Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Использование ресурсного потенциала отходов производства в строительной деятельности. 19
1.1. Анализ состояния образования и утилизации отходов производств 20
1.2. Характеристика крупнотоннажных отходов производства и технологий их использования в качестве вторичного сырья при производстве строительных конструкций и материалов 23
1.3 Особенности использования ресурсного потенциала отходов производства для получения строительных конструкций и материалов 45
1.4 Системный подход в обеспечении геоэкологической безопасности при использовании ресурсного потенциала отходов в строительной индустрии 51
Выводы по главе 55
Глава 2. Осбенности формирования техногенной нагрузки отходами производства и строительными конструкциями, получеными на их основе 57
2.1. Формирование техногенной нагрузки шлакоотвалами и шламохранилищами черной металлургии 58
2.2. Формирование техногенной нагрузки шламонакопителями содового производства 78
2.3. Формирование техногенной нагрузки отходами угледобычи . 82
2.4. Особенности формирования техногенной нагрузки на объекты окружающей среды строительными конструкциями, полученными на основе отходов производства 85
Выводы по главе 92
Глава 3. Исследование эмиссии загрязняющих веществ из строительных конструкций, полученных на основе отходов производства и разработка методических подходов по ее снижению .
3.1 Характеристика отходов производства и материалов, использованных для получения опытных образцов строительных конструкций 97
3.2. Методы исследования, использованные для изучения эмиссии загрязняющих химических веществ 104
3.3. Исследование эмиссии загрязняющих химических веществ из строительных конструкций, полученных на основе отходов производства 110
3.4. Основные закономерности эмиссии загрязняющих химических веществ из строительных конструкций 132
3.5. Методические подходы к управлению эмиссией загрязняющих веществ из строительных конструкций, полученных на основе отходов производства 137
3.6. Предложения по совершенствованию нормативных документов по санитарно-гигиенической оценке безопасности строительных конструкций, полученных с использованием отходов производства 143
Выводы по главе 145
Глава 4. Математическая модель эмиссии загрязняющих веществ из строительных конструкций, полученных на основе отходов 147
4.1. Теоретические основы для моделирования эмиссионных процессов загрязняющих химических веществ из строительных конструкций 149
4.2. Моделирование эмиссионных процессов загрязняющих химических веществ из строительных конструкций 159
4.3. Физическая модель эмиссии тяжелых металлов из строительных конструкций
4.4. Детерминированная математическая модель эмиссии тяжелых металлов из строительных конструкций 169
Выводы по главе 180
Глава 5. Стратегия обращения с отходами производства как основа обеспечения геоэкологической безопасности использования ресурсного потенциала отходов 182
5.1 Оценка современного состояния и развитие стратегий управления обращением с отходами производства 184
5.2 Основные требования к функционированию систем управления обращением с отходами в целях обеспечения достижения целевых экологических установок и использования ресурсного потенциала отходов в строительстве 197
5.3 Превентивная стратегия управления образованием отходов производства на основе соблюдения иерархических принципов обращения с отходами 201
5.4 Методические подходы по совместному использованию разнородных отходов производства при получении строительных конструкций 210
Выводы по главе 221
Глава 6. Практические результаты по разработке технологий получения биопозитывных строительных кострукций и материалов на основе отходов производства 223
6.1 Технология получения материала для промежуточной изоляции отходов на полигонах захоронения твердых коммунальных отходов из шлака производства феррованадия 224
6.2 Технология получения керамического кирпича с добавлением отходов, образующихся при производстве картона (скопа) в качестве выгорающей добавки
6.3 Разработка конструкции противофильтрационного экрана на основе совместного использования разнородных отходов 233
6.4 Технология получения цветного асфальтобетона с использованием вместо товарных пигментов отходов сталеплавильного производства 236
6.5 Технология получения асфальтобетонной смеси на основе совместного использования отходов металлургии и содового производства 241
6.6 Технология получения цементобетона при совместном использовании отходов содового производства и отходов металлургии 244
