Комплексное использование отходов производства щебня

Авксентьева Александра,

студентка 1 курса, инженерного отделения,
специальность «Водоснабжение и водоотведение»,
ГАПОУ РК «Петрозаводский техникум городского хозяйства»

Научный руководитель: ,

преподаватель ГАПОУ РК «Петрозаводский техникум
городского хозяйства»

КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ЩЕБНЯ

Обеспечение населения качественной питьевой водой является одной из наиболее значимых социальных задач, стоящих перед республиканскими и муниципальными властями Республики Карелия [1]. Для ее решения необходима реконструкция действующих очистных сооружений в г. Кеми, Беломорске, Сегеже, Кондопоге, Пудоже, Питкяранте, строительство в Медвежьегорске и Сортавале.

Основным типом очистных сооружений питьевой воды являются зернистые фильтры. Они обеспечивают высокую степень очистки воды. Главным рабочим элементом водоочистных фильтров является фильтрующая загрузка. Чаще всего в качестве фильтрующей загрузки применяется речной кварцевый песок Волгоградского или Погранского месторождений. Практика его применения в водоочистных сооружениях показала, что во многих случаях он не обеспечивал необходимую производительность сооружений и качество очищенной воды вследствие малой пористости и слабых адгезионных свойств.

Использование в качестве фильтрующей загрузки дробленых плотных (габбро-диабаз, гранит, геллефлинт) и пористых (шунгизит, керамзит) материалов в очистных сооружениях г. Петрозаводска и Костомукши подтвердили их высокую эффективность в обеспечении надлежащего качества очистки воды.

Потребность в эффективных фильтрующих материалах для действующих и реконструируемых очистных сооружений существенна и изучение их свойств в продуктах дробления горных пород Карелии является актульной задачей.

Цель работы - изучение технологических свойств местных фильтрующих материалов (МФМ) из отходов производства щебня в Карелии с целью использования их в сооружениях очистки питьевых и производственных вод.

Изверженные горные породы используются, главным образом, в качестве строительных материалов. Пригодность этих пород для такого применения зависит от физико – механических и технологических свойств, минерального и химического состава, структурно – текстурных особенностей [2]. Республика Карелия спо­собна обеспечить не только собственные потребности, но и в значи­тельных объемах поставлять эти материа­лы в другие регионы, прежде всего, в Цен­тральный Федеральный округ, где располо­жены два ли­дера по объемам строительства (а значит, и по потреблению нерудного сырья) — Мо­сква и Московская область.

Отсев (каменная пыль) в настоящее время частично используется в качестве материала для подсыпки неасфальтированных проселочных дорог и тротуаров, а в основном хранится в отвалах на каменных карьерах. Содержание частиц породы по фракциям в нем для разных карьеров ориентировочно составляет: - 5…2 мм – 25…35%; - 2…0,5 мм – 30…40%; менее 0,5 мм – 25…30%. Щебень фракцией 5…2 мм может использоваться в качестве заполнителя особопрочных бетонов, как противогололедная подсыпка дорог и тротуаров, не имеющих водостоков. Песок фракцией 0,5…2,0 мм пригоден после дополнительного рассева для фильтрующей загрузки водоочистных фильтров. Песок мельче 0,5 мм после промывки прекрасный заполнитель для цементно-песчаных затирок и клеев. Проблема в настоящее время – разделение отсева по фракциям: промывка и классификация, которые по способам производства подразделяются на гидравлические и механические. Гидравлическая классификация применяется для разделения песка на отдельные фракции получаемого продукта, удаления из них нежелательных примесей (глинистых, илистых и пылеватых частиц) и обезвоживания (сгущения). Для гидравлической классификации используют два типа установок, отличающихся принципом работы: гравитационные и центробежные. В классификаторы материал подают в виде пульпы, в которой содержание воды в 5—10 раз превышает количество твердой фазы. Разделение материала по крупности в гравитационных классификаторах происходит в результате неодинаковых скоростей оседания твердых частиц разного размера в жидкой среде под действием гравитационных сил. Чем меньше размер частиц, тем медленнее они оседают. Многокамерные классификаторы являются также гравитационными и работают на том же принципе. Многокамерный классификатор представляет собой желоб, разделенный на несколько камер, увеличивающихся по объему в направлении слива, рис.2.

Рис.2 Схема гидроклассификатора песка: 1 – корпус, 2 – подача воды, 3 – подача песчаной пульпы, 4 – отвод воды с мельчайшими отходами, 5 – отвод песка крупностью 2…0,5 мм, 6 – отвод песка крупностью 0,5…0,1 мм.

