黃海城,嚴舒超,吳志華,周應中,倪孔森
(浙江森友環(huán)保成套設備有限公司,浙江 嘉興 314304)
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快,混凝土行業(yè)得到迅猛發(fā)展?;炷潦亲钪匾慕ㄖ牧现?。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前我國每年生產(chǎn)混凝土超過 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 4.5 億方。同時生產(chǎn)每方混凝土產(chǎn)生約 0.03 方的廢水,一年下來全國混凝土攪拌站產(chǎn)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(huán)境的破壞。混凝土攪拌站廢水回收利用,對企業(yè)不僅具有良好的經(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(xiàn)攪拌站廢水零排放。從而提高攪拌站的經(jīng)濟效益,同時降低污水對環(huán)境的破壞。
攪拌站廢水主要有以下來源[2]:
(1)廢棄混凝土分離產(chǎn)生的水:廢棄混凝土經(jīng)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(chǎn)生含有水泥和外加劑成分的污水。
(2)生產(chǎn)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(chǎn)生的廢水。
(3)生產(chǎn)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(chǎn)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。
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
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(fā)生在混凝土內部,導致混凝土體積異常膨脹,產(chǎn)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(fā)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(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)狀結構,形成空間骨架,使?jié){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(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(xiàn)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(xiàn)場施工不利[11]。
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??赡鼙旧砗幸欢ǖ奈?,對混凝土的工作性產(chǎn)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?;炷疗焚|的穩(wěn)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(jié)能和環(huán)保也能起到積極的影響。
圖2 為污水處理系統(tǒng)工藝流程圖。
圖2 工藝流程圖
攪拌站污水—中水的自動化處理系統(tǒng)主要由電子自動化控制系統(tǒng)、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。
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
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(jīng)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(fā)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(jīng)過中和反應后的水流入沉淀池,經(jīng)過沉淀,上層清水流入清水池,從而得到符合工業(yè)回用水標準的清水。過程中通過液位監(jiān)測和 pH 值監(jiān)測實現(xiàn)電子全自動化操作。處理系統(tǒng)中和反應機理如下:
攪拌站廢水經(jīng)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
(1)從表3 可看出,經(jīng)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(jīng)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(shù)據(jù)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(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。
(5)經(jīng)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(lián),具體去除的機理有待進一步的研究。
(6)經(jīng)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(yè)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(tǒng)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(shù)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??;當進水壓力繼續(xù)增大時,消耗的時間變化不大,基本保持在 2.45min 左右?;旧峡梢哉J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(shù)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(huán)的次數(shù) η。
水流量和消耗時間及單位水量循環(huán)次數(shù) 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(huán)次數(shù)η的關系
表5 中的數(shù)據(jù)來源和定義:
(1)水流量:指泵正常工作時,流經(jīng)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(qū)別于泵的額定流量,是經(jīng)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(huán)次數(shù):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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)次數(shù) 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(tǒng)的污水流量為最佳值。結合水流量和電機能耗的關系,以節(jié)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(huán)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(huán)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(shù)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(tǒng)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(fā)現(xiàn),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(tǒng)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(tǒng)工作的三大因素,若有兩因素發(fā)生變化,需經(jīng)過調節(jié)另外一個因素才能達到新的平衡,以確保中和系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。(以上試驗不考慮溫度和大氣壓變化對試驗結果的影響)
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(jīng)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(xù)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(tǒng)投入到實際的污水處理中,在確保設備連續(xù)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(qū)域差異,價格大概在 1.2~1.5 元/kg,結合污水處理系統(tǒng)對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)用水的價格有明顯的優(yōu)勢。
(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(xiàn)為:其一,有發(fā)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(jīng)過“攪拌站污水—中水的自動化處理系統(tǒng)”處理過的污水,各個數(shù)據(jù)參數(shù)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(yè)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(tǒng)”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(fā)生改變時,必須調整另外一個因素,才確保處理系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)。
(4)“攪拌站污水—中水的自動化處理系統(tǒng)”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(yè)用水的價格有明顯的優(yōu)勢。
(5)攪拌站廢水經(jīng)過“攪拌站污水—中水的自動化處理系統(tǒng)”處理再回收利用,對企業(yè)的經(jīng)濟效益有明顯的幫助,同時對資源的節(jié)約和環(huán)境的保護有重要的意義。