Osady ściekowe w ceramice i budownictwie

W wyniku ciągłego zwiększania się ilości wytwarzanych osadów ściekowych zachodzi konieczność znalezienia alternatywnych metod ich wykorzystania czy utylizacji. Jedną z nich może być zastosowanie osadów ściekowych w produkcji ceramiki i materiałów budowlanych.

Korzystny skład chemiczny i mineralny powoduje, że osady stanowią jeden ze składników ceramiki budowlanej. W produkcji lekkich kruszyw, takich jak keramzyt, wykorzystuje się osady ściekowe jako środki spulchniające. Skład mineralny osadów pozwala na stosowanie ich w charakterze topnika, poprawiającego spiekalność materiału.

Z drugiej strony spieki ceramiczne, takie jak syntetyczne zeolity czy spiekane popioły lotne, wykorzystuje się jako sorbenty zanieczyszczeń pochodzących z osadów ściekowych wprowadzanych do środowiska. Zastosowanie zeolitów wraz z osadem ogranicza przenikanie zanieczyszczeń do gleby i roślin.

Do higienizacji osadów używa się zwykle tlenku lub wodorotlenku wapnia, jak również materiałów odpadowych, czyli mączki bitumicznej, dolomitów, odpadów ze spalania węgla brunatnego, pyłów z wapienników lub pieców cementowych. Ustabilizowany i odwodniony w ten sposób osad nie stwarza zagrożenia dla środowiska i może być wykorzystany przyrodniczo. Z uwagi na wartość opałową osady po zmieszaniu z paliwem o wyższej kaloryczności stosuje się jako składnik paliwa alternatywnego w piecach do wypalania klinkieru.

Rozwiązaniem problemu powstawania coraz większej ilości osadów ściekowych jest ich utylizacja w przemyśle cementowym czy ceramicznym.

Alternatywa dla węgla

Do paliw stosowanych w produkcji cementu, takich jak węgiel kamienny, gaz i olej opałowy, należą także paliwa alternatywne, w tym zużyte oleje, tworzywa sztuczne, opony, a także osady ściekowe. Wykorzystanie paliw alternatywnych zmniejsza koszty produkcji cementu i pozwala na utylizację odpadów1. W porównaniu ze spalarnią odpadów w metodzie tej ograniczono emisję szkodliwych związków, takich jak PCB. Proces współspalania jest bezodpadowy, gdyż popiół po spaleniu wchodzi w skład klinkieru. Maksymalny udział osadów ściekowych w paliwach do produkcji klinkieru nie powinien przekraczać 5%2. Obecnie poszczególne cementownie same ustalają limity dla paliw alternatywnych stosowanych w procesie wypalania klinkieru.

W celu odwodnienia oraz poprawy struktury osady miesza się z innymi odpadami o wysokiej kaloryczności. Przykład takiej mieszanki stanowi paliwo złożone z osadów ściekowych, odpadowego mułu węglowego oraz wapna palonego, czyli tzw. paliwo PBS3. Obecność wapna palonego zapewnia higienizację oraz związanie wody w osadach. Udział poszczególnych składników w paliwie PBS wynosi: osady ściekowe 53-62%, muł węglowy 35-37% i wapno palone 3-10%. Wartość opałowa takiego paliwa jest zbliżona do węgla brunatnego.

Innym rodzajem paliwa alternatywnego w wypalaniu klinkieru wytworzonego na bazie osadów ściekowych i miału węglowego jest tzw. ekomiał. Z zawartością do 15% udziału osadów spełnia on normy jakości stawiane pyłowi węglowemu wykorzystywanemu przy wypalaniu klinkieru.

Spalanie osadów ściekowych w cementowych piecach obrotowych przynosi wiele korzyści. Przede wszystkim temperatura w piecu jest bardzo wysoka, dochodzi do 1450°C, co uniemożliwia powstawanie dioksyn. Dodatkowymi zaletami są: długi czas przebywania spalin w piecu, alkaliczne środowisko, które wpływa na wiązanie kwaśnych gazów oraz bezodpadowa produkcja, gdyż pozostałości po spaleniu wiązane są w klinkierze. Warunkami stosowania osadów ściekowych jako paliwa alternatywnego w przemyśle cementowym są: ich odpowiednia wartość opałowa, stabilność fizykochemiczna, dostępność oraz łatwość w dozowaniu.

Z kolei problemy, oprócz uwodnienia osadów i kłopotliwego dozowania, stanowią: zawartość związków szkodliwych, takich jak metale ciężkie, związki chloru czy chlorowane związki organiczne. Po procesie wypalania metale ciężkie zwykle wchodzą w skład klinkieru, trwale wiążąc się z cementem4. 30% całkowitej zawartości metali ciężkich w cemencie pochodzi z surowca, a 70% z wypalania i procesu mielenia klinkieru5.

