PROCEDE DE MISE EN CONDITION ET D'UTILISATION DE BOUED'EAU D'EGOUTS
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La présente invention concerne un procédé de mise en condition et d'utilisation des matières de rebut d'usines d'épuration des eaux d'égouts municipales, plus particulièrement de la boue des eaux d'égouts "digérées" résultant
du traitement d'une manière classique des eaux d'égouts municipales, par la combinaison de cette boue avec certains types
de corps réagissants comme des ciments et les additions ultérieures possibles d'autres composés de matières inertes ; l'invention concerne également des compositions traitées et les produits durcis qui en sont issus.
Dans une usine primaire de traitement des eaux d'égouts caractéristique, on permet à l'eau d'égout brute de se clarifier par décantation ; le courant du fond est alors "digéré"
de façon anaérobie dans une chambre fermée par rapport à l'at-
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jour de l'eau d'égout dans cette chambre est généralement d'environ 5 à. 30 jours. Le dépôt coagulé, "digéré" ou boue,est enlevé du fond de cette chambre. L'activité bactériologique
et les constituants de métaux lourds dans cette boue sont les deux seules caractéristiques parmi un certain nombre de caractéristiques nocives potentiellement qui doivent être considérées dans cette mise en condition, ce traitement et ce stockage.
Dans certaines usines de traitement des eaux d'égouts, l'effluent du traitement "primaire" ou du_,procédé de décantation est soumis à une digestion aérobie, telle qu'une aération ou un traitement par filtre à ruissellement lent. Ce traitement "secondaire" peut aussi comprendre le recyclage de la boue, auquel cas le produit contenant la boue est habituellement appelé "boue activée". La boue secondaire est généralement sta-
/ bilisée ou rendue non putrescible à la suite de l'altération bactériologique aérobie des composés organiques les moins stables dans l'effluent primaire. A l'état où cette opération n'est pas terminée dans le traitement secondaire et où ces composants organiques instables restent dans la boue secondaire, elles peuvent être aussi digérées anaréobiquement, en même temps que
la boue primaire. On pense que la mise en condition de cette
boue secondaire présente des problèmes similaires à ceux décrits ci-dessus en référence aux boues primaires. Avant la présente invention, la boue d'eau d'égout a été utilisée comme engrais destiné à l'agriculture, agglomérée (quelquefois en combinaison avec de la cendre volante) pour être utilisée dans
des ciments, déversée dans la mer ou accumulée dans des lagunes de rebut. Chacun de ces procédés d'élimination implique
de sérieux inconvénients.
Le but général de la présente invention est de pré-
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digérée de manière acceptable au point de vue écologique et économique. D'autres buts sont de prévoir des procédés pour utiliser ces boues pour produire des matières durcissables utiles, d'utiliser ces compositions durcissables fabriquées de cette manière, d'éviter tout dommage écologique provoqué par certains procédés d'élimination actuels, et de restituer les surfaces de terrains occupés maintenant par les lagunes pour boue d'eau d'égouts.
Plus particulièrement, c'est un but de la présente invention de prévoir un procédé pratique pour mélanger la boue d'eau d'égout digérée avec des matières relativement bon marché pour fabriquer des compositions durcissables qui peuvent, à leur tour, être utilisées comme produits de remblaya- ge ou comme matériaux de base supportant d'autres structures.
En conséquence, dans la présente invention, la boue d'eau d'égout digérée est mélangée avec de la chaux hydratée et de la cendre volante de façon que la composition résultante comprenne (tous les pourcentages suivants étant calculés sur des pourcentages de poids de solides) : 5 à 50 % d'eau,
1 à 15 % de chaux,(ou des matériaux équivalents, comme il se-
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venant d'eau d'égouts, 20 à 90 % de cendre volante, (ou de matériaux équivalents, tel qu'il sera discuté ci-après), 0 à 60
% de terre et 0 à 10 % de sulfate de calcium (habituellement, quoique pas nécessairement, sous la forme d'anhydrite). Cette composition susceptible de durcir peut être placée dans un site approprié, ouvert à l'atmosphère, à l'endroit où l'on veut avoir un remblayage ou un sous-bassement de route et où il est permis de faire durcir le produit pendant une certaine période. Suivant la composition et l'usage que l'on désire pour le remblayage ou le sous-bassement de route, un compactage peut être requis avant le durcissement.
Alternativement, d'autres sourcesdhydroxydes de métaux alcalino-terreux, telle que la poussière rejetée de fours à oxygène basiques, de la poussière rejetée de fours à chaux
ou de fours à ciment peut être utilisée à la place de la chaux et d'autres sources de matériaux actifs d'une manière pouzzolanique et/ou des ions aluminium ou ferriques peuvent être utilisés à la place de la cendre volante. Les matériaux caractéristiques qui peuvent être utilisés de façon supplémentaire
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(tel que le sous-produit rejeté d'une installation du traitement des eaux), "la boue rouge" (le sous-produit rejeté à hau-te teneur d'aluminium des procédés de réduction de la bauxite par voie chimique) et le résidu siliceux amorphe des incinérateurs d'ordures, en particulier les incinérateurs de résidus de raffineries de pétrole.
Finement divisé, le laitier de haut-fourneau trempé dans l'eau peut aussi être compris dans ces compositions comme corps réagissant à la manière d'un ciment.
De préférence, le procédé et le produit de la présente invention impliquent de tels mélanges dont la composition comprend, chiffrée en pourcents de poids de solide, 15
à 30 % d'eau, 2 à 6 % de chaux, 4 à 20 % de matière solide provenant de boue d'eau d'égout, et 30 à 80 % de cendre volante.
De préférence également, ces compositions comprennent (comptés en pourcents de poids de solide), du sulfate de calcium (1,5 à 3 % compté en anhydrite) et 20 à 45 % de terre.
Pour une meilleure compréhension de la présente invention, on fait référence à la description détaillée suivante de l'invention et aux revendications de cette demande qui en dépendent.
La boue d'eau d'égout digérée est le produit digéré de façon anaréobie ou aérobie d'une usine de traitement des eaux d'égouts municipales. Unetelle usine peut aussi comporter des procédés de coagulatio n et de décantation.
Un produit fini de ces usines consiste en une boue humide avec une teneur de matière solide située entre 3 et 8 % en poids. Après que ces boues ont-été accumulées pendant un certain temps, leur partie solide peut être un peu plus élevée et même peut approcher 35 % après une période assez long\,\e � . �f En général, la présente invention applique l'incorporation de ces matières à base de boue résiduelles dans une gangue, composée d'une façon primaire, de matières alumino-siliceuses, telle que la cendre volante. Les réactions chimiques qui surviennent sont largement responsables de la rétention de quantités appréciables d'eau venant de la boue et de l'emprisonnement ou, autrement dit, de la fixation ou de
la stabilisation structurale des solides constituant la boue de façon à. les rendre relativement non actifs et non extractables par lixiviation. Le degré de non réactivité ou de non extractibilité et même la résistance des produits résultants dépendent de nombreuses variables incluant les proportions de produits en réaction, les solides constituant la boue et l'eau dans les compositions, son degré de compacité, etc. Si les produits en réaction sont convenablement concentrés et si la composition est compactée avant la réaction, le produit de ce procédé de stabilisation et de fixation est un matériau de base ou de remblayage dur et monolithique.
D'un autre côté, si la réaction semblable au ciment survient dans une matière suffisamment diluée et/ou non compactée et/ou en combinaison avec des quantités suffisantes d'autres matières entremêlées, telle que de la terre, la réaction de durcissage survient seulement suivant une échelle limitée à l'intérieur de la masse et le produit est non-monolithique et granuleux ou ressemblant
à de la terre, en consistance. Un tel produit granuleux, nonmonolithique, peut servir comme matière de remblayage et, dans certains exemples, être supérieur au sol ordinaire en tant que matière de sous-couche à basse résistance à la compression avec des caractéristiques hautement désirables de facilité de sto-
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l'humidité.
