بازیافت پسماند واحد تصفیه آب برای تولید آجر خاکی- سیمانی

واحدهای تصفیه آب، مقادیر زیادی از لجن  شهری را تولید میکنند که باید دور ریخته شود. یک مساله حیاتی یافتن یک مقصد اکولوژیکی برای دفع نهایی آن میباشد. در این کار امکان مشارکت دادن پسماند واحد تصفیه آب در ساختار  اجرهای خاک- سیمان برای انجام ساخت و ساز شهری بررسی شده است. یک نمونه از مواد پسماند از نظر ترکیب  شیمیایی، انکسار اشعه ایکس، اندازه ذرات و مواد آلی،  آنالیز شد . مخلوطهای سیمان -خاک محتوی تا 5% وزنی از پسماند بعنوان جزئی از مولفه ی خاک پرس شد و بمدت 28 روز عمل اوری شد. اثرات مشارکت پسماند واحد تصفیه آب  در ساخت آجرها، با ارزیابی خواص فیزیکی مختلف مانند مقاومت تراکمی، چگالی ظاهری، و جذب آب تحمین زده شد. نتایج نشان داد پسماند واحد تصفیه آب، یک ماده پلاستیک است که عمدتاً از ذرات سنگ معدنی kaolinite  (کائولینیت)  تشکیل شده است. همچنین نتایج نشان داد که بازیافت پسماند تصفیه آب میتواند برای تولید آجرهای خاکی- سیمانی استفاده شود، که به کاهش اثرات زیست محیطی واحدهای تصفیه آب کمک میکند.

کلمات کلیدی: تصفیه خانه فاضلاب، بازیافت، خاک، سیمان

• مقدمه

در حال حاضر، نیاز به حفظ محیط زیست توجه زیادی از دنیای صنعت و جامعه دانشگاهی را بخود جلب نموده است. بخصوص در زمینه فرآیندهایی که درگیر بازیافت پسماند تصفیه آب میباشند. این موضوع از این حقیقت ناشی میشود که استفاده از پسماندهای جامد به میزان زیادی در محافظت از محیط زیست و توسعه پایدار آن مشارکت میکنند.

یک مورد خاص برای تولید مقادیر زیاد از پسماندهای جامد  الاینده  ، واحدهای دستگاه تصفیه آب برای مصرف انسانها میباشند. به طور سنتی، مقصد نهایی لجن شهری ناشی از واحدهای تصفیه اب؛ سیستمهای آب  میباشد به  عدم انجام تصفیه نزدیکتر میباشند (تقریباً تصفیه نشده هستند). این باعث ایجاد مشکلات محیط زیستی مانند ایجاد  خطر  در زندگی آبزیان، افزایش میزان جامدات، تغییرات در رنگ و تیرگی، رسوب نمودن ، افزایش غلظت فلزات در پسماند میشود و ممکن است باعث ایجاد خطرات برای سلامت عمومی نیز شود. یک مساله حیاتی یافتن یک مقصد اکولوژیکی نهایی برای پسماندها ی حاصل از  واحدهای تصفیه آب میباشد.

در سالهای اخیر، در مقایسه با روشهای سنتی، صنعت ساخت و ساز ، یک جایگزین امید بخش برای دفع پسماندهای جامد با انواع مختلف و تولید شده  از منشا های مختلف بوده است. از سوی دیگر در مقالات مشخص است که مطالعات کمی  روی مشارکت لجن شهری (پسماند) ناشی از واحدهای تصفیه آب در تولید آجرهای خاکی- سیمان انجام شده است. در این کار؛ احتمال استفاده از پسماند واحد تصفیه آب در تولید  آجرهای خاکی- سیمانی برای انجام ساخت و ساز شهری مورد مطالعه قرار گرفته است. آجر خاکی- سیمانی به صورت آجرهای سازگار با محیط زیست و نیز اجرهای مقرون به صرفه  در نظر گرفته میشود زیرا در مقایسه با آجرهای خاک رسی متعارف ، انجام مرحله حرارت دهی در ان لازم نیست. علاوه بر این؛ آجر خاکی- سیمانی برای انجام ساخت و ساز در خانه سازی در کشورهای در حال توسعه، زمینه خیلی جذابی است .

