細(xì)砂回收工藝在攪拌站廢水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

付貴泰 孫偉 王偉 李佳偉

（1.威海市海王科技有限公司；2.威海市海王旋流器有限公司）

近年來，受國內(nèi)疫情影響，經(jīng)濟(jì)形勢(shì)低迷，2023年疫情穩(wěn)定，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)面臨大復(fù)蘇局面，可預(yù)見，國內(nèi)混凝土行業(yè)將迎來迅猛發(fā)展［1］。根據(jù)“二十大”精神，十四五新格局下，混凝土行業(yè)將聚焦“雙碳”目標(biāo)，進(jìn)行綠色低碳發(fā)展，抓住疫情后的發(fā)展機(jī)遇，努力進(jìn)行綠色化、工業(yè)化、智能化發(fā)展，取得了可喜成果，部分企業(yè)的技術(shù)裝備、產(chǎn)品質(zhì)量等已達(dá)到世界先進(jìn)水平［2］。預(yù)拌混凝土行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)環(huán)境保護(hù)以及資源綜合利用產(chǎn)生了極大地壓力，預(yù)拌混凝土在生產(chǎn)過程中會(huì)消耗大量的水資源，而混凝土攪拌機(jī)、運(yùn)輸車或泵車在清洗過程中產(chǎn)生了大量的廢水、廢漿［3］。一座年產(chǎn)30×104m3的商品混凝土拌合站，洗刷廢水產(chǎn)生量約1.5×104 t/a［4］，這些廢水、廢漿中含有一定的粗細(xì)骨料和各種添加劑，廢水往往呈強(qiáng)堿性，無法直接排放，若不能加以回收利用，勢(shì)必會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染［5］。為此，針對(duì)攪拌站廢水、廢渣的回收利用問題，研究了細(xì)砂回收旋流器在廢渣回收利用過程中的重要性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，期望對(duì)行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)有所裨益。

1 現(xiàn)行廢水處理工藝弊端

Pistilli等［6］分析了攪拌站廢水的物理化學(xué)性質(zhì)，從分析結(jié)果來看，攪拌站廢水中的固體顆粒物回收后再利用是可行的。目前，國內(nèi)對(duì)攪拌站廢水的處理工藝研究不多，大多數(shù)拌合站企業(yè)生產(chǎn)和沖洗廢水的處理工藝技術(shù)較低，對(duì)廢水特性認(rèn)識(shí)淺薄，處理手段和工藝相對(duì)簡單，回收利用率很低，尤其是一些中小型企業(yè)，甚至直接廢棄排放。

目前，最典型的混凝土攪拌站廢水、廢渣回收再利用系統(tǒng)主要由自動(dòng)化清洗系統(tǒng)、砂石分離系統(tǒng)以及污水處理系統(tǒng)組成［7］，其回收利用工藝流程見圖1。

自動(dòng)化清洗系統(tǒng)完成設(shè)備機(jī)車的清洗后，混合廢水進(jìn)入砂石分離系統(tǒng)進(jìn)行粗細(xì)骨料的分離回收，分離出+4.75 mm 粗骨料（石）及4.75～0.15 mm 細(xì)骨料（砂）運(yùn)至料場(chǎng)堆存，分離后的污水進(jìn)入污水暫存池存放，一部分用于混凝土拌合，剩余部分采用壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾，清水回用，泥餅送至堆場(chǎng)，破碎后回收利用。

按照最新建設(shè)用砂標(biāo)準(zhǔn)GB/T14684—2022，建設(shè)用砂的規(guī)范粒級(jí)為4.74～0.074 mm，而上述工藝因在砂石分離系統(tǒng)缺少細(xì)砂回收裝置，使得固體顆粒的回收粒級(jí)在+0.1 5 mm 左右，0.15～0.074 mm 細(xì)砂未得到回收，而隨污水進(jìn)入壓濾系統(tǒng)，從而造成了資源流失及壓濾系統(tǒng)負(fù)荷的增加，同時(shí)泥餅中細(xì)砂的參入，造成粉煤灰含量降低，回收再利用比較困難。

2 廢漿性質(zhì)

為研究攪拌站廢水、廢渣的特性，選取了四川眉山某攪拌站廢水樣品進(jìn)行檢測(cè)分析（表1），將不同位置所取的1#、2#、3#樣品混合后篩分，烘干稱重，得廢水中固體顆粒物粒度組成數(shù)據(jù)（表2），原廢水處理系統(tǒng)處理后的污水中顆粒組成見表3。

由表1～表3 可知，攪拌站廢水固含量約12%，pH值在12左右，呈強(qiáng)堿性；未經(jīng)系統(tǒng)處理前的廢水中固體顆粒由粗骨料、細(xì)骨料及泥粉組成，粒度范圍較寬；經(jīng)過原廢水系統(tǒng)處理后的污水中仍含有31.14%的+0.074 mm 粒級(jí)顆粒無法回收，該部分細(xì)砂進(jìn)入壓濾機(jī)壓濾后形成泥餅，增加壓濾機(jī)負(fù)荷的同時(shí)，使得泥粉因含沙量過高無法回收利用，造成資源浪費(fèi)。

3 帶細(xì)砂回收工藝的新型水處理系統(tǒng)

對(duì)于細(xì)粒級(jí)物料的回收，行業(yè)內(nèi)采用較多的是細(xì)砂回收裝置，但目前在攪拌站廢水處理中應(yīng)用較少，回收后的廢水中仍含有大量細(xì)砂，壓濾后的泥餅中含砂量大，不能回收使用。為解決原工藝系統(tǒng)缺陷，需在原工藝的基礎(chǔ)上增加細(xì)砂回收工藝。目前，該裝置在國內(nèi)主要應(yīng)用在礦山尾礦干排、砂石骨料細(xì)砂回收等領(lǐng)域，常用的設(shè)備配置為旋流器與脫水篩組合，其核心部件為旋流器。國內(nèi)旋流器生產(chǎn)廠家參差不齊，旋流器分級(jí)效率高低不等，選用國內(nèi)威海市海王旋流器有限公司生產(chǎn)的專用細(xì)砂回收旋流器用于拌合站廢水處理工藝改造。

新工藝（圖2）為新型環(huán)保攪拌站廢水處理零排放系統(tǒng)，其生產(chǎn)沖洗廢水首先經(jīng)分級(jí)隔粗篩進(jìn)行4.75 mm 分級(jí)，篩上為+4.75 mm 粗骨料，篩下進(jìn)入螺旋洗砂機(jī)，將+0.15 mm 粒級(jí)粗砂送至脫水篩脫水，螺旋洗砂機(jī)溢流泵送至專用細(xì)砂回收旋流器回收+0.074 mm 細(xì)砂，回收的細(xì)砂返回脫水篩與螺旋洗砂機(jī)推送的粗砂混合脫水，形成混合砂產(chǎn)品，旋流器溢流進(jìn)入污水沉淀池，經(jīng)沉淀后進(jìn)入壓濾機(jī)壓濾，形成以粉煤灰為主要礦物的泥餅，用于生產(chǎn)低標(biāo)混凝土，壓濾機(jī)濾液及沉淀池溢流返回生產(chǎn)回用。

該系統(tǒng)主要由機(jī)械制造工程、排管工程、涂裝工程和電氣工程四大部分組成，整體采用全自動(dòng)運(yùn)行方式對(duì)混凝土攪拌罐體內(nèi)殘留物進(jìn)行清潔、分解及回收再利用，同時(shí)也可對(duì)攪拌車外部以噴霧的方式清潔洗車。該系統(tǒng)工藝主要包含紅外傳感自動(dòng)化清洗工藝、砂石分離工藝、細(xì)砂回收工藝以及沉淀壓濾工藝，通過砂石分離、細(xì)砂回收、沉降壓濾、定時(shí)攪拌裝置、泥漿控制裝置以及管道輸送系統(tǒng)將廢棄混凝土分解還原成混凝土制作原料，從而達(dá)到零排放、零污染、回收再利用等目的。

4 細(xì)砂回收旋流器選型計(jì)算

細(xì)砂回收裝置的核心部件專用細(xì)砂回收旋流器是一種分離分級(jí)設(shè)備，其工作原理是采用水作為分離介質(zhì)，待分離礦漿經(jīng)過輸送裝置進(jìn)行有壓給入，礦漿在旋流器內(nèi)部做高速離心運(yùn)動(dòng)，礦漿中不同比重的礦物在離心力場(chǎng)內(nèi)部所受的離心力、向心浮力和流體曳力不同，比重較大，顆粒較粗的顆粒在重力作用下，隨旋流器錐體向下運(yùn)動(dòng)，從底部排出，細(xì)顆粒從頂部溢流管排出。

水力旋流器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，其本身是一個(gè)過流器件，在傳統(tǒng)選礦行業(yè)廣泛應(yīng)用于磨礦分級(jí)、粗煤泥選礦以及非金屬脫泥、脫粉等作業(yè)，具有處理能力大，分級(jí)效率高的特點(diǎn)；然其本身需要有壓給料，故電耗成本較高。旋流器的分級(jí)粒度一般為0.01～0.30 mm，根據(jù)物料分級(jí)要求，需配置不同的旋流器結(jié)構(gòu)和規(guī)格。

該項(xiàng)目選用的細(xì)砂回收旋流器結(jié)構(gòu)采用多錐體變錐結(jié)構(gòu)（圖3），由錐角不同的4段錐體組成，平均錐角可達(dá)10°，旋流器進(jìn)料體采用蝸殼螺旋線進(jìn)料體結(jié)構(gòu)。多錐體變錐結(jié)構(gòu)旋流器與同型號(hào)常規(guī)20°錐角旋流器相比，具有處理能力大、分級(jí)粒度小、效率高的特點(diǎn)。