Et ayant à l'esprit ces variations possibles, on doit comprendre que "susceptibles d'être durcis", "durcis" et "similaires au ciment Il et des termes similaires, tels qu'ils sont utilisés ici, ont pour but de comprendre toutes les formes de réaction de stabilisation similaire au ciment qui constituent une parti: intégrale de la présente invention. Ces termes, par conséquent, ne sont pas limités à la formation d'une masse dure, monolithique.
En se référant maintenant à la nature des matériaux utilisés dans la présente invention, les matières solides provenant de boue d'eau d'égout sont les matières restantes lorsque toute l'eau est enlevée d'une telle boue. Jusqu'à la limite où la présente invention est définie en termes de compositions comprenant certaines quantités de ces "matières solides" de boue d'eau d'égout, ceci est habituellement déterminé par la détermination de la teneur en matières solides de
la boue d'eau d'égout avant l'addition de cette boue au mélange durcissable. Le terme "teneur de matières solides", tel qu'il est utilisé ci-après, se réfère à la fraction de matières solides restantes lorsque l'eau dans la boue est éliminée par
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qu'elle est exposée à une circulation d'air atmosphérique à environ la même température. Ce chiffre peut aussi être déterminé par l'analyse du produit final des constituants formés par d'autres matériaux de base, y compris l'eau et en calculant la différence entre le poids total de la composition et le poids total des constituants susceptibles d'être attribués
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Chimiquement., les compositions de ces boues perdues comprennent une grande variété de matières organiques et minérales ; toutefois, sont apparemment exclus, les composés dans le genre du sucre à bas poids moléculaire hautement so-
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incorporés dans les mélanges de la présente invention n'ont pas été considérés comme étant utiles en combinaison avec des matières organiques caractéristiques. Pour des raisons qui ne sont pas comprises dans leur ensemble, on a trouvé que ceci 0 n'était pas le cas dans la présente invention, qui est basée
sur le mélange de boue d'eau d'égout avec des ciments pouzzolaniques incluant de façon caractéristique de la chaux et de la cendre volante et comprenant habituellement en outre des sulfates et des matériaux inertes tels que de la terre ou de
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type du sucre dans les produits résiduels de boue d'eau d'égout concernés par la présente invention, est un facteur significatif dans les résultats surprenants obtenus dans l'invention par la combinaison de ces matériaux pouzzolaniques avec de tels produits résiduels organiques.
D'autres facteurs, peut-être significatifs, qui peuvent contribuer à la compatibilité surprenante des boues d'eau d'égout digérées avec les corps réagissant similaires
au ciment, sont les ions métalliques et la teneur de matériaux cellulosiques de ces boues.
Ces ions métalliques peuvent comprendre des métaux lourds, tels que le zinc, le chrome, le plomb et le mercure, qui sont normalement plus difficiles à éliminer d'une manière acceptable écologiquement, et d'autres ions métalliques tels que l'alumunium et le fer dont certains peuvent être ajoutés <EMI ID=11.1>
Tous ces ions, et particulièrement les ions aluminium et fer, peuvent participer à la réaction similaire au ciment et par conséquent faciliter la combinaison intégrale des éléments solides de la boue avec les matériaux similaires au ciment sur lesquels la présente invention est fondée. En fait, il apparaît que seules les boues qui ont été modifiées chimiquement, telle que par l'addition de coagulants, peuvent être stabilisées dans les proportions les plus élevées de boue et d'eau et dans les proportions les plus basses de constituants à base de gangue de la présente invention.
La teneur d'éléments cellulosiques dans les boues d'eau d'égout peut être aussi appréciable. Ordinairement; on pense que celle-ci est comprise entre environ 5 et 25 % des éléments solides de la boue. Les corps cellulosiques sont généralement fibreux et la teneur en hydroxyle des éléments cellulosiques peut faciliter l'enchaînement de surface ou par liaison H des corps cellulosiques dans la boue avec les matériaux similaires au ciment de façon qu'ils agissent réellement en tant que renforçateurs à l'intérieur de la gangue similaire
au ciment.
La présente invention dépend de l'incorporation
de cendre volante ou de matériaux équivalents avec la boue résiduelle. La cendre volante, qui est une matière résiduelle bien connue, habituellement récupérée à partir des fumées de fours brûlant du charbon pulvérisé, est une matière finement divisée comportant une certaine proportion de carbone imbrulé, mais comprenant essentiellement divers composés de silice, alumine et fer présents sous une grande variété de formes,
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eeea.
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tués à la cendre volante, les quantités de ces matériaux exigées (la "quantité équivalente de cendre volante") doivent être déterminées largement par des essais et l'erreur est due à la nature particulière de ces matériaux et à la variation dans des objectifs possibles en ce qui concerne, par exemple, la vitesse de réaction, la résistance à la compression ultime, l'usage final etc... Ces "quantités équivalentes de cendre volante" de ces autres matériaux, tels que ceux qui ont été mentionnés ci-dessus, peuvent être évaluées, cependant, par des essais, tels que la procédure du "test d'activité pouzzolanique avecde la chaux" de la méthode de test ASTM C-618 et la procédure de test par ions aluminium-fer disponibles tel qu'il
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test est-plus utile lorqu'une quantité appréciable de sulfate est inclue dans le mélange similaire au ciment tandis que la première doit être utilisée si aucune quantité significative de sulfate ne doit être ajoutée. Dans ce but, une "quan-
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sur la composition totale, qui doit être d'environ 0,5 % en poids, d'anhydrite de sulfate de calcium ou de quantités équivalentes molaires d'autres composés de sulfate de métaux al-
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pour déterminer le_ "montant équivalent de cendre volante" de quelque autre matériau qui peut être utilisé à la place de la cendre volante. En général, la "quantité équivalente de cendre volante" se réfère à la quantité de concentration d'un sub-
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teneur de cendre volante.
La "chaux" incluse dans les compositions de la présente invention peut être de la chaux ordinaire dolomitique hydratée ou à haute teneur en calcium ou toute variété de mélanges de ces chaux hydratées. En plus, la chaux réagissante peut se composer, dans son ensemble ou en partie, d'une variété d'autres matières qui comportent des hydroxydes ou des oxydes de métaux alcalino-terreux libres et réactifs sous une forme hydratable vis-à-vis des hydroxydes. Ces autres matières comprennent la chaux vive (la dolomite calcinée ou pierre à chaux hydratable), de la poussière de four à ciment et de la poussière de four à chaux (qui contient normalement 25
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ble de réagir) et de la poussière de four à oxygène basique. Si une matière autre que la chaux hydratée est comprise comme faisant partie de toute la teneur en "chaux" dans les compositions et les procédés de la présente invention, la concentration du substitut de chaux nécessaire est calculée sur la base du pourcentage en poids de ce matériau nécessaire pour produire une certaine quantité d'oxyde ou d'hydroxyde de métaux alcalino-terreux libres ou susceptibles de réagir égale
(sur une base molaire) à celle qui serait produite par la chaux hydratée dans les limites de la présente invention.
Du laitier de haut fourneau trempé dans l'eau, finement divisé, peut réduire quelque peu la chaux exigée dans les compositions et les procédés de la présente invention. En général, ceci est dû à la tendance des composants siliceux amorphes de ces matériaux d'agir comme un ciment hydraulique
en formant des silicates hydratés et de l'ettringite. La chaux n'est pas exigée dans ces réactions.
