Technologie immobilizacji odpadów niebezpiecznych składają się z dwóch współzależnych
procesów: stabilizacji oraz/lub zestalania. Założeniem pierwszego z procesów: stabilizacji jest przekształcanie zanieczyszczeń do form słabo rozpuszczalnych, cechujących się zredukowaną mobilnością i toksycznością.
Zestalanie jest procesem, polegającym na stosowaniu dodatków lub mieszanin komponentów powodujących zmianę konsystencji odpadów: z form ciekłych, półstałych, czy osadów do ciała stałego pozbawionego wody wolnej.
Największe zastosowanie mają procesy S/Z przy użyciu cementu typu Portland oraz jego
mieszanin z innymi mineralnymi czynnikami wiążącymi, takimi jak: popioły lotne, żużle
wielkopiecowe, wapno palone lub hydratyzowane.
Proces stabilizacji i zestalania osadu galwanizerskiego przeprowadzono przy użyciu popiołów lotnych i cementu portlandzkiego.
Stosowane osady galwanizerskie pochodzą z zakładu zlokalizowanego na Dolnym Śląsku
w pasywacji niebieskim chromem trójwartościowym oraz galwanicznym: cynkowaniu, niklowaniu
i miedziowaniu. Materiał badawczy jest mieszaniną wodorotlenku: chromu (III), miedzi(II), cynku(II)
i niklu(II). W pierwszym etapie ćwiczenia określono uwodnienie i masę organiczną przetwarzanych odpadów.
Wykonano trzy naważki do oznaczenia uwodnienia i masy organicznej w osadzie galwanizerskim, popiole oraz cemencie portlandzkim. Wyniki przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Uwodnienie i masa organiczna poszczególnych materiałów.
Dalej dokonano analizy stężeń metali Cr, Cu, Zn i Ni w cieczach z testu PN-EN-12457-4 (test wodny) oraz testu TCLP (test octowy), w celu oceny toksyczności unieszkodliwianych osadów galwanizerskich.
Przygotowano trzy próbki zawierające kolejno 50 g osadu galwanizerskiego, cementu
i popiołu, które zalano 500 ml wody destylowanej. Wszystkie próbki w kolejnym etapie wytrząsano przez 0,5h, a następnie sączono. W uzyskanych ługach dokonano pomiaru pH oraz przewodnictwa właściwego.
Przygotowano trzy próbki zawierające kolejno 25 g osadu galwanizerskiego, cementu
i popiołu, które zalano 500 ml kwasu octowego o pH= 2,88. Wszystkie próbki w kolejnym etapie wytrząsano przez 0,5h, a następnie sączono. W uzyskanych ługach dokonano pomiaru pH oraz przewodnictwa właściwego.
Wyniki analizy składu chemicznego osadów oraz stężeń kationów metali w ługach z testów na wymywanie zanieczyszczeń zestawiono w tabelach 2-7 i przedstawiono poniżej.
Tabela 2. Przewodnictwo właściwe i odczyn pH badanych prób.
Tabela 3. Stężenie analizowanych kationów metali w osadach galwanizerskich oraz w ługach z testu przeprowadzonego zgodnie z normą PN-EN 12457-4:2006.
Tabela 4. Stężenie analizowanych kationów metali w osadach galwanizerskich oraz w eluencie z testu TCLP.
Tabela 5. Stężenie analizowanych kationów metali w popiołach lotnych oraz w ługu z testu przeprowadzonego zgodnie
z normą PN-EN 12457-4:2006.
Tabela 6. Stężenie analizowanych kationów metali w popiołach lotnych oraz w ługu z testu TCLP.
Tabela 7. Stężenie analizowanych kationów metali w cemencie portlandzkim oraz w ługu z testu przeprowadzonego zgodnie z normą PN-EN 12457-4:2006.
Tabela 8. Stężenie analizowanych kationów metali w cemencie portlandzkim oraz w ługu z testu TCLP.
W kolejnym etapie zestalano osad galwanizerski przy użyciu cementu portlandzkiego oraz trzech mieszanin cementowo- popiołowych, w których udział procentowy cementu i popiołów lotnych wynosi odpowiednio: 70/30, 50/50, 40/60. Do ww mieszanin stabilizujących wprowadzono osady surowe w proporcji 3/1.
Tabela 9. Skład próbek i ich wytrzymałość na ściskanie.
Wszystkie komponenty wymieszano mechanicznie w reaktorze do zapraw cementowych Tecnotest B205/X5 przez ok. 120 s do momentu uzyskania jednolitej barwy i konsystencji. Następnie do próbek dodano wodę zarobową i mieszano przez kolejne 180 s. Uzyskaną masę formowano w postaci walców i zagęszczono na stole wibracyjnym przez 300 s. Tak przygotowane próbki przechowywano przez 28 dni (tzw. okres dojrzewania w szafie termostatycznej w temp. 20°C), przy czym po 3 dniach próbki rozformowano i pozostawiono na kolejne 25 dni maturacji. Po 28 dniach dojrzewania oceniono efektywność procesów stabilizacji /zestalania na podstawie pomiarów wytrzymałości mechanicznej na ściskanie oraz analizy chemicznej ługów z testów na wymywanie zanieczyszczeń z godnie z procedurą TCLP oraz normą PN-EN-12457-4:2006. Wyniki analizy przedstawiono w tabeli 9 oraz 10.
Tabela 10. Stężenie Cr, Cu, Zn i Ni w ługach z testów TCLP oraz PN-EN-12457 przeprowadzonych na próbkach zestalonych osadów surowych stabilizowanych przez 28 dni (proporcja osady/mieszanina stabilizująca 3/1).
.
Wnioski:
Z badań mechanicznych wynika, że im większa proporcja zawartości cementu do popiołu w próbie tym większa jej wytrzymałość na ściskanie. Badane próbki uważa się za bezpieczne i nie ma żadnych przeciwwskazań do ich transportowania i składowania. Odpad niebezpieczny został zmieniony do formy, która spełnia wymagania związane z jego transportem i składowaniem.
Można również stwierdzić, że najlepszym komponentem do stabilizacji osadu galwanizerskiego jest mieszanina cementu portlandzkiego z popiołami lotnymi, które obniżaja zasadowość cementu, przez co zwiększają stopień odkażania osadów mineralnych.
Zaobserwowano, że po 24 h stabilizacji stężenie analizowanych metali w ługach w poszczególnych próbach maleje, poza stężeniem chromu, które niewiele wzrasta. Największą różnicę stężeń widać w próbie 40/60 3/1, gdzie stężenie analizowanych metali drastycznie spada w porównaniu do innych prób, po tym samym czasie stabilizacji. Wszystkie badane stężenia mieszczą się jednak w dopuszczalnych wartościach.
W wyniku oczyszczania ścieków wydzielane są osady ściekowe, które z agrochemicznego
punktu widzenia mogą być czynnikiem poprawiającym jakość i strukturę gleby. Zanim jednak zostaną one wykorzystane na cele rolnicze, wymagają stabilizacji – likwidacji zdolności do zagniwania oraz eliminację organizmów chorobotwórczych. Objętość osadów ściekowych z oczyszczalni biologicznej na ogół nie przekracza 2% objętości ścieków, tym niemniej koszty ich unieszkodliwiania mogą być znaczne.
Podczas stabilizacji osadów wodorotlenkiem wapnia następują reakcje, które prowadzą do zmian składu chemicznego osadów. Wodorotlenek wapnia wchodzi w reakcje ze składnikami zarówno mineralnymi jak i organicznymi.
W przypadku stosowania wapna palonego CaO czynnikiem odkażającym przede wszystkim jest wysoka temperatura i jako czynnik dodatkowy silnie alkaliczny odczyn. Natomiast, gdy do odkażania stosuje się Ca(OH)2 w formie suchej lub jako suspensję, czynnikiem odkażającym jest jedynie odczyn silnie alkaliczny.
Chemiczna stabilizacja osadów polega na ich mieszaniu z reagentami chemicznymi, które powodują zmiany we własnościach cząstek osadu. W wyniku wapnowania osadów następuje wzrost odczynu pH do wartości, przy których następuje inaktywacja enzymów i występują zmiany w budowie białek. Utrzymanie wysokiej temperatury oraz silnie alkalicznego odczynu przez odpowiedni okres gwarantuje redukcję bakterii, wirusów, jaj pasożytów Ascaris do wymaganego poziomu.
Do odkażania odpadów komunalnych użyto wapna palonego i hydratyzowanego. Wapno
cechuje się bardzo dużym rozdrobnieniem, wysoce egzotermiczną reakcją z wodą, silną zasadowością oraz zdolnością absorbowania znacznej ilości wody i jej retencji.
Wapno palone (CaO) składa się głównie z tlenku wapnia CaO oraz tlenku magnezu MgO. Występuje w postaci bezpośredniego produktu wypalenia jako wapno palone kawałkowe, które z wodą wchodzi w reakcję egzotermiczną i służy do wykonywania ciasta wapiennego lub do dalszej przeróbki przez rozdrobnienie na spoiwo proszkowe- wapno palone mielone, a także do produkcji wapna suchogaszonego.
Wapno gaszone ( hydratyzowane Ca(OH)2) do celów użytkowych jest poddawane gaszeniu (łączenie z wodą wg reakcji hydratacji, dając wapno hydratyzowane), któremu towarzyszy gwałtowne wydzielenie dużych ilości ciepła i zwiększenie objętości. Przy gaszeniu wapna należy bezwzględnie przestrzegać zasad bezpieczeństwa i higieny pracy z uwagi na wysoką temperaturę wapna, ryzyko rozprysku i poparzenia, a także ze względu na alkaliczny charakter wapna.
Tabela 11. Zawartość wapna palonego i hydratyzowanego w poszczególnych próbkach.
Przeprowadzono wapnowanie osadów ściekowych wapnem palonym i hydratyzowanym w dawkach zgodnych z dawkami podanymi w tabeli 11. Zmiany składu biologicznego osadu podczas alkalizacji wodorotlenkiem wapnia o początkowym uwodnieniu 98,97% oraz tlenkiem wapna o początkowym uwodnieniu 80% przedstawiono w tabeli 12 oraz tabeli 13. Dokonano również pomiaru temperatury osadowo-wapiennej w przypadku odkażania wapnem CaO. Wyniki pomiarów oraz wykres zależności temperatury od czasu przedstawiono poniżej.
Tabela 12. Zmiany składu biologicznego osadu podczas alkalizacji wodorotlenkiem wapnia.
Tabela 13. Zmiany składu biologicznego osadu podczas alkalizacji tlenkiem wapnia.
Wykonano wyciągi wodne z osadów surowych i substancji odkażającej wg poniższej tabeli zgodnie z procedurą PN-EN 12457-4. Próby wytrząsano pół godziny. Następnie przesączono ciecz znad osadu każdej próbki i dokonano pomiaru pH oraz przewodnictwa właściwego. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 14.
W celu określenia uwodnienia i masy organicznej stabilizowanych osadów wykonano po 5 naważek CaO oraz Ca(OH)2 wg tabeli 14, w której zawarto również otrzymane wyniki.
Tabela 14. Skład wyciągów wodnych z osadów surowych ich uwodnienie, masa organiczna, odczyn oraz przewodnictwo właściwe przesączów.
Tabela 15. Pomiar temperatury mieszaniny: osad surowy + CaO.
Wnioski:
W procesie wapnowania CaO, dzięki uzyskaniu wysokiej temperatury procesu i silnie alkalicznego odczynu, usunięto z osadu jaja glisty świńskiej (Ascaris l. suum). W próbkach 3,4,5 nie wykryto ich wcale. Wynika stąd, że im silniej zasadowe środowisko i wyższa temperatura procesu tym silniejsze właściwości niszczące Ascaris l. suum. Na likwidację bakterii Ascaris l. suum istotny wpływ ma również czas kontaktu wapna z osadami. Wniosek ten wypływa z analizy wyników procesu alkalizacji wodorotlenkiem wapnia.
Podobnie jak w przypadku wapnowania CaO, analiza pH oraz przewodnictwa właściwego wykazała, że wraz ze wzrostem zawartości wapna w próbie wartości badanych parametrów rosną.
Z analizy danych wynika, że jaja glisty świńskiej giną najszybciej i najskuteczniej w silnie alkalicznym środowisku w temperaturze ok. 90°C już po 1 minucie.
Masa organiczna oraz uwodnienie poszczególnych prób maleje wraz ze wzrostem ilości dodanego do nich wapna.
Jako, że w przypadku stosowania wapna palonego CaO czynnikiem odkażającym jest zarówno wysoka temperatura jak i silnie alkaliczny odczyn, proces ten jest efektywniejszy niż proces odkażania przy zastosowaniu wapna gaszonego Ca(OH)2.