Cand. of techn. sciences L.V. Trykoz, eng. V.U. Savchuk

УДК 624.131

Застосування активного мулу станцій біологічного очищення для стабілізації ґрунтів

Кандидат техн. наук Л.В. Трикоз, інж. В.Ю. Савчук

Использование активного ила станций биологической очистки для стабилизации грунтов

Кандидат техн. наук Л.В. Трикоз, инж. В.Ю. Савчук

Using of activated sludge of biological treatment plant for soil stabilization

Cand. of techn. sciences L.V. Trykoz, eng. V.U. Savchuk

У статті розглянуто можливість застосування активного мулу станцій біологічного очищення для стабілізації нестійких грунтів в основах будівель та споруд. Активний мул накопичується на полях навколо міст на великій площі, погіршуючи екологічне середовище. У результаті проведенних досліджень встановлено, що уведення в грунтовий матеріал 50 % активного мулу призводить до збільшення міцності зразків і вирішує проблему його утилізації.

Ключові слова: активний мул, грунт, міцність, зв’язуюче

В статье рассмотрена возможность применения активного ила станций биологической очистки для стабилизации неустойчивых грунтов в основаниях зданий и сооружений. Активный ил накапливается на полях вокруг городов на большой площади, ухудшая экологическую среду. В результате проведенных исследований установлено, что введение в грунтовый материал 50 % активного ила приводит к увеличению прочности образцов и решает проблему его утилизации.

Ключевые слова: активный ил, грунт, прочность, связующее

The possibility of using activated sludge of biological treatment plants for stabilization of unstable soils in the grounds of structures and buildings is discussed. Activated sludge accumulates on the fields around the cities on a large area. It leads to worsening ecological environment. As a result of the research the strength-quantity relation is got as a function of activated sludge's quantity. It is found that the introduction of 50% of the activated sludge in soil material leads to increase the strength. Also this way solves the problem of its disposal. Low strength of samples at a deviation amount of activated sludge from 50% can be explained in terms of the optimal structure of dispersive system. The formation of the optimal structure means that the distance between the larger particles must be equal to diameter of smaller particles. The interaction between particles of different sizes is provided by attraction of oppositely charged ions on the surface.

Keywords: activated sludge, soil, strength, binder

Вступ. У теперішний час у світовій практиці накопичено певний досвід поліпшення властивостей грунтів для їх подальшого використання шляхом уведення неорганічних або органічних закріплюючих компонентів. Виходячи з економічних міркувань найбільше застосування в будівельній практиці матимуть композиційні матеріали на основі грунтів, у яких дефіцитні і відносно дорогі в'яжучі та добавки до них використовуються в мінімальних обсягах, а основну частину складають ті чи інші відходи і побічні продукти промислових підприємств. Одним з таких відходів є активний мул станцій біологічного очищення, проблема утилізації якого є досить актуальною для великих міст.

Постановка проблеми у загальному вигляді та її зв'язок із важливими науковими та практичними завданнями. Стабілізація грунта – це фізичне і хімічне змінення грунту для покращення його фізичних властивостей. Стабілізація й укріплення збільшує міцність грунта, тим самим покращує несучу здатність ґрунтового матеріалу. У залежності від технології обробки грунтів розрізняють два напрямки:

1) ін'єкційне хімічне закріплення, під час якого реагенти у вигляді розчинів або газів уводяться в грунти в умовах їх природного залягання і без порушення їх структури, нагнітанням під тиском;

2) бурозмішувальне закріплення грунтів, яке здійснюється з порушенням їх природної структури механічним перемішуванням грунтів з в’яжучими або іншими реагентами і добавками, із застосуванням спеціальних механізмів.

Використання відомих розчинів на цементній основі в поєднанні з традиційними хімічними і мінеральними добавками не забезпечує в ряді випадків високу якість робіт при закріпленні грунтів. Актуальним є можливість при такій обробці використовувати нетрадиційні матеріали, в т.ч. побічні продукти і відходи різних галузей промисловості, і заміна до 90% цементу високої собівартості. Широко використовуються відходи коксохімічних виробництв для просочення поверхні грунтів, для знепилювання, запобігання сповзання або росту рослинності, попереднього ущільнення. На залізницях, за матеріалами [1], застосовують розпорошення бітумної емульсії, каніфольного сульфатного мила, талової олії, жирового гудрону, стеарину, асидол- милонафта, соапстоку, полімерів каніфольно-екстракційного виробництва, госиполової смоли (бавовняний гудрон), сульфатно-спиртової барди, деревної смоли, лужних витравок, газойльового контакту, сланцевої газогенераторної смоли, сирих важких нафт. Штучне закріплення грунтів шляхом обробки їх синтетичними смолами знаходить все більш широке застосування в різних видах будівництва [2]. Значного інтересу для залізничного транспорту набуває хімічне закріплення грунтів при проведенні робіт з оздоровлення земляного полотна на обдимальних ділянках, так як дозволяє відмовитися від цілого ряду складних, трудомістких і дорогих робіт, що вимагають тривалих перерв у русі поїздів або його обмеження. З технологічної точки зору введення розчинів хімічних реагентів може бути виконано шляхом перемішування, поливу або нагнітання [3].