Dans les mélanges préférés de la présente invention, et particulièrement ceux dans lesquels de la terre ou d'autres matières inertes est incorporée ou ceux prévus pour être utilisés comme matières de soubassement de routes (telles qu'opposées aux matières destinées au remblayage, où une moindre résistance est exigée), l'inclusion de sulfates de métaux alcalino-terreux est hautement désirable. Alors que ces sulfates peuvent être choisis parmi l'une quelconque des variétés de sulfate de calcium ou de magnésium, que ce soit sous la forme hydratée ou déshydratée, le matériau préféré, simplement à cause de sa disponibilité, est ledi dihydrate de sulfate de calcium.
Les mélanges de la présente invention peuvent, évidemment, inclure aussi une variété d'autres matériaux inertes ou complémentaires. De tels matériaux inertes peuvent fonctionner pour absorber l'eau, contribuer à la résistance, à ajouter des caractéristiques de durcissement précoce, ou simplement produire du volume. De tels matériaux peuvent être de la terre, de l'agrégat et du ciment Portland. Des matériaux complémentaires additionnels possibles sont des composés de sulfites, ou des compositions comprenant de tels composés qui peuvent rehausser ou promouvoir les réactions similaires auciment.
Les proportions de matières dans les compositions et les procédés de la présente invention peuvent varier dans des limites relativement larges.
Par exemple, en ce qui concerne l'eau, de l'eau
en quantité suffisante doit être présente pour permettre la
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que, à une teneur d'humidité plus basse, inférieure à environ
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cessaire de compacter le mélange similaire au ciment pour lui permettre de durcir. D'un autre côté, la teneur en humidité
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tration, une teneur en eau excessive peut provoquer une telle dilution des matières similaires au ciment, de façon à intérfèrer avec la réaction nécessaire similaire au ciment. De préférence, la teneur en humidité se situe dans une fourchette allant
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et en particulier approchant le maximum de 50 des proportions plus élevées de cendre volante et de chaux sont nécessaires dans la composition pour retenir la teneur en eau additionnelle. Si une proportion extraordinairement élevée de corps réagissants similaires au ciment sont présents ou si la boue d'eau d'égout contribue de manière significative à la réaction similaire au ciment, telle que par l'inclusion d'ions aluminium ou fer dans un additif coagulant, une teneur en humidité plus élevée peut être tolérable. Dans certaines expériences, des
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été stabilisées avec des matières solides de boues de complé-
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Généralement, la chaux devrait être présente dans les mélanges similaires au ciment jusqu'à une valeur de 1 à
15 % (tous les pourcentages étant calculés en % de poids des matières solides). La possibilité de réalisation économique
est la première considération dans la fixation de cette limi- �
1-1 te supérieure. De préférence, la teneur en chaux se situe dans la fourchette de 2 à 6 % en poids. Autant que des matériaux autres que la chaux hydratée ordinaire, la chaux dolimitique ou à haute teneur en calcium sont utilisées, des matériaux possédant des hydroxydes de métaux alcalino-terreux réactifs disponibles ou des oxydes de métaux alcalino-terreux hydratables devraient être inclus à cause de leur équivalence molaire aux proportions de chaux requises définies ci-dessus.
En ce qui concerne la réaction pouzzolanique sur laquelle la présente invention est fondée, le mélange de la présente invention devrait inclure au moins 20 % de cendres volantes, quoique 30 % soient préférés. La limite supérieure des cendres volantes se situe dans le voisinage d'environ 90 % quoique 80 % soient préférés comme limite supérieure. Même des teneurs en cendre volante plus élevées peuvent être pratiquées dans certains cas dûs à la nature chimique de la cendre volante ou aux spécifications d'usage final. On comprendra que la cendre volante en excès de celle nécessaire à la réaction similaire au ciment agit en tant que matière de remplissage (filler) ou en agent d'absorption d'eau ou les deux à la fois.
D'une manière pratique, les compositions de la présente invention, et celles résultant des procédés de la présente invention, devraient comprendre une quantité appréciable de matières solides de boue d'eau d'égout digérée, puisque c'est le premier but de la présente invention d'éliminer et d'utiliser ces matières solides. Par conséquent, alors que la présente invention englobe ces compositions à une limite inférieure de matières solides de boues d'1 %, on préfère que ce soit un minimum de 4 % en poids. Généralement, la limite supérieure de ces matières solides peut s'élever à 50 % mais
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ment, tous les pourcentages sont calculés sur un % de poids
de matières solides à moins qu'il n'en soit indiqué autrement). Comme avec l'eau, à une concentration de matières solides de boues plus élevées, les compositions avec les concentrations
de chaux et de cendre volante, près de l'extrémité inférieure des fourchettes acceptables respectives, devraient être évitées. F�
pPar exemple, dans un cas avec des concentrations élevées à la fois d'eau (teneur en humidité d'environ 42 %)
et de matières solides de boue d'eau d'égout digérée traitée par des voies non chimiques (environ 18 %), des com
on a trouvé que des compositions avec des résistances à la compression acceptable pour les applications de remblayage devaient exiger au moins 55 % de cendres volantes et 2 % de chaux, avec
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tement préférable. Avec une teneur en humidité de 50 % et des matières solides de boues de 20 % , des chiffres de cendre volante et de chaux même plus élevés peuvent être requis. Ceci dépendra, évidemment, d'un certain nombre de variables incluant les caractéristiques chimiques et physiques de la boue et de
la cendre volante (qui varieront suivant la source et les procédés de traitement ou de production), de la réactivité et de
la capacité d'absorption des autres matériaux dans le mélange, et des temps de traitement et de résistance à la compression requise dans le produit final.
Les compositions de la présente invention peuvent être améliorées en particulier en ce qui concerne les carac- <EMI ID=32.1> duit de sulfate de calcium ou d'autres sulfates de métaux alcalino-terreux réactifs. A cause de son bas prix relatif et
de sa disponibilité, le gypse ou le dihydrate de sulfate de calcium est préférable en quantité suffisante pour amener l'équivalent molaire de 1 à 10 % (en poids de matières solides) d'anhydrite de calcium. De préférence, celui-ci se situera dans
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calino-terreux sont utilisés, tels que le sulfate de magnésium, ils doivent être maintenus à l'intérieur de fourchettes équivalentes, sur une base molaire, aux fourchettes de pourcentage en poids spécifiées pour l'anhydrite de sulfate de calcium.
Dans l'une des compositions et l'un des procédés de traitement préférés de la présente invention, le mélange comprend de la terre (de la terre ordinaire, du sable, des graviers ou d'autres matières solides, des matériaux naturellement non monolithiques provenant de la croûte terrestre) et
le mélange est placé dans un espace ouvert à l'atmosphère, en tant que matériau de remblayage. Ce matériau exige généralement un certain compactage avant durcissage, particulièrement
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terre doit être présente à une valeur de 10 à 60 % (pourcentage en poids de matières solides) et de préférence être comprise entre 20 à 40 % des matières solides de la composition. De toute évidence, cette terre doit être incorporée au mélange dans une installation ou usine. Alternativement, la terre peut être incorporée par l'addition du mélange à une base terreuse et mélangée in situ. Différentes autres matières, telles qu'un agrégat, peuvent aussi être incorporées dans le mélan-
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te/eau d'égout, sont énumérées avec leurs caractéristiques de produits pour montrer leur utilité en tant que matériau structural de remblayage ou susceptible de durcir. Les procédés de
la présente invention peuvent impliquer l'usage de ces compositions dans la mesure où on exige ces résistances à la compression ou d'autres caractéristiques. On doit remarquer que
des résistances à la compression minimum de 0,9 à 1�4 kg par
cm2 sont requises pour des application.: en tant que remblayage-tandis que les matériaux de soubassement de routes devraient dépasser environ 20 kg par cm2 DE résistance à la compression.
