工程廢棄泥漿處理與再利用技術(shù)研究

梁志豪 唐健娟

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州510507)

在樁基、盾構(gòu)、地下連續(xù)墻等工程施工中需要制備顆粒細(xì)、黏度大、穩(wěn)定性良好的工程泥漿，這種泥漿是施工過程中不可缺少的一部分，泥漿的性能甚至直接影響施工的質(zhì)量。但這種性能優(yōu)異的工程泥漿在施工完成后便失去了使用價(jià)值，轉(zhuǎn)而成為負(fù)擔(dān)。正是由于其具有較好的穩(wěn)定性，自然沉降分離需要極長的時(shí)間，而不經(jīng)處理隨意排放會造成嚴(yán)重環(huán)境污染。由于這樣的矛盾所在，如何經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)工程廢棄泥漿的處理與再利用成為值得研究的方向。

1 工程泥漿的性質(zhì)與作用

工程泥漿是指在建筑工程、隧道工程、基礎(chǔ)工程等建設(shè)過程中配制與使用的泥水混合物。

工程泥漿主要由水、膨潤土、黏性土以及外加劑配制而成，表現(xiàn)為懸濁與膠體的混合液。不同規(guī)范中對于工程泥漿的指標(biāo)要求在數(shù)值上略有差異，但大致要求如下：相對密度＜1.25，黏度17～22S，含砂率2%～8%，膠體率≥90%[1～2]，只有滿足上述要求的泥漿才可作為工程泥漿使用。

工程泥漿一般具有以下性質(zhì)：（1）黏度較大，組成的顆粒細(xì)小且顆粒級配單一，水分含量在75%以上且非常難脫去，自然風(fēng)干過程緩慢，干結(jié)生成物遇水浸濕后易再度恢復(fù)為原狀態(tài)；（2）膠體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不經(jīng)外力作用能保持?jǐn)?shù)月不分層，由于在制漿過程中加入了較多外加劑，導(dǎo)致泥漿中重金屬等化學(xué)成分超出國家排放標(biāo)準(zhǔn)，自然排放會對土壤與植被造成較大的破壞。

工程泥漿在施工中的主要作用有：（1）潤滑冷卻：由于工程泥漿顆粒細(xì)膩，因此能夠在鉆進(jìn)或掘進(jìn)作業(yè)中充當(dāng)潤滑劑的作用，并且兼有冷卻鉆頭或刀頭，保證施工連續(xù)快速進(jìn)行的作用；（2）清孔排渣：施工過程中，泥漿通過管道不斷在制漿池- 工作池- 沉淀池中循環(huán)，借助泥漿的浮力以及泥漿循環(huán)可以帶出孔底積攢的土砂；（3）泥漿護(hù)壁：在鉆孔和掘進(jìn)工程施工中，泥漿能夠平衡孔中或是掘進(jìn)面的土壓力，在孔壁或是開挖掌子面形成泥膜，防止塌方[3]。

2 工程廢棄泥漿處理現(xiàn)狀

工程泥漿在施工完成后或不能滿足使用要求后就需要廢棄處理。目前，工程廢棄泥漿的常用處理方式是槽罐車外運(yùn)和現(xiàn)場沉淀干燥。泥漿外運(yùn)方式，由于工程泥漿產(chǎn)生量大，含水率高，實(shí)際運(yùn)出的75%左右是水，處理成本高、效率低。并且，大噸位的槽罐車對市政道路及橋梁是一種嚴(yán)重的安全隱患，容易引發(fā)各類交通事故。此外，泥漿運(yùn)輸過程中容易發(fā)生灑漏造成環(huán)境污染，為了提高市容市貌，多數(shù)城市的主要路段都已禁止槽罐車、渣土車等大型工程車輛的通行，這給泥漿外運(yùn)帶來了新的難題，對工程進(jìn)度造成較大的影響。現(xiàn)場沉淀干燥，存放大量的廢棄泥漿需要占用大片的土地，修建大面積泥漿沉降池需要額外增加征地費(fèi)用。由于工程泥漿性質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，自然沉降耗費(fèi)時(shí)間極長，不及時(shí)處理將影響工程總體工期，此外，大面積的沉降池會對施工環(huán)境造成不良影響，破壞工地整潔環(huán)境并且給施工人員帶來安全隱患。正是由于目前并無較好的工程廢棄泥漿處理方式，常規(guī)處理方式成本高、效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，導(dǎo)致工程廢棄泥漿直接填埋或偷排現(xiàn)象屢禁不止，但工程廢棄泥漿不經(jīng)處理直接填埋將對附近土壤和植被造成嚴(yán)重破壞，并且會給場地后期開發(fā)帶來隱患；偷排入河道或市政管網(wǎng)，將導(dǎo)致河道的嚴(yán)重污染及市政管網(wǎng)的堵塞甚至功能性破壞，帶來嚴(yán)重的社會和環(huán)境問題。

