بخشی از مقاله
استفاده از لجن خشک تصفیه خانه فاضلابها در ساختار بتن
چکیده
دفع لجن فاضلاب یک مشکل جدی زیست محیطی است که موجب شـده اسـتفاده از لجـن فاضـلاب در سراسـر جهـان در حـال افزایش باشد. بسیاری از محققان در سراسر جهان برای کشف راه حل های جدید ومناسب برای حل مشکل لجن تلاشـهای زیـادی کرده اند. یکی از این راه حل ها استفاده از لجن فاضلاب در زمینه ساخت وساز است، اگر ما به فضای مـورد نیـاز بـرای دفـع لجـن فاضلاب فکر کنیم، اهمیت استفاده مجدد از خاکستر لجن فاضلاب در بتن را درک خواهیم کرد. این پـژوهش بـه منظورکمـک بـه حداقل رساندن اثرات زیست محیطی ناشی ازدفع پس ماندها وکاهش حجم پس ماندها در محل دفع زبالـه، و اسـتفاده از آنهـا بـه عنوان جایگزین مواد طبیعی در تولید مصالح ساختمانی انجام شده است. در این تحقیق مراحل تصفیه لجن وکاربرد لجن فاضـلاب و خاکسترآن برای تولید بتن مورد برسی قرار گرفته است نتایج نشان می دهد که لجن خشک می تواند به میزان کمتراز 10 درصد جایگزین سیمان در بتن شود و با این میزان جایگزینی تغییر چندانی در خصوصیات مکانیکی بتن تولید شده ایجـاد نمـی شـود. و همچنین لجن خشک با مواد آلی کم (کمتر از%13 مواد آلی) هنگامی که به عنوان یک افزودنی یا به عنوان جایگزین شن وماسه بـا مقدار کمتر از %5 استفاده می شود هیچ اثر سوء بر خواص بتن ندارد..
واژههای کلیدی: محیط زیست، فاضلاب، دفع لجن، بتن، مقاومت فشاری
-1 مقدمه
دفع فاضلاب تولیدی جوامع بشری و تصفیه فاضلاب تولید شده، از ضروریات لاینفک مدیریت شهری و بهداشت عمومی است. لجن محصول اجتناب ناپذیر تصفیه خانه های فاضلاب می باشد که عموما شامل %12 تا %25 وزنی (بسته به نوع فرایند تصفیه )جامدات بوده و مابقی آن آب می باشد .[1] با احداث تصفیه خانه،عموماً مشکلات تولید و دفع لجن خشک بروز میکند. از آنجایی که همیشه مشکل انباشت لجن مطرح است، از این رو، دفع این مواد به لحاظ زیست محیطی و همچنین محدودیت های فضای نگهداری اهمیت بسیار دارد، بنابراین مدیریت صحیح لجن تولیدی درتصفیه خانه ها ضروری به نظر می رسد.[2]
در سراسر جهان، لجن فاضلاب به روشهای مختلفی دور ریخته می شود. شایع ترین روش دفن در محلهای دفن زباله یا سوزاندن آنها است. دفن زباله به دلیل هزینه های بالا ومواد خطرناکی که در لجن وجود دارد وممکن است باعث آلودگی آبهای زیرزمینی وسطحی شود باید با دقت انجام شود. استفاده از روش سوزاندن باعث کاهش حجم لجن می شود، ترکیبات آلی را از بین می برد، بو را به حداقل می رساند، حجم لجن را تا حد زیادی کاهش می دهد و به تولید خاکستری معدنی، بی خطر و عاری از پاتوژنها می انجامد ودارای ارزش گرمایی است. مشکل اصلی این روش چگونگی دفع خاکستر ناشی از سوزاندن لجن می باشد خاکستر باقی مانده باید در مناطق دور ریخته شود. فرآیند سوزاندن نیاز به سرمایه گذاریهای بزرگ و گران قیمت برای جلوگیری از آلودگی دارد.[3] وهمچنین منجر به تولید گازهای خطرناک گلخانه ای می شود وحتی اگر فن آوری های جدید برای کنترل تولید گازهای گلخانه ای بکار رود هنوز هم تقریبا %30 از مواد جامد لجن به عنوان خاکستر باقی می ماند.[4]
رشد جمعیت جهان ونیز افزایش حجم فاضلاب نشان می دهد که خاکستر لجن فاضلاب با سرعت زیادی در حال افزایش است. از آنجا که تقاضای سیمان پرتلند جهانی خواهد شد، از سال 2010تاسال2050تقریبا %200 افزایش می یابد، این بدان معنی است که انتظار می رود سازه های بتنی رو به افزایش باشند.[4] در حال حاضر بتن به عنوان پر مصرف ترین مصالح ساختمانی در جهان مطرح می باشد. تولید و مصرف سالانه میلیاردها تن بتن در جهان خود دلیلی بر پر اهمیت بودن این ماده است. آلوده کننده ترین بخش صنعت بتن، صنعت سیمان ویا به عبارتی فرآیند تولید سیمان می باشد. مصرف سالانه منابع طبیعی، مانند سنگدانه ها وسایر مواد خام طبیعی برای تولید سیمان وبتن هم قابل توجه است. اختلاف بین میزان منابع موجود وتقاضا مانند استخراج بیش از حد از معادن، باعث کاهش قابل توجه منابع طبیعی شده است. به طور طبیعی به ازای هر تن سیمان پرتلند تولیدی، یک تن دی اکسید کربن وارد جو می شود لذا می بایست به دنبال راهکارهایی باشیم که بتوان مصرف سیمان در مواد سیمانی را کاهش داد. ساده ترین روش، بکارگیری مصالح جایگزین به منظور کاهش مصرف سیمان می باشد. از طرفی افزایش جمعیت سبب تولید بیشتر فاضلاب وافزایش معضلات ناشی از آن می گردد [5]،.[1]
بنابراین برای دفع لجن نیاز به بررسی های جدیدی است. یکی از این روشها استفاده از لجن خشک به عنوان مواد افزودنی به مخلوط بتن یا استفاده از خاکستر لجن که از فرآیند سوزاندن بدست می آید به عنوان یک جایگزین برای سیمان است. استفاده از لجن در کاهش مشکلات زیست محیطی و بهداشتی و کمبود زمین مورد نیاز برای دفع آن کمک می کند[3]،.[6]
لجن به موادی اطلاق می شود که در ته حوضچه های تصفیه ته نشین می شوند وشامل لجن اولیه، ثانویه و لجن برجای مانده از تصفیه نهایی (لجن مرحله سوم) می باشند. لجن اولیه، لجن تولید شده از تصفیه اولیه است، تصفیه اولیه شامل فرایندهای فیزیکی یا شیمیایی برای حذف مواد جامد معلق است. در فرایند فیزیکی مواد جامد معلق با توجه به وزن مخصوص ته نشین می شوند. یا با استفاده از روش شناورسازی و تولید حباب قادر به حذف 50 تا%70 از مواد جامد معلق و % 25 تا:BOD)BOD %40 میزان اکسیژن مورد نیاز جهت اکسید کردن مواد آلی قابل تجزیه در حجم معینی از فاضلاب، به روش هوازی ) هستند. در فرایند شیمیایی هنگامی که نرخ رسوب جامدات معلق بیش از حد کند است از شتاب دهنده ها استفاده می کنند که باعث انعقاد و لخته سازی جامدات معلق و افزایش سرعت ته نشینی آنها می شود.[7] لجن ثانویه یا لجن فعال که شامل مواد آلی باقی مانده در فاضلاب پس از تصفیه اولیه است. در این روش میکروارگانیسم ها در روند تصفیه باعث تجزیه مواد آلی شده و پس از آن اجازه می دهند تا مواد جامد ته نشین شوند. سپس آب پاک را از باکتریها و لجن فعال جدا می کنند و به طور پیوسته به حوضچه هوا می دمند تا باعث افزایش تجزیه مواد آلی شود. لجن مرحه سوم، لجن تولید شده از طریق یک تصفیه عالی است. در این تصفیه یک فرایند اضافه بر تصفیه ثانویه به منظور حذف مواد مغذی ناخواسته باقی مانده مانند نیتروژن و فسفر، انجام می گیرد. تصفیه عالی زمانی انجام می گیرد که سطح بالایی از آلودگی زدایی مورد نیاز باشد. این پژوهش به منظورکمک به حداقل رساندن اثرات زیست محیطی ناشی ازدفع پس ماندها وکاهش حجم پس ماندها در محل دفع زباله، واستفاده آنها به عنوان جایگزین مواد طبیعی در تولید مصالح ساختمانی انجام شده است. در این تحقیق مراحل تصفیه لجن وکاربرد لجن فاضلاب و خاکسترآن برای تولید بتن مورد برسی قرار گرفته است. لجن فاضلاب، پس از فرایند تکلیس به عنوان جایگزین بخشی از سیمان پرتلند برای تولید ملات و بتن، و همچنین از لجن فاضلاب به عنوان افزودنی به بتن و به عنوان جایگزین شن و ماسه مورد ارزیابی قرار گرفته است.
-2 مراحل تولید لجن
عملیات تولید لجن شامل مراحل زیر می باشد:
-2-1 فرآیند تصفیه: که شامل تصفیه مقدماتی، تصفیه ثانویه و تصفیه نهایی است.
-2-1-1 تصفیه مقدماتی
شامل عملیاتهای مختلف فیزیکی و مکانیکی وحذف اشیاء بزرگ است. هدف از تصفیه مقدماتی حذف اشیاء بزرگ و شن از فاضلاب است که شامل مراحل زیر است.-1 سرند کردن به منظور حذف مواد جامد درشت، اولین مرحله برای محافظت از پمپ ها و تجهیزات مکانیکی وجلوگیری از گرفتگی دریچه و لوله و سایر وسایل است.-2 آسیاب کردن مواد جامد درشت : مواد غربال شده گاهی پس از خرد کردن به جریان فاضلاب باز می گردند. خرد کننده معمولاً جامدات درشت را تا اندازه تقریبی 8 میلیمتر خرد
می کند و به فاضلاب بر می گرداند. دستگاه های خرد کننده باید جلوتر از دستگاههای پمپاژ قرار بگیرند. -3 حذف شن: کاهش سرعت جریان به مواد معدنی اجازه می دهد به صورت سنگریزه، شن و ماسه، گل و لای و مواد آلی سنگین تر طبقه بندی شوند [3]،[8]،.[9]
-2-1-2 تصفیه ثانویه
عبارت تصفیه ثانویه به تمامی فرایند های تصفیه بیولوژیکی انجام شده در تصفیه خانه اعم از هوازی و غیر هوازی اطلاق می شود.
-2-1-3 تصفیه نهایی
تصفیه نهایی شامل فرایند هایی است که به منظور دستیابی به پساب تصفیه شده با کیفیت بالاتر از آنچه در قسمت تصفیه ثانویه انجام می شود، اعمال می گردد[8]،.[9]
-2-2 هضم لجن: تصفیه های اضافی بر روی لجن تولید شده پس از تصفیه آب اعمال می شود که به منظور کاهش مقدار آب آن، تثبیت ترکیبات آلی آن، کاهش حجم وکاهش بار پاتوژن آن است.
-2-3 پاکسازی یا تهویه لجن: به منظور اصلاح ساختارجامد لجن وسهولت فرایند آبگیری انجام می گیرد. یکی از فاکتورهای مقرون به صرفه و اقتصادی در فرایند آبگیری است. پاکسازی ممکن است توسط مواد شیمیایی یا به وسیله حرارت دادن لجن تا دمای 150-200درجه سانتی گراد به مدت 30تا60 دقیقه انجام شود.[7]
-2-4 تغلیظ کردن یاضخیم کردن: تغلیظ به منظور کاهش حجم لجن با کاهش دادن آب محتوای لجن است. تغلیظ کردن بااستفاده از شناورسازی با مواد شیمیایی مناسب انجام می گیرد.[10]
-2-5 آبگیری: لجن خام حاوی مقدار زیادی آب است که برای غلیظ کردن آن آبگیری انجام می گیرد. مقدار آب موجود درلجن ممکن است به %95 از وزن لجن برسد. آبگیری میزان جامد لجن را تا%30افزایش می دهد.
-2-6 خشک کردن: فرایند خشک کردن ممکن است در درجه حرارت های مختلفی به منظورحذف آب میان بافتی وکاهش حجم لجن انجام گیرد.
-3 ترکیب لجن
لجن شامل ترکیبات زیر می باشد.
-3-1 آب : مقدار آب لجن را می توان به آب آزاد، آب میان بافتی، آب سطحی تقسیم کرد. آب آزاد که با فرایند سفت شدن وضخیم شدن لجن حذف میشود. آب میان بافتی آب داخل مویرگ هاست که هنگام تشکیل کیک لجن باقی می ماند وبا آبگیری حذف می شود. آب سطحی ومویرگی را می توان با خشک کردن حرارتی حذف نمود. آب چسبیده به دور ذرات که توسط مواد شیمیایی به ذرات جامد چسبیده و فقط با سوزاندن حذف خواهد شد.[11]
-3-2 فلزات: لجن حاوی مواد معدنی مختلفی است، مهمترین فلزات در لجن، روی، مس، سرب، کروم، نیکل، جیوه، کادمیم، نقره وقلع ومقدار کمی آهن و آلومینیوم.[7]
-3-3 مواد آلی: بیش از %50 از وزن خشک لجن از مواد آلی تشکیل شده است. بسیاری از مواد آلی محلول در لجن عبارتند از آمینواسیدها، لیپیدها، پروتئین ها وهیدروکربن ها
-3-4 مواد مغذی موجود در لجن: مواد معدنی در فرم فسفر، نیتروژن، پتاسیم وگوگرد هستند.
-4 استفاده از خاکستر لجن در بتن
خاکستر لجن از سوزاندن لجن فاضلاب بدست می آید، سوزاندن لجن فاضلاب 90تا %95 حجم مواد راکاهش می دهد و دفع مواد بسیار آسانتر است. مواد جامد که در ته تانک جمع آوری فاضلاب رسوب میکنند حدود %5 وزنی را تشکیل می دهند. این مواد توسط سانتریفیوژ کردن یا تحت فشار به %25 وزنی می رسند وکیک لجن بدست می آید. سپس آنرا تا دمای 800تا900 درجه سانتیگراد می سوزانند. محصول تولید شده 90تا%95خاکستر لجن است. که آنرا جهت ریز نمودن ابعاد دانه آسیاب می کنند، همچنین آسیاب نمودن کلوخه های حاصله به افزایش فعالیت پوزولانی این مواد کمک شایانی می کند.[12] در تحقیقی که توسط بهادری و همکارانش انجام شد به بررسی اثر نانو ذرات سیلیس وخاکستر لجن تصفیه خانه فاضلاب به عنوان جایگزین قسمتی از سیمان پرداخته شد. در این پژوهش مقادیر مختلفی از خاکستر لجن فاضلاب شهری 0)،5،10،15،(%20 در کنار مقادیر کم نانو ذرات سیلیس در راستای توسعه ویژگیهای مقاومتی و دوام ملات سیمانی حاصله می باشد. نتایج حاصله نشان از بهبود مقاومتی و ریز ساختاری نمونه های ملات سیمانی می باشد.[13] نتایج نشان می دهد که استفاده از خاکستر لجن موجب کاهش مقاومتهای فشاری و خمشی در تمامی سنین میشود. البته این کاهش مقاومت بیشتر در سنین 1و7 روزه نمایان شده است. چون خاکستر به عنوان یک پوزولان ضعیف نمی تواند عملکرد پوزولانی سریع و با شدت بالایی را از خود در ماتریکس خمیر نشان دهد. البته نتایج حاصله نشان می دهد که خاکستر لجن نتایج مناسب تری را در سنین نهایی 28) روزه) نشان داده است. به طوری که در جایگزینی ها تا%10 می توان از این ماده بدون هیچ مشکل اساسی استفاده کرد. درجدول زیر ترکیب اکسید خاکستر لجن با سیمان و دو پوزولان صنعتی دیگر مقایسه شده است.[12]
همانطور که دیده می شود در مورد اکسیدهای اصلی بجز و شباهتهای زیادی بین آنها وجود دارد. فازهای
کریستالی مهم تشکیل دهنده خاکستر لجن عبارتند از: کوارتز، مگنتیت، هماتیت.
-5 استفاده از لجن به عنوان افزودنی به سیمان
استفاده از لجن خشک به عنوان مواد افزودنی به بتن توسط والس و همکارانش مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا لجن فاضلاب را در کارخانه در دمای 200 درجه سلسیوس خشک کردند، فرایند خشک کردن به منظور کاهش رطوبت و از بین بردن میکروارگانیسم ها انجام می شود.سپس لجن خشک را به میزان %2/5 ، %5 و%10 به عنوان جایگزینی برای سیمان به مخلوط بتن اضافه کردند و به بررسی خواص فیزیکی ومکانیکی بتن تولیدی پرداختند .[14] نتایج بدست آمده نشان می دهند که با افزایش درصد لجن در بتن چگالی بتن کاهش می یابد یعنی در یک حجم ثابت با افزایش مقدار لجن وزن نمونه کاهش یافته است واین کاهش چگالی به دلیل کمتر بودن چگالی لجن خشک نسبت به سنگدانه ها است. با افزایش درصد لجن خشک در بتن نفوذ پذیری بتن افزایش می یابد در نتیجه جذب آب هم افزایش می یابد اما با گذشت زمان که بتن سخت می شود جذب آب هم کاهش می یابد. همچنین با افزایش درصد لجن تخلخل زیاد می شود اما در کل تخلخل باگذشت زمان کاهش می یابد.[14] نتایج نشان می دهند که خصوصیات مکانیکی بتن تولید شده نیز با افزایش لجن تغییر می کند، مقاومت فشاری با افزایش مقدار لجن کاهش می یابد. مقاومت 7 روزه بتن با %10 لجن بسیار کم است و برای استفاده ساختمانی مناسب نیست. اما بتن حاوی لجن بعد از28 روز مقاومت آن بیشتر از بتن عادی است. بعد از 90 روز مقاومت فشاری بتن با %10 لجن به %58 مقاومت بتن عادی رسید و نمونه حاوی %2/5 لجن به مقاومت %78 مقاومت بتن عادی رسید. هرچه میزان لجن در بتن افزایش یابد مقاومت فشاری بیشتر کاهش می یابد زیرا افزایش لجن موجب می شود بتن دیرتر به مقاومت نهایی خود برسد. در نهایت نتیجه می گیریم بیش از %10 لجن نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد زیرا موجب می شود بتن دیر به مقاومت نهایی خود برسد و درهمه حالات وجود لجن، مقاومت مکانیکی بتن را کاهش می دهد و هرچه لجن بیشتر باشد، مقاومت کمتر است. با توجه به نتایج مقاومت فشاری این نوع بتن برای مصارف راه سازی و به عنوان پر کننده و در کل برای مصارفی که مقاومت زیادی نیاز نداشته نباشند(همچون بتن بنایی وبتن کفی )کاربرد دارد .[14]
