搅拌站废水对混凝土性能的影响及回收利用

2021-07-05黄海城严舒超吴志华周应中倪孔森

商品混凝土 2021年5期

黄海城，严舒超，吴志华，周应中，倪孔森

（浙江森友环保成套设备有限公司，浙江嘉兴 314304）

0 前言

随着我国经济的发展和城市化进程的加快，混凝土行业得到迅猛发展。混凝土是最重要的建筑材料之一。据不完全统计，目前我国每年生产混凝土超过 25 亿方[1]，而生产每方混凝土需要拌合水约 0.18 方，年需水量超过 4.5 亿方。同时生产每方混凝土产生约 0.03 方的废水，一年下来全国混凝土搅拌站产生的废水将超过0.75 亿方。我国是一个水资源相对匮乏的国家，混凝土搅拌站废水随意排放，将造成大量的水资源浪费，同时对土壤和地下水资源带来严重的污染，造成对自然环境的破坏。混凝土搅拌站废水回收利用，对企业不仅具有良好的经济效益，同时还具有较好的社会效益。

本文对搅拌站废水进行水质分析，分析搅拌站废水直接回用于混凝土拌合对混凝土产生危害的可能性。针对这些可能性的危害，对搅拌站废水进行如下处理：经过压滤机固液分离及二氧化碳中和处理，将搅拌站碱性废水变成中水，中水可直接用做混凝土拌合水，或者搅拌车清洗用水等。这样做可以避免高 pH 值废水对搅拌站用水的危害以及对混凝土品质造成的影响，并且达成废水回收全利用，真正实现搅拌站废水零排放。从而提高搅拌站的经济效益，同时降低污水对环境的破坏。

1 搅拌站废水来源

搅拌站废水主要有以下来源[2]：

（1）废弃混凝土分离产生的水：废弃混凝土经过砂石分离机分离，分离过程中需要一定量的清水冲洗，砂石分离之后，产生含有水泥和外加剂成分的污水。

（2）生产运输设备洗刷水：主要是搅拌机和搅拌车在运行完之后，为了防止混凝土黏结在设备上硬化，用水冲洗设备产生的废水。

（3）生产场地冲洗水：为了保持场地清洁，搅拌站每天都会用清水冲洗生产场地，冲洗场地的水通过排水沟进入废水回收池。

（4）部分雨水：部分雨水会通过排水沟进入废水回收池。

2 搅拌站废水的主要成分分析

搅拌站废水的主要成分见表1。检验方法参照 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》[3]。

表1 搅拌站废水的水质分析 mg/L

搅拌站废水 pH 值比较高，pH 值均大于 12.5；可溶物超出了预应力混凝土的标准要求（预应力混凝土对可溶物的限值≤2000mg/L）；不溶物含量远远超出了混凝土用水标准的限值；氯离子和硫酸根离子都是符合用水标准；碱含量相对比较高。表2 为混凝土拌合用水水质要求。

表2 混凝土拌合用水水质要求 mg/L

3 试验结果和讨论

3.1 pH 值对混凝土的影响

四个水样 pH 值均大于 12.5，且碱含量都比较高，这些废水若直接回用于混凝土拌合，可能对混凝土的部分性能造成一定的影响。

3.1.1 碱—集料反应的影响

碱—集料反应对混凝土耐久性能有严重的影响，碱—集料反应发生在混凝土内部，导致混凝土体积异常膨胀，产生裂缝，同时也加剧了其他因素引起的混凝土劣化过程[4]。目前大家一致认为碱—集料反应与混凝土中碱含量密切相关，总碱含量越高碱—集料反应越严重。唐明述等人[5]研究 Ca(OH)2对碱—硅酸反应的影响，文中讨论不同 pH 值溶液对蛋白石的侵蚀作用。结果表明：当 pH 值在 12.0～12.5 以下时，溶出的 SiO2量是很少的；当 pH 值大于 12.5 时，SiO2的溶出量显著增加。当 pH 值大于 12.5 时，含有碱活性集料的混凝土有发生碱—集料反应的风险。图1 是不同 pH 值溶液中SiO2的溶出量曲线图。

