта целесообразно использовать технику с наименьшим давлением на грунт (бульдозеры с увеличенной шириной гусениц Б10МБ) и при выборе технологии размещения техногрунта в шламонакопителе избегать необходимости заезда самосвалов на поверхность отвала из техногрунта.
Анализ результатов химического состава и физико-механических свойств исследуемых смесей показал, что для подготовки рекультивационного материала наиболее оптимальным с экологической и экономической точек зрения вариантом для рекультивации шламонакопителя будет смесь в соотношении 60 % осадка водоподготовки, 30 % грунтов отвала рыхлой вскрыши и 10 % Са(ОН)2 по следующим причинам:
• в исходной пробе осадка присутствовал мышьяк в количестве 1,2 ОДК;
• количественный анализ вскрышных пород Высокогорского месторождения показал, что содержания валовых форм металлов не превышают установленные ПДК (ОДК);
• в пробе, содержащей вскрышные породы (30 %), Са(ОН)2 (10 %), осадок (60 %), содержание мышьяка снижается ниже ОДК; в водной вытяжке содержание мышьяка также ниже ПДК;
• смесь не токсична;
• по физико-механическим характеристикам смесь в соотношении 60 % осадка, 30 % вскрышных пород и 10 % Са(ОН)2 имеет высокую несущую способность для технологических операций по рекультивации шламонакопителя при ширине полосы рекультивации не менее двух метров.
На основании результатов выполненных исследований составлен регламент приготовления техногенного грунта, рекомендованного для рекультивации шламонакопителя Черноисточин-ского гидроузла.
Техногенный грунт (техногрунт) - осадок водоподготовки, накопленный в шламонакопи-теле, в который добавлены гашеная известь и природный грунт для улучшения несущей способности и уменьшения миграционной способности в отношении загрязняющих веществ. Для создания техногрунта проектируется использование всего объема осадка. Насыпь, сформированная техногрунтом, будет иметь выпуклую форму для обеспечения стока атмосферных осадков с территории рекультивированного шламонакопителя.
Во избежание пыления применяется перемешивание осадка с известью с помощью лопастного смесителя в системе цементовоз - смеситель, а с грунтом - на обвалованной и освобожденной от осадка карте (рис.2).
Рис.2. Схема оборудования для смешения осадка с известью 1 - шламонакопитель; 2, 4 - шламовые насосы; 3 - технологическая секция; 5 - делитель потока; 6 - смеситель; 7 - шкаф управления; 8 - силос - бункер для извести; 9 - дозатор со шнеком для подачи извести; 10 - шнек для выгрузки смеси из смесителя;
11 - бункерное устройство
Для проведения работ в шламонакопителе выделена технологическая секция объемом 900-1300 м3. Рядом с этой секцией на борту шламонакопителя размещается площадка установки оборудования утилизации осадка водоподготовки, включающая площадку с покрытием из железобетонных дорожных плит и две погрузочно-разгрузочные площадки для подъезда цементовозов для загрузки извести в силосы и самосвалов - для выгрузки осадка после смешения с известью. В технологическую секцию с помощью высокопроизводительного шламового насоса подают осадок с других удаленных участков. Осадок из технологической секции с помощью шламового насоса поступает в делитель потока, где расходится по двум каналам на двухвальные лопастные смесители. В производственных условиях для увлажнения и смешивания глиняных смесей обычно используется смеситель лопастной двухвальный СМК-126 (рис.3). Известь подается с помощью шнекового дозатора. В смесителе осадок постоянно перемешивается с известью и двигается от входного люка к люку разгрузки в нижнюю часть смесителя. Движение всей массы регулируется лопатками, закрепленными на валах. Все работы выполняются в летний период.
После подготовки смеси из осадка и извести полученный техногрунт на картах перемешивается с вскрышными породами, после чего выполняется первичная планировка. Недостатки добавления Са(ОН)2 - существенное изменение рН полученного техногенного грунта от нейтральной среды (рН 6,4) до щелочной (за счет применения негашеной извести - до рН 12,3), что препятствует восстановлению на рекультивированных территориях местных видов растений. Это определяет необходимость использования в качестве верхнего слоя потенциально плодородного и плодородного слоев грунта.
