水凝胶固化废弃泥浆的处治方法研究

马 强，门 本

（四川公路桥梁建设集团有限公司大桥工程分公司，四川 成都 610015）

0 引言

随着 “十四五” 规划的逐步开展，中国城市化进程越来越快，以桥梁、城市地铁、高速公路及隧道等为主的基础建设也呈稳步上升的状态。同时，随着低碳环保理念的大力推进，工程建设中的环保要求也在逐步提高。其中对工程废弃泥浆的处治是一项对环境保护影响显著的工作。

工程废弃泥浆是各种工程中常见的一类废弃物。我国每年建筑泥浆的产生量可达到数亿立方米，2015年上海工程泥浆申报总量达620万t，南京每年就能够产生1 000多万立方米［1-2］。以上海某工程项目［3］为例，该工程总占地面积为26 144 m2，分地上与地下两部分，在整个桩基施工过程中产生的泥浆量约为10 060 m3；武汉某工程［4］项目数据显示，该工程总基底面积约45 808 m2，基坑总面积约31 268 m2，整个基坑开挖深度5.55 m～17.75 m，其中地下连续墙和桩基施工将产生大约70 000 m3废弃泥浆；厦门某隧道工程［5］采用盾构法施工，长度893.4 m，线路埋深15.2 m～16.4 m，掘土体积1 010 m3，盾构出浆量约为2 021 m3～3 032 m3。巨大的废弃泥浆量已经严重的影响生态环境，对环境造成严重的危害。

以钻井泥浆为例，在油井钻进的过程中产生大量的污染物中最具破坏性的即废弃泥浆。2002年危险废物调查中钻井泥浆已被列为危险废物［6］。原因在于废弃泥浆中铜、锌、镍等多种元素及毒性较强的物质多，且各类聚合物的pH值较高，导致土壤结构发生严重破坏；一旦废弃泥浆排入水体中，会严重破坏水质、影响水生动植物的生长。不仅如此，部分物质还会以离子的形式存在于环境中，有使人类及其他动物的生命健康受到严重威胁的可能性［7-8］。

废弃泥浆中黏土类矿物的同晶置换通常会导致微粒带负电荷，进而形成双电层，双电层中吸附层与扩散层之间的电位差称为ζ电位。李冲等［9］的研究中表明在泥浆初始pH值（7.2～8.8）下，其ζ电位在-12.686 mV～-17.545 mV范围内波动。通常电位差愈大，黏土微粒周围的水化膜愈厚，微粒之间愈不易因碰撞而粘结，使废弃泥浆难以脱稳和沉降。

目前废弃泥浆处治方法缺乏及时性与高效性，因此，废弃泥浆的规范处理和资源化利用已成为工程界迫切关注的一个问题。开发一种高效率、低耗能且环保的废弃泥浆处理方法已刻不容缓。本文通过对工程泥浆进行文献调查研究，分析泥浆的不同处治方法，提出了利用水凝胶特殊的网络结构处理废弃泥浆的方法。

1 废弃工程泥浆的研究

泥浆是一种由水、膨润土颗粒、黏性土颗粒以及外加剂组成的一种悬浊体系，通常由膨润土或黏性土与水配制而成。一般的工程泥浆中，固体颗粒占20%～30%体积分数，分散在70%～80%的水中。泥浆作为一种工程辅助施工材料，被广泛运用于钻孔灌注桩施工、盾构施工和地下连续墙施工等工程中，主要承担护壁、排渣、冷却、清孔等作用［10］。在施工过程中，开凿工具切削岩石的同时会产生大量钻屑，最终沉积在工程泥浆中。该现象的存在导致经使用工程泥浆的成分特征发生较大改变，导致其性能无法满足施工使用要求，只能进行废弃处理。一般来说不同工程施工产生的废弃泥浆的性能特征相对存在差异。

1.1 桩基泥浆

桩基泥浆可以根据实际工程情况分为钻孔灌注桩基泥浆和地下连续墙泥浆，泥浆的成分以黏土和水为主，同时含有大量矿物。桩基泥浆因配制过程中不添加有毒有害试剂，且在施工过程中也不改变泥浆的理化性质，导致该种泥浆有成分污染物单一、处理难度相对较小等特点。桩基工程的废弃泥浆数量通常与钻孔直径、钻孔深度以及处理方式等有关，一般为成孔体积的3倍～5倍，是一种常见的工程泥浆。通常，该种泥浆具有一定黏度，呈现较稳定的分散系状态，同时具有胶体和悬浮体的性质，很难自然沉降［11］。