6.7 Технология получения сырьевой смеси для производства керамического кирпича с использованием золы, получаемой при сжигании кородревестных отходов и скопа 246
6.8 Технология получения керамического кирпича с использованием отходов угледобычи – террикоников 249
6.9 Технология получения материала для технической рекультивации техногенно нарушенных земель из отходов ферросплавного производства 252
Выводы по главе 256
Заключение 258
Список сокращений 262
Список литературы
- Особенности использования ресурсного потенциала отходов производства для получения строительных конструкций и материалов
- Формирование техногенной нагрузки отходами угледобычи
- Методы исследования, использованные для изучения эмиссии загрязняющих химических веществ
- Моделирование эмиссионных процессов загрязняющих химических веществ из строительных конструкций
Особенности использования ресурсного потенциала отходов производства для получения строительных конструкций и материалов
Основное количество технических решений утилизации отходов энергетического комплекса направлены на получение зольно-щелочных и зольно-известковых вяжущих. На их основе могут быть получены материалы, сопоставимые по своим прочностным свойствам с цементами М250-350 (до 350 кг/см2) [33, 34]. Ресурсный потенциал золо-шлаковыех отходов используют: для производства керамики, силикатного кирпича; в качестве инертных заполнителей в цементобетонах, пенобетонах, дорожных конструкциях; теплоизолирующей засыпки при сооружении строительных конструкций и других строительных целей. Шлаковые отходы в объеме 15-20% от всего утилизируемого объема отходов применяют для производства цементобетона и железобетона.
Отходы аспирационных систем используются в качестве мелкого заполнителя при производстве тяжелых, легких и ячеистых цементобетонов. Для тяжелых и легких цементобетонов уловленная зола используется взамен части товарного цемента (до 10-30%) или песка (до 150-200 кг/м3). При производстве легких теплоизоляционных бетонов зола аспирационных систем частично или полностью замещает природный песок, обеспечивая снижение удельной плотности на 100-150 кг/м3 и снижение расхода товарного цемента на 20-40 кг/м3. Золы-уноса добавки при изготовлении цементобетонных и растворных смесей без ухудшения их качества. При этом повышается их пластичность и удобоукладываемость, а также и прочность получаемых изделий.
В ряде случаев зола-унос пригодна для использования в качестве сырья для производства СМ без дополнительной подготовки (дробления, грохочения и т. п.). Золы сухого отбора с низким содержанием кальция используются как кремнеземистый компонент в производстве автоклавных материалов (газозолобетона и силикатного кирпича). Возможно использование их для производства асфальтобетонов [35]. Перспективным является использование ресурсного потенциала золо-шлаковых отходов для укрепления слабых грунтов при строительстве дорог, площадок под строительные объекты, железнодорожных насыпей, в качестве материала для рекультивации техногенно нарушенных сухого отбора широко вовлекаются в качестве активной минеральной земель.
Отходы предприятий черной и цветной металлургии. При выплавке металлов образуются крупнотоннажные отходы производства - шлаки и шламы. Химический и минеральный состав этих отходов определяется используемым сырьем, топливом, технологическим циклом ведения плавки и условиями охлаждения отходов [36]. Шлаки черной металлургии являются многокомпонентными оксидными системами. В них, помимо небольшого количества соединений или металлических включений (корольков) целевых металлов, содержатся оксиды кальция, кремния, алюминия, магния, фосфора, марганца, хрома, серы и др.
Объем образования шлаков черной металлургии при выплавке металла обусловлен сырьевыми материалами и видом шлакообразующих материалов. Наибольший объем образования шлака на тонну металла приходится на выплавку чугуна при доменном процессе – до 450 кг.
В зависимости от наличия оксидов ТМ, их количества плотность доменных жидких шлаков колеблется от 2,66 до 2,74 т/м3. Плотность гранулированного сталеплавильного шлака 3,22 — 3,52 т/м3, насыпная плотность 1,14 — 1,68 т/м3[37].
Химизм шлаков и магматических горных пород имеет много общего. Преобладающее большинство шлаков содержат около 40% кремнезема, что характерно для таких магматических пород, как ультрабазиты (ультраосновные горные породы) и базальты. Содержание железа в шлаках примерно такое же, как и в изверженных породах. Особенно это характерно для основных мартеновских шлаков среднего периода плавки и доменных шлаков [38- 40].