On devrait aussi remarquer que le tableau 3 se réfère à de la "poussière de ciment perdue". Cette poussière
de four à ciment inclue généralement des concentrations appréciables d'oxyde de métaux alcalino-terreux hydratables réactifs et, par conséquent, elle agit dans la présente invention comme un corps réagissant à base de chaux ou un substitut de
ce corps.
Le tableau 4 se réfère à des compositions similaires utilisant de la "chaux perdue" comme matière à base de chaux. Cette chaux perdue est la pousière d'un four à chaux classique et se compose de quantités appréciables d'oxydes de métaux
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Comme un exemple d'un usage caractéristique et préféré de la présente invention, de la boue d'eau d'égout municipal primaire digérée et accumulée pendant des temps variables (ayant été accumulée$) pendant des périodes s'échelonnant de quelques semaines à des décades) et combinée dans un mélange se composant de 31,3 % de boue d'eau d'égout humide (des différentes matières de production venant de bassins se composant de 13 à 33 % de matières solides de boue d'eau d'égout),
31,3 % de cendres volantes, 31,3 % de terre, 3 % de chaux et
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langée et ensuite placée et compactée sur une partie de la surface précédemment occupée par la boue accumulée. Après une période de temps pendant laquelle le mélange est exposé à l'at-
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sus de celle requise pour l'usage en tant que remblayage. Le produit résultant est approprié à servir au remblayage dans
le but de réaliser un support pour une route, au-dessus duquel des routes express modernes peuvent être construites. Cette composition durcie a été testée en laboratoire et apparaît être exempte de caractéristiques de lixiviation indésirables.
Des tests de mélange comparables ont donné les résultats suivants :
Sommaire des résultats de tests après traitement de boue d'eau d'égout accumulée et production de matières de remblayage
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traités dans des récipients fermés :
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2[deg.]1 Rapports de support de Californie - non imbibé
' traités à 23[deg.]C dans des sacs de matière plastique étanches
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Les résultats inhabituels et surprenants obtenus
en fabriquant un matériau de construction à partir de boue d'eau d'égout sont en outre illustrés par certains résultats de tests de lixiviation sur le matériau de test précédent. Dans ces tests de lixiviation, un échantillon monolithique de 500 grammes de matière d'échantillon durci a été agité avec 2.000 ml d'eau désionisée pendant 48 heures. L'échantillon a été ensuite filtré et le filtrat analysé pour rechercher les ions métalliques,
l'activité bactériologique etc...
En ce qui concerne l'activité bactériologique, l'eau désionisée, en ce qui concerne le contrôle de test présentait des comptages sur plaques, de colibaciles et de bactérie fécale de 110, 23 et 0 respectivement tandis que le filtrat de cette lixiviation présentait des comptages comparables de 3.600,
23 et 0. Ainsi, aucune augmentati �
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En ce qui concerne les ions métalliques, le tableau 6 énumère la gamme de certaine teneur d'ions métalliques observés dans une série de tests des boues utilisées dans les compositions d'essais précédentes, ainsi que les teneurs de ces mêmes ions dans le filtrat (basé sur le test de lixiviation qui vient d'être décrit) à partir de trois exemples de
la composition de tests précédents, chacune étant testée à différents stades de traitement.
TABLEAU 6
Toutes les teneurs sont en parts par million
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Dans d'autres tests, de la boue d'eau d'égout digérée accumulée venant de la lagune D de l'usine de traitement
du Sud-Ouest de Philadelphie ( comprenant 21 à 25 % de matières solides boueuses) a été essayée sous divers mélanges avec de la cendre volante venant du dispositif de récupération mécanique de l'usine de Eddystone de la Compagnie électrique de Philadelphie et l'usine de la station Titus de la "Metropolitan Edison Company" de Reading en Pennsylvanie. De la terre
a été incluse dans les compositions dans certains de ces tests. La terre comme il a été indiqué, fut soit ajoutée à partir d'une carrière de pierre à chaux de la "G. & W.H. Corson Company,
à Plymouth Meeting, en Pennsylvanie, soit du sable et/ou du gravier venant de Penn's Grove, en Pennsylvanie, telle qu'elle est fournie par "Pennsylvania Department of Transportation".
La chaux utilisée dans ces tests fut une chaux hydratée, dolomitique de la "G. & W.H. Corson Company". D'autres matières résiduelles incluses dans certaines de ces compositions étaient des résidus d'incinérateur venant de Marple Township Refuse Incinerator à Lawrence Park, en Pennsylvanie, de la poussière de chaux, cette poussière étant en partie directement obtenue et en partie stockée en tas en venant de l'usine de Annville en Pennsylvanie de la Bethlehem Steel et de l'anhydrite de sulfate de calcium fabriquée en sous-produit industriel à Paulsboro dans le New Jersey.
Dans ces différentes tests concernant la résistance à la compression, la teneur en humidité et la densité de l'échantillon a été déterminée au moment de la préparation de l'échantillon. Les spécimens de test ont été fabriqués dans
des moules Proctor standard utilisant un marteau de 2,5 kg,
3 couches de matières d'échantillons comprimées à raison de
25 coups par couches. Ces échantillons ont été traités dans
des récipients fermés et ensuite trempés dans l'eau pendant
4 heures avant l'essai de résistance à la compression.
Dans une première série de tests faisant partie
de ce programme de tests, plusieurs compositions ont été préparées incluant chacune 20 % de boue, la boue comprenant 21 % de p produits solides de boue d'eau d'égout, de la cendre volante
dans la proportion de 35 à 40 % et de la terre, plus précisément de la surcharge de Corson contenant 23 % d'eau, dans une
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la chaux, comprenant la matière du type de la chaux venant de la poussière de sous-produits résiduels, et de l'anhydrite de sulfate de calcium. Les résultats de cette série sont indiqués
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Les échantillons 4, 5 et 6 n'ont pas produit, évidemment, de résistance à la compression suffisante. Ceci démontre la nécessité d'un certain minimum de chaux réactive. La poussière résiduelle sèche d'Annville est apparamment brûlée sévèrement et par conséquent inerte. Par contraste, les échantillons 11 à 14 ont utilisés de la poussière d'Annville stockée en tas en tant que source de chaux et des résistances à la compression satisfaisantes ont été obtenues. On pense pouvoir attribuer ceci à l'effet de vieillissement face aux agents atmosphériques, pendant le stockage en tas de la poussière d'Annville. Il faut remarquer que la chaux telle qu'elle n'a pas été ajoutée dans aucune des compositions identifiées dans les échantillons 4 à 6 et 11 à 14.
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sable en tant qui agrégat inerte, la teneur des compositions étant autrement similaire à celle des séries précédentes. Excepté dans deux exemples, dans lesquels la teneur de cendre volante de 20 et de 15 %, respectivement, ont été essayés (voir les exemples n[deg.] 6 et n[deg.] 7 dans le tableau 8, ciaprès) ; dans ces deux tests particuliers, les résistances à la compression ont été telles que les compositions devraient être considérées comme seulement d'utilité marginale dans les applications qui présentent de l'intérêt dans la présente invention. Les résultats de ces tests sont autrement reportés dans le tableau 8
<EMI ID=59.1>
<EMI ID=60.1>
<EMI ID=61.1>
Dans le tableau 8, on voit que les exemples 11 et
12 incluent des teneurs en sable substantiellement plus élevées avec aucun effet apparent sur la résistance à la compression. Des compositions avec aussi peu que 5 % de chaux et 2 % de poussière sèche d'Annville, associées avec 0,5 % d'anhydrite de sulfate de calcium, produisent des mélanges avec des résistances à la compression dans des gammes utiles. A cet égard, on doit remarquer les échantillons n[deg.] 19 et n[deg.] 22.
