Снижение негативного воздействия доменных шлаков при их утилизации на объекты гидросферы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат технических наук Брызгалов, Сергей Владимирович

• Брызгалов, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Брызгалов, Сергей Владимирович

Введение.

ГЛАВА 1. Комплексный анализ воздействия доменных металлургических шлаков на окружающую среду на примере шлаковых отвалов Чусовского металлургического завода.

1.1. Краткая характеристика металлургического производства и условия формирования твердых отходов.

1.2. Доменные шлаки как потенциальный источник воздействия на окружающую среду.

1.3. Анализ воздействия отвалов доменных металлургических шлаков на объекты окружающей среды.

1.4. Обустройство мест размещения доменных металлургических шлаков.

1.5. Методы утилизации металлургических шлаков.

1.5.1. Производство щебня из доменного шлака. ^

1.5.2. Производство гранулированного шлака.

1.5.3. Производство шлаковой пемзы из доменного шлака.

1.5.4. Производство минераловатных изделий из доменного шлака.

1.5.5. Переработка доменных шлаков на сельскохозяйственные удобрения.

1.5.6. Использование доменных шлаков в качестве сорбентов.

ГЛАВА 2. Объемы и методы исследования.

2.1. Методики определения физико-химических свойств шлакового щебня и строительных материалов на их основе.

2.2. Методики определения физико-механических свойств шлакового щебня и строительных материалов на их основе.

2.3. Статистическая обработка.

Глава 3. Исследование химического состава, физико-химических свойств доменных металлургических шлаков ЧМЗ. Определение потенциальной экологической опасности шлаков.

3.1. Исследование химического состава, физико-химических и механических свойств доменных металлургических шлаков.

3.2. Исследование эмиссий тяжелых металлов в модельные среды.

ГЛАВА 4. Исследование физико-химических и механических свойств бетонов и железобетонных свай на шлаковом заполнителе. Определение потенциальной экологической опасности строительных материалов.

4.1. Подбор состава бетона на шлаковом щебне.

4.2. Исследование физико-химических и механических свойств бетонов и железобетонных свай на шлаковом заполнителе.

4.3. Определение потенциальной экологической опасности бетонов на шлаковом щебне.

4.4. Опытно-промышленные испытания забивных железобетонных свай.

4.4.1. Динамические испытания забивных железобетонных свай.

4.4.2. Исследования свай на шлаковом щебне при статических горизонтальных, вертикальных нагрузках и ударное разрушение.

4.4.3. Определение мощности твердых прослоек грунта, пробиваемых сваями на шлаковом щебне.

4.5. Разработка методики коэффициента фильтрации грунта внутри зоны уплотнения вокруг сваи в водонасыщенных глинистых грунтах.

5. Эколого-экономическая оценка технологии изготовления забивных железобетонных свай со шлаковым щебнем в качестве инертного заполнителя.

5.1 Технология изготовления забивных железобетонных свай со шлаковым щебнем в качестве инертного заполнителя.

5.2. Экономическая оценка платы за размещение отходов.

5.3 Снижение объема капитальных затрат на производство забивных железобетонных свай на шлаковом щебне.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение негативного воздействия доменных шлаков при их утилизации на объекты гидросферы»

Актуальность темы.

Ежегодно на предприятиях черной металлургии России образуется более 40 млн. тонн металлургических шлаков. Наибольшую долю из них составляют доменные шлаки, представляющие собой силикатные системы, содержащие наряду с основными компонентами — силикатами кальция и магния, железа и его оксидов более 20 соединений тяжелых металлов {В.С.Горшков, А.Г. Романенко).

До 90-х годов прошлого века образующиеся отходы складировались в отвалах открытым способом, часто вблизи водных объектов, степень использования шлаков составляла менее 20%. В отвалах, являющихся значительным источником антропогенного воздействия на окружающую среду, в особенности на объекты гидросферы, накоплено более 200 млн. тонн шлаков.

Доменные шлаки по своим свойствам подобны природным силикатным материалам (гравийный щебень, керамзит), широко используемым в строительной индустрии, и на большинстве металлургических предприятий России в настоящее время доменные шлаки текущего выхода утилизируются с получением шлакового щебня, бетонов и железобетонов, минераловатных материалов и др. (К. А. Черепанов, B.C. Баталии). Начинают интенсивно использоваться и отвальные шлаки, в связи, с чем возникает проблема рекультивации выработанных объектов складирования.

