建筑泥漿資源化利用技術研究*

李 雁，程 曦，惠 鋒，左小凡，劉 新，吳定桂

(1.南京市城建集團，江蘇 南京 210009； 2.南京林業大學，江蘇 南京 210037)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，工程建設規模不斷增大，建筑泥漿產量逐年增加[1]。建筑泥漿多未經固化減量處理，含水率較高，占用空間較大。由于現有泥漿棄置場剩余庫容有限，常隨意投棄、填埋建筑泥漿，未對其進行資源化利用。因此，需對建筑泥漿進行資源化、減量化、穩定化、無害化處理[2]。基于建筑泥漿基本理化性質，對比分析國內外建筑泥漿處理技術，為建筑泥漿資源化利用提供參考。

1 建筑泥漿特點

施工過程中產生的高含水率泥質挖掘物和泥水均為建筑泥漿，可分為自硬性泥漿和非自硬性泥漿。建筑泥漿性狀主要受土壤性質與含水率影響[3]，具有以下特點：①外觀呈淺黃色；②pH值較高，多呈堿性；③一般由無機物組成，化學成分主要包括SiO2，Al2O3，Fe2O3等，含少量重金屬元素；④黏粒含量高，平均粒徑約為10μm，難以自然沉降；⑤含水率較高，一般為60%～90%，脫水困難，自然風干過程緩慢。

2 建筑泥漿處理技術

目前國內外建筑泥漿主要處理技術如表1所示，包括自然干化、真空脫水、離心脫水、壓濾脫水技術等[4-6]，真空脫水、離心脫水、壓濾脫水技術屬機械脫水技術，有機絮凝劑脫水、無機絮凝劑脫水、微生物絮凝劑脫水技術屬絮凝脫水技術，不同處理技術具有不同特點與處理效果，因此，需根據建筑泥漿性質、利用目的和處理量選用合適的處理技術。

表1 國內外建筑泥漿處理技術

2.1 自然干化技術

自然干化技術采用暴露于自然熱、風的方式降低泥漿含水率，主要工藝包括沙地干化和冷凍脫水等[7]。歐美國家常用轉鼓干化、流化床干化、盤式干化技術，此外還有碟片式、帶式、日光式、閃蒸式干化技術等[8]。曹雷[9]提出的自然干化技術速度較慢，可通過減小泥層厚度、設置泥層翻轉設備、摻拌黏土或石灰、強制風干等措施減小外界因素的影響。周登健[10]研究了自然干化過程中溫度、濕度、通風、有機質含量等對建筑泥漿含水率的影響，研究結果表明，在相同比表面積下，有機質含量越高，自然干化速度越慢；溫度越高，濕度越低，通風越大，自然干化速度越快。江暉等[11]提出的自然干化技術較經濟，適用于氣候較干燥、占地不緊張、蒸發率較高且環境衛生條件允許的地區。常用自然干化構筑物包括干化床和干化場，干化床適用于小型污水處理廠，干化場多利用天然蒸發、滲濾、重力分離等作用，將泥漿含水率降至75%左右。

2.2 機械脫水技術

機械脫水技術成本較高，脫水后泥漿含水率約為80%。Sloan等[12]的研究表明，利用壓濾機進行機械脫水產生的地污泥含水率低，且能源消耗率較低。王銘祥等[13]的研究表明，壓濾式泥漿脫水可節約46%的成本，但設備占地面積較大，基礎費用較高，不適用于較小的施工場地。Drury等[14]通過泥漿脫水后的含水率、處理量、耗能、調劑用量、價格、釋放的氣體刺激性等評價帶式壓濾機和離心機實際應用性能，得出離心機更經濟、適用的結論。

已有學者基于預處理技術、設備改良等提高脫水效率，如Qiao等[15]的研究表明，170℃微波加熱處理泥漿1min后，可使泥漿懸浮物含量降低40%，可知預處理技術可提高泥漿沉降性能；饒祎[16]聯合應用機械脫水技術與電滲脫水技術，將泥漿含水率降至60%，解決了電滲處理泥漿時間長、陽極存在腐蝕和熱損失等問題；趙靜文[17]改良出適用于市政工程的可移動式泥漿處理設備，可實現真空自吸與二次壓榨，且可解決入料口易堵塞的問題，利用該設備處理后的泥漿含水率約為35%，處理效果較好。陳聰[18]研發出機械加壓泥漿脫水機，提高了設備適應性和產量可調能力，該設備將濾液排出口與真空泵相連，利用負壓將濾液排出設備，同時利用余熱對泥餅進行再次干化，減小泥餅含水率。目前，過濾與分離機械存在一定缺點，如真空過濾機成本高、維修復雜；帶式脫水機占地面積和沖洗水量均較大，濾布和濾袋需及時更換清洗；板框式脫水機附屬設備多，故障率高。因此，過濾與分離機械需向大型化、節能化、機械化、自動化、智能化等方向轉變。

