摘  要：本文通過在已有商品混凝土攪拌站混凝土污水處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出技術(shù)改進及創(chuàng)新的關(guān)鍵依據(jù)：污水沉降過程規(guī)律。通過實驗研究與物理模擬，提出了污水循環(huán)使用系統(tǒng)的操作條件及參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)，從而為今后污水循環(huán)利用系統(tǒng)的完善提供必要的基礎(chǔ)，最終實現(xiàn)降低企業(yè)長期的污水處理成本，增加企業(yè)的利潤。

0  引言

混凝土攪拌站不僅是用水大戶，而且其在混凝土的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的污水，如年產(chǎn)50萬方/年的攪拌站一年產(chǎn)生的污水就高達8萬噸。國家環(huán)境保護法律法規(guī)通常禁止這種類型污水的排放,因為這些“廢水”、“廢渣”都具有強堿性，PH值可達12左右，并含有大量水泥、砂石等不溶物，如果不加處置任意排放，就會殃及農(nóng)田水利，堵塞市政設(shè)施，嚴(yán)重影響環(huán)境，故企業(yè)在排放攪拌站污水前，必須進行處理直至符合排放標(biāo)準(zhǔn)。[1-5]商品混凝土砂石污水回收和利用勢在必行，傳統(tǒng)的沉淀分離回收方法沉積泥沙處理成本高、無法適用于大規(guī)模生產(chǎn)的需要，所以目前部分?jǐn)嚢枵静捎玫氖翘幚沓杀据^低的污水一次性全循環(huán)利用法，即污水不通過分級沉淀分離，在攪拌均勻的情況下，用泵取污水打入攪拌機，并混以一定比例的清水，直接作為混凝土生產(chǎn)的原材料[6]，其核心是在不影響混凝土質(zhì)量、增加混凝土成本的前提下，廢水不沉降，形成可直接進入攪拌主機設(shè)備的漿體，使廢水處理成為連續(xù)生產(chǎn)的一個操作單元。
采用這樣的全循環(huán)污水回收方式優(yōu)點是：污染大大降低、基本實現(xiàn)零排放、零清理、零外運、資源大部分能夠?qū)崿F(xiàn)回收，但仍存在著“攪拌能耗高”、“所取污水濃度波動大”[4]、“使用限制大”、“攪拌站水平衡難以實現(xiàn)”等缺點。因此污水一次性全循環(huán)利用的難點在于如何設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)，使操作費用最小，如攪拌機的開停時間及間歇時間；此外還包含如何選定最大程度地減少污水的濃度的波動。若能通過實驗研究得出最優(yōu)的操作參數(shù)，不僅能大大降低能耗，還能提高使用循環(huán)污水生產(chǎn)的混凝土的質(zhì)量，為企業(yè)帶來可觀的利益。
為解決以上幾大難題，本研究著重探討攪拌站污水中的泥沙沉降過程，著重解決攪拌站污水池的節(jié)能降耗問題，以及實現(xiàn)為混凝土生產(chǎn)中清污水使用比例確定及優(yōu)化提供依據(jù)。

1 原材料和試驗方法

1.1原材料

(1)污水：取自四川某攪拌站污水池，待污水池攪拌均勻后，迅速從污水池表面取得適量污水。
(2)污水參數(shù)：
表1 廢漿水參數(shù)

水樣名稱	PH值	比重（kg/m3）	固含量C0 /%	組成
廢漿水	12	1.182	25.6	水泥、粉煤灰、外加劑等

1.2試驗及檢測方法

采用物理模擬的方法，在通過實驗室模擬污水池，進行測試和觀察。污水沉降過程的檢測方法為：在加入污水后，使用機械攪拌器以固定的攪拌速度攪拌10分鐘，攪拌停止后開始計時，觀察污水隨時間推移的沉降過程，以起始沉降位置為參考界面，并記錄下不同時間的沉降高度，沉降速度采用群體沉速表征[7]。污水中固體顆粒的粒度采用JL-1166型激光粒度分布測試儀測量，PH值采用PH試紙測量。

1.3 實驗內(nèi)容

(1) 研究污水池高度對沉降過程的影響
(2) 研究污水池直徑對沉降過程的影響
(3) 研究污水池中污水濃度對沉降過程的影響
(4) 研究污水池中濃度穩(wěn)定點的確定

2  結(jié)果與分析

2.1污水沉降規(guī)律

本實驗中顆粒含量達25.6%（wt），顆粒平均粒度10.04μm，含顆粒粒徑大小相差不超過6倍，由于顆粒之間相互碰撞產(chǎn)生動量交換，使大顆粒沉降受阻滯，而小顆粒被加速，因而所有的顆粒都將以大致相同的速度進行干擾沉降。
通過實驗，可發(fā)現(xiàn)，顆粒群的沉降規(guī)律干擾沉降的規(guī)律[8]，呈現(xiàn)出以下特點：混合均勻懸浮液在直立沉降池中靜置即會從上到下出現(xiàn)A：清液區(qū)，B：均勻沉降區(qū)，C：濃縮區(qū)，D：沉聚區(qū)四個分區(qū)。隨著沉降過程進行，會出現(xiàn)明顯的清濁界面，該界面隨著時間的推移而慢慢下降，依次經(jīng)歷等速沉降段；減速沉降段；壓縮段三個階段。

圖1. 顆粒群沉降示意圖[8]

2.2 污水池高度對沉降的影響

在研究污水池高度對沉降的影響時，本實驗采用的是固定直徑，變化沉降高度進行沉降實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)并分別作圖如下：

圖2 直徑D=130mm, C=C0（原濃度），不同高度沉降特性曲線
圖2為在直徑為130mm的沉降池中，采用變化污水高度進行沉降實驗得到的結(jié)果。 由圖2可以發(fā)現(xiàn)，在同等直徑下進行的沉降實驗，“等速沉降”過程的速度并未明顯地受到高度的影響，通過擬合，可得圖2各組實驗中等速沉降區(qū)的速率分別為： 0.0713mm/s，0.0714mm/s，0.0725mm/s，0.079mm/，0.081mm/s，0.076mm/s，0.078mm/s，沉降速率基本在0.075mm/s左右。由于等速沉降區(qū)沉降速率基本不受高度的影響，因此，可以推斷，等速沉降區(qū)沉降歷時與沉降高度呈線性關(guān)系。通過統(tǒng)計圖2中各實驗組中等速沉降段的沉降時間，可得下表：
 
 
表2  同直徑，不同高度各實驗組沉降時間表
 

實驗組	沉降高度(mm)	沉降時間(s)
1	160	1080
2	145	960
3	130	840
4	115	660
5	100	480
6	85	390
7	70	300

 
為更直觀地體現(xiàn)沉降高度與沉降時間的關(guān)系，以下繪制散點圖，可得：

圖3 沉降高度與沉降時間的關(guān)系曲線
通過線性擬合，可得圖3中沉降高度（x）與沉降時間（y）的關(guān)系為，Y=9.1428x-378.57143  R=0.99443，通過建立在一定濃度下，沉降高度與沉降時間的關(guān)系，可為實際工業(yè)應(yīng)用中的污水池攪拌間隔時間設(shè)定提供依據(jù)，以實現(xiàn)企業(yè)的節(jié)能降耗。

2.3直徑的對沉降的影響

     固定污水液面沉降高度，在三種不同直徑的沉降池中進行沉降實驗。經(jīng)污水經(jīng)攪拌器攪拌均勻后，靜置沉淀，間隔一定時間，分別記錄相應(yīng)的清濁界面位置。整理數(shù)據(jù)作沉降特性曲線如下：

圖4  H=100mm，不同直徑下沉降特性曲線
 
圖5  H= 70mm，三組不同直徑下沉降特性曲線
 
圖4與圖5分別為在污水總高度為100mm，70mm，在直徑為130mm,100mm,70mm的沉降池中進行沉降實驗所得的結(jié)果。從圖中可明顯地觀察到曲線可分為三段(如圖)，最初的等速沉降區(qū)，其斜率較大；中間的過渡區(qū)；最終的壓縮區(qū)，斜率劇烈減小，分別與干擾沉降模型中的“均勻沉降區(qū)”、“濃縮區(qū)”、“沉聚區(qū)”特征吻合。值得注意的是，圖4與圖5中的三種直徑下所得的沉降特性曲線呈現(xiàn)出高度重合的現(xiàn)象，其中圖4中三條曲線經(jīng)過線性擬合可得在等速沉降區(qū)顆粒沉降速度均在0.905mm/s左右，相關(guān)度R2高達0.9956，而等速沉降歷時相近，均為480s左右，相應(yīng)的圖5中三條曲線在等速沉降區(qū)的顆粒沉降速度經(jīng)擬合可得為0.086mm/s，相關(guān)度R2為0.9926，同樣的，等速沉降歷時亦非常接近，為300s左右。
由兩組實驗可得，直徑對沉降速度與等速區(qū)的沉降歷時影響較小，值得注意的是，沉降池直徑不能過小，因為當(dāng)直徑小到一定程度時，器壁效應(yīng)會較大程度地影響沉降 [4] ，由于在實際工業(yè)應(yīng)用中，所取的直徑均較大，故可不考慮管式效應(yīng)的影響，因此可以認(rèn)為，在實際工業(yè)應(yīng)用中，直徑對沉降特性的影響可忽略不計，這為攪拌站污水池設(shè)計提供了有利的依據(jù)。 

2.4污水濃度的對沉降的影響

前述實驗探究了幾何尺寸（直徑、高度）對沉降過程的影響，由于我們更為關(guān)注的是實際工業(yè)應(yīng)用，因此更多地將重點放在等速沉降段上。通過前述研究，我們可以知道，在一定范圍內(nèi)，可忽略直徑對沉降特性的影響，而沉降高度的不同并未明顯地影響等速沉降區(qū)的沉降速率，影響的是等速沉降段的沉降歷時。由此，我們在研究污水濃度對沉降的影響時，可不再進行幾何尺寸的交叉研究。在本文中，采用的是在直徑為130mm，高度為160mm的沉降池中分別進行濃度為C0，0.75 C0，0.5 C0的沉降實驗。通過記錄清濁液面位置與相應(yīng)的時間，繪制沉降特性曲線如下：

圖6 不同濃度下的沉降特性曲線 
 
從圖6可直觀得到，隨著污水濃度降低，等速沉降區(qū)的速率依次增大，通過線性擬合，可得濃度為C0、0.75C0，0.5C0時等速沉降區(qū)的速率分別為：0.0711mm/s ，0.1563mm/s，0.3866mm/s ，通過研究濃度對沉降過程的影響，在實際工業(yè)應(yīng)用時，就可根據(jù)污水濃度的變化，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整攪拌的間隔時間,以達到節(jié)能降耗而又不影響污水池正常運行的目的。

2.5 污水池濃度相對穩(wěn)定點確定

（1） 在等速沉降區(qū)下端邊界上間隔1分鐘取污水，測量其體積濃度。其中圖7，圖8，圖9分別為在相同直徑（D=130mm）不同高度（分別為：160mm，145mm，130mm）進行實驗得到的時間、濃度關(guān)系曲線。

圖7 濃度（固體體積分?jǐn)?shù)）、取水時間關(guān)系曲線
（2） 在濃縮沉降區(qū)下端邊界上間隔1分鐘取污水，測量其體積濃度。其中圖9為在直徑D為130mm，高度H為145mm的沉降池中進行實驗得到的時間、濃度關(guān)系曲線。
 

圖8直徑D=128.75mm, H=142.8mm
（3）實驗結(jié)果分析
    圖6，7選取的研究對象均為原濃度的污水，其體積濃度為 37.8%。圖6中各組實驗均為在等速沉降段與濃縮段之間的界面（即等速沉降結(jié)束位置）處取污水，測其體積濃度繪制的時間、濃度曲線?？梢灾庇^地發(fā)現(xiàn)，在等速沉降段內(nèi)，污水的體積濃度上下浮動較小，基本在38%上下浮動。當(dāng)?shù)人俪两惦A段結(jié)束后，原取水點處已澄清，此時污水的體積濃度基本為零。因此，在實際工業(yè)應(yīng)用時，應(yīng)保證攪拌間隔時間小于等速沉降時間。另外，由實驗結(jié)果可知，在等速沉降結(jié)束位置附近取得的污水能較長時間保持其濃度處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。
    為更好地對濃度變化情況進行研究，本文中補充了對照實驗，即在濃縮段結(jié)束位置進行取水研究。從圖7可知，在等速沉降段內(nèi)，其濃度變化亦不大，但一旦沉降進入到濃縮階段，污水濃度會呈現(xiàn)增大的趨勢，同樣的，當(dāng)沉降過程進入到聚沉階段時，原濃縮段處取水點處已為上清液，此時污水固含量體積濃度接近零。
通過以上分析，可推測出濃度較穩(wěn)定的點為等速沉降結(jié)束位置處。

3  工程應(yīng)用結(jié)果與分析

3.1 回收水生產(chǎn)混凝土性能結(jié)果

值得注意的是，由于回收的污水中含有微量粒度在0.08mm以下的顆粒[9]，這部份顆粒在一定程度上會影響所生產(chǎn)的混凝土的性能，因此，在使用回收水進行混凝土的生產(chǎn)時，要考慮到以適當(dāng)?shù)厍逦鬯壤a(chǎn)各標(biāo)號的混凝土。經(jīng)過進行攪拌站的水平衡計算，可以得到在生產(chǎn)各標(biāo)號混凝土?xí)r，回收水使用量在20%～60%的范圍內(nèi)，既可滿足污水全循環(huán)利用，同時可以保證所生產(chǎn)的混凝土的質(zhì)量與可靠性[10]。以下為從某攪拌站實驗室獲得的8000組生產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)求均值后得到的結(jié)果：
 
表3. 回收水用于生產(chǎn)各強度混凝土明細(xì)表 (強度單位：Mpa, 清水與回收水單位：Kg)

強度等級	清水使用量均值	回收水使用用均值	清污水平均比例	強度平均值
C10	4.76	176.77	1:137	13.37
C15	5.78	172.19	1:30	18.09
C20	6.87	175.91	1:26	23.18
C25	64.25	118.10	1:1.83	27.86
C30	66.56	117.13	1:1.76	33.46
C35	83.35	90.23	1:1.08	38.30
C40	98.52	74.15	1:0.75	44.12
C45	150.06	21.76	1:0.15	50.12

 
在混凝土企業(yè)質(zhì)量控制中絕大多數(shù)是以混凝土強度的變異情況作為調(diào)整控制措施的依據(jù)，因此回收水應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)不僅僅是要以滿意的概率保證回收系統(tǒng)運行過程處于“正常狀態(tài)”，而且要以較高的概率保證混凝土抗壓強度將處于合格條件之內(nèi)。表3為某攪拌站實際生產(chǎn)各標(biāo)號混凝土的清污水使用數(shù)據(jù)以及強度數(shù)據(jù)，每種標(biāo)號各隨機選取1000組數(shù)據(jù)，通過求其強度均值與清污水使用量均值反應(yīng)全循環(huán)污水回收系統(tǒng)的可靠性。
通過表中數(shù)據(jù)，可以知道，在生產(chǎn)低標(biāo)號混凝土?xí)r，幾乎可以完全采用回收水進行生產(chǎn)，而隨著混凝土強度等級的提高，清水使用量比例逐漸增大。值得注意的是，綜合分析各標(biāo)號混凝土的強度數(shù)據(jù)，可知當(dāng)使用適當(dāng)清污水比例生產(chǎn)特定標(biāo)號的混凝土是完全可以滿足強度要求的，即該污水回收系統(tǒng)能夠以較高的概率保證混凝土抗壓強度處于合格條件之內(nèi)。

4  結(jié)論

如何控制能耗、提高污水回收系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性[11]是回收水應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，本研究以物理模擬的方法，著重研究了幾何尺寸、濃度對沉降速率、沉降時間的影響，并結(jié)合工程實際，研究了沉降過程中濃度變化的情況，得出了以下結(jié)論：
（1）污水池高度對勻速沉降段的速率影響不大，從而其沉降歷時與沉降高度呈線性變化的趨。
（2）由于污水濃度會影響沉降速度，因此在實際污水回收系統(tǒng)運行時，應(yīng)定時測定污水濃度，根據(jù)實際情況，通過控制系統(tǒng)自動調(diào)整攪拌時間與攪拌間歇時間。
（3）通過實驗研究，可得出污水池中存在濃度相對穩(wěn)定的位置，為等速沉降段的極限位置，可為實際污水池的設(shè)計提供依據(jù)。
 
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作者簡介：李宛珊，女，碩士，從事混凝土污水循環(huán)處理研究，本公司技術(shù)中心主管工程師