Над последовательно расположенными камерами горизонтально движется пульпа, из которой в эти камеры оседают частицы песка, постепенно разделяясь в соответствии со скоростью оседания по размерам. Существуют классификаторы с камерами, оборудованными лопастными мешалками или устройствами для подачи восходящих потоков чистой воды, обеспечивающих большую точность разделения при меньшем числе камер (четырех). Стабильность работы многокамерных классификаторов в значительной степени зависит от равномерности их питания или от скорости движения пульпы, изменение которых приводит к нарушению зернового состава в камерах. К такому же результату приводит несвоевременная разгрузка камер от осадка. Эти и другие недостатки устраняют с помощью систем автоматизированного контроля и управления. Центробежные классификаторы – гидроциклоны, используют в том случае, если из песка необходимо выделить мелкие частицы размером 0,001—0,1 мм, медленно оседающие в воде под действием гравитационных сил, а также для промывки материала. Гидроциклоны имеют форму вертикального цилиндра, в нижней части переходящего в удаленный конус.

Рис.3 1 – конус гидроциклона; 2 – цилиндрическая часть гидроциклона; З – подача пульпы; 4 – отвод воды с мелкой фракцией; 5 – выгрузка песка.

Их диаметр 250—1000 мм, угол конусности 20°. Водопесчаная смесь подается в верхнюю часть циклона по касательной к окружности под давлением около 0,1 МПа, где она приобретает вращательное движение. Под действием центробежных сил крупные частицы смещаются к стенкам циклона, теряют скорость и оседают на дно, мелкие частицы уносятся восходящим потоком воды в сливной патрубок, находящийся в центре верхней части циклопа. Осевшие частицы удаляются через разгрузочное отверстие в нижней части циклона. Чтобы уменьшить износ стенок циклонов при воздействии движущихся абразивных частиц, их поверхности футеруют изделиями из каменного литья.

При механическом способе материал по крупности разделяют (сортируют) на вибрационных грохотах сухим или мокрым способом. Мокрый способ грохочения в 1,2—3,5 раза эффективнее сухого, особенно при наличии глинистых частиц и пустой породы. При таком способе вода под избыточным давлением 0,2—0,3 МПа подается на сито грохота через специальные брызгала, расположенные на расстоянии 300—400 мм от поверхности сита и на таком же расстоянии одно от другого. Орошаемая брызгалами поверхность сита должна составлять не менее 2/3 его площади со стороны разгрузки грохота. На ситах или решетах с квадратными, прямоугольными или круглыми отверстиями материал разделяется на надрешетный продукт (верхний класс) и подрешетный продукт (нижний класс) с преобладанием частиц, размер которых меньше ячеек сита. В зависимости от выполняемых грохотами функций на них устанавливают одно или несколько сит. В барабанных грохотах можно получать одновременно материал двух - пяти фракций при эффективности грохочения по сухому способу 40—60 % и мокрому способу 50—80 %. Производительность грохота определяется количеством материала (т/ч), получаемого с 1 м2 поверхности сита. Эффективность и производительность грохота зависят от многих факторов: конструкции грохота, гранулометрического состава просеиваемой породы, принятого способа грохочения (мокрого или сухого), влажности сырья, наличия кусков слабой породы, глинистых частиц и других нежелательных примесей. При сухом грохочении особенно влажных материалов большая часть примесей остается на поверхности заполнителей, в связи с этим требуется их дополнительная промывка водой перед или после процесса разделения. Промывка дробленого и просеянного материала осуществляется для удаления с поверхности щебня, гравия и песка глинистых, илистых и пылеватых частиц. Для классификации по крупности зерен отсева предусматривают промывку перед сортировкой. Пески промывают в механических и гидравлических классификаторах с одновременным разделением их на фракции. Расход воды на промывку материалов в зависимости от степени их загрязнения, типа промывочной машины составляет 1…4 м3/т, а время промывки 1…6 мин [8].

