摘  要：本文通過(guò)在已有商品混凝土攪拌站混凝土污水處理系統的基礎上，提出技術(shù)改進(jìn)及創(chuàng )新的關(guān)鍵依據：污水沉降過(guò)程規律。通過(guò)實(shí)驗研究與物理模擬，提出了污水循環(huán)使用系統的操作條件及參數優(yōu)化的依據，從而為今后污水循環(huán)利用系統的完善提供必要的基礎，最終實(shí)現降低企業(yè)長(cháng)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(hù)，而且其在混凝土的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的污水，如年產(chǎn)50萬(wàn)方/年的攪拌站一年產(chǎn)生的污水就高達8萬(wàn)噸。國家環(huán)境保護法律法規通常禁止這種類(lèi)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(huì )殃及農田水利，堵塞市政設施，嚴重影響環(huán)境，故企業(yè)在排放攪拌站污水前，必須進(jìn)行處理直至符合排放標準。[1-5]商品混凝土砂石污水回收和利用勢在必行，傳統的沉淀分離回收方法沉積泥沙處理成本高、無(wú)法適用于大規模生產(chǎn)的需要，所以目前部分攪拌站采用的是處理成本較低的污水一次性全循環(huán)利用法，即污水不通過(guò)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(jìn)入攪拌主機設備的漿體，使廢水處理成為連續生產(chǎn)的一個(gè)操作單元。
采用這樣的全循環(huán)污水回收方式優(yōu)點(diǎn)是：污染大大降低、基本實(shí)現零排放、零清理、零外運、資源大部分能夠實(shí)現回收，但仍存在著(zhù)“攪拌能耗高”、“所取污水濃度波動(dòng)大”[4]、“使用限制大”、“攪拌站水平衡難以實(shí)現”等缺點(diǎn)。因此污水一次性全循環(huán)利用的難點(diǎn)在于如何設置適當的參數，使操作費用最小，如攪拌機的開(kāi)停時(shí)間及間歇時(shí)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(dòng)。若能通過(guò)實(shí)驗研究得出最優(yōu)的操作參數，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(lái)可觀(guān)的利益。
為解決以上幾大難題，本研究著(zhù)重探討攪拌站污水中的泥沙沉降過(guò)程，著(zhù)重解決攪拌站污水池的節能降耗問(wèn)題，以及實(shí)現為混凝土生產(chǎn)中清污水使用比例確定及優(yōu)化提供依據。

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：
表1 廢漿水參數

水樣名稱(chēng)	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(guò)實(shí)驗室模擬污水池，進(jìn)行測試和觀(guān)察。污水沉降過(guò)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(kāi)始計時(shí)，觀(guān)察污水隨時(shí)間推移的沉降過(guò)程，以起始沉降位置為參考界面，并記錄下不同時(shí)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(shí)驗內容

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

2  結果與分析

2.1污水沉降規律

本實(shí)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(guò)6倍，由于顆粒之間相互碰撞產(chǎn)生動(dòng)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(jìn)行干擾沉降。
通過(guò)實(shí)驗，可發(fā)現，顆粒群的沉降規律干擾沉降的規律[8]，呈現出以下特點(diǎn)：混合均勻懸浮液在直立沉降池中靜置即會(huì )從上到下出現A：清液區，B：均勻沉降區，C：濃縮區，D：沉聚區四個(gè)分區。隨著(zhù)沉降過(guò)程進(jìn)行，會(huì )出現明顯的清濁界面，該界面隨著(zhù)時(shí)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(gè)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(shí)，本實(shí)驗采用的是固定直徑，變化沉降高度進(jìn)行沉降實(shí)驗，記錄實(shí)驗數據并分別作圖如下：

圖2 直徑D=130mm, C=C0（原濃度），不同高度沉降特性曲線(xiàn)
圖2為在直徑為130mm的沉降池中，采用變化污水高度進(jìn)行沉降實(shí)驗得到的結果。 由圖2可以發(fā)現，在同等直徑下進(jìn)行的沉降實(shí)驗，“等速沉降”過(guò)程的速度并未明顯地受到高度的影響，通過(guò)擬合，可得圖2各組實(shí)驗中等速沉降區的速率分別為： 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。由于等速沉降區沉降速率基本不受高度的影響，因此，可以推斷，等速沉降區沉降歷時(shí)與沉降高度呈線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)統計圖2中各實(shí)驗組中等速沉降段的沉降時(shí)間，可得下表：
 
 
表2  同直徑，不同高度各實(shí)驗組沉降時(shí)間表
 

實(shí)驗組	沉降高度(mm)	沉降時(shí)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(guān)地體現沉降高度與沉降時(shí)間的關(guān)系，以下繪制散點(diǎn)圖，可得：

圖3 沉降高度與沉降時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)
通過(guò)線(xiàn)性擬合，可得圖3中沉降高度（x）與沉降時(shí)間（y）的關(guān)系為，Y=9.1428x-378.57143  R=0.99443，通過(guò)建立在一定濃度下，沉降高度與沉降時(shí)間的關(guān)系，可為實(shí)際工業(yè)應用中的污水池攪拌間隔時(shí)間設定提供依據，以實(shí)現企業(yè)的節能降耗。

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(jìn)行沉降實(shí)驗。經(jīng)污水經(jīng)攪拌器攪拌均勻后，靜置沉淀，間隔一定時(shí)間，分別記錄相應的清濁界面位置。整理數據作沉降特性曲線(xiàn)如下：

圖4  H=100mm，不同直徑下沉降特性曲線(xiàn)
 
圖5  H= 70mm，三組不同直徑下沉降特性曲線(xiàn)
 
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(jìn)行沉降實(shí)驗所得的結果。從圖中可明顯地觀(guān)察到曲線(xiàn)可分為三段(如圖)，最初的等速沉降區，其斜率較大；中間的過(guò)渡區；最終的壓縮區，斜率劇烈減小，分別與干擾沉降模型中的“均勻沉降區”、“濃縮區”、“沉聚區”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(xiàn)呈現出高度重合的現象，其中圖4中三條曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)線(xiàn)性擬合可得在等速沉降區顆粒沉降速度均在0.905mm/s左右，相關(guān)度R2高達0.9956，而等速沉降歷時(shí)相近，均為480s左右，相應的圖5中三條曲線(xiàn)在等速沉降區的顆粒沉降速度經(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(shí)亦非常接近，為300s左右。
由兩組實(shí)驗可得，直徑對沉降速度與等速區的沉降歷時(shí)影響較小，值得注意的是，沉降池直徑不能過(guò)小，因為當直徑小到一定程度時(shí)，器壁效應會(huì )較大程度地影響沉降 [4] ，由于在實(shí)際工業(yè)應用中，所取的直徑均較大，故可不考慮管式效應的影響，因此可以認為，在實(shí)際工業(yè)應用中，直徑對沉降特性的影響可忽略不計，這為攪拌站污水池設計提供了有利的依據。 

2.4污水濃度的對沉降的影響

前述實(shí)驗探究了幾何尺寸（直徑、高度）對沉降過(guò)程的影響，由于我們更為關(guān)注的是實(shí)際工業(yè)應用，因此更多地將重點(diǎn)放在等速沉降段上。通過(guò)前述研究，我們可以知道，在一定范圍內，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的沉降速率，影響的是等速沉降段的沉降歷時(shí)。由此，我們在研究污水濃度對沉降的影響時(shí)，可不再進(jìn)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(jìn)行濃度為C0，0.75 C0，0.5 C0的沉降實(shí)驗。通過(guò)記錄清濁液面位置與相應的時(shí)間，繪制沉降特性曲線(xiàn)如下：

圖6 不同濃度下的沉降特性曲線(xiàn) 
 
從圖6可直觀(guān)得到，隨著(zhù)污水濃度降低，等速沉降區的速率依次增大，通過(guò)線(xiàn)性擬合，可得濃度為C0、0.75C0，0.5C0時(shí)等速沉降區的速率分別為：0.0711mm/s ，0.1563mm/s，0.3866mm/s ，通過(guò)研究濃度對沉降過(guò)程的影響，在實(shí)際工業(yè)應用時(shí)，就可根據污水濃度的變化，適當地調整攪拌的間隔時(shí)間,以達到節能降耗而又不影響污水池正常運行的目的。

2.5 污水池濃度相對穩定點(diǎn)確定

（1） 在等速沉降區下端邊界上間隔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(jìn)行實(shí)驗得到的時(shí)間、濃度關(guān)系曲線(xiàn)。

圖7 濃度（固體體積分數）、取水時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)
（2） 在濃縮沉降區下端邊界上間隔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(jìn)行實(shí)驗得到的時(shí)間、濃度關(guān)系曲線(xiàn)。
 

圖8直徑D=128.75mm, H=142.8mm
（3）實(shí)驗結果分析
    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(shí)驗均為在等速沉降段與濃縮段之間的界面（即等速沉降結束位置）處取污水，測其體積濃度繪制的時(shí)間、濃度曲線(xiàn)?？梢灾庇^(guān)地發(fā)現，在等速沉降段內，污水的體積濃度上下浮動(dòng)較小，基本在38%上下浮動(dòng)。當等速沉降階段結束后，原取水點(diǎn)處已澄清，此時(shí)污水的體積濃度基本為零。因此，在實(shí)際工業(yè)應用時(shí)，應保證攪拌間隔時(shí)間小于等速沉降時(shí)間。另外，由實(shí)驗結果可知，在等速沉降結束位置附近取得的污水能較長(cháng)時(shí)間保持其濃度處于較穩定的狀態(tài)。
    為更好地對濃度變化情況進(jìn)行研究，本文中補充了對照實(shí)驗，即在濃縮段結束位置進(jìn)行取水研究。從圖7可知，在等速沉降段內，其濃度變化亦不大，但一旦沉降進(jìn)入到濃縮階段，污水濃度會(huì )呈現增大的趨勢，同樣的，當沉降過(guò)程進(jìn)入到聚沉階段時(shí)，原濃縮段處取水點(diǎn)處已為上清液，此時(shí)污水固含量體積濃度接近零。
通過(guò)以上分析，可推測出濃度較穩定的點(diǎn)為等速沉降結束位置處。

3  工程應用結果與分析

3.1 回收水生產(chǎn)混凝土性能結果

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(huì )影響所生產(chǎn)的混凝土的性能，因此，在使用回收水進(jìn)行混凝土的生產(chǎn)時(shí)，要考慮到以適當地清污水比例生產(chǎn)各標號的混凝土。經(jīng)過(guò)進(jìn)行攪拌站的水平衡計算，可以得到在生產(chǎn)各標號混凝土時(shí)，回收水使用量在20%～60%的范圍內，既可滿(mǎn)足污水全循環(huán)利用，同時(shí)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(shí)驗室獲得的8000組生產(chǎn)數據經(jīng)求均值后得到的結果：
 
表3. 回收水用于生產(chǎn)各強度混凝土明細表 (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)量控制中絕大多數是以混凝土強度的變異情況作為調整控制措施的依據，因此回收水應用于混凝土生產(chǎn)不僅僅是要以滿(mǎn)意的概率保證回收系統運行過(guò)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。表3為某攪拌站實(shí)際生產(chǎn)各標號混凝土的清污水使用數據以及強度數據，每種標號各隨機選取1000組數據，通過(guò)求其強度均值與清污水使用量均值反應全循環(huán)污水回收系統的可靠性。
通過(guò)表中數據，可以知道，在生產(chǎn)低標號混凝土時(shí)，幾乎可以完全采用回收水進(jìn)行生產(chǎn)，而隨著(zhù)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，綜合分析各標號混凝土的強度數據，可知當使用適當清污水比例生產(chǎn)特定標號的混凝土是完全可以滿(mǎn)足強度要求的，即該污水回收系統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。

4  結論

如何控制能耗、提高污水回收系統的穩定性與可靠性[11]是回收水應用于混凝土生產(chǎn)的重要環(huán)節，本研究以物理模擬的方法，著(zhù)重研究了幾何尺寸、濃度對沉降速率、沉降時(shí)間的影響，并結合工程實(shí)際，研究了沉降過(guò)程中濃度變化的情況，得出了以下結論：
（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(shí)與沉降高度呈線(xiàn)性變化的趨。
（2）由于污水濃度會(huì )影響沉降速度，因此在實(shí)際污水回收系統運行時(shí)，應定時(shí)測定污水濃度，根據實(shí)際情況，通過(guò)控制系統自動(dòng)調整攪拌時(shí)間與攪拌間歇時(shí)間。
（3）通過(guò)實(shí)驗研究，可得出污水池中存在濃度相對穩定的位置，為等速沉降段的極限位置，可為實(shí)際污水池的設計提供依據。
 
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作者簡(jiǎn)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