攪拌站廢水對混凝土性能的影響及回收利用

黃海城，嚴舒超，吳志華，周應中，倪孔森

（浙江森友環保成套設備有限公司，浙江 嘉興 314304）

0 前言

隨著我國經濟的發展和城市化進程的加快，混凝土行業得到迅猛發展。混凝土是最重要的建筑材料之一。據不完全統計，目前我國每年生產混凝土超過 25 億方[1]，而生產每方混凝土需要拌合水約 0.18 方，年需水量超過 4.5 億方。同時生產每方混凝土產生約 0.03 方的廢水，一年下來全國混凝土攪拌站產生的廢水將超過0.75 億方。我國是一個水資源相對匱乏的國家，混凝土攪拌站廢水隨意排放，將造成大量的水資源浪費，同時對土壤和地下水資源帶來嚴重的污染，造成對自然環境的破壞。混凝土攪拌站廢水回收利用，對企業不僅具有良好的經濟效益，同時還具有較好的社會效益。

本文對攪拌站廢水進行水質分析，分析攪拌站廢水直接回用于混凝土拌合對混凝土產生危害的可能性。針對這些可能性的危害，對攪拌站廢水進行如下處理：經過壓濾機固液分離及二氧化碳中和處理，將攪拌站堿性廢水變成中水，中水可直接用做混凝土拌合水，或者攪拌車清洗用水等。這樣做可以避免高 pH 值廢水對攪拌站用水的危害以及對混凝土品質造成的影響，并且達成廢水回收全利用，真正實現攪拌站廢水零排放。從而提高攪拌站的經濟效益，同時降低污水對環境的破壞。

1 攪拌站廢水來源

攪拌站廢水主要有以下來源[2]：

（1）廢棄混凝土分離產生的水：廢棄混凝土經過砂石分離機分離，分離過程中需要一定量的清水沖洗，砂石分離之后，產生含有水泥和外加劑成分的污水。

（2）生產運輸設備洗刷水：主要是攪拌機和攪拌車在運行完之后，為了防止混凝土黏結在設備上硬化，用水沖洗設備產生的廢水。

（3）生產場地沖洗水：為了保持場地清潔，攪拌站每天都會用清水沖洗生產場地，沖洗場地的水通過排水溝進入廢水回收池。

（4）部分雨水：部分雨水會通過排水溝進入廢水回收池。

2 攪拌站廢水的主要成分分析

攪拌站廢水的主要成分見表1。檢驗方法參照 JGJ 63—2006《混凝土用水標準》[3]。

表1 攪拌站廢水的水質分析 mg/L

攪拌站廢水 pH 值比較高，pH 值均大于 12.5；可溶物超出了預應力混凝土的標準要求（預應力混凝土對可溶物的限值≤2000mg/L）；不溶物含量遠遠超出了混凝土用水標準的限值；氯離子和硫酸根離子都是符合用水標準；堿含量相對比較高。表2 為混凝土拌合用水水質要求。

表2 混凝土拌合用水水質要求 mg/L

3 試驗結果和討論

3.1 pH 值對混凝土的影響

四個水樣 pH 值均大于 12.5，且堿含量都比較高，這些廢水若直接回用于混凝土拌合，可能對混凝土的部分性能造成一定的影響。

3.1.1 堿—集料反應的影響

堿—集料反應對混凝土耐久性能有嚴重的影響，堿—集料反應發生在混凝土內部，導致混凝土體積異常膨脹，產生裂縫，同時也加劇了其他因素引起的混凝土劣化過程[4]。目前大家一致認為堿—集料反應與混凝土中堿含量密切相關，總堿含量越高堿—集料反應越嚴重。唐明述等人[5]研究 Ca(OH)2對堿—硅酸反應的影響，文中討論不同 pH 值溶液對蛋白石的侵蝕作用。結果表明：當 pH 值在 12.0～12.5 以下時，溶出的 SiO2量是很少的；當 pH 值大于 12.5 時，SiO2的溶出量顯著增加。當 pH 值大于 12.5 時，含有堿活性集料的混凝土有發生堿—集料反應的風險。圖1 是不同 pH 值溶液中SiO2的溶出量曲線圖。

圖1 不同 pH 值溶液中 SiO2 的溶出量[5]