После промывки материал обезвоживают и сушат. Связано это с необходимостью удаления большого количества воды из пульпы и ее сгущения для повышения эффективности работы грохотов. Песок обезвоживают, применяя способы естественного дренирования воды, а также с помощью центробежных сил, фильтрования, центрифугирования, механического классифицирования и т. д. Естественное обезвоживание мелких фракций дает возможность значительно снизить влажность материалов. Через 2—3 сут хранения на складе на хорошо дренирующем основании влажность снижается до 7 %. Для интенсификации процесса удаления влаги из песка можно использовать нагревание поверхности материала горячим воздухом (95°С). Расход воздуха до 180 м3 на 1м3 песка. Достигнуть удовлетворительного содержания влаги в мелких заполнителях можно только с помощью их искусственной сушки в специальных агрегатах (прямоточных и противоточных сушильных барабанах и т. д.). В связи с высоким расходом топлива (2—5 % по массе песка) и дополнительными капитальными вложениями себестоимость 1 м3 песка возрастает более чем в 2 раза. Поэтому чаще всего применяют естественную сушку в отвалах в летнее время года. После промывки и классификации отсева он может упаковываться в мешки по 25 кг, мягкие контейнеры массой 1,0 тн или навалом с сопроводительными документами и отправляться к потребителям автомобильным или железнодорожным транспортом.

В технологиях очистки воды применяется широкий спектр фильтрующих материалов. Выбор типа загрузки фильтров производится на основе технико-экономических расчетов. В них учитывается цена материала со стоимостью доставки, механическая прочность и долговечность, химическая стойкость, радиологические характеристики. Определяющую роль играют технологические показатели: истинная и насыпная плотность, пористость, коэффициент формы зерен, эффективность регенерации водой.

Наиболее широко применяемый фильтрующий материал для зернистых фильтров. Лучшие результаты по химической стойкости и механической прочности имеют речные пески с содержанием кремнезема не менее 96%. Наибольшее распространение получили пески для загрузки водоочистных фильтров, поставляемые АО «Погранское объединение карьеров» [5] на р. Свирь и АО «Спецнефтематериалы» [6] на р. Волге в г. Волгограде. Кварцевые пески характеризуются невысокими пористостью – в среднем 39% и коэффициентом формы зерна – 1,17, но прекрасно регенерируются водой и поэтому получили широкую известность в практике водоочистки.

Дробленый антрацит применяется в водоподготовке более 50 лет для двухслойной загрузки фильтров в качестве верхнего слоя с кварцевым песком. У него пористость в 1,5 раза и коэффициент формы зерна на 2% больше, чем у кварцевого песка, что обеспечивает или увеличения продолжительности фильтроцикла, или снижение высоты загрузки [7]. Вследствие высокой цены исходного материала – антрацита, являющегося исходным материалом для производства металлургического кокса, сложности его дробления и сортировки, в Российской Федерации этот материал не получил широкого применения.

Дробленые пористые материалы (керамзит, шунгизит, горелые породы, вулканические шлаки) были предложены для применения в качестве фильтрующей загрузки взамен антрацита. Они обладают высокой технологической эффективностью вследствие большой пористости (50…80%) и развитой удельной поверхности зерен (коэффициент формы - 2,0…5,3). Эти загрузки в качестве верхнего слоя фильтров нашли применение на фильтровальных станциях г. Москвы, С.-Петербурга, Самары, Петрозаводска и других. Их недостатком можно считать неудовлетворительную регенерацию водой – на ВОС г. Петрозаводска успешно применяется двухстадийная промывка керамзитовой загрузки сначала воздухом, затем водой. Дробление исходного материала (гранулы 20…50 мм) и дальнейшая сортировка зерен является сложной задачей на местах: на крупных заводах керамзитового гравия имеются подразделения по производству фильтрующей загрузки из керамзита. Расположены они в Самарской и Волгоградской областях, и стоимость доставки их сопоставима с отпускной ценой.

Отсев при производстве щебня и вскрышные породы при разработке карьеров издавна привлекали внимание на предмет выработки из них фильтрующих материалов. Гранитная крошка с размерами зерен 1…2 мм использовалась в Украине и Белоруссии в фильтрах обезжелезивания воды. Дробленый гранодиорит применяется в фильтрах на Дальнем Востоке. В Петрозаводске в 1982 г. фильтры нового блока очистки были загружены просеянными отходами производства габбро-диабазового щебня из Голодай-горы. В г. Костомукше для загрузки контактных осветлителей применяли дробленый просеянный геллефлинт. В последние годы на производстве гранитного щебня в АО Гранит-Кузнечное (Ленинградская область) организована линия классификации отсева. Гранитным песком загружены контактные префильтры на ВОС Петрозаводска. Песок из дробленых изверженных материалов превосходит по технологическим качествам аналогичный речной материал.

На территории Республики Карелия широко развиты различные комплексы пород, часть из которых являются перспективными для детального изучения их пригодности для получения фильтрующей загрузки, потребность в которой оценивается в 10000 куб. м/год. Привлечение инвестиций и развитие отрасли по производству природных минеральных загрузок в Республике Карелия позволит в значительной мере улучшить экономическое состояние удаленных районов и в целом Республики Карелия.

