新型市政工程用移動(dòng)式泥漿處理設(shè)備的設(shè)計(jì)

趙靜文

（中鐵四局集團(tuán)管理研究院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

近年來各大中型城市爭(zhēng)相開展城市地鐵、房地產(chǎn)等的建設(shè)，而建設(shè)中所產(chǎn)生的泥漿會(huì)對(duì)城市市容、基本農(nóng)田以及地下水等造成污染。建筑泥漿主要由以下幾類工程產(chǎn)生：鉆孔樁基施工泥漿由旋挖鉆機(jī)、正反循環(huán)鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)等鉆進(jìn)成孔施工方式產(chǎn)生；地下連續(xù)墻施工泥漿由連續(xù)墻、雙輪銑等設(shè)備成槽施工方式產(chǎn)生；泥水盾構(gòu)施工泥漿由泥水平衡盾構(gòu)成隧施工產(chǎn)生；非開挖施工泥漿由水平定向鉆及泥水頂管施工產(chǎn)生［1-3］。

建筑泥漿由液體和黏土組成，輔以添加劑，主要起保護(hù)孔壁、攜帶鉆渣出孔的作用。鉆進(jìn)過程中，由于鉆渣不斷進(jìn)入到泥漿中，泥漿的比重、黏度、含沙量等發(fā)生變化，不能滿足泥漿性能的要求，必須對(duì)其進(jìn)行凈化，即固液分離后再將泥漿中的鉆渣分離循環(huán)使用［4-6］。目前，在地下連續(xù)墻及樁基施工的作業(yè)循環(huán)中及結(jié)束后會(huì)產(chǎn)生大量廢棄泥漿，廢泥漿中含有蒙脫石等黏土礦物和巖屑，稠度大，既不能直接排放，又難以在短時(shí)間內(nèi)自然沉降。若不及時(shí)處理，不但影響施工，而且會(huì)造成環(huán)境污染或水質(zhì)污染等二次公害，如廢泥漿自然狀態(tài)下難以降解，會(huì)造成周邊地區(qū)土壤板結(jié)，土地鹽堿化，植被大量破壞；廢泥漿長(zhǎng)期累積滲透到地表下水層或隨雨水外溢流入江河小溪，污染水源，危害人民身體健康；廢泥漿堆積在施工工地周圍，占用大量耕地或草地，使占用的土地失去使用價(jià)值，成為新的污染源［7-11］。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)廢棄泥漿處理的研究日益增多，主要處理方法有化學(xué)固化處理法、土地耕作處理法、固液分離處理法等［12-15］。其中，固液分離處理法工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的清水可以直接排放，排出的干泥可以就地填埋，特別適用于市政地鐵項(xiàng)目鉆孔泥漿的處理。本文在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上對(duì)國(guó)內(nèi)固液分離泥漿處理設(shè)備進(jìn)行綜述，同時(shí)設(shè)計(jì)一款新型移動(dòng)式泥漿處理設(shè)備。

1 國(guó)內(nèi)常見的泥漿處理設(shè)備

目前采用固液分離法處理泥漿的機(jī)械設(shè)備主要有振動(dòng)篩、旋流泥漿凈化器、臥式螺旋離心機(jī)等［16-17］。

1.1 振動(dòng)篩

振動(dòng)篩是利用高頻振動(dòng)作用將流經(jīng)篩布上的泥漿中的固體顆粒分離。振動(dòng)篩的篩布有多種孔眼型號(hào)，一般使用100目（可分離粒徑0.15mm以上的顆粒）或更粗的篩布，使用最密的篩布為200目。振動(dòng)篩一般設(shè)置在處理工藝的最前端，主要用來處理大顆粒固相。

1.2 旋流泥漿凈化器

用泵將泥漿送入旋流器后，泥漿會(huì)受到旋流器形狀限制而產(chǎn)生高速旋流，在離心力的作用下，比液體密度高的固相會(huì)靠向筒壁，而密度相對(duì)較低的液體則在筒的中間，這樣就可以將較粗的顆粒從泥漿中分離出來。旋流泥漿凈化器解決了現(xiàn)場(chǎng)泥漿的循環(huán)使用問題，提高了泥漿循環(huán)效率，節(jié)約了成本，但沒有解決廢棄泥漿的處理問題。

1.3 臥式螺旋離心機(jī)

離心機(jī)是惟一能去除固相顆粒表面自由液體的固液分離裝置。離心機(jī)的轉(zhuǎn)速越大，能分離出來的固相顆粒粒徑越小，當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 200r·min-1時(shí)，可分離出的最小粒徑為2μm。離心機(jī)一般設(shè)置在處理工藝的末端，主要用來處理小顆粒固相。依據(jù)泥漿中固相物質(zhì)的顆粒大小和粒徑級(jí)配，考慮處理后泥漿的性能要求，可選擇不同的處理工藝，但須按照先處理大顆粒物質(zhì)、后處理小顆粒物質(zhì)的順序進(jìn)行處理［18-19］。

