水磨石预制构件节水清洗工艺及废水重复利用

摘要： 本文针对水磨石抛光打磨后清洗工艺落后、工装简陋导致的水量消耗大和废水处理负担重等实际问题，在认真分析生产废水物理化学特性的基础上，给出了物理沉淀+化学絮凝沉淀和酸碱中和降低碱性的综合处理方法，检验了实际应用效果；自主研发的配套清洗装置，在提高工效、节能减排方面效果显著，谨供建筑届同行借鉴参考。

Abstract： This article addresses practical issues such as the backwardness of the cleaning process， the heavy water consumption caused by the rigorous tooling， and the heavy burden of wastewater treatment after terrazzo polishing， based on careful analysis of the physical and chemical characteristics of production wastewater， the comprehensive treatment methods of physical precipitation + chemical flocculation precipitation and acid and alkalinity reduce alkalinity are given， and the actual application effect is tested. The independently developed supporting cleaning device has significant effect in improving ergonomics， energy saving and emission reduction， so it can provide some reference for similar projects.

关键词： 水磨石；预制构件；清洗；废水处理；重复利用

Key words： terrazzo；prefabricated components；cleaning；wastewater treatment；reuse

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0173-04

0 引言

资源是经济发展的重要制约因素，节能减排，是缓解能源约束、减轻环境压力、保障经济安全，实现可持续发展的必要途径。

近年来，国家的城镇化发展战略，推动了城乡建筑业的快速发展，安居工程建设规模日益扩大，为了加快建设速度和降低建设成本，窗台板、灶台板、操作台板、楼梯、地面铺装板等小型水磨石预制构件（见图1）用量日益增多。目前多采用工厂化集中生产模式，其主要生产流程为：集中拌制混凝土 → 浇筑振捣 → 蒸汽养护 → 抛光打磨 → 表面清洗 → 集中存放[1]。

就目前的抛光打磨后构件表面清洗工序而言，面临技术原始、耗水量大、生产废水重复利用率低、环保风险高等亟待解决的问题[2]。

笔者有幸参与了中铁十七局建筑工程有限公司《CRTSⅡ型无砟轨道板生产废水处理技术综合改进与应用》课题的研究工作，在预制构件抛光打磨生产废水处理及其再利用方面有较深的体会。

1 生产废水的特性及危害

1.1 生产废水的物理化学特性分析

混凝土预制品在抛光打磨时，产生了大量较黏稠的浆液并黏附在构件表面，一般需采用清水（自来水）进行冲洗，清水与打磨浆液混合后形成一种灰黑色的悬浊液体，称之为生产废水。由于残留物具有较强的黏附性，冲洗用水量较大，生产废水的处理负担过重[3]。

生产废水中含有混凝土配合比中所有物质的细微颗粒，主要包括水泥、细砂、石粉，甚至包括粉煤灰及混凝土添加剂等，根据容重不同细砂、石粉物质自然沉淀稍快，水泥、粉煤灰等沉淀较为缓慢，当受到扰动时，沉淀物会重新泛起，取样送环保检测部门测定悬浮物质为166mg/L。

生产废水的化学特性由混凝土配比中的成分所决定，其中水泥呈中强碱性、粉煤灰呈弱碱性。

通常混凝土中水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙（Ca（OH）2），使硬化后的混凝土内部孔隙中充满了氢氧化钙饱和溶液，其pH值高达12～13。

粉煤灰，其主要化学成分是Si02、Fe203和A1203，有时还含有大量的CaO。其中Si02和Fe203均不溶于水，化学性质较稳定；CaO与H2O反应生成Ca（OH）2呈碱性；A1203铝属于两性氧化物，A12O3与Ca（OH）2化学反应生成偏铝酸钙Ca[Al（OH）4]2沉淀。

Al2O3+Ca（OH）2+3H2O=Ca[Al（OH）4]2↓

水磨石预制构件抛光打磨实际上是将已硬化的混凝土磨碎至粉末状，在与打磨淋水和冲洗水混合后形成生产废水，虽氢氧化钙与冲洗水混合后得到稀释，取样送环保检测部门检测pH值仍为11.8，属于碱性溶液，高于國家的污水排放（pH值6～9）标准。

1.2 生产废水的危害性

产生废水pH值超出国家规定的污水排放标准，如果不经过处理直接排放，排入水体后将改变水体的pH值，影响水体的自净作用，破坏河流的自然生态，导致水生资源减少或毁灭；污染地下水源，人类饮用后将影响正常的陈代谢，长期饮用会导致消化系统失调；渗人土壤则造成土质的盐碱化，破坏土层的松疏状态，影响农作物的生长和增产[4]；生产废水对作业人员亦有一定的危害性，皮肤直接接触或不慎进入眼内时，具有剧烈的灼烧感，易造成损伤；同时碱性废水具有一定的脱脂性，长期接触导致皮肤干燥甚至开裂等，因此，生产废水不宜直接重复利用。

2 生产废水的处理

根据中华人民共和国环境保护行业标准《地表水及污水监测技术规范》和《水和废水监测分析方法》相关规定，在对废水实施监测的基础上，本着可行、经济、实用的原则，对废水进行必要的物理及化学方法处理，使之满足重复利用需要和达标排放。

2.1 处理的目的

对抛光打磨及清洗产生的废水进行处理其目的在于：

①达到重复利用条件，从而降低生产用水成本；

②达到国家环保排放标准，防止对生态环境造成污染。

2.2 生产废水处理思路

水磨石抛光打磨生产废水是一种不含有机物质的浑浊碱性废水，首先利用悬浮物的自重进行物理沉淀的方法去除大部分悬浮物；再利用化学反应降低废水的碱性，在降低碱性的同时，利用化学试剂的特性进一步加速微小悬浮物的快速沉淀，达到重复利用条件；排放前对所有废水进行最终处理，使其达到国家环保排放标准（pH值6～9）。

2.3 废水处理设施及流程

一定生产规模的小型构件预制厂，均应设置简易污水处理系统，包括：沉沙池、排污管道、沉淀池（一、二、三级）、锯齿形溢流堰、污泥池、扬水泵、过滤机（脱水机）、高位蓄水罐、给水管道等。

废水处理工艺流程见图2。

2.3.1 沉沙池

在打磨清洗工位地下設地沟式沉沙池，去除粒径较大的砂、块状混凝土等自重较大残碴，直接沉入池底，待沉淀一定厚度时，人工清运。深度≥1.5m，沉沙池顶面设滤水蓖子。在沉沙池上部设有污水管道直通沉淀池。

2.3.2 排水管道及自动排水阀

用PVC管道将沉沙池与沉淀池连接形成排水管道，在沉沙池顶面以下0.5m处设置排水管道入口，安装浮力式排水阀，当沉沙池内水位达到一定高度时，自动开启排水阀，将表层废水泄入沉淀池，当沉沙池内水位降低至一定高度时，自动关闭排水阀。可实现间歇式大流量排水，防止管道淤积阻塞。

2.3.3 沉淀池

分三级修建防渗沉淀池，沉淀池入水采用锯齿形溢流堰提高污水入池的均匀度；沉淀池出水口亦采用锯齿形溢流堰提取池中表层清水；为保证沉淀池工作的连续性，清除污泥频繁的沉淀池采用双套配置，即设一级沉淀池2个，设二级沉淀池2个，三级沉淀池设置1个，在一级和二级沉淀池侧位设污泥池1个，沉淀池平面布置见图3。

2.3.4 污泥池

污泥池设在地面以上，污泥池底部设半圆形集水凹槽，其上铺设两层滤水土工布，一般污泥含水量较大，过滤后的清水直接进入二级沉淀池；污泥池上搭设收放式防雨棚，晴天收起防雨布，以便太阳暴晒脱水，雨天放下防雨布，防止雨水混入加大污泥含水量。当污泥脱水到一定程度后可装车外运，见图4。

2.3.5 锯齿形溢流堰

锯齿形溢流堰是污水处理厂常用的装置，一般采用钢制槽型，槽边设90°锯齿水口，亦称为锯齿形溢流槽。有两侧同高和两侧不同高之分。

采用高低边锯齿形溢流槽，其目的是：

①将车间的悬浊废水通过锯齿形溢流槽分散、小流量、均匀地送入一级沉淀池内，避免池底沉淀物泛起；

②用锯齿形溢流堰高边收集一级沉淀池表层清水，再用锯齿形溢流堰的低边将收集到的表层清水分散、小流量、均匀地送入下二级沉淀池内，避免池底沉淀物泛起；

③在一、二级沉淀池之间的锯齿形溢流槽内添加化学药剂，与水充分混合后均匀送入二级沉淀池内进行反应。

2.3.6 扬水泵

在三级沉淀池（清水池）内安装2台扬水泵，1号泵安装在2/3水位处，负责提升表层清水，直接送入高位储水罐（水塔）内备用；2号泵安装在池底部，负责提升含有沉淀物的池底浑水至过滤机内。

2.3.7 过滤机（脱水机）

安装过滤机，2号泵将三级沉淀池底部浑水送入过滤机，过滤后清水送入高位储水罐（水塔）内备用；过滤脱水后的泥膏送入污泥池。

2.3.8 高位储水罐（水塔）

高位储水罐（水塔），提供重复利用回流压力（水头），同时起到调节水量的作用。在水塔内安装水位控制器，当储水罐水位较低时自动开启1号泵补充清水；当储水罐水位达到一定高度时自动停机。

2.4 废水的处理方法

2.4.1 物理沉淀法

物理沉淀法，是利用水中各种固态物质的自重逐渐沉降，使液态与固态物质逐渐分离，从而去除液体中固态物质的方法。物理沉淀法是处理悬浮物的经济方法，但在利用物理沉淀法时，液体的密度（浮力）、流速等都会对沉淀速率和效果产生一定的影响。

2.4.2 混凝沉淀法（化学快速沉淀法）

混凝是凝聚作用与絮凝作用的合称。在生产废水中，含有大量的混凝土水化时产生的胶结物质，在化学药剂的作用下，可促使其凝聚后快速沉淀[5]。在一、二级沉淀池之间的高低边锯齿形溢流槽内，添加硫酸铝凝聚剂，使其与水体均匀混合，在二级沉淀池中发生反应后产生凝聚效果，有利于悬浮物质的快速沉淀。

2.4.2.1 硫酸铝在处理生产废水中的作用

硫酸铝既可降低生产废水的pH值，同时又是理想的凝絮剂，可加快悬浮物的沉淀速度。

采用硫酸铝与废水中的氢氧化钙发生中和反应，既可降低生产废水的碱性，又能生成硫酸钙沉淀物降低生产废水的浑浊度（硫酸钙溶解度较低，可视为不溶）。硫酸铝与氢氧化钙的化学反应式为：

3Ca（OH）2+Al2（SO4）3=3CaSO4↓+2Al（OH）3

由化学反应式可知，硫酸钙与氢氧化钙反应，生成碳酸钙沉淀，同时还次生出氢氧化铝。

氢氧化铝Al（OH）3属两性氢氧化物，遇碱呈酸性，遇酸呈碱性。在碱性生产废水中，硫酸铝与氢氧化钙反应次生出的氢氧化铝呈酸性，又进一步降低了废水碱性。

氢氧化铝与废水中的残留氢氧化钙发生反应，生成偏铝酸钙沉淀，偏铝酸钙是一种不溶于水的白色晶体。

Ca（OH）2+2Al（OH）3=Ca（AlO2）2↓ +4H2O

通过在废水中投入适量的硫酸铝药剂，可分别生成硫酸钙沉淀和偏铝酸钙沉淀，同时分两次降低了废水的pH值。

2.4.2.2 二氧化碳在处理生产废水中的作用

二氧化碳CO2可与废水中的氢氧化钙发生酸碱中和反应，达到降低废水的PH值目的。采用二氧化碳与废水中的氢氧化钙发生反应，生成碳酸钙沉淀物；

①二氧化碳与水反应，生成碳酸

CO2+H2O=H2CO3

②碳酸与氢氧化钙反应，生成碳酸钙沉淀

Ca（OH）2+H2CO3=CaCO3↓+2H2O

试验表明，在除去70%悬浮物的废水中，投入适量的硫酸铝或吹入适量的二氧化碳，均可将 PH值降低至8.5以下，满足循环利用及最终排放要求。

2.4.3 生产废水的处理效果

经实际应用证明，采用硫酸铝作为化学絮凝劑良好效果，经模拟测定二级沉淀池内物理+化学沉淀速度由120 mm/h提高到370mm/h见图5（1）。经环保检测部门测定，悬浮物含量由166mg/L降低至12mg/L；pH值由11.8降低至6.0见图5（2）、5（3）。

3 清洗工艺改进

抛光打磨形成的泥浆黏附在构件表面，需采用水进行彻底清洗，目前的清洗技术原始、工装简陋，既消耗大量自来水又增加了沉重的污水处理负担，有必要对清洗工艺进行改进，并研发配套工装。

3.1 自动补水滚动清洗装置研发

鉴于目前清洗工艺落后、工装简陋、水资源消耗过大和污水处理负担过重的问题，开发了一种“自动补水滚动清洗装置”，主要由滚动刷体、螺旋毛刷、中空补水转轴、防水电机、防雾罩等组成，见示意图6。

自动补水滚动清洗装置，可提高构件表面黏稠的附着物的清洗效果和工效，已获得国家知识产权局实用新型专利授权（ZL2013 2 0218499.4）[6]。

3.2 压缩空气+水混合冲洗装研发

鉴于目前清洗工艺落后、工装简陋、水资源消耗过大和污水处理负担过重的问题，开发了一种“压缩空气+水混合冲洗装置”。主要由支架、高压气泵、水气混合器、控制阀门等组成，见图7。

压缩空气+水混合冲洗装置，适用于水磨石构件的最后清洗，能将自动补水滚动清洗装置清洗之后残留污垢彻底冲洗干净，节水率达到70%以上，该装置已获得国家知识产权局实用新型专利授权（ZL2013 2 0219359.9）[7]。

自主研发的“自动补水滚动清洗装置”和“压缩空气+水混合冲洗装置”配合使用，与原自来水直接冲洗工艺相比，清洗效果得到了彻底改善，经工艺改进，提高清洗工效80%，节水率75%，节省辅助人工70%，形成了水磨石预制构件抛光打磨之后清洗工序的自动化、高效化、节水化、标准化作业条件。同时因清洗用水量的大幅降低，废水日常处理费用同步降低。具有显著的节能、降耗和环保意义。专利证书见图8、9。

4 结束语

目前，水磨石构件集中预制生产过程中，面临清洗工艺落后、工装简陋、水资源消耗过大和污水处理负担过重等实际问题，在认真分析生产废水的物理化学特性的基础上，采取了物理沉淀+化学絮凝沉淀的处理方法，既有效降低了生产废水的碱性，达到国家污水排放标准并为重复利用创造了条件，又加缩短了生产废水中悬浊物的沉淀时间；研发的配套工装在提高生产效率的同时，大幅度降低了生产用水量，间接地降低了生产废水处理负担。该技术具有一定的先进性和实用性，可在同类工程中借鉴应用。

参考文献：

[1]曾明祥.105米预应力水磨石台座设计与施工[J].中国西部科学，2007（10）：13-14.

[2]王宗昌，尹玉梅.水磨石小型构件手工制作方法[J].建筑工人，2001（8）：4-5.

[3]唐林森.HQL12型混凝土切割机[J].混凝土与水泥制品，1984（6）：63.

[4]马丽娜.发制品生产过程节水减排技术选用与效果评价[D].河南：河南师范大学，2017：39-44.

[5]徐晋，高济平，龚成晨.卫生陶瓷行业节水潜力及生产废水零排放分析[J].上海节能，2016（7）：386-389.

[6]中铁十七局集团建筑工程有限公司.板式无砟轨道道床板自动补水滚动清洗装置：中国，ZL2013 2 0218499.4[P].2013-04-26.

[7]中铁十七局集团建筑工程有限公司.板式无砟轨道道床板高压清洗装置：中国，ZL2013 2 0219359.9[P].2013-04-26.