水凝膠固化廢棄泥漿的處治方法研究

馬 強，門 本

（四川公路橋梁建設集團有限公司大橋工程分公司，四川 成都 610015）

0 引言

隨著 “十四五” 規劃的逐步開展，中國城市化進程越來越快，以橋梁、城市地鐵、高速公路及隧道等為主的基礎建設也呈穩步上升的狀態。同時，隨著低碳環保理念的大力推進，工程建設中的環保要求也在逐步提高。其中對工程廢棄泥漿的處治是一項對環境保護影響顯著的工作。

工程廢棄泥漿是各種工程中常見的一類廢棄物。我國每年建筑泥漿的產生量可達到數億立方米，2015年上海工程泥漿申報總量達620萬t，南京每年就能夠產生1 000多萬立方米［1-2］。以上海某工程項目［3］為例，該工程總占地面積為26 144 m2，分地上與地下兩部分，在整個樁基施工過程中產生的泥漿量約為10 060 m3；武漢某工程［4］項目數據顯示，該工程總基底面積約45 808 m2，基坑總面積約31 268 m2，整個基坑開挖深度5.55 m～17.75 m，其中地下連續墻和樁基施工將產生大約70 000 m3廢棄泥漿；廈門某隧道工程［5］采用盾構法施工，長度893.4 m，線路埋深15.2 m～16.4 m，掘土體積1 010 m3，盾構出漿量約為2 021 m3～3 032 m3。巨大的廢棄泥漿量已經嚴重的影響生態環境，對環境造成嚴重的危害。

以鉆井泥漿為例，在油井鉆進的過程中產生大量的污染物中最具破壞性的即廢棄泥漿。2002年危險廢物調查中鉆井泥漿已被列為危險廢物［6］。原因在于廢棄泥漿中銅、鋅、鎳等多種元素及毒性較強的物質多，且各類聚合物的pH值較高，導致土壤結構發生嚴重破壞；一旦廢棄泥漿排入水體中，會嚴重破壞水質、影響水生動植物的生長。不僅如此，部分物質還會以離子的形式存在于環境中，有使人類及其他動物的生命健康受到嚴重威脅的可能性［7-8］。

廢棄泥漿中黏土類礦物的同晶置換通常會導致微粒帶負電荷，進而形成雙電層，雙電層中吸附層與擴散層之間的電位差稱為ζ電位。李沖等［9］的研究中表明在泥漿初始pH值（7.2～8.8）下，其ζ電位在-12.686 mV～-17.545 mV范圍內波動。通常電位差愈大，黏土微粒周圍的水化膜愈厚，微粒之間愈不易因碰撞而粘結，使廢棄泥漿難以脫穩和沉降。

目前廢棄泥漿處治方法缺乏及時性與高效性，因此，廢棄泥漿的規范處理和資源化利用已成為工程界迫切關注的一個問題。開發一種高效率、低耗能且環保的廢棄泥漿處理方法已刻不容緩。本文通過對工程泥漿進行文獻調查研究，分析泥漿的不同處治方法，提出了利用水凝膠特殊的網絡結構處理廢棄泥漿的方法。

1 廢棄工程泥漿的研究

泥漿是一種由水、膨潤土顆粒、黏性土顆粒以及外加劑組成的一種懸濁體系，通常由膨潤土或黏性土與水配制而成。一般的工程泥漿中，固體顆粒占20%～30%體積分數，分散在70%～80%的水中。泥漿作為一種工程輔助施工材料，被廣泛運用于鉆孔灌注樁施工、盾構施工和地下連續墻施工等工程中，主要承擔護壁、排渣、冷卻、清孔等作用［10］。在施工過程中，開鑿工具切削巖石的同時會產生大量鉆屑，最終沉積在工程泥漿中。該現象的存在導致經使用工程泥漿的成分特征發生較大改變，導致其性能無法滿足施工使用要求，只能進行廢棄處理。一般來說不同工程施工產生的廢棄泥漿的性能特征相對存在差異。

1.1 樁基泥漿

樁基泥漿可以根據實際工程情況分為鉆孔灌注樁基泥漿和地下連續墻泥漿，泥漿的成分以黏土和水為主，同時含有大量礦物。樁基泥漿因配制過程中不添加有毒有害試劑，且在施工過程中也不改變泥漿的理化性質，導致該種泥漿有成分污染物單一、處理難度相對較小等特點。樁基工程的廢棄泥漿數量通常與鉆孔直徑、鉆孔深度以及處理方式等有關，一般為成孔體積的3倍～5倍，是一種常見的工程泥漿。通常，該種泥漿具有一定黏度，呈現較穩定的分散系狀態，同時具有膠體和懸浮體的性質，很難自然沉降［11］。