Изучение их технологических свойств - важная задача для ее решения.

Для исследования Институтом геологии Карельского центра Академии наук России были представлены образцы дробленных горных пород Карелии из разрабатываемых и перспективных месторождений: габбро-диабаз из Голодай-горы, кварцит из Шокши, гранит из Медгоры, геллефлинт из Костомукши и гранат из Высоты.

Определение плотности и пористости загрузки

Подготавливали три пробы просеянной на ситах с квадратными ячейками высушенной фильтрующей загрузки объемом 250 см3 средней крупностью 0,9 или 1,25 мм. Каждую пробу взвешивали и небольшими порциями через воронку засыпали в мерный цилиндр емкостью 1000 см3, предварительно заполненный 500 см3 дистиллированной воды. Для удаления воздуха загрузку перемешивали стеклянной палочкой. Определяли объем воды V1 , вытесненный загрузкой, см3. Затем в цилиндр доверху добавляли дистиллированную воду, закрывали крышкой и, опрокинув его, ставили в исходное положение. Определяли объем загрузки в цилиндре в воде V2 после свободного осаждения, см3. Слегка постукивая по стенкам цилиндра пластмассовой или деревянной палочкой, добивались максимального уплотнения загрузки в нем в воде и замеряли ее минимальный объем V3 в воде после уплотнения, см3. Плотность фильтрующего материала вычисляли по формуле

Ρз=G/V1

Максимальная пористость, ε max, определялась по выражению:

ε max = (1 – V1/ V2) х 100

Минимальная пористость по формуле

ε min = (1 – V1/ V3) х 100

По данным исследований трех проб определяли среднеарифметическое значение плотности минимальной, максимальной и средней пористости каждого исследуемого материала заданной крупности. Результаты опытов представлены в таблице 1.

Табл.1 Пористость, плотность и насыпная плотность МФМ

Наименование материала	Пористость, %	Плотность, кг/м3	Насыпная плотность, кг/м3
d=0,9 мм
макс	мин	среднее	среднее	среднее
Кварцит Шокша	61,2	58,1	59,7	2670	1253
Геллефлинт Костомукша	59,1	53,4	56,3	2680	1324
Гранит Медгора	56,7	54,0	55,4	2690	1356
Габбро-диабаз Голодай-гора	56,3	51,8	54,1	3030	1550
Гранат Высота	53,8	50,8	52,3	3760	1880

Определение гидравлической крупности зерен

Гидравлическую крупность θ см/с (скорость свободного осаждения зерен фильтрующей загрузки в воде) определяли путем измерения времени осаждения t, с, частиц в цилиндре с водой высотой 30,0 см.

θ = 30 / t, см/с

Каждый вид загрузки просевали через сита с ячейками 2,0, 1,5, 1,0, 0,8 и 0,5 мм. Зерна, застрявшие в ситах, извлекали из них и собирали в бюксы для определения гидравлической крупности. Число замеров для каждого диаметра зерен было не менее двадцати. По данным замеров определяли максимальную, минимальную и среднюю гидравлическую крупность зерен загрузки заданной фракции. Данные экспериментов приведены ниже в таблице 2.

Коэффициент формы зерна

Извлечение примесей из воды происходит в основном за счет их прилипания (адгезии) к поверхности фильтрующей загрузки. Развитая удельная поверхность дробленых материалов позволяет увеличить размер зерен загрузки без снижения степени очистки воды. Это обеспечивает повышение грязеемкости фильтрующего слоя без увеличения его высоты и увеличение производительности водоочистных фильтров. Для характеристики удельной поверхности зерен загрузки в теории и практике водообработки предложен параметр, именуемый коэффициентом формы зерна. Это отношение площади поверхности зерна загрузки к площади равновеликого по объему шара. Методы аналитического вычисления поверхности тел произвольной формы пока не разработаны. Поэтому коэффициент формы зерна в практике водоочистки определяется по результатам фильтрования воды через слой загрузки при ламинарном режиме течения воды. Зная характеристики загрузки (диаметр зерен, пористость, толщину слоя), определив гидравлическое сопротивление его по известным формулам гидравлики, вычисляют значения коэффициента формы зерна. В таблице 2 представлены значения коэффициента формы зерна исследованных дробленых материалов.

