工程廢棄泥漿環保處置技術及應用現狀

夏新星 羅偉

摘 要：本文針對現階段國內外工程廢棄泥漿環保處置技術的發展，分析了工程廢棄泥漿的來源、組成和性質，隨后詳細介紹了工程廢棄泥漿的環保處置技術和資源化利用技術，并提供了盾構廢棄泥漿環保處置的典型案例。分析認為，結合我國實際情況，研制高效的泥漿調理劑、泥漿固化劑和泥漿處置設備對泥漿環保處置效率的提高和成本控制具有重要意義。

關鍵詞：廢棄泥漿;環保處置;固液分離;固化法

中圖分類號：X505文獻標識碼：A文章編號：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

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，廣泛應用于鉆孔灌注樁施工、盾構掘進施工和地下連續墻施工中，能夠起到鉆孔護壁、防止塌方、排出鉆渣、冷卻并潤滑鉆頭或刀盤等作用。工程泥漿（渣土）按產生來源劃分，主要有以下幾類：第一，鉆孔樁基施工泥漿，即在旋挖鉆機、正反循環鉆機、沖擊鉆機等鉆進成孔施工過程中產生的泥漿;第二，地下連續墻施工泥漿，主要由連續墻、雙輪銑等設備成槽施工方式產生的泥漿;第三，盾構施工泥漿，包括泥水平衡盾構成隧施工、土壓平衡盾構成隧施工產生的泥漿;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生的泥漿;第五，油氣鉆井廢棄泥漿，指油氣田勘探開發過程中鉆井作業產生的泥漿。

1.2 工程廢棄泥漿的性質

廢棄泥漿是一種由水、膨潤土顆粒、黏性土顆粒、鉆渣及外加劑組成的穩定的懸濁體系[1]，具有以下基本性質：第一，含水率高，水分占比在70%以上，包括間隙水、毛細結合水、吸附水和內部水等多種形態，水分難以脫去，自然風干緩慢;第二，黏度大，呈流體或者半流體狀態;第三，固體顆粒以細顆粒為主，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和無機成分，導致廢棄泥漿中的CODCr含量、表面化學活性劑及多種重金屬等有害物質含量較高，隨意排放會造成環境污染。

2 工程廢棄泥漿環保處置技術

工程廢棄泥漿處理方法的選擇需要綜合考慮項目需求、施工現場條件、工期、成本等，尤其是現場泥漿特性。國內外對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，鉆井液轉變成水泥漿）技術、坑內填埋、注入安全地層或環形空間等。其中，固液分離法和固化處理法是目前應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行處置，達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、泥漿調理、泥漿脫水和泥餅與尾水處置（見圖1）。

現有的工程泥漿調理工藝，大多沿用活性污泥化學調理方法，即向泥漿中加入絮凝劑，使固體顆粒表面發生電中和等化學反應。該反應能夠中和帶電基團，使固體顆粒之間凝聚力增大、體積增加，改善污泥過濾性能，破壞泥漿的膠體結構，分離出廢棄泥漿中的水溶液。常用的泥漿調理劑包括無機絮凝劑類和有機高分子絮凝劑。其中，無機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;有機高分子絮凝劑有動物膠、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。對廢棄泥漿最優調理劑的篩選是目前研究的熱點。梁止水等采用化學絮凝的方法對建筑廢棄泥漿快速泥水分離性能進行了試驗研究。結果表明：有機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廢棄泥漿脫水性能的影響。結果表明：有機絮凝劑主要通過吸附架橋和卷掃網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]。張呂林等人針對巖土工程施工過程中產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產生的廢棄泥漿，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）開展室內絮凝沉降試驗研究。結果表明，現場采用添加量為0.5%的陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）進行泥漿絮凝處理效果良好，可快速達到理想的絮凝、沉降、上浮、污泥脫水處理效果[4]。因此，根據泥漿的性質針對性地篩選泥漿調理劑對泥漿脫水效率的提高很有必要。

調理過的泥漿最后進行脫水處理，常用的脫水方式有濾袋脫水和機械脫水。濾袋脫水的原理是將泥漿注入濾袋內加壓過濾以實現固液分離，該技術在國內的應用較少。目前，國內外普遍采用的泥漿脫水方式為機械脫水，其具有脫水效率高、占地少、惡臭環境影響小的特點。機械脫水的種類較多，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械設備為轉鼓真空過濾機，壓濾脫水技術已開發出帶式壓濾機和板框壓濾機兩大類脫水機械設備，離心脫水技術常見的是臥式螺旋離心機脫水設備。

