Průmyslové odpady jako vstupní surovina PODTITULEK: Výroba důlně-stavebních hmot Průmyslové (velkoobjemové) odpady tvoří v současné době více než tři čtvrtiny z celkového objemu odpadů produkovaných ročně v České republice. Rozhodující podíl přitom sehrávají odpady vznikající v procesech těžby a...
Průmyslové odpady jako vstupní surovina
PODTITULEK: Výroba důlně-stavebních hmot
Průmyslové (velkoobjemové) odpady tvoří v současné době více než tři čtvrtiny z celkového objemu odpadů produkovaných ročně v České republice. Rozhodující podíl přitom sehrávají odpady vznikající v procesech těžby a následného zpracování nebo využití nerostných surovin.
Doposud zcela převládající formou odstraňování odpadů v České republice je jejich skládkování. Zejména v průmyslově exponovaných oblastech však existují jen omezené možnosti likvidace průmyslových odpadů uložením na povrchových zabezpečených skládkách. Navíc toto řešení z dlouhodobého pohledu vlastně ani nemůže představovat řešení konečné, kterým by mělo být využití odpadů jako druhotné suroviny.
Jednu z možností takového řešení představuje využití vhodných průmyslových odpadů jakožto vstupních surovin pro výrobu základkových (důlně-stavebních) hmot, které jsou využitelné jak v činných, tak především v utlumovaných dolech.
Sanace důlních prostor pomocí samotuhnoucích hmot na bázi vybraných průmyslových odpadů zároveň přispívá k minimalizaci vzniku nežádoucích jevů, spojených s dobýváním i útlumem a likvidací báňské činnosti. Jsou to zejména projevy subsidence povrchu, propady starých důlních děl na povrchu nebo nekontrolované výstupy mineralizovaných důlních vod a metanu. Jejich následná likvidace představuje pro náš stát významné finanční náklady.
Současný stav
Hydraulické základkové směsi vyráběné na bázi odpadů jsou v černouhelném hornictví používány již delší dobu. Především v dolech ostravsko-karvinského revíru je více než 20 let aplikována "polská technologie" (zavedená a používaná na některých černouhelných dolech v Polsku, např. Dole Jastrzebie), využívající pro výrobu plavené základky suchých elektrárenských a teplárenských popílků a flotační hlušiny z úpravy uhlí. Tyto směsi dvou odpadů vykazují schopnost solidifikace vyvolané pucolánovými vlastnostmi suchých popílků.
V této souvislosti je nutno zdůraznit, že suché popílky ze spalování uhlí (kódové číslo 100102, N) jsou podle vyhlášky MŽP ČR č. 337/1997 Sb. stále klasifikovány jako odpad nebezpečný. Přitom po celou dobu aplikací těchto druhů odpadů v hornictví je na ně pohlíženo jako na druhotnou surovinu, která vstupuje do technologického procesu těžebního podniku.
Vychází se totiž z logického předpokladu, že se tak do podzemí vrací nespalitelná (zbytková) část přírodní materie (uhlí), která byla předtím ze zemské kůry vydobyta.
Z hlediska použitých vstupních surovin představuje hydraulická základka specifický typ betonové směsi, protože obsahuje stejné tři základní složky jako "klasické" betony, a to klastický materiál, hydraulické pojivo a vodu. Tento současný stav ve složení používaných hydraulických základkových směsí je shrnut v obrázku.
Požadavky na směsi
Základními požadavky kladenými na plavenou základku jsou z pohledu technologie hornické činnosti její vhodné fyzikálně-mechanické vlastnosti a chemické složení směsi. Základkové směsi mají proto splňovat zejména následující parametry:
[*] podle charakteru svého použití v dole musejí mít odpovídající parkovatelnost, tj. vytvářet s vodou takové suspenze, které jsou dopravovatelné potrubím do potřebné vzdálenosti v dole za určitý čas, než dojde k vypadávání (sedimentaci) pevných částic ze suspenze,
[*] podle charakteru a konkrétního místa použití musí chemické složení základkové směsi být takové, aby nedocházelo ke zhoršení životního prostředí v místě uložení směsi,
[*] podle konkrétního způsobu aplikace solidifikovaných směsí v důlním prostředí mohou orgány státní báňské správy (OBÚ) klást požadavky na pevnostní vlastnosti základkových směsí.
Z pohledu základních surovin, používaných pro výrobu základkových směsí (popílky, flotační hlušina) je třeba konstatovat, že v současné době existuje zřetelný nedostatek suchých popílků v potřebných objemech na trhu. Tato situace je vyvolána zejména zavedením fluidního spalování v tepelných elektrárnách, kdy je tento popílek díky svým vlastnostem využíván především výrobci stavebních hmot. Uvedená situace vyvolala potřebu hledání nových surovin, které by bylo možno použít pro výrobu základkových směsí. Zároveň, jak již bylo zdůrazněno v úvodu, rozhodující podíl v celé šíři odpadů produkovaných v současnosti v ČR stále představují odpady velkoobjemové (průmyslové).
Možné rozšíření výroby
Zde se proto přímo nabízí myšlenka vrátit do země vše, co bylo vydobyto, a co v následných procesech neumíme zužitkovat. Tato myšlenka je možným výchozím bodem k rozšíření filozofie přípravy základkových směsí i na další průmyslové odpady, které byly primárně získány hornickou činností, nebo které vznikají při zpracování přírodních rudních a nerudních surovin.
Jedná se především o odpady z energetiky, hutního a cementářského průmyslu, těžby a zpracování kamene a kameniva apod. Z pohledu vyhlášky MŽP č. 337/1997 Sb. se bude jednat především o vybrané odpady následujících kódových skupin:
01 00 00 -odpady z geologického průzkumu, z těžby, úpravy a zpracování nerostů,
10 00 00 -anorganické odpady z tepelných procesů,
19 00 00 -odpady ze zařízení na úpravu odpadů, ze zařízení ke zneškodňování odpadů, z čistíren odpadních vod a z vodárenství.
Výběr vhodných průmyslových odpadů a ověření možností jejich použití pro výrobu základkových hmot bylo předmětem řešení projektu VaV 530/1/98 "Výzkum a vývoj technologií pro úpravu odpadů vhodných k použití při zakládání vydobytých důlních prostor v hlubinných dolech", jehož zadavatelem bylo Ministerstvo životního prostředí ČR a nositelem Hornicko-geologická fakulta Vysoké školy báňské-Technické univerzity v Ostravě. V průběhu trvání projektu VaV 530/1/98 bylo postupně sledováno a testováno 123 konkrétních odpadů náležících do devatenácti druhů odpadů ve smyslu vyhlášky MŽP č. 337/1997 Sb. Z vybraných odpadů pak bylo v rámci řešení grantu VaV 530/1/98 laboratorně připraveno celkem 101 zakládkových směsí, z nichž bylo 34 navrženo pro průmyslové aplikace.
Průmyslové kaly
Využití vybraných průmyslových odpadů jako vstupních surovin pro výrobu základkových směsí je možno s úspěchem demonstrovat na směsích, k jejichž přípravě byly použity dva významné typy odpadů produkované Válcovnami plechu, a. s., Frýdek Místek (VP FM). Těmito odpady jsou jednak neutralizační mořírenské kaly (kódové číslo 190201, N), které vznikají jako produkt neutralizace kyseliny sírové po moření ocelových plechů, a dále pak popílek (kódové číslo 190103, N), který vzniká zachycováním imisí na odlučovačích Spalovny technologických odpadů VP FM.
Oba jmenované odpady obsahují chemické polutanty, proto byla věnována prvořadá pozornost studiu chemismu solidifikovaných směsí. Příprava a laboratorní testování jednotlivých základkových směsí byly ale zároveň cíleně vedeny tak, aby bylo možno získat směsi pro rozličné aplikace v důlním prostředí, tj. jako proplavovací směsi i směsi pro zakládání a zaplňování horizontálních i vertikálních důlních děl.
Kromě odpadů z výroby VP FM se předmětem laboratorního testování dále staly suchý úletový popílek z odlučovačů Elektrárny Dětmarovice (EDě) a returní prach (cementářské odprašky) z cementárny Brno -Maloměřice, vznikající při výpalu cementářského slínku v pecních linkách s rotační pecí při mokrém způsobu výroby cementu.
Chemické složení odpadů
Rizikovými parametry vstupních surovin jsou především anorganické látky, konkrétně prvky ze skupiny těžkých kovů. Nejrizikovějším odpadem je popílek VP FM, u něhož převyšují hodnoty As, Cd, Co, Ni, V a Zn třídu vyluhovatelnosti II. Tato třída je překročena i v případě pH a vodivosti. Hodnota acidity (pH = 5,0) dokonce překračuje limitní hodnotu třídy vyluhovatelnosti III.
