工程废弃泥浆环保处置技术及应用现状

夏新星 罗伟

摘 要：本文针对现阶段国内外工程废弃泥浆环保处置技术的发展，分析了工程废弃泥浆的来源、组成和性质，随后详细介绍了工程废弃泥浆的环保处置技术和资源化利用技术，并提供了盾构废弃泥浆环保处置的典型案例。分析认为，结合我国实际情况，研制高效的泥浆调理剂、泥浆固化剂和泥浆处置设备对泥浆环保处置效率的提高和成本控制具有重要意义。

关键词：废弃泥浆;环保处置;固液分离;固化法

中图分类号：X505文献标识码：A文章编号：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 工程废弃泥浆的来源及性质

1.1 工程废弃泥浆的来源

泥浆作为一种工程辅助施工材料，广泛应用于钻孔灌注桩施工、盾构掘进施工和地下连续墙施工中，能够起到钻孔护壁、防止塌方、排出钻渣、冷却并润滑钻头或刀盘等作用。工程泥浆（渣土）按产生来源划分，主要有以下几类：第一，钻孔桩基施工泥浆，即在旋挖钻机、正反循环钻机、冲击钻机等钻进成孔施工过程中产生的泥浆;第二，地下连续墙施工泥浆，主要由连续墙、双轮铣等设备成槽施工方式产生的泥浆;第三，盾构施工泥浆，包括泥水平衡盾构成隧施工、土压平衡盾构成隧施工产生的泥浆;第四，非开挖施工泥浆，主要指水平定向钻及泥水顶管施工产生的泥浆;第五，油气钻井废弃泥浆，指油气田勘探开发过程中钻井作业产生的泥浆。

1.2 工程废弃泥浆的性质

废弃泥浆是一种由水、膨润土颗粒、黏性土颗粒、钻渣及外加剂组成的稳定的悬浊体系[1]，具有以下基本性質：第一，含水率高，水分占比在70%以上，包括间隙水、毛细结合水、吸附水和内部水等多种形态，水分难以脱去，自然风干缓慢;第二，黏度大，呈流体或者半流体状态;第三，固体颗粒以细颗粒为主，直径在0.1～100 μm，难以自然沉淀分离;第四，污染物含量高，泥浆制造过程中须加入外加剂，外加剂中包含多种有机和无机成分，导致废弃泥浆中的CODCr含量、表面化学活性剂及多种重金属等有害物质含量较高，随意排放会造成环境污染。

2 工程废弃泥浆环保处置技术

工程废弃泥浆处理方法的选择需要综合考虑项目需求、施工现场条件、工期、成本等，尤其是现场泥浆特性。国内外对废弃泥浆有多种处理方法，包括固液分离法、固化处理法、MTC（Mud-to-Cement，钻井液转变成水泥浆）技术、坑内填埋、注入安全地层或环形空间等。其中，固液分离法和固化处理法是目前应用最为广泛的处理方法。

2.1 固液分离法

固液分离法的基本原理为通过沉淀、过滤、加压等多种物理手段分离出泥浆中的水分，得到干化的泥土后进行处置，达到泥浆减量化的目的。利用固液分离法处理泥浆的步骤包括泥沙分离、泥浆调理、泥浆脱水和泥饼与尾水处置（见图1）。

现有的工程泥浆调理工艺，大多沿用活性污泥化学调理方法，即向泥浆中加入絮凝剂，使固体颗粒表面发生电中和等化学反应。该反应能够中和带电基团，使固体颗粒之间凝聚力增大、体积增加，改善污泥过滤性能，破坏泥浆的胶体结构，分离出废弃泥浆中的水溶液。常用的泥浆调理剂包括无机絮凝剂类和有机高分子絮凝剂。其中，无机絮凝剂类有聚合氯化铝、聚合硫酸铁、三氯化铁、硫酸亚铁、生石灰、氢氧化钙等;有机高分子絮凝剂有动物胶、骨胶、淀粉、聚丙烯酰胺及部分水解物、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇等。对废弃泥浆最优调理剂的筛选是目前研究的热点。梁止水等采用化学絮凝的方法对建筑废弃泥浆快速泥水分离性能进行了试验研究。结果表明：有机絮凝剂具有良好的泥水分离效果，其中阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）效果最好[2]。高宇等研究了添加不同种类及不同用量的絮凝剂对废弃泥浆脱水性能的影响。结果表明：有机絮凝剂主要通过吸附架桥和卷扫网捕作用絮凝沉降泥浆颗粒，阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）的絮凝效果优于阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）和聚合氯化鋁（PAC）[3]。张吕林等人针对岩土工程施工过程中产生的大量废弃泥浆的快速减量问题，选取在黏粉土地层施工时产生的废弃泥浆，分别添加阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）、非离子型聚丙烯酰胺（NPAM）以及聚合氯化铝（PAC）开展室内絮凝沉降试验研究。结果表明，现场采用添加量为0.5%的阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）进行泥浆絮凝处理效果良好，可快速达到理想的絮凝、沉降、上浮、污泥脱水处理效果[4]。因此，根据泥浆的性质针对性地筛选泥浆调理剂对泥浆脱水效率的提高很有必要。

调理过的泥浆最后进行脱水处理，常用的脱水方式有滤袋脱水和机械脱水。滤袋脱水的原理是将泥浆注入滤袋内加压过滤以实现固液分离，该技术在国内的应用较少。目前，国内外普遍采用的泥浆脱水方式为机械脱水，其具有脱水效率高、占地少、恶臭环境影响小的特点。机械脱水的种类较多，按脱水原理可分为真空过滤脱水、压滤脱水、离心脱水。常用的真空过滤脱水机械设备为转鼓真空过滤机，压滤脱水技术已开发出带式压滤机和板框压滤机两大类脱水机械设备，离心脱水技术常见的是卧式螺旋离心机脱水设备。