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Аналізуючи попередні дослідженняізстабілізації грунтів і вибору реагентів чи добавок можна зробити висновки, що існуючі методи поки ще є недостатньо ефективними, головним чином через складність визначення кількості реагенту чи добавки, способу їх дозування, обробки грунта та складність протікання процесів на поверхні глинистих частинок грунту [4]. Основний вплив на результат стабілізації грунта має відносна вологість, число пластичності, коефіцієнт фільтрації, пористість, ступінь подрібненості [5, 6, 7]. У залежності від цих показників визначається реагент чи добавка та їх оптимальна кількість. Так, згідно з [8], супіски важкі пилуваті, суглинки легкі і легкі пилуваті з числом пластичності до 12 допускається зміцнювати без внесення гранулометричних добавок органічними в'яжучими (крім карбамідоформальдегідних смол) з добавкою вапна або інших активних і поверхнево-активних речовин. Глинисті грунти з числом пластичності більше 12 до введення в грунт в'яжучих матеріалів необхідно подрібнити до необхідного ступеня роздрібнення. Відносна вологість глинистих грунтів при цьому повинна складати від 0,3 до 0,4 вологості на межі текучості. Для зміцнення бітумними емульсіями придатні суглинки важкі і важкі пилуваті з числом пластичності не більше 15. Суглинки з числом пластичності більше 15 слід зміцнювати бітумними емульсіями після введення в грунт гранулометричних добавок (пісків гравелистих, великих, середньої крупності або відходів каменедробіння) і вапна. Кількість цих добавок призначають в межах від 25 до 50 % маси грунту [8].

Для підвищення міцнісних характеристик грунта, легкості дозування, обробки та вирішення проблеми утилізації активного мулу слід розглянути можливість його застосування замість хімічних та синтетичних реагентів та добавок. Активний мул – це продукт біологічного очищення промислових стічних вод і є коллоїдно-дісперсною системою, яка складаеться з комплекса мікроорганізмів з адсорбованими на них органічними і неорганічними речовинами [9]. На відміну від хімічних та синтетичних реагентів до хімічного складу активного мулу входить від 30 до 50 % білку, що дозволяє застосувати його як зв'язуюче ґрунтових матеріалів з метою підвищення їх міцності. Білки містять функціональні групи – СООН, – NH₂, – ОН, які взаємодіють з гідроксильними групами, розташованими на поверхні глинистих частинок з утворенням просторової структури [7, 10]. Відмінною рисою стабілізації грунта активним мулом у порівнянні з іншими речовинами є використання органічного матеріалу, принцип дії якого на грунт полягає в заміщенні іонів в гідратній оболонці на поверхні глинистих частинок грунту. У звичайному стані частинки грунту утримуються силами електричної взаємодії, за рахунок яких на поверхні частинок утворюються шари з негативно заряджених іонів, які визначають їх здатність до змочування [5]. Після заміни аніонів ОН^– на поверхні частинок грунта молекулами стабілізатора шар стабілізованого грунту набуває підвищену щільність, додаткову міцність, що робить можливим поліпшення несучої здатності ґрунтових матеріалів. Вказані процеси і реакції перетворюють грунт, у результаті чого виникає ґрунтовий матеріал з новими будівельними властивостями.

Метою досліджень було визначення оптимальної кількості активного мулу, яку можна додати в грунт для його стабілізації і підвищення міцносних характеристик. Крім того, застосування активного мулу вирішує проблему його утилізації замість накопичування на мулових полях фільтрації навколо міст.

Основний матеріал експериментальних досліджень. Для досягнення мети було досліджено залежність міцності грунтових матеріалів від вмісту в них активного мулу, який змінювався від 5 до 50 %. Із суміші глини, води й активного мулу були виготовлені зразки розмірами 4´4´4 см, які, після витримування в нормальних умовах протягом 7 днів, було випробувано на міцність при стиску (рис.1).

Рис.1. Зразки грунтового матеріалу для випробувань на міцність

У результаті випробувань встановлено, що найбільшу величину міцності (3,45 МПа) мають зразки із вмістом активного мулу 50 % (рис. 2). Отримані попередні результати дають підгрунтя припустити добру зв’язуючу здатність білкової складової активного мулу та його перспективну утилізацію як стабілізатора грунту.

Рис. 2. Залежність міцності зразків від кількості активного мулу

Низька міцність зразків при відхиленні кількості активного мулу від оптимальної у 50 % може бути пояснена з точки зору забезпечення оптимальної структури тверднуючих систем [11]. Грунт і активний мул є дисперсними системами, розмір частинок яких коливається в межах від 1 мкм до 1 мм. У випадку утворення оптимальної структури відстань між більш крупними частинками повинна дорівнювати діаметру менш крупних частинок. При цьому контакти між частинками різних розмірів забезпечуються притяганням протилежно заряджених іонів на поверхні. Підтвердження висунутої гіпотези вимагає проведення подальших експериментів.

Висновки з даних досліджень та перспективи подальших досліджень. У результаті проведенних випробувань визначено оптимальну кількість активного мулу, що дозволяє збільшити міцносні характеристики грунтів. Отримані результати вказують на достатню зв’язуючу здатність білкової складової активного мулу та його перспективну утилізацію як стабилізатор грунту. Планується впровадження отриманих результатів для підвищення несучої здатності грунтів в основі низької пасажирської платформи, а також дослідження можливих проблем, що виникнуть при відпрацюванні нової технології закріплення грунтів.