22.08.2014

Использование промышленных отходов. Бетон на основе золошлаковых отходов мусоросжигания

Журнал "Бетон и железобетон" №4, август 2014.

В.А. Рахманов, председатель Совета директоров, член - корреспондент РААСН, профессор.

М.Н. Горбовец, заместитель генерального директора, кандидат технических наук, почетный строитель России.

А.И. Козловский, заведующий лабораторией химических добавок, кандидат технических наук, почетный строитель России (ОАО "ВНИИжелезобетон").

Жизнедеятельность человечества неразрывно связана с образованием бытовых и хозяйственных отходов.

Масса потока твердых бытовых отходов (ТБО), поступающая ежегодно в биосферу мира, достигла почти геологического масштаба и составляет около 400 млн. т. Опыт стран ЕЭС по контролю за образованием отходов потребления показывает прямую связь ВВП с ростом отходов. Вопрос обращения с ТБО является актуальной проблемой, особо острой стоящей перед, коммунальными хозяйствами крупных городов мира.

Только в Москве отходы жизнедеятельности превышают 5 млн. т ежегодно, а в Подмосковье еще 3,5 млн. т.

О большой актуальности вопросов обезвреживания и утилизации отходов, в том числе ТБО, свидетельствует проведение заседания Госсовета стран СНГ по вопросам обеспечения экологической безопасности и ликвидации накопленного экологического ущерба.

Решению одного из вопросов обеспечения экологической безопасности были посвящены исследования, проведенные в ОАО «ВНИИжелезобетон», результаты которых описаны в настоящей статье.

Установлено, что за счет предварительной сортировки удается отобрать и полезно использовать часть этих отходов, таких как дерево, стекло, бумага, строительный мусор и др. В ряде случаев процент отбора и эффективного использования ТБО достигает 30…40%, однако в РФ объем вторичных полезных материалов составляет только 10…12%, а остальная часть ТБО подвергается захоронению в специальных могильниках на полигонах или сжигается. Только вокруг Москвы имеется 61 санкционированный полигон, из которых 27 уже исчерпали свою емкость, а 19 заполнены на 90%. Кроме них зарегистрировано более 100 стихийных свалок, не отвечающих необходимым требованиям. По данным Минприроды РФ, все полигоны на юге столицы уже через 2-3 года исчерпают свои ресурсы, а новые возможны лишь за пределами 100 км зоны. В то же время, захоронение отходов связано с большими потерями земельных участков, заражением земли и окружающей атмосферы и водных источников, растущими затратами средств на перевозку ТБО и эксплуатацию полигонов. Следует отметить, что за рубежом имеет место во многих случаях запрет на захоронение ТБО с показателем теплоты сгорания более 5%.

Радикальным способом решения вопроса является термическое обезвреживание ТБО с выработкой тепловой и электрической энергии, применяемое в Европе, а также в ряде крупных городов РФ (Москве, Мурманске, и др.) [1;2]. Расширение строительства мусоросжигательных заводов (МСЗ) сдерживается по экономическим и экологическим причинам из-за несовершенства выбираемых систем очистки воздуха, нарастанием использования пластиковой тары, а также в связи с образованием после сжигания токсичных зол и шлаков в количестве до 20% и более от массы сжигаемого мусора, которые также нуждаются в захоронении. Вместе с тем, уже получили распространение высокоэффективные системы очистки воздуха от выделяемых в атмосферу диоксинов (например, на Московском мусоросжигательном Спецзаводе №2) и разработаны меры по использованию эффективных способов физико – химической детоксикации токсичных золошлаковых отходов (ЗШО).

В настоящее время в мировой практике снижение уровня токсичности золошлаковых отходов мусоросжигания достигается в основном путем повышения температуры сжигания ТБО с 850 – 900 ⁰С до температуры их оплавления (1500-1700 ⁰С) или же за счет многоступенчатого процесса экстракции и переосаждения вредных примесей в кисло – щелочных средах с последующей их фильтрацией и промывкой осадка. В первом случае основным недостатком является относительно высокая энергоемкость процесса и его экономическая нецелесообразность, а во втором – образование концентрированного осадка вредных примесей, нуждающихся в последующем захоронении.