Вместе с тем, анализ научно-технической информации показал, что вопросы влияния шлаковых отвалов, металлургических шлаков и строительных материалов на их основе на объекты гидросферы остаются недостаточно изученными. Отсутствие системного подхода к исследуемой проблеме, данных сравнительного анализа эмиссий загрязняющих веществ из природных материалов (щебня), из шлаков, продуктов их утилизации и изделий из них в водные объекты не позволяют оценить их реальную экологическую опасность.

Проведение комплексных исследований по оценке воздействий доменных шлаков и продуктов их переработки, в частности, бетонов различных марок и изделий из них - железобетонных свай, на объекты гидросферы является актуальной задачей, требующей решения.

Цель работы - снижение негативного воздействия доменных шлаков на объекты гидросферы путем разработки экологически безопасной технологии изготовления и использования забивных железобетонных свай на шлаковой основе.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести комплексную оценку воздействий отвалов доменных шлаков на объекты гидросферы и разработать мероприятия, направленные на их минимизацию.

2. Определить химический состав, физико-химические свойства доменных металлургических шлаков и шлакового щебня, полученного при обогащении шлаков, установить их потенциальную экологическую опасность на примере шлаков одного из крупных металлургических предприятии Пермского края - Чусовского металлургического завода (ЧМЗ).

3. Исследовать физико-химические и механические свойства образцов бетона на шлаковом щебне; закономерности эмиссий ионов тяжелых металлов из образцов шлакового щебня и бетонов на шлаковом щебне в водные среды и оценить их потенциальную экологическую опасность для объектов гидросферы.

4. Разработать экологически безопасную технологию изготовления и использования забивных железобетонных свай на шлаковой основе и провести опытно-промышленные испытания образцов.

Объект исследования: доменные металлургические шлаки и шлаковый щебень (ЧМЗ), образцы бетонов с заполнителем из шлакового щебня и забивные железобетонные сваи на их основе.

Предмет исследования: воздействие доменных металлургических шлаков, образцов бетонов с заполнителем из шлакового щебня на объекты гидросферы, физико-химические и механические свойства бетонов на шлаковом щебне, эксплуатационные характеристики железобетонных свай на шлаковом щебне.

Научная новизна

• Определены закономерности эмиссии ионов тяжелых металлов (титана, ванадия, железа и марганца) из природного, шлакового щебня и образцов бетонов на шлаковом щебне в модельные водные среды. Установлено, что зависимость эмиссий ионов тяжелых металлов (ТМ) в воду от времени имеет экстремальный характер. Снижение эмиссий тяжелых металлов через 3-5 суток после начала обработки обусловлено повышением рН среды и образованием труднорастворимых гидроксидов и сульфидов тяжелых металлов. Определены кинетические уравнения и константы скорости эмиссии тяжелых металлов в модельный раствор при рН=4,8.

• Установлено, что эмиссии токсичных тяжелых металлов из бетонов на шлаковом щебне соответствуют образцам бетонов на природном щебне. Разработаны физическая модель формирования уплотненного слоя грунта при забивке свай в водонасыщенные глинистые грунты с выделением четырех зон уплотнения, предотвращающих проникновение грунтовой влаги к свае и эмиссию загрязняющих веществ в окружающую среду, и методика расчета коэффициента фильтрации в зонах уплотнения в зависимости от пористости грунта.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны мероприятия, направленные на снижение эмиссий загрязняющих веществ в водные объекты при временном складировании доменных металлургических шлаков.

2. Разработана рецептура получения образцов бетонов, соответствующих классам бетона по прочности В 15, В 22,5, В 25, с полной заменой природного щебня шлаковым щебнем ЧМЗ. Установлено, что бетон на шлаковом щебне обладает повышенной морозостойкостью (Б 200), что позволяет использовать его для изготовления забивных железобетонных свай, применяемых в климатических условиях Западного Урала и Сибири.

3. Представлены технические условия на изготовления забивных железобетонных свай на шлаковом щебне.

4. Разработана методика определения коэффициента фильтрации грунта внутри зоны уплотнения, вокруг свай и свайных фундаментов, и рекомендации по экологически безопасной технологии использования забивных железобетонных свай на шлаковой основе.

