Politechnika Wrocławska Wrocław, 29.05.2011
Instytut Inżynierii Środowiska
GOSPODARKA ODPADAMI
-SPRAWOZDANIE Z ZAJĘC LABORATORYJNYCH
Temat: Stabilizacja/zestalanie niebezpiecznych odpadów mineralnych oraz odkażanie
osadów komunalnych różnymi formami wapna
Prowadzący: Wykonała:
mgr inż. Anna Joczyn Beata Rak
Nr albumu 174092
Rok III
2010/2011
Spis treści
Stabilizacja/zestalanie.
Odkażanie odpadów komunalnych przy użyciu CaO oraz Ca(OH)2.
Stabilizacja i zestalanie.
Wstęp.
Istnieje szereg technologii unieszkodliwiania niebezpiecznych odpadów mineralnych.
O wyborze optymalnego sposobu przetwarzania danego rodzaju odpadów decyduje przede wszystkim ich skład oraz ilość, jak również koszt jednostkowy przetworzenia tony materiału. Z tego tez powodu konieczne jest opracowywanie co raz to nowych, bardzie efektywnych metod unieszkodliwiania oraz ciągłe sprawdzanie skuteczności metod obecnie stosowanych, ich optymalizację i udoskonalenie w celu utrzymania zadowalających wyników.
Opis ćwiczenia laboratoryjnego wraz z wynikami.
Proces stabilizacji i zestalania osadu galwanizerskiego przeprowadzono przy użyciu
popiołu i cementu portlandzkiego.
Stosowane osady galwanizerskie pochodzą z zakładu zlokalizowanego na Dolnym Śląsku specjalizującego się 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. Wyniki przedstawiono w tabeli 1.
Wyniki zmian składu chemicznego osadu i stężenia kationów metali w ługach przedstawiono w tabelach.
Tabela 1. Uwodnieni i masa organiczna poszczególnych materiałów.
Materiał | Uwodnienie | Masa organiczna | Przewodnictwo | pH |
---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
PN-EN-12457-4 | TCLP | |||
[-] | [%] | [%] | mS/cm | mS/cm |
Osad | 74,07 | 29,09 | 1,933 | 1,828 |
Cement | 0,17 | 0,12 | 3,310 | 10,840 |
Popiół | 0,31 | 67,53 | 1,822 | 3,880 |
W kolejnym etapie dokonano oznaczenia pH i przewodnictwa unieszkodliwianych osadów galwanizerskich w oparciu o normę PN-EN-12457-4 oraz test TCLP.
Testy wykonano w następujący sposób:
Test PN-EN-12457-4:
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.
Test TCLP:
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 i przedstawiono poniżej.
Tabela 2. Stężenie analizowanych kationów metali w osadzie galwanizerskim oraz ługu przeprowadzonego zgodnie z normą PN-EN-12457-4: 2006.
Wskaźnik | Skład surowego osadu | Ilość kationów metali w naważce osadu uwodnionego | Ilość kationów metali jak przeszła z cieczy nadosadowej | Stężenie kationów metali w cieczy nadosadowej | Ilość kationów metali jak przeszła do roztworu | Wartość pH cieczy nadosadowej |
---|---|---|---|---|---|---|
[mg/kgSm] | [mg] | [mg] | [mg/dm3] | [%] | [-] | |
Cr(III) | 78075 | 3571,62 | 0,96 | 2,1 | 0,03 | 5,64 |
Cu(III) | 54712 | 2502,86 | 14,53 | 31,8 | 0,58 | |
Zn(III) | 37939 | 1735,56 | 299,34 | 655,0 | 17,25 | |
Ni(III) | 2196 | 100,46 | 9,97 | 21,6 | 9,83 |
Naważka- 178 g
Objętość analizowanej próbki- 457 cm3
Uwodnienie osadów- 74,3 %
Tabela 3. Stężenie analizowanych kationów metali w osadzie galwanizerskim oraz ługu przeprowadzonego zgodnie z testu TCLP.
