水磨石預制構件節水清洗工藝及廢水重復利用

李寧

摘要： 本文針對水磨石拋光打磨后清洗工藝落后、工裝簡陋導致的水量消耗大和廢水處理負擔重等實際問題，在認真分析生產廢水物理化學特性的基礎上，給出了物理沉淀+化學絮凝沉淀和酸堿中和降低堿性的綜合處理方法，檢驗了實際應用效果；自主研發的配套清洗裝置，在提高工效、節能減排方面效果顯著，謹供建筑屆同行借鑒參考。

Abstract： This article addresses practical issues such as the backwardness of the cleaning process， the heavy water consumption caused by the rigorous tooling， and the heavy burden of wastewater treatment after terrazzo polishing， based on careful analysis of the physical and chemical characteristics of production wastewater， the comprehensive treatment methods of physical precipitation + chemical flocculation precipitation and acid and alkalinity reduce alkalinity are given， and the actual application effect is tested. The independently developed supporting cleaning device has significant effect in improving ergonomics， energy saving and emission reduction， so it can provide some reference for similar projects.

關鍵詞： 水磨石；預制構件；清洗；廢水處理；重復利用

Key words： terrazzo；prefabricated components；cleaning；wastewater treatment；reuse

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0173-04

0 引言

資源是經濟發展的重要制約因素，節能減排，是緩解能源約束、減輕環境壓力、保障經濟安全，實現可持續發展的必要途徑。

近年來，國家的城鎮化發展戰略，推動了城鄉建筑業的快速發展，安居工程建設規模日益擴大，為了加快建設速度和降低建設成本，窗臺板、灶臺板、操作臺板、樓梯、地面鋪裝板等小型水磨石預制構件（見圖1）用量日益增多。目前多采用工廠化集中生產模式，其主要生產流程為：集中拌制混凝土 → 澆筑振搗 → 蒸汽養護 → 拋光打磨 → 表面清洗 → 集中存放[1]。

就目前的拋光打磨后構件表面清洗工序而言，面臨技術原始、耗水量大、生產廢水重復利用率低、環保風險高等亟待解決的問題[2]。

筆者有幸參與了中鐵十七局建筑工程有限公司《CRTSⅡ型無砟軌道板生產廢水處理技術綜合改進與應用》課題的研究工作，在預制構件拋光打磨生產廢水處理及其再利用方面有較深的體會。

1 生產廢水的特性及危害

1.1 生產廢水的物理化學特性分析

混凝土預制品在拋光打磨時，產生了大量較黏稠的漿液并黏附在構件表面，一般需采用清水（自來水）進行沖洗，清水與打磨漿液混合后形成一種灰黑色的懸濁液體，稱之為生產廢水。由于殘留物具有較強的黏附性，沖洗用水量較大，生產廢水的處理負擔過重[3]。

生產廢水中含有混凝土配合比中所有物質的細微顆粒，主要包括水泥、細砂、石粉，甚至包括粉煤灰及混凝土添加劑等，根據容重不同細砂、石粉物質自然沉淀稍快，水泥、粉煤灰等沉淀較為緩慢，當受到擾動時，沉淀物會重新泛起，取樣送環保檢測部門測定懸浮物質為166mg/L。

生產廢水的化學特性由混凝土配比中的成分所決定，其中水泥呈中強堿性、粉煤灰呈弱堿性。

通常混凝土中水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣（Ca（OH）2），使硬化后的混凝土內部孔隙中充滿了氫氧化鈣飽和溶液，其pH值高達12～13。

粉煤灰，其主要化學成分是Si02、Fe203和A1203，有時還含有大量的CaO。其中Si02和Fe203均不溶于水，化學性質較穩定；CaO與H2O反應生成Ca（OH）2呈堿性；A1203鋁屬于兩性氧化物，A12O3與Ca（OH）2化學反應生成偏鋁酸鈣Ca[Al（OH）4]2沉淀。

Al2O3+Ca（OH）2+3H2O=Ca[Al（OH）4]2↓

水磨石預制構件拋光打磨實際上是將已硬化的混凝土磨碎至粉末狀，在與打磨淋水和沖洗水混合后形成生產廢水，雖氫氧化鈣與沖洗水混合后得到稀釋，取樣送環保檢測部門檢測pH值仍為11.8，屬于堿性溶液，高于國家的污水排放（pH值6～9）標準。