Dans encore une autre série de tests, les teneurs en boue et en eau près de l'extrémité supérieure de la gamme de composition du type de la présente invention, ont été essayéses. Comme il est représenté dans le tableau 9, à des teneurs d'humidité de 39 et de 50,4 % , REspectivement, et de 4o et 50 %de concentration de boue (boue, 45 % de matières solides ; ou une concentration de matières solides de boue de
18 et 22,5 % dans la composition) respectivement, les échantillons 2 et 3 ont été détectés comme étant marginaux avec seu-
<EMI ID=62.1>
chaux et en boue, cependant, on peut voir que les échantillons 5 et 6 sont satisfaisant et marginal respectivement avec 2 % de chaux. Dans ce cas, on croit que ceux-ci représentent les limites supérieures des compositions utiles de la présente invention autant que la teneur de boue traitée non chimiquement et d'eau soient concernée. On doit à nouveau remarquer qu'au niveau ou près des limites supérieures des teneurs en boue et en eau, des teneurs relativement hautes en cendre volante et en chaux sont nécessaires pour effectuer la stabilisation en vertu de la réaction chaux-cendre volante ou chaux-cendre volante-sulfate. L'effet de substituer un résidu d'incinérateur pour une partie ou toute la teneur de cendre volante dans les 11, <EMI ID=63.1> <EMI ID=64.1>
des données énumérées dans une autre série de tests mis en évidence dans le tableau 10 ci-après, dans lequel on verra que même à 0 % de cendre volante avec 40 % de résidus d'incinérateur et au-dessus, des mélanges avec des propriétés utiles en termes de résistances et compressions sont fabriqués (on pourra se référer en particulier dans ce cas aux échantillons 10,
11 et 12).
<EMI ID=65.1>
<EMI ID=66.1>
<EMI ID=67.1>
<EMI ID=68.1>
<EMI ID=69.1>
__ ..............
Dans une autre série de tests, dont on a mis en évidence les résultats dans le tableau 11, des mélanges non compactés à teneur d'humidité de 33 % ont été laissés sous des conditions atmosphériques pendant une période de temps de 0
à 28 jours sans compactage et ensuite compactés et testés plus
tard à 7 et 28 jours après compactage et essai. Le but de ce test était de démontrer que les compositions de la présente invention dans un procédé d'élimination de matières résiduelles utiles pouvaient être préparées et stockées en tas pendant 0 une certaine période avant usage. Pendant ce stockage en tas, certains des produits réagissant sont consommés et (en l'absence de compactage) ne produisent pas une gangue contribuant à la résistance. Par conséquent, dans ces situations de stockage en tas, des proportions plus élevées de produits réagis5 sants sont exigées. Ainsi on remarquera dans le tableau 11 que des compositions avec une teneur en chaux insuffisante (échan-
<EMI ID=70.1>
tées immédiatement après mélange tandis que d'autres furent capables de présenter une résistance à la compression appré-
<EMI ID=71.1>
jours.
Dans ce qui précède, on peut voir que la présente invention prévoit un procédé nouveau et unique, aussi bien qu'acceptable économiquement et écologiquement, d'utilisation et de réutilisation de boue venant d'une usine de traitement d'eau d'égout municipal. De plus, il a été démontré que les produits et les procédés de la présente invention peuvent être très utiles dans l'emprise du sol en évitant en outre le dommage à l'environnement ainsi qu'en corrigeant le dommage mas-
<EMI ID=72.1>
<EMI ID=73.1>
la présente invention a été décrite en ce qui concerne les compositions et les exemples particuliers, elle n'est pas nécessairement limitée à ceux-là. L'intention du demandeur est que les revendications suivantes soient prévues pour comprendre l'invention dans son esprit et son but véritables en y incluant des variations et des modifications possibles telles qu'elles seront apparentes à tous ceux qui sont spécialisés dans cette matière. CI( 9q. 1990 REVENDICATIONS
1[deg.]/ Mélange durcissable de matières solides et d'eau, caractérisé par le fait que les matières solides se composent (basées sur le pourcentage en poids des matières solides sèches) :
- 1 à 15 % de chaux,
- 1 à 50 % de matière solide de boue d'eau d'égout digérée,
- 20 à 90 % de cendre volante, et que l'eau apporte une teneur en humidité (basée aussi sur les pourcentages en poids de la matière solide sèche) de 5 à
50 %.
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PROCESS FOR CONDITIONING AND USE OF SEWAGE BURDEN
<EMI ID = 1.1>
The present invention relates to a method of conditioning and using waste materials from municipal sewage treatment plants, more particularly the resulting "digested" sewage sludge.
treatment in a conventional manner of municipal sewage, by combining this sludge with certain types
reactants such as cements and possible subsequent additions of other compounds of inert materials; the invention also relates to treated compositions and the cured products resulting therefrom.
In a typical primary sewage treatment plant, raw sewage is allowed to clarify by settling; the bottom current is then "digested"
anaerobically in a chamber closed to the at-
<EMI ID = 2.1>
sewage day in this chamber is usually around 5 to. 30 days. The coagulated deposit, "digested" or sludge, is removed from the bottom of this chamber. Bacteriological activity
and the heavy metal constituents in this slurry are the only two characteristics among a number of potentially harmful characteristics which must be considered in this conditioning, processing and storage.
In some sewage treatment plants, the effluent from the "primary" treatment or settling process is subjected to aerobic digestion, such as aeration or slow trickle filter treatment. This "secondary" treatment can also include recycling the sludge, in which case the product containing the sludge is usually referred to as "activated sludge". The secondary sludge is usually sta-
/ bilised or rendered non-putrescible following the aerobic bacteriological deterioration of the least stable organic compounds in the primary effluent. In the state where this operation is not completed in the secondary treatment and where these unstable organic components remain in the secondary sludge, they can also be digested anareobically, together with
the primary mud. It is believed that the conditioning of this
Secondary sludge presents problems similar to those described above with reference to primary sludge. Prior to the present invention, sewage sludge was used as an agricultural fertilizer, agglomerated (sometimes in combination with fly ash) for use in
cement, dumped in the sea or accumulated in waste lagoons. Each of these disposal processes involves
serious drawbacks.
The general object of the present invention is to pre-
<EMI ID = 3.1>
digested in an ecologically and economically acceptable manner. Other objects are to provide methods of using these sludges to produce useful curable materials, to use such curable compositions made in this way, to avoid any environmental damage caused by some current disposal methods, and to restore waste. areas of land now occupied by sewage sludge lagoons.
More particularly, it is an object of the present invention to provide a practical method for mixing digested sewage sludge with relatively inexpensive materials to make curable compositions which can, in turn, be used as products. backfill or as base material supporting other structures.
Accordingly, in the present invention, the digested sewage slurry is mixed with hydrated lime and fly ash so that the resulting composition comprises (all of the following percentages being calculated as weight percentages of solids ): 5 to 50% water,
1 to 15% lime, (or equivalent materials, as
<EMI ID = 4.1>
from sewage, 20 to 90% fly ash, (or equivalent material, as will be discussed below), 0 to 60
% soil and 0-10% calcium sulfate (usually, although not necessarily, as anhydrite). This hardening composition can be placed in a suitable site, open to the atmosphere, where it is desired to have a backfill or a road basement and where it is allowed to cure the product for a period of time. certain period. Depending on the composition and use desired for backfilling or road sub-basement, compaction may be required prior to hardening.
