搅拌站废水的回收利用：对混凝土性能的影响及处理方法

搅拌站废水的回收利用：对混凝土性能的影响及处理方法

本文选自《预拌混凝土》杂志2021年第5期

搅拌站废水对混凝土性能的影响及回用

黄海成、颜书超、吴志华、周英中、倪孔森

［摘要］分析了混凝土搅拌站废水的成分及其对混凝土性能的影响，通过对搅拌站废水进行固液分离和中和处理，实现了废水回收再利用的重要性。

［关键词］搅拌站；废水；固液分离；回收利用

0 简介

随着我国经济的发展和城镇化进程的加快，混凝土行业得到了快速发展，混凝土是最重要的建筑材料之一，据不完全统计，我国目前每年生产混凝土超过25亿立方米。

m3混凝土[1]，而生产每m3混凝土约需搅拌水0.18m3，每年需水量达4.5亿m3以上。同时，生产每m3混凝土约产生废水0.03m3，全国混凝土搅拌站一年产生的废水将超过7500万m3。我国是水资源比较匮乏的国家，混凝土搅拌站废水随意排放，会造成大量的水资源浪费，同时给土壤和地下水资源带来严重的污染，对自然环境造成破坏。混凝土搅拌站废水回收利用，不仅对企业具有良好的经济效益，而且具有良好的社会效益。

本文对搅拌站废水的水质进行了分析，分析了搅拌站废水直接回用于混凝土搅拌对混凝土可能造成的危害。针对这些可能带来的危害，对搅拌站废水进行如下处理：搅拌站碱性废水经压滤机固液分离、二氧化碳中和处理后，变为中水，可直接作为混凝土搅拌用水或搅拌车冲洗用水。这样既可以避免高pH值废水对搅拌站用水的危害和对混凝土质量的影响，又可以实现废水循环利用，真正实现搅拌站废水零排放。这样既可以提高搅拌站的经济效益，又可以减少污水对环境的破坏。

1 搅拌站废水来源

搅拌站废水主要来源如下[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，分离过程中需一定量的清水进行冲洗，砂石分离后会产生含有水泥及外加剂组分的废水。

（2）生产、运输设备冲洗水：主要是搅拌机、搅拌运输车作业后，为防止混凝土粘结设备和硬化而冲洗产生的废水。

（3）生产现场冲洗水：为了保持现场清洁，搅拌站每天都会用清水对生产现场进行冲洗，冲洗现场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 搅拌站废水主要成分分析

搅拌站废水主要成分如表1所示，试验方法参照JGJ 63-2006《混凝土用水标准》[3]。

搅拌站废水pH值较高，pH值大于12.5；可溶物超过预应力混凝土标准要求（预应力混凝土可溶物限量值为≤/L）；不溶物含量远远超过混凝土水质标准限量值；氯离子、硫酸根离子均符合水质标准；碱含量较高。混凝土拌和水的水质要求见表2。

3 实验结果与讨论

3.1 pH值对混凝土的影响

4个水样pH值均大于12.5，碱含量较高，如果这些废水直接回用于混凝土搅拌，可能会对混凝土的部分性能造成一定影响。

3.1.1 碱骨料反应的影响

碱骨料反应对混凝土的耐久性有着严重的影响，混凝土内部发生碱骨料反应，导致混凝土体积异常膨胀，产生裂缝，同时还会加剧由其他因素引起的混凝土劣化过程[4]。目前，一般认为碱骨料反应与混凝土中的碱含量密切相关，总碱含量越高，碱骨料反应越严重。唐明姝等[5]研究了Ca(OH)2对碱硅反应的影响，文章探讨了不同pH值溶液对蛋白石的侵蚀，结果表明，当pH值低于12.0～12.5时，SiO2的溶解量很少；当pH值大于12.5时，SiO2的溶解量明显增加。当pH值大于12.5时，含碱反应性骨料的混凝土存在发生碱骨料反应的风险。图1为SiO2在不同pH值溶液中溶解曲线。