Заключение. Устойчивое развитие горных территорий связано с рекультивацией и возвращением в хозяйственный оборот земель, нарушенных в результате производственной деятельности. Повышенное содержание загрязняющих веществ (мышьяка) и низкая несущая способность осадка водоподготовки, накопленного в шламонакопителе Черноисточинского гидроузла, обусловили необходимость поиска способов и материалов как для связывания загрязняющих веществ во избежание их вымывания при контакте с поверхностными водами, так и для повышения несущей способности материала для рекультивации объекта.
Анализ результатов химического состава и физико-механических свойств исследуемых смесей показал, что для подготовки рекультивационного материала наиболее оптимальным с экологической и экономической точек зрения является смесь осадка водоподготовки, грунтов отвала рыхлой вскрыши и Са(ОН)2 в соотношении 60 : 30 : 10 %.
Полученный техногрунт позволит выполнить техническую рекультивацию объектов с небольшими объемами осадков водоподготовки, улучшит экологическую ситуацию в ЗСО источника водоснабжения. На техногрунт разработаны и утверждены ТУ 08.92.10-001-97921764-2020.
Рациональное использование осадков водоподготовки в качестве техногенного вторичного сырья позволяет обеспечивать экологически безопасную утилизацию отходов и восстанавливать нарушенные земли.
Авторы выражают благодарность директору НПЦ «Уралгеопроект» В.Б.Колесову за материалы по технологии рекультивации исследуемого объекта и помощь в составлении программы исследований.
Ш Записки Горного института. 2024. Т. 267. С. 466-476 © О.М.Гуман, И.А.Антонова, 2024
Рис.3. Смеситель лопастной двухвальный СМК-126
ЛИТЕРАТУРА
1. Бутко Д.А. Изменение физико-химических и реологических свойств сбросных вод, подвергающихся искусственному воздействию на станциях водоподготовки с целью снижения нагрузки на окружающую среду. Ростов-на-Дону: Ростовский государственный строительный университет, 2014. 132 с.
2. АпакашевР.А., Малышев А.Н., Лебзин М.С. Исследование физико-химических свойств осадков водоподготовки для «зеленой» почвенной утилизации // Известия Уральского государственного горного университета. 2022. Вып. 3 (67). С. 117-124. DOI: 10.21440/2307-2091 -2022-3-117-124
3. Воронкевич С.Д. Техническая мелиорация грунтов. М.: Академическая наука, 2015. 244 с.
4. Калашников А.А., Соловьева А.В., Васильев В.С. Технология обработки осадка промывных вод на станции водоподготовки / Инновационные технологии в системах водоснабжения и водоотведения: Сборник статей по материалам Международной научно-практической конференции, 24-25 октября 2019, Чебоксары, Россия. Чебоксары: Среда, 2019. С. 43-52.
5. Маренинов А.Ю., Помосова Н.Б. Опыт эксплуатации мембранных технологий на сооружениях водоподготовки МУП «Водоканал» г. Екатеринбурга // Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. 2023. № 5. С. 18-28.
6. Юрак В.В., Малышев А.Н., Лебзин М.С., Апакашев Р.А. «Зеленая» утилизация осадков водоподготовки: патентный обзор / Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология-2022): Материалы XVIII Международной научно-технической конференции, 1 -15 мая 2022, Уфа, Россия. В 2 т. Т. 1. Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 2022. С. 230-235.
7. NairA. T., AhammedM.M. Coagulant recovery from water treatment plant sludge and reuse in post-treatment of UASB reactor effluent treating municipal wastewater // Environmental Science and Pollution Research. 2014. Vol. 21. Iss. 17. P. 10407-10418. DOI: 10.1007/s11356-014-2900-1
8. Litti Y., Kovalev D., Kovalev A. et al. Increasing the efficiency of organic waste conversion into biogas by mechanical pretreatment in an electromagnetic mill // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1111. № 012013. DOI: 10.1088/1742-6596/1111/1/012013
9. Лысов В.А., Бутко Д.А. Комплексное применение сооружения обработки и утилизации осадка // Вестник гражданских инженеров. 2020. № 1 (78). С. 156-161. DOI: 10.23968/1999-5571-2020-17-1-156-161
10. БалашовА.М., Федоровская Л.А. Обезвреживание осадка сточных вод и осадка водоподготовки - существенное снижение экологической нагрузки на биогеоценозы // Ростовский научный журнал. 2017. № 8. С. 92-98.