В институте ВНИИжелезобетон были проведены глубокие научные исследования, связанные с получением бетонных изделий с применением детоксицированных золошлаковых отходов мусоросжигательных заводов, обеспечившие серьезный практический результат.

На основе данных о составе твердых бытовых отходов Москвы, исследования химического состава шлаков и зол, полученных при сжигании ТБО в условиях действующего Мусоросжигательного завода №3, была разработана технология физико-химической детоксикации золошлаковых отходов и их утилизации [3]. Суть ее заключается в применении комплексного детоксиканта «ВНИИжелезобетон», при использовании которого образуются малоподвижные водонерастворимые соединения тяжелых металлов, которые прочно закрепляются в затвердевшей бетонной матрице на активных центрах цементного клинкера. Проведенные исследования показали, что содержание вредных примесей в водных вытяжках из образцов такого бетона не превышают уровня ПДК.

В ходе исследований были определены последовательность обработки золошлаковой смеси, граничные соотношения технологических параметров воздействия, соотношения компонентов по мессе в %: цемента, золошлаковой смеси, комплексной водопонижающей добавки и детоксиканта; определены параметры технологии получения легких и особо легких бетонов с использованием ЗШО.

Предложенный способ физико-химической детоксикации отличается крайней простотой, не требует специального технологического оборудования, осуществляется при обычных температурах 5-30 ⁰С и не отличается от традиционной технологии приготовления формовочной бетонной смеси.

После сортировки и сепарации от металлических включений и несгоревших фракций золошлаковые отходы мусоросжигания вместе с цементом, заполнителем, модификатором бетона добавкой - детоксикантом и водой затворения последовательно подаются в бетоносмеситель с последующим перемешиванием в течение 1-5 мин до получения однородной бетонной смеси, которую затем используют по назначению.

В качестве добавки-модификатора используют смесь, состоящую из микрокремнезема, пластификатора и ускорителя твердения в соотношениях, обеспечивающих получение изделий, отвечающих проектным требованиям по основным параметрам качества. В качестве добавки - детоксиканта используют относительно недорогие доступные вещества, способные вступать в химическое взаимодействие с водорастворимыми формами тяжелых и цветных металлов.

При использовании предложенного способа может быть обеспечено значительное сокращение энергетических затрат, устранение многодельности технологии, снижение технологических площадей и суммарных затрат на оборудование при уменьшении трудоемкости всего процесса.

В целях дальнейшего совершенствования технологии физико – химической детоксикации и утилизации отходов применительно к условиям Московского мусоросжигательного завода №4 разработана технология с использованием в качестве детоксиканта продукта на основе отходов лесной и нефтяной промышленности [4]. За счет изменения вида детоксикантов и устранения подавления активности цемента достигается снижение расхода цемента на 40%.

Гармонично сбалансированный состав исходных компонентов и их массовые соотношения с компонентами бетонной смеси позволяют получить бетон и изделия из него с повышенными физико-механическими характеристиками при минимальных затратах и обеспечении экологической безопасности изделий при их применении, например в коммунальном и дорожном строительстве. В табл. 1 приведено 6 составов бетонной смеси с содержанием до 50% отходов мусоросжигания с использованием различных видов добавок и модификаторов, в том числе добавок детоксикантов, а в табл. 2 приведены физико – механические параметры, соответствующие этим составам.

В табл. 3 показаны результаты проверки эффективности применения способа детоксикации золошлаковых отходов в бетоне с использованием золошлаковых отходов Московского мусоросжигательного спецзавода №4. Как следует из таблицы, содержание вредных примесей – ниже ПДК, что подтверждено санитарно-эпидемическими органами.

Наряду с использованием такого бетона для изделий городского благоустройства и дорог он может успешно применяться в конструкциях гаражей, фундаментов и др. Имеется опыт ООО «Конкур», клуб «Отрадное» в Подмосковном Отрадном, где данный способ использован при изготовлении лестничных маршей, ступеней, подоконников, половых конструкций, а также отделочной плитки общественного здания.