3.1.2 對混凝土強度的影響

攪拌站高 pH 值的廢水直接回用于混凝土拌合時，對混凝土早期強度和后期強度都有一定的影響[6]。因在高堿環境下，水泥的水化產物多為 CaO/SiO2比值為1.5～2.0 的 C-S-H(Ⅱ)[7]。這種網狀粒子更容易搭接在一起，較快地交織成網狀結構，形成空間骨架，使漿體逐漸致密，提高早期強度，但因水泥水化硬化結構過早成型，妨礙了后期水化所必須的離子遷移和擴散，使后期水化進程變緩，導致后期結構不良，影響后期強度的提高[8]。相反，在低堿環境下，水泥的水化產物 C-S-H 凝膠多呈云絮狀，它有利于水化后期漿體的致密化，從而使后期強度提高[9]。

3.1.3 對減水劑堿水效率的影響

攪拌站高 pH 值的廢水直接回用于混凝土拌合時，由于堿成分的疊加使得混凝土堿含量較高。高堿含量影響水泥與聚羧酸系減水劑的相容性、適應性能，降低減水劑的效率。表現為混凝土流動度降低，初凝和終凝時間顯著縮短，且對初凝時間縮短幅度更大[10]。減水劑效率降低，勢必增加混凝土用水量，用水量的增加導致坍落度損失快，嚴重影響混凝土（尤其泵送混凝土）拌合性能，對現場施工不利[11]。

3.2 不溶物對混凝土性能的影響

攪拌站廢水中不溶物含量遠遠超出混凝土用水標準的限值，不溶物中含有固體廢棄物，細度較小、活性較低，將它們加入混凝土中，一方面能增加集料的表面積，增加新拌混凝土的用水量，降低混凝土的工作性能，而且這些顆粒可能本身含有一定的吸水性，對混凝土的工作性產生不利的影響；另一方面當其包裹在集料表面時，影響集料與水泥漿的粘結，從而導致混凝土的力學性能降低[12]；同時廢水中的懸浮顆粒和惰性組分，吸附正常摻入的外加劑，降低混凝土的工作性能。廢水中外加劑的摻量、有效成分與惰性成分的差異，造成廢水對各強度等級混凝土工作性的影響結果存在差異[13]。

攪拌站廢水對混凝土性能的影響存在諸多不確定的因素，為了確保混凝土品質的穩定性，對攪拌站廢水進行處理勢在必行。這不僅能保障混凝土的品質，同時對節能和環保也能起到積極的影響。

4 攪拌站廢水處理方案

4.1 攪拌站污水—中水自動化處理系統的工藝流程

圖2 為污水處理系統工藝流程圖。

圖2 工藝流程圖

4.2 工藝說明

攪拌站污水—中水的自動化處理系統主要由電子自動化控制系統、壓縮氣體儲罐、空溫式汽化器、氣體自動控制電磁閥、中和反應器、pH 高精度在線檢測儀、雷達液位儀、液壓智能柱塞泵、污水壓濾機等組成，以上設備均由本公司制造。

4.3 攪拌站污水—中水的自動化處理系統的工作原理

圖3 為處理系統工作原理圖。

圖3 處理系統工作原理圖

4.4 處理過程

本方案用二氧化碳進行中和處理，首先是通過壓濾機把攪拌站污水固液分離，把廢水中的懸浮顆粒、水泥凝膠和絡合物等不溶物從液相中分離出來。濾渣用于其他用途，濾液進入原水收集池，經過高壓柱塞泵抽到反應器內進行霧化，霧化的過程中跟同時通入的二氧化碳氣體發生中和反應，當污水和二氧化碳達到一定的平衡時，中和反應完成。經過中和反應后的水流入沉淀池，經過沉淀，上層清水流入清水池，從而得到符合工業回用水標準的清水。過程中通過液位監測和 pH 值監測實現電子全自動化操作。處理系統中和反應機理如下：

攪拌站廢水經過壓濾和二氧化碳中和處理之后，水質分析結果如表3。

表3 處理后的中水水質分析 mg/L

4.5 結果分析

（1）從表3 可看出，經過壓濾、中和以及預沉淀處理后的廢水，pH 值基本上在 7 左右，達到了堿水中和的目的。

（2）可溶物含量也有明顯的減少，這一結果出乎預料，具體可溶物減少的機理有待進一步的研究。

（3）不溶物經過壓濾之后，絕大部分大顆粒（＞45μm）被去除，有少部分細顆粒（＜45μm）殘留。從檢測的數據來看，說明過濾效果明顯，殘留的不溶物極少。

（4）氯離子（Cl-）和硫酸根離子（）在處理前后，數據變化不大。這跟氯離子的溶解性和硫酸鈣的飽和溶解度有關。

（5）經過處理的廢水，堿含量也有顯著的減少。這跟可溶物含量減少有一定的關聯，具體去除的機理有待進一步的研究。

（6）經過處理的攪拌站堿性污水，其參測項目符合 GB/T 19923—2005《再生水用作工業用水水源的水質標準》和 JGJ 63—2006《混凝土用水標準》，這對擴大水資源的回收利用有進一步的幫助。

4.5.1 進水壓力、水流量和二氧化碳氣體壓力對中和效率的影響

進水壓力對中和效率的影響，試驗按攪拌站污水—中水的自動化處理系統的工藝要求來操作：

在保持進水流量 25m3/h 和二氧化碳氣體壓力0.05MPa 不變的情況下，單位數量（每立方）的水量下測定進水壓力對中和效率的影響，分別試驗 0.05MPa、0.1 MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、1MPa、1.2MPa 等水壓，在堿性污水中和到中性時所消耗的時間。

水壓和消耗時間關系如表4。水壓和消耗時間的關系曲線如圖4。

表4 水壓和耗時的關系

圖4 水壓和消耗時間關系曲線圖

從圖4 水壓和消耗時間關系曲線圖來看，當進水流量為 25m3/h 和二氧化碳氣體壓力為 0.05MPa 時，進水壓力從 0.05MPa 到 0.3MPa 消耗時間的減少量（Δt）比較大；當壓力從 0.3MPa 到 1.2MPa 時消耗時間的減少量（Δt）比較小；當進水壓力繼續增大時，消耗的時間變化不大，基本保持在 2.45min 左右。基本上可以認為消耗時間的拐點在 0.3MPa，結合水壓和電機能耗的關系，說明當進水壓力達到 0.3MPa 時，二氧化碳對堿性污水的中和效率達到最佳。

4.5.2 進水流量對中和效率的影響

在保持進水壓力為 0.3MPa 和二氧化碳氣體壓力0.05MPa 不變的情況下，單位數量（每立方）的水量下測定進水壓力對中和效率的影響，分別試驗 10m3/h、15m3/h、20m3/h、25m3/h、30m3/h、35m3/h、40m3/h、45m3/h 等水流量，在堿性污水中和到中性時所消耗的時間及單位水量循環的次數 η。

水流量和消耗時間及單位水量循環次數 η 的關系如表5 所示。

表5 水流量和耗時間及單位水量循環次數η的關系

表5 中的數據來源和定義：

（1）水流量：指泵正常工作時，流經泵內的實際水量與相應工作時間的比值，用 Q 表示，單位：m3/h。這個區別于泵的額定流量，是經過校準的實際流量。

（2）運行時間：是指泵正常工作時，處理每立方堿性污水達到中性時所消耗的時間，是實際計量值，用T1表示，單位：min/m3。

（3）額定時間：是指在實際的水流量下，抽取每立方水所消耗的時間，用 T0表示，單位：min/m3。

式中：T0——額定時間，min/m3；

Q——水流量，m3/h；

60——分鐘與小時的當量，1h=60min。

（4）單位水量循環次數：是指運行時間和額定時間的比值，用 η 表示，單位（無綱量）。當 η 無限趨于1 時，表示該水流量是中和系統處理的最佳污水流量；當 η＞1 時，表示該水流量無法滿足中和系統正常的污水流量需求；當 η＜1 時，表示該水流量超過中和系統正常的污水流量需求。

式中：T1——運行時間，min/m3；

T0——額定時間，min/m3。

水流量和耗時間及單位水量循環次數 η 的關系曲線如圖5 和圖6。

當進水壓力為 0.3MPa 和二氧化碳氣體壓力0.05MPa 的情況下，從圖5 水流量和消耗時間關系曲線圖來看，額定時間和運行時間對流量的曲線圖在流量為 30m3/h 和 35m3/h 時趨于交匯，說明此時額定時間和運行時間趨于等值，同時說明此時中和系統的污水流量為最佳值。結合水流量和電機能耗的關系，以節能為準則，說明當進水流量為 30m3/h 時，二氧化碳對堿性污水的中和效率達到最佳。從圖6 水流量和循環因子 η的關系曲線圖來看，污水流量在 30m3/h 和 35m3/h 時，η 值無限趨于 1。進一步驗證了在污水流量在 30m3/h時，二氧化碳對堿性污水的中和效率達到最佳。