В качестве существенной особенности химизма шлаков следует отметить большое содержание в них кальцита и магнезита — от 20 до 60%. Это отличие объясняется тем, что наиболее часто в качестве флюсов используется известняк, вводимый в шихту для связывания и перевода в шлак нежелательных примесей в металле (кремнекислоты, серы, фосфора и др.) [41-43]. Выход шлака и его использование не равномерно по времени. Состав шихтовых материалов и флюсов в последние годы очень разнообразен, получаемый шлак иногда содержит элементы, которые недопустимы в строительных конструкциях. Класс опасности для производственных отходов черной металлургии составляет 5 до 4, для отходов цветной металлургии от 5 до 2 класса опасности по методикам МПР [44-48]. К основным направлениям утилизации шлаков можно отнести: Получение щебня и песка Получаемый из доменных шлаков щебень по основным физико-механическим свойствам (прочность, морозостойкость) соответствует щебню, получаемому из прочных горных пород и может замещать природный в технологиях большинства СМ. Получаемые фракции от 5-10 до 70-120 мм.
При дробление шлака на щебень образуется фракция менее 5 мм (до 15%), которая по физико-механическим характеристикам может замещать природный песок (5,0-0,14 мм). Насыпная плотность шлакового песка из доменного шлака 1300-1380 кг/м3. Он находит использование при изготовлении цементобетона, гипсобетона, а также изделий из них, в частности, строительных блоков, железобетонных труб, гипсо-шлаковых строительных элементов. Песок, полученный из сталеплавильных шлаков, используется как мелкозернистый заполнитель в асфальтобетоны [36].
Формирование техногенной нагрузки отходами угледобычи
Особенности строительной отрасли заключаются в использовании большого количества первичных природных ресурсов, в долгосрочном задалживании этих ресурсов в СМ и сооружениях, находящихся под агрессивным воздействием природных и антропогенных факторов (циклическом изменении рН среды, механическим и химическим воздействиям и др.). Установление закономерностей формирования ТН СМ, полученных на основе или с добавлением отходов производства, затруднено в связи с длительным периодом взаимодействия СМ с комплексом агрессивных антропогенных и природных факторов ОС, которые изменяются во времени по набору этих факторов и интенсивности их воздействия. Вовлекаемые в состав СМ отходы производства могут иметь растянутый во времени механизм формирования ТН, в этой связи возможно рассмотреть модельные объекты, продолжительное время находящиеся под воздействием комплекса агрессивных антропогенных и природных факторов ОС.
В качестве модельных объектов, позволяющих в первом приближении изучить механизмы формирования ТН формируемыми СМ, содержащие в своем составе отходы производства, можно рассматривать места складирования отходов производства (наиболее часто используются для производства СМ), не имеющих защитных мероприятий по исключению (или минимизации) воздействия объекты ОС. Было выдвинуто предположение, что механизм формирования ТН от долгосрочно размещенных отходов производства в ОС будет аналогичен формированию ТН от СМ, в состав которых входят данные отходы производства.
В этой связи отходы производства черной металлургии, основной химии, угольной промышленности, длительное время размещающиеся в ОС без необходимых защитных мероприятий, были изучены в качестве модельных объектов позволяющих оценить закономерности формирования ТН на ОС и транспонировать полученные данные на СМ, полученные с добавлением этих отходов для управления эмиссией загрязняющих веществ при их контакте с агрессивными антропогенными и природными факторами ОС.
Формирование техногенной нагрузки шлакоотвалом доменного производства. Для установления формирования ТН на ОС отходами долгосрочно размещенных на промышленных полигонах были проведены исследования экологического состояния близлежащей территории отвалов доменных шлаков ОАО «Чусовской металлургический завод» (ЧМЗ), расположенного в Пермском крае, типичном представителе черной металлургии [120-123].
Шлакоотвал доменных шлаков завода ЧМЗ расположен на слиянии двух рек Усьвы и Чусовой. Общая протяженность шлакоотвала около 850 м, граница шлакоотвала совпадает с береговой линией реки. В весенний период происходит частичное подтопление шлакоотвала водами реки с интенсивной инфильтрацией в грунтовые и поверхностные воды.
