攪拌站廢水對(duì)混凝土性能的影響及回收利用

黃海城，嚴(yán)舒超，吳志華，周應(yīng)中，倪孔森

（浙江森友環(huán)保成套設(shè)備有限公司，浙江 嘉興 314304）

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，混凝土行業(yè)得到迅猛發(fā)展。混凝土是最重要的建筑材料之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)每年生產(chǎn)混凝土超過(guò) 25 億方[1]，而生產(chǎn)每方混凝土需要拌合水約 0.18 方，年需水量超過(guò) 4.5 億方。同時(shí)生產(chǎn)每方混凝土產(chǎn)生約 0.03 方的廢水，一年下來(lái)全國(guó)混凝土攪拌站產(chǎn)生的廢水將超過(guò)0.75 億方。我國(guó)是一個(gè)水資源相對(duì)匱乏的國(guó)家，混凝土攪拌站廢水隨意排放，將造成大量的水資源浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)土壤和地下水資源帶來(lái)嚴(yán)重的污染，造成對(duì)自然環(huán)境的破壞。混凝土攪拌站廢水回收利用，對(duì)企業(yè)不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還具有較好的社會(huì)效益。

本文對(duì)攪拌站廢水進(jìn)行水質(zhì)分析，分析攪拌站廢水直接回用于混凝土拌合對(duì)混凝土產(chǎn)生危害的可能性。針對(duì)這些可能性的危害，對(duì)攪拌站廢水進(jìn)行如下處理：經(jīng)過(guò)壓濾機(jī)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(duì)攪拌站用水的危害以及對(duì)混凝土品質(zhì)造成的影響，并且達(dá)成廢水回收全利用，真正實(shí)現(xiàn)攪拌站廢水零排放。從而提高攪拌站的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)降低污水對(duì)環(huán)境的破壞。

1 攪拌站廢水來(lái)源

攪拌站廢水主要有以下來(lái)源[2]：

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

（2）生產(chǎn)運(yùn)輸設(shè)備洗刷水：主要是攪拌機(jī)和攪拌車在運(yùn)行完之后，為了防止混凝土黏結(jié)在設(shè)備上硬化，用水沖洗設(shè)備產(chǎn)生的廢水。

（3）生產(chǎn)場(chǎng)地沖洗水：為了保持場(chǎng)地清潔，攪拌站每天都會(huì)用清水沖洗生產(chǎn)場(chǎng)地，沖洗場(chǎng)地的水通過(guò)排水溝進(jìn)入廢水回收池。

（4）部分雨水：部分雨水會(huì)通過(guò)排水溝進(jìn)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(jiàn)表1。檢驗(yàn)方法參照 JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》[3]。

表1 攪拌站廢水的水質(zhì)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(yù)應(yīng)力混凝土的標(biāo)準(zhǔn)要求（預(yù)應(yīng)力混凝土對(duì)可溶物的限值≤2000mg/L）；不溶物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)的限值；氯離子和硫酸根離子都是符合用水標(biāo)準(zhǔn)；堿含量相對(duì)比較高。表2 為混凝土拌合用水水質(zhì)要求。

表2 混凝土拌合用水水質(zhì)要求 mg/L

3 試驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 pH 值對(duì)混凝土的影響

四個(gè)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(duì)混凝土的部分性能造成一定的影響。

3.1.1 堿—集料反應(yīng)的影響

堿—集料反應(yīng)對(duì)混凝土耐久性能有嚴(yán)重的影響，堿—集料反應(yīng)發(fā)生在混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致混凝土體積異常膨脹，產(chǎn)生裂縫，同時(shí)也加劇了其他因素引起的混凝土劣化過(guò)程[4]。目前大家一致認(rèn)為堿—集料反應(yīng)與混凝土中堿含量密切相關(guān)，總堿含量越高堿—集料反應(yīng)越嚴(yán)重。唐明述等人[5]研究 Ca(OH)2對(duì)堿—硅酸反應(yīng)的影響，文中討論不同 pH 值溶液對(duì)蛋白石的侵蝕作用。結(jié)果表明：當(dāng) pH 值在 12.0～12.5 以下時(shí)，溶出的 SiO2量是很少的；當(dāng) pH 值大于 12.5 時(shí)，SiO2的溶出量顯著增加。當(dāng) pH 值大于 12.5 時(shí)，含有堿活性集料的混凝土有發(fā)生堿—集料反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

