Email this article Investigation of the effect of waste from the Chusovsky sewage treatment plants on the properties of clays in the Perm region
- Authors: Shamanov V.A.1, Shamanova K.A.1, Pletneva M.S.1
-
Affiliations:
- Perm National Research Polytechnic University
- Issue: Vol 16, No 1 (2026)
- Pages: 43-52
- Section: BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS
- URL: https://journals.eco-vector.com/2542-0151/article/view/696196
- DOI: https://doi.org/10.17673/Vestnik.2026.01.07
- ID: 696196
Cite item
Full Text
Abstract
Addresses a pressing environmental and resource saving issue – the disposal of wastewater treatment plant residues, using the example of the Chusovoy Treatment Facilities (CTF) in the Perm Region. Annually, the CTF generate over 3 594 tons of sludge (cake) and significant volumes of spent activated carbon, which are currently stored without processing. The study provides a comprehensive analysis of the initial raw materials: the granulometric, chemical, and mineral compositions of clays and waste residues were determined. The binding capacity of clays was experimentally investigated when the studied CTF residues were introduced into the batch mixture. The results of a mathematically designed experiment aimed at improving moulding properties – while maintaining acceptable levels of shrinkage and porosity – allowed the researchers to establish the optimal content of residues in the ceramic batch mixture: up to 30 % cake and up to 20 % spent activated carbon. The findings confirm the promising potential of using wastewater treatment residues in ceramic production. This approach contributes to solving the problem of residue disposal and expanding the raw material base for the construction industry.
Keywords
Full Text
Введение
В условиях продолжающейся интенсивной индустриализации отраслей промышленности проблема образования и утилизации отходов приобретает глобальный характер [1, 2]. Одним из источников происхождения большого количества отходов являются сооружения для фильтрации и очистки воды, которые не только обеспечивают комфортные условия проживания горожан, но и решают задачи по повышению уровня и продолжительности жизни населения [3, 4].
На территории Пермского края одним из источников водоснабжения являются Чусовские очистные сооружения (ЧОС). Традиционные схемы водоподготовки на водопроводных очистных сооружениях предусматривают забор воды из поверхностного источника, ее обеззараживание, очистку и осветление на блоке водоподготовки с использованием жидкого хлора, коагулянта (сульфата алюминия), высокомолекулярного флокулянта на основе полиакриламида, кальцинированной соды, сульфата аммония, марганцевокислого калия и последующего фильтрования [5, 7].
В процессе очистки воды, особенно на этапах осветления, отстаивания и обезвоживания на декантерных центрифугах, образуется осадок (кек), ежегодный объем которого составляет более 3594,26 т [8]. Этот осадок в зависимости от способа его подготовки и обезвоживания представляет собой смесь песка, глины, органических веществ с примесями хлора, реагентов, коагулянтов и флокулянтов [9, 10].
Кроме того, вода после отстаивания пропускается через фильтры, состоящие из активированного угля, которые задерживают оставшиеся мелкие частицы грязи. Фильтры подлежат периодической замене с последующим их накоплением в установленных местах на территории предприятия.
В настоящее время не существует четких критериев утилизации образующихся отходов водоочистки. Объясняется данная ситуация многообразием химического состава и свойств воды поверхностных источников, большим количеством всевозможных используемых реагентов, широко представленных на рынке, а также принятой схемой обработки воды. Вследствие этого отходы после осветлителя и фильтров водопроводных очистных сооружений складируются на полигонах, без возможности использования их ресурсного потенциала.
Между тем имеются исследования, которые подтверждают возможность использования отходов станции водоочистки в производстве различных строительных материалов, в частности в производстве керамических материалов и изделий [11‒13].
Пермский край имеет достаточно большое количество месторождений глинистого сырья для производства керамических изделий. Спецификой керамической сырьевой базы является то, что в большинстве случаев она представлена в виде малопластичных глин, которым требуется подшихтовка [14, 15].
Таким образом, целью данного исследования является изучение влияния отходов станции водоподготовки на свойства глин Пермского края.
Материалы и методы
В качестве основного сырьевого компонента для проведения исследования были выбраны глины Таушинского и Каменского месторождений Пермского края. По результатам проведенных исследований установлено, что глинистое сырье обоих месторождений по гранулометрическому составу относится к пылеватым суглинкам с низким содержанием крупнозернистых включений преимущественно органического происхождения. Химический и минеральный составы глин представлены в табл. 1‒3.
Таблица 1. Химический состав глин
Table 1. Chemical composition of clays
| № пробы | Среднее содержание оксидов, масс. % | ||||||||||
| SiO2 | TiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | Mn2O3 | P2O5 | П.п.п. | |
| 1 | 67,22 | 0,8 | 15,12 | 6,36 | 1,50 | 2,17 | 2,03 | 1,40 | 0,12 | 0,05 | 4,86 |
| 2 | 68,23 | 0,77 | 13,82 | 5,73 | 2,80 | 1,99 | 2,02 | 1,47 | 0,12 | 0,06 | 5,06 |
Примечание. Проба № 1 – глина Каменского месторождения, проба № 2 – глина Таушинского месторождения.
Таблица 2. Минеральный состав глин
Table 2. The mineral composition of clays
| Минерал | Содержание минерала в пробах месторождений, % | |
| Каменское | Таушинское | |
| Кварц | 38,7 | 37,4 |
| КПШ | 9,8 | 9,8 |
| Плагиоклазы | 16,3 | 15,3 |
| Глинистые минералы: | 32,2 | 35,5 |
| кальцит | 1,9 | 0,8 |
| доломит | 0,7 | 0,5 |
| пирит | 0,4 | 0,7 |
Таблица 3. Содержание минералов в глинистой фракции
Table 3. The content of minerals in the clay fraction
| Минерал | Содержание минерала в глинистой фракции, % | |
| Каменское | Таушинское | |
| Иллит | 28 | 36 |
| Каолинит | 30 | 25 |
| Монтмориллонит | 42 | 39 |
По данным из табл. 1 видно, что по содержанию Al2O3 глина Таушинского месторождения относится к группе кислых, а глина Каменского месторождения – к группе полукислых. Также необходимо отметить, что глинистое сырье обоих месторождений относится к группе с высоким содержание красящих оксидов (Fe2O3 и TiO2).
По табл. 2 и 3 можно сделать вывод о том, что обе глины являются полиминеральными, поскольку все минералы содержатся в количестве менее 50 % от общей массы.
Кроме того, по результатам определения технологических, сушильных и обжиговых свойств глин Таушинского и Каменского месторождений (табл. 4) можно установить, что глины относятся к группе неспекающихся умеренно пластичных глин.
Таблица 4. Характеристики глин Каменского и Таушинского месторождений
Table 4. Characteristics of the clays of the Kamenskoye and Taushinsky deposits
| Показатель | Глина Каменского месторождения | Глина Таушинского месторождения |
| Число пластичности, % | 10 | 8 |
| Формовочная влажность, % | 24 | 20 |
| Воздушная усадка, % | 10,4 | 8,7 |
| Огневая усадка, % | 2,2 | 2,5 |
На основании полученных данных можно сказать, что глины Таушинского и Каменского месторождений по всем показателям схожи, поэтому для дальнейших исследований будет использована глина Таушинского месторождения.
В качестве модифицирующих добавок использовался угольный отход (наполнитель фильтрующей системы) и обезвоженный осадок водопроводных Чусовских очистных сооружений г. Перми – кек. Химический состав кека определялся на волнодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре последовательного типа действия S8 Tiger и представлен в табл. 5.
Таблица 5. Химический состав кека
Table 5. Chemical composition of the sediment
| Массовая доля оксидов, % | ||||||||||||
| SiO2 | TiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MnO | CaO | MgO | Na2O | K2O | P2O5 | SO3 | Cl | ППП |
| 16,52 | 0,31 | 30,51 | 8,73 | 0,42 | 2,18 | 0,65 | 0,16 | 0,79 | 0,67 | 2,17 | 0,61 | 36,28 |
Минеральный состав кека определялся на дифрактометре компактном настольном порошковом для фазового анализа D2 Phaser (табл. 6, рис. 1).
Таблица 6. Минеральный состав кека
Table 6. Mineral composition of sediment
| Определяемая характеристика, % | Значение характеристик |
| Массовая доля кварца | 24,3 |
| Массовая доля калиевых полевых шпатов | 3,8 |
| Массовая доля плагиоклазов | 11,4 |
| Массовая доля слюд | 39,1 |
| Массовая доля гётита | 21,4 |
Рис.1. Дифрактограмма кека
Fig.1. Sediment diffractogram
Результаты РФА, представленные на рис. 1 и в табл. 6, подтверждаются результатами химического анализа, представленного в табл. 5. Кек сложен преимущественно алюминиевой слюдой с содержанием железной игольчатой руды и кварца, что подтверждает его родство с глинистыми минералами.
Угольный отход представляет собой среднедисперсную, похожую на песок черного цвета рассыпчатую смесь, в составе которой преимущественно углерод и сульфат натрия [15].
Результаты и их обсуждения. Для установления максимально допустимого расхода добавок была определена связующая способность глин Таушинского месторождения по методике, приведенной в ГОСТ 21216-2014 «Сырье глинистое. Методы испытаний». Результаты испытаний по показателям числа пластичности, формовочной влажности и оценке формовочных свойств представлены в табл. 7.
Таблица 7. Связующая способность глин Таушинского месторождения
Table 7. Binding capacity of clays from the Taushinsky deposit
| Показатель | Составы смеси глина: отход | |||||||
| глина:угольный отход | глина: кек | |||||||
| 100:0 | 80:20 | 70:30 | 60:40 | 100:0 | 80:20 | 70:30 | 60:40 | |
| Число пластичности, % | 8 | 10 | 8 | 7 | 8 | 14 | 10 | 8 |
| Формовочная влажность, % | 20 | 23 | 19 | 18 | 20 | 26 | 25 | 23 |
| Оценка формовочных свойств | +++ | ++ | + | + | +++ | +++ | +++ | + |
По результатам проведенных исследований установлено, что введение более 20 % угольного отхода и более 30 % кека не имеет смысла, поскольку сильно снижается формовочная способность шихты.
Для дальнейшей оценки влияния угольного отхода и кека на основные свойства глинистого сырья было спланировано и проведено два полных факторных эксперимента с изменением каждого фактора на трех уровнях. Для этой цели были подготовлены составы с отходами, у которых определялись технологические, сушильные и обжиговые свойства согласно методикам, приведенным в ГОСТ 21216-2014. В качестве факторов были выбраны температура обжига и расходы добавок, интервалы варьирования которых представлены в табл. 8 и 9. В качестве функций отклика были выбраны следующие основные характеристики глинистого сырья с добавками: пластичность, формовочная влажность, воздушная и огневая усадки, водопоглощение, кажущаяся плотность, открытая пористость.
Таблица 8. Исследуемые факторы и интервалы их варьирования для эксперимента № 1
Table 8. The studied factors and their variation intervals for experiment № 1
| Показатель | Код | Исследуемые факторы | |
| Х1 – кек, % | Х2 – tобж,°С | ||
| Интервал варьирования: | ∆Х | 10 | 50 |
| нижний уровень | -1 | 10 | 950 |
| средний уровень | 0 | 20 | 1000 |
| верхний уровень | +1 | 30 | 1050 |
Таблица 9. Исследуемые факторы и интервалы их варьирования для эксперимента № 2
Table 9. The studied factors and their variation intervals for experiment № 2
| Показатель | Код | Исследуемые факторы | |
| Х1 – угольный отход, % | Х2 – tобж,°С | ||
| Интервал варьирования: | ∆Х | 5 | 50 |
| нижний уровень | -1 | 10 | 950 |
| средний уровень | 0 | 15 | 1000 |
| верхний уровень | +1 | 20 | 1050 |
Далее, с помощью программного комплекса Statistica, по полученным данным были построены трехмерные графики зависимости каждой из характеристик составов от выбранных факторов. На рис. 2 и 3 представлены графики зависимостей основных свойств составов от расхода угольного отхода и температуры обжига. На рис. 4 и 5 представлены графики зависимостей основных свойств составов от расхода кека и температуры обжига.
Рис. 2. Трехмерные графики зависимости изменения дообжиговых свойств составов от расхода угольного отхода: а ‒ число пластичности; б ‒формовочная влажность; в ‒ воздушная усадка
Fig.2. Three-dimensional graphs of the dependence of changes in pre-firing properties of compositions on the consumption of coal waste: a ‒ the number of plasticity; b ‒ molding moisture; c ‒ air shrinkage
Рис. 3. Трехмерные графики зависимости изменения обжиговых свойств составов от расхода угольного отхода и температуры обжига: а ‒ огневая усадка; б ‒ водопоглощение; в ‒ кажущаяся плотность; г ‒ открытая пористость
Fig.3. Three-dimensional graphs of the dependence of the change in the firing properties of the compositions on the consumption of coal waste and the firing temperature: a ‒ fire shrinkage; b ‒ water absorption; c ‒ apparent density; d ‒ open porosity
Цветные обозначения, расположенные справа от графика, показывают границы изменения значений рассматриваемой функции отклика. Эти условные обозначения линий уровня позволяют легко сориентироваться и понять, при каких значениях факторов достигается оптимальное значение характеристик глинистого сырья. Как видно из рис. 2, повышение значения числа пластичности наблюдается в области изменения содержания угольного отхода с 14 до 20 %. Формовочная влажность снижается при увеличении содержании угольного отхода, минимальная область наблюдается при содержании угольного отхода в пределах от 24 до 32 %. Также следует отметить, что минимальные значения воздушной усадки наблюдаются в области изменения содержания угольного отхода от 20 до 24 %.
Анализируя графики на рис. 3, можно сказать, что областью, в которой огневая усадка имеет минимальные значения, является зона, где tобж составляет 1000 °С и ниже и содержание угольного отхода находится в пределах от 8 до 24 %. Также необходимо отметить, что при увеличении содержания угольного отхода возрастает значение огневой усадки. Кроме того, содержание угольного отхода незначительно влияет на открытую пористость и водопоглощение керамического черепка, с увеличением содержания отхода значения пористости и водопоглощения возрастают. Минимальные значения кажущейся плотности достигаются в области изменения содержания угольного отхода от 10 до 20 % и tобж от 1000 до 960 °С.
По данным графиков на рис. 4 можно сказать, что максимальное значение числа пластичности находится в области изменения содержания кека от 12 до 16 % и составляет более 12, что превышает значение числа пластичности у контрольного состава (без отходов), которое равно 8. Также необходимо отметить, что при увеличении содержания кека увеличивается значение формовочной влажности. Значение воздушной усадки снижается при увеличении содержания кека, область минимальных значений находится в пределах содержания кека от 20 до 30 %.
Рис. 4. Трехмерные графики зависимости изменения дообжиговых свойств составов от расхода кека: а ‒ число пластичности; б ‒ формовочная влажность; в ‒ воздушная усадка
Fig.4. Three-dimensional graphs of the dependence of changes in pre-firing properties of compositions on the sediment consumption: a ‒ the number of plasticity; b ‒ molding moisture; c ‒ air shrinkage
Из графиков на рис. 5 можем наблюдать, что при увеличении содержания кека сильно возрастают значения водопоглощения и открытой пористости керамического черепка. Область максимальных значений находится в диапазоне содержания осадка от 22 % и более. Минимальные значения огневой усадки наблюдаются в области изменения содержания кека с 12 до 24 % и при tобж ниже 1000 °С. Также стоит отметить, что при увеличении содержания кека в глинистой шихте снижается значение кажущейся пористости. Областью минимальных значений является зона содержания кека свыше 24 %.
Рис. 5. Трехмерные графики зависимости изменения обжиговых свойств составов от расхода кека и температуры обжига: а ‒ огневая усадка; б ‒ водопоглощение; в ‒ кажущаяся плотность; г ‒ открытая пористость
Fig.5. Three-dimensional graphs of the dependence of the change in the firing properties of the compositions on the consumption of sediment and the firing temperature: a ‒ fire shrinkage; b ‒ water absorption; c ‒ apparent density; d ‒ open porosity
Выводы
В ходе проведенного исследования решен ряд задач, направленных на изучение возможности использования отходов водоочистки (кека и угольного отхода) в качестве модифицирующих добавок при производстве керамических материалов на основе глин Пермского края. Экспериментально определены допустимые границы изучаемых добавок без существенного ухудшения технологических свойств глинистого сырья: для угольного отхода – не более 20 %, для кека – не более 30 %. Полученные результаты исследований подтверждают ресурсный потенциал отходов водоочистки и открывают возможности для их рационального использования в керамической промышленности, что соответствует принципам экономики замкнутого цикла и устойчивого развития.
About the authors
Vitaly Al. Shamanov
Perm National Research Polytechnic University
Email: vashamanov@pstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-1938-0333
PhD in Engineering Sciences, Associate Professor, Dean of the Faculty of Civil Engineering, Associate Professor of the Construction Engineering and Materials Science Chair
Russian Federation, 614990, Perm, Komsomolsky pr., 29Ksenia A. Shamanova
Perm National Research Polytechnic University
Email: kavolosatova@pstu.ru
ORCID iD: 0009-0003-2270-6223
SPIN-code: 2708-3271
Senior Lecturer of the Civil Engineering and Materials Science Chair
Russian Federation, 614990, Perm, Komsomolsky pr., 29Maria S. Pletneva
Perm National Research Polytechnic University
Author for correspondence.
Email: mspletneva@pstu.ru
Senior Lecturer of the Heat and Gas Supply, Ventilation and Water Supply, Water Disposal Chair
Russian Federation, 614990, Perm, Komsomolsky pr., 29References
- Kulkov V.M. New industrialization in the context of economic development of Russia. Ekonomika. Nalogi. Pravo [Economics. Taxes. Right], 2015, no. 2, pp. 81‒85. (in Russian)
- Gorshkov S.V., Malykhina I.O. The role of neo-industrialization for the national economy of Russia. Zhurnal monetarnoy ekonomiki i menedzhmenta [Journal of Monetary Economics and Management], 2024, no. 12, pp. 144‒149. (in Russian) doi: 10.26118/2782-4586.2024.93.43.166
- Sayriddinov S.Sh., Seleznev V.A., Bukhman N.S. On some aspects of improving the efficiency of existing elements of water supply systems. Gradostroitelstvo i arkhitektura [Urban Planning and Architecture], 2021, vol. 11, no. 4(45), pp. 11‒21. (in Russian) doi: 10.17673/Vestnik.2021.04.2
- Bellek E.A., Tetdoev V.V., Zaikina I.V. Features of water intake structures of surface sources depending on the geographical location of the source. Perspektivy innovatsionnogo razvitiya v agrotekhnicheskikh i energeticheskikh sistemakh: mater. Mezhd. nauch.-prakt. konf. [Prospects for innovative development in agrotechnical and energy systems: mater. Intl. scientific-practical. conf.]. Balashikha, Vernadsky Russian State University of National Economy, 2023, pp. 338‒343. (In Russian).
- Baturina I.A. Treatment of wash water from water treatment facilities in Perm. Projects, ways of implementation. Vodoochistka. Vodopodgotovka. Vodosnabzhenie [Water treatment. Water treatment. Water supply], 2017, no. 11(119), pp. 60‒63. (in Russian)
- Teplykh S.Yu., Kotovskaya E.E. Justification of the technology of treatment of wash water of water treatment facilities with subsequent return to the technological cycle. Gradostroitelstvo i arkhitektura [Urban Planning and Architecture], 2023, vol. 13, no. 4(53), pp. 38‒48. (in Russian) doi: 10.17673/Vestnik.2023.04.05
- Pletneva M.S., Vodenkova D.D., Alapanova E.E. Technology of sediment formation of water treatment facilities in Perm and the possibility of its reuse in the production of building ceramics. Sovremennye tekhnologii v stroitelstve. Teoriya i praktika [Modern Technologies in Construction. Theory and Practice], 2024, vol. 1, pp. 502‒506. (in Russian)
- Yanin E.Ya. Sediment of water supply stations (composition, treatment, disposal). Ekologicheskaya ekspertiza [Environmental Assessment], 2010, no. 5, pp. 2‒45. (in Russian)
- Orlov A.A., Belkanova M.Yu., Tonkov V.A., Lymar R.K. Prospects for the use of sediment from water treatment plants in the production of ceramic bricks. Vodnye resursy – osnova ustoychivogo razvitiya poseleniy Sibiri i Arktiki v XXI veke: sb. dokl. XXI Mezhd. nauch.-prakt. konf. T. I. [Water resources are the basis for the sustainable development of settlements in Siberia and the Arctic in the 21st century: Sat. doc. XXI Intl. scientific-practical. conf. V. I.]. Tyumen, Tyumen Industrial University, 2019, pp. 223‒228. (In Russian).
- Orlov A.A., Lymar R.K. Ceramic brick modified with an additive from sediments of water treatment stations. Nauka YuUrGU. Sektsii tekhnicheskikh nauk: mater. 72-y nauch. konf. [SUSU science. Sections of technical sciences: mater. 72nd scientific conf.]. Chelyabinsk, SUSU Publishing Center, 2020, pp. 59‒63. (In Russian).
- Kosarev V.V., Belkanova M.Yu. Possibilities of using sediments of water supply treatment facilities in the manufacture of ceramic bricks. Molodoy issledovatel: materialy 9-y nauchnoy vystavki-konferentsii [Young researcher: materials of the 9th scientific exhibition-conference]. Chelyabinsk: SUSU Publishing Center, 2022, pp. 53‒58. (In Russian).
- Shakhov S.A., Rudaya T.L. Structural and mechanical properties of clay clay ceramics with addition of water treatment sludge. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta [Izvestia Tomsk Polytechnic University], 2014, vol. 325, no. 3, pp. 98‒105. (in Russian)
- Volosatova K.A., Shamanov V.A., Kazymov K.P., Tomilina E.M. Comparison of characteristics of clay raw materials of the Perm Territory. Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo politekhnicheskogo universiteta. Prikladnaya ekologiya. Urbanistika [Bulletin of Perm National Research Polytechnic University. Applied ecology. Urbanism], 2022, no. 1(45), pp. 59‒70. (in Russian)
- Karmanova A.S., Pankova E.I., Shamanov V.A., Martynova A.A. Characteristics of ceramic mass modified with organic and mineral waste of technogenic origin. Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo politekhnicheskogo universiteta. Prikladnaya ekologiya. Urbanistika [Bulletin of Perm National Research Polytechnic University. Applied ecology. Urbanism], 2019, no. 4(36), pp. 55‒65. (in Russian) doi: 10.15593/2409-5125/2019.04.06
- Soft T.M., Pustovalov E.V. New resource-saving loading of fast filters at water treatment facilities. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitelnogo universiteta. Seriya: Stroitelstvo i arkhitektura [Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Construction and Architecture], 2011, no. 22(41), pp. 133‒137. (in Russian)
Supplementary files