Alternatively, other sources of alkaline earth metal hydroxides, such as dust discharged from basic oxygen furnaces, dust discharged from lime kilns
or cement kilns can be used in place of lime and other sources of pozzolanically active materials and / or aluminum or ferric ions can be used in place of fly ash. Characteristic materials that can be used in additional ways
<EMI ID = 5.1>
(such as the by-product released from a water treatment plant), "red sludge" (the high-grade aluminum by-product released from chemical bauxite reduction processes) and amorphous siliceous residue from garbage incinerators, particularly petroleum refinery residue incinerators.
Finely divided, the water-soaked blast furnace slag can also be included in these compositions as a cement-like reactant.
Preferably, the process and the product of the present invention involve such mixtures the composition of which comprises, quantified in percent by weight of solid, 15
30% water, 2-6% lime, 4-20% solids from sewage sludge, and 30-80% fly ash.
Also preferably, these compositions comprise (counted as percent by weight of solid), calcium sulfate (1.5 to 3% counted as anhydrite) and 20 to 45% earth.
For a better understanding of the present invention, reference is made to the following detailed description of the invention and to the claims of this application which depend thereon.
Digested sewage sludge is the anareobically or aerobically digested product of a municipal sewage treatment plant. Such a plant may also include coagulation and decantation processes.
A finished product from these plants is a wet slurry with a solids content of between 3 and 8% by weight. After this sludge has been accumulated for a while, its solid part can be a little higher and even can approach 35% after a rather long period \, \ e � . In general, the present invention applies the incorporation of these residual sludge-based materials into gangue, composed in a primary way, of alumino-siliceous materials, such as fly ash. The chemical reactions which take place are largely responsible for the retention of appreciable amounts of water from the sludge and the entrapment or, in other words, for the fixation or
the structural stabilization of the solids constituting the sludge so as to. make them relatively inactive and non-extractable by leaching. The degree of non-reactivity or non-extractability and even the resistance of the resulting products depend on many variables including the proportions of reacting products, the solids constituting the slurry and the water in the compositions, its degree of compactness, etc. If the reaction products are properly concentrated and if the composition is compacted before the reaction, the product of this stabilization and fixation process is a hard, monolithic base or backfill material.
On the other hand, if the cement-like reaction takes place in a sufficiently diluted and / or uncompacted material and / or in combination with sufficient amounts of other entangled material, such as earth, the hardening reaction only takes place. on a limited scale within the mass and the product is non-monolithic and granular or resembling
to earth, in consistency. Such a granular, non-monolithic product can serve as a backfill material and, in some examples, be superior to ordinary soil as a low compressive strength underlayment material with highly desirable characteristics of ease of storage.
<EMI ID = 6.1>
humidity.
And bearing in mind these possible variations, it should be understood that "hardenable", "hardened" and "cement-like II and similar terms as used herein are intended to include all the cement-like stabilization reaction forms which constitute an integral part of the present invention These terms, therefore, are not limited to the formation of a hard, monolithic mass.
Referring now to the nature of the materials used in the present invention, the solids from sewage sludge are the remaining materials when all the water is removed from such sludge. To the extent that the present invention is defined in terms of compositions comprising certain amounts of such sewage sludge "solids", this is usually determined by determining the solids content of the sewage sludge.
sewage sludge before adding this slurry to the curable mixture. The term "solids content" as used hereinafter refers to the fraction of solids remaining when the water in the slurry is removed by
<EMI ID = 7.1>
that it is exposed to a circulation of atmospheric air at about the same temperature. This figure can also be determined by analyzing the final product of constituents formed by other basic materials, including water and by calculating the difference between the total weight of the composition and the total weight of the constituents likely to be be awarded
<EMI ID = 8.1>
Chemically, the compositions of this waste sludge include a wide variety of organic and inorganic materials; however, compounds in the genus of highly solid low molecular weight sugar are apparently excluded.
<EMI ID = 9.1>
incorporated in the mixtures of the present invention have not been considered to be useful in combination with characteristic organic materials. For reasons which are not understood as a whole, it has been found that this is not the case in the present invention, which is based on
on the mixture of sewage slurry with pozzolanic cements typically including lime and fly ash and usually further comprising sulphates and inert materials such as earth or clay.
<EMI ID = 10.1>
The type of sugar in the sewage sludge residues concerned by the present invention is a significant factor in the surprising results obtained in the invention by the combination of these pozzolanic materials with such organic residues.
Other, possibly significant, factors that may contribute to the surprising compatibility of digested sewage sludge with similar reactants
to cement, are the metal ions and the content of cellulosic materials in this sludge.
These metal ions can include heavy metals, such as zinc, chromium, lead and mercury, which are normally more difficult to remove in an ecologically acceptable manner, and other metal ions such as aluminum and carbon. iron some of which can be added <EMI ID = 11.1>
All of these ions, and particularly aluminum and iron ions, can participate in the cement-like reaction and therefore facilitate the integral combination of the solid elements of the slurry with the cement-like materials upon which the present invention is based. In fact, it appears that only sludge which has been chemically modified, such as by the addition of coagulants, can be stabilized in the highest proportions of sludge and water and in the lowest proportions of base constituents. gangue of the present invention.
The content of cellulosic elements in sewage sludge can also be appreciable. Usually; this is believed to be between about 5-25% of the solids in the slurry. Cellulosic bodies are generally fibrous and the hydroxyl content of the cellulosic elements can facilitate the surface or H-bonding of the cellulosic bodies in the slurry with the cement-like materials so that they actually act as water boosters. similar matrix inside
with cement.
The present invention depends on the incorporation
fly ash or equivalent material with the residual sludge. Fly ash, which is a well-known waste material, usually recovered from the fumes of kilns burning pulverized coal, is a finely divided material with a certain proportion of unburned carbon, but essentially comprising various compounds of silica, alumina and iron present. in a wide variety of forms,
<EMI ID = 12.1>
eeea.
<EMI ID = 13.1>
killed by fly ash, the amounts of these materials required (the "equivalent amount of fly ash") must be determined largely by trial and error, and the error is due to the special nature of these materials and the variation in possible purposes with regard to, for example, reaction rate, ultimate compressive strength, end use etc. These "equivalent amounts of fly ash" of these other materials, such as those which have been mentioned above above, can be evaluated, however, by tests, such as the "pozzolanic activity test with lime" procedure of the ASTM C-618 test method and the available aluminum-iron ion test procedure such as he
<EMI ID = 14.1>
The test is most useful when an appreciable amount of sulfate is included in the cement-like mixture while the former should be used if no significant amount of sulfate is to be added. For this purpose, a "quan-
<EMI ID = 15.1>
on the total composition, which should be about 0.5% by weight, of calcium sulfate anhydrite or molar equivalent amounts of other aluminum sulfate compounds.
<EMI ID = 16.1>
<EMI ID = 17.1>
to determine the "equivalent amount of fly ash" of some other material that can be used in place of fly ash. In general, the "equivalent amount of fly ash" refers to the amount of concentration of a substance.
<EMI ID = 18.1> <EMI ID = 19.1>
fly ash content.
The "lime" included in the compositions of the present invention may be hydrated or high calcium dolomitic ordinary lime or any variety of mixtures of such hydrated lime. In addition, the reactive lime may consist, in whole or in part, of a variety of other materials which include free and reactive alkaline earth metal hydroxides or oxides in a form hydratable to the acids. hydroxides. These other materials include quicklime (calcined dolomite or hydratable limestone), cement kiln dust, and lime kiln dust (which normally contains 25
<EMI ID = 20.1>
ble to react) and basic oxygen furnace dust. If a material other than hydrated lime is included as part of the total "lime" content in the compositions and methods of the present invention, the concentration of the lime substitute required is calculated based on the weight percent of this. material necessary to produce a certain amount of free or reactive alkaline earth metal oxide or hydroxide
(on a molar basis) to that which would be produced by hydrated lime within the scope of the present invention.