由于臥式螺旋離心機(jī)的工作原理是利用質(zhì)量差產(chǎn)生的離心力進(jìn)行固液分離，所以必須要對(duì)泥漿進(jìn)行預(yù)處理，即加入絮凝劑破壞泥漿的膠體結(jié)構(gòu)，形成內(nèi)部物質(zhì)之間的質(zhì)量差。由于絮凝劑種類繁多（陰離子、陽離子、有機(jī)絮凝劑等三大類約30種類型），每一種對(duì)應(yīng)的土質(zhì)效果都不盡相同，且絮凝劑價(jià)格較高，一般每噸為20 000元，預(yù)處理的使用量也較大，約為5kg·m-3；所以臥式離心機(jī)的使用成本較高，不利于推廣。

2 新型移動(dòng)式泥漿處理設(shè)備的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

本設(shè)備主要結(jié)構(gòu)部件包括篩網(wǎng)過濾頭、渣漿泵、真空罐、閥門、水力旋流器、隔膜式壓濾機(jī)、壓榨系統(tǒng)、反吹系統(tǒng)、自動(dòng)拉板系統(tǒng)、皮帶機(jī)。具體工作流程如下：首先在真空罐中充滿清水，由操作人員開啟渣漿泵啟動(dòng)按鈕，真空罐中的引水被抽空，從而使真空罐中產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)壓力足夠大時(shí)泥漿池中的泥漿被自動(dòng)吸入真空罐中，實(shí)現(xiàn)泥漿的持續(xù)自吸入；當(dāng)需要循環(huán)使用泥漿時(shí)，開啟水力旋流器閥門入口，泥漿中粒徑較大的砂石等固體顆粒物被過濾，得到比重約1.08的純泥漿，即可重復(fù)循環(huán)使用；當(dāng)關(guān)閉旋流器閥門、啟動(dòng)隔膜壓濾機(jī)閥門時(shí)，泥漿通過隔膜壓濾機(jī)中心孔道向各濾室給料，泥漿在各濾室內(nèi)通過濾布進(jìn)行過濾，過濾出的清水通過出料口排出到清水池中，而固體顆粒物則在濾布上不斷沉積；工作一段時(shí)間后，濾布上濾餅達(dá)到一定厚度時(shí)，壓榨泵啟動(dòng)，由過濾過程自動(dòng)轉(zhuǎn)入壓榨過程，同時(shí)停止給料；高壓壓榨泵將壓榨水箱中的壓榨水送入到隔膜板中，隔膜板彈性內(nèi)板鼓起，與已形成的濾餅均勻擠壓，使濾布上泥餅的水分進(jìn)一步降低；壓榨結(jié)束后，壓榨泵停止，壓榨水回流到水箱，再用空壓機(jī)壓縮空氣吹出殘留在中心孔道中的泥漿；啟動(dòng)自動(dòng)拉板系統(tǒng)，濾板被一塊塊依次拉開，濾餅與濾布脫離后掉落到底部的皮帶機(jī)上，皮帶機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，帶動(dòng)泥餅排出到設(shè)備前端事先挖好的泥坑中，用裝載機(jī)鏟走；然后清理濾布，啟動(dòng)下一循環(huán)，泥漿處理工作完成。

本套設(shè)備的核心是壓濾技術(shù)。壓濾技術(shù)起源于歐洲，在德國(guó)、英國(guó)被廣泛應(yīng)用在石油行業(yè)、采礦業(yè)、煤炭工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)療業(yè)。經(jīng)過上百年的發(fā)展，壓濾技術(shù)不斷進(jìn)步，作為固液分離技術(shù)，它具有分離效果好、適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，特別對(duì)于黏細(xì)混合液的分離有獨(dú)特的優(yōu)越性。與其他技術(shù)相比，壓濾技術(shù)有以下特點(diǎn)：?jiǎn)挝贿^濾面積占地少；對(duì)物料適應(yīng)性強(qiáng)；過濾面積選擇廣；過濾壓力高，濾餅含水率低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，故障少，保養(yǎng)方便；濾餅過濾可得到澄清的濾液，固相回收率高；過濾操作穩(wěn)定，沒有噪聲。

2.2 設(shè)計(jì)方案

2.2.1 整體式框架

為了不超過高速公路運(yùn)輸限制以及方便轉(zhuǎn)場(chǎng)，本設(shè)備整體尺寸設(shè)計(jì)為9.6m×3m×2.5m，整體式框架采用100mm×100mm的槽鋼焊接而成，主要起連接各功能部件及方便吊裝的作用，框架外圍設(shè)有方便工作人員走行的鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)走道，頂部設(shè)有防曬、防雨棚。

2.2.2 真空自吸裝置

真空自吸裝置包括真空罐和渣漿泵。

（1）真空罐?？紤]到將泥漿池中的泥漿吸上來的壓力，所以真空罐的容積設(shè)置為700L，同時(shí)頂部設(shè)置有補(bǔ)水口和排氣口，底部設(shè)置有排污口。

（2）渣漿泵。渣漿泵既要保證工作時(shí)的過濾壓力（8bar），又要考慮入料的效率問題，故選擇揚(yáng)程為80m、流量為100m3·h-1的離心泵。

本設(shè)備壓緊機(jī)構(gòu)由液壓泵站、油缸、壓緊板及電壓力表組成。

（1）油缸?？紤]到正常工作時(shí)過濾壓力為8bar，油缸壓緊壓力應(yīng)在12～20bar；所以采用Φ350油缸。

（2）電接點(diǎn)壓力表。液壓油缸壓緊時(shí)，當(dāng)壓緊力大于壓力傳感器設(shè)定值（16bar）時(shí)，溢流閥開始卸載，切斷液壓電機(jī)電源，壓緊動(dòng)作完成。當(dāng)壓緊力達(dá)到壓力表下限時(shí)，油缸電機(jī)啟動(dòng)，油泵供油，以此保證過濾過程中的油缸持續(xù)壓緊。

2.2.4 過濾機(jī)構(gòu)

過濾機(jī)構(gòu)由隔膜式濾板、濾布組成。

（1）過濾方式。過濾方式有明流出液和暗流出液2種，為保證設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊和操作過程中設(shè)備的整潔，本設(shè)備采用暗流出液方式，在每個(gè)過濾板四角處開出液圓孔，在設(shè)備尾部用管道將4個(gè)出液口連通在一起。

（2）濾布。濾布是主要的過濾介質(zhì)，濾布的選擇和使用對(duì)過濾效果有決定性的作用，要根據(jù)過濾物料的pH值、固體粒徑、含砂率等因素選用合適的濾布材料，以實(shí)現(xiàn)較低的過濾成本和較高的過濾效率，使用過程中要保證濾布平整不打皺。由于建筑泥漿主要呈堿性，并考慮脫餅和效率問題，本設(shè)備采用錦綸單絲濾布，透氣率為800L·m-2·s-1。

2.2.5 壓榨機(jī)構(gòu)

二是高端核心芯片基本依賴進(jìn)口。高端芯片是集成電路產(chǎn)業(yè)的核心產(chǎn)品，高端芯片制造是整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。西方發(fā)達(dá)國(guó)家為了實(shí)現(xiàn)對(duì)該核心產(chǎn)品的長(zhǎng)期控制和價(jià)值索取，為達(dá)到對(duì)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和核心競(jìng)爭(zhēng)力提升嚴(yán)重制約的目的，對(duì)出口到中國(guó)的先進(jìn)制造裝備、材料和工藝引進(jìn)等進(jìn)行嚴(yán)格的審查和限制，實(shí)行長(zhǎng)期封鎖和控制。

壓榨機(jī)構(gòu)由壓榨泵、壓榨水箱、壓榨細(xì)管組成。

（1）壓榨泵。綜合比較壓榨力對(duì)泥餅含水率的影響及目前市場(chǎng)上壓榨板的成本，選擇耐壓12bar的隔膜壓榨板，壓榨泵工作壓力設(shè)置在8bar；壓力表上限值設(shè)置在10bar。

（2）壓榨水箱。工作時(shí)的耗水量約在3.5m3，因此設(shè)置壓榨水箱容積為4m3。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)

（1）產(chǎn)品建模。根據(jù)設(shè)計(jì)方案對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，繪制三維圖，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品建模

（2）工藝設(shè)計(jì)。建立泥漿最終處理的工藝流程，如圖2所示。

圖2 混漿處理工藝流程

3 工程應(yīng)用及分析評(píng)價(jià)

3.1 工程應(yīng)用情況

該課題依托項(xiàng)目為濟(jì)南市軌道交通R2線一期土建工程施工六標(biāo)段（圖3）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，該工程主要采用地下連續(xù)墻施工工藝，其中一個(gè)槽使用200～300m3泥漿（考慮到富余量，一般為400 m3），作業(yè)中一般泥漿循環(huán)使用4～6次，一個(gè)槽使用的泥漿經(jīng)過循環(huán)之后最終要產(chǎn)生的廢棄泥漿約55m3，后期作業(yè)面全開之后可能有3～4個(gè)槽同時(shí)進(jìn)行施工。設(shè)備根據(jù)施工時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的泥漿處理。

圖3 泥漿處理現(xiàn)場(chǎng)