Особенностью доменных шлаков ЧМЗ является повышенное содержание в них соединений ванадия, титана, магния. Это связано с использованием железной руды Качканарского месторождения, богатой данными металлами. Для установления ТН на объекты ОС при долгосрочном размещении доменных шлаков были проведены следующие эколого-аналитические исследования: анализ химического состава доменного шлаков; анализ водных вытяжек из образцов шлака, отобранного с различной глубины шлакоотвала (верхний уровень - глубина 0,3м, нижний уровень -глубина 20м) для определения эмиссионной активности шлака; анализ экстрактов, полученных при обработке образцов шлаков, отобранных с различных глубин шлакоотвалов, ацетатно-аммонийным буферным раствором (рН-4,8); анализ проб природной воды, отобранной из рек с глубины 5 см; анализ донных отложений из рек (глубина отбора проб - 10 см). Усредненный химический состав отвальных доменных шлаков представлен основными оксидами, %: MgO - 8,4-10,1; СаО - 21,5-38,2; Si02 -25,0-37,0; А1203 - 14,4-16,0; ТЮ2 - 7,1-9,7; МпО - 1,4-2,0; FeO - 1,9-3,5; V205 -0,1-0,32; S - 1,0-1,5. Химический состав доменного шлака во многом определяется процессами проведения выплавки чугуна, применяемой шихты и добавок для получения заданного качества металла, а также видом и качеством используемого топлива и шлакообразующих материалов. При определении химического состава шлака из разных уровней шлакоотвала установлен большой разброс по процентному содержанию некоторых соединений. В нижних слоях шлакоотвала установлено повышенное в несколько раз содержание FeO, V2Os и ТЮ2 и, как следствие этого, формируемая повышенная эмиссия в водные среды при контакте этих соединений с водными объектами ОС.
Методы исследования, использованные для изучения эмиссии загрязняющих химических веществ
Анализ формирования ТН на ОС отходами производства размещенными продолжительное время без каких-либо защитных мероприятий, позволил сформировать представление о формировании ТН на ОС СКиМ, полученными на основе или с добавлением этих отходов производства. Исходя из жизненного цикла СКиМ можно выделить три основных этапа, на которых возможно возникновение экологических рисков и формирование ТН: 1 - производство СКиМ с использованием ресурсного потенциала отходов; 2 - использование СКиМ и изделий из них; 3 - утилизация (ликвидация) СКиМ и изделий из них после завершения периода их использования. ТН проявляется в негативном воздействии СКиМ на атмосферный воздух, почву, водные объекты в основном в результате эмиссии из СКиМ загрязняющих веществ при их производстве, использовании и ликвидации (утилизации) после завершения их использования у конечного потребителя.
Наиболее полно регламентированы с позиции контроля, мониторинга и управления экологическими рисками и потенциальной возможной ТН первый и третий этапы. В нормативных документах (стандартах разного уровня, экологических, санитарно-гигиенических, строительных нормах и правилах, технологических регламентах, технических условиях и иных) достаточно полно прописаны требования по обеспечению экологически безопасного проведения технологических операций по получению СКиМ на основе или с добавлением отходов производства и их ликвидации (утилизации) после завершения их использования у конечного потребителя в соответствии с экологическими и иными нормами и правилами [144-156, 276, 277]. При соблюдении этих требований ТН на объекты ОС на первом и третьем этапах, как правило, находится на приемлемом уровне. Второй этап – использование СКиМ регламентирован, в основном, только в части требований, предъявляемых к СКиМ на этапе их использования, направленных на сохранение их потребительских свойств. Вопросы предотвращения возможного негативного воздействия СКиМ в процессе их использования на объекты ОС и население в результате влияния на СКиМ комплекса неблагоприятных природных и антропогенных факторов, которые могут привести к трудно прогнозируемым неблагоприятным в экологическом отношении последствиям, регламентированы крайне недостаточно. Для этого этапа характерно формирование ТН в результате возможной эмиссии загрязняющих веществ из СКиМ и изделий из них в случаях их разрушения и старения (нарушения сплошности, повышения газо- и водопроницаемости, открытия новых поверхностей контакта с агрессивными природными средами и т.п.). При формировании эмиссии загрязняющих веществ из СКиМ важную роль играет временной фактор – длительность использования СКиМ, в течение которой возможно изменение их физико-механических и химических свойств. Существующие методики санитарно-гигиенической оценки СКиМ полученных на основе или с добавлением отходов производства основаны на краткосрочных исследованиях (тридцать суток) и ограниченного числа факторов ОС результаты которых не представляется возможным экстраполировать на оценку экологической безопасности СКиМ в условиях воздействия на них совокупности агрессивных факторов ОС на протяжении всего жизненного цикла СКиМ [144].