1.2 生產廢水的危害性

產生廢水pH值超出國家規定的污水排放標準，如果不經過處理直接排放，排入水體后將改變水體的pH值，影響水體的自凈作用，破壞河流的自然生態，導致水生資源減少或毀滅；污染地下水源，人類飲用后將影響正常的陳代謝，長期飲用會導致消化系統失調；滲人土壤則造成土質的鹽堿化，破壞土層的松疏狀態，影響農作物的生長和增產[4]；生產廢水對作業人員亦有一定的危害性，皮膚直接接觸或不慎進入眼內時，具有劇烈的灼燒感，易造成損傷；同時堿性廢水具有一定的脫脂性，長期接觸導致皮膚干燥甚至開裂等，因此，生產廢水不宜直接重復利用。

2 生產廢水的處理

根據中華人民共和國環境保護行業標準《地表水及污水監測技術規范》和《水和廢水監測分析方法》相關規定，在對廢水實施監測的基礎上，本著可行、經濟、實用的原則，對廢水進行必要的物理及化學方法處理，使之滿足重復利用需要和達標排放。

2.1 處理的目的

對拋光打磨及清洗產生的廢水進行處理其目的在于：

①達到重復利用條件，從而降低生產用水成本；

②達到國家環保排放標準，防止對生態環境造成污染。

2.2 生產廢水處理思路

水磨石拋光打磨生產廢水是一種不含有機物質的渾濁堿性廢水，首先利用懸浮物的自重進行物理沉淀的方法去除大部分懸浮物；再利用化學反應降低廢水的堿性，在降低堿性的同時，利用化學試劑的特性進一步加速微小懸浮物的快速沉淀，達到重復利用條件；排放前對所有廢水進行最終處理，使其達到國家環保排放標準（pH值6～9）。

2.3 廢水處理設施及流程

一定生產規模的小型構件預制廠，均應設置簡易污水處理系統，包括：沉沙池、排污管道、沉淀池（一、二、三級）、鋸齒形溢流堰、污泥池、揚水泵、過濾機（脫水機）、高位蓄水罐、給水管道等。

廢水處理工藝流程見圖2。

2.3.1 沉沙池

在打磨清洗工位地下設地溝式沉沙池，去除粒徑較大的砂、塊狀混凝土等自重較大殘碴，直接沉入池底，待沉淀一定厚度時，人工清運。深度≥1.5m，沉沙池頂面設濾水蓖子。在沉沙池上部設有污水管道直通沉淀池。

2.3.2 排水管道及自動排水閥

用PVC管道將沉沙池與沉淀池連接形成排水管道，在沉沙池頂面以下0.5m處設置排水管道入口，安裝浮力式排水閥，當沉沙池內水位達到一定高度時，自動開啟排水閥，將表層廢水泄入沉淀池，當沉沙池內水位降低至一定高度時，自動關閉排水閥。可實現間歇式大流量排水，防止管道淤積阻塞。

2.3.3 沉淀池

分三級修建防滲沉淀池，沉淀池入水采用鋸齒形溢流堰提高污水入池的均勻度；沉淀池出水口亦采用鋸齒形溢流堰提取池中表層清水；為保證沉淀池工作的連續性，清除污泥頻繁的沉淀池采用雙套配置，即設一級沉淀池2個，設二級沉淀池2個，三級沉淀池設置1個，在一級和二級沉淀池側位設污泥池1個，沉淀池平面布置見圖3。

2.3.4 污泥池

污泥池設在地面以上，污泥池底部設半圓形集水凹槽，其上鋪設兩層濾水土工布，一般污泥含水量較大，過濾后的清水直接進入二級沉淀池；污泥池上搭設收放式防雨棚，晴天收起防雨布，以便太陽暴曬脫水，雨天放下防雨布，防止雨水混入加大污泥含水量。當污泥脫水到一定程度后可裝車外運，見圖4。