Wskaźnik | Skład surowego osadu | Ilość kationów metali w naważce osadu uwodnionego | Ilość kationów metali jak przeszła z cieczy nadosadowej | Stężenie kationów metali w cieczy nadosadowej | Ilość kationów metali jak przeszła do roztworu | Wartość pH cieczy nadosadowej |
---|---|---|---|---|---|---|
[mg/kgSm] | [mg] | [mg] | [mg/dm3] | [%] | [-] | |
Cr(III) | 78075 | 601,96 | 31,35 | 209 | 5,21 | 4,38 |
Cu(III) | 54712 | 421,83 | 69,00 | 460 | 16,36 | |
Zn(III) | 37939 | 292,51 | 79,20 | 528 | 27,08 | |
Ni(III) | 2196 | 16,93 | 2,60 | 17,3 | 15,33 |
Naważka- 30 g
Objętość analizowanej próbki- 150 cm3
Uwodnienie osadów- 74,3 %
Tabela 4. Stężenie analizowanych kationów metali w cemencie portlandzkim oraz ługu
z normą PN-EN-12457-4: 2006.
Wskaźnik | Skład surowego osadu | Ilość kationów metali w naważce osadu uwodnionego | Ilość kationów metali jak przeszła z cieczy nadosadowej | Stężenie kationów metali w cieczy nadosadowej | Ilość kationów metali jak przeszła do roztworu | Wartość pH cieczy nadosadowej |
---|---|---|---|---|---|---|
[mg/kgSm] | [mg] | [mg] | [mg/dm3] | [%] | [-] | |
Cr(III) | 39,4 | 1,76 | 0,09 | 0,21 | 5,38 | 12,24 |
Cu(III) | 22,8 | 1,02 | 0,002 | 0,005 | 0,22 | |
Zn(III) | 108 | 4,82 | 0,02 | 0,04 | 0,37 | |
Ni(III) | 838 | 37,37 | 0,005 | 0,01 | 0,01 |
Naważka- 45 g
Objętość analizowanej próbki- 450 cm3
Uwodnienie osadów- 0,89 %
Tabela 5. Stężenie analizowanych kationów metali w cemencie portlandzkim oraz ługu z testu TCLP.
Wskaźnik | Skład surowego osadu | Ilość kationów metali w naważce osadu uwodnionego | Ilość kationów metali jak przeszła z cieczy nadosadowej | Stężenie kationów metali w cieczy nadosadowej | Ilość kationów metali jak przeszła do roztworu | Wartość pH cieczy nadosadowej |
---|---|---|---|---|---|---|
[mg/kgSm] | [mg] | [mg] | [mg/dm3] | [%] | [-] | |
Cr(III) | 39,4 | 0,98 | 0,075 | 0,15 | 7,68 | 10,84 |
Cu(III) | 22,8 | 0,56 | 0,01 | 0,02 | 1,77 | |
Zn(III) | 108 | 2,68 | 0,005 | 0,01 | 0,19 | |
Ni(III) | 838 | 20,76 | 1,195 | 2,39 | 5,76 |
Naważka- 25 g
Objętość analizowanej próbki- 500 cm3
Uwodnienie osadów- 0,89 %
Tabela 6. Stężenie analizowanych kationów metali w popiołach lotnych oraz ługu przeprowadzonego zgodnie z normą PN-EN-12457-4: 2006.
Wskaźnik | Skład surowego osadu | Ilość kationów metali w naważce osadu uwodnionego | Ilość kationów metali jak przeszła z cieczy nadosadowej | Stężenie kationów metali w cieczy nadosadowej | Ilość kationów metali jak przeszła do roztworu | Wartość pH cieczy nadosadowej |
---|---|---|---|---|---|---|
[mg/kgSm] | [mg] | [mg] | [mg/dm3] | [%] | [-] | |
Cr(III) | 104 | 4,66 | 0,126 | 0,28 | 2,70 | 11,4 |
Cu(III) | 198 | 8,87 | 0,00045 | 0,001 | 0,01 | |
Zn(III) | 375 | 16,80 | 0,0765 | 0,17 | 0,46 | |
Ni(III) | 156 | 6,99 | 0,144 | 0,32 | 2,06 |
Naważka- 45 g
Objętość analizowanej próbki- 450 cm3
Uwodnienie osadów- 0,45 %
Tabela 7. Stężenie analizowanych kationów metali w popiołach lotnych oraz ługu przeprowadzonego zgodnie z testu TCLP.