Вместе с тем из практики известно, что на протяжении жизненного цикла СКиМ и изделий из них возможно долгосрочное воздействие на них комплекса агрессивных природных физико-механических, биологических и антропогенных факторов, которые в случае использования СКиМ, полученных на основе или с добавлением отходов производства без необходимых защитных мероприятий могут привести не только к ухудшению потребительских свойств и сокращению сроков эффективного целевого использования СКиМ, но и к возникновению экологических рисков в результате возможных негативных воздействий на ОС и население [110, 157-160, 277-281].
В связи с тем, что СКиМ, полученные на основе или с добавлением отходов производства, могут при их использовании подвергаться воздействию природных агрессивных сред и антропогенных нагрузок, схожими с теми, которые влияют на отходы производства, размещенные в ОС без необходимых защитных мероприятий, можно предположить, что механизмы формирования СКиМ экологической нагрузки будут подобными если не будут обеспечены необходимые экологически безопасные условия их использования.
Это позволяет сделать вывод о том, что при оценке возможных рисков негативного воздействия СКиМ на ОС, в состав которых входят отходы производства, процесс использования задолженного в отходах материального ресурса при его включении в состав СКиМ необходимо рассматривать как размещение отходов в новой среде, в которой возможна трансформация механических, физико-химических и иных свойств СКиМ путем разрушения присущих им и образования новых соединений и связей. При этом реальным негативным воздействием на ОС будет эмиссия загрязняющих веществ из СКиМ, которая происходит в текущем времени, а потенциальным - возможная эмиссия в среднесрочной и более отдаленной перспективе, которая может возникать при воздействии внешних природных и антропогенных агрессивных факторов.
Отличие реальных и потенциальных рисков заключается в том, что реальные проявляются сразу при использовании СКиМ и их можно прогнозировать до применения СКиМ, а потенциальные могут проявиться в ходе средне и долгосрочного применения СКиМ. СКиМ могут использоваться продолжительное время, в течении которого возможно физико-химическое изменение самого материала под действием внешних факторов, а также при протекании внутренних химических процессов (силикатный и железистый самораспады и т.п.) с образованием новых соединений, зачастую опасных для ОС, которые трудно учесть при использовании существующих методик оценки экологической безопасности СКиМ.
Моделирование эмиссионных процессов загрязняющих химических веществ из строительных конструкций
Эмиссия ТМ из строительных конструкция и материалов возможна при непосредственном контакте с водными средами (атмосферные, грунтовые и поверхностные воды). Таким типичным примером являются железобетонные сооружения, щебень в дорожных основаниях, в асфальте и цементобетоне размещенный в виде искусственных сооружений и конструктивных слоев в окружающей среде.
Теоретической основой, позволяющей определить основополагающие движущие силы процесса эмиссию ТМ из СКиМ, может выступать теория диффузии и массопередачи в системе «твердое тело – жидкость».
Физическое представление о процессах эмиссии возможно основывать на теории диффузии на границе раздела «твердое тело - жидкость». В общем представлении о ней дает теория Нернста о гетерогенных реакциях, сущность которой можно выразить зависимостью, которая определяет количество вещества, перешедшего в раствор в зависимости от нескольких параметров (4.1) [199]: Q = D S (4.1) где D - коэффициент, определяющий диффузию материала; Q - количество вещества, перешедшего в раствор в единицу времени; - толщина образовавшегося диффузионного слоя; Сп, Со - концентрации насыщенного и фактического раствора.