Применение разработанной технологии позволяет повысить эффективность мусоросжигательных заводов, снизить затраты на перевозку и захоронение золошлаков с превращением их значительной части (до 90%) в товарную продукцию; обеспечить высвобождение земельных участков под полигоны и др.

В городском хозяйстве может быть получен значительный технико-экономический эффект при организации производства бетонных изделий в едином комплексе с МСЗ на одной территории с ним или вблизи завода, что позволило бы исключить затраты на перевозку золошлаков и использовать выделяемое тепло на термообработку изделий.

Возможен также вариант организации предварительной обработки золошлаков на МСЗ и поставки их на бетонные заводы в виде сухой смеси.

Таким образом, данный способ позволяет практически завершить внедрение на МСЗ процесс безотходной технологии. Реализация данного способа нуждается в экономической поддержке за счет городского заказа.

На прошедшем в 2011 году на КВЦ «Сокольники» 14-ом Международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2011» за «Способ утилизации золошлаковых отходов мусоросжигания» (Патент 2311236) ВНИИжелезобетон получил медаль международного жюри.

Нет сомнения, что описанный способ утилизации золошлаковых отходов МСЗ должен найти свое применение особенно в крупных городах России и является недостающим сегодня звеном в комплексном решении вопросов экологической безопасности.

Последнее требует внятной политики государства по комплексному решению принимаемых мер в очистке территории, окружающих города и поселения.

Очевидно, что технология МСЗ должна была быть безотходной, чего к сожалению, нет на практике. Все равно, хоть и более медленными темпами, при сжигании мусора вокруг городов продолжают расти могильники техногенных отходов. Кардинальное решение проблемы требует использования в комплексе с действующими МСЗ переработки золошлаковых отходов по инновационной патентной технологии физико-химической детоксикации «Д'Юникон» ВНИИжелезобетона. По Московскому региону эти работы по экологической безопасности должны быть выполнены за счет средств городского и областного бюджетов.

Номенклатура изделий городского, коммунального и дорожного хозяйства, рекомендуемая для изготовления с использованием детоксицированных золошлаковых отходов мусоросжигательных заводов

I. Изделия для тротуаров и городского благоустройства:

плиты бетонные тротуарные;
камень бетонный бортовой;
плиты покрытия трамвайных путей;
блок газонный;
элемент лотковый для тротуаров и дорожек;
малые архитектурные формы (скамьи, цветочницы, урны, столы, решетки для деревьев, шары, столбики и др.);
плиты для обустройства каналов, теплотрасс и др.

II . Изделия для дорог:

дорожные плиты;
элементы откосов дорог;

III . Элементы ограждения территорий:

заборы;
шумозащитные ограждения.

Библиографический список:

1. Развитие инженерного дела в Москве. Исторические очерки, - М, Российская инженерная академия, 1998. – 420 с.

2. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек // Учебное пособие для ВУЗов, - М.: Фаир-пресс., 1999. – 320 с.

3. Патент на изобретение №2123989, Российская Федерация, С 04 В 28/00, 38/08, 38/10, В 09 В 3/00. Способ физико – химической детоксикации и утилизации золошлаковых отходов / В.А. Рахманов, М.Н. Горбовец, В.И. Мелихов, Г.В. Топильский, Е.Г. Величко, А.И. Козловский, В.Г. Довжик; заявл. 22.05.97; опубл. 27.12.98, Бюл.№36.

4. Патент на изобретение № 2311236 Российская Федерация. В 09 В 3/00, С 04 В 28/00, С 04 В 18/10. Способ утилизации золошлаковых отходов мусоросжигания / В.А. Рахманов, В.И. Мелихов, С.К. Казарин, А.И. Козловский, Г.Я. Амханицкий, М.Н. Горбовец; заявл. 20.07.2006; опубл.27.11.2007, Бюл. №33.

Скачать электронную версию статьи

Пресс-служба
ООО «Институт ВНИИжелезобетон»

Возврат к списку