3.1.2对混凝土强度的影响

搅拌站产生的高pH值废水直接回用于混凝土搅拌时，对混凝土的早期和后期强度有一定影响[6]。在高碱性环境中，水泥的水化产物多为CSH（Ⅱ），CaO/SiO2比值为1.5～2.0[7]。这种网络状颗粒较容易重叠并迅速交织成网络结构，形成空间骨架，使浆体逐渐致密，提高早期强度。但由于水泥水化硬化结构形成过早，阻碍了后期水化所需的离子迁移和扩散，减缓了后期水化进程，导致后期结构性较差，影响后期强度的提高[8]。相反，在低碱性环境中，水泥的水化产物CSH凝胶多呈云状，有利于浆体在水化后期致密化，从而提高后期强度[9]。

3.1.3 对减水剂效率的影响

搅拌站产生的高pH值废水直接用于混凝土搅拌时，由于碱性组分的叠加，混凝土的碱含量较高。高碱含量影响水泥与聚羧酸系减水剂的相容性和适应性，降低减水剂的效能，表现为混凝土流动性降低，初凝时间和终凝时间明显缩短，初凝时间缩短幅度较大[10]。减水剂效能的降低必然会增加混凝土的用水量，用水量的增加导致坍落度的快速损失，严重影响混凝土（尤其是泵送混凝土）的搅拌性能，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过混凝土用水标准的限值，不溶物中含有粒度小、活性低的固体废弃物，将它们加入到混凝土中，可以增加骨料的表面积，增加新拌混凝土的用水量，降低混凝土的工作性。而且这些颗粒可能具有一定的吸水能力，对混凝土的工作性产生不利影响，另一方面当它们包裹在骨料表面时，会影响骨料与水泥浆体的粘结，从而降低混凝土的力学性能[12]。同时，废水中的悬浮颗粒和惰性成分会吸收正常加入的外加剂，降低混凝土的工作性。废水中外加剂掺量、有效成分和惰性成分的差异，导致废水对不同强度等级混凝土的工作性影响结果不同[13]。

搅拌站废水对混凝土性能的影响存在诸多不确定因素，为保证混凝土质量的稳定，对搅拌站废水进行处理势在必行，这样不仅可以保证混凝土的质量，而且对节能环保也有积极的影响。

4 搅拌站废水处理方案

4.1搅拌站废水-中水自动化处理系统工艺流程

图2为污水处理系统工艺流程图。

4.2 流程描述

搅拌站污水及中水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、空温气化器、气体自控电磁阀、中和反应器、pH高精度在线检测仪、雷达液位计、液压智能柱塞泵、污水压滤机等组成，以上设备均为我公司制造。

4.3 搅拌站废水及中水自动化处理系统工作原理

图3为该处理系统的工作原理图。

4.4 处理

本方案采用二氧化碳进行中和处理，首先通过压滤机对搅拌站污水进行固液分离，将废水中的悬浮颗粒、水泥凝胶、络合物等不溶物从液相中分离出来，滤渣作他用，滤液进入原水收集池，由高压柱塞泵打入反应器雾化，在雾化过程中与同时通入的二氧化碳气体发生中和反应，当污水与二氧化碳达到一定平衡时，中和反应完成。中和反应后的水流入沉淀池，沉淀后的上层清水流入清水槽，从而得到符合工业回用水标准的清水。过程中通过液位监控、pH值监控实现电子全自动化操作。处理系统中的中和反应机理如下：

搅拌站废水经压滤、二氧化碳中和处理后，水质分析结果见表3。

4.5 结果分析

（1）由表3可以看出，废水经过压滤、中和、预沉淀处理后的pH值基本在7左右，达到了碱水中和的目的。

(2)可溶物含量也显著降低，这是意料之外的，可溶物降低的具体机理有待进一步研究。

（3）不溶物经过滤后，大部分大颗粒（>45μm）被除去，少量细小颗粒（<45μm）残留。从试验数据可以看出，过滤效果明显，残留不溶物极少。

（4）处理前后氯离子（Cl - ）和硫酸根离子（SO 4 2- ）的数据变化不大，这与氯离子的溶解度和硫酸钙的饱和溶解度有关。

(5)处理后的废水中碱含量也明显降低。这与可溶物含量的降低有关。具体的去除机理有待进一步研究。

（6）搅拌站碱性废水处理后符合GB/T 19923-2005《再生水作为工业水源水质标准》和JGJ 63-2006《混凝土用水标准》的水质标准，有利于进一步扩大水资源的循环利用。

4.5.1进水压力、水流量及二氧化碳气体压力对中和效率的影响

根据搅拌站废水及中水自动化处理系统的工艺要求，测试进水压力对中和效率的影响：

保持进水流量为25m 3 /h，二氧化碳气体压力为0.05MPa，测定单位量（每立方米）水条件下进水压力对中和效率的影响，测试水压为0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、1MPa、1.2MPa时碱性污水中和至中性所需的时间。

水压与消耗时间关系见表4，水压与消耗时间关系曲线如图4所示。

从图4水压与消耗时间关系曲线可知，当水流量为25m3/h，二氧化碳气体压力为0.05MPa时，从0.05MPa到0.3MPa的消耗时间（Δt）减少幅度较大；当压力从0.3MPa到1.2MPa时，消耗时间（Δt）减少幅度较小；当水压继续升高时，消耗时间变化不大，基本维持在2.45min左右。基本可以认为消耗时间的拐点在0.3MPa处。结合水压与电机能耗关系可知，当水压达到0.3MPa时，二氧化碳对碱性污水的中和效率达到最佳。

4.5.2 水流量对中和效率的影响

保持进水压力为0.3MPa、二氧化碳气体压力为0.05MPa不变，测定单位量（每立方米）水条件下进水压力对中和效率的影响，分别进行10m3/h、15m3/h、20m3/h、25m3/h、30m3/h、35m3/h、40m3/h、45m3/h水流量试验，测定碱性污水中和至中性所需时间及单位水循环次数η。

水流量、消耗时间与单位水量循环次数η关系如表5所示。

表5中的数据来源及定义：

（1）水流量：指水泵正常工作时，实际流过水泵的水量与相应工作时间的比值，用Q表示，单位：m3/h。这与水泵的额定流量不同，是经过标定后的实际流量。

（2）运行时间：指泵正常工作时，处理每立方米碱性污水至中性所花费的时间。为实测值，以T 1 表示，单位：分钟/立方米。

（3）额定时间：指实际水流量下，抽取每立方米水所需的时间，以T 0 表示，单位：分钟/立方米。

T0=1/Q×60（1）

式中：T 0 ——额定时间，min/m 3 ；

Q——水流量，m3/h；

60——相当于分钟和小时，1h=60min。

（4）单位水量循环次数：指运行时间与额定时间之比，用η表示，单位（无量纲量）。当η无限趋近于1时，表示该水量为中和系统处理的最佳污水流量；当η＞1时，表示该水量不能满足中和系统正常污水流量需求；当η＜1时，表示该水量超出中和系统正常污水流量需求。

η= T1 / T0 （2）

式中：T 1 ——动作时间，min/m 3 ；

T 0 ——额定时间，min/m 3 。

水流量、时间消耗与单位水量循环次数η关系曲线如图5、图6所示。

当进水压力为0.3MPa，二氧化碳气体压力为0.05MPa时，从图5中水流量与消耗时间关系曲线可知，在流量为30m3/h和35m3/h时额定时间与运行时间随流量变化的曲线趋于相交，说明此时额定时间与运行时间趋于相等，同时中和系统的污水流量为最优值。结合水流量与电机能耗关系，以节能为准则，可知当进水流量为30m3/h时，二氧化碳对碱性污水的中和效率达到最佳。从图6中水流量与循环系数η关系曲线可知，当污水流量为30m3/h和35m3/h时，η值无限趋向于1，进一步验证了污水流量为30m3/h时，二氧化碳对碱性污水的中和效率达到最佳。