以深圳［12］某工程所使用的工程泥浆为例，该工程所使用的泥浆的理化特性如表1所示。该工程所使用的泥浆呈碱性，相对密度略高于水，胶体率高；且由于其黏度相对较大，自然沉降的速度较慢，如果采用自然沉降的方式进行处理则需要大量时间。泥浆的粒径分布如图1所示，泥浆中固体颗粒粒径在1μm～100μm范围进行分布，且约占总体积的85%；其中粒径约15μm的颗粒含量所占体积比最大。理论上泥浆中粒径大于15μm的颗粒可以采取自然沉淀的方式对泥水进行分离加速泥浆的处治，但当固体颗粒粒径小于15μm时，由于其分散性优于尺寸较大的颗粒、较难通过自然静置的方法分离。所以，由于该工程所使用的泥浆中粒径小于15μm的固体颗粒体积占比达到了40%，故而选择自然沉淀的方法很难在短时间内达到水泥分离的效果。

表1 深圳某工程泥浆理化特性

图1 深圳某工程泥浆的粒径分布

1.2 盾构泥浆

盾构泥浆是在隧道工程中使用泥水平衡盾构法进行施工时产生的一种工程泥浆。该种泥浆具有黏性大、有机质含量较少、含有添加剂、产量大等特点。泥水盾构的出浆量一般为隧道挖土体积的2倍～3倍［13-15］。盾构穿越的主要地层为杂填土、粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、粗砂、卵石土等，其中粉质黏土层中细颗粒占比较多，也是盾构泥浆中存在的固体颗粒的构成部分。

以厦门轨道交通1号线一期工程的莲坂站—莲花路口站区间施工现场沉淀池底部泥浆为例。该工程中所使用的泥浆经MS3000型激光衍射法粒度分析仪检测发现，泥浆的土粒组成如图2所示（数据为累计占比）。与桩基泥浆相似，该工程所使用的盾构泥浆中含有的固体颗粒的粒径在1μm～100μm区间分布。不过，泥浆在1μm～100μm范围内各粒径颗粒含量几乎呈等量分布。固体颗粒主要由黏粒、粉粒和细砂组成，无中砂及以上粒径颗粒。表2为泥浆原样的物理化学性质，从表2数据可知盾构泥浆的密度及pH值与桩基泥浆相近，但其含水率远低于桩基泥浆，导致泥浆所呈现出的状态为流动性差。此外，该工程所使用的盾构泥浆的有机质含量（质量分数）约为7%，为有机质土。

图2 泥浆粒度成分累计分布曲线

表2 泥浆物理化学性质

1.3 钻井泥浆

钻井泥浆是钻井工程中以润滑冷却钻头、平衡井下压力所制备使用的一种工程泥浆。钻井泥浆多以膨胀土、盐水黏土及多种化学处理剂等为主要成分经混合形成泥状物质［16］。一般，可根据泥浆的分散介质将钻井泥浆分为水基、油基、气基三种不同的类型。其组成较为复杂，除了油、水等基本分散介质外，还包括活性剂与处理剂。浆体呈黏稠流体状态，含有的固体颗粒具有粒径小、级配差、黏度大、含水率高且不易脱水等特点，是一种典型的黏稠状胶体。

钻井工程废弃泥浆的含油量较高，部分井含油量在10%以上；同时，钻井液处理剂和钻井材料的存在导致泥浆中有一定量的有毒有机物和无机污染物，多以聚合物、重金属及其他杂质存在。

盘锦某油田废弃泥浆有害物质含量如表3所示，可见废弃的钻井泥浆中含铅、铬等有害物质，且含量相对较大，整体泥浆呈现强碱性。钻井泥浆的pH值普遍较高，一般为8.15～9.10，最高可达12。