攪拌站高 pH 值的廢水直接回用于混凝土拌合時(shí)，對(duì)混凝土早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都有一定的影響[6]。因在高堿環(huán)境下，水泥的水化產(chǎn)物多為 CaO/SiO2比值為1.5～2.0 的 C-S-H(Ⅱ)[7]。這種網(wǎng)狀粒子更容易搭接在一起，較快地交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成空間骨架，使?jié){體逐漸致密，提高早期強(qiáng)度，但因水泥水化硬化結(jié)構(gòu)過(guò)早成型，妨礙了后期水化所必須的離子遷移和擴(kuò)散，使后期水化進(jìn)程變緩，導(dǎo)致后期結(jié)構(gòu)不良，影響后期強(qiáng)度的提高[8]。相反，在低堿環(huán)境下，水泥的水化產(chǎn)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(qiáng)度提高[9]。

3.1.3 對(duì)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(shí)，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(yīng)性能，降低減水劑的效率。表現(xiàn)為混凝土流動(dòng)度降低，初凝和終凝時(shí)間顯著縮短，且對(duì)初凝時(shí)間縮短幅度更大[10]。減水劑效率降低，勢(shì)必增加混凝土用水量，用水量的增加導(dǎo)致坍落度損失快，嚴(yán)重影響混凝土（尤其泵送混凝土）拌合性能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工不利[11]。

3.2 不溶物對(duì)混凝土性能的影響

攪拌站廢水中不溶物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)的限值，不溶物中含有固體廢棄物，細(xì)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(duì)混凝土的工作性產(chǎn)生不利的影響；另一方面當(dāng)其包裹在集料表面時(shí)，影響集料與水泥漿的粘結(jié)，從而導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能降低[12]；同時(shí)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(duì)各強(qiáng)度等級(jí)混凝土工作性的影響結(jié)果存在差異[13]。

攪拌站廢水對(duì)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(zhì)的穩(wěn)定性，對(duì)攪拌站廢水進(jìn)行處理勢(shì)在必行。這不僅能保障混凝土的品質(zhì)，同時(shí)對(duì)節(jié)能和環(huán)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(dòng)化處理系統(tǒng)的工藝流程

圖2 為污水處理系統(tǒng)工藝流程圖。

圖2 工藝流程圖

4.2 工藝說(shuō)明

攪拌站污水—中水的自動(dòng)化處理系統(tǒng)主要由電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)、壓縮氣體儲(chǔ)罐、空溫式汽化器、氣體自動(dòng)控制電磁閥、中和反應(yīng)器、pH 高精度在線檢測(cè)儀、雷達(dá)液位儀、液壓智能柱塞泵、污水壓濾機(jī)等組成，以上設(shè)備均由本公司制造。

4.3 攪拌站污水—中水的自動(dòng)化處理系統(tǒng)的工作原理

圖3 為處理系統(tǒng)工作原理圖。

圖3 處理系統(tǒng)工作原理圖

4.4 處理過(guò)程

本方案用二氧化碳進(jìn)行中和處理，首先是通過(guò)壓濾機(jī)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(luò)合物等不溶物從液相中分離出來(lái)。濾渣用于其他用途，濾液進(jìn)入原水收集池，經(jīng)過(guò)高壓柱塞泵抽到反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行霧化，霧化的過(guò)程中跟同時(shí)通入的二氧化碳?xì)怏w發(fā)生中和反應(yīng)，當(dāng)污水和二氧化碳達(dá)到一定的平衡時(shí)，中和反應(yīng)完成。經(jīng)過(guò)中和反應(yīng)后的水流入沉淀池，經(jīng)過(guò)沉淀，上層清水流入清水池，從而得到符合工業(yè)回用水標(biāo)準(zhǔn)的清水。過(guò)程中通過(guò)液位監(jiān)測(cè)和 pH 值監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)電子全自動(dòng)化操作。處理系統(tǒng)中和反應(yīng)機(jī)理如下：

攪拌站廢水經(jīng)過(guò)壓濾和二氧化碳中和處理之后，水質(zhì)分析結(jié)果如表3。

表3 處理后的中水水質(zhì)分析 mg/L

4.5 結(jié)果分析

（1）從表3 可看出，經(jīng)過(guò)壓濾、中和以及預(yù)沉淀處理后的廢水，pH 值基本上在 7 左右，達(dá)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(jié)果出乎預(yù)料，具體可溶物減少的機(jī)理有待進(jìn)一步的研究。

（3）不溶物經(jīng)過(guò)壓濾之后，絕大部分大顆粒（＞45μm）被去除，有少部分細(xì)顆粒（＜45μm）殘留。從檢測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看，說(shuō)明過(guò)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(shù)據(jù)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(guān)。

（5）經(jīng)過(guò)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(guān)聯(lián)，具體去除的機(jī)理有待進(jìn)一步的研究。

（6）經(jīng)過(guò)處理的攪拌站堿性污水，其參測(cè)項(xiàng)目符合 GB/T 19923—2005《再生水用作工業(yè)用水水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》和 JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》，這對(duì)擴(kuò)大水資源的回收利用有進(jìn)一步的幫助。

4.5.1 進(jìn)水壓力、水流量和二氧化碳?xì)怏w壓力對(duì)中和效率的影響

進(jìn)水壓力對(duì)中和效率的影響，試驗(yàn)按攪拌站污水—中水的自動(dòng)化處理系統(tǒng)的工藝要求來(lái)操作：

在保持進(jìn)水流量 25m3/h 和二氧化碳?xì)怏w壓力0.05MPa 不變的情況下，單位數(shù)量（每立方）的水量下測(cè)定進(jìn)水壓力對(duì)中和效率的影響，分別試驗(yàn) 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(shí)所消耗的時(shí)間。

水壓和消耗時(shí)間關(guān)系如表4。水壓和消耗時(shí)間的關(guān)系曲線如圖4。

表4 水壓和耗時(shí)的關(guān)系

圖4 水壓和消耗時(shí)間關(guān)系曲線圖

從圖4 水壓和消耗時(shí)間關(guān)系曲線圖來(lái)看，當(dāng)進(jìn)水流量為 25m3/h 和二氧化碳?xì)怏w壓力為 0.05MPa 時(shí)，進(jìn)水壓力從 0.05MPa 到 0.3MPa 消耗時(shí)間的減少量（Δt）比較大；當(dāng)壓力從 0.3MPa 到 1.2MPa 時(shí)消耗時(shí)間的減少量（Δt）比較小；當(dāng)進(jìn)水壓力繼續(xù)增大時(shí)，消耗的時(shí)間變化不大，基本保持在 2.45min 左右。基本上可以認(rèn)為消耗時(shí)間的拐點(diǎn)在 0.3MPa，結(jié)合水壓和電機(jī)能耗的關(guān)系，說(shuō)明當(dāng)進(jìn)水壓力達(dá)到 0.3MPa 時(shí)，二氧化碳對(duì)堿性污水的中和效率達(dá)到最佳。

4.5.2 進(jìn)水流量對(duì)中和效率的影響

在保持進(jìn)水壓力為 0.3MPa 和二氧化碳?xì)怏w壓力0.05MPa 不變的情況下，單位數(shù)量（每立方）的水量下測(cè)定進(jìn)水壓力對(duì)中和效率的影響，分別試驗(yàn) 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(shí)所消耗的時(shí)間及單位水量循環(huán)的次數(shù) η。