5. Результаты исследований используются в учебном процессе в курсах лекций по дисциплинам «Общая экология», «Механика грунтов, оснований и фундаментов» рабочего учебного плана подготовки специалистов по направлению «Защита окружающей среды», «Промышленное и гражданское строительство», «Автомобильные дороги и аэродромы».

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается применением современных методов анализа и обработки результатов лабораторных и опытно-промышленных исследований; использованием общепринятых методик химического и физико-химического анализа образцов металлургического шлака и бетонов на его основе; положительным опытом реализации предложенных решений. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комплексным анализом экологического состояния отвалов доменных шлаков ЧМЗ установлено их негативное воздействие на грунтовые и поверхностные воды, а также на донные отложения рек в зоне влияния объектов складирования, связанное с эмиссиями ионов тяжелых металлов, что обусловливает необходимость ликвидации отвалов и рекультивации нарушенных территорий.

2. Исследованиями физико-механических свойств, коррозионной устойчивости и морозостойкости образцов бетонов на шлаковом щебне установлено, что по основным эксплуатационным характеристикам полученные образцы не уступают стандартным образцам бетона.

3. Потенциальная экологическая опасность бетонов на шлаковом щебне, установленная по величине эмиссий ионов тяжелых металлов в модельные водные среды (рН=7, рН=4,8), сопоставима со стандартными образцами бетонов на природном щебне.

4. Разработанные технологические решения по изготовлению и эксплуатации забивных железобетонных свай позволяют предотвращать эмиссию загрязняющих веществ в окружающую среду.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Автотранспортный комплекс - проблемы и перспективы, экологическая безопасность» (г. Пермь, 2007 г.), международной научно-технической конференции «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» (г. Пермь, 2008 г.), III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Омск, 2008 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, из них одна статья в журнале, входящем в Перечень ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, список литературы включает 126 источников, в том числе 4 иностранных. Объем диссертации составляет 135 стр. машинописного текста, включающих 41 таблиц и 27 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Экология», Брызгалов, Сергей Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Комплексный анализ экологического состояния отвалов доменных шлаков ЧМЗ позволил установить их негативное воздействие на грунтовые и поверхностные воды, а также на донные отложения рек в зоне влияния объектов складирования, что обусловливает необходимость их ликвидации и рекультивации нарушенных территорий. В грунтовых водах превышение над фоновыми показателями составляет по цинку 8,4 раз, титану — до 2,6, хрому - до 39, никелю - 5,4, марганцу - 5,9 и меди - 9,7 раз. Содержание цинка в поверхностных водных объектах в сравнении с фоновыми значениями увеличивается в 20-22 раза, титана - в 2 и 7 раз; хрома — в 10 раз; никеля - в 6 раз; марганца - в 10 и меди - в 10 и 8 раз .

2. Установлены закономерности эмиссий тяжелых металлов (титана, ванадия, железа и марганца) из шлакового щебня в модельные водные среды. Показано, что в воде в течение 30 суток наблюдается постепенное снижение эмиссий ТМ в результате осаждения на поверхности частиц гидроксидов и сульфидов ТМ. В аммонийно-ацетатном буферном растворе за 30 дней обработки доля экстракции ионов железа составляет 9,6%, ионов Мп — 4,90%, V - 0,27%, Ti - 2,50%, что свидетельствует о высокой устойчивости ТМ в структуре шлака.

3. Разработана рецептура получения образцов бетонов на шлаковом щебне и установлено, что по основным эксплуатационным характеристикам (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и коррозийная стойкость) полученные образцы соответствуют требованиям, предъявляемым к бетонам марок В 15, В 22,5, В 25.

4. Установлено, что потенциальная экологическая опасность бетонов на шлаковом щебне, определенная по величине эмиссий ТМ в водные среды, сравнима со стандартными образцами бетонов на природном щебне.

5. На основании опытно-промышленных испытаний забивных железобетонных свай на шлаковом щебне определены их эксплуатационные характеристики в статическом и динамическом режимах. Установлено, что при забивке сваи вокруг нее формируется водонепроницаемое пространство из уплотнённого грунта, препятствующее проникновению к телу свай влаги и способное предотвращать эмиссию загрязняющих веществ в окружающую среду. Разработана методика определения радиуса зоны уплотнения водонасыщенного глинистого грунта вокруг свайных фундаментов в зависимости от первоначальной плотности грунта.