2.3 絮凝脫水技術

應用絮凝脫水技術時，利用絮凝劑進行泥漿處理，達到固液分離的目的，處理流程如圖1所示。不同絮凝劑作用機理不同，Jaditager等[19]研究了粉煤灰基地質聚合物質量比為6%，12%，18%時含水率400%的泥漿沉降行為，研究結果表明，由于粉煤灰基地質聚合物凝膠包覆了建筑泥漿中的泥顆粒，可使泥漿沉降時間縮短；Asano等[20]利用殼聚糖處理泥漿，并進行脫水試驗，研究結果表明，摻入0.6%～1.4%的絮凝劑時，96%以上的懸浮顆粒可被分離，最終得到含水率>75%的泥餅；有機高分子絮凝劑具有更高的相對分子質量，絮凝效果更優[21]。近年來，常用復配絮凝劑聯合處理泥漿，以提高脫水效果，如Wang等[22]采用陰離子聚丙烯酰胺與氯化鐵復配絮凝劑，結合真空預壓技術處理建筑泥漿，發現復配絮凝劑可有效增強絮凝作用，增大泥漿粒徑；Lin等[23]發現當選擇金屬離子作為調理劑，無機絮凝材料結合陰離子聚丙烯酰胺作為絮凝劑處理建筑泥漿時，脫水后的泥漿含水率<30%。總體來說，絮凝脫水技術處理建筑泥漿的效果較好，應根據絮凝劑特點有針對性地選用處理技術。目前，已有學者通過改性和復配制備性能更優的絮凝材料。

圖1 絮凝脫水流程

2.4 固化處理技術

采用固化處理技術時，將固化材料加入高含水率建筑泥漿中，充分混合后可增加泥漿強度，處理流程如圖2所示。固化材料為增進固化反應的物質，一般通過與泥漿土顆粒和水發生交聯聚合反應，生成高分子聚合物，從而固化泥漿。固化材料包括水泥、石灰、粉煤灰、硅粉等[24-27]，需根據泥漿種類、含水率等確定固化材料種類和添加量，并進行試配試驗。

圖2 固化處理流程

郭清春等[28]將水泥、粉煤灰、礦粉等制成復配固化材料，并將其應用于建筑泥漿處理中，取得一定經濟效益；陳源等[29]對海南紅黏土泥漿進行固化試驗研究，得到固化材料最佳配合比為2%水泥+0.5%硅酸鈉+0.1%硫酸鋁；張云等[30]利用氫氧化鈣固化泥漿，經試驗分析得到最佳明礬用量為15kg/m3，最佳石灰用量為20kg/m3；Jin等[31]對真空預壓過程中泥漿沉降、排水量、孔隙水壓力、抗剪強度、彈性波波速和固結程度進行對比分析，結果表明石灰可改變泥漿結構，增加孔隙率，并加速水力傳導，確定了最佳石灰用量為4%；朱明等[32]使用建筑泥漿制作免燒磚，并進行強度與微觀物相測試分析，發現由石灰-水泥體系制備的免燒磚具有更高的抗壓強度，硫鋁硅酸鹽與建筑泥漿可形成更致密的微觀結構；胡軍等[33]對建筑泥漿固化分離處理技術進行了系統研究,分析總結了廢棄泥漿免壓濾直接固化分離工藝，減少了水資源投入，解決了泥漿外運對環境的影響問題，加快了樁基施工進度。

固化處理技術成本低、操作簡單，常用無機膠凝材料處理建筑泥漿，但泥漿中的有機物會影響凝固過程，降低固化產物化學穩定性，因此，需研發新型綠色膠凝材料，如植物纖維、天然聚合物等。

2.5 燒結處理技術

調節建筑泥漿含水率后，使用造粒裝置以預定粒度在900 ℃下烘烤泥漿，燒結處理后的泥漿可作為磚、砌塊、排水材料、骨料、綠色化基礎材料、園藝用土等，燒結制磚工藝流程如圖3所示。錢圣德等[34]研發出深度脫水固化制磚設備，在泥漿中摻加無機添加劑與生石灰，利用高壓空氣或高壓水進行壓榨固化，制成含水率<60%的泥餅，由輸送機送至深度脫水固化制磚設備制成磚坯；盧琦淮等[35]利用建筑泥漿、脫硫石膏和粉煤灰等制成大尺寸多孔燒結砌塊，將建筑泥漿、脫硫石膏和粉煤灰配合比控制為12∶3∶2時，可使多孔燒結砌塊抗壓強度平均值≥10MPa，且使成本降低20%以上；王建義等[36]將建筑泥漿制成保溫隔熱多孔砌塊、保溫空心砌塊、隔墻板和輕質空心磚等。燒結制磚是建筑泥漿資源化利用的較好途徑，可解決環境污染問題，有利于研發環保節能墻材。