2.2 固化处理法

固化处理法是指通过向泥浆中加入固化剂，使泥浆与固化剂反应生成具有一定强度的固体或生成适合植被生长的土壤。该方法可大大减少废弃泥浆对生态环境的影响，具有成本低、操作便捷、易回填还耕等优势。目前，泥浆的固化处理多采用无机胶凝材料，包括水泥、石灰、粉煤灰、矿粉等，具有价格低廉、固化强度高的优势;但是，也具有高碱性、易污染环境、掺量较多等劣势，开发新型环保固化剂是该技术大范围应用的关键。魏雁冰等人提出了一种就地固化处理泥浆池以提高地基承载力的新方法，即通过添加4%的水泥和4%粉煤灰对泥浆池内泥浆进行固化处置，泥浆含水率降低至45%，无侧限抗压强度提高显著[5]。平洋等人采用复合环保型固化剂RCA对地铁盾构泥浆和桩基施工泥浆分别进行了快速固化处理。结果表明，该固化剂可将快速流动的泥浆迅速变为可塑状态，固化后土体的污染物浸出也满足《污水综合排放标准》（GB 8978—2017）要求[6]。

3 工程废弃泥浆的资源化利用

废弃泥浆因含有大量砂石和黏土，是一种潜在的工业资源。为提高资源利用水平，减少固废产生，建筑泥浆的资源化利用已成为研究的热点问题。建筑泥浆的资源化利用主要表现为：一是泥浆中筛分出的砂石作为建筑原料直接利用，二是脱水泥饼或固化土的回收利用。砂石的利用较为简单，利用洗砂机、高频振动筛、旋流分离器等机械设备能实现细沙、粗砂和石块的分类与收集，直接用于建筑施工。脱水泥饼和固化土的利用则较为复杂，由于脱水后泥饼强度较低，作为路基回填时需要对其进行评价;若作为种植用土，则需要添加一定的肥料进行改性处理。

4 典型工程案例

4.1 项目概况

深圳地铁六号线支线工程某区间施工长度为3.07 km，所穿越地层岩性主要为砂质黏土、混合花岗岩地层。项目采用两台复合式土压平衡盾构机进行区间隧道掘进，盾构施工过程中产生大量盾构废弃泥浆。为了实现盾构泥浆的环保处置，现场搭建了废弃泥浆处理站，对盾构掘进产生的废弃泥浆采用机械脱水法进行处置。

4.2 泥浆处置工艺

废弃泥浆处理站位于隧道出口处，主要分为泥浆堆放池、筛分区、板框压滤区和泥饼堆放区。其中，筛分区和板框压滤区采用立体分层式设计，节省占地空间。泥浆处理站正常运行工艺流程如下（见图2）：①盾构泥浆通过轨道运输车运输至隧道出口，通过龙门吊将泥浆倒入泥浆池;②采用挖机从泥浆池投料至筛分系统，筛分系统主要由滚筒筛、洗砂机、旋流器和高频振动筛组成，以流水线的形式对泥浆进行初筛分离石块、细筛分离细沙和均质泥浆;③均质泥浆进入泥浆调理池，在2台大型搅拌器的作用下进行泥浆调理;④调理后的泥浆经砂浆泵输送至2台板框机进行压滤，压滤后的泥饼经皮带机输送至泥饼堆场区，尾水流入清水池进行筛网冲洗、泥浆调理等。

4.3 泥浆处置效果

废弃泥浆经泥浆站处理后，能分离出大颗粒碎石、细沙和泥饼3种固体材料。碎石和细沙经过充分水洗和筛分，含泥量低，力学性能良好，可作为建筑材料;泥饼含水率在30%～35%，满足直接外运处置的要求，也可用于道路绿化种植用土。该泥浆处理站做到了污染物零排放处置，满足盾构施工废弃泥浆的环保处置要求，节省了工程施工占地和泥浆外运处置费用，保障了盾构施工的稳定推进。

5 结语

在当今土地资源紧缺，施工场地受限的背景下，小型化、模块化的泥浆处置设备具有较高的需求。完善泥浆资源化利用技术，减少废弃泥浆处置成本，甚至通过泥浆资源化利用创造经济效益，对提高废弃泥浆环保处置程度具有推动作用。

参考文献：

[1]陈亮.建筑桩基工程泥浆处理技术[D].重庆：重庆交通大学，2016：24.

[2]梁止水，杨才千，高海鹰，等.建筑工程废弃泥浆快速泥水分离试验研究[J].东南大学学报（自然科学版），2016（2）：427-433.

[3]高宇，周普玉，杨霞，等.絮凝剂对工程废弃泥浆脱水性能的影响[J].环境工程学报，2017（10）：5597-5602.

[4]张吕林，龚习炜，张苏皖，等.粘粉土地层工程废弃泥浆絮凝脱水试验研究[J].河北工程大学学报（自然科学版），2020（4）：20-25，33.

[5]魏雁冰，陈良向，范明桥，等.固化法处理建筑泥浆池的试验研究[J].中国港湾建设，2016（4）：26-29.

[6]平洋，油新华，马庆松，等.工程废弃泥浆快速无害化处理研究[J].施工技术，2020（7）：114-116.