6. Внедрение разработанной технологии изготовления и эксплуатации железобетонных свай с использованием шлакового щебня ЧМЗ позволяет полностью утилизировать текущий выход доменного шлака и минимизировать эмиссию загрязняющих веществ в водные объекты из отвалов и полученных строительных материалов.

Предлагаемый способ утилизации позволит снизить платежи за размещение отходов на 180,013 млн.руб/год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Брызгалов, Сергей Владимирович, 2009 год

1. Электронный ресурс. Режим доступа: http://chm2.omk3 .rbc.ru./m/about/pesonality/index.php.

2. Тимонин A.C. Инженерно-экологический справочник : учеб. пособие / A.C. Тимонин ; Моск. гос. ун-т инж. экологии.- Калуга : Изд-во Н.Бочкаревой, 2003. Т.З . 2003 .- 1020 с.

3. Утилизация вторичных материальных ресурсов в металлургии : учебник для вузов / К. А. Черепанов и др.М. : Металлургия, 1994 223 с.

4. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2007 году». Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.mnr.gov.ru/part/?pid=1032.

5. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2006 году». Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.mnr.gov.ru/part/?pid=960, свободный.

6. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2005 году». Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.mnr.gov.ru/part/?pid=948, свободный.I

7. Романенко А.Г. Металлургические шлаки. — М.: Металлургия, 1977. -192 с.

8. Долгополов В.М., Алехин JI.A., Богданов И.М. Производство щебня из попутно добываемых пород / «Строительные материалы», 1990г. - № 12. - с. 5-8.

9. Довгопол В.И. Использование шлаков черной металлургии. М.: Металлургия, 1978. - 165 с.

10. Горшков B.C., Александров C.B., Иващенко С.И., Горшкова И.В. Комплексная переработка и использование металлургических шлаков в строительстве. М.: Стройиздат, 1985г. - 272 с.

11. Волженский A.B., Буров Ю.С., Виноградов Б.Н., Гладких К.В. Бетоны и изделия на шлаковых и зольных цементах. М.: Госстройиздат, 1963г. — 362 с.

12. Бутт Ю.М. Технология цемента и других вяжущих материалов. М.: Стройиздат, 1964г. - 352 с.

13. Брызгунов К.А., Гаврилова О.Н. Металлургические шлаки Донбасса. — Донецк: Донбасс. 1989. - 80 с.

14. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.1315-03.

15. Обобщенный перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоемов. М.: Минрыбхоз СССР, 1999. - 49 с.

16. Максимович Н.Г., Меньшикова Е.А., Блинов С.М. Влияние отходов металлургического производства на состояние р. Чусовой. Геодинамика игеоэкология: Материалы международной конференции Архангельск, 1999. -227 - 229 с.

17. Максимович Н.Г., Блинов С.М., Меньшикова Е.А. Воздействие твердых отходов Чусовского металлургического завода на состояние р. Чусовой // Проблемы геологии Пермского Урала и Приуралья: Материалы регион, науч. конф. / Перм.ун-т.-Пермь, 1998. 152-154 с.

18. СНиП 2.01.28-85. Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Строительные нормы и правила. Введ. 1986-01-01.- 18 с.

19. Пособие по проектированию полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов (к СНиП 2.01.28-85): утв Приказом Госстроя СССР от 15 июня 1984 г. N 47. 56 с.

20. Bagchi A. Design, Construction and Monitoring of sanitary landfill.- New York: John Wiley Sons. 1989. - 260 p.

21. Бартоломей A.A., Брандал X. Пономарев А.Б. Основы проектирования и строительства хранилищ отходов: Учебное пособие/Перм. гос. тех. ун-т. — Пермь, 2002. 204 с.

22. Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для твердых бытовых отходов. АКХ им. К.Д. Памфилова — Москва, 1996 г. 64 с.

23. Вайсман Я.И. Реализация стратегии устойчивого развития при захоронении твердых бытовых отходов: Учеб. пособие / Я.И. Вайсман, В.Н. Коротаев// Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2007. - 500с.

24. Ручкинова ОМ. Разработка ресурсосберегающих технологий безопасной утилизации твердых отходов нефтедобычи: Дис. . д.т.н. : спец. 03.00.16 / О.И.Ручкинова ; Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2004 .- 368 с.

25. Воронкова Т.В. Анализ условий эксплуатации противофильтрационных экранов полигонов захоронения твердых бытовых отходов / Актуальные проблемы дорожно-транспортного комплекса. ОхранаI