Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Шламовые осадки, образующиеся при очистке технологических или сточных вод, относятся к одним из основных видов отходов производственной и хозяйственно-бытовой деятельности промышленных предприятий. Ежегодно в России образуется более 800 млн.т шламовых материалов различного состава и свойств, которые практически не утилизируются и накапливаются в отвалах. При этом из хозяйственного оборота изымаются тысячи гектаров земельных угодий. Складирование шламовых осадков в накопителях сопровождается их негативным влиянием на окружающую природную среду за счет миграции в почву и водные объекты входящих в их состав тяжелых металлов, образования аэрозолей под действием ветровых потоков в воздушной среде при их обезвоживании и высушивании. Поэтому разработка эффективных технологических решений, позволяющих утилизировать шламовые материалы с получением экологически чистой продукции, является в настоящее время актуальной задачей.

Цель исследования. Основные направления существующих способов обработки шламов водоочистки сводятся к уменьшению их объемов и изменению структуры, что расширяет область их последующего использования. В развитых странах отказываются от накапливания осадков в шламонакопителях, для России он является основным. Для уменьшения объемов накопленных шламовых осадков и улучшения качества окружающей природной среды необходимы новые рациональные и экологически безопасные технологии их утилизации. Определенный интерес вызывают исследования, направленные на применение шламовых образований в производстве строительных материалов.

Но необходимо учитывать, что отходы несут в себе существенную потенциальную экологическую опасность и их использование в качестве сырьевого компонента требует выполнения особых условий при получении строительных материалов:

• гомогенизация сырьевой смеси,
• исключение возможности выхода на поверхность изделия и надежное обезвреживание металлов, содержащихся в используемых отходах.

Поэтому целью данных исследований является оценка токсикологических свойств искусственных пористых заполнителей – керамического гравия, полученного с использованием в составе сырьевой шихты шламов феррованадиевого производства, содержащих тяжелые металлы. Для решения поставленной цели решали следующие задачи:

• оценить степень вымывания тяжелых металлов из образцов керамзитового гравия оптимального состава, содержащего феррованадиевые шламы;
• оценить фитотоксическую активность на среду обитания исследуемых образцов керамзитового гравия, содержащих шламовые материалы, с использованием высших растений (Avena Sativa).

Объекты и методы исследования. Ранее проведенные исследования [4] показали возможность использования шламовых материалов, образующихся в результате нейтрализации сточных вод производства феррованадия (ОАО «ЕВРАЗ Ванадий Тула»), в технологии получения изделий стеновой керамики и искусственных пористых заполнителей. Шламовые отходы – композиция известково-гипсовая (КИГ) и железосодержащий концентрат (ЖСК) представляют собой высокообводненные тонкодисперсные аморфно-кристаллические образования, химический состав которых представлен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав в пересчете на сухое вещество, мас.%

Кроме того, шламовые материалы КИГ и ЖСК имеют в своем составе тяжелые металлы, содержание которых представлено в табл. 2.

Таблица 2

Содержание тяжелых металлов в шламовых материалах, мг/кг

По минералогическому составу КИГ и ЖСК можно классифицировать как полиминеральные материалы [5], включающие сульфат и карбонат кальция, железосодержащие компоненты – Fe2О3 и FeO, сульфатную форму гидросульфоферрита кальция, гидроксиды металлов и остаточное количество извести (рис. 1).

Рис.1. Результаты РФА шламовых материалов феррованадиевого производства:
1 – железосодержащий концентрат (ЖСК); 2 – композиция известково-гипсовая (КИГ).

Надежность обезвреживания и захоронения тяжелых металлов в керамзитовом гравии определяли методом вытяжек. Испытываемые гранулы керамзита заливали дистиллированной водой, подкисленной соляной кислотой до рН=4,5, в соотношении 1:10 и выдерживали в течение суток при постоянном перемешивании, после чего определяли количество тяжелых металлов вытяжке.

Для оценки фитотоксического действия Испытываемые гранулы керамзита заливали дистиллированной водой в соотношении 1:10 и выдерживали в течение суток при постоянном перемешивании. После чего водные вытяжки, которые использовали в качестве питательной среды для прорастания высших растений [1, 2]. В качестве тест-объекта использовали высшее растение – овес обыкновенный, Avena Sativa.

Оценка фитотоксического действия основана на способности семян адекватно реагировать на экзогенное химическое воздействие путем изменения интенсивности прорастания корней, что позволяет длину корневой системы использовать в качестве тест-функции. Критерием вредного действия считается ингибирование роста корней семян. Фитотоксическое действие считается доказанным, если фитоэффект (ЕТ) составляет 20% и более. Величину эффекта торможения, ЕТ , %, определяли по формуле:

,

где L_k – средняя длина корней в контроле, мм; Lоп – средняя длина корней в опыте, мм.

Результаты исследования и их обсуждение. О надежности обезвреживания тяжелых металлов в зависимости от количества введенных в сырьевую смесь шламовых материалов можно судить по данным табл. 3.

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов, мг/л, после кислотной обработки (рН 4,5) образцов керамзита, содержащих в составе сырьевой смеси шламовые материалы КИГ и ЖСК

Результаты, показали, что с увеличением содержания шламовых материалов в сырьевой смеси возрастает и количество тяжелых металлов в кислотной вытяжке, хотя прямой зависимости не выявлено. Необходимо отметить, что использование КИГ в составе сырьевой смеси керамзита приводит к повышению содержания тяжелых металлов даже при минимальном введении шлама (0,5%). Элементом, определяющим допустимое количество введения шламов в сырьевую смесь, является хром и его содержание в водных вытяжках не превышает 0,1 мг/л. Таким образом, по санитарно-гигиеническим нормам, интервал содержания шламов КИГ и ЖСК может рассматриваться как допустимый.

