工程廢棄泥漿環(huán)保處置技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

夏新星 羅偉

摘 要：本文針對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外工程廢棄泥漿環(huán)保處置技術(shù)的發(fā)展，分析了工程廢棄泥漿的來源、組成和性質(zhì)，隨后詳細(xì)介紹了工程廢棄泥漿的環(huán)保處置技術(shù)和資源化利用技術(shù)，并提供了盾構(gòu)廢棄泥漿環(huán)保處置的典型案例。分析認(rèn)為，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，研制高效的泥漿調(diào)理劑、泥漿固化劑和泥漿處置設(shè)備對(duì)泥漿環(huán)保處置效率的提高和成本控制具有重要意義。

關(guān)鍵詞：廢棄泥漿;環(huán)保處置;固液分離;固化法

中圖分類號(hào)：X505文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）10-0089-03

Environmental Protection Disposal Technology of Engineering Waste Slurry and Its Application Status

XIA Xinxing1，2，3，4 LUO Wei1，2，3，4

（1. CCCC Second Harbor Engineering Company Ltd.，Wuhan Hubei 430040;2.Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology，Wuhan Hubei 430040;3. Research and Development Center of Transport Industry of Intelligent Manufacturing Technologies of Transport Infrastructure，Wuhan Hubei 430040;4. CCCC Highway Bridge National Engineering Research Centre Co. Ltd.，Wuhan Hubei 430040）

Abstract： This paper focused on the development of environmental protection disposal technology of engineering waste slurry at home and abroad. The source， composition and properties of the waste slurry were analyzed. Then， the environmental disposal technology and resource utilization technology of the waste slurry were introduced in detail， and a typical case of environmental protection disposal of the shield slurry was provided. According to the analysis， the development of efficient slurry conditioner， slurry curing agent and slurry disposal equipment is of great significance for the improvement of slurry environmental protection disposal efficiency and cost control.

Keywords： waste slurry;environmental protection disposal;solid liquid separation;solidification method

1 工程廢棄泥漿的來源及性質(zhì)

1.1 工程廢棄泥漿的來源

泥漿作為一種工程輔助施工材料，廣泛應(yīng)用于鉆孔灌注樁施工、盾構(gòu)掘進(jìn)施工和地下連續(xù)墻施工中，能夠起到鉆孔護(hù)壁、防止塌方、排出鉆渣、冷卻并潤(rùn)滑鉆頭或刀盤等作用。工程泥漿（渣土）按產(chǎn)生來源劃分，主要有以下幾類：第一，鉆孔樁基施工泥漿，即在旋挖鉆機(jī)、正反循環(huán)鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)等鉆進(jìn)成孔施工過程中產(chǎn)生的泥漿;第二，地下連續(xù)墻施工泥漿，主要由連續(xù)墻、雙輪銑等設(shè)備成槽施工方式產(chǎn)生的泥漿;第三，盾構(gòu)施工泥漿，包括泥水平衡盾構(gòu)成隧施工、土壓平衡盾構(gòu)成隧施工產(chǎn)生的泥漿;第四，非開挖施工泥漿，主要指水平定向鉆及泥水頂管施工產(chǎn)生的泥漿;第五，油氣鉆井廢棄泥漿，指油氣田勘探開發(fā)過程中鉆井作業(yè)產(chǎn)生的泥漿。

1.2 工程廢棄泥漿的性質(zhì)

廢棄泥漿是一種由水、膨潤(rùn)土顆粒、黏性土顆粒、鉆渣及外加劑組成的穩(wěn)定的懸濁體系[1]，具有以下基本性質(zhì)：第一，含水率高，水分占比在70%以上，包括間隙水、毛細(xì)結(jié)合水、吸附水和內(nèi)部水等多種形態(tài)，水分難以脫去，自然風(fēng)干緩慢;第二，黏度大，呈流體或者半流體狀態(tài);第三，固體顆粒以細(xì)顆粒為主，直徑在0.1～100 μm，難以自然沉淀分離;第四，污染物含量高，泥漿制造過程中須加入外加劑，外加劑中包含多種有機(jī)和無機(jī)成分，導(dǎo)致廢棄泥漿中的CODCr含量、表面化學(xué)活性劑及多種重金屬等有害物質(zhì)含量較高，隨意排放會(huì)造成環(huán)境污染。

2 工程廢棄泥漿環(huán)保處置技術(shù)

工程廢棄泥漿處理方法的選擇需要綜合考慮項(xiàng)目需求、施工現(xiàn)場(chǎng)條件、工期、成本等，尤其是現(xiàn)場(chǎng)泥漿特性。國(guó)內(nèi)外對(duì)廢棄泥漿有多種處理方法，包括固液分離法、固化處理法、MTC（Mud-to-Cement，鉆井液轉(zhuǎn)變成水泥漿）技術(shù)、坑內(nèi)填埋、注入安全地層或環(huán)形空間等。其中，固液分離法和固化處理法是目前應(yīng)用最為廣泛的處理方法。

