ВведениеДо настоящего времени окончательно не решён вопрос с утилизацией основных отходов жилищно-коммунального хозяйства, таких как сточные воды. Они проходят очистку на очистных сооружениях, тогда как осадок, остающийся после очистки, чаще всего складируется на полигонах. В городе Санкт-Петербурге частично решена данная проблема – осадок сточных вод сжигается на ЗСО (заводах сжигания осадка), в результате чего объём его существенно сокращается примерно на порядок. Однако по-прежнему полигоны продолжают заполнятся, но уже не так интенсивно. Актуальность данной работы связана с исследованием золы от сжигания осадка сточных вод как потенциального сырья для создания инновационных строительных материалов.История вопросаВ Санкт-Петербурге на настоящий момент работает три завода по сжиганию осадка сточных вод – на Центральной станции аэрации, о. Белый, на Северной станции аэрации и на Юго-Западных очистных сооружениях. Частично задача использования золы от сжигания осадка сточных вод была решена в работах [1, 2], где зола от сжигания осадка сточных вод использовалась как компонент автоклавного золопенобетона1, также отдельно в литературе рассматривался вопрос об использовании зол различного происхождения как сырья при производстве строительной керамики [3], лёгких бетонов [4] и других видов строительных изделий. Одновременно были выявлены и недостатки использования золы от сжигания осадка сточных вод как сырья – в том числе такие как токсичность и повышенное содержание радионуклидов [3, 5, 6], что может препятствовать применению изготовленных материалов в гражданском строительстве, где есть серьёзные ограничения к качеству исходного сырья. Однако применение для промышленности, железнодорожного транспорта, оборонных и других негражданских объектов таких ограничений нет.ЭкспериментМикрофотография частиц золы балы выполнена в научно-исследовательской лаборатории комплексных физико-химических исследований на металлографическом микроскопе Altami MET 6C. Результаты представлены на Рис. 1. Видно, что зола от сжигания осадка сточных вод представляет собой мельчайшие частицы красно-коричневого цвета с очень развитой поверхностью. Рис. 1. Частицы золы от сжигания осадка сточных водРассмотрение образцов золы от сжигания осадка сточных вод проводился на дифрактомере рентгеновский ЭКРОС XRD-9500 (внесён в государственный реестр средств измерений РФ под № 88425-23.Р). Проведение опытов с использованием рентгеновского излучения для анализа структуры материалов осуществлялся в научно-исследовательской лаборатории комплексных физико-химических исследований Петербургского государственного университета путей сообщения. В качестве исследуемого материала использовалась зола от сжигания осадков сточных вод о. Белый, г. Санкт-Петербург. Результаты представлены на Рис. 2 в виде дефектограммы образца.Рис. 2. Дифрактограмма образца, λ: 2,29091Рис. 3. Наиболее выраженные веществаНа Рис. 3 представлены наиболее выраженные идентифицированные вещества. На дифрактограмме образца выявлены пики, соответствующие минералам кварца SiO2, также были выявлены соединения: магнезиоферрит MgFe2O4, плагиоклаз NaAlSi3O8-CaAl2Si2O8, нонтронит Na0.3Fe2((Si,Al)4O10)(OH)2×nH2OФазы, определённые при помощи рентгенофазового анализа с использованием рентгеновского излучения для анализа структуры материалов, представлены в Таблице 1. Из таблицы видно, что данный вид сырья является многокомпонентным сложным веществом, которое имеет в своём составе в виде основного компонента оксид кремния в виде аморфной фазы.