Finely divided, water-soaked blast furnace slag can reduce somewhat the lime required in the compositions and methods of the present invention. In general, this is due to the tendency of the amorphous siliceous components of these materials to act as a hydraulic cement.
forming hydrated silicates and ettringite. Lime is not required in these reactions.
In the preferred mixtures of the present invention, and particularly those in which earth or other inert material is incorporated or those intended for use as road bedding materials (as opposed to materials intended for backfill, where a less strength is required), the inclusion of alkaline earth metal sulfates is highly desirable. While these sulfates can be selected from any of the varieties of calcium or magnesium sulfate, whether in hydrated or dehydrated form, the preferred material, simply because of its availability, is calcium sulfate dihydrate. .
The mixtures of the present invention can, of course, also include a variety of other inert or complementary materials. Such inert materials can function to absorb water, contribute strength, add early hardening characteristics, or simply produce bulk. Such materials can be earth, aggregate, and Portland cement. Possible additional complementary materials are sulfite compounds, or compositions comprising such compounds which can enhance or promote reactions similar to cement.
The proportions of materials in the compositions and methods of the present invention can vary within relatively wide limits.
For example, with regard to water, water
sufficient quantity must be present to allow the
<EMI ID = 21.1>
<EMI ID = 22.1>
<EMI ID = 23.1>
that at a lower moisture content, less than approximately
<EMI ID = 24.1>
necessary to compact the cement-like mixture to allow it to harden. On the other hand, the moisture content
<EMI ID = 25.1>
<EMI ID = 26.1>
Intration, an excessive water content can cause such dilution of cement-like materials, so as to interfere with the necessary cement-like reaction. Preferably, the moisture content is within a range of
<EMI ID = 27.1>
and particularly approaching the maximum of 50 higher proportions of fly ash and lime are needed in the composition to retain the additional water content. If an extraordinarily high proportion of cement-like reactants are present or if the sewage sludge contributes significantly to the cement-like reaction, such as by the inclusion of aluminum or iron ions in a coagulant additive , higher moisture content may be tolerable. In some experiments,
<EMI ID = 28.1>
been stabilized with solids from the sludge
<EMI ID = 29.1>
Generally, lime should be present in mixtures similar to cement up to a value of 1 to
15% (all percentages calculated as% by weight of solids). The possibility of economic realization
is the first consideration in fixing this limitation �
1-1 upper te. Preferably, the lime content is in the range of 2 to 6% by weight. As much as materials other than ordinary hydrated lime, dolimitic or high calcium lime are used, materials having available reactive alkaline earth metal hydroxides or hydratable alkaline earth metal oxides should be included because of their molar equivalence to the required lime proportions defined above.
With respect to the pozzolanic reaction upon which the present invention is based, the mixture of the present invention should include at least 20% fly ash, although 30% is preferred. The upper limit of fly ash is in the neighborhood of about 90% although 80% is preferred as the upper limit. Even higher fly ash contents may be practiced in some cases due to the chemical nature of the fly ash or end use specifications. It will be understood that fly ash in excess of that required for the cement-like reaction acts as a filler or a water absorbing agent or both.
Conveniently, the compositions of the present invention, and those resulting from the methods of the present invention, should include an appreciable amount of digested sewage sludge solids, since this is the primary object of the process. present invention to remove and use these solids. Therefore, while the present invention encompasses such compositions at a lower slurry solids limit of 1%, it is preferred that this be a minimum of 4% by weight. Generally, the upper limit of these solids can be 50% but
<EMI ID = 30.1>
ment, all percentages are calculated on a weight%
solids unless otherwise noted). As with water, at a higher sludge solids concentration, the compositions with the concentrations
lime and fly ash, near the lower end of the respective acceptable ranges, should be avoided. F �
p For example, in a case with high concentrations of both water (moisture content of about 42%)
and non-chemically treated digested sewage sludge solids (about 18%), com
It was found that compositions with compressive strengths acceptable for backfill applications should require at least 55% fly ash and 2% lime, with
<EMI ID = 31.1>
highly preferable. With a moisture content of 50% and slurry solids of 20%, even higher fly ash and lime figures may be required. This will, of course, depend on a number of variables including the chemical and physical characteristics of the sludge and
fly ash (which will vary depending on the source and the treatment or production process), reactivity and
the absorption capacity of other materials in the mixture; and processing times and compressive strength required in the final product.
The compositions of the present invention can be improved in particular with regard to the characteristics of calcium sulphate or other reactive alkaline earth metal sulphates. Because of its relative low price and
From its availability, gypsum or calcium sulfate dihydrate is preferable in an amount sufficient to provide the molar equivalent of 1 to 10% (by weight of solids) of calcium anhydrite. Preferably, this will be in
<EMI ID = 33.1>
Calino-earths are used, such as magnesium sulfate, they should be kept within ranges equivalent, on a molar basis, to the weight percent ranges specified for calcium sulfate anhydrite.
In one of the preferred compositions and treatment methods of the present invention, the mixture comprises earth (ordinary earth, sand, gravel or other solids, naturally non-monolithic materials derived from of the earth's crust) and
the mixture is placed in a space open to the atmosphere, as backfill material. This material generally requires some compaction before hardening, particularly
<EMI ID = 34.1>
earth should be present at a value of 10 to 60% (percentage by weight of solids) and preferably between 20 to 40% of the solids of the composition. Obviously, this soil needs to be incorporated into the mix in a facility or plant. Alternatively, the earth can be incorporated by adding the mixture to an earthy base and mixed in situ. Various other materials, such as aggregate, can also be incorporated into the mixture.
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<EMI ID = 36.1>
te / sewage, are listed with their product characteristics to show their utility as a structural backfill or hardenable material. The processes of
the present invention may involve the use of such compositions to the extent that such compressive strengths or other characteristics are required. It should be noted that
minimum compressive strengths of 0.9 to 1 � 4 kg per
cm2 are required for applications .: as backfill - while road bedding material should exceed approximately 20 kg per cm2 DE compressive strength.
It should also be noted that Table 3 refers to "lost cement dust". This dust
Kiln kiln generally includes appreciable concentrations of hydratable alkaline earth metal oxide reactants and, therefore, it acts in the present invention as a lime-based reactant or substitute for
this body.
Table 4 refers to similar compositions using "lost lime" as the lime material. This lost lime is the dust of a conventional lime kiln and consists of appreciable amounts of metal oxides.
<EMI ID = 37.1>
<EMI ID = 38.1>
<EMI ID = 39.1>
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<EMI ID = 42.1>
As an example of a typical and preferred use of the present invention, primary municipal sewage sludge digested and accumulated for varying times (having been accumulated) for periods ranging from a few weeks to periods of time. decades) and combined in a mixture consisting of 31.3% wet sewage sludge (of the various production materials from ponds consisting of 13 to 33% sewage sludge solids ),
31.3% fly ash, 31.3% soil, 3% lime and
<EMI ID = 43.1>
dipped and then placed and compacted on a part of the surface previously occupied by the accumulated mud. After a period of time in which the mixture is exposed to at-
<EMI ID = 44.1>
above that required for use as backfill. The resulting product is suitable for use in backfilling in
the aim of providing a support for a road, above which modern expressways can be built. This cured composition has been tested in the laboratory and appears to be free from undesirable leaching characteristics.