• فرایند تجربی

نمونه نماینده از لجن پسماند در واحد تصفیه آب در ناحیه Goytacazes-RJ Campos dos   واقع در برزیل جمع اوری شد. لجن پسماند برای حذف اب مازاد  تحت فرآیند  ته نشینی قرار گرفت، و همگن سازی شد و در یک آون خشک کننده در دمای   °C110 بمدت 48 ساعت قرار گرفت. پسماند خشک غربال شد تا اجزا از غربال با مش 35  (um ASTM  425  ) عبور کنند .

انالیز مربوط به معدن شناسی نمونه پسماند واحد تصفیه آب با انکسار اشعه ایکس ( انکسار سنج Shimadzu, XRD-7000) ، با استفاده از تشعشع تک رنگ    در نرخ  انجام شد.  ترکیب شیمیایی نمونه با استفاده از اسپکترومتر اشعه ایکس پراکنده ساز- انرژی ( مدل Shimadzu ،EDX-700) تخمین زده شد. انالیز اندازه ذرات با فرآیندهای استاندارد مطابق با  استاندارد NBR 7181-84 انجام شد. ارزیابی شاخص پلاستیک Atterberg (اتربرگ) مطابق با استانداردهای برزیلی  NBR 6459-84 و NBR 7180-84 انجام شد. برآورد میزان مواد الی، مطابق با Walkley-Black انجام شد.

مخلوطهای خاک- سیمان محتوی تا 5% وزنی پسماند واحد تصفیه آب، بعنوان  ماده متشکله جزیی از خاک آماده‌سازی شد ( جدول 1) . ترکیب سنتی خاک- سیمان ( نسبت خاک: سیمان برابر با 10:1) بعنوان مرجع استفاده شد. سیمان پرتلند و خاک تجاری مورد استفاده قرار گرفتند. مخلوطهای خاک/ پسماند/ سیمان با 16% وزنی آب مرطوب شدند. نمونه های استوانه ای با روش پرس هم محور (MPa 18) آماده شدند، و بمدت 28 روز در مخزن مرطوب ( رطوبت 95% در دمای 24 درجه سانتی گراد) عمل آوری شدند.

خواص فنی زیر از اجرهای خاکی- سیمانی مطابق با فرآیندهای استاندارد تخمین زده شدند:

جذب آب ، مقاومت تراکمی ، چگالی بالک .

• نتایج و توضیحات

شکل 1 الگوی انکساری اشعه ایکس نمونه واحد  تصفیه آب استفاده شده در این کار را نشان میدهد. فازهای معدنی شناسایی شده شامل کائولینیت  (kaolinite )، کوارتز، ژیپسیت، میکا و اکسید اهن معدنی هیدرژن دار ؛ با غلبه کائولینیت بودند.

شکل1- الگوی انکساری اشعه ایکس پسماند واحد تصفیه آب

جدول 2، نتایج ترکیب شیمیایی و افت ناشی از احتراق پسماند واحد تصفیه آب را نشان میدهد.  مشاهده میشود که پسماند ضرورتا از   و  که حدود   میباشد، تشکیل شده است.  این نتایج با نتایج انکسار اشعه ایکس ( شکل 1) مطابقت دارد. از سوی دیگر ، نمونه پسماند دارای افت بالا در اثر احتراق است (  در دمای 1000 درجه سانتی گراد) که در حدود  میباشد. مطابق با نظر ، این مورد به دلیل افت آب از مواد معدنی رسی و بدون اب شدن هیدروکسیدها و همچنین تجزیه مواد آلی میباشد. در واقع، پسماند نمونه دارای مقادیر زیادی از مواد الی میباشد  .

نمونه پسماند واحد تصفیه آب یک محدوده وسیعی از اندازه ذرات بین (1 تا 600 میکرمتر) را نشان داد، که متوسط اندازه ذرات حدود 5 میکرومتر بود. مشخص شد که میزان جز ء خاک رس ( کمتر از 2 میکرومتر) نسبتا بالا  و در مرتبه حدود 35% بود. درصد بالای ذرات ریز در پسماند ضرورتا مربوط به حضور کائولینیت است همانطور که در شکل 1 نیز نشان داده شده است.