根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，廢棄泥漿處理量為55～220 m3·次-1，處理時(shí)間為24h。取日廢棄泥漿處理量平均值為140m3。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，本設(shè)備的應(yīng)用良好，平穩(wěn)運(yùn)行后基本實(shí)現(xiàn)2h一個(gè)流程，每個(gè)流程處理泥漿20m3，處理后排出清水和固態(tài)的泥餅如圖4、5所示，泥餅含水率約為35%左右。

圖4 排出的清水

圖5 排出的泥餅

3.2 影響處理效果的因素

（1）影響泥餅厚度的因素。根據(jù)處理情況可知，在進(jìn)料泥漿濃度固定的情況下，干濾餅的厚度與壓濾時(shí)間成正比關(guān)系，但當(dāng)壓濾時(shí)間達(dá)到45min后，泥餅厚度增加不明顯。

（2）影響泥餅含水率的因素。泥餅的含水量與壓榨壓力有關(guān)，壓榨壓力越大，含水率越低，同時(shí)通過試驗(yàn)可確定壓榨時(shí)間宜控制在30min左右。

3.3 入料口優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)際處理中，發(fā)現(xiàn)設(shè)備入料口經(jīng)常發(fā)生堵頭現(xiàn)象（圖6），故對(duì)入料口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖7），以解決高濃度泥漿情況下的入料口堵塞問題。

圖6 入料口堵塞

圖7 入料口過濾器設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.4 分析評(píng)價(jià)

3.4.1 泥漿處理量計(jì)算

（1）單循環(huán)泥漿處理量?，F(xiàn)場(chǎng)泥漿池尺寸為3m×6m，單循環(huán)泥漿池液面下降為40cm，單循環(huán)泥漿處理量約為7.2m3。

（2）單循環(huán)排水量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)泥漿處理設(shè)備自帶的流量計(jì)可知：入料時(shí)最大排水量為10.9m3·h-1，最小排水量為1.2m3·h-1，入料時(shí)間1h，入料排水時(shí)間約50min；壓榨時(shí)最大排水量為2.2m3·h-1，最小排水量為1.0m3·h-1，壓榨時(shí)間30min，壓榨排水時(shí)間30min，如表1所示。

表1 單循環(huán)排水量

（3）單循環(huán)泥餅排放量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，泥餅尺寸為1m×1m，泥餅平均厚度為2.5cm，一個(gè)循環(huán)排出泥餅數(shù)量為59塊，單循環(huán)泥餅排放體積為1.48m3。

3.4.2 泥漿處理成本對(duì)比

（1）采用施工組織設(shè)計(jì)中的泥漿外運(yùn)方式的成本核算。根據(jù)項(xiàng)目部成本測(cè)算，采用專業(yè)槽罐車外運(yùn)統(tǒng)一處理，一輛槽罐車可運(yùn)輸25m3廢棄泥漿，1輛車運(yùn)輸單價(jià)約為每次2 000元，單位處理成本為80元·m-3。

（2）采用本設(shè)備的泥漿處理成本核算。經(jīng)初步測(cè)算，采用新設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)廢棄泥漿處理，設(shè)備整機(jī)功率約50kW，按7.2m3·h-1的效率處理廢棄泥漿，用時(shí)約2h，耗電100度，按工業(yè)用電電費(fèi)計(jì)算，一次工作用電費(fèi)用約為100元。泥水分離后，水可直接循環(huán)用于現(xiàn)場(chǎng)施工，干泥可利用渣土車外運(yùn)，渣土車外運(yùn)成本為40元·m-3，外運(yùn)費(fèi)用為59.2元。據(jù)此計(jì)算，采用新設(shè)備進(jìn)行廢棄泥漿處理的成本為22.1元·m-3。

綜上可知，使用本設(shè)備處理1m3泥漿的成本相對(duì)于外運(yùn)方式節(jié)約57.9元。

4 結(jié) 語

（1）本文對(duì)比重在1.08～1.32的黃土泥漿均進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)比重大于1.2的泥漿需要先進(jìn)行過濾預(yù)處理，去除其中的大顆粒砂石，否則極易堵塞入料口。采用篩網(wǎng)過濾器后未發(fā)生入料口堵塞情況，但有泥餅分層現(xiàn)象，原因是入料過程中泥漿的比重前后不一致，在過濾器中加入攪拌裝置后該問題得到了解決。

（2）采用二次壓榨及反吹技術(shù)后，泥餅含水率在35%左右，泥漿比重為1.08時(shí)，泥漿處理的壓縮比為9∶1左右。

（3）本文設(shè)計(jì)的設(shè)備占地25m2左右，需要提前做好場(chǎng)地硬化，對(duì)于泥漿池小且較為分散的情況，可考慮對(duì)設(shè)備進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，從而降低單臺(tái)設(shè)備成本，且更加便于轉(zhuǎn)場(chǎng)。