3 國內(nèi)外對工程廢棄泥漿提出的處理措施

目前國內(nèi)外研究者們對工程廢棄泥漿提出了許多處理措施，綜合而言，其重點(diǎn)與難點(diǎn)都在于工泥漿的脫水處理：需要保證分離后的泥漿上清液能夠滿足國家排放要求，并且處理成本要控制在可接受范圍內(nèi)。工程廢棄泥漿脫水處理方式主要分為蒸發(fā)脫水、絮凝脫水、離心脫水與過濾脫水：

3.1 蒸發(fā)脫水，方法為將工程廢棄泥漿運(yùn)至郊外荒地或者干化場上攤鋪成薄層，泥漿所含水分一部分自然蒸發(fā)，一部分則滲入土壤或通過濾水層收集排走。該處理方式優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能經(jīng)濟(jì)，在氣候干燥、土地資源不緊張的地方有較好的適用性；缺點(diǎn)是處理效率低下，處理周期較長，需要占用大面積土地。

3.2 絮凝脫水，主要分為化學(xué)絮凝和物理絮凝兩種方式：化學(xué)絮凝的原理是在工程廢棄泥漿中加入絮凝劑生成特定化學(xué)結(jié)構(gòu)，吸附土顆粒以破壞工程泥漿的膠體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；物理絮凝的原理是通過加入表面活性劑或通過加熱等方式改變工程廢棄泥漿土顆粒的表面張力，破壞雙電層結(jié)構(gòu)，加速工程廢棄泥漿固液分離過程。絮凝脫水在污水處理中已被證實(shí)是一種較有效的預(yù)處理方法，具有便捷高效的優(yōu)點(diǎn)。師雯潔等[4]研究了不同絮凝劑種類與用量、不同攪拌時(shí)間和不同攪拌速度的脫水效果，試驗(yàn)得出使用聚丙烯酰胺與粉煤灰以1:1 混合作為絮凝劑，在50ml泥漿中加入0.03g 絮凝劑，攪拌時(shí)間240～270s，攪拌速度400～450r/min 時(shí)處理效果最佳，具有參考價(jià)值。徐佩佩[5]對聚丙烯酰胺溶液的絮凝效果進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果顯示使用分子量在1400 萬～1600 萬的陰離子聚丙烯酰胺（APAM），在每250ml 泥漿中加入25ml 左右濃度為0.25%～0.27%的APAM 溶液時(shí)絮凝效果最好。喬魏等[6]研究表明對泥漿進(jìn)行170℃微波加熱處理1min 后，可使泥漿懸浮物降低40%，與堿液配合使用時(shí)效果更佳。日本學(xué)者Namioka 等[7]研究得出泥漿脫水效果與加熱溫度間的關(guān)系：溫度在473K 以下時(shí)，泥餅中水分含量與處理溫度呈負(fù)相關(guān)，處理溫度高于473K 時(shí)泥餅中水分含量變化不明顯，保持在50%左右。目前絮凝脫水主要是采用添加化學(xué)試劑的方法，依靠與泥漿發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)工程廢棄泥漿固液分離。這導(dǎo)致絮凝脫水的脫水效果并不穩(wěn)定，絮凝效果取決于所用試劑的性能與分散效果。因此，絮凝脫水更多作為一種預(yù)處理方法進(jìn)行使用。