水流量和消耗時(shí)間及單位水量循環(huán)次數(shù) η 的關(guān)系如表5 所示。

表5 水流量和耗時(shí)間及單位水量循環(huán)次數(shù)η的關(guān)系

表5 中的數(shù)據(jù)來(lái)源和定義：

（1）水流量：指泵正常工作時(shí)，流經(jīng)泵內(nèi)的實(shí)際水量與相應(yīng)工作時(shí)間的比值，用 Q 表示，單位：m3/h。這個(gè)區(qū)別于泵的額定流量，是經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的實(shí)際流量。

（2）運(yùn)行時(shí)間：是指泵正常工作時(shí)，處理每立方堿性污水達(dá)到中性時(shí)所消耗的時(shí)間，是實(shí)際計(jì)量值，用T1表示，單位：min/m3。

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

式中：T0——額定時(shí)間，min/m3；

Q——水流量，m3/h；

60——分鐘與小時(shí)的當(dāng)量，1h=60min。

（4）單位水量循環(huán)次數(shù)：是指運(yùn)行時(shí)間和額定時(shí)間的比值，用 η 表示，單位（無(wú)綱量）。當(dāng) η 無(wú)限趨于1 時(shí)，表示該水流量是中和系統(tǒng)處理的最佳污水流量；當(dāng) η＞1 時(shí)，表示該水流量無(wú)法滿足中和系統(tǒng)正常的污水流量需求；當(dāng) η＜1 時(shí)，表示該水流量超過(guò)中和系統(tǒng)正常的污水流量需求。

式中：T1——運(yùn)行時(shí)間，min/m3；

T0——額定時(shí)間，min/m3。

水流量和耗時(shí)間及單位水量循環(huán)次數(shù) η 的關(guān)系曲線如圖5 和圖6。

當(dāng)進(jìn)水壓力為 0.3MPa 和二氧化碳?xì)怏w壓力0.05MPa 的情況下，從圖5 水流量和消耗時(shí)間關(guān)系曲線圖來(lái)看，額定時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間對(duì)流量的曲線圖在流量為 30m3/h 和 35m3/h 時(shí)趨于交匯，說(shuō)明此時(shí)額定時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間趨于等值，同時(shí)說(shuō)明此時(shí)中和系統(tǒng)的污水流量為最佳值。結(jié)合水流量和電機(jī)能耗的關(guān)系，以節(jié)能為準(zhǔn)則，說(shuō)明當(dāng)進(jìn)水流量為 30m3/h 時(shí)，二氧化碳對(duì)堿性污水的中和效率達(dá)到最佳。從圖6 水流量和循環(huán)因子 η的關(guān)系曲線圖來(lái)看，污水流量在 30m3/h 和 35m3/h 時(shí)，η 值無(wú)限趨于 1。進(jìn)一步驗(yàn)證了在污水流量在 30m3/h時(shí)，二氧化碳對(duì)堿性污水的中和效率達(dá)到最佳。

圖5 水流量和消耗時(shí)間的關(guān)系曲線

圖6 水流量和循環(huán)因子 η 的關(guān)系曲線

4.5.3 二氧化碳?xì)怏w壓力對(duì)中和效率的影響

在保持進(jìn)水流量 30m3/h 和進(jìn)水壓力為 0.3MPa 不變的情況下，單位數(shù)量（每立方）的水量下測(cè)定二氧化碳?xì)怏w壓力對(duì)中和效率的影響，分別試驗(yàn) 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(shí)所消耗的時(shí)間。

二氧化碳?xì)怏w壓力和消耗時(shí)間關(guān)系如表6。

表6 氣壓和耗時(shí)的關(guān)系

二氧化碳?xì)怏w壓力和消耗時(shí)間的關(guān)系曲線如圖7。

當(dāng)進(jìn)水流量為 30m3/h 和進(jìn)水壓力為 0.3MPa 時(shí)，從圖7 氣體壓力和消耗時(shí)間的關(guān)系曲線可看出，當(dāng)二氧化碳?xì)怏w壓力為 0.05MPa 時(shí)，運(yùn)行時(shí)間無(wú)限趨于額定時(shí)間 2min/m3，說(shuō)明此時(shí)二氧化碳的氣壓為中和系統(tǒng)的最佳值，此時(shí)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(shí)間的關(guān)系曲線

通過(guò)以上的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泵的水流量為 30m3/h、進(jìn)水壓力為 0.3MPa、反應(yīng)器內(nèi)的二氧化碳?xì)怏w壓力為0.05MPa 時(shí)，處理系統(tǒng)中和效率最佳。水流量、進(jìn)水壓力和二氧化碳?xì)怏w壓力是影響中和系統(tǒng)工作的三大因素，若有兩因素發(fā)生變化，需經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)另外一個(gè)因素才能達(dá)到新的平衡，以確保中和系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。（以上試驗(yàn)不考慮溫度和大氣壓變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響）

5 攪拌站污水—中水的自動(dòng)化處理系統(tǒng)二氧化碳用量和成本分析

詳見(jiàn)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(diǎn) pH 平均值 7.13，經(jīng)過(guò)二氧化碳中和處理之后堿性污水變成了中性水。

表7 系統(tǒng)中和污水二氧化碳用量

（2）處理過(guò)程中，二氧化碳實(shí)際平均消耗量2.23kg，轉(zhuǎn)化為單位體積的污水實(shí)際用量為 1.39kg/m3；二氧化碳理論平均消耗量 1.79kg，轉(zhuǎn)化為單位體積的污水理論用量為 1.12kg/m3。二氧化碳實(shí)際利用率平均值為 80.26%。試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)二氧化碳利用率跟污水的 pH 值有一定的關(guān)系，pH 值越大，二氧化碳的利用率越高。此試驗(yàn)用的污水量比較少，設(shè)備的連續(xù)工作性不甚理想，導(dǎo)致部分二氧化碳?xì)埩粼诜磻?yīng)器內(nèi)沒(méi)有參與反應(yīng)，從而影響二氧化碳的利用率。當(dāng)中和系統(tǒng)投入到實(shí)際的污水處理中，在確保設(shè)備連續(xù)工作性的前提下，二氧化碳的利用率將會(huì)有一定的提高。

（3）目前商品二氧化碳存在區(qū)域差異，價(jià)格大概在 1.2～1.5 元/kg，結(jié)合污水處理系統(tǒng)對(duì)二氧化碳的用量和利用率，污水處理系統(tǒng)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(yè)用水的價(jià)格有明顯的優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

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

（2）經(jīng)過(guò)“攪拌站污水—中水的自動(dòng)化處理系統(tǒng)”處理過(guò)的污水，各個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)都有明顯的改善。其參測(cè)項(xiàng)目符合 GB/T 19923—2005《再生水用作工業(yè)用水水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》和 JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》，這對(duì)擴(kuò)大水資源的回收利用有進(jìn)一步的幫助。

（3）“攪拌站污水—中水的自動(dòng)化處理系統(tǒng)”工作過(guò)程中，中和效率受進(jìn)水壓力、水流量和二氧化碳?xì)怏w壓力的影響。當(dāng)其中兩個(gè)因素發(fā)生改變時(shí)，必須調(diào)整另外一個(gè)因素，才確保處理系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)。

（4）“攪拌站污水—中水的自動(dòng)化處理系統(tǒng)”利用二氧化碳對(duì)攪拌站堿性污水進(jìn)行處理，處理的綜合成本相比工業(yè)用水的價(jià)格有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（5）攪拌站廢水經(jīng)過(guò)“攪拌站污水—中水的自動(dòng)化處理系統(tǒng)”處理再回收利用，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有明顯的幫助，同時(shí)對(duì)資源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)有重要的意義。