Табл.2 Гидравлическая крупность и коэффициент формы зерна МФМ

Наименование материала	Гидравлическая крупность, мм/с	Коэффициент формы зерна
d=0,5 мм	d=0,8 мм	d=1,0 мм	d=0,9 мм
Кварцит Шокша	6,22	8,08	9,55	1,847
Геллефлинт Костомукша	5,84	8,57	10,20	1,582
Гранит Медгора	5,94	9,29	11,41	1,735
Габбро-диабаз Голодай-гора	7,48	10,87	12,15	1,545
Гранат Высота	8,93	12,15	15,79	1,519

Изученные фильтрующие материалы, полученные дроблением и рассевом ряда горных пород и индустриальных минералов Карелии, обладают лучшими технологическими свойствами по сравнению с речным кварцевым песком Погранского месторождения. Так пористость загрузок из дробленых материалов составляет 52,3 …59,7 % по сравнению с 39 % у песка, коэффициент формы зерен 1,519 … 1,847 против 1,17 у эталона. насыпная плотность 1253 . ..1880 кг/ куб. м сравнима с песчаной загрузкой -1650 кг/куб. м. Исследованные фильтрующие материалы рекомендуется применять: для нижнего слоя двухслойных загрузок скорых фильтров диаметром 0,5 …1,5 мм с высотой слоя 0,7…0,8 м. В качестве верхнего слоя могут использоваться дробленые шунгизит, керамзит, антрацит с крупностью загрузки 0,8 …2,0 мм с толщиной слоя 0,5 м. Скорость фильтрования для одноступенчатых схем очистки 4…5 м/ч, при использовании фильтров в двух и более ступенных схемах скорость фильтрования может быть увеличена до 7 …10 м/ч. Время фильтроцикла в одноступенчатых схемах составит не менее 8 ч, в двухступенчатых – 12 … 24 ч. Интенсивность промывки составит 15…16 л/с. кв. м, продолжительность 5…7 мин. При использовании в фильтрах для обезжелезивания воды диаметр загрузки рекомендуется принимать 0,8 …2,0 мм при высоте слоя 1200 … 1500 мм. При скорости фильтрования 5… 7 м/ч и предварительной аэрации воды будет обеспечено снижение концентрации железа в воде не более 0,3 мг/л. Промывку фильтров с загрузкой из дробленых материалов рекомендуется проводить с использованием воздуха и воды в 3 этапа: - Воздух с интенсивностью 18…20 л/с кв. м в течение 2 мин, - Подача воздуха с этой же интенсивностью и воды с расходом 4 л/с кв. м в течение 4 мин, - Подача воды с интенсивностью 8 л/с кв. м в течение 4 мин. Для водовоздушной промывки фильтры необходимо проектировать с системой низкого отвода воды. При использовании в контактных осветлителях или префильтрах с восходящим потоком воды диаметр зерен загрузки должен быть 0,7 …2,0 мм (средний 1…1,3). Высота слоя не менее 2,0 м. Скорость фильтрования 4…5 м/ч в осветлителях и 5…6 м/ч в префильтрах. Продолжительность фильтроцикла не менее 12 ч, промывка водовоздушная в три этапа, как и для крупнозернистых фильтров в схемах обезжелезивания воды.

Заключения и выводы:

В Республике Карелия в отвалах горных предприятий накоплен большой объем отсевов (каменной пыли) от производства щебня. Нашими исследованиями показано, что они могут быть переработаны для комплексного использования, в частности для производства эффективных фильтрующих материалов для загрузки водоочистных фильтров. Организация производства по переработке отсевов является актуальной задачей для бизнеса и власти.

Список использованных источников:

1. Постановление Правительства Республики Карелия от 14 июня 2011 года «О долгосрочной целевой программе «Обеспечение населения Республики Карелия питьевой водой» на 2011-2017 годы»

2. ГОСТ Р 51641-2000.Материалы фильтрующие зернистые. - М.:Госстандарт России, 2000.

3. СанПиН 2.1.4.10.74-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к

качеству воды централизованных систем водоснабжения, контроль качесва». М.: Минздрав России, 2001.

4. Р. И.АЮКАЕВ, В. З.МЕЛЬЦЕР. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды - Л.: Строийздат, 1985.

5. Фильтрующие материалы // АО Погранское объединение карьеров: [Веб-сайт организации], - Режим доступа http://www. POGRA. RU

6. Кварцевые пески для хозяйственно-питьевого водоснабжения //АО Спенефтематериалы: [Веб-сайт организации], - Режим доступа http://www. vk. kam-tel. ru

7. Фильтрующие материалы из антрацита «Пуролат» // Ресурс-уголь: [Веб-сайт организации], - Режим доступа http://www. rusugol. ru

8. Производство песка…// Групп: [Веб-сайт организации], - Режим доступа http://www. gor-teh. ru/upload/medialibbrery/c.13