表3 盘锦某油田废弃泥浆有害成分

2 废弃工程泥浆处治方法

废弃工程泥浆的规范处理和资源化利用逐渐成为工程行业密切关注的一个问题。寻找一种高效率、低耗能且环保的废弃泥浆处理方法已刻不容缓。关于泥浆的处治多采用下述六种方法进行，不同工程情况所适合的方法有所不同。

2.1 土地耕作法

土地耕作法是一种利用工程机械将废弃的泥浆均匀撒布在土壤表面，利用微生物吸收、利用泥浆中有害物质进而降解泥浆的方法。当工程周边有丰富的土壤场地资源，且土壤结构适合土地耕作法时，可采用该种方法。土地耕作法具有易于操作、处理周期短和经济实惠等特点。不过，废弃泥浆中的各种处理剂的生物毒性有引起微生物的死亡的可能性，或导致微生物消解速度减缓甚至停止消解。此外，该方法受土壤结构的影响相对较大，当所选土壤的吸附能力较差时，微生物未能完全对泥浆中的有毒有害物质进行消解时废弃泥浆就渗透到地下，可能造成地下水污染。同时，泥浆的撒布量可显著影响其处治效率及周边环境，当单位时间内泥浆的撒布量多则容易发生降低土壤渗透性、导致土地板结和盐碱化的现象。

2.2 沉淀法

沉淀法通常可分为自然沉淀法和化学絮凝沉淀法两种。

自然沉淀法是一种通过在低洼地或简易沉淀池存放废弃泥浆进行自然沉淀最后起到分层回收泥浆的方法。自然沉淀法由于没有使用化学制剂对泥浆进行加速分层处理，故其沉淀的速度受泥浆的理化性质影响较大。所处理的泥浆胶体稳定性较大时，通常实现固液分离所花费的沉淀周期相对较长，且效果无法保证。同时，在沉淀过程中受自然环境、天气变化的影响较大，一旦遇到降雨就有泥浆外溢、污染周边环境的可能性。

在自然沉淀法的基础上，针对其处理周期长占地面积大等缺点，研究者们提出了化学絮凝沉淀法。

通过向泥浆中加入絮凝剂，可以破坏泥浆体系的化学稳定性，从而改变泥浆体系的物理、化学性质使其更容易进行分层。化学絮凝沉淀法通过改变废弃泥浆中黏土颗粒表面的物理性质，让微小尺寸的固体颗粒产生聚结、加速其沉淀的过程，产生水与固相颗粒快速分离的效果。通常，与自然沉淀法相比化学絮凝沉淀法分离得到的底泥含水率更低，更加利于后续处理工作。不过，该方法有操作较麻烦、处理成本较高等缺点，在采用化学絮凝沉淀法时需合理选择絮凝剂、精确计算药品掺量，才可能在保证絮凝剂无毒或低毒性的前提下以较高效率进行泥浆的沉淀工作。

2.3 化学固化法

化学固化法是通过向废弃泥浆加入固化剂，使其转化成类似土壤或胶结强度很大的固体的方法。一般能较迅速地处理大量泥浆，但处理成本较高，后期处置复杂，适合污染物成分复杂且含量高的泥浆，常用于油田钻井泥浆及化工厂泥浆的处理中。

2.4 直接排放法

直接排放法即将废弃泥浆运至指定地点，直接废弃或简单填埋。该方法操作简单，无特殊技术要求，但存在运输成本高、选购废弃场地花费高、容易造成环境污染、不能回收利用等缺点，已逐渐减少或被禁止使用。

2.5 注入安全地层或环形空间法

注入安全地层或环形空间法通常用于处理高毒性的废弃泥浆，如油基和水基废泥。一般通过注入的方式将废弃泥浆灌注于深度大于600 m的非渗透地层或钻孔环形空间中。

不过，由于该种方法相对特殊，可能会导致周围水体的污染且对施工水平有较高要求，一旦施工不当容易导致地下水或油气贮藏的污染。故而该法的使用在较多国家受到限制。

2.6 MTC转化技术

MTC转化技术［17-18］于20世纪90年代被提出，是美国为了改变钻井和固井作业方法而发明的一种方法。通过在钻井液中加入水淬高炉矿渣、激活剂等材料，使其转变为满足固井性能的水泥浆进行再利用。但该方法仅限使用于钻井泥浆的处理中，应用于其他废弃泥浆的处理上还需考虑。