2.3.5 鋸齒形溢流堰

鋸齒形溢流堰是污水處理廠常用的裝置，一般采用鋼制槽型，槽邊設90°鋸齒水口，亦稱為鋸齒形溢流槽。有兩側同高和兩側不同高之分。

采用高低邊鋸齒形溢流槽，其目的是：

①將車間的懸濁廢水通過鋸齒形溢流槽分散、小流量、均勻地送入一級沉淀池內，避免池底沉淀物泛起；

②用鋸齒形溢流堰高邊收集一級沉淀池表層清水，再用鋸齒形溢流堰的低邊將收集到的表層清水分散、小流量、均勻地送入下二級沉淀池內，避免池底沉淀物泛起；

③在一、二級沉淀池之間的鋸齒形溢流槽內添加化學藥劑，與水充分混合后均勻送入二級沉淀池內進行反應。

2.3.6 揚水泵

在三級沉淀池（清水池）內安裝2臺揚水泵，1號泵安裝在2/3水位處，負責提升表層清水，直接送入高位儲水罐（水塔）內備用；2號泵安裝在池底部，負責提升含有沉淀物的池底渾水至過濾機內。

2.3.7 過濾機（脫水機）

安裝過濾機，2號泵將三級沉淀池底部渾水送入過濾機，過濾后清水送入高位儲水罐（水塔）內備用；過濾脫水后的泥膏送入污泥池。

2.3.8 高位儲水罐（水塔）

高位儲水罐（水塔），提供重復利用回流壓力（水頭），同時起到調節水量的作用。在水塔內安裝水位控制器，當儲水罐水位較低時自動開啟1號泵補充清水；當儲水罐水位達到一定高度時自動停機。

2.4 廢水的處理方法

2.4.1 物理沉淀法

物理沉淀法，是利用水中各種固態物質的自重逐漸沉降，使液態與固態物質逐漸分離，從而去除液體中固態物質的方法。物理沉淀法是處理懸浮物的經濟方法，但在利用物理沉淀法時，液體的密度（浮力）、流速等都會對沉淀速率和效果產生一定的影響。

2.4.2 混凝沉淀法（化學快速沉淀法）

混凝是凝聚作用與絮凝作用的合稱。在生產廢水中，含有大量的混凝土水化時產生的膠結物質，在化學藥劑的作用下，可促使其凝聚后快速沉淀[5]。在一、二級沉淀池之間的高低邊鋸齒形溢流槽內，添加硫酸鋁凝聚劑，使其與水體均勻混合，在二級沉淀池中發生反應后產生凝聚效果，有利于懸浮物質的快速沉淀。

2.4.2.1 硫酸鋁在處理生產廢水中的作用

硫酸鋁既可降低生產廢水的pH值，同時又是理想的凝絮劑，可加快懸浮物的沉淀速度。

采用硫酸鋁與廢水中的氫氧化鈣發生中和反應，既可降低生產廢水的堿性，又能生成硫酸鈣沉淀物降低生產廢水的渾濁度（硫酸鈣溶解度較低，可視為不溶）。硫酸鋁與氫氧化鈣的化學反應式為：