旋流器使用前需進(jìn)行選型計(jì)算，目前水力旋流器的選型計(jì)算方法在旋流分離領(lǐng)域尚無固定的計(jì)算公式，多以經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算為主，經(jīng)常采用的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式有美國克萊布斯計(jì)算法和前蘇聯(lián)波瓦羅夫計(jì)算法。根據(jù)原料特性、作業(yè)流程和作業(yè)性質(zhì)等參數(shù)，通過計(jì)算，獲得匹配選型設(shè)計(jì)的最佳設(shè)備規(guī)格和型號(hào)。

該項(xiàng)目選用前蘇聯(lián)波瓦羅夫計(jì)算法，相比其他經(jīng)驗(yàn)公式，該計(jì)算公式更符合海王旋流器規(guī)格型號(hào)。旋流器的選擇計(jì)算主要確定旋流器的規(guī)格直徑、生產(chǎn)能力和分離粒度等參數(shù)，其次旋流器本身的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此，旋流器選型計(jì)算時(shí)應(yīng)確定好工況條件和結(jié)構(gòu)特性，然后進(jìn)行選擇計(jì)算。旋流器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與旋流器直徑D的關(guān)系，一般給礦口當(dāng)量直徑df=（0.15～0.25）D，溢流管直徑do=（0.2～0.4）D，沉砂口直徑du=（0.06～0.20）D，錐角a≤20°。進(jìn)口壓力是水力旋流器的主要參數(shù)之一，通常為49～157 kPa，進(jìn)口壓力與溢流粒度關(guān)系見表4。

該項(xiàng)目旋流器與脫水篩組成閉路循環(huán)，旋流器新給礦量30 m3/h，旋流器入料平均固含量2.27%，要求溢流粒度-74μm 占95%，礦石密度2.6 t/m3，旋流器入口壓力0.15 MPa，循環(huán)負(fù)荷15%。按上述條件計(jì)算的物料平衡結(jié)果見表5。

根據(jù)設(shè)備樣本可選用D=15 cm、錐角a=10°的水力旋流器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，其給礦口直徑設(shè)計(jì)df=4.2 cm，選用溢流管直徑設(shè)計(jì)do=4.5 cm，沉砂口直徑設(shè)計(jì)du=1.4 cm，根據(jù)所設(shè)計(jì)參數(shù)校核單臺(tái)處理量如下式所示

式中，qv為按給礦體積計(jì)算的處理量，m3/h；Ka為水力旋流器錐角修正系數(shù)；KD為水力旋流器直徑修正系數(shù)；df為給礦口當(dāng)量直徑，cm；do為溢流管直徑，cm；Po為旋流器給礦口工作壓力，MPa。

經(jīng)計(jì)算，處理量為32.32 m3/h。根據(jù)校核結(jié)果選用1 臺(tái)直徑D=15 cm 規(guī)格的旋流器比較合適，另備用1臺(tái)。

5 流程考察結(jié)果

經(jīng)過7 d 的安裝調(diào)試，原廢水水處理系統(tǒng)增加了細(xì)砂回收裝置，細(xì)砂回收旋流器在入料濃度約12%、入料壓力0.15 MPa 的工況下平穩(wěn)運(yùn)行，調(diào)試完成后，跟蹤考察生產(chǎn)數(shù)據(jù)，取平均值得結(jié)果見表6、表7。

由表6、表7 可知，經(jīng)過旋流器處理后，溢流污水中-0.074mm 顆粒含量最高可達(dá)99.25%，其尾泥產(chǎn)率由48%降至26%，說明可回收顆?；颈换厥胀耆_(dá)到了工藝設(shè)計(jì)的分段回收要求。

6 細(xì)砂回收系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）通過細(xì)砂回收工藝，使原系統(tǒng)中0.15～0.074 mm細(xì)砂得到回收利用，避免了資源浪費(fèi)。

（2）回收的細(xì)砂補(bǔ)充了回收砂中細(xì)砂的級(jí)配缺失，使砂石集配曲線更符合建設(shè)用砂要求。

（3）細(xì)砂回收工藝的應(yīng)用，使得壓濾泥餅中含砂率降低，粉煤灰含量提升，指標(biāo)更加穩(wěn)定，可用于生產(chǎn)回用。

（4）細(xì)砂回收工藝的應(yīng)用，節(jié)省了壓濾機(jī)的工作負(fù)荷，新工藝可節(jié)省設(shè)備投資成本及運(yùn)行成本。

7 結(jié)論

攪拌站通過工藝改造，將細(xì)砂回收工藝應(yīng)用于原廢水處理系統(tǒng)，彌補(bǔ)了原工藝細(xì)砂回收缺失的問題。通過新工藝應(yīng)用，將攪拌站廢水按建設(shè)用砂標(biāo)準(zhǔn)的回收粒度進(jìn)行了有效分離，形成了+4.75 mm 粗骨料、4.75～0.074 mm 混合砂及-0.074 mm 粉煤灰餅和回用水4 種可利用產(chǎn)品，在解決廢水、廢渣環(huán)境污染問題的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了資源的綜合回收利用，提高了經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到了廢水零排放標(biāo)準(zhǔn)，滿足了當(dāng)下環(huán)保要求，更符合綠色礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。