2.1 固液分離法

固液分離法的基本原理為通過沉淀、過濾、加壓等多種物理手段分離出泥漿中的水分，得到干化的泥土后進(jìn)行處置，達(dá)到泥漿減量化的目的。利用固液分離法處理泥漿的步驟包括泥沙分離、泥漿調(diào)理、泥漿脫水和泥餅與尾水處置（見圖1）。

現(xiàn)有的工程泥漿調(diào)理工藝，大多沿用活性污泥化學(xué)調(diào)理方法，即向泥漿中加入絮凝劑，使固體顆粒表面發(fā)生電中和等化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)能夠中和帶電基團(tuán)，使固體顆粒之間凝聚力增大、體積增加，改善污泥過濾性能，破壞泥漿的膠體結(jié)構(gòu)，分離出廢棄泥漿中的水溶液。常用的泥漿調(diào)理劑包括無機(jī)絮凝劑類和有機(jī)高分子絮凝劑。其中，無機(jī)絮凝劑類有聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、三氯化鐵、硫酸亞鐵、生石灰、氫氧化鈣等;有機(jī)高分子絮凝劑有動(dòng)物膠、骨膠、淀粉、聚丙烯酰胺及部分水解物、聚丙烯酸鈉、聚乙烯醇等。對(duì)廢棄泥漿最優(yōu)調(diào)理劑的篩選是目前研究的熱點(diǎn)。梁止水等采用化學(xué)絮凝的方法對(duì)建筑廢棄泥漿快速泥水分離性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：有機(jī)絮凝劑具有良好的泥水分離效果，其中陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）效果最好[2]。高宇等研究了添加不同種類及不同用量的絮凝劑對(duì)廢棄泥漿脫水性能的影響。結(jié)果表明：有機(jī)絮凝劑主要通過吸附架橋和卷掃網(wǎng)捕作用絮凝沉降泥漿顆粒，陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）的絮凝效果優(yōu)于陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）和聚合氯化鋁（PAC）[3]。張呂林等人針對(duì)巖土工程施工過程中產(chǎn)生的大量廢棄泥漿的快速減量問題，選取在黏粉土地層施工時(shí)產(chǎn)生的廢棄泥漿，分別添加陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）、非離子型聚丙烯酰胺（NPAM）以及聚合氯化鋁（PAC）開展室內(nèi)絮凝沉降試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)采用添加量為0.5%的陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）進(jìn)行泥漿絮凝處理效果良好，可快速達(dá)到理想的絮凝、沉降、上浮、污泥脫水處理效果[4]。因此，根據(jù)泥漿的性質(zhì)針對(duì)性地篩選泥漿調(diào)理劑對(duì)泥漿脫水效率的提高很有必要。

調(diào)理過的泥漿最后進(jìn)行脫水處理，常用的脫水方式有濾袋脫水和機(jī)械脫水。濾袋脫水的原理是將泥漿注入濾袋內(nèi)加壓過濾以實(shí)現(xiàn)固液分離，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用較少。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用的泥漿脫水方式為機(jī)械脫水，其具有脫水效率高、占地少、惡臭環(huán)境影響小的特點(diǎn)。機(jī)械脫水的種類較多，按脫水原理可分為真空過濾脫水、壓濾脫水、離心脫水。常用的真空過濾脫水機(jī)械設(shè)備為轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)，壓濾脫水技術(shù)已開發(fā)出帶式壓濾機(jī)和板框壓濾機(jī)兩大類脫水機(jī)械設(shè)備，離心脫水技術(shù)常見的是臥式螺旋離心機(jī)脫水設(shè)備。

2.2 固化處理法

固化處理法是指通過向泥漿中加入固化劑，使泥漿與固化劑反應(yīng)生成具有一定強(qiáng)度的固體或生成適合植被生長(zhǎng)的土壤。該方法可大大減少廢棄泥漿對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，具有成本低、操作便捷、易回填還耕等優(yōu)勢(shì)。目前，泥漿的固化處理多采用無機(jī)膠凝材料，包括水泥、石灰、粉煤灰、礦粉等，具有價(jià)格低廉、固化強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì);但是，也具有高堿性、易污染環(huán)境、摻量較多等劣勢(shì)，開發(fā)新型環(huán)保固化劑是該技術(shù)大范圍應(yīng)用的關(guān)鍵。魏雁冰等人提出了一種就地固化處理泥漿池以提高地基承載力的新方法，即通過添加4%的水泥和4%粉煤灰對(duì)泥漿池內(nèi)泥漿進(jìn)行固化處置，泥漿含水率降低至45%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高顯著[5]。平洋等人采用復(fù)合環(huán)保型固化劑RCA對(duì)地鐵盾構(gòu)泥漿和樁基施工泥漿分別進(jìn)行了快速固化處理。結(jié)果表明，該固化劑可將快速流動(dòng)的泥漿迅速變?yōu)榭伤軤顟B(tài)，固化后土體的污染物浸出也滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—2017）要求[6]。

3 工程廢棄泥漿的資源化利用

廢棄泥漿因含有大量砂石和黏土，是一種潛在的工業(yè)資源。為提高資源利用水平，減少固廢產(chǎn)生，建筑泥漿的資源化利用已成為研究的熱點(diǎn)問題。建筑泥漿的資源化利用主要表現(xiàn)為：一是泥漿中篩分出的砂石作為建筑原料直接利用，二是脫水泥餅或固化土的回收利用。砂石的利用較為簡(jiǎn)單，利用洗砂機(jī)、高頻振動(dòng)篩、旋流分離器等機(jī)械設(shè)備能實(shí)現(xiàn)細(xì)沙、粗砂和石塊的分類與收集，直接用于建筑施工。脫水泥餅和固化土的利用則較為復(fù)雜，由于脫水后泥餅強(qiáng)度較低，作為路基回填時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià);若作為種植用土，則需要添加一定的肥料進(jìn)行改性處理。

4 典型工程案例

4.1 項(xiàng)目概況

深圳地鐵六號(hào)線支線工程某區(qū)間施工長(zhǎng)度為3.07 km，所穿越地層巖性主要為砂質(zhì)黏土、混合花崗巖地層。項(xiàng)目采用兩臺(tái)復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行區(qū)間隧道掘進(jìn)，盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生大量盾構(gòu)廢棄泥漿。為了實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)泥漿的環(huán)保處置，現(xiàn)場(chǎng)搭建了廢棄泥漿處理站，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的廢棄泥漿采用機(jī)械脫水法進(jìn)行處置。

4.2 泥漿處置工藝

廢棄泥漿處理站位于隧道出口處，主要分為泥漿堆放池、篩分區(qū)、板框壓濾區(qū)和泥餅堆放區(qū)。其中，篩分區(qū)和板框壓濾區(qū)采用立體分層式設(shè)計(jì)，節(jié)省占地空間。泥漿處理站正常運(yùn)行工藝流程如下（見圖2）：①盾構(gòu)泥漿通過軌道運(yùn)輸車運(yùn)輸至隧道出口，通過龍門吊將泥漿倒入泥漿池;②采用挖機(jī)從泥漿池投料至篩分系統(tǒng)，篩分系統(tǒng)主要由滾筒篩、洗砂機(jī)、旋流器和高頻振動(dòng)篩組成，以流水線的形式對(duì)泥漿進(jìn)行初篩分離石塊、細(xì)篩分離細(xì)沙和均質(zhì)泥漿;③均質(zhì)泥漿進(jìn)入泥漿調(diào)理池，在2臺(tái)大型攪拌器的作用下進(jìn)行泥漿調(diào)理;④調(diào)理后的泥漿經(jīng)砂漿泵輸送至2臺(tái)板框機(jī)進(jìn)行壓濾，壓濾后的泥餅經(jīng)皮帶機(jī)輸送至泥餅堆場(chǎng)區(qū)，尾水流入清水池進(jìn)行篩網(wǎng)沖洗、泥漿調(diào)理等。

4.3 泥漿處置效果

廢棄泥漿經(jīng)泥漿站處理后，能分離出大顆粒碎石、細(xì)沙和泥餅3種固體材料。碎石和細(xì)沙經(jīng)過充分水洗和篩分，含泥量低，力學(xué)性能良好，可作為建筑材料;泥餅含水率在30%～35%，滿足直接外運(yùn)處置的要求，也可用于道路綠化種植用土。該泥漿處理站做到了污染物零排放處置，滿足盾構(gòu)施工廢棄泥漿的環(huán)保處置要求，節(jié)省了工程施工占地和泥漿外運(yùn)處置費(fèi)用，保障了盾構(gòu)施工的穩(wěn)定推進(jìn)。

5 結(jié)語

在當(dāng)今土地資源緊缺，施工場(chǎng)地受限的背景下，小型化、模塊化的泥漿處置設(shè)備具有較高的需求。完善泥漿資源化利用技術(shù)，減少廢棄泥漿處置成本，甚至通過泥漿資源化利用創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)提高廢棄泥漿環(huán)保處置程度具有推動(dòng)作用。

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