圖5 水流量和消耗時間的關系曲線

圖6 水流量和循環因子 η 的關系曲線

4.5.3 二氧化碳氣體壓力對中和效率的影響

在保持進水流量 30m3/h 和進水壓力為 0.3MPa 不變的情況下，單位數量（每立方）的水量下測定二氧化碳氣體壓力對中和效率的影響，分別試驗 0.01MPa、0.02MPa、0.03MPa、0.04MPa、0.05MPa、0.06MPa、0.07MPa、0.08MPa、0.09MPa、0.1MPa 等氣壓，在堿性污水中和到中性時所消耗的時間。

二氧化碳氣體壓力和消耗時間關系如表6。

表6 氣壓和耗時的關系

二氧化碳氣體壓力和消耗時間的關系曲線如圖7。

當進水流量為 30m3/h 和進水壓力為 0.3MPa 時，從圖7 氣體壓力和消耗時間的關系曲線可看出，當二氧化碳氣體壓力為 0.05MPa 時，運行時間無限趨于額定時間 2min/m3，說明此時二氧化碳的氣壓為中和系統的最佳值，此時二氧化碳中和堿性污水的效率最佳。

圖7 氣體壓力和消耗時間的關系曲線

通過以上的試驗發現，當泵的水流量為 30m3/h、進水壓力為 0.3MPa、反應器內的二氧化碳氣體壓力為0.05MPa 時，處理系統中和效率最佳。水流量、進水壓力和二氧化碳氣體壓力是影響中和系統工作的三大因素，若有兩因素發生變化，需經過調節另外一個因素才能達到新的平衡，以確保中和系統處于最佳工作狀態。（以上試驗不考慮溫度和大氣壓變化對試驗結果的影響）

5 攪拌站污水—中水的自動化處理系統二氧化碳用量和成本分析

詳見表7。

（1）從表7 可以看出，攪拌站污水初始 pH 平均值 12.70，終點 pH 平均值 7.13，經過二氧化碳中和處理之后堿性污水變成了中性水。

表7 系統中和污水二氧化碳用量

（2）處理過程中，二氧化碳實際平均消耗量2.23kg，轉化為單位體積的污水實際用量為 1.39kg/m3；二氧化碳理論平均消耗量 1.79kg，轉化為單位體積的污水理論用量為 1.12kg/m3。二氧化碳實際利用率平均值為 80.26%。試驗過程中，發現二氧化碳利用率跟污水的 pH 值有一定的關系，pH 值越大，二氧化碳的利用率越高。此試驗用的污水量比較少，設備的連續工作性不甚理想，導致部分二氧化碳殘留在反應器內沒有參與反應，從而影響二氧化碳的利用率。當中和系統投入到實際的污水處理中，在確保設備連續工作性的前提下，二氧化碳的利用率將會有一定的提高。

（3）目前商品二氧化碳存在區域差異，價格大概在 1.2～1.5 元/kg，結合污水處理系統對二氧化碳的用量和利用率，污水處理系統消耗的材料成本大概在 2～2.7元/m3，功耗大概 0.25～0.35元/m3。綜合成本相比工業用水的價格有明顯的優勢。

6 結語

（1）攪拌站高 pH 值廢水直接回用于混凝土攪拌，對混凝土的性能有一定的影響。主要表現為：其一，有發生堿—集料反應的可能，影響耐久性；其二，對混凝土早期強度和后期強度的影響；其三，對減水劑效率的影響；再者，對混凝土工作性能的影響。

（2）經過“攪拌站污水—中水的自動化處理系統”處理過的污水，各個數據參數都有明顯的改善。其參測項目符合 GB/T 19923—2005《再生水用作工業用水水源的水質標準》和 JGJ 63—2006《混凝土用水標準》，這對擴大水資源的回收利用有進一步的幫助。

（3）“攪拌站污水—中水的自動化處理系統”工作過程中，中和效率受進水壓力、水流量和二氧化碳氣體壓力的影響。當其中兩個因素發生改變時，必須調整另外一個因素，才確保處理系統處于最佳的工作狀態。

（4）“攪拌站污水—中水的自動化處理系統”利用二氧化碳對攪拌站堿性污水進行處理，處理的綜合成本相比工業用水的價格有明顯的優勢。

（5）攪拌站廢水經過“攪拌站污水—中水的自動化處理系統”處理再回收利用，對企業的經濟效益有明顯的幫助，同時對資源的節約和環境的保護有重要的意義。