Wskaźnik | Skład surowego osadu | Ilość kationów metali w naważce osadu uwodnionego | Ilość kationów metali jak przeszła z cieczy nadosadowej | Stężenie kationów metali w cieczy nadosadowej | Ilość kationów metali jak przeszła do roztworu | Wartość pH cieczy nadosadowej |
---|---|---|---|---|---|---|
[mg/kgSm] | [mg] | [mg] | [mg/dm3] | [%] | [-] | |
Cr(III) | 104 | 2,59 | 0,10 | 0,20 | 3,86 | 4,61 |
Cu(III) | 198 | 4,93 | 0,99 | 1,97 | 19,99 | |
Zn(III) | 375 | 9,34 | 1,85 | 3,69 | 19,77 | |
Ni(III) | 156 | 3,89 | 0,44 | 0,87 | 11,20 |
Naważka- 25 g
Objętość analizowanej próbki- 500 cm3
Uwodnienie osadów- 0,45 %
W kolejnym etapie zestalano osad galwanizerski przy użyciu cementu portlandzkiego oraz trzech mieszanin cementowo- popiołowych, w których udział procentowy cementu i popiołów lotnych C/P wynosi odpowiednio: 70/30, 50/50, 40/60.Do ww. mieszanin stabilizujących (MS) wprowadzono osady surowe (G) w proporcji G/MS= 3/1.
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 poniżej.
Tabela 8. Skład próbek
Próba | Osady | Cement | Popioły | Woda zarobowa | Wytrzymałość mechaniczna na ściskanie |
---|---|---|---|---|---|
[g] | [g] | [g] | [cm3] | [MPa] | |
3/1 100/0 | 200 | 67 | 0 | Ok. 20 | 1,11 |
3/1 70/30 | 200 | 47 | 20 | Ok. 20 | 0,77 |
3/1 50/50 | 200 | 33,5 | 33,5 | Ok. 20 | 0,59 |
3/1 40/60 | 200 | 27 | 40 | Ok. 20 | 0,68 |
3/1 0/100 | 200 | 0 | 67 | Ok. 20 | - |
Tabela 9. 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)
Próba | Czas | pH cieczy nadosadowej | Przewodnictwo właściwe | Cr | Cu | Zn | Ni |
---|---|---|---|---|---|---|---|
[h] | [mS/cm] | [mg/dm3] | [mg/dm3] | [mg/dm3] | [mg/dm3] | [mg/dm3] | |
100/0 3/1 | 24 | 11,10 | 3,18 | 5,08 | 0,73 | <0,009 | < 0,03 |
18 | 6,86 | 7,29 | 0,21 | 0,59 | 3,19 | 0,72 | |
70/30 3/1 | 24 | 10,71 | 3,86 | 2,0 | 1,53 | < 0,009 | < 0,03 |
18 | 6,95 | 7,79 | 0,35 | 1,66 | 11,23 | 0,47 | |
50/50 3/1 | 24 | 10,52 | 4,71 | 1,35 | 0,29 | < 0,009 | 0,05 |
18 | 6,28 | 7,23 | 0,22 | 3,01 | 21,86 | 0,71 | |
40/60 3/1 | 24 | 9,51 | 5,24 | 0,32 | 0,34 | < 0,009 | < 0,03 |
18 | 6,17 | 7,58 | 0,13 | 11,23 | 35,38 | 1,13 | |
Wartości dopuszczalne | 24 | - | - | 2,5 | 30 | 15 | 3 |
18 | - | - | 5 | - | - | - |
Wnioski
Z analizy wyników wytrzymałości mechanicznej na ściskanie wynika, że im większa proporcja zawartości cementu do popiołu w próbie tym większa jej wytrzymałość na ściskanie. Aczkolwiek po dodaniu do próby cementu i popiołu w tej samej proporcji jej wytrzymałość mechaniczna na ściskanie jest mniejsza niż w przypadku zwiększenia tego stosunku na niewielka korzyść popiołu.