محتوی بالای جز ء رس  در مرحله  همگن سازی  مخلوط خاک- سیمان خیلی ازار دهنده است. این ممکن است فرایند هیدراتاسیون سیمان را تحت تاثیر قرار دهد. نمونه پسماند پلاسسیته بالایی را نشان داد ( شاخص پلاسسیته اتربرگ = 25.4%)، و  با داده های توزیع اندازه ذرات بخوبی تصحیح شده است. بعلاوه؛ مقدار شاخص پلاسسیته از انجا که در مقادیر کمی افزوده شده است؛ پیشنهاد میدهد که پسماند  واحد تصفیه آب   میتواند برای تولید آجرهای خاکی- سیمانی استفاده شود.

شکل 2 نتایج مقاومت تراکمی اجرهای خاکی- سیمانی که در انها از پسماند واحد تصفیه آب استفاده شده است و بمدت 28 روز عمل اوری شده است را نشان میدهد. اثر افزودن پسماند کاستن از مقاومت مکانیکی آجرهای خاکی- سیمانی بود. مقادیر مقاومت مکانیکی آجرهای خاکی- سیمانی از مقدار مشخص شده  در  که برابر با  است، بالاتر بود.

شکل 2- مقاومت تراکمی سیمان- خاک

شکل 3 مقادیر چگالی ظاهری آجرهای خاکی- سیمانی که در ان از پسماندهای واحد تصفیه آب استفاده شده است را نشان میدهد. ذکر شده است که، با افزایش مقدار  پسماندهای واحد تصفیه آب ،  تمایلی به مقادیر کمتر چگالی ظاهری در آجرهای خاکی- سیمانی وجود دارد. این با نتایج مقاومت مکانیکی ( شکل 2) مطابقت  دارد. شکل 4 مقادیر جذب اب در اجرهای خاکی – سیمانی که در ان از پسماندها ی واحد تصفیه آب که بمدت 28 روز عمل اوری شده است،  استفاده شده است ، را نشان میدهد. مشاهده شد که مقادیر جذب اب آجرهای خاکی- سیمانی به میزان زیادی تحت تاثیر افزایش پسماند است. بطور کلی، جذب اب با افزودن پسماند افزایش یافت. این رفتار میتواند به این واقعیت نسبت داده شود که نمونه پسماند واحد تصفیه آب درصد بالایی از رس ( 35%) و پلاسسیته بالا ( شاخص پلاسسیته = 25.4%) را نشان میدهد ، که بر واکنشهای هیدراتاسیون ( ابدار کردن) سیمان تاثیر میگذارد. پسماند واحد تصفیه آب مقادیر زیادی اب را جذب میکند و بنابراین اب کافی را برای تکمیل تشکیل فازهای آبدار در سیمان در اختیار ندارد. مقادیر جذب اب آجرهای خاکی- سیمانی که تا حدود 1.25% پسماند واحد تصفیه آب در تولید ان مشارکت دارد؛ در بازه مقادیر اختصاص داده شده  در   قرار دارد که  در حدود  میباشد.

• جمع بندی

جمع بندی زیر میتواند از نتایج تجربی و مباحث مربوط به ان به دست آید.

پسماند واحد تصفیه آب یک ماده پلاستیک است  که از نظر  و مواد آلی غنی میباشد.  نتایج انکسار اشعه ایکس نشان داد که در ترکیب  نمونه پسماند؛ کائولینیت غالب است. در این کار ثابت شد که خاک میتواند با حدود 1.25% پسماند واحد تصفیه آب در تولید آجرهای خاکی- سیمانی جایگزین شود. محدودیت اصلی برای بازیابی پسماند واحد تصفیه آب در آجرهای خاکی- سیمانی مربوط به افزایش میزان جذب آب میباشد. مشارکت بازیافت پسماند تصفیه آب در تولید آجرهای خاکی- سیمانی یک جایگزین عالی برای استفاده مجدد از مواد و تمرین های بازیابی پسماندهای جامد میباشد.

تشکر

نویسندگان از   FAPERJ و  CNPq  برای پشتیبانی مالی و نیز از کمپانی Águas do Paraíba برای تامین بازیافت پسماند تصفیه آب تشکر میکنند.