图1 不同 pH 值溶液中 SiO2 的溶出量[5]

3.1.2 对混凝土强度的影响

搅拌站高 pH 值的废水直接回用于混凝土拌合时，对混凝土早期强度和后期强度都有一定的影响[6]。因在高碱环境下，水泥的水化产物多为 CaO/SiO2比值为1.5～2.0 的 C-S-H(Ⅱ)[7]。这种网状粒子更容易搭接在一起，较快地交织成网状结构，形成空间骨架，使浆体逐渐致密，提高早期强度，但因水泥水化硬化结构过早成型，妨碍了后期水化所必须的离子迁移和扩散，使后期水化进程变缓，导致后期结构不良，影响后期强度的提高[8]。相反，在低碱环境下，水泥的水化产物 C-S-H 凝胶多呈云絮状，它有利于水化后期浆体的致密化，从而使后期强度提高[9]。

3.1.3 对减水剂碱水效率的影响

搅拌站高 pH 值的废水直接回用于混凝土拌合时，由于碱成分的叠加使得混凝土碱含量较高。高碱含量影响水泥与聚羧酸系减水剂的相容性、适应性能，降低减水剂的效率。表现为混凝土流动度降低，初凝和终凝时间显著缩短，且对初凝时间缩短幅度更大[10]。减水剂效率降低，势必增加混凝土用水量，用水量的增加导致坍落度损失快，严重影响混凝土（尤其泵送混凝土）拌合性能，对现场施工不利[11]。

3.2 不溶物对混凝土性能的影响

搅拌站废水中不溶物含量远远超出混凝土用水标准的限值，不溶物中含有固体废弃物，细度较小、活性较低，将它们加入混凝土中，一方面能增加集料的表面积，增加新拌混凝土的用水量，降低混凝土的工作性能，而且这些颗粒可能本身含有一定的吸水性，对混凝土的工作性产生不利的影响；另一方面当其包裹在集料表面时，影响集料与水泥浆的粘结，从而导致混凝土的力学性能降低[12]；同时废水中的悬浮颗粒和惰性组分，吸附正常掺入的外加剂，降低混凝土的工作性能。废水中外加剂的掺量、有效成分与惰性成分的差异，造成废水对各强度等级混凝土工作性的影响结果存在差异[13]。

搅拌站废水对混凝土性能的影响存在诸多不确定的因素，为了确保混凝土品质的稳定性，对搅拌站废水进行处理势在必行。这不仅能保障混凝土的品质，同时对节能和环保也能起到积极的影响。

4 搅拌站废水处理方案

4.1 搅拌站污水—中水自动化处理系统的工艺流程

图2 为污水处理系统工艺流程图。

图2 工艺流程图

4.2 工艺说明

搅拌站污水—中水的自动化处理系统主要由电子自动化控制系统、压缩气体储罐、空温式汽化器、气体自动控制电磁阀、中和反应器、pH 高精度在线检测仪、雷达液位仪、液压智能柱塞泵、污水压滤机等组成，以上设备均由本公司制造。

4.3 搅拌站污水—中水的自动化处理系统的工作原理

图3 为处理系统工作原理图。

图3 处理系统工作原理图

4.4 处理过程

本方案用二氧化碳进行中和处理，首先是通过压滤机把搅拌站污水固液分离，把废水中的悬浮颗粒、水泥凝胶和络合物等不溶物从液相中分离出来。滤渣用于其他用途，滤液进入原水收集池，经过高压柱塞泵抽到反应器内进行雾化，雾化的过程中跟同时通入的二氧化碳气体发生中和反应，当污水和二氧化碳达到一定的平衡时，中和反应完成。经过中和反应后的水流入沉淀池，经过沉淀，上层清水流入清水池，从而得到符合工业回用水标准的清水。过程中通过液位监测和 pH 值监测实现电子全自动化操作。处理系统中和反应机理如下：