上述几种处理方法是目前常用的方法，根据施工工程类型、废弃泥浆的性能特征和产量、施工现场的环境敏感性及其要求、水文、气象、土壤条件等条件选择合适的处理方法。不过这些方法存在一些缺点，不能够完全满足对废弃的泥浆高效率、低能耗、低费用的处理要求，以及实现泥浆处理的污染零排放和泥浆处理产物的再利用。从不同的角度出发，追求更好处理手段，本文提出利用水凝胶特殊的网络结构处理废弃泥浆的方法。

3 水凝胶软固化废弃工程泥浆

3.1 水凝胶

水凝胶是一种能在水中溶胀并保持大量水分且不被溶解的交联聚合物，具有高分子网络结构体系，可以保持一定形状。通过聚合物的溶胀可以保持较高的含水量，含水量（质量分数）可达99%以上，具有介于固体和液体之间的性质，使得水凝胶有广阔应用场景［19］。

水凝胶有一定力学强度，主要由凝胶的交联构成。通过增加交联剂的用量，可提高交联密度、改善凝胶强度。不过，水凝胶的溶胀行为与其力学性能成反比例关系，提高强度的同时会导致溶胀度降低，所以针对不同的使用要求需选择相符的水凝胶。

3.2 水凝胶的体系

水凝胶根据其使用的基础材料及对应的交联剂的不同，可分为多种不同的体系。例如可以使用聚丙烯酸构成聚丙烯酸类水凝胶。

聚丙烯酸是一种性能特异的水溶性有机高分子，在高温或长期光照下，低分子量的聚丙烯酸能进行再聚，使其分子量继续增加，黏度也随之增大。

聚丙烯酸类水凝胶中含有大量羧基亲水基，是典型的pH敏感型水凝胶。聚丙烯酸体系水凝胶在农业、生物医学等领域上有较广泛的应用［20-21］，常见产品有退热贴、水凝胶微球等。

也可使用壳聚糖形成水凝胶。壳聚糖是一种线形多糖，是一种阳离子聚电解质，广泛存在于节肢动物和软体动物的甲壳、低等植物藻类等生物中，具有良好的生物相容性、刺激响应性和可降解性，且不易导致免疫反应，故壳聚糖基水凝胶常被用于医药领域。

海藻酸钠也可形成水凝胶。海藻酸钠是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸组成的线型聚合物，每个糖醛酸单元上含有一个羧基。因此，海藻酸钠在中性或碱性条件下呈现聚阴离子电解质的性质，当有Ca2+，Sr2+等阳离子存在时，可发生离子交换反应形成交联网络结构。

此外，还有纤维素基水凝胶等多种不同特性的水凝胶。

3.3 水凝胶的交联

水凝胶的交联形式通常有物理交联、化学交联和辐射交联三种。

物理交联是通过静电作用、离子相互作用、氢键作用等物理作用形成凝胶。物理交联水凝胶在形成水凝胶前以大分子溶液的状态存在，当温度、pH值等外部条件发生变化时，析出分散介质交联形成凝胶。

化学交联主要是采用光、热、机械力、超声波等手段通过加入交联剂将链状大分子的化学键联结起来，形成网状或体形结构高分子。交联剂在该过程中作为起架桥分布在线型分子间，使多个线型分子相互键合交联成网络结构，促进、调节聚合物分子链间共价键或离子键形成。由化学键交联能形成永久性的三维网络聚合物［22-24］。

辐射交联是一种利用各种辐射引发聚合物高分子长链之间的交联反应的方法。通常选择紫外光、γ射线进行照射单体或单体溶液，使其产生主链线性分子的聚合，再引发链状高分子聚合物交联形成水凝胶。与需使用交联剂的化学交联相比，辐射交联有反应条件温和、不需交联剂产物纯净、工艺简单等优点，更加适用于医学材料领域。

4 结语

本文通过对不同工程泥浆进行了文献综述，分别阐述了不同泥浆的特点，并总结分析了不同种类的泥浆处治方法，最终提出采用水凝胶固化泥浆的方法。通过对水凝胶体系的研究分析，本文认为通过使用水凝胶固化泥浆具有一定可能性，不过需要针对具体使用条件选择合理的水凝胶体系以及交联方法，需进一步试验研究。