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生成具有一定強度的固體或生成適合植被生長的土壤。該方法可大大減少廢棄泥漿對生態環境的影響，具有成本低、操作便捷、易回填還耕等優勢。目前，泥漿的固化處理多采用無機膠凝材料，包括水泥、石灰、粉煤灰、礦粉等，具有價格低廉、固化強度高的優勢;但是，也具有高堿性、易污染環境、摻量較多等劣勢，開發新型環保固化劑是該技術大范圍應用的關鍵。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%粉煤灰對泥漿池內泥漿進行固化處置，泥漿含水率降低至45%，無側限抗壓強度提高顯著[5]。平洋等人采用復合環保型固化劑RCA對地鐵盾構泥漿和樁基施工泥漿分別進行了快速固化處理。結果表明，該固化劑可將快速流動的泥漿迅速變為可塑狀態，固化后土體的污染物浸出也滿足《污水綜合排放標準》（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，是一種潛在的工業資源。為提高資源利用水平，減少固廢產生，建筑泥漿的資源化利用已成為研究的熱點問題。建筑泥漿的資源化利用主要表現為：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。砂石的利用較為簡單，利用洗砂機、高頻振動篩、旋流分離器等機械設備能實現細沙、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雜，由于脫水后泥餅強度較低，作為路基回填時需要對其進行評價;若作為種植用土，則需要添加一定的肥料進行改性處理。

4 典型工程案例

4.1 項目概況

深圳地鐵六號線支線工程某區間施工長度為3.07 km，所穿越地層巖性主要為砂質黏土、混合花崗巖地層。項目采用兩臺復合式土壓平衡盾構機進行區間隧道掘進，盾構施工過程中產生大量盾構廢棄泥漿。為了實現盾構泥漿的環保處置，現場搭建了廢棄泥漿處理站，對盾構掘進產生的廢棄泥漿采用機械脫水法進行處置。

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、板框壓濾區和泥餅堆放區。其中，篩分區和板框壓濾區采用立體分層式設計，節省占地空間。泥漿處理站正常運行工藝流程如下（見圖2）：①盾構泥漿通過軌道運輸車運輸至隧道出口，通過龍門吊將泥漿倒入泥漿池;②采用挖機從泥漿池投料至篩分系統，篩分系統主要由滾筒篩、洗砂機、旋流器和高頻振動篩組成，以流水線的形式對泥漿進行初篩分離石塊、細篩分離細沙和均質泥漿;③均質泥漿進入泥漿調理池，在2臺大型攪拌器的作用下進行泥漿調理;④調理后的泥漿經砂漿泵輸送至2臺板框機進行壓濾，壓濾后的泥餅經皮帶機輸送至泥餅堆場區，尾水流入清水池進行篩網沖洗、泥漿調理等。

4.3 泥漿處置效果

廢棄泥漿經泥漿站處理后，能分離出大顆粒碎石、細沙和泥餅3種固體材料。碎石和細沙經過充分水洗和篩分，含泥量低，力學性能良好，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，滿足盾構施工廢棄泥漿的環保處置要求，節省了工程施工占地和泥漿外運處置費用，保障了盾構施工的穩定推進。

5 結語

在當今土地資源緊缺，施工場地受限的背景下，小型化、模塊化的泥漿處置設備具有較高的需求。完善泥漿資源化利用技術，減少廢棄泥漿處置成本，甚至通過泥漿資源化利用創造經濟效益，對提高廢棄泥漿環保處置程度具有推動作用。

參考文獻：

[1]陳亮.建筑樁基工程泥漿處理技術[D].重慶：重慶交通大學，2016：24.

[2]梁止水，楊才千，高海鷹，等.建筑工程廢棄泥漿快速泥水分離試驗研究[J].東南大學學報（自然科學版），2016（2）：427-433.

[3]高宇，周普玉，楊霞，等.絮凝劑對工程廢棄泥漿脫水性能的影響[J].環境工程學報，2017（10）：5597-5602.

[4]張呂林，龔習煒，張蘇皖，等.粘粉土地層工程廢棄泥漿絮凝脫水試驗研究[J].河北工程大學學報（自然科學版），2020（4）：20-25，33.

[5]魏雁冰，陳良向，范明橋，等.固化法處理建筑泥漿池的試驗研究[J].中國港灣建設，2016（4）：26-29.

[6]平洋，油新華，馬慶松，等.工程廢棄泥漿快速無害化處理研究[J].施工技術，2020（7）：114-116.