Physicochemical and geotechnical properties of an ash-slag mixture deposited on a landfill in terms of its use in engineering

Artur Szwalec, Andrzej Gruchot, Paweł Mundała, Eugeniusz Zawisza, Renata Kędzior

Abstract


Coal combustion ash-slag mixtures have been deposited in landfills in Poland for decades. At the same time, there is a shortfall in the amount of available materials related to the construction and modernisation of transportation infrastructure. Thus, a typical landfill of a power station was chosen and the aim of the study was to assess the suitability of an ash-slag landfill mixture for construction engineering purposes. The following physicochemical analyses were conducted: pH, specific electrical conductivity and determination of the leachability of basic (Ca, Na, K and Mg) and trace elements (Cd, Pb, Cr, Zn and Cu). The content of selected basic and trace elements were determined in the eluates by FAAS and standard methods were applied for geotechnical analyses. The most likely conditions were assumed to the model. The mixture will not jeopardize surface water quality in terms of the concentrations of basic, hazardous or priority elements. The content of these elements also does not exceed permissible concentrations for groundwater. The conductance and pH of the eluates are in compliance with current laws. The solid mixture has favourable geotechnical parameters which are significantly dependent on moisture content. The slope stability calculations for embankments created from the mixture at optimum moisture content and high compaction (Is≥ 0.95) indicate that they will be stable even in the case of high gradients (1:1.5). The slopes will be unstable in conditions of submersion, which should not occur if we assume the embankment will be used for passive flood protection. The mixture is particularly suitable for the purposes of earth structures, provided that they are isolated from water.


Keywords


ash-slag mixture, reuse of coal combustion waste, embankment, shear strength reduction method

Full Text:

PDF

References


Adamczyk Z. & Nowak J., 2012. Zmiana składu chemicznego żużli paleniskowych w składowisku izolowanym od środowiska. Górnictwo i Geologia, 7, 2, 7-21.

Adamczyk Z. & Skrzypczak K., 2004. Wymywanie metali ciężkich z popiołów lotnych Elektrowni Opole w zależności od pH roztworów ługujących. Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów, 6, 215-219.

Dhananjay B.S., Ramanand N.J., Vasimshaikh A.K., Sopan T.I. & Sanjay B.A., 2010. Extraction and Leaching of Heavy Metals from Thermal Power Plant Fly Ash and Its Admixtures. Polish Journal of Environmental Studies, 19, 6, 1325-1330.

Environment, Statistical Information and Elaborations 2016. Polish Central Statistical Office, Warsaw.

Fenelonov V.B., Mel’gunov M.S. & Parmon V.N., 2010. The properties of cenospheres and the mechanism of their formation during high-temperature coal combustion at thermal power plants. KONA Power and Particle Journal, 28, 189-208.

Galos K. & Uliasz-Bocheńczyk A., 2005. Źródła i użytkowanie popiołów lotnych ze spalania węgli w Polsce. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 1, 23-42.

Góra E., 1986. Wpływ popiołów z węgla kamiennego na plonowanie roślin. Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej im. H. Kołłątaja w Krakowie. Rozprawa Habilitacyjna, 101, AR, Kraków.

Gruchot A., 2016. Utylizacja odpadów powęglowych i poenergetycznych do celów inżynierskich jako czynnik kształtowania i ochrony środowiska. Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie. Rozprawy, 410, Wydawnictwo Uniwersytetu Rolniczego, Kraków.

Gruchot A. & Resiuła E., 2011. Wpływ zagęszczenia i nawodnienia na wytrzymałość na ścinanie mieszaniny popiołowo-żużlowej i stateczność wykonanego z niej nasypu. Górnictwo i Geoinżynieria, 2, 257-264.

Haustein E. & Quant B., 2011. Charakterystyka wybranych właściwości mikrosfer - frakcji popiołu lotnego - ubocznego produktu spalania węgla kamiennego. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 27, 3, 95-111.

Hirajima T., Petrus H.T., Oosako Y., Nonaka M., Sasaki K. & Ando T., 2010. Recovery of cenospheres from coal fly ash using a dry separation process: Separation estimation and potential application. International Journal of Mineral Processing, 95, 1-4, 18-24.

Hycnar J. & Tora B., 2015. Analiza zawartości wybranych metali w węglach i produktach ich spalania. Cuprum - Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud, 2, 75, 157-168.

Jarosiński A., 2016. Możliwości pozyskiwania metali ziem rzadkich w Polsce. Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, 92, 75-88.

Jayaranjan M.L.D., van Hullebusch E.D. & Annachhatre A.P., 2014. Reuse options for coal fired power plant bottom ash and fly ash. Reviews Environmental Science and Bio-Technology, 13, 4, 467-486.