Гетерогенные химические реакции и физико-химические превращения на внутренних границах сопровождаются рядом процессов. К ним относятся диффузия, теплопроводность и механические перемещения жидких и газовых фаз, участвующих в этих реакциях. Гетерогенные реакции включают в себя несколько последовательно протекающих стадий. Первой стадией является процесс переноса мигрирующих частиц к реакционной поверхности (поверхности, находящейся в контакте с водной средой, на которой происходит реакция, в частности, растворение). Во время второй стадии происходит непосредственно гетерогенная реакция (химическое взаимодействие и превращение, процессы адсорбции - десорбции, образование ионов и т. д.); на третьей стадии происходят процессы, которые заключаются в отводе растворившихся (прореагировавших) частиц материала от места реакции (контакта водной среды и материала). Общая скорость гетерогенного процесса в целом будет определяться скоростью наиболее медленной стадии.
Теория Нернста построена на том, что на поверхности твердого вещества в зоне контакта с жидкостью возникает тонкий пристеночный слой жидкости насыщенного раствора растворяющегося вещества. При этом скорость протекающих по диффузионной кинетике гетерогенных реакций определяется диффузионными процессами. Диффузия происходит из-за разницы концентраций вещества, находящегося в структуре материала, в слое жидкости, прилегающей к поверхности контакта материала и внешним объемом водной среды. К внешней поверхности твердого тела прилегает неподвижный тонкий слой жидкости, в котором происходит движение реагирующих молекул по законам диффузии. За границами этого слоя движение растворенных веществ приводит к поддержанию постоянства концентраций данных веществ во всем внешнем объеме водного раствора.
Большое значение в процессах эмиссии ТМ из СК - бетонов, железобетонов асфальтобетонов, имеет свободно-конвективное течение водной среды. Основная теория этого вида движения водной среды и непосредственно сама теория диффузионного пограничного слоя представлены в научной работе В.Г. Левич «Физико-химическая гидродинамика» [199].
Для моделирования эмиссии ТМ возможно использовать критерии Фурье, Био, Кирпичева, Померанцева, применяемых как основа для моделирования жидкостной коррозии цементных бетонов.
Критерий Кирпичева связывает между собой процессы испарения с поверхности материала и объемом жидкости, подводимой к наружной поверхности за счет свойства массопроводности самого материала.
Массообменный критерий Померанцева основан на общих законах диффузии и позволяет произвести оценку количества вещества, образующегося в результате химических превращений в материале, к количеству вещества, отводимому из материала к границе контактирующих сред. DAC (4.2) Где С - концентрация реагирующего вещества, кг/м3, qvm - мощность вещества, поступающего в неподвижную среду, кг/(см3), D - коэффициент диффузии. Для твердых материалов (в том числе и пористых, к которым можно отнести и СКиМ на основе минеральных вяжущих) аналогом коэффициента диффузии процессов массопереноса является коэффициент массопроводности (модифицированный критерий Померанцева). г О — m кД (4.3) 152 где - разность концентраций вещества в средах (потенциал массопереноса).
Оба критерия по-разному определяют ход процесса массопереноса и воздействуют на характеристики массопереноса [199]. Изменение вида граничных условий, то есть условий контакта материала с ОС, приводит к изменению влияния критериев на процесс. Безразмерная форма записи краевых условий и получаемых дифференциальных уравнений позволяет обосновать модель процесса массопереноса на основе изучения более простых аналогов.
К основным законам, описывающим процессы массопередачи, относятся закон молекулярной диффузии - первый закон Фика (для неподвижных сред или при ламинарном движении пограничных слоев), закон массоотдачи - закон Ньютона-Щукарева (для процессов конвективной диффузии при растворении твердых тел) и закон массопроводности [200].
Закон Фика для молекулярной диффузии определяет количество вещества, перенесенного путем диффузионных процессов, пропорционально площади контакта, градиенту концентраций вещества в контактируемых средах, продолжительности процесса, а вектор направления движения потока перпендикулярен плоскости контакта [201-203]: dM = -D(dC / dl )Fd, (4.4) где dM - количество вещества, перенесенного при диффузионном процессе; D – коэфф. пропорциональности, (коэффициент диффузии); dC/dl - градиент концентрации вещества в направлении потока диффузии; F - элементарная площадь, через которую происходит диффузия; d - продолжительность протекания диффузионного процесса. Коэффициент диффузии устанавливает количество вещества, диффундирующее через поверхность площадью в 1м в течение 1часа (или секунды) при разности концентраций вещества в контактирующих средах на расстоянии 1метр, равной единице.