Результаты по выявлению фитотоксической активности исследуемых образцов керамзитового гравия, содержащего шламовый материал КИГ, с использованием Avena Sativa представлены в табл. 4. Эффект торможения величиной более 20% характерен для водной вытяжки пробы № 1 с содержанием в составе сырьевой смеси керамзитового гравия КИГ в количестве 0,5%. Следовательно, эта проба обладает фитотоксическим действием. В остальных пробах водных вытяжек эффекта торможения развития корневой системы не выявлено, следовательно, они не обладают фитотоксическим действием и негативное воздействие на среду обитания человека маловероятно. Фитотоксическое действие при использовании 0,5% КИГ обусловлено структурой получаемых гранул керамзита.

Таблица 4

Результаты расчета параметров токсичности и оценки опасности исследуемых образцов керамзита, содержащих КИГ

«+» - анализируемая среда оказывает фитотоксическое действие на среду обитания;

«–» - анализируемая среда не оказывает фитотоксическое действие на среду обитания.

Введение КИГ в состав сырьевой смеси в очень малых количествах 0,5% приводит к некоторой интенсификации газовыделения, что способствует поризации структуры и увеличению коэффициента вспучиваемости гранул до 4,17 по сравнению с контрольным составом – 3,27. В поперечном разрезе гранул керамзита проявляется зональность (рис. 2). Во внутренней части формируется неравномерная пористая структура с размерами пор от 0,4 до 2,0 мм, встречаются кавернообразные поры размером 3-3,5 мм.

а

б

Рис. 2. Структура гранул керамзита: а – контрольного состава (без шламов);
б – содержание КИГ в сырьевой смеси 0,5%.

При этом внешняя поверхность гранул окаймлена плотной оболочкой из неостеклованного неаморфизированного глинистого вещества толщиной от 0,4 до 1,0 мм (красного цвета на рис. 2), что совместно с интенсификацией газообразования приводит к некоторому увеличению открытой пористости (5,6%) по сравнению с контрольным составом (5,3%). Необходимо также отметить, что КИГ как железосодержащий материал выступает в роли плавня и способствует повышению содержания расплава, который захватывает тяжелые металлы, связывая их. Введение КИГ в количестве 0,5% не обеспечивает формирование достаточного количества расплава, вследствие чего степень связывания тяжелых металлов оказывается незначительной. Все указанные процессы в совокупности способствуют поступлению тяжелых металлов в водные вытяжки, что, вероятно, и является причиной фитотоксического действия на высшие растения. По мере повышения содержания КИГ в составе сырьевой смеси до 15% происходит увеличение образования расплава, возрастает степень связывания тяжелых металлов и водные вытяжки из полученных образцов керамзита не оказывают фитотоксическое действие на высшие растения. Следовательно, тяжелые металлы, содержащиеся в керамзитовом гравии, не представляют опасности для окружающей среды.

Результаты по выявлению фитотоксической активности на среду обитания исследуемых образцов керамзитового гравия, содержащих шламовый материал ЖСК, с использованием Avena Sativ, представленные в табл. 5, показали, что водные вытяжки всех проб керамзитового гравия с содержанием ЖСК в составе сырьевой смеси от 0,5 до15% не оказывают фитотоксическое действие на среду обитания, поскольку эффекта торможения развития корневой системы в анализируемых тест-объектах не выявлено (опыты проводили в трехкратной повторности). Введение в сырьевую смесь ЖСК, который характеризуется повышенным содержанием железа, способствует интенсификации процесса образования расплава с глинистыми минералами и вспучиванию гранул.

Таблица 5

Результаты расчета параметров токсичности и оценки опасности исследуемых образцов керамзита, содержащих ЖСК

«+» - анализируемая среда оказывает фитотоксическое действие на среду обитания;

«–» - анализируемая среда не оказывает фитотоксическое действие на среду обитания.

Тяжелые металлы в керамзите надежно связаны в химические соединения и не представляют опасности для окружающей среды.

Выводы. По результатам оценки токсикологических свойств керамзитового гравия с использованием шламов феррованадиевого производства можно сделать следующие выводы:

• элементом, определяющим допустимое количество введения шламов в сырьевую смесь, является хром, и его содержание в водных вытяжках не превышает 0,1 мг/л. По санитарно-гигиеническим нормам рассматриваемый интервал содержания шламов КИГ и ЖСК (0,5 – 15%) в составе сырьевой смеси может рассматриваться как допустимый;
• керамзитовый гравий с содержанием в составе сырьевой смеси КИГ в количестве 0,5% обладает фитотоксическим действием. При увеличении содержания КИГ до 15% торможения развития корневой системы Avena Sativa не выявлено, следовательно, они не обладают фитотоксическим действием и негативное воздействие на среду обитания человека маловероятно;
• водные вытяжки всех проб керамзитового гравия с содержанием ЖСК в составе сырьевой смеси от 0,5 до15% не оказывают фитотоксического действия на среду обитания, поскольку эффекта торможения развития корневой системы в анализируемом тест-объекте (Avena Sativa) не выявлено;
• введение шламовых отходов КИГ и ЖСК в состав сырьевой смеси керамзитового гравия в процессе обжига интенсифицирует образование расплава с глинистыми минералами, что способствует надежному связыванию тяжелых металлов, снижая их диффузию в водные среды. Следовательно, тяжелые металлы, содержащиеся в керамзитовом гравии, не представляют опасности для окружающей среды.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 гг. (№ 2011-ПР-146).

Рецензенты:

Павленко В.И., д.т.н., профессор, директор института строительного материаловедения и техносферной безопасности Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород;

Лопанов А.Н., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород.