搅拌站废水对混凝土性能的影响及回收利用分析

搅拌站废水对混凝土性能的影响及回收利用分析

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其回收利用

黄海成、闫树超、吴志华、周英忠、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造成危害的可能性。针对这些可能带来的危害，对搅拌站废水进行如下处理：搅拌站碱性废水经过压滤机固液分离、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，如果将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》的检测项目，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，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，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，测定单位水量（每立方米）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

详情见表7。

（1）由表7可知，搅拌站废水平均初始pH值为12.70，平均最终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