11. Балашов А.М., Федоровская Л.А. Использование осадка после очистки сточных вод и водоподготовки для рекультивации техногенных территорий / Подготовка кадров технологического профиля в условиях реиндустриализации экономики региона: Сборник статей Всероссийской научно-практической конференции, 19-21 апреля 2017, Новосибирск, Россия. Новосибирск: Новосибирский государственный педагогический университет, 2017. С. 21 -29.
12. Королев В.И., Зверева Э.Р. Российский опыт применения отходов химводоподготовки в хозяйственной деятельности: перспективы использования при обработке осадков сточных вод (обзорная статья) // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2022. Т. 24. № 6. С. 47-62. DOI: 10.30724/1998-9903-2022-24-6-47-62
13. Yaqian Zhao, Ranbin Liu, Olumide Wesley Awe et al. Acceptability of land application of alum-based water treatment residuals - An explicit and comprehensive review // Chemical Engineering Journal. 2018. Vol. 353. P. 717-726. DOI: 10.1016/j.cej.2018.07.143
14. Романовский В.И. Обращение с отходами водоподготовки в Республике Беларусь // Наука и технологии - ЖКХ. 2019. № 1. С. 111-120.
15. Кофман В.Я. Водопроводные осадки: утилизация при производстве строительных материалов и в сельском хозяйстве. Альтернативные коагулянты (обзор) // Водоснабжение и санитарная техника. 2020. № 6. С. 55-64. DOI: 10.35776/MNP.2020.06.08
16. Куц Е.В., Вахрушева О.М. Обработка и утилизация осадка отстойников и промывных вод фильтров, образующихся в процессе водоподготовки / Общество. Наука. Инновации (НПК-2017): Сборник статей Всероссийской ежегодной научно-практической конференции, 1-29 апреля 2017, Киров, Россия. Киров: Вятский государственный университет, 2017. С. 1402-1408.
17. Литвинова Т.Е., Сучков Д.В. Получение легкого золобетона как перспективное направление утилизации техногенных продуктов (на примере отходов водоотведения) // Записки Горного института. 2023. Т. 264. С. 906-918.
18. Щеголькова Н.М. Осадки станций водоподготовки и водоочистки: проблема или бизнес-проект? // Вода Magazine. 2015. № 9 (97). С. 28-33.
19. Николаенко Е.В., Белканова М.Ю. Методы повышения водоотдающей способности осадков природных вод / Водосбережение, мелиорация и гидротехнические сооружения как основа формирования агрокультурных кластеров России в XXI веке: Сборник докладов XVIII Международной научно-практической конференции, 18 марта 2016, Тюмень, Россия. В 3 т. Т. 1. Тюмень: Тюменский государственный архитектурно--строительный университет, 2016. С. 122-125.
20. Бойко Т.В. Возможность применения мембранных технологий для обезвоживания осадков станций водоподготовки // Вестник инженерной школы ДВФУ. 2019. № 4 (41). С. 125-133. DOI: 10.24866/2227-6858/2019-4-13
21. Turner T., Wheeler R., Stone A., Oliver I. Potential Alternative Reuse Pathways for Water Treatment Residuals: Remaining Barriers and Questions - a Review // Water, Air, & Soil Pollution. 2019. Vol. 230. Iss. 9. № 227. DOI: 10.1007/s11270-019-4272-0
22. El-Didamony H., KhalilKh.A., HeikalM. Physico-chemical and surface characteristics of some granulated slag-fired drinking water sludge composite cement pastesFootnote // HBRC Journal. 2014. Vol. 10. Iss. 1. P. 73-81. DOI: 10.1016/j.hbrcj.2013.09.004
23. БалчуговД.В., Сколубвич А.Ю., Завражин С.В., Шотт А.А. Возможные схемы очистки промывных вод и обработки осадка на действующих станциях водоподготовки в малых городах // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2022. № 12 (768). С. 29-37. DOI: 10.32683/0536-1052-2022-768-12-29-37
24. Smirnov Yu.D., Suchkov D.V., Danilov A.S., Goryunova T. V. Artificial soils for restoration of disturbed land productivity // Eurasian Mining. 2021. № 2. P. 92-96. DOI: 10.17580/em.2021.02.19
25. Samuel De Carvalho Gomes, John L. Zhou, Wengui Li, Guangcheng Long. Progress in manufacture and properties of construction materials incorporating water treatment sludge: A review // Resources, Conservation and Recycling. 2019. Vol. 145. P. 148159. DOI: 10.1016/j.resconrec.2019.02.032
26. Chung-Ho Huang, Shun-Yuan Wang. Application of water treatment sludge in the manufacturing of lightweight aggregate // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 43. Р. 174-183. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.02.016
27. Benlalla A., Elmoussaouiti M., Dahhou M., Assafi M. Utilization of water treatment plant sludge in structural ceramics bricks // Applied Clay Science. 2015. Vol. 118. P. 171-177. DOI: 10.1016/j.clay.2015.09.012
28. da Silva E.M., Morita D.M., Lima A.C.M., Teixeira L.G. Manufacturing ceramic bricks with polyaluminum chloride (PAC) sludge from a water treatment plant // Water Science & Technology. 2015. Vol. 71. № 11. P. 1638-1645. DOI: 10.2166/wst.2015.132
29. YewPeiLing, Ren-Haw Tham, Siew-MingLim etal. Evaluation and reutilization of water sludge from fresh water processing plant as a green clay substituent // Applied Clay Science. 2017. Vol. 143. P. 300-306. DOI: 10.1016/j.clay.2017.04.007
30. Mikkonen H.G., Dasika R., Drake J.A. et al. Evaluation of environmental and anthropogenic influences on ambient background metal and metalloid concentrations in soil // Science of The Total Environment. 2018. Vol. 624. Р. 599-610. DOI: 10.1016/j. scitotenv.2017.12.131
31. Adagunodo T.A., Sunmonu L.A., Emetere M.E. Heavy metals' data in soils for agricultural activities // Data in Brief. 2018. Vol. 18. P. 1847-1855. DOI: 10.1016/j.dib.2018.04.115
32. Mishra M., Mohan D. Bioremediation of Contaminated Soils: An Overview / Adaptive Soil Management: From Theory to Practices. Singapore: Springer, 2017. P. 323-337. DOI: 10.1007/978-981-10-3638-5_16
33. Hyun-Shik Yun, Min Jang, Won-Sik Shin, Jaeyoung Choi. Remediation of arsenic-contaminated soils via waste-reclaimed treatment agents: Batch and field studies // Minerals Engineering. 2018. Vol. 127. Р. 90-97. DOI: 10.1016/j.mineng.2018.07.015
34. Евдокимов С.И., Герасименко Т.Е., ДмитракЮ.В. Ликвидация накопленного экологического ущерба // Устойчивое развитие горных территорий. 2019. Т. 11. № 2 (40). С. 238-248. DOI: 10.21177/1998-4502-2019-11-2-238-248
35. Abdelhadi K., Latifa O., KhadijaB., Lahcen B. Valorization of mining waste and tailings through paste backfilling solution, Imiter operation, Morocco // International Journal of Mining Science and Technology. 2016. Vol. 26. Iss. 3. Р. 511-516. DOI: 10.1016/j.ijmst.2016.02.021
36. Olivier Vidal. Mineral Resources and Energy. London: ISTE Press, 2018. 170 p. DOI: 10.1016/C2017-0-00318-X
37. Апакашев Р.А., Гуман О.М., Валиев Н.Г. Рекультивация нарушенных земель с использованием техногенных осадков водоподготовки // Устойчивое развитие горных территорий. 2020. Т. 12. № 2 (44). С. 229-236. DOI: 10.21177/1998-4502-2020-12-2-229-236
Авторы: О.М.Гуман, д-р геол.-минерал. наук, директор, guman2007@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-7078-6916 (ООО «Уралгеопроект», Екатеринбург, Россия), И.А.Антонова, канд. геол.-минерал. наук, главный специалист, https://orcid.org/0000-0003-2749-1957 (ООО «Уралгеопроект», Екатеринбург, Россия).
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
