优质机制砂清洁生产工艺与方法的探讨

优质机制砂清洁生产工艺与方法的探讨

张明、吴芳等

摘要：目前机制砂生产存在工艺落后、资源和用水浪费、排放污染物多、环境污染严重以及机制砂产品质量不高等问题，亟需开展优质机制砂的清洁生产。在调研、取样分析、试验对比和可行性试验研究基础上，对存在的问题进行了全面分析。根据产生的污水量大、泥粉颗粒小等特性，建议采用科学的预处理方法和高效的固液分离集成技术，节约用水并提高洗砂效果；采用隔膜压榨过滤机并优化操作，耗时短、效率高、脱水好；对破碎或筛分过程产生的大量粉尘，采用高效除尘技术进行处理。工艺过程的改进和集成技术的应用，既可以解决环境污染问题，又提高了资源利用率，符合优质机制砂清洁生产的要求，必将带动行业的绿色健康发展。

关键词：优质机制砂；清洁生产；高效节能；预处理技术

1 机制砂的发展及现状

近年来，随着建筑市场需求的不断扩大，砂石用量迅速增多，砂石开采量不断加大，天然砂资源正逐年减少，部分地区天然砂已枯竭，国家大批建设工程的开展对砂石质量也提出新的要求。但是，随着天然砂开采量的增加，砂石质量越来越差，含泥量高、性能不稳定，能满足质量要求的天然砂越来越少，机制砂成为建筑用砂的首选。工业发达国家使用机制砂已有几十年的历史，如日本早在20世纪80年代在混凝土配制中机制砂石所占比例高达80%，德国、英国机制砂产业也相当发达。机制砂是以岩石、矿山尾矿或工业废渣作为原料，经过机械破碎、筛分、清洗等过程得到的砂石颗粒(粒径小于4.7mm)。与天然砂相比机制砂性能更优越:其原料多为岩石或矿物，表面能高、亲水性好、品质优；砂粒洁净，含泥粉少；技术含量高的现代化机械生产方式，确保了机制砂产品的质量稳定，砂石粒形好、粒度大小可调、级配合理，能满足不同的应用需求。除了可以合理利用工业废渣制砂外，对尾矿进行回收利用也是机制砂另一重要来源。在采矿加工过程中产生的大量尾矿多达20%~80%，中国目前已有上百亿吨的尾矿大量堆积，没有得到合理利用，不仅占用土地、污染环境，还容易埋下隐患，造成重大事故。调查显示，机制砂成本比天然砂低约50%，采用优质机制砂应用于混凝土的制备，综合成本可下降30%~50%。鉴于机制砂的优良性能及良好的经济和社会效益，目前在机场、桥梁、高速公路等大型设施建设上通常都要求使用机制砂。在高层建筑和其他重点工程领域，机制砂同样发挥着不可替代的作用。经过二十几年的发展，机制砂已成为当前建设用砂市场的主力，2013年市场占有率已超过60%，未来几年机制砂占用砂比率将超过80%，部分天然砂资源稀少的地区甚至超过90%。

2 机制砂的生广及存在的问题

2.1 机制砂的生产工艺

机制砂的品质不仅与原材料性能有关，更与生产工艺相关，不同的机制砂生产工艺制备的砂石质量相差甚远。目前典型的机制砂生产工艺流程见图1。由图1可知，机制砂生产主要经历了3次不同程度的破碎、1次筛分、2次洗砂和1次分离过程。机制砂产品有粗砂和细砂之分院在中碎(2次破碎)后经过洗砂机可以得到颗粒较大的粗砂产品；细碎后由洗砂机分离出粗砂产品，破碎和洗砂后的水伴随细砂进入分离设备进行分离，根据分离设备的不同分级效率可以得到不同粒度的细砂产品。

图1 机制砂生产工艺流程图
 

2.2 机制砂生产及后处理中存在的问题

1)为提高制砂污水的分离效果，需要对制砂污水进行预处理。目前有的制砂厂采用落后的重力沉降工艺与设备，占地面积大、投资高、分离效率低、耗时长，工艺流程及设备选型都不科学。

2)建立在山区的偏远生产厂家通过建立大型的水池进行多级沉降，有的沉降甚至达到6级。上层清水回用虽然在一定程度上解决了部分水资源的循环利用，但整体效率低、耗时长；下层淤泥含水量仍然很高，随意堆积和排放影响环境。将高固含量的污水不作任何处理直接排入河道中，导致河道河床抬高、淤泥量增多，严重影响河道湖泊的生态系统平衡。

3)机制砂污水的大量产生与环境保护、水利防洪的矛盾日益突出。由于机制砂污水量大，污水中固含量高、固体颗粒粒度分布范围大，存在污水处理难度大、设备投资和运行成本高等问题。据调查，在化学助滤剂方面，助滤剂的选择、添加量、添加方式都不尽合理，为后续的过滤、滤饼含湿带来隐患。

4)机制砂生产过程中破碎、清洗工序都需要消耗大量的水资源。据调查，原料处理量在800t/d的情况下耗水量可高达2500t/d，生产下游会排出大量的含泥污水，后处理压力大；洗砂工序的设置需要优化，以提高洗砂的效果及节省用水。

5)目前机制砂生产厂家大部分采用落后的分离设备，分离效率低、能耗大。对于污泥的进一步干化，有的厂家采用压榨隔膜压滤机，有的厂家采用带式压榨过滤机。如何正确地选型、改进结构、优化操作，使之成为高效、处理量更大、节能、滤饼更干、滤液更清、劳动条件更好的分离设备，是需要解决的问题。

6)砂石露天式的破碎及筛分过程会产生大量的粉尘颗粒，由于颗粒细小，长期悬浮在空气中难以沉降，对人体健康和空气质量造成极大的危害。研究表明，颗粒污染物已成为影响环境的主要问题之一，应在机制砂生产线上采用高效的除尘技术及设备。上述问题的解决是优质机制砂清洁生产的保证。

3 机制砂清洁生产方法及优质化的思考

从中国的清洁生产历程可知，早在20世纪90年代各地都在提倡“预防为主，防治结合”、“采用无废少废工艺”，但实施力度不够。目前污染防治工作主要还是依靠“末端治理”，即三废处理咱4暂。据报道，相比污染后再采取措施治理，在生产中进行污染防治可以大大提高经济效益。如日本若不采取措施直接排放硫氧化物，对造成的空气污染进行治理所需投入的资金是预防费用的10倍。清洁生产对液固、气固的分离技术有新的要求，如采用无毒、无害的原料和辅料，避免造成环境污染或二次污染；采用资源利用率高、污染物产生少的工艺技术，确保工艺过程节能降耗、绿色高效；采用集成工艺解决难过滤物料的过滤与分离；对生产过程产生的废物、废水和余热等进行回收或综合利用。机制砂产品质量主要受破碎机、筛分机、洗砂机及旋流器的精度和效率的影响。颚式破碎机基于挤压破碎原理常用于粗碎；圆锥破碎机则用于中碎；反击式或冲击式破碎机是典型的制砂机，因得到机制砂粒型较好、排料粒度大小可调、灵活性好，常用于细碎。振动筛是生产线上常用的筛分设备，正确选择和合理配置筛孔形状、尺寸及筛面倾角可以确保筛分效果，保证生产效率。另一个对砂石品质起重要作用的工序是洗砂过程，洗砂机采用水洗的方式去除砂石中的杂质及泥粉，减少含泥量，确保砂石品质。洗砂工序设置在何处才能做到更有效，既能提高洗涤效果又能节水，并能保证最终能够得到合格的优质机制砂是值得思考的问题。

4 优质机制砂清洁生产方法探讨

机制砂生产行业为中国基础设施建设提供基料，市场需求带动生产。据报道，2013年中国处在运行状态的机制砂石生产线总价值高达300亿元。无预防措施的生产所带来的环境问题不容忽视，尤其体现在不被重视的后处理过程中。因此，亟需推进机制砂的清洁生产，在源头解决机制砂生产过程中可能带来的大气及水污染问题，确保过程节能环保、产品质量稳定、水回用率高，减少废弃物排放，提高资源的综合利用率。

1)污泥强化过滤技术及回用。过滤与分离技术是当今各个工业领域与新发展的科技领域中不可或缺的科学技术，在机制砂生产过程中也是必不可少的。因此，针对机制砂生产污水中泥粉多、固体颗粒小、处理量大、处理难度大的现状，考虑采用预处理使颗粒聚集形成较大的颗粒物初步沉淀，以便于后续的水处理及回收。

机制砂污水中固体颗粒细小，可采用凝聚或絮凝的方法来强化其过滤过程。如对某机制砂生产厂污水取样，采用Analysette22激光粒度仪对污水中颗粒的粒度分布进行测定，颗粒的平均粒径为6.185μm，小于3μm的颗粒占30%以上，采用JS94H微电泳仪测定颗粒表面的Zeta电位为-77.28mV。针对机制砂污水中固体颗粒物性，可采用加入某种电解质，减小或消除固体颗粒表面电荷，减小颗粒之间排斥力，从而使粒子之间相互靠近，形成团聚(凝聚）；或者加入具有较长线性结构的高分子化合物，这些高分子化合物在水中溶解、充分伸展，长链上多个活性基团可同时黏附多个颗粒，使颗粒之间相互靠近，形成较大的絮团(絮凝)，达到强化过滤与分离的目的。絮凝剂和凝聚剂的种类繁多，根据物料的性能、颗粒大小、密度、黏度、颗粒带电性等结合具体实验选择合适的药剂及添加量。当絮凝剂用量过大时，颗粒表面为絮凝剂分子所饱和而不再有吸附空位，高分子絮凝剂不仅起不了架桥作用，反而因位阻效应使颗粒稳定分散。絮凝过程的操作条件也是重要的影响因素，如强烈或长时间搅拌会使絮团破裂，伸向溶液的絮凝剂分子的另一部分会在原吸附颗粒表面的其他部分吸附，使颗粒重新分散。泥饼及废水回用要考虑残留凝聚剂、絮凝剂的影响。无机金属盐类凝聚剂的添加量可达泥浆中固含量的30%~40%，绝大部分凝聚剂皆沉在泥饼中。虽然铝盐及铁盐不具有生物剧毒性，但是市场上供应的凝聚剂常是廉价的工业副产品，常夹杂许多各类重金属(如铬），给后续处理带来困难。此外，如澄清操作后凝聚剂亦会有部分残留于澄清液中，对饮用者的健康有潜在威胁。虽然高分子絮凝剂在污泥中的添加比例非常少，但是脱水后的滤饼中残留的絮凝剂比例可能会增加到1%~5%，残留絮凝剂会对后续处理包括弃置、焚烧、堆肥等造成影响。日本的研究发现，脱水后的污泥滤饼虽然可以混入瓷砖原料中，但是滤饼中残留的高分子絮凝剂会降低瓷砖的强度，有碍污泥的资源化效果。一般阳离子高分子生物降解产物具有较高的毒性，由于无法确定高分子絮凝剂对人体及环境的长远影响，因此建议采用其他的替代品进行处理。

2)高效沉降设备选用。沉降处理一般采用重力沉降或离心沉降。重力沉降是利用颗粒与流体的密度差使之发生相对运动而达到沉降的目的，沉降速率低、分离效果差，工艺条件需要和允许时可添加絮凝剂或凝聚剂。离心沉降是在离心惯性力作用下进行的沉降分离过程，在离心力作用下固体(或液体)颗粒质点在旋转时受到的作用力可以成百或成万倍地大于重力，因此对于那些在重力场中不能分离的微粒和乳浊液将特别有效。用于离心沉降的装置一般分为器身固定的（悬浮液在器身内旋转，如旋流器)和机身旋转的（由机身带动悬浮液在机内旋转的各种沉降离心机)。旋流器无转动部件，液流的旋转是悬浮液导入切向进口时产生的。由于旋流器性能可靠且价格低廉，因此它在分离和分级过程中都得到广范应用，在分离过程中主要用于增浓操作。如何根据物料性质及生产要求正确选择旋流器(组)及确定合理的操作条件是关键。