以深圳［12］某工程所使用的工程泥漿為例，該工程所使用的泥漿的理化特性如表1所示。該工程所使用的泥漿呈堿性，相對密度略高于水，膠體率高；且由于其黏度相對較大，自然沉降的速度較慢，如果采用自然沉降的方式進行處理則需要大量時間。泥漿的粒徑分布如圖1所示，泥漿中固體顆粒粒徑在1μm～100μm范圍進行分布，且約占總體積的85%；其中粒徑約15μm的顆粒含量所占體積比最大。理論上泥漿中粒徑大于15μm的顆粒可以采取自然沉淀的方式對泥水進行分離加速泥漿的處治，但當固體顆粒粒徑小于15μm時，由于其分散性優于尺寸較大的顆粒、較難通過自然靜置的方法分離。所以，由于該工程所使用的泥漿中粒徑小于15μm的固體顆粒體積占比達到了40%，故而選擇自然沉淀的方法很難在短時間內達到水泥分離的效果。

表1 深圳某工程泥漿理化特性

圖1 深圳某工程泥漿的粒徑分布

1.2 盾構泥漿

盾構泥漿是在隧道工程中使用泥水平衡盾構法進行施工時產生的一種工程泥漿。該種泥漿具有黏性大、有機質含量較少、含有添加劑、產量大等特點。泥水盾構的出漿量一般為隧道挖土體積的2倍～3倍［13-15］。盾構穿越的主要地層為雜填土、粉質黏土、粉土、粉砂、細砂、粗砂、卵石土等，其中粉質黏土層中細顆粒占比較多，也是盾構泥漿中存在的固體顆粒的構成部分。

以廈門軌道交通1號線一期工程的蓮坂站—蓮花路口站區間施工現場沉淀池底部泥漿為例。該工程中所使用的泥漿經MS3000型激光衍射法粒度分析儀檢測發現，泥漿的土粒組成如圖2所示（數據為累計占比）。與樁基泥漿相似，該工程所使用的盾構泥漿中含有的固體顆粒的粒徑在1μm～100μm區間分布。不過，泥漿在1μm～100μm范圍內各粒徑顆粒含量幾乎呈等量分布。固體顆粒主要由黏粒、粉粒和細砂組成，無中砂及以上粒徑顆粒。表2為泥漿原樣的物理化學性質，從表2數據可知盾構泥漿的密度及pH值與樁基泥漿相近，但其含水率遠低于樁基泥漿，導致泥漿所呈現出的狀態為流動性差。此外，該工程所使用的盾構泥漿的有機質含量（質量分數）約為7%，為有機質土。

圖2 泥漿粒度成分累計分布曲線

表2 泥漿物理化學性質

1.3 鉆井泥漿

鉆井泥漿是鉆井工程中以潤滑冷卻鉆頭、平衡井下壓力所制備使用的一種工程泥漿。鉆井泥漿多以膨脹土、鹽水黏土及多種化學處理劑等為主要成分經混合形成泥狀物質［16］。一般，可根據泥漿的分散介質將鉆井泥漿分為水基、油基、氣基三種不同的類型。其組成較為復雜，除了油、水等基本分散介質外，還包括活性劑與處理劑。漿體呈黏稠流體狀態，含有的固體顆粒具有粒徑小、級配差、黏度大、含水率高且不易脫水等特點，是一種典型的黏稠狀膠體。

鉆井工程廢棄泥漿的含油量較高，部分井含油量在10%以上；同時，鉆井液處理劑和鉆井材料的存在導致泥漿中有一定量的有毒有機物和無機污染物，多以聚合物、重金屬及其他雜質存在。

盤錦某油田廢棄泥漿有害物質含量如表3所示，可見廢棄的鉆井泥漿中含鉛、鉻等有害物質，且含量相對較大，整體泥漿呈現強堿性。鉆井泥漿的pH值普遍較高，一般為8.15～9.10，最高可達12。