Таблица 1 Таблица определённых фазIDФормулаНазваниеМинерал20471SiO2Silicon OxideQuartz30419SiO2Silicon OxideQuartz50490SiO2Silicon OxideQuartz, low200049K Al3H14(PO4)8∙4 H2OPotassium Aluminum Hydrogen Phosphate Hydrate 211550C7H12O44-C-Cyclopropyl-d-xylo-tetrofuranose 230608Re0.8Ta0.1C0.1Rhenium Tantalum Carbide 241307Tl4S3Thallium Sulfide 540805Ca3 Al0.4Ga1.6O6Calcium Aluminum Gallium Oxide 582026(Na, Ca)0.3Fe2(Si, Al)4O10(OH)2∙xH2OSodium Calcium Iron Aluminum Silicate Hydroxide HydrateNontronite590301Mg As PMagnesium Arsenide Phosphide 610035SiO2Silicon Oxide 620489BaCoZnFe8Sn2O19Barium Cobalt Zinc Iron Tin Oxide 775546BaCoZnFe8Sn2O19Potassium Sodium Manganese Aqua Tungsten Silicate Hydrate 890213HN( O2F)2Hydrogen Nitrogen Sulfonyl Fluoride  Результаты и обсуждениеОсновная фаза, которая была идентифицирована в рентгенофазовом анализе – диоксид кремния (кварц), это частично объясняется тем, что при сжигании осадка сточных вод используется система «пирофлюид», когда предварительно обезвоженный осадок сжигается в печах с псевдосжижженым слоем песка. При этом часть песка подвергается повышенному истиранию, вследствие чего уносится вместе с золой. В исследованиях было установлено, что добавление аморфной фазы вместо кристаллической фазы при производстве строительных материалов (то есть, замена процентного содержания песка на золу от сжигания осадка сточных вод) способствует уменьшению свободного пробега фонона2. Как было доказано, это приводит к тому, что золопенобетонные конструкции обладают улучшенными свойствами по теплоизоляции, а также по шумозащитным свойствам по сравнению с пенобетонами, где такой добавки нет. Наличие в исследуемых образцах плагиоклаза и карбида тантала — предполагает использование данного материала как возможное сырьё при изготовлении керамического материала, который будет обладать повышенной устойчивостью к тепловым ударам и механической эрозии. Однако наличие в составе нонтронита может повышать сорбционную способность материалов.Таким образом возможно утилизировать золу от сжигания осадка сточных вод практически по замкнутому циклу (Рис. 4).Рис. 4. Жизненный цикл коммунальных сточных водТакже возможно будет утилизировать золу, которая производится в настоящее время на трёх заводах Санкт-Петербурга, а при наличии реализуемых проектов по негражданскому строительству, возможно и освободить те территории полигонов, которые в настоящий момент отведены под хранение и куда свозится производимая зола от сжигания осадка сточных вод. Возможные направления использования золы от сжигания осадка сточных вод как источника основного или дополнительного сырья при производстве материалов различного назначения:ограждающие строительные конструкции;теплозащитные материалы;шумозащитные материалы;жаростойкие керамические изделия;керамические изделия повышенной прочности;строительные материалы с особыми свойствами;другие специальные строительные конструкции.ВыводыПредполагается разработка и использование новых материалов как часть многослойных ограждающих конструкций, каждый слой которой будет обладать особыми свойствами, такими как особопрочностные характеристики, шумозащитные свойства, теплоизоляционные свойства и другие. 1 Также этому вопросу посвящены патенты:Патент № 2256632 C1 РФ, МПК C04B 38/10. Автоклавный золопенобетон : № 2004108763/03 : заявл. 24.03.2004 : опубл. 20.07.2005 / Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, А.В. Хитров [и др.] ; заявитель ГОУВПО "Петербургский государственный университет путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации". ZOLIUX.Патент № 2646924 C1 РФ, МПК C04B 38/10. Автоклавный золопенобетон : № 2017110314 : заявл. 28.03.2017 : опубл. 12.03.2018 / Л. Б. Сватовская, А. М. Сычева [и др.] ; заявитель ФГБОУ ВО "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I". FZZPQA.Патент № 2647712 C1 РФ, МПК C04B 38/10, C04B 28/04, C04B 18/10. Автоклавный золопенобетон : № 2017110120 : заявл. 27.03.2017 : опубл. 19.03.2018 / Л. Б. Сватовская, М. Абу-Хасан [и др.] ; заявитель ФГБОУ ВО "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I". ZEDTXN.2 Патент № 2647712 C1 РФ, МПК C04B 38/10, C04B 28/04, C04B 18/10. Автоклавный золопенобетон: № 2017110120 : заявл. 27.03.2017: опубл. 19.03.2018 / Л. Б. Сватовская, М. Абу-Хасан [и др.]; заявитель ФГБОУ ВО "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I".ZEDTXN.