鉆孔灌注樁工程泥漿固液分離系統及泥漿循環凈化和廢棄泥漿處理工法

【摘要】文章研發了一種振動篩、離心機、加藥箱及管路系統組成的泥漿凈化和廢棄泥漿處理系統。通過對不同組分和容重泥漿使用多種絮凝劑進行室內交叉試驗絮凝特性分析，定量確定了不同組分泥漿的最佳絮凝劑類型及絮凝劑最佳用量；針對不同泥漿護壁鉆孔灌注樁施工工法制定不同的循環凈化和廢棄泥漿處理方案； 試驗發現，使用此處理系統進行泥漿循環凈化有效降低了泥漿含沙量與比重、提高泥漿膠體率與穩定性、粘度等指標也達到工程適用水平；廢棄泥漿處理后，液相物達到生活中水水質標準，固相物可使用運渣車運走，真正達到了綠色施工的目的。

【關鍵詞】鉆孔灌注樁；泥漿凈化；廢棄泥漿處理；絮凝；中水；

1 引言

近年來，隨著國家城市化建設進程的持續推進，各種隱蔽性巖土工程施工產生的廢棄泥漿量也與日俱增。例如：僅溫州一個中小城市每年產生的廢棄泥漿量就達80萬立方。

在實際施工過程中，施工方對非達標泥漿一般作廢棄泥漿處理，造成資源浪費且增加廢棄泥漿排放量。施工亂排廢棄泥漿現象非常嚴重，極大的破壞了城市環境。泥漿排入排水管道或直接排入河道，導致管道及河道淤塞，嚴重影響城市安全（圖1、圖2）。例如：2010年，僅無錫主城區就有三分之一的河道被工程廢棄泥漿淤塞，部分河道甚至失去河道功能，造成了巨大的汛期排水安全隱患。

隨著對工程泥漿危害認識的深入，國內科研工作者對廢棄泥漿處理展開研究，工程施工技術人員也陸續提出幾種工程廢漿處理措施，但多數措施都有較大的約束條件，不宜推廣使用。例如：

（1）焚燒法。即用高溫蒸發掉泥漿中的水分而分離出固相，其耗能大，且必須使用專門的轉爐進行焚燒，難以在工程施工中推廣使用；

（2）集中填埋處理。即城市管理者收集本市的廢棄工程泥漿外運至野外荒地進行填埋處理，這種處理方式花費巨大的泥漿運輸及選用廢棄場地費用，增加施工成本，且廢棄泥漿對填埋地生態環境影響還需進一步的研究，所以本方法在工程施工中只可作為暫時應對措施，不宜大規模推廣使用；

（3）自然沉淀法、化學沉淀法、機械分離法等。即使用各種方法使泥漿固液分離，這幾種廢棄泥漿處理辦法不能做到真正的泥水分離，處理后的漿液往往不能達到市政污水排放標準，還需使用罐車運輸排放，而且以上各種方法處理后液相物不能重復利用，浪費水資源；

2工程泥漿的一般特性

泥漿在工程樁基成孔（或地連墻成槽）鉆進中具有極其重要的作用，其性能的好壞直接影響鉆進速度、孔壁穩定、懸浮攜帶鉆渣、孔內事故的預防及單樁承載力大小。為滿足護壁、攜渣、潤滑鉆具等施工要求，各種施工工法所需工程泥漿需要具備不同的特殊性能（表1），例如：密度、黏度、靜切力、失水量、泥皮質量、含砂量、膠質率、pH值等。

泥漿中含有大量的分散和水化好的粘土顆粒不易聚集沉降，可長時間維持懸浮狀態，保證了泥漿黏度、密度和性能穩定性；泥漿一般在堿性范圍內比較穩定，否則會引起泥漿粘度、靜切力和失水量等性能的變化，所以配制泥漿時一般需加入少許燒堿調節泥漿PH值；為保證泥漿有足夠的容重，需加入一定量的重晶石粉調節泥漿密度。

重晶石粉顆粒粒徑一般在3～10 之間，配漿膨潤土顆粒粒徑為0.02 ，而懸浮粘土顆粒直徑約為1-2 ，所以工程泥漿中含有大量的小粒徑懸浮顆粒；而在施工過程中，由于泥漿攜帶鉆渣或地層接觸，泥漿中也含有大量的粒徑為毫米級以上的固相顆粒。

泥漿一般在堿性范圍內比較穩定，否則會引起泥漿粘度、靜切力和失水量等性能的變化。所以泥漿PH值一般保持在8～9.