3)高效节能压榨设备及优化操作技术的应用。预处理过程结束后，上层清水可以直接回用，下层泥浆由于含水量很高无法直接利用，需要进行过滤分离。由于泥浆处理量大，通常采用大型过滤设备来实现液固分离，得到的水可重复用于机制砂生产，泥饼可作为建筑材料用于烧砖等。

目前的生产及环保要求过滤设备不仅处理量要大，而且要有压榨功能，可以实现深度脱水，确保得到的滤饼更干，同时保证设备节能降耗。常用的加压过滤机已经从单一型式的压滤机逐渐发展到板框压滤机、厢式压滤机及隔膜压榨过滤机，后者是一种能耗低、脱液效果好的设备。据报道：常用加压过滤机的能耗只有热力脱液(如干燥）的1/20左右，经机械隔膜压榨后滤饼的湿含量与常用压滤机相比可再降低5%~20%，如果压榨过滤后滤饼的含水量降低3%(如由30%下降为27%)，则可使干燥设备的处理能力由10.0t/h(干固）提高到11.5t/h(干固）。但如何从不同物料的特性出发，根据其脱水机理和可压缩系数、孔隙率等宏观、微观因素科学地改进设备，并确定合理的操作压力、压榨压力和操作点(过滤结束及压榨开始交替点），进而在最短的时间内得到最大的处理量、最干的固相，需要结合具体物料开展实验研究。目前，笔者在几个机制砂生产厂采用隔膜压榨过滤机对泥浆进行深度脱水处理，取得了一批实验数据用于指导生产。考虑到机制砂生产中泥浆产量大，结合泥浆的特性可以对隔膜压榨过滤机的结构进行改进，同时对生产工艺进行改进。可通过提高压滤机的过滤压力以提升过滤效果，进而提高卸饼效率；可通过提高设备的自动化程度，使其具备故障自诊断功能，及时监控生产过程，确保系统安全、可靠运行，同时减少人力投入。在工艺方面，可采用优化压榨工艺暂缩短工艺处理时间，提高生产效率，降低液固分离后固相的含水率，使排出的泥饼可直接使用。

4)高效气体除尘技术的应用。机制砂生产中固体物质的粉碎、筛分、输送、爆破等机械过程会产生大量的粉尘，粒度大的颗粒会逐渐沉降，粒径小的颗粒沉降慢、波及面大，长期悬浮在空气中，对人体健康和空气质量造成极大危害，这就是通常所称的颗粒污染物。随着国家对环保要求越来越严格，亟需开展机制砂生产线除尘工艺研究，将高效气体除尘技术应用到机制砂生产过程中，通过高效集成除尘系统的分级分离实现气体净化，减少或避免颗粒污染物直接排放。

5 结束语

在调研、取样分析、试验对比和可行性试验研究基础上，对优质机制砂生产过程中存在的问题进行了全面分析。根据产生的污水量大以及泥粉颗粒小、沉降慢等特性，提出采用科学的预处理方法和高效的固液分离技术，节约用水并提高洗砂效果曰采用自动化程度高、处理量大的有压榨功能的隔膜压榨过滤机进行液固分离，确保脱水效果好、用时短、效率高，且得到的滤饼含固量低曰针对破碎或筛分过程产生的大量粉尘，采用高效气体除尘技术进行处理。各种工艺过程的改进和系统完善方法在机制砂生产过程中的应用，既可以解决环境污染问题，又提高了资源利用率，符合优质机制砂清洁生产要求，在机制砂生产行业大力推广应用后，必将带动行业的绿色健康发展。