Ceramizacja osadów

Ceramizacja osadów ściekowych i ich popiołów ma na celu bezodpadowe zagospodarowanie oraz ograniczenie zużycia naturalnych surowców ceramicznych.

Do metod zestalania popiołów pochodzących ze spalania osadów ściekowych należy witryfikacja, czyli zeszkliwienie metodą spalania plazmowego. Z popiołu powstaje wówczas substancja szklista, która wiąże na trwałe metale ciężkie. Zaproponowano wykorzystanie zeszkliwionych osadów ściekowych do produkcji filtrów optycznych i stwierdzono, że materiały te w zakresie długości fali 200-850 nm absorbują promieniowanie w całości, natomiast w zakresie 850-3200 nm średnia transmisja wynosiła 0,1%6.

Zbadano również właściwości fizykochemiczne cegły wytworzonej z surowca do produkcji ceramiki budowlanej z dodatkiem 10-20% osadów ściekowych w dwóch wariantach: w stanie mokrym i suchym7. Stwierdzono, że osady ściekowe nadają się do produkcji materiałów budowlanych z uwagi na wysoki udział krzemionki (ok. 60% s.m.) i tlenku glinu (ok. 10% s.m.) w popiele. Zastosowanie suchych osadów ściekowych poprawiło wyraźnie parametry wytrzymałościowe otrzymanych wyrobów. Zauważono wzrost nasiąkliwości materiałów zawierających osady ściekowe w stosunku do surowca, co ograniczyło ilość dodawanych odpadów do 20% objętościowych (7,5% wagowych). Nie wykazano wpływu udziału i formy osadów w materiale na wymywanie metali ciężkich z produktów ceramicznych.

Do wytwarzania cegieł mogą być wykorzystywane także popioły z osadów ściekowych. Ich charakterystykę zawiera tabela 1.

Tab. 1. Właściwości cegieł wytworzonych z popiołów z osadów ściekowych

parametr
Cegła z popiołu 100%
Cegła tradycyjna
Wytrzymałość na ściskanie [MPa]
5,5-13,78
5,5-8,65
Nasiąkliwość [%]
0,1-10
1-44
Wytrzymałość na zginanie [MPa]
1,03-2,76
0,35
Strata na ścieranie
0,01-0,1
0,05-0,1
Odporność na zamarzanie/tajanie
normalna
normalna

Popioły z osadów ściekowych mogą także spełniać funkcję barwnika dla materiałów ceramicznych, z uwagi na dużą zawartość żelaza, pochodzącego z procesu flokulacji8. Po spaleniu osadów sole żelaza ulegają przemianie głównie do tlenku żelaza(III) o barwie czerwonej, co powoduje zabarwienie materiałów ceramicznych. Popiół z osadów może być wykorzystany do produkcji ceramicznych materiałów budowlanych, nie zmieniając zasadniczych parametrów gotowych wyrobów. Wzrastająca porowatość wraz ze zwiększeniem udziału popiołu osadowego jest korzystna przy produkcji ceramicznych materiałów izolacyjnych. Natomiast wzrost nasiąkliwości, zwłaszcza powyżej 21%, jest parametrem negatywnym.

Osady w produkcji kruszywa

Popioły z osadów ściekowych nadają się także do produkcji kruszywa lekkiego. Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego opracował metodę produkcji takiego kruszywa z materiałów odpadowych, takich jak nieprzetworzone osady ściekowe, odpady z górnictwa skalnego i węglowego, stłuczka szklana, gruz ceglany, gruz z glazury lub terakoty9. Jako surowiec zostały wykorzystane pyły krzemionkowe, tworzące strukturę podstawową kruszywa silikatowego, a uwodnione osady ściekowe (80% s.m.) stanowiły składnik tworzący strukturę porowatą kruszywa. Proces termiczny zachodził w temperaturze ok. 1000-1100°C.

Osady stanowiły 40-60%, pył krzemionkowy: 40-60%, stłuczka szklana jako topnik: 5-15%. Produktem finalnym było kruszywo sylikatowe. Składniki palne mieszaniny, które pochodziły z osadów ściekowych, podczas obróbki termicznej wytworzyły gazy powodujące powstawanie porów w kruszywie. Udowodniono także, że metale ciężkie związane zostały na stałe ze strukturą krzemianu, analogicznie jak w minerałach naturalnych. Metoda ta różni się od innych rozwiązań opartych na witryfikacji przede wszystkim niższą o ok. 400°C temperaturą procesu termicznego oraz wykorzystaniem wyłącznie odpadów przemysłowych i komunalnych. Stwierdzono, że kruszywo może być stosowane do produkcji betonów lekkich, elementów betonowych konstrukcyjnych, w budownictwie drogowym, a także np. w rolnictwie jako podłoże do upraw, w ochronie środowiska, w oczyszczaniu wody i ścieków czy jako materiał izolacyjny9.