Z analizowanych prób zestalonych osadów surowyc, stabilizowanych przez 28 dni wynika, że im dłuższy czas stabilizacji próby, tym wyższe pH oraz niższe przewodnictwo właściwe.
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 próbie zwierającej jedynie dodatek cementu potwierdza się wcześniejsza teza, z wyjątkiem stężenia chromu, które po 24 h stabilizacji gwałtownie wzrasta przekraczając dopuszczalne wartości.
Odkażanie odpadów komunalnych CaO i Ca(OH)2.
2.1. Wstęp.
W efekcie oczyszczania ścieków wydzielane są osady ściekowe, które z agrochemicznego z 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.
Opis ćwiczenia laboratoryjnego wraz z wynikami.
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 10. Zawartość wapna palonego i hydratyzowanego w poszczególnych próbkach.
Nr próbki | Naważka osadów surowych | Dawka wapna palonego | Dawka wapna hydratyzowanego |
---|---|---|---|
[g] | [g] | [g] | |
1 | 100 | 10 | 5 |
2 | 100 | 15 | 8 |
3 | 100 | 20 | 12 |
4 | 100 | 25 | 18 |
5 | 100 | 30 | 25 |
W pierwszym etapie ćwiczenia przygotowano 5 naważek zawierających po 100 g osadu
Galwanizerskiego, do których dodano wapno gaszone (Ca(OH)2) (zgodnie z tabelą 10). Składniki zmieszano razem i odstawiono na pół godziny. Po tym czasie z każdej próbie odważono 50 g i dodano 500 cm3 wody destylowanej. Próby przeniesiono na urządzenie wytrząsające i wytrząsano pół godziny. Następnie zlano ciecz znad osadu każdej próbki i dokonano pomiaru pH oraz przewodnictwa właściwego. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 11.
W kolejnym etapie przygotowano 5 kolejnych próbek z osadem galwanizerskim- po 100g każda- do których dodano wapno palone (CaO) (zgodnie z tabelą 10). Składniki wymieszano i dokonano natychmiastowego pomiaru temperatury co 1 min przez 30 min. Wyniki pomiaru przedstawiono na wykresie 1
.
Wykres 1. Wykres przebiegu zmian temperatury od czasu w próbach osadu galwanizerskiego
z wapnem palonym (CaO).
Po pomiarze temperatury próbki nastawiono na wyciąg wodny-odważono 50 g z każdej i dodano 500 cm3 wody destylowanej. Próby przeniesiono na urządzenie wytrząsające i wytrząsano pół godziny. Następnie zlano ciecz znad osadu każdej próbki i dokonano pomiaru pH oraz przewodnictwa właściwego. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 11.
Tabela 11. Wyniki pomiarów pH i przewodnictwa właściwego w badanych próbkach
osadu galwanizerskiego.
CaO | Ca(OH)2 | |
---|---|---|
Próba | pH | przewodnictwo [mS/cm] |
1 | 13,64 | 7,65 |
2 | 13,7 | 8,27 |
3 | 13,72 | 8,12 |
4 | 13,73 | 8,34 |
5 | 13,75 | 8,31 |
Tabela 12. pH oraz przewodnictwo badanego osadu komunalnego.
Badany materiał | pH | Przewodnictwo |
---|---|---|
Osad | 8,06 | 0,708 mS/cm |
We wszystkich badanych próbach oznaczono uwodnienie i masę organiczną. Wyniki przedstawiono w tabeli 13.
Tabela 13. Uwodnieni i masa organiczna poszczególnych materiałów.
Substancja | Nr próbki | Uwodnienie | Masa organiczna |
---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | |
[-] | [%] | [%] | |
CaO | 1 | 66,85 | 0,6047 |
2 | 64,30 | 0,3149 | |
3 | 58,99 | 0,2536 | |
4 | 57,14 | 0,1818 | |
5 | 0,1211 | ||
Ca(OH)2 | 1 | 0,7445 | 0,4894 |
2 | 0,7398 | 0,4158 | |
3 | 0,7340 | 0,3084 | |
4 | 0,6716 | 0,2653 | |
5 | 0,6376 | 0,1756 |
Tabela 14. Rezultaty dezaktywacji osadów przefermentowanych o uwodnieniu 80%.