4.5.3 CO2气体压力对中和效率的影响

保持入口流量为30m3/h，入口压力为0.3MPa，测定单位量（每立方米）水条件下二氧化碳气体压力对中和效率的影响，测试在气体压力为0.01MPa、0.02MPa、0.03MPa、0.04MPa、0.05MPa、0.06MPa、0.07MPa、0.08MPa、0.09MPa、0.1MPa条件下碱性污水中和至中性所需的时间。

二氧化碳气体压力与消耗时间关系如表6所示。

二氧化碳气体压力与消耗时间关系曲线如图7所示。

当入口流量为30m3/h，入口压力为0.3MPa时，由图7气体压力与消耗时间关系曲线可以看出，当二氧化碳气体压力为0.05MPa时，运行时间无限趋向于额定时间2min/m3，说明此时二氧化碳气体压力为中和系统的最佳值，此时碱性污水二氧化碳中和效率最好。

通过以上试验发现，当泵进水流量为30m3/h，进水压力为0.3MPa，反应器内二氧化碳气体压力为0.05MPa时，处理系统的中和效率最好。进水流量、进水压力、二氧化碳气体压力是影响中和系统运行的三大因素，其中两个因素发生变化，则必须调整另一个因素，以达到新的平衡，保证中和系统处于最佳工作状态。（以上试验未考虑温度、气压变化对试验结果的影响）

5 搅拌站污水中水自动化处理系统CO2使用量及成本分析

详情请参阅表7。

（1）由表7可知，搅拌站废水初始平均pH值为12.70，最终平均pH值为7.13，经过二氧化碳中和处理后，碱性废水变为中性水。

（2）处理过程中，二氧化碳实际平均消耗量为2.23kg，折算成单位体积污水实际消耗量为1.39kg/m3；二氧化碳理论平均消耗量为1.79kg，折算成单位体积污水理论消耗量为1.12kg/m3。二氧化碳平均实际利用率为80.26%。试验过程中发现，二氧化碳的利用率与污水的pH值有一定关系，pH值越高，二氧化碳的利用率越高。本次试验污水用量较少，设备连续运行情况不理想，导致部分二氧化碳未参与反应而残留在反应器中，从而影响二氧化碳的利用率。当将中和系统投入实际污水处理中时，在保证设备连续运行的同时，二氧化碳的利用率将得到一定程度的提高。

（3）目前商品二氧化碳价格存在地区差异，约为1.2~1.5元/kg，结合污水处理系统二氧化碳用量及利用率，污水处理系统材料成本约为2~2.7元/m3，电耗约为0.25~0.35元/m3，综合成本较工业用水价格有明显优势。

六，结论

（1）搅拌站高pH废水直接回用于混凝土搅拌，对混凝土的性能有一定影响。主要表现在：一是存在发生碱骨料反应的可能，影响耐久性；二是影响混凝土早期强度和后期强度；三是影响减水剂的效率；四是影响混凝土的工作性能。

（2）经过“搅拌站废水—再生水自动处理系统”处理后的污水，各项数据参数有明显改善，检测项目均符合GB/T 19923-2005《再生水作为工业水源水质标准》和JGJ 63-2006《混凝土用水标准》，将进一步有利于扩大水资源的循环利用。

（3）“搅拌站污水再生水自动化处理系统”在运行过程中，中和效率受进水压力、进水流量、二氧化碳气体压力的影响，当其中两个因素发生变化时，必须调整另一个因素，以保证处理系统处于最佳工作状态。

（4）“搅拌站废水—中水自动化处理系统”利用二氧化碳处理搅拌站碱性废水，综合处理成本较工业用水价格有明显优势。

（5）搅拌站废水通过“搅拌站废水—中水自动处理系统”处理后循环使用，对企业的经济效益有很大的帮助，对节约资源、保护环境也有着十分重要的意义。

参考