3工程廢棄泥漿固液分離處理系統

工程廢棄泥漿處理方案設計思想為按粒徑從大到小依次去除泥漿中的固相物質。其中大顆粒物質通過振動設備去除；粒徑為毫米級固相顆粒通過離心設備去除；小粒徑固相物質及泥漿中的膠體物質通過在泥漿中添加絮凝劑使其絮凝，再通過離心設備去除。廢棄泥漿處理后的固相物質含水量控制在40%以下，以便可作為工程回填土或使用工程車輛運走處理；液相物能夠達到建筑中水水質標準，可作為工地洗車、道路清潔及沖廁用水等。

工程非達標泥漿處理方案設計思想：同工程廢棄泥漿處理方案設計思想，但保留泥漿中小粒徑固相物質及膠體物質等能夠優化泥漿性能指標的泥漿組分。即：只需在施工過程中，將大顆粒物質通過振動設備去除、粒徑為毫米級固相顆粒通過離心設備去除即可達到工程非達標泥漿循環凈化處理目的。

通過大量的工程實地考察和論證分析，依據工程泥漿處理方案設計思想，并吸收傳統廢棄泥漿處理中自然沉淀法、化學固液分離法和機械固液分離法的優點，發明了廢棄泥漿三級凈化處理方案。

第一級：廢棄泥漿通過振動篩，大顆粒鉆渣（粒徑>2mm）被篩分出來并通過工程車輛運走，漿液流入泥漿沉淀池中；

第二級：將沉淀池中的廢棄漿液抽取到離心機進行第一次離心凈化，使粒徑0.05mm～2mm的固相顆粒從漿液中分離，并將剩余漿液抽取到配漿池中暫存；

第三級：將配漿池中的漿液混合加藥系統配制的絮凝劑藥液，使第二級處理后的漿液中的小粒徑固相顆粒和膠體絮凝沉淀后，再次抽取到離心機進行固液分離。固相顆粒運走，對液相物質進行檢測，達到城市建筑中水標準后排放或儲存使用，如果未達到城市建筑中水標準，則將液相物質抽取到配漿池與配漿池中漿液混合，重復第三級凈化工作，直至液相物質全部達到建筑中水標準通過排水設施排放或儲存使用。

如圖3所示，工程廢棄泥漿固化處理及泥漿循環凈化系統由振動篩、加藥裝置、臥式螺旋離心機、泥漿沉淀池、工程泥漿池、配漿池、泥漿管、泥漿泵及閥門等組成，其中“振動篩、加藥裝置、臥式螺旋離心機”是整個系統的主機系統，泥漿池是工程泥漿及廢漿容器，泥漿管、泥漿泵和閥門共同構成整個系統的管路系統，如圖4所示。

4 廢棄泥漿固液分離絮凝劑選用試驗

工程廢棄泥漿中的主要污染物為粒徑大小不等的固相顆粒及膨潤土、黏土水合作用形成的懸浮膠體。使用工程廢棄泥漿三級處理系統中的第一、二級處理系統，可以有效去除泥漿中粒徑大于0.05mm的固相顆粒，而對于廢棄泥漿中的部分粉細砂（粉土）顆粒、大部分的重晶石粉顆粒和幾乎全部的膨潤土、黏土水合物不能進行有效去除。所以，必須選用合適的絮凝劑并在加藥系統中制備絮凝劑溶液，對泥漿中的上述物質進行絮凝處理后使用離心機進行固液分離。