搅拌站废水经过压滤和二氧化碳中和处理之后，水质分析结果如表3。

表3 处理后的中水水质分析 mg/L

4.5 结果分析

（1）从表3 可看出，经过压滤、中和以及预沉淀处理后的废水，pH 值基本上在 7 左右，达到了碱水中和的目的。

（2）可溶物含量也有明显的减少，这一结果出乎预料，具体可溶物减少的机理有待进一步的研究。

（3）不溶物经过压滤之后，绝大部分大颗粒（＞45μm）被去除，有少部分细颗粒（＜45μm）残留。从检测的数据来看，说明过滤效果明显，残留的不溶物极少。

（4）氯离子（Cl-）和硫酸根离子（）在处理前后，数据变化不大。这跟氯离子的溶解性和硫酸钙的饱和溶解度有关。

（5）经过处理的废水，碱含量也有显著的减少。这跟可溶物含量减少有一定的关联，具体去除的机理有待进一步的研究。

（6）经过处理的搅拌站碱性污水，其参测项目符合 GB/T 19923—2005《再生水用作工业用水水源的水质标准》和 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》，这对扩大水资源的回收利用有进一步的帮助。

4.5.1 进水压力、水流量和二氧化碳气体压力对中和效率的影响

进水压力对中和效率的影响，试验按搅拌站污水—中水的自动化处理系统的工艺要求来操作：

在保持进水流量 25m3/h 和二氧化碳气体压力0.05MPa 不变的情况下，单位数量（每立方）的水量下测定进水压力对中和效率的影响，分别试验 0.05MPa、0.1 MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、1MPa、1.2MPa 等水压，在碱性污水中和到中性时所消耗的时间。

水压和消耗时间关系如表4。水压和消耗时间的关系曲线如图4。

表4 水压和耗时的关系

图4 水压和消耗时间关系曲线图

从图4 水压和消耗时间关系曲线图来看，当进水流量为 25m3/h 和二氧化碳气体压力为 0.05MPa 时，进水压力从 0.05MPa 到 0.3MPa 消耗时间的减少量（Δt）比较大；当压力从 0.3MPa 到 1.2MPa 时消耗时间的减少量（Δt）比较小；当进水压力继续增大时，消耗的时间变化不大，基本保持在 2.45min 左右。基本上可以认为消耗时间的拐点在 0.3MPa，结合水压和电机能耗的关系，说明当进水压力达到 0.3MPa 时，二氧化碳对碱性污水的中和效率达到最佳。

4.5.2 进水流量对中和效率的影响

在保持进水压力为 0.3MPa 和二氧化碳气体压力0.05MPa 不变的情况下，单位数量（每立方）的水量下测定进水压力对中和效率的影响，分别试验 10m3/h、15m3/h、20m3/h、25m3/h、30m3/h、35m3/h、40m3/h、45m3/h 等水流量，在碱性污水中和到中性时所消耗的时间及单位水量循环的次数 η。

水流量和消耗时间及单位水量循环次数 η 的关系如表5 所示。

表5 水流量和耗时间及单位水量循环次数η的关系

表5 中的数据来源和定义：

（1）水流量：指泵正常工作时，流经泵内的实际水量与相应工作时间的比值，用 Q 表示，单位：m3/h。这个区别于泵的额定流量，是经过校准的实际流量。

（2）运行时间：是指泵正常工作时，处理每立方碱性污水达到中性时所消耗的时间，是实际计量值，用T1表示，单位：min/m3。

（3）额定时间：是指在实际的水流量下，抽取每立方水所消耗的时间，用 T0表示，单位：min/m3。

式中：T0——额定时间，min/m3；

Q——水流量，m3/h；

60——分钟与小时的当量，1h=60min。

（4）单位水量循环次数：是指运行时间和额定时间的比值，用 η 表示，单位（无纲量）。当 η 无限趋于1 时，表示该水流量是中和系统处理的最佳污水流量；当 η＞1 时，表示该水流量无法满足中和系统正常的污水流量需求；当 η＜1 时，表示该水流量超过中和系统正常的污水流量需求。