3Ca（OH）2+Al2（SO4）3=3CaSO4↓+2Al（OH）3

由化學反應式可知，硫酸鈣與氫氧化鈣反應，生成碳酸鈣沉淀，同時還次生出氫氧化鋁。

氫氧化鋁Al（OH）3屬兩性氫氧化物，遇堿呈酸性，遇酸呈堿性。在堿性生產廢水中，硫酸鋁與氫氧化鈣反應次生出的氫氧化鋁呈酸性，又進一步降低了廢水堿性。

氫氧化鋁與廢水中的殘留氫氧化鈣發生反應，生成偏鋁酸鈣沉淀，偏鋁酸鈣是一種不溶于水的白色晶體。

Ca（OH）2+2Al（OH）3=Ca（AlO2）2↓ +4H2O

通過在廢水中投入適量的硫酸鋁藥劑，可分別生成硫酸鈣沉淀和偏鋁酸鈣沉淀，同時分兩次降低了廢水的pH值。

2.4.2.2 二氧化碳在處理生產廢水中的作用

二氧化碳CO2可與廢水中的氫氧化鈣發生酸堿中和反應，達到降低廢水的PH值目的。采用二氧化碳與廢水中的氫氧化鈣發生反應，生成碳酸鈣沉淀物；

①二氧化碳與水反應，生成碳酸

CO2+H2O=H2CO3

②碳酸與氫氧化鈣反應，生成碳酸鈣沉淀

Ca（OH）2+H2CO3=CaCO3↓+2H2O

試驗表明，在除去70%懸浮物的廢水中，投入適量的硫酸鋁或吹入適量的二氧化碳，均可將 PH值降低至8.5以下，滿足循環利用及最終排放要求。

2.4.3 生產廢水的處理效果

經實際應用證明，采用硫酸鋁作為化學絮凝劑良好效果，經模擬測定二級沉淀池內物理+化學沉淀速度由120 mm/h提高到370mm/h見圖5（1）。經環保檢測部門測定，懸浮物含量由166mg/L降低至12mg/L；pH值由11.8降低至6.0見圖5（2）、5（3）。

3 清洗工藝改進

拋光打磨形成的泥漿黏附在構件表面，需采用水進行徹底清洗，目前的清洗技術原始、工裝簡陋，既消耗大量自來水又增加了沉重的污水處理負擔，有必要對清洗工藝進行改進，并研發配套工裝。

3.1 自動補水滾動清洗裝置研發

鑒于目前清洗工藝落后、工裝簡陋、水資源消耗過大和污水處理負擔過重的問題，開發了一種“自動補水滾動清洗裝置”，主要由滾動刷體、螺旋毛刷、中空補水轉軸、防水電機、防霧罩等組成，見示意圖6。

自動補水滾動清洗裝置，可提高構件表面黏稠的附著物的清洗效果和工效，已獲得國家知識產權局實用新型專利授權（ZL2013 2 0218499.4）[6]。

3.2 壓縮空氣+水混合沖洗裝研發

鑒于目前清洗工藝落后、工裝簡陋、水資源消耗過大和污水處理負擔過重的問題，開發了一種“壓縮空氣+水混合沖洗裝置”。主要由支架、高壓氣泵、水氣混合器、控制閥門等組成，見圖7。

壓縮空氣+水混合沖洗裝置，適用于水磨石構件的最后清洗，能將自動補水滾動清洗裝置清洗之后殘留污垢徹底沖洗干凈，節水率達到70%以上，該裝置已獲得國家知識產權局實用新型專利授權（ZL2013 2 0219359.9）[7]。

自主研發的“自動補水滾動清洗裝置”和“壓縮空氣+水混合沖洗裝置”配合使用，與原自來水直接沖洗工藝相比，清洗效果得到了徹底改善，經工藝改進，提高清洗工效80%，節水率75%，節省輔助人工70%，形成了水磨石預制構件拋光打磨之后清洗工序的自動化、高效化、節水化、標準化作業條件。同時因清洗用水量的大幅降低，廢水日常處理費用同步降低。具有顯著的節能、降耗和環保意義。專利證書見圖8、9。

4 結束語

目前，水磨石構件集中預制生產過程中，面臨清洗工藝落后、工裝簡陋、水資源消耗過大和污水處理負擔過重等實際問題，在認真分析生產廢水的物理化學特性的基礎上，采取了物理沉淀+化學絮凝沉淀的處理方法，既有效降低了生產廢水的堿性，達到國家污水排放標準并為重復利用創造了條件，又加縮短了生產廢水中懸濁物的沉淀時間；研發的配套工裝在提高生產效率的同時，大幅度降低了生產用水量，間接地降低了生產廢水處理負擔。該技術具有一定的先進性和實用性，可在同類工程中借鑒應用。

參考文獻：

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[4]馬麗娜.發制品生產過程節水減排技術選用與效果評價[D].河南：河南師范大學，2017：39-44.

[5]徐晉，高濟平，龔成晨.衛生陶瓷行業節水潛力及生產廢水零排放分析[J].上海節能，2016（7）：386-389.

[6]中鐵十七局集團建筑工程有限公司.板式無砟軌道道床板自動補水滾動清洗裝置：中國，ZL2013 2 0218499.4[P].2013-04-26.

[7]中鐵十七局集團建筑工程有限公司.板式無砟軌道道床板高壓清洗裝置：中國，ZL2013 2 0219359.9[P].2013-04-26.