Osady ściekowe wykorzystuje się także do produkcji kruszyw lekkich, jako dodatek spulchniający z uwagi na możliwość tworzenia porowatej struktury spieków. Posiadają także odpowiedni skład mineralny zbliżony do surowca ceramicznego. Osady ściekowe o uwodnieniu 80% wykorzystano do produkcji keramzytu10. Udział masowy w mieszance surowcowej wynosił 4% s.m. osadu, resztę stanowiła glina. Maksymalna temperatura wypalania to 1170°C. W przypadku keramzytu z dodatkiem osadu ściekowego stwierdzono bardziej niejednorodną strukturę z wyraźnie większymi porami niż w keramzycie niemodyfikowanym, co może świadczyć o intensywnym odgazowaniu substancji organicznej. Charakterystykę badanych keramzytów przedstawia tabela 2.

Tab. 2. Wybrane cechy fizyczne badanych keramzytów

Cecha
Keramzyt niemodyfikowany
Keramzyt modyfikowany osadem ściekowym
Gęstość pozorna [kg/m3]
740±25
755±30
Nasiąkliwość [%]
21,3±2,1
28,0±3,0
Współczynnik przewodnictwa ciepła w 230C [W/mK]
0,141±0,007
0,137±0,006

Zauważono także, że keramzyt modyfikowany może być wykorzystany do produkcji betonów lekkich, nie pogarszając ich parametrów wytrzymałościowych. W przypadku betonów izolacyjnych uzyskano poprawę izolacyjności w warunkach suchych, jednak w warunkach zawilgocenia beton z keramzytem modyfikowanym cechował się podwyższoną nasiąkliwością i współczynnikiem przewodzenia ciepła (tab. 3).

Tab. 3. Charakterystyka betonów na bazie badanych keramzytów

Cecha
Beton izolacyjny jamisty
Beton lekki LC 16/18
Keramzyt niemodyfikowany
Keramzyt modyfikowany
Keramzyt niemodyfikowany
Keramzyt modyfikowany
Gęstość pozorna [kg/m3]
785±15
755±11
1441±23
151717
Nasiąkliwość [%]
15,1±1,3
21,3±1,4
10,3±2,0
12,8±1,9
Wytrzymałość na ściskanie [MPa]
1,65±0,29
1,37±0,23
17,5±2,1
17,2±0,9
Współczynnik przewodnictwa ciepła w 230C [W/mK]
0,238±0,013
0,202±0,011

Osady ściekowe lub ich popioły wykorzystywane są także do wytwarzania płytek ceramicznych.

Prowadzone są również badania nad użyciem popiołów z osadów ściekowych do produkcji tworzyw szklano-ceramicznych. Zbadano skład popiołu z osadów ściekowych i uzupełniono ilościowo brakujące składniki (CaO:SiO2:Al2O3), aby spełnione zostały wymogi dla anortytów11. Wyniki badań potwierdziły możliwość wykorzystania popiołu ze spalania osadów ściekowych do wytwarzania szkliwionych mas ceramicznych.

Zeolity

Odpady, w tym osady ściekowe wraz z pyłami dymnicowymi ze spalania węgla brunatnego, nadają się do ceramizacji i do wykorzystania jako nawóz, z którego powoli uwalniane są makro i mikroelelementy. Dodanie osadów ściekowych do spiekanych mieszanek poprawia ich strukturę, porowatość i zwiększa lekkość, a produkt posiada właściwości zeolitów syntetycznych, które produkuje się ze względu na ich nowe, specyficzne właściwości. Zeolity syntetyczne tworzy się z typowych glinokrzemianów, dlatego popioły lotne i osady ściekowe także są odpowiednim surowcem do ich syntezy. Sprzyjającą właściwością popiołów lotnych jest znaczny udział w nich materiału szklistego. Materiały ceramiczne w formie zeolitów wykorzystywane są często do wychwytywania i zatrzymywania metali ciężkich pochodzących z osadów ściekowych12.

Jedną z metod ograniczenia wymywania metali ciężkich z osadów ściekowych stanowi podniesienie odczynu w procesie wapnowania. Proces ten ma na celu przede wszystkim higienizację i stabilizację osadów. Najczęściej wykorzystuje się tutaj wapno palone, rzadziej gaszone bądź materiały odpadowe, takie jak: mączka bitumiczna, dolomity, odpady ze spalania węgla brunatnego, pyły z wapienników lub pieców cementowych.