Minimum rozpustnosti pro většinu kovů se nachází v alkalickém prostředí, a to při pH zpravidla vyšším než 11. Proto bylo při hledání vhodného složení základkových směsí prvořadým hlediskem dosažení vysoce alkalického prostředí. Tento požadavek byl splněn, pH připravených suspenzí i vodného výluhu po sedmi dnech solidifikace směsi se pohybovalo v rozmezí zhruba 12,5-13,0.
Na základě znalostí chemického složení vstupních surovin -odpadů bylo připraveno celkem 16 směsí. U nich byl nejprve sledován průběh sedimentace. Z výsledků měření vyplynulo, že sedimentace suspenzí se výrazně prodlužuje s nárůstem podílu mořírenského kalu na úkor elektrárenského popílku. Sedimentační rychlost je pak dále přímo úměrně ovlivňována také množstvím vody v suspenzi: se zvyšujícím se vodním součinitelem se urychluje sedimentace pevných částic vypadávajících ze suspenze.
Na základě zjištěných skutečností, a také technologických možností mísicích linek pro přípravu zakládkových směsí, byl pro závěrečné testování pevnostních vlastností vybrán soubor osmi testovaných směsí.
Studium pevnostních vlastností
Z výsledků pevnostních měření vyplývá:
výsledná pevnost v tlaku u směsí roste se snižujícím se vodním součinitelem suspenze,
nepříznivý vliv na výslednou pevnost základkové směsi má také obsah mořírenského kalu -s nárůstem podílu této komponenty klesá pevnost směsi,
naopak příznivý vliv na výslednou pevnost směsi má obsah returního prachu, kdy i přes pomalejší nástup procesů tuhnutí a tvrdnutí platí, že s rostoucím hmotnostním podílem returního prachu v suspenzi roste výsledná pevnost základkové směsi.
Na základě výsledných pevností, a s přihlédnutím k průběhu sedimentace lze, z hlediska využití směsí pro zakládání vyrubaných prostor, testované suspenze rozdělit do tří skupin:
1. Směsi, které vykazují výbornou parkovatelnost (až 260 minut), ale naopak nízké výsledné pevnosti po 28 dnech (pod 1 MPa) lze navrhnout pro účely proplavování závalu.
2. Směsi s dobrou parkovatelností (okolo 150 minut) a výslednými pevnostmi po 28 dnech v rozmezí asi 1-3 MPa (v závislosti na obsahu returního prachu) je možno považovat za vhodné pro ukládání do horizontálních důlních děl.
3. Směsi se "sníženým" vodním součinitelem 0,5, které se vyznačují špatnou (prakticky "nulovou") parkovatelností, ale naopak vysokou pevností, která může po 28 dnech přesahovat až 4 MPa. Tyto směsi nelze z důvodu špatné konzistence dopravovat potrubím, a proto jsou použitelné pro ukládání do svislých důlních děl.
Chemické složení směsí
Základem studia chemického složení testovaných směsí se staly znalosti o chemismu jednotlivých vstupních komponent -odpadů. Vybrané směsi byly testovány na rizikové parametry (tj. především těžké kovy) zjištěné u vstupních surovin.
Naměřené hodnoty koncentrací všech sledovaných kovů ve vodném výluhu jsou pod limitní hodnotou třídy vyluhovatelnosti II ve smyslu vyhlášky MŽP č. 338/1997 Sb. S postupující solidifikací navíc dochází k poklesu acidity výluhu pod hodnotu pH 13, čímž je rovněž splněn požadavek pro třídu vyluhovatelnosti II akceptovatelnou pro ukládání v hlubinných dolech.
Provedená laboratorní testování úspěšně potvrdila možnost využití vybraných typů průmyslových odpadů jako vstupních surovin pro přípravu základkových směsí. Tyto směsi splňují požadavky kladené na základkové směsi používané v hlubinných dolech, a to jak z hlediska výsledného chemického složení, tak také fyzikálně-mechanických vlastností. Zásadním výsledkem laboratorního výzkumu je pak vytvoření několika skupin základkových směsí (proplavovací směsi, směsi pro zakládání horizontálních děl a směsi pro vyplňování svislých důlních děl), které se vyznačují navzájem rozdílnými pevnostními charakteristikami a sedimentačními rychlostmi.
Připravené směsi jsou v současné době s úspěchem používány firmou GEMEC-Union, a. s. na Dole Jan Šverma v Žacléři.
Vladimír Slivka,
VŠB-TU Ostrava,
Institut geologického inženýrství
Martin Vavro,
Ústav geoniky AV ČR, Ostrava