Kapuściński T. & Strzałkowska E., 2005. Ługowalność pierwiastków podstawowych i śladowych z odpadów paleniskowych lokowanych w wyrobiskach górniczych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 3, 37-46.

Klojzy-Karczmarczyk B. & Mazurek J., 2003. Wpływ odcieków ze składowiska odpadów komunalnych i przemysłowych na jakość środowiska wodnego. Czasopismo Techniczne, 94-97, 5-12.

Kucowski J., Laudyn D. & Przekwas M., 1997. Energetyka a ochrona środowiska. Wyd. 4. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa.

Kusnierova M., Prascakova M., Cablik V. & Fecko P., 2011. Odpady energetyczne jako substytut niemetalicznych surowców pierwotnych [Energetic waste as an equivalent for primary nonmetallic materials]. Inżynieria Mineralna [Journal of the Polish Mineral Engineering Society], 12, 1, 73-78.

PN-EN 12457-4:2006. Charakteryzowanie odpadów - Wymywanie - Badanie zgodności w odniesieniu do wymywania ziarnistych materiałów odpadowych i osadów - Część 4: Jednostopniowe badanie porcjowe przy stosunku cieczy do fazy stałej 10 l/kg w przypadku materiałów o wielkości cząstek poniżej 10 mm (bez redukcji lub z redukcją wielkości). Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa.

PN-EN ISO 14688-2:2006. Badania geotechniczne - Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów - Część 2: Zasady klasyfikowania. Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa.

PN-S-02205:1998. Drogi samochodowe - Roboty ziemne - Wymagania i badania. Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa.

Pisarczyk S., 2004. Grunty nasypowe. Właściwości geotechniczne i metody ich badania. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa.

Popescu L., Cruceru M., Predeanu G., Volceanov E., Abagiu T., Balanescu M., Popa R. & Schiopu E.C., 2013. Assessment of heavy metal content and leaching characteristics of ash from a coal-fired power plant in Romania. [in:] Recent Researches in Electric Power and Energy Systems: Proceedings of the 13th International Conference on Electric Power Systems, High Voltages, Electric Machines (POWER’13) & Proceedings of the 1st International Conference on Power and Energy Systems (POES’13) Chania, Crete Island, Greece, August 27-29, 2013, WSEAS Press, 250-255.

Ram L., Srivastava N., Jha S., Sinha A., Masto R. & Selvi V., 2007. Management of lignite fly ash for improving soil fertility and crop productivity. Environmental Management, 40, 3, 438-452.

Referat Ochrony Środowiska Elektrowni Skawina S.A. 2012. Charakterystyka składowiska odpadów paleniskowych Elektrowni Skawina [typescript].

Rosik-Dulewska Cz. & Karwaczyńska U., 2008. Metody ługowania zanieczyszczeń z odpadów mineralnych w aspekcie możliwości ich zastosowania w budownictwie hydrotechnicznym. Rocznik Ochrona Środowiska [Annual Set The Environment Protection], 10, 205-219.

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 23 lipca 2008 r. w sprawie kryteriów i sposobu oceny stanu wód podziemnych. Dz.U. 2008, nr 143 poz. 896.

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9grudnia 2014 r. w sprawie katalogu odpadów. Dz.U. 2014, poz. 1923.

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 21 lipca 2016 r. w sprawie sposobu klasyfikacji stanu jednolitych części wód powierzchniowych oraz środowiskowych norm jakości dla substancji priorytetowych. Dz.U. 2016, poz. 1187.

Woźniak M. & Klisik A., 2007. Wpływ na wody gruntowe odcieków ze składowisk popiołowych. [in:] Materiały Krakowskiej Konferencji Młodych Uczonych 2007: Kraków, 20-22 września 2007, Sympozja i Konferencje KKMU, 2, Fundacja Studentów i Absolwentów Akademii Górniczo-Hutniczej “Academica”, Grupa Naukowa Pro Futuro, Kraków, 369-376.

Zawisza E., 2001. Geotechniczne i środowiskowe aspekty uszczelniania grubookruchowych odpadów powęglowych popiołami lotnymi. Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej im. H. Kołłątaja w Krakowie. Rozprawy, 280, Wyd. AR, Kraków.

Żygadło M. & Woźniak M., 2009. Obserwacje zmian właściwości popiołów powęglowych w procesach wietrzeniowych. Energetyka i Ekologia, 11, 771-775.




DOI: https://doi.org/10.7494/geol.2017.43.2.127

Refbacks

  • There are currently no refbacks.