Comparable mixing tests gave the following results:
Summary of test results after treatment of accumulated sewage sludge and production of backfill material
<EMI ID = 45.1>
<EMI ID = 46.1>
processed in closed containers:
<EMI ID = 47.1>
2 [deg.] 1 California support reports - not soaked
'treated at 23 [deg.] C in sealed plastic bags
<EMI ID = 48.1>
<EMI ID = 49.1>
<EMI ID = 50.1>
The unusual and surprising results obtained
by making a building material from sewage sludge are further illustrated by some results of leaching tests on the previous test material. In these leaching tests, a monolithic sample of 500 grams of hardened sample material was stirred with 2,000 ml of deionized water for 48 hours. The sample was then filtered and the filtrate analyzed for metal ions,
bacteriological activity etc ...
Regarding bacteriological activity, deionized water, as far as the test control is concerned, showed plaque, colibacil and fecal counts of 110, 23 and 0 respectively while the filtrate from this leach showed comparable counts of 3,600,
23 and 0. Thus, no incrementati �
<EMI ID = 51.1>
<EMI ID = 52.1>
With regard to metal ions, Table 6 lists the range of certain metal ion content observed in a series of tests of the sludges used in the preceding test compositions, as well as the contents of these same ions in the filtrate ( based on the leaching test which has just been described) from three examples of
the composition of previous tests, each being tested at different stages of processing.
TABLE 6
All contents are in parts per million
<EMI ID = 53.1>
<EMI ID = 54.1>
In other tests, digested sewage sludge accumulated from lagoon D of the treatment plant
of Southwest Philadelphia (comprising 21 to 25% muddy solids) was tested in various mixtures with fly ash from the mechanical recovery device at the Philadelphia Power Company's Eddystone plant and the plant. from the Titus station of the Metropolitan Edison Company in Reading, Pa. Of the earth
was included in the compositions in some of these tests. The earth as indicated was either added from a limestone quarry of the "G. & W.H. Corson Company,
at Plymouth Meeting, Pa., either sand and / or gravel from Penn's Grove, Pa., as supplied by the Pennsylvania Department of Transportation.
The lime used in these tests was a hydrated, dolomitic lime from the "G. & W.H. Corson Company". Other residual materials included in some of these compositions were incinerator tailings from Marple Township Refuse Incinerator in Lawrence Park, Pa., Lime dust, this dust being partly obtained directly and partly stored in piles in from Bethlehem Steel's Annville, Pa. plant and manufactured calcium sulfate anhydrite as an industrial byproduct in Paulsboro, New Jersey.
In these various tests regarding compressive strength, the moisture content and density of the sample was determined at the time of sample preparation. The test specimens were made in
standard Proctor molds using a 2.5 kg hammer,
3 layers of sample material compressed at the rate of
25 strokes per layer. These samples were processed in
closed containers and then soaked in water for
4 hours before the compressive strength test.
In a first series of tests forming part
of this test program, several compositions were prepared each including 20% sludge, the slurry comprising 21% p solid sewage sludge products, fly ash
in the proportion of 35 to 40% and of the earth, more precisely of the Corson overload containing 23% of water, in a
<EMI ID = 55.1>
lime, including lime-like material from residual by-product dust, and calcium sulfate anhydrite. The results of this series are shown
<EMI ID = 56.1>
<EMI ID = 57.1>
Samples 4, 5 and 6 obviously did not produce sufficient compressive strength. This demonstrates the need for a certain minimum of reactive lime. The residual dry dust from Annville is apparently severely burnt and therefore inert. In contrast, Samples 11-14 used heaped Annville dust as the source of lime and satisfactory compressive strengths were obtained. It is believed to be possible to attribute this to the effect of weathering in the face of atmospheric agents, during storage in heaps of the Annville dust. It should be noted that the lime as it was not added in any of the compositions identified in samples 4 to 6 and 11 to 14.
<EMI ID = 58.1>
sand as an inert aggregate, the content of the compositions being otherwise similar to that of the preceding series. Except in two examples, in which the fly ash content of 20 and 15%, respectively, were tested (see Examples n [deg.] 6 and n [deg.] 7 in Table 8, below); in these two particular tests the compressive strengths were such that the compositions should be considered only of marginal utility in the applications which are of interest in the present invention. The results of these tests are otherwise reported in Table 8
<EMI ID = 59.1>
<EMI ID = 60.1>
<EMI ID = 61.1>
In Table 8, we see that Examples 11 and
12 include substantially higher sand contents with no apparent effect on compressive strength. Compositions with as little as 5% lime and 2% dry Annville dust, combined with 0.5% calcium sulfate anhydrite, produce mixtures with compressive strengths in useful ranges. In this respect, we should note the samples n [deg.] 19 and n [deg.] 22.
In yet another series of tests, sludge and water contents near the upper end of the composition range of the type of the present invention were tested. As shown in Table 9, at moisture contents of 39 and 50.4%, REspectively, and 4o and 50% sludge concentration (sludge, 45% solids; or solids concentration mud solids
18 and 22.5% in composition) respectively, samples 2 and 3 were detected to be marginal with only
<EMI ID = 62.1>
lime and slurry, however, it can be seen that samples 5 and 6 are satisfactory and marginal respectively with 2% lime. In this case, it is believed that these represent the upper limits of useful compositions of the present invention as far as the content of non-chemically treated sludge and water are concerned. It should again be noted that at or near the upper limits of the sludge and water contents, relatively high levels of fly ash and lime are required to effect stabilization by virtue of the lime-fly ash or lime reaction. fly ash-sulfate. The effect of substituting an incinerator residue for some or all of the fly ash content in the 11, <EMI ID = 63.1> <EMI ID = 64.1>
data listed in another series of tests highlighted in Table 10 below, in which it will be seen that even at 0% fly ash with 40% incinerator residues and above, mixtures with properties useful in terms of resistances and compressions are manufactured (one can refer in this case in particular to samples 10,
11 and 12).
<EMI ID = 65.1>
<EMI ID = 66.1>
<EMI ID = 67.1>
<EMI ID = 68.1>
<EMI ID = 69.1>
__ ..............
In another series of tests, the results of which were shown in Table 11, uncompacted mixtures with a moisture content of 33% were left under atmospheric conditions for a period of time of 0
at 28 days without compaction and then compacted and tested more
late at 7 and 28 days after compaction and testing. The purpose of this test was to demonstrate that the compositions of the present invention in a useful waste disposal process could be prepared and stored in piles for a period of time before use. During this heap storage some of the reacting products are consumed and (in the absence of compaction) do not produce gangue contributing to resistance. Therefore, in these heap storage situations, higher proportions of reactants are required. Thus, it will be noted in Table 11 that compositions with an insufficient lime content (exchange
<EMI ID = 70.1>
immediately after mixing while others were able to exhibit an appreciable compressive strength.
<EMI ID = 71.1>
days.
From the foregoing, it can be seen that the present invention provides a novel and unique method, as well as economically and environmentally acceptable, for the use and reuse of sludge from a municipal sewage water treatment plant. . In addition, it has been shown that the products and methods of the present invention can be very useful in the soil footprint while further avoiding damage to the environment as well as correcting the mass damage.
<EMI ID = 72.1>
<EMI ID = 73.1>
the present invention has been described with regard to the compositions and the particular examples, it is not necessarily limited to them. It is the intention of the applicant that the following claims are intended to understand the invention in its true spirit and purpose, including therein possible variations and modifications such as will be apparent to anyone skilled in this subject. CI (9q. 1990 CLAIMS
1 [deg.] / Curable mixture of solids and water, characterized in that the solids consist (based on the percentage by weight of dry solids):
- 1 to 15% lime,
- 1 to 50% solid matter of digested sewage sludge,
- 20 to 90% fly ash, and that the water provides a moisture content (also based on the percentages by weight of the dry solid) of 5 to
50%.
<EMI ID = 74.1>