Próbka | Dawka wapna palonego | Dawka wapna palonego | Temperatura max. | Czas konieczny do uzyskania temperatury max. | Glista świńska (Ascaris l.suum) |
---|---|---|---|---|---|
kgCaO/kg osadów | kgCaO/kg sm osadów | °C | min | w 1cm3 | |
1 | 0,1 | 0,5 | 37,5 | 4 | (++) |
2 | 0,15 | 0,75 | 52 | 4 | (++) |
3 | 0,2 | 1 | 62 | 5 | - |
4 | 0,25 | 1,25 | 97,7 | 1 | - |
5 | 0,3 | 1,5 | 100,1 | 1 | - |
Tabela 15. Zmiany składu biologicznego osadu wtórnego podczas alkalizacji wodorotlenkiem wapnia (uwodnienie początkowe osadu 98,97%).
Parametr/wskaźnik.jednostka | Próbka po 1 dobie kontaktu | Próbka po 2 dobie kontaktu | Próbka po 3 dobie kontaktu |
---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | |
Dawka wapna | kg Ca(OH)2/kg osadów | 0,05 | 0,08 |
kg Ca(OH)2/kg Sm osadów | 4,85 | 7,77 | |
pH | 9,23 | 10,30 | 11,63 |
Bakterie Salmonella w 1 cm3 | Obecne | brak | brak |
Grzyby pleśniowe w 1 cm3 | Obecne (+++) | Obecne (+++) | brak |
Glista świńska (Ascaris l. suum) w 100 cm3 | Obecne (+++) | Obecne (+++) | Obecne (+++) |
Wnioski
W procesie wapnowania CaO dzięki uzyskaniu wysokiej temperatury procesu i silnie alkalicznego odczynu usunięto z osadu przefermentowanych jaj glisty świńskiej (Ascaris l. suum). W próbkach 3,4,5 nie wykryto ich wcale. Natomiast w próbkach 1 i 2 wykryto pojedyncze jaja (ze względu na niższą temperaturę procesu- przebiegał on w temperaturze do 100°C). Wynika stąd, że im silniej zasadowe środowisko i wyższa temperatura procesu tym silniejsze właściwości niszczące Ascaris l. suum.
W osadach wtórnych podczas alkalizacji wodorotlenkiem wapna (Ca(OH)2) obecność bakterii Salmonella wykryto w obu przypadkach w próbkach nr 1 w każdej dobie kontaktu. W pozostałych próbkach- brak. Świadczy to o tym, że bakteria ta ginie przy pH powyżej 10.
Grzyby pleśniowe wykryto w obu procesach wapnowania w próbkach 1 i 2 po 1 i 2 dobach kontaktu, natomiast w 3 dobie tylko w próbce nr 1. Wynika stąd, że na bakteriobójcze działanie wapna duży wpływ ma przy pleśniach czas.
Bakteria Ascaris l. suum w pierwszej dobie kontaktu jest obecna licznie we wszystkich próbach. Po dwóch dobach liczne bakterie obecne są w próbkach 1 i 2. W próbce 3 i 4 ilość bakterii uległa niewielkiemu zmniejszeniu. Natomiast w próbce nr 5 nie wykryto bakterii glisty świńskiej. W 3 dobie odnotowano liczne bakterie w próbie 1 i 2, natomiast w próbach 3,4,5 całkowity brak. Wynika stąd, że na likwidację bakterii Ascaris l. suum istotny wpływ ma nie tylko pH, ale przede wszystkim czas kontaktu wapna z osadami.
Większość bakterii, grzybów oraz jaj glisty świńskiej ginie przy pH 11,16-11,3 po upływie trzech dób.
Podobnie jak w przypadku wapnowania CaO, analiza pH oraz przewodnictwa właściwego wykazała, że wraz ze wzrostem zawartości wapna w próbie wartości badanych parametrów rosną. Pewne nieścisłości pojawiają się jednak w próbkach 3 i 4, prawdopodobnie wynikają one z przypadkowej zamiany próbek.
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.