圖3 燒結制磚工藝流程

2.6 直接改良技術

目前，常用于直接改良建筑泥漿性狀的材料包括水泥和石灰，相關學者正在研發新型改良材料，如高分子系吸水性樹脂、無機改性劑等。高分子系吸水性樹脂利用改性劑吸水性降低表觀含水率，以提高改性泥漿固化性能，可降低土壤流動性且便于運輸，許祥俊[37]研制了聚合物吸水樹脂。無機改性劑主要由吸水率較高的黏土礦物組成。將干燥的粉煤灰加入建筑泥漿中，可降低泥漿含水率，且可調整泥漿粒度分布，雖然無法提高泥漿單軸抗壓強度，但可改善泥漿壓實性能，制成的泥餅可用于填充路堤[38]。當建筑泥漿含水率較高時，需增加改良材料添加量，這在一定程度上增加了直接改良技術難度。Tsuchida等[39]研發了輕質脫水泥餅技術，并利用該技術進行建筑泥漿再利用，泥漿密度可保持為1.0～1.2g/cm3，該技術已在海港和沿海機場工程中得到應用。

3 建筑泥漿資源化利用存在的問題

1)未制定區域標準

經改良的脫水泥餅需滿足有關標準要求，目前美國、日本、德國等發達國家從政府層面建立了較完善的法律、法規體系，從行業層面建立了切實可行的標準、規范體系，以促進建筑垃圾資源化利用[40]。而我國發布的標準、規范較少，未制定區域標準。

2)泥漿處理不當

目前，我國建筑泥漿存在隨意投棄、填埋等問題，而日本通過傳票制度遏制非法處理建筑垃圾現象[41]，新加坡將建筑垃圾處理情況納入驗收指標體系，對于處理未達標的建筑垃圾，不予發放建筑使用許可證，同時將建筑垃圾循環利用納入綠色建筑標志認證考核范圍[42]。

3)技術存在局限性

對于狹小空間，無法安裝現有建筑泥漿處理設施，導致技術無法應用。某些技術存在一定局限性，如采用燒結處理技術時，無法進行施工現場生產，需將材料運至磚窯燒制成磚。多數技術改良效果評判標準取決于材料單軸抗壓強度是否滿足要求，缺乏多指標的綜合判定。

4)存在環境安全問題

使用水泥和水泥基固化材料進行泥漿穩定化處理時，有時會出現重金屬超標現象，需進行重金屬溶出試驗，并根據國家土壤環境標準采取適當措施，確保重金屬溶出量不超過土壤環境標準值。使用水泥和石灰等固化材料制備的脫水泥餅通常表現為高堿度，可能影響周圍地區自然環境，須采取酸堿度中和措施。

4 改進建議

針對建筑泥漿資源化利用存在的問題，提出建筑泥漿處理流程(見圖4)，以期為建筑泥漿回收管理提供參考，并提出以下改進建議：①合理利用脫水、固化、直接改良等處理技術實現建筑泥漿固液分離，優化處理工藝，更新升級處理設備，開發新型環保改良材料；②加強建筑泥漿資源化利用研究力度，大范圍推廣建筑泥漿在回填路基、制磚、城市綠化用土中的應用；③建立健全相關法律、法規體系，制定區域標準，完善相關施工要求；④加大環保投入力度，解決建筑泥漿資源化利用中的環境安全問題。

圖4 建筑泥漿處理流程

5 結語

建筑泥漿處理技術的選擇依賴于泥漿自身特性、處理效果、所需成本及資源化利用目標等，不同施工條件及處理方式下泥漿利用效果差異較大。針對建筑泥漿大量出現且成分復雜的問題，需進行資源化、減量化、穩定化、無害化利用研究。通過采用多種建筑泥漿脫水干化技術及合理的工藝參數，達到泥漿優化處理的目的。建筑泥漿處理過程中存在的環境安全問題制約了其資源化發展，需通過理論分析與實踐應用深入研究泥漿循環利用技術，不斷降低泥漿處理難度，提高處理效率，消除對環境的影響。