表3 盤錦某油田廢棄泥漿有害成分

2 廢棄工程泥漿處治方法

廢棄工程泥漿的規范處理和資源化利用逐漸成為工程行業密切關注的一個問題。尋找一種高效率、低耗能且環保的廢棄泥漿處理方法已刻不容緩。關于泥漿的處治多采用下述六種方法進行，不同工程情況所適合的方法有所不同。

2.1 土地耕作法

土地耕作法是一種利用工程機械將廢棄的泥漿均勻撒布在土壤表面，利用微生物吸收、利用泥漿中有害物質進而降解泥漿的方法。當工程周邊有豐富的土壤場地資源，且土壤結構適合土地耕作法時，可采用該種方法。土地耕作法具有易于操作、處理周期短和經濟實惠等特點。不過，廢棄泥漿中的各種處理劑的生物毒性有引起微生物的死亡的可能性，或導致微生物消解速度減緩甚至停止消解。此外，該方法受土壤結構的影響相對較大，當所選土壤的吸附能力較差時，微生物未能完全對泥漿中的有毒有害物質進行消解時廢棄泥漿就滲透到地下，可能造成地下水污染。同時，泥漿的撒布量可顯著影響其處治效率及周邊環境，當單位時間內泥漿的撒布量多則容易發生降低土壤滲透性、導致土地板結和鹽堿化的現象。

2.2 沉淀法

沉淀法通常可分為自然沉淀法和化學絮凝沉淀法兩種。

自然沉淀法是一種通過在低洼地或簡易沉淀池存放廢棄泥漿進行自然沉淀最后起到分層回收泥漿的方法。自然沉淀法由于沒有使用化學制劑對泥漿進行加速分層處理，故其沉淀的速度受泥漿的理化性質影響較大。所處理的泥漿膠體穩定性較大時，通常實現固液分離所花費的沉淀周期相對較長，且效果無法保證。同時，在沉淀過程中受自然環境、天氣變化的影響較大，一旦遇到降雨就有泥漿外溢、污染周邊環境的可能性。

在自然沉淀法的基礎上，針對其處理周期長占地面積大等缺點，研究者們提出了化學絮凝沉淀法。

通過向泥漿中加入絮凝劑，可以破壞泥漿體系的化學穩定性，從而改變泥漿體系的物理、化學性質使其更容易進行分層。化學絮凝沉淀法通過改變廢棄泥漿中黏土顆粒表面的物理性質，讓微小尺寸的固體顆粒產生聚結、加速其沉淀的過程，產生水與固相顆粒快速分離的效果。通常，與自然沉淀法相比化學絮凝沉淀法分離得到的底泥含水率更低，更加利于后續處理工作。不過，該方法有操作較麻煩、處理成本較高等缺點，在采用化學絮凝沉淀法時需合理選擇絮凝劑、精確計算藥品摻量，才可能在保證絮凝劑無毒或低毒性的前提下以較高效率進行泥漿的沉淀工作。

2.3 化學固化法

化學固化法是通過向廢棄泥漿加入固化劑，使其轉化成類似土壤或膠結強度很大的固體的方法。一般能較迅速地處理大量泥漿，但處理成本較高，后期處置復雜，適合污染物成分復雜且含量高的泥漿，常用于油田鉆井泥漿及化工廠泥漿的處理中。

2.4 直接排放法

直接排放法即將廢棄泥漿運至指定地點，直接廢棄或簡單填埋。該方法操作簡單，無特殊技術要求，但存在運輸成本高、選購廢棄場地花費高、容易造成環境污染、不能回收利用等缺點，已逐漸減少或被禁止使用。

2.5 注入安全地層或環形空間法

注入安全地層或環形空間法通常用于處理高毒性的廢棄泥漿，如油基和水基廢泥。一般通過注入的方式將廢棄泥漿灌注于深度大于600 m的非滲透地層或鉆孔環形空間中。

不過，由于該種方法相對特殊，可能會導致周圍水體的污染且對施工水平有較高要求，一旦施工不當容易導致地下水或油氣貯藏的污染。故而該法的使用在較多國家受到限制。

2.6 MTC轉化技術

MTC轉化技術［17-18］于20世紀90年代被提出，是美國為了改變鉆井和固井作業方法而發明的一種方法。通過在鉆井液中加入水淬高爐礦渣、激活劑等材料，使其轉變為滿足固井性能的水泥漿進行再利用。但該方法僅限使用于鉆井泥漿的處理中，應用于其他廢棄泥漿的處理上還需考慮。

