摘  要：本文通过在已有商品混凝土搅拌站混凝土污水处理系统的基础上，提出技术改进及创新的关键依据：污水沉降过程规律。通过实验研究与物理模拟，提出了污水循环使用系统的操作条件及参数优化的依据，从而为今后污水循环利用系统的完善提供必要的基础，最终实现降低企业长期的污水处理成本，增加企业的利润。

0  引言

混凝土搅拌站不仅是用水大户，而且其在混凝土的生产过程中会产生大量的污水，如年产50万方/年的搅拌站一年产生的污水就高达8万吨。国家环境保护法律法规通常禁止这种类型污水的排放,因为这些“废水”、“废渣”都具有强碱性，PH值可达12左右，并含有大量水泥、砂石等不溶物，如果不加处置任意排放，就会殃及农田水利，堵塞市政设施，严重影响环境，故企业在排放搅拌站污水前，必须进行处理直至符合排放标准。[1-5]商品混凝土砂石污水回收和利用势在必行，传统的沉淀分离回收方法沉积泥沙处理成本高、无法适用于大规模生产的需要，所以目前部分搅拌站采用的是处理成本较低的污水一次性全循环利用法，即污水不通过分级沉淀分离，在搅拌均匀的情况下，用泵取污水打入搅拌机，并混以一定比例的清水，直接作为混凝土生产的原材料[6]，其核心是在不影响混凝土质量、增加混凝土成本的前提下，废水不沉降，形成可直接进入搅拌主机设备的浆体，使废水处理成为连续生产的一个操作单元。
采用这样的全循环污水回收方式优点是：污染大大降低、基本实现零排放、零清理、零外运、资源大部分能够实现回收，但仍存在着“搅拌能耗高”、“所取污水浓度波动大”[4]、“使用限制大”、“搅拌站水平衡难以实现”等缺点。因此污水一次性全循环利用的难点在于如何设置适当的参数，使操作费用最小，如搅拌机的开停时间及间歇时间；此外还包含如何选定最大程度地减少污水的浓度的波动。若能通过实验研究得出最优的操作参数，不仅能大大降低能耗，还能提高使用循环污水生产的混凝土的质量，为企业带来可观的利益。
为解决以上几大难题，本研究着重探讨搅拌站污水中的泥沙沉降过程，着重解决搅拌站污水池的节能降耗问题，以及实现为混凝土生产中清污水使用比例确定及优化提供依据。

1 原材料和试验方法

1.1原材料

(1)污水：取自四川某搅拌站污水池，待污水池搅拌均匀后，迅速从污水池表面取得适量污水。
(2)污水参数：
表1 废浆水参数

水样名称	PH值	比重（kg/m3）	固含量C0 /%	组成
废浆水	12	1.182	25.6	水泥、粉煤灰、外加剂等

1.2试验及检测方法

采用物理模拟的方法，在通过实验室模拟污水池，进行测试和观察。污水沉降过程的检测方法为：在加入污水后，使用机械搅拌器以固定的搅拌速度搅拌10分钟，搅拌停止后开始计时，观察污水随时间推移的沉降过程，以起始沉降位置为参考界面，并记录下不同时间的沉降高度，沉降速度采用群体沉速表征[7]。污水中固体颗粒的粒度采用JL-1166型激光粒度分布测试仪测量，PH值采用PH试纸测量。

1.3 实验内容

(1) 研究污水池高度对沉降过程的影响
(2) 研究污水池直径对沉降过程的影响
(3) 研究污水池中污水浓度对沉降过程的影响
(4) 研究污水池中浓度稳定点的确定

2  结果与分析

2.1污水沉降规律

本实验中颗粒含量达25.6%（wt），颗粒平均粒度10.04μm，含颗粒粒径大小相差不超过6倍，由于颗粒之间相互碰撞产生动量交换，使大颗粒沉降受阻滞，而小颗粒被加速，因而所有的颗粒都将以大致相同的速度进行干扰沉降。
通过实验，可发现，颗粒群的沉降规律干扰沉降的规律[8]，呈现出以下特点：混合均匀悬浮液在直立沉降池中静置即会从上到下出现A：清液区，B：均匀沉降区，C：浓缩区，D：沉聚区四个分区。随着沉降过程进行，会出现明显的清浊界面，该界面随着时间的推移而慢慢下降，依次经历等速沉降段；减速沉降段；压缩段三个阶段。

图1. 颗粒群沉降示意图[8]

2.2 污水池高度对沉降的影响

在研究污水池高度对沉降的影响时，本实验采用的是固定直径，变化沉降高度进行沉降实验，记录实验数据并分别作图如下：

图2 直径D=130mm, C=C0（原浓度），不同高度沉降特性曲线
图2为在直径为130mm的沉降池中，采用变化污水高度进行沉降实验得到的结果。 由图2可以发现，在同等直径下进行的沉降实验，“等速沉降”过程的速度并未明显地受到高度的影响，通过拟合，可得图2各组实验中等速沉降区的速率分别为： 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。由于等速沉降区沉降速率基本不受高度的影响，因此，可以推断，等速沉降区沉降历时与沉降高度呈线性关系。通过统计图2中各实验组中等速沉降段的沉降时间，可得下表：
 