式中：T1——运行时间，min/m3；

T0——额定时间，min/m3。

水流量和耗时间及单位水量循环次数 η 的关系曲线如图5 和图6。

当进水压力为 0.3MPa 和二氧化碳气体压力0.05MPa 的情况下，从图5 水流量和消耗时间关系曲线图来看，额定时间和运行时间对流量的曲线图在流量为 30m3/h 和 35m3/h 时趋于交汇，说明此时额定时间和运行时间趋于等值，同时说明此时中和系统的污水流量为最佳值。结合水流量和电机能耗的关系，以节能为准则，说明当进水流量为 30m3/h 时，二氧化碳对碱性污水的中和效率达到最佳。从图6 水流量和循环因子 η的关系曲线图来看，污水流量在 30m3/h 和 35m3/h 时，η 值无限趋于 1。进一步验证了在污水流量在 30m3/h时，二氧化碳对碱性污水的中和效率达到最佳。

图5 水流量和消耗时间的关系曲线

图6 水流量和循环因子 η 的关系曲线

4.5.3 二氧化碳气体压力对中和效率的影响

在保持进水流量 30m3/h 和进水压力为 0.3MPa 不变的情况下，单位数量（每立方）的水量下测定二氧化碳气体压力对中和效率的影响，分别试验 0.01MPa、0.02MPa、0.03MPa、0.04MPa、0.05MPa、0.06MPa、0.07MPa、0.08MPa、0.09MPa、0.1MPa 等气压，在碱性污水中和到中性时所消耗的时间。

二氧化碳气体压力和消耗时间关系如表6。

表6 气压和耗时的关系

二氧化碳气体压力和消耗时间的关系曲线如图7。

当进水流量为 30m3/h 和进水压力为 0.3MPa 时，从图7 气体压力和消耗时间的关系曲线可看出，当二氧化碳气体压力为 0.05MPa 时，运行时间无限趋于额定时间 2min/m3，说明此时二氧化碳的气压为中和系统的最佳值，此时二氧化碳中和碱性污水的效率最佳。

图7 气体压力和消耗时间的关系曲线

通过以上的试验发现，当泵的水流量为 30m3/h、进水压力为 0.3MPa、反应器内的二氧化碳气体压力为0.05MPa 时，处理系统中和效率最佳。水流量、进水压力和二氧化碳气体压力是影响中和系统工作的三大因素，若有两因素发生变化，需经过调节另外一个因素才能达到新的平衡，以确保中和系统处于最佳工作状态。（以上试验不考虑温度和大气压变化对试验结果的影响）

5 搅拌站污水—中水的自动化处理系统二氧化碳用量和成本分析

详见表7。

（1）从表7 可以看出，搅拌站污水初始 pH 平均值 12.70，终点 pH 平均值 7.13，经过二氧化碳中和处理之后碱性污水变成了中性水。

表7 系统中和污水二氧化碳用量

（2）处理过程中，二氧化碳实际平均消耗量2.23kg，转化为单位体积的污水实际用量为 1.39kg/m3；二氧化碳理论平均消耗量 1.79kg，转化为单位体积的污水理论用量为 1.12kg/m3。二氧化碳实际利用率平均值为 80.26%。试验过程中，发现二氧化碳利用率跟污水的 pH 值有一定的关系，pH 值越大，二氧化碳的利用率越高。此试验用的污水量比较少，设备的连续工作性不甚理想，导致部分二氧化碳残留在反应器内没有参与反应，从而影响二氧化碳的利用率。当中和系统投入到实际的污水处理中，在确保设备连续工作性的前提下，二氧化碳的利用率将会有一定的提高。

（3）目前商品二氧化碳存在区域差异，价格大概在 1.2～1.5 元/kg，结合污水处理系统对二氧化碳的用量和利用率，污水处理系统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。综合成本相比工业用水的价格有明显的优势。