上述幾種處理方法是目前常用的方法，根據施工工程類型、廢棄泥漿的性能特征和產量、施工現場的環境敏感性及其要求、水文、氣象、土壤條件等條件選擇合適的處理方法。不過這些方法存在一些缺點，不能夠完全滿足對廢棄的泥漿高效率、低能耗、低費用的處理要求，以及實現泥漿處理的污染零排放和泥漿處理產物的再利用。從不同的角度出發，追求更好處理手段，本文提出利用水凝膠特殊的網絡結構處理廢棄泥漿的方法。

3 水凝膠軟固化廢棄工程泥漿

3.1 水凝膠

水凝膠是一種能在水中溶脹并保持大量水分且不被溶解的交聯聚合物，具有高分子網絡結構體系，可以保持一定形狀。通過聚合物的溶脹可以保持較高的含水量，含水量（質量分數）可達99%以上，具有介于固體和液體之間的性質，使得水凝膠有廣闊應用場景［19］。

水凝膠有一定力學強度，主要由凝膠的交聯構成。通過增加交聯劑的用量，可提高交聯密度、改善凝膠強度。不過，水凝膠的溶脹行為與其力學性能成反比例關系，提高強度的同時會導致溶脹度降低，所以針對不同的使用要求需選擇相符的水凝膠。

3.2 水凝膠的體系

水凝膠根據其使用的基礎材料及對應的交聯劑的不同，可分為多種不同的體系。例如可以使用聚丙烯酸構成聚丙烯酸類水凝膠。

聚丙烯酸是一種性能特異的水溶性有機高分子，在高溫或長期光照下，低分子量的聚丙烯酸能進行再聚，使其分子量繼續增加，黏度也隨之增大。

聚丙烯酸類水凝膠中含有大量羧基親水基，是典型的pH敏感型水凝膠。聚丙烯酸體系水凝膠在農業、生物醫學等領域上有較廣泛的應用［20-21］，常見產品有退熱貼、水凝膠微球等。

也可使用殼聚糖形成水凝膠。殼聚糖是一種線形多糖，是一種陽離子聚電解質，廣泛存在于節肢動物和軟體動物的甲殼、低等植物藻類等生物中，具有良好的生物相容性、刺激響應性和可降解性，且不易導致免疫反應，故殼聚糖基水凝膠常被用于醫藥領域。

海藻酸鈉也可形成水凝膠。海藻酸鈉是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸組成的線型聚合物，每個糖醛酸單元上含有一個羧基。因此，海藻酸鈉在中性或堿性條件下呈現聚陰離子電解質的性質，當有Ca2+，Sr2+等陽離子存在時，可發生離子交換反應形成交聯網絡結構。

此外，還有纖維素基水凝膠等多種不同特性的水凝膠。

3.3 水凝膠的交聯

水凝膠的交聯形式通常有物理交聯、化學交聯和輻射交聯三種。

物理交聯是通過靜電作用、離子相互作用、氫鍵作用等物理作用形成凝膠。物理交聯水凝膠在形成水凝膠前以大分子溶液的狀態存在，當溫度、pH值等外部條件發生變化時，析出分散介質交聯形成凝膠。

化學交聯主要是采用光、熱、機械力、超聲波等手段通過加入交聯劑將鏈狀大分子的化學鍵聯結起來，形成網狀或體形結構高分子。交聯劑在該過程中作為起架橋分布在線型分子間，使多個線型分子相互鍵合交聯成網絡結構，促進、調節聚合物分子鏈間共價鍵或離子鍵形成。由化學鍵交聯能形成永久性的三維網絡聚合物［22-24］。

輻射交聯是一種利用各種輻射引發聚合物高分子長鏈之間的交聯反應的方法。通常選擇紫外光、γ射線進行照射單體或單體溶液，使其產生主鏈線性分子的聚合，再引發鏈狀高分子聚合物交聯形成水凝膠。與需使用交聯劑的化學交聯相比，輻射交聯有反應條件溫和、不需交聯劑產物純凈、工藝簡單等優點，更加適用于醫學材料領域。

4 結語

本文通過對不同工程泥漿進行了文獻綜述，分別闡述了不同泥漿的特點，并總結分析了不同種類的泥漿處治方法，最終提出采用水凝膠固化泥漿的方法。通過對水凝膠體系的研究分析，本文認為通過使用水凝膠固化泥漿具有一定可能性，不過需要針對具體使用條件選擇合理的水凝膠體系以及交聯方法，需進一步試驗研究。