3.3 離心脫水，即通過機(jī)械設(shè)備離心作用實(shí)現(xiàn)工程廢棄泥漿固液分離，該方法具有工作穩(wěn)定可靠、操作簡便、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)而被各國普遍采用。通常，只進(jìn)行離心脫水處理得到的泥漿分離上清液仍含有較多的微小懸浮顆粒，該缺陷是由機(jī)械離心的工作原理決定的，為了達(dá)到更好的脫水效果離心脫水常與其他脫水方式配合使用。徐佩佩[5]通過對含水量為80%的泥漿進(jìn)行離心脫水試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示離心機(jī)轉(zhuǎn)速在3200r/min時(shí)泥漿脫水效果較好，脫水后泥餅含水量約為44%，若添加陰離子聚丙烯酰胺（APAM）對泥漿進(jìn)行預(yù)處理后離心脫水效果能提升約10%。

3.4 過濾脫水，過濾脫水的工作原理是通過濾布隔離泥漿中的泥沙顆粒從而實(shí)現(xiàn)工程廢棄泥漿固液分離，目前較為成熟的技術(shù)為壓濾脫水技術(shù)，其具有脫水效率高、泥餅含水率低、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。趙靜文等[8]研究改良出一種適用于市政工程的可移動式泥漿處理設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)真空自吸與二次壓榨并解決了入料口易堵塞的問題，其處理后的泥餅含水率約在35%，處理效果較好。但是，過濾脫水亦存在明顯的缺點(diǎn)，由于需要頻繁地對濾布進(jìn)行清洗更換，導(dǎo)致過濾脫水設(shè)備不能夠連續(xù)工作。

4 工程廢棄泥漿的再利用研究

由上述研究可知，工程廢棄泥漿脫水處理難以兼顧效果與成本，這正是工程廢棄泥漿難以實(shí)現(xiàn)利用的癥結(jié)所在。目前，新興了一種基槽回填材料——預(yù)拌流態(tài)固化土，能解決在各類工程基槽回填施工過程中基槽回填空間狹窄、回填深度較大，難以使用機(jī)械施工的問題。預(yù)拌流態(tài)固化土具有高流動性、免壓實(shí)、強(qiáng)度可控、取材方便的特點(diǎn)，使用這種材料進(jìn)行基槽回填能夠很好地避免上述問題的發(fā)生[11]。預(yù)拌流態(tài)固化土主要成分主要包括土、水泥、砂、外加劑與水，預(yù)拌流態(tài)固化土基槽回填施工工藝如下圖1 所示：

圖1 預(yù)拌流態(tài)固化土基槽回填施工工藝

預(yù)拌流態(tài)固化土添加外加劑是為了使土顆粒均勻分散，以便與水泥更好地混合，從而形成性能穩(wěn)定的固化土拌和物[12]。工程廢棄泥漿正是具備顆粒均勻分散，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此可以嘗試直接使用工程廢棄泥漿替代上圖中虛線框內(nèi)工藝步驟，以達(dá)到不經(jīng)脫水對工程廢棄泥漿直接利用的目的。

5 結(jié)論

工程廢棄泥漿的處理已成為工程施工中不可避開的難題，但目前并未建立相應(yīng)的規(guī)程或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此各個(gè)地區(qū)應(yīng)結(jié)合本地工程的實(shí)際情況，綜合考慮不同方法優(yōu)缺點(diǎn)選擇合適的處理方法。隨著人們環(huán)保意識的提升，尋求一種經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、高效的工程廢棄泥漿處理方法的需求已日漸緊迫，本文提出對工程廢棄泥漿直接回收利用以制備預(yù)拌流態(tài)固化土的設(shè)想，但其實(shí)際應(yīng)用效果還需工程驗(yàn)證，希望該方法能夠?yàn)楣こ虖U棄泥漿的處理與再利用提供新的解決思路。