工程廢棄泥漿泥水分離技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展研究綜述

何全，李青山，賀帥，黃同權(quán)，嚴(yán)石友，張涵，鄒譚

（1 中鐵二局集團(tuán)有限公司，成都 610000；2 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

0 引言

隨著我國城市建設(shè)和交通建設(shè)，尤其是地下空間建設(shè)進(jìn)度的加快，廢棄泥漿迅速增加。廢棄泥漿中存在大量的巖屑、黏土礦物和雜物，稠度非常大，難以自然下沉，又不能直接排放，若處理不當(dāng)，不僅會造成材料的浪費(fèi)，更會造成板結(jié)土壤、阻塞河流、加劇水土流失等一系列嚴(yán)重環(huán)境問題。在建設(shè)過程中，目前一般采用在施工現(xiàn)場圍池存放、自然消耗的辦法處理泥漿，這不僅影響了施工進(jìn)度與施工現(xiàn)場環(huán)境，還有可能造成水污染等二次污染。廢棄泥漿的正確處理不僅是環(huán)保的客觀需要，也可以給企業(yè)節(jié)約大量成本，而且可以保障施工的高質(zhì)量運(yùn)行[1-4]。因此，急需著手解決廢棄泥漿治理難題，保證廢棄物泥漿的正確處理，秉持“綠色，環(huán)保，節(jié)能”的原則，尋找到適合當(dāng)?shù)啬酀{性質(zhì)的化學(xué)藥劑并配合靈活性和可調(diào)節(jié)性的廢棄泥漿快速成套技術(shù)及裝備，從污染物的產(chǎn)生源頭治理泥漿污染，對已經(jīng)產(chǎn)生的污染源應(yīng)進(jìn)行無害化處理[2]。實(shí)現(xiàn)廢泥漿的“無毒，無害，低成本，可工業(yè)化再利用”，是提高文明施工水平的重要手段，屬于工業(yè)污染源綜合治理，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)利益最大化[5-6]。

泥水分離在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛研究，查閱與泥水分離有關(guān)的國內(nèi)外論文專著，發(fā)現(xiàn)在化學(xué)、水資源、工程學(xué)、建筑工程領(lǐng)域的泥水分離問題研究最為廣泛。圖1 為近十年與泥水分離課題相關(guān)的國內(nèi)公開發(fā)表論文數(shù)量。顯然，在保護(hù)生態(tài)、節(jié)約資源的宏觀社會背景下，參與研究的人員越來越多。

圖1 近十年各年發(fā)表相關(guān)論文數(shù)目

目前，工程上常用的泥水分離(Mud Water Separation)處理流程見圖2，處理流程可分為制漿、篩分、洗砂、無害化、壓濾、水處理及回用六大部分，其中，制漿為在廢棄泥漿中加入2～3倍的水；篩分為振動篩分離出5.00mm 以上的大顆粒砂，同時(shí)振動篩上布置噴頭清洗分離出砂；洗砂和脫水為通過清洗分離出0.074mm 以下的細(xì)砂和0.074～2.00mm 的中砂；無害化為將泥漿送至泥水分離罐，加入絮凝劑(Flocculant)、固化劑(Curing Agent)等，去除有機(jī)污染物；壓濾后泥餅(Mud Cake)含水率＜40%，呈固相。若處理得當(dāng)，泥水分離過后的砂可作為建筑材料，水可循環(huán)用于生產(chǎn)。該過程的重點(diǎn)為采用何種化學(xué)藥劑實(shí)現(xiàn)快速泥水分離，采用何種機(jī)械設(shè)備使得資源最大利用。

圖2 工程廢棄泥漿處理流程圖

1 泥漿處理面臨的問題

1.1 環(huán)境污染問題

廢棄泥漿中含有泡沫劑(Foam agent)、重金屬（heavy metal）、高分子聚合物(High molecular polymer)等有機(jī)溶劑，工業(yè)廢渣露天長時(shí)間堆放。下雨時(shí)，一些可溶性有害元素可能會流入地表，滲入地下，污染土壤，對大氣、植被、土壤、地面水和地下水造成長期破壞，進(jìn)而危及人類的生存，造成了沉重的社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境負(fù)擔(dān)[1，6-10]。因此，要解決廢棄泥漿對環(huán)境的污染問題，就必須將廢棄泥漿中的有害物質(zhì)通過物理或化學(xué)的方式提取出來，再將廢棄泥漿排出或者做進(jìn)一步資源再利用處理，將廢棄泥漿對環(huán)境的污染問題降到最小。

1.2 災(zāi)害隱患問題

最近幾十年來在全球范圍內(nèi)，由于堆放廢棄泥漿的場地選擇、設(shè)施建設(shè)和設(shè)備運(yùn)行不合理，發(fā)生了多起渣土場滑坡事件[11]，如圖3 所示深圳市光明新區(qū)的紅坳渣土誘發(fā)滑坡事故。渣土場存在滑坡等安全隱患的原因?yàn)槟酀{與化學(xué)藥劑混合，最終會形成由粘土、鉆屑、各種化學(xué)處理劑、污水等組成的多相懸浮的廢泥漿[6，11]。在鉆進(jìn)或盾構(gòu)過程中，為了解決空氣循環(huán)所遇到的困難和改善鉆進(jìn)的應(yīng)變能力，改良巖土層，不可避免地要在泥漿中添加泡沫劑[12-13]。這些有機(jī)化合物改變了原有土壤的結(jié)構(gòu)和流塑性，提高了原有土壤的含水量且不易脫水，改變了巖體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，使得巖土體的抗壓抗剪能力降低，增大了巖土體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的可能，從而影響到堆土場的安全堆放[14-16]。

圖3 深圳市光明新區(qū)的紅坳渣土誘發(fā)滑坡[16]

1.3 廢棄泥漿儲存與運(yùn)輸問題

部分施工場地尤其是市區(qū)施工場地的條件有限，無法長期大量儲存廢棄泥漿，需要用槽罐車等交通工具將廢棄泥漿運(yùn)輸?shù)浇纪饫鴪鲞M(jìn)行自然干化，但廢棄泥漿的含水量普遍較高，運(yùn)輸成本過高甚至根本無法運(yùn)輸，造成投資成本大大增加，在運(yùn)輸途中也常因泥漿水漏灑在城區(qū)干道上而污染了市容環(huán)境[8，17]。因此，找到高效的、經(jīng)濟(jì)的泥漿固化方法使工程泥漿便于運(yùn)輸，操作步驟簡便，處理周期快變得尤為重要[3，9]。研究新型的絮凝劑和固化劑及其配比，盡量減少廢棄泥漿中的含水量，解決廢棄泥漿的儲存和運(yùn)輸問題，對實(shí)際施工作業(yè)意義重大。

1.4 化學(xué)試劑選擇和配比問題

工程泥漿是一種懸濁液體，部分工程泥漿含水率高，在盾構(gòu)泥漿中，需要對泥漿進(jìn)行改性以適應(yīng)不同的工程特點(diǎn)，加入改性劑的泥漿難以自然沉淀分離[1]。在實(shí)際工程中產(chǎn)生的工程廢漿，首先需要將泥漿的水分去除，使得廢棄泥漿的體積縮小，減小運(yùn)輸成本或者改性成本，但渣土或廢棄泥漿顆粒帶有一定的電荷，這些電荷使得顆粒與顆粒之間分離，因此對廢棄泥漿直接壓濾，脫水量很小，需要找到使得泥漿壓濾脫水量增大的化學(xué)藥劑[18]。在實(shí)際工程中，可以在廢棄泥漿中添加化學(xué)絮凝藥劑和固化藥劑，再進(jìn)行壓濾，這樣壓濾得到的濾液會進(jìn)一步增加。

另一方面，不同絮凝劑對泥漿的絮凝沉降效果及絮凝機(jī)理有很大差異，固化劑和絮凝劑配比會很大程度地影響泥水分離的效率，并且，在盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)機(jī)型的選擇也會影響化學(xué)試劑的選擇，因此，找到固化劑和絮凝劑的合理配比是目前的一大難題[18-20]。

1.5 資源循環(huán)利用問題

在實(shí)際工程或者研究中，常常循環(huán)利用凈化泥漿，而對處理廢漿得到的濾液、泥餅等再利用的研究較少[1]。在土建工程施工現(xiàn)場，各項(xiàng)工序會產(chǎn)生大量泥漿和渣土，目前對其綜合利用的研究較少，因此研究廢漿處理物資源再利用，可以節(jié)約資源，并且大量減少施工成本，對廢漿處理物資源化利用是未來的發(fā)展趨勢[21-22]。對工程廢棄泥漿處理物的循環(huán)再利用可以包括以下方面：以工業(yè)廢渣為原料配制固化劑，用于填筑路基、改良土質(zhì)[9]；廢棄泥漿分離的砂可以用于配置施工現(xiàn)場的砂漿；廢棄泥漿分離的泥餅可以用于施工現(xiàn)場的回填、工業(yè)制磚等。對廢棄泥漿的資源再利用，既能無害化處理廢棄的工業(yè)廢渣，又能降低工程施工的材料成本，有利于我國綠色建筑、綠色施工的發(fā)展[9，23-25]。

2 泥漿處理主要研究方向

目前國內(nèi)對于廢棄泥漿的處理措施主要是固化處理法(Solidification Treating Method) 以及固液分離法(Solid Liquid Separation)，且主要以固液分離法為主，但是關(guān)于建筑施工廢棄泥漿的處理方式還有待進(jìn)一步探索[26]。找到一種能夠經(jīng)濟(jì)合理且高效率的泥漿處理方式是非常重要的?，F(xiàn)目前，對廢棄泥漿的處理流程可簡要分為：機(jī)械篩分→沉淀池加入固化劑、絮凝劑沉淀→加壓脫水過濾，由于各個(gè)工程項(xiàng)目有所差異，各個(gè)工程單位對絮凝劑和固化劑的選擇和配比不盡相同，其分離效率也各有差異[27]。處理廢棄泥漿的方法有絮凝劑、固化劑、機(jī)械處理等[20]。

2.1 絮凝劑對廢棄泥漿處理機(jī)制的研究

在對廢棄泥漿進(jìn)行壓濾處理時(shí)，絮凝劑可以有效提高廢棄泥漿的壓濾效果，并且其操作簡單、額外費(fèi)用不高，如今絮凝劑被廣泛應(yīng)用于廢棄泥漿的處理[28-29]。絮凝劑對土顆粒膠體粒子主要起到靜電中和(Electrostatic Neutralization)、吸附架橋(Adsorption/Bridge)、卷掃凝聚(Sweep Condensation) 的作用[20，30]。

靜電中和作用主要是絮凝劑與帶負(fù)電荷的泥漿顆粒發(fā)生電性中和，使得泥土顆粒雙電層厚度減小，減弱靜電排斥力，泥漿顆粒吸引力增大，泥土顆粒聚集而沉淀[29，31-33]，如圖4。吸附架橋作用主要是絮凝劑加入水中后，形成的高分子聚合物吸附在某一顆粒表面，聚合物其他部分在溶液中延伸，并與其他泥土顆粒或懸浮固體、泡沫劑等有害物質(zhì)粘附，形成“顆?！酆衔铩w?！被炷w，進(jìn)而脫穩(wěn)沉降，實(shí)現(xiàn)泥漿沉淀[34]，如圖5所示。另外，含鋁含鐵絮凝劑能夠以卷掃(網(wǎng)捕)的形式產(chǎn)生氫氧化鋁和氫氧化鐵沉淀，并且使得水中的膠體微粒隨之一起下沉。這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的氫氧化物本身帶有一定正電荷，具有靜電粘附能力，能夠發(fā)揮卷掃網(wǎng)捕作用迅速將泥漿中的卷掃沉淀物進(jìn)行沉淀，對廢棄泥漿脫水過程有重要影響[35-36]。

圖4 粒子間距和相互作用力的關(guān)系[20]

圖5 絮凝劑吸附架橋作用

絮凝劑分為無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑，其對廢棄泥漿的作用原理和常見藥劑見表1。有機(jī)絮凝劑的脫水效率和脫水性能明顯優(yōu)于無機(jī)絮凝劑，并且結(jié)合泥漿絮凝沉降規(guī)律，有機(jī)絮凝劑脫水性能有以下關(guān)系：陰離子聚丙烯酰胺(APAM)脫水性能＞非離子聚丙烯酰胺(NPAM)＞陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)＞聚二甲基二烯丙基氯化銨[19，39]。APAM 可能會使得處理后的泥漿濁度較高，可使用PAC 降低上層清液的濁度[19，30]。另一方面，絮凝劑反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，對廢棄泥漿的處理效果受pH、溫度和用量的影響，pH=6 時(shí)，絮凝劑借助電性中和、吸附架橋作用，泥水分離效率較高，且絮體沉降較快，若使用十二烷基硫酸鈉(SDS)，可進(jìn)一步降低廢棄泥漿的結(jié)合水含量[20，40-41]。

表1 絮凝劑的作用原理和常見藥劑

無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑結(jié)合使用對泥漿的絮凝效果優(yōu)于單摻絮凝劑，例如，氯化鐵和陰離子聚丙烯酰胺按照一定配合比使用可有效發(fā)揮絮凝劑的靜電中和及卷掃凝聚作用[42]。但對于部分泥漿可再添加另外的添加劑以達(dá)到有效泥水分離的效果，如高含泥量的成都黏土工程廢棄泥漿，黏土對水的吸附作用使其形成了穩(wěn)定的黏土-水分散體系，無機(jī)聚合物與有機(jī)絮凝劑均不能使泥漿實(shí)現(xiàn)快速泥水分離，對于這種情況，添加質(zhì)量濃度為0.3%的聚氧化乙烯可有效加快泥水分離速度[43]。目前，國內(nèi)外部分學(xué)者研究了新型絮凝劑以提高絮凝效果，例如微生物絮凝劑(MBF)TJ—F1，具有很好的效果[44]。另外，雖然有機(jī)絮凝劑使用效果明顯優(yōu)于無機(jī)絮凝劑，但是由于其成本高（見表2），很少用于實(shí)際生產(chǎn)。

表2 常見化學(xué)藥劑的價(jià)格表和生產(chǎn)廠家

2.2 固化劑對廢棄泥漿處理機(jī)制的研究

泥漿固化處理(Mud Curing Treatment)主要是向泥漿中添加膠凝材料進(jìn)行改性，膠凝材料包括無機(jī)膠凝材料(如水泥、粉煤灰、石灰和硅粉等)和有機(jī)膠凝材料。將膠凝材料加入泥漿，遇水發(fā)生水化反應(yīng)，與泥漿粘結(jié)在一起，形成堅(jiān)硬的膠凝材料基體，泥漿和固化劑轉(zhuǎn)化為類似土壤結(jié)構(gòu)的固化產(chǎn)物[20，30，45-50]。廢棄泥漿固化處理后，根據(jù)固化產(chǎn)物的性質(zhì)進(jìn)行循環(huán)使用，可用作建筑材料、路用填料和園林土材料等。

固化劑對廢棄泥漿的處理效果受pH 的影響，不同固化劑的反應(yīng)原理和作用有所差異。生石灰(MgO、CaO)起到填充料、殺毒作用，pH=12 時(shí)絮凝作用最佳。磷石膏(CaS04)含有雜質(zhì)P、F元素等，在堿性環(huán)境下雜質(zhì)可以和生石灰反應(yīng)，生成磷酸鈣；氟離子和生石灰產(chǎn)生氟化鈣，與膠凝材料水化中間產(chǎn)物產(chǎn)生絡(luò)合，最終形成固結(jié)物；粉煤灰(Si02、Al203)本身具有弱膠凝性，但與生石灰發(fā)生水化硬化反應(yīng)，二水硫酸鈉和粉煤灰及生石灰生成鈣礬石，形成泥餅骨架，且在這過程中可以吸收水[20]。粉煤灰通過減少粘土顆粒數(shù)量、塑性指數(shù)和膨脹勢，促使陽離子交換，有效改善土壤的質(zhì)地和塑性，粉煤灰廢料與生石灰(CaO)一起可以用于固定人工污染粘土中的鉛、三價(jià)鉻和六價(jià)鉻[52-53]。

若僅添加固化劑，固化處理成本低（表2）、處理后的泥漿水溶性和滲透性降低、無毒且方便，國內(nèi)大部分工程廢漿的處理都采用無機(jī)固化劑，但是也有很多缺點(diǎn)，如泥漿固化時(shí)間長、分離效率差、占地面積大、濾液呈堿性不能直接排出等[20，30，51]。因此，需要配合其他藥劑處理，目前，固化劑和絮凝劑的配合使用研究較少，如何配合使用各種處理藥劑使得工程成本減小、脫水效果提升是現(xiàn)階段主要需要研究的方向之一。

2.3 機(jī)械加壓對廢棄泥漿處理機(jī)制的研究

機(jī)械處理是在機(jī)械壓力等作用下，泥漿中的固體顆粒和水分離，從而分離出濾液的一種脫水方法[54]。目前，國內(nèi)常用機(jī)械處理泥漿的方法有真空式脫水(Vacuum Dehydration)、離心式脫水(Centrifugal Dewatering)、壓濾式脫水(Pressure Filtration Dehydration )[55]。

在壓濾式脫水中，隨著氣壓的增加，泥漿中的自由水被壓濾出，最后廢漿形成未破壞膠體-懸浮體體系，這時(shí)增加氣壓也不再壓濾出水[55]。采用壓濾式脫水從經(jīng)濟(jì)角度和泥漿處理效果角度達(dá)到綜合效果較優(yōu)[51]，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中被廣泛使用，但針對比重較高和含砂率較大的泥漿，壓濾式脫水壓濾效果不良。而離心式脫水可處理比重較高及含砂率較大的泥漿[56-57]。壓濾式和離心式脫水的優(yōu)缺點(diǎn)見表3。

表3 壓濾式和離心式脫水的優(yōu)缺點(diǎn)

真空預(yù)壓適用于極軟的污泥池，對污泥進(jìn)行真空預(yù)壓并固化處理，可以有效改善污泥地基[58]。對于工程泥漿，將廢棄泥漿先進(jìn)行氧化處理，破壞泥漿顆粒之間極性鍵與水分子相互作用力，再采用真空預(yù)壓法對污泥進(jìn)行排水固結(jié)[59]。污泥的比阻、含水量以及體積均會明顯下降，且固化物無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高[60]。

目前，采用機(jī)械加壓的方式對廢棄泥漿進(jìn)行處理在實(shí)際生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用，但是存在以下問題：壓濾時(shí)間長，廢棄泥漿堆放需要占據(jù)較大的空間；壓濾機(jī)濾布壽命短，濾框易堵塞；處理設(shè)備對不同土體適應(yīng)性不足；土體含泡沫劑，消泡浪費(fèi)時(shí)間。進(jìn)一步可以考慮將機(jī)械壓濾的方式和化學(xué)藥劑處理的方式結(jié)合起來，以提高廢棄泥漿的壓濾效果。

3 結(jié)論

隨著我國建筑行業(yè)的發(fā)展，工程渣土與廢棄泥漿的產(chǎn)生量迅速增加，正確解決廢棄泥漿治理難題對于環(huán)保、經(jīng)濟(jì)都至關(guān)重要和緊迫。在工程上，廢棄泥漿的處理方式分為制漿、篩分、洗砂、無害化、壓濾、水處理及回用六大部分以實(shí)現(xiàn)泥漿無害化處理和資源的循環(huán)利用。

工程廢棄泥漿主要存在以下問題：

1）廢棄泥漿中含有有害有機(jī)溶劑，易產(chǎn)生污染土壤，破壞水質(zhì)，改變巖土體結(jié)構(gòu)甚至引起滑坡等問題；

2）廢棄泥漿運(yùn)輸成本過高或者難以運(yùn)輸?shù)膯栴}；

3）廢棄泥漿循環(huán)利用的問題；

4）處理廢棄泥漿時(shí)絮凝劑和固化劑的配合比問題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對處理廢棄泥漿時(shí)使用絮凝劑、固化劑和分離機(jī)械有諸多研究成果，但存在以下問題：

1）現(xiàn)有研究常常限制于特定的絮凝劑和固化劑，缺少用于泥水分離的新型化學(xué)藥劑；

2）有機(jī)絮凝劑存在降解難，殘留單體有毒等問題，過多使用對環(huán)境會造成二次污染，應(yīng)繼續(xù)探索無污染高效且具有殺菌作用的絮凝劑；

3）大多數(shù)研究通常只是找出了適合泥漿泥水分離的絮凝劑和固化劑最佳配比，而未對沉淀混合物進(jìn)行物理力學(xué)分析，不利于進(jìn)行資源回收利用。