 
表2  同直径，不同高度各实验组沉降时间表
 

实验组	沉降高度(mm)	沉降时间(s)
1	160	1080
2	145	960
3	130	840
4	115	660
5	100	480
6	85	390
7	70	300

 
为更直观地体现沉降高度与沉降时间的关系，以下绘制散点图，可得：

图3 沉降高度与沉降时间的关系曲线
通过线性拟合，可得图3中沉降高度（x）与沉降时间（y）的关系为，Y=9.1428x-378.57143  R=0.99443，通过建立在一定浓度下，沉降高度与沉降时间的关系，可为实际工业应用中的污水池搅拌间隔时间设定提供依据，以实现企业的节能降耗。

2.3直径的对沉降的影响

     固定污水液面沉降高度，在三种不同直径的沉降池中进行沉降实验。经污水经搅拌器搅拌均匀后，静置沉淀，间隔一定时间，分别记录相应的清浊界面位置。整理数据作沉降特性曲线如下：

图4  H=100mm，不同直径下沉降特性曲线
 
图5  H= 70mm，三组不同直径下沉降特性曲线
 
图4与图5分别为在污水总高度为100mm，70mm，在直径为130mm,100mm,70mm的沉降池中进行沉降实验所得的结果。从图中可明显地观察到曲线可分为三段(如图)，最初的等速沉降区，其斜率较大；中间的过渡区；最终的压缩区，斜率剧烈减小，分别与干扰沉降模型中的“均匀沉降区”、“浓缩区”、“沉聚区”特征吻合。值得注意的是，图4与图5中的三种直径下所得的沉降特性曲线呈现出高度重合的现象，其中图4中三条曲线经过线性拟合可得在等速沉降区颗粒沉降速度均在0.905mm/s左右，相关度R2高达0.9956，而等速沉降历时相近，均为480s左右，相应的图5中三条曲线在等速沉降区的颗粒沉降速度经拟合可得为0.086mm/s，相关度R2为0.9926，同样的，等速沉降历时亦非常接近，为300s左右。
由两组实验可得，直径对沉降速度与等速区的沉降历时影响较小，值得注意的是，沉降池直径不能过小，因为当直径小到一定程度时，器壁效应会较大程度地影响沉降 [4] ，由于在实际工业应用中，所取的直径均较大，故可不考虑管式效应的影响，因此可以认为，在实际工业应用中，直径对沉降特性的影响可忽略不计，这为搅拌站污水池设计提供了有利的依据。 

2.4污水浓度的对沉降的影响

前述实验探究了几何尺寸（直径、高度）对沉降过程的影响，由于我们更为关注的是实际工业应用，因此更多地将重点放在等速沉降段上。通过前述研究，我们可以知道，在一定范围内，可忽略直径对沉降特性的影响，而沉降高度的不同并未明显地影响等速沉降区的沉降速率，影响的是等速沉降段的沉降历时。由此，我们在研究污水浓度对沉降的影响时，可不再进行几何尺寸的交叉研究。在本文中，采用的是在直径为130mm，高度为160mm的沉降池中分别进行浓度为C0，0.75 C0，0.5 C0的沉降实验。通过记录清浊液面位置与相应的时间，绘制沉降特性曲线如下：

图6 不同浓度下的沉降特性曲线 
 
从图6可直观得到，随着污水浓度降低，等速沉降区的速率依次增大，通过线性拟合，可得浓度为C0、0.75C0，0.5C0时等速沉降区的速率分别为：0.0711mm/s ，0.1563mm/s，0.3866mm/s ，通过研究浓度对沉降过程的影响，在实际工业应用时，就可根据污水浓度的变化，适当地调整搅拌的间隔时间,以达到节能降耗而又不影响污水池正常运行的目的。

2.5 污水池浓度相对稳定点确定

（1） 在等速沉降区下端边界上间隔1分钟取污水，测量其体积浓度。其中图7，图8，图9分别为在相同直径（D=130mm）不同高度（分别为：160mm，145mm，130mm）进行实验得到的时间、浓度关系曲线。

图7 浓度（固体体积分数）、取水时间关系曲线
（2） 在浓缩沉降区下端边界上间隔1分钟取污水，测量其体积浓度。其中图9为在直径D为130mm，高度H为145mm的沉降池中进行实验得到的时间、浓度关系曲线。
 

图8直径D=128.75mm, H=142.8mm
（3）实验结果分析
    图6，7选取的研究对象均为原浓度的污水，其体积浓度为 37.8%。图6中各组实验均为在等速沉降段与浓缩段之间的界面（即等速沉降结束位置）处取污水，测其体积浓度绘制的时间、浓度曲线。可以直观地发现，在等速沉降段内，污水的体积浓度上下浮动较小，基本在38%上下浮动。当等速沉降阶段结束后，原取水点处已澄清，此时污水的体积浓度基本为零。因此，在实际工业应用时，应保证搅拌间隔时间小于等速沉降时间。另外，由实验结果可知，在等速沉降结束位置附近取得的污水能较长时间保持其浓度处于较稳定的状态。
    为更好地对浓度变化情况进行研究，本文中补充了对照实验，即在浓缩段结束位置进行取水研究。从图7可知，在等速沉降段内，其浓度变化亦不大，但一旦沉降进入到浓缩阶段，污水浓度会呈现增大的趋势，同样的，当沉降过程进入到聚沉阶段时，原浓缩段处取水点处已为上清液，此时污水固含量体积浓度接近零。
通过以上分析，可推测出浓度较稳定的点为等速沉降结束位置处。

3  工程应用结果与分析

3.1 回收水生产混凝土性能结果

值得注意的是，由于回收的污水中含有微量粒度在0.08mm以下的颗粒[9]，这部份颗粒在一定程度上会影响所生产的混凝土的性能，因此，在使用回收水进行混凝土的生产时，要考虑到以适当地清污水比例生产各标号的混凝土。经过进行搅拌站的水平衡计算，可以得到在生产各标号混凝土时，回收水使用量在20%～60%的范围内，既可满足污水全循环利用，同时可以保证所生产的混凝土的质量与可靠性[10]。以下为从某搅拌站实验室获得的8000组生产数据经求均值后得到的结果：
 
表3. 回收水用于生产各强度混凝土明细表 (强度单位：Mpa, 清水与回收水单位：Kg)

强度等级	清水使用量均值	回收水使用用均值	清污水平均比例	强度平均值
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

 
在混凝土企业质量控制中绝大多数是以混凝土强度的变异情况作为调整控制措施的依据，因此回收水应用于混凝土生产不仅仅是要以满意的概率保证回收系统运行过程处于“正常状态”，而且要以较高的概率保证混凝土抗压强度将处于合格条件之内。表3为某搅拌站实际生产各标号混凝土的清污水使用数据以及强度数据，每种标号各随机选取1000组数据，通过求其强度均值与清污水使用量均值反应全循环污水回收系统的可靠性。
通过表中数据，可以知道，在生产低标号混凝土时，几乎可以完全采用回收水进行生产，而随着混凝土强度等级的提高，清水使用量比例逐渐增大。值得注意的是，综合分析各标号混凝土的强度数据，可知当使用适当清污水比例生产特定标号的混凝土是完全可以满足强度要求的，即该污水回收系统能够以较高的概率保证混凝土抗压强度处于合格条件之内。

4  结论

如何控制能耗、提高污水回收系统的稳定性与可靠性[11]是回收水应用于混凝土生产的重要环节，本研究以物理模拟的方法，着重研究了几何尺寸、浓度对沉降速率、沉降时间的影响，并结合工程实际，研究了沉降过程中浓度变化的情况，得出了以下结论：
（1）污水池高度对匀速沉降段的速率影响不大，从而其沉降历时与沉降高度呈线性变化的趋。
（2）由于污水浓度会影响沉降速度，因此在实际污水回收系统运行时，应定时测定污水浓度，根据实际情况，通过控制系统自动调整搅拌时间与搅拌间歇时间。
（3）通过实验研究，可得出污水池中存在浓度相对稳定的位置，为等速沉降段的极限位置，可为实际污水池的设计提供依据。
 
参考文献：
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[2]余和友，徐 亮. 混凝土搅拌站废水废渣的试回收再利用[J]. 建筑工程, 2010(8):136-137
[3]Stamatis Tsimas ，Monika Zervaki. Reuse of waste water from ready-mixed concrete plants[J]. Reuse of waste water, 2011（1）：7-17
[4]Franco Sandrolini, Elisa Franzoni.Waste wash water recycling in ready-mixed concrete plants[J]. Cement and Concrete Research,2001,31: 485-489
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[6]王艳梅，李红，张国强.废弃灰浆循环再利用系统在混凝土搅拌站中的应用.混凝土，2008-4-123
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[8]夏素兰，叶世超，易美桂.化工原理.科学出版社，2006
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[10] 王栋，于洋，吉旭.预拌混凝土质量可靠性评价体系的研究.混凝土，2012-5
[11]于洋，王栋，吉旭.混凝土企业基于知识管理的质量管控模型分析.混凝土，2011-3
 
作者简介：李宛珊，女，硕士，从事混凝土污水循环处理研究，本公司技术中心主管工程师