絮凝劑的作用主要是由帶有正電（負）性的基團中和泥漿中帶有負（正）電性難于分離的一些粒子或者顆粒結合，降低其電勢，使其處于不穩定狀態，并利用絮凝劑的聚合性質使得這些顆粒集中后通過物理或者化學方法分離出來。絮凝劑按照其化學成分總體可分為無機絮凝劑和有機絮凝劑兩類。其中無機絮凝劑又包括無機凝聚劑和無機高分子絮凝劑；有機絮凝劑又包括合成有機高分子絮凝劑、天然有機高分子絮凝劑和微生物絮凝劑。

通過對泥漿性能的分析，綜合考慮絮凝劑的毒性和在本項目廢棄泥漿三級處理系統中的適用性，本試驗選用無機低分子絮凝劑硫酸鋁、無機高分子絮凝劑聚合氯化鋁及有機高分子絮凝劑聚丙烯酰胺（陰離子、陽離子）作為備選泥漿固化處理劑。

4.1 泥漿試驗樣本制取

泥漿配制方法不同，其懸浮顆粒組成成分也不同，有效的絮凝劑類型也不一樣。所以要針對不同組分的泥漿分別進行試驗。

在實際工程中，由于泥漿的自然沉淀，比重一般不大于1.15，黏度一般不高于22s。因為本試驗泥漿樣本需模擬工程廢棄泥漿經過第一次離心固液分離處理后的泥漿，所以配制試驗泥漿比重為1.1，黏度為18s。

參考實際工程中泥漿組分，擬配制以下三組不同組分泥漿（比重1.1，黏度18s）：

a、黏土；

b、黏土+膨潤土+纖維素+燒堿；

c、黏土+膨潤土+燒堿；

泥漿中的膨潤土水合物、燒堿及纖維素在本系統第一次固液分離處理中幾乎不能有效分離，所以以上b、c組泥漿膨潤土、燒堿及纖維素配比應與實際工程泥漿相同，物料質量比為： 水：膨潤土：燒堿：纖維素=1000：60：3：1。

按上述要求在燒杯中依次配制三種泥漿樣本各2000ml備用。

4.2 試劑配制

絮凝劑的絮凝效果除了與泥漿中物料的電荷屬性、物料粒徑及泥漿ph值等泥漿自身的物理性質有關，絮凝溫度、絮凝劑的制備方法等對絮凝劑的絮凝效果也有較大影響。本試驗控制室內溫度為18℃左右，絮凝劑攪拌方法模擬本項目固液分離系統中加藥箱攪拌方式。

聚合氯化鋁試劑（2%）配制方法：稱量PAC2g，盛入洗凈的200ml量筒中，加清水約50ml，待溶解后再加水稀釋至100ml刻度，搖勻備用；15010468175

聚丙烯酰胺試劑（1‰）配制方法：稱量PAM0.1g，均勻撒入裝有100ml清水的量筒中，緩慢攪拌，搖勻備用；

硫酸鋁試劑（2%）配制方法：稱量聚合氯化鋁2g，盛入洗凈的200ml量筒中，加清水約50ml，待溶解后再加水稀釋至100ml刻度，搖勻備用；

4.3 絮凝劑初試試驗及絮凝物性質

依據試驗結果，如圖5、6、7所示，綜合考慮本項目泥漿固液三級分離系統工作方式與各絮凝劑的絮凝效果，初步確定使用聚丙烯酰胺（陰離子）作為含有膨潤土泥漿的固液分離絮凝劑，使用聚丙烯酰胺（陽離子）作為不含有膨潤土泥漿的固液分離絮凝劑；

4.4各泥漿樣本最優加藥量分析

工程泥漿比重一般控制在1.2-1.4之間，泥漿在沉淀池內自然沉淀后，比重一般不大于1.15。因為本試驗泥漿樣本需模擬工程廢棄泥漿經過第一次離心固液分離處理后的泥漿，所以配制試驗泥漿比重為1.1，黏度為18s。因為不同的粘性土和膨潤土在經過第一次離心固液分離后，比重一般不同，所以需要對比重不同的泥漿樣本進行絮凝試驗，以確定泥漿比重不同對絮凝效果的影響，試驗結果分析如圖8、9、10、11所示。

以泥漿樣本c作為研究對象，在量筒內分別配制比重為1.08、1.06、1.04、1.02的泥漿各100ml，根據1min內絮凝物可沉淀至50ml且上清液澄清作為絮凝劑加入量標準，測定每種比重泥漿的最佳絮凝劑量。

5 工程泥漿泥水分離系統工程示范

5.1泥漿循環凈化試驗

本試驗目的為通過檢測工程泥漿循環凈化前后泥漿性能，并調試泥漿脫水機運行參數，測試固液分離系統泥漿循環凈化效果并驗證泥漿循環凈化處理工藝的合理性，完成泥水分離系統泥漿循環凈化功能驗收。

本試驗采用在2號泥漿池內新配制泥漿模擬鉆孔/挖槽泥漿。為保證配制泥漿與實際工程施工過程中泥漿的相似性，采用膨潤土+粉質黏土（順義土）作為泥漿組分配制方案，泥漿組分質量比為水：膨潤土：粉質黏土=100：5：20。2號泥漿池容量為2.5 ，需先加入膨潤土100kg并靜置24h，待膨潤土充分水和后加入粉質黏土400kg并攪拌均勻。圖12為泥漿調試現場圖。

泥漿調制完畢后測得泥漿比重為1.13，粘度為19s，基本符合實際施工過程中泥漿經振動篩篩分和沉淀池自然沉淀后的比重與粘度。

使用塑料桶舀取5kg此次試驗泥漿，作為泥漿循環凈化前后性能對比泥漿樣品并妥善保存。

通過檢測工程泥漿循環凈化前后泥漿粘度、膠體率等性能發現，泥漿循環凈化有效降低了泥漿含沙量與比重、提高泥漿膠體率與穩定性、并使得非達標泥漿的粘度等指標達到工程適用水平，達到了泥漿循環凈化的目的。本試驗驗證了泥漿循環凈化處理工藝的合理性及使用泥漿固液分離系統進行泥漿循環凈化處理的有效性，完成了泥水分離系統泥漿循環凈化功能驗收。

5.2廢棄泥漿固液分離處理試驗

本試驗目的為通過檢測工程廢棄泥漿固液分離后泥餅含水率及上清液水質，并調試泥漿脫水機運行參數，測試固液分離系統廢棄泥漿固液分離效果并驗證廢棄泥漿處理工藝的合理性，完成泥水分離系統廢棄泥漿處理功能驗收。試驗相關圖片如圖13、14、15所示。

依據前文結論，選取聚丙烯酰胺陽離子為廢棄泥漿處理絮凝劑。因為絮凝劑的絮凝效果與泥漿物料組成、溫度、固相顆粒粒徑、PH值等多種因素有關，所以對廢棄泥漿作現場絮凝試驗，以保證廢棄泥漿固液分離試驗的順利進行，通過現場絮凝試驗，確定聚丙烯酰胺陽離子使用量為30ppm。

經水質監測發現，廢棄泥漿處理后的上澄清液達到中水標準，可以作為生活再生水使用。固相物含水量為30%，可以使用運渣車運走做填埋處理。

5 結論與展望

通過對不同組分和容重泥漿使用多種絮凝劑進行室內交叉試驗絮凝特性分析，定量確定了不同組分泥漿的最佳絮凝劑類型及絮凝劑最佳用量；針對不同施工工法制定不同的循環凈化和廢棄泥漿處理方案； 試驗發現，使用此處理系統進行泥漿循環凈化有效降低了泥漿含沙量與比重、提高泥漿膠體率與穩定性、粘度等指標也達到工程適用水平；廢棄泥漿處理后，液相物達到生活中水水質標準，固相物可使用運渣車運走，真正達到了綠色施工的目的。

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