Mimo iż osady ściekowe są produktem odpadowym powstającym na terenie każdej oczyszczalni ścieków, mogą znaleźć szerokie zastosowanie. Z uwagi na duży udział substancji organicznej oraz zawartość mikroelementów osady posiadają wysoką wartość nawozową i glebotwórczą. Zastosowanie przyrodnicze tych odpadów jednak jest ograniczone, zwłaszcza z powodu zawartości metali ciężkich czy zanieczyszczeń biologicznych. Barierę dla ich użycia stanowi też mazista konsystencja, z powodu której transport i aplikacja mogą być technicznie utrudnione. Należy zaznaczyć, że wykorzystanie przyrodnicze osadów może spotkać się także z nieprzychylną reakcją społeczności lokalnej.

Rozwiązaniem problemu powstawania coraz większej ilości osadów ściekowych jest ich utylizacja w przemyśle cementowym czy ceramicznym. Z badań wynika, iż dodanie osadów ściekowych do materiałów ceramicznych często poprawia ich strukturę, zwłaszcza w przypadku lekkich wyrobów ceramicznych. Współspalanie osadów ściekowych z innymi paliwami w piecach cementowych do wypalania klinkieru ma wiele zalet, takich jak utylizacja odpadu, zmniejszenie kosztów procesu, związanie w klinkierze metali ciężkich czy bezodpadowa produkcja.

Zauważyć można rosnącą tendencję do stosowania osadów ściekowych w innych celach niż przyrodnicze, co wydaje się właściwym sposobem rozwiązania problemu wciąż rosnącej ilości odpadów.

Źródła:

1. Duda J.: Współspalanie węgla i paliw alternatywnych w cementowych piecach obrotowych. „Prace Instytutu Mineralnych Materiałów Budowlanych” 35-36/2003.

2. Kaantee U., Zevenhoven R., Backman R., Hupa M.: Cement manufacturing using alternative fuels and the advantages of process modeling. „Fuel Process Technology” 85/2004.

3. Duda J., Wzorek M.: Wykorzystanie osadów ściekowych w procesie wypalania klinkieru. Mat. Sympozjum Naukowo-Technicznego „Wod-Kan-Eko 2002”. Ostrowiec Świętokrzyski 2002.

4. Czerniak A., Poszyler-Adamska A.: Ocena immobilizacji metali ciężkich w kompozytach cementowo-grunowych stosowanych do budowy dróg wiejskich. „

5. Sprung Z., Czerniak A., Poszyler-Adamska A.: Ocena immobilizacji metali ciężkich w kompozytach cementowo-grunowych stosowanych do budowy dróg wiejskich, Acta Sci. Pol.” 1/2006.

6. Bień J.B., Bień J.D., Sanitsky M., Białczak W.: Plazma niskotemperaturowa jako rodzaj utylizacji i odzysku osadów ściekowych, Materiały z Konferencji „Nowe spojrzenie na osady ściekowe” 2003.

7. Białecka B., Adamczyk Z., Grabowski J.: Sposób wykorzystania osadów ściekowych do produkcji ceramicznych materiałów budowlanych, „Ceramika – Materiały Ogniotrwale” 4/2001.

8. Grabowski Z., Oleszkiewicz J.A.: Spalanie osadów ściekowych, Materiały z Konferencji „Podstawy oraz profilaktyka przeróbki i zagospodarowania osadów”. 1998.

9. Góralczyk S.: Lekkie kruszywo z osadów ściekowych. Dodatek lobbingowy „Infrastruktura – Środowisko – Energia do „Rzeczpospolitej” z 27 października 2008.

10. Pichór W., Latosińska J.: Możliwości wykorzystania keramzytu modyfikowanego komunalnym osadem ściekowym do wytwarzania betonów lekkich. Materiały z Konferencji „Dni betonu. Tradycja i nowoczesność”. Kraków 2006.

11. Endo H., Nagayoshi Y., Suzuki K.: Production of Glass ceramics from sewage sludge. „Wat. Sci. Tech.” 11/1997.

12. Gworek B., Brogowski Z., Jeske K.: Oddziaływanie syntetycznych zeolitów na pobieranie z gleby metali ciężkich przez sałatę nawożoną osadem ściekowym. „Roczn. Glebozn.” 1/2/1996.

dr inż. Marta Bożym, Instytut Ceramiki i Materiałów budowlanych, Oddział IMPiŚ w Opolu

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *