工程泥浆全流程减量化及资源化技术研究

刘正雄,肖曦彬,郭智刚,李 源,张高科

(1.深圳市市政工程总公司,深圳 518000;2.武汉理工大学,武汉 430070)

近几十年来,随着我国建筑行业的蓬勃发展,建筑需求占了全球新增总需求的一半以上[1]。同时,建筑垃圾产量也急剧攀升,我国已经被认为是世界最大的建筑垃圾产生国[2]。为此,建设部于2005年3月23日颁布并在2005 年6月1日起实施了《城市建筑垃圾管理规定》,提出建筑垃圾的资源化循环再利用是节约自然资源的最佳途径。同期,国家发改委等14部委也印发《循环发展引领行动》指出我国城市建筑垃圾资源化处理率任重而道远。目前,国内在废弃混凝土、废弃砖混、废弃砂浆等建筑垃圾的减量化与资源化处理领域已经做了大量的研究,部分成果已经投入使用并占据了较大的建材市场[3]。但对于含水量高、产量大、资源化难的工程泥浆,其减量化与资源化研究还十分缺乏。

1 工程泥浆概述

工程泥浆是一种由水、膨润土颗粒、黏性土颗粒、钻渣及外加剂等组成的稳定悬浊体系,其主要来源是桩基泥浆、地下连续墙泥浆和盾构泥浆等(表1)。工程泥浆含水量高于90%,且组分不稳定,如果直接排放到环境中将会造成土壤和地下水的污染,对生态环境和人体健康造成长期危害[4]。因此,为了推动城市的绿色发展,有必要开发低碳环保的工程泥浆处理与处置技术实现工程泥浆的资源化与减量化目标,从而获得经济效益和社会效益的双重提升。论文将围绕近年来工程泥浆的减量化-资源化技术发展及应用展开讨论。

表1 工程泥浆分类表

2 工程泥浆减量化技术

目前工程泥浆的主要处理方式是直接堆填消纳,会造成一系列的城市环境灾害问题,侵占土地、污染岩土体和地下水,同时大量的浆料也会产生运输难题。因此,在施工现场对工程泥浆进行脱水和固化预处理具有显著的环境和经济效益。国内外已有部分尝试,并取得了一定的应用成果。

2.1 工程泥浆脱水技术

早期地下工程施工过程中,施工方大都是将大量的未脱水工程泥浆直接运至淤泥堆场摊铺后自然晒干。这种方法存在处理效率较低、处理周期长、占地面积大等问题,并且泥浆在运输过程中极易撒漏,对周围环境易造成污染[5]。

随着环境保护、绿色发展意识的逐渐增强,多省市要求施工方将工程泥浆原位脱水预处理后才能外运处置。施工方通过借鉴国内外在处理淤泥、污泥、石油钻井废液等过程中发展出来的多种较为成熟的脱水工艺,建成了大量的工程泥浆原位脱水项目。

1)絮凝沉淀脱水:絮凝沉淀法主要是通过在泥浆中投加絮凝剂从而产生絮状团聚,加速泥浆沉积,更快地实现固液分离。絮凝沉淀的脱水效果往往取决于絮凝剂的选择及投加量。例如,顾春杰等[6]采用化学絮凝法,研究了聚丙烯酰胺(PAM)在不同pH泥浆中的絮凝效果与絮凝机制。然而絮凝沉淀法单独使用效率低下,一般配合其他处理技术共同作业。

2)压滤脱水:压滤脱水技术是以机械设备产生的外部压力作为驱动力,经过过滤介质滤去泥浆中的水分,主要分为板框压滤、带式压滤、叠螺压滤等,其处理效率较高、设备价格较便宜,在工程泥浆原位脱水项目中被广泛应用。板框压滤机结构简单,驱动力大,适用于各种性质的污泥,且形成的滤饼含水率低,但它只能间断运行,操作管理麻烦,滤布易坏。带式压滤机中,较常见的是滚压带式压滤机,其特点是可以连续生产,机械设备较简单,动力消耗少,无需设置高压泵或空压机。叠螺压滤是将浓缩后的污泥随着螺旋轴的旋转不断向前移动,在沿泥饼出口方向螺旋腔的体积不断缩小,在螺旋推动轴连续运转推动下与背压板之间形成挤压,污泥中的水分在强大的压力下被挤出,从而降低出口泥饼的含水量,实现连续脱水。

3)真空抽滤脱水:真空抽滤脱水技术是泥浆在负压条件下经过滤装置实现固液分离的工艺,其对于泥浆中粒径低于过滤介质的颗粒物能够实现有效地过滤。真空抽滤的原理与地基施工中使用真空预压法类似,本质上都是土的固结过程,因此工程泥浆真空抽滤脱水可以应用于大规模的泥浆脱水工程。然而,泥浆的真空抽滤过程中易发生堵塞问题。

4)离心脱水:离心脱水是依靠设备高速旋转产生的离心力驱动泥浆脱水,通过控制离心力的大小可实现泥浆的快速脱水,脱水效果远超重力分离法。离心脱水工艺具有设备占地小、效率高的特点,但是对污泥预处理要求高,且设备在使用过程中磨损较大。夏新星等[7]针对龙潭长江大桥大直径群桩基础施工过程中产生的废弃泥浆处置难题,采用絮凝调理结合高速离心脱水的工艺对废弃泥浆进行脱水处置,处理效率高且运行稳定。

2.2 工程泥浆固化技术

工程泥浆固化技术大都是辅助工程泥浆脱水技术来减少泥浆的外运量,其处理遵循“因地制宜、综合比选,现场固化和集中固化同步推进”的原则。工程泥浆固化技术通常采用化学固化的方法,将固化材料掺入泥浆的浆料中,固化材料与孔隙水发生化学反应从而获得具有良好力学性能的固化土。传统的固化材料主要为水泥、石灰、粉煤灰等无机固化材料。有时加入一些工业废渣,如高炉渣、碱渣和废石膏等制成复合固化剂以减少水泥用量,并增强水泥固化土的力学性能。此外,对一些新型固化材料,如有机高分子材料、纳米材料等也在深入开展研究,但材料价格过高,相关应用技术还不够成熟,限制了实际工程的应用。

2.2.1 无机固化材料

由于单一的固化材料在使用过程中存在固化效果差、使用成本高的问题,目前多通过多种固化材料配合使用形成复合固化剂,从而协同作用以改善固化土的力学性能,并减少水泥用量。商武锋等[8]利用工业固废、氯氧镁水泥等新型复合固化材料对建筑废弃泥浆进行固化处理。王亚星[9]以矿渣和石灰为固化材料,并掺入水玻璃作为激发剂配制出一种新型复合固化剂,并采用该固化剂进行工程泥浆固化试验。

2.2.2 高分子固化材料

高分子固化材料呈链状和网状结构,其在与泥浆的混合过程可以吸附其中的胶体颗粒,并团聚成絮团,最终达到絮凝固化的目的。目前用于工程泥浆固化的高分子包括聚丙烯酸、壳聚糖、海藻酸钠、纤维素基水凝胶等。马强等[10]采用瓜尔胶-硼砂体系构建大分子网状结构实现了快速固化工程泥浆。

3 工程泥浆资源化技术

为响应国家“绿水青山”理念,工程泥浆资源化率迫切需要提高。但全国各个地区工程泥浆的占比以及组成成分都存在较大差异,故要根据工程泥浆的组成成分及相关特征,因地制宜,对症下药,解决工程泥浆处理难题。工程泥浆的资源化最好采用原位处理,减少运输带来高成本和CO2排放的问题,可设计移动式、模块化的工程泥浆资源化设备。对于资源化高性能产品,可场地预处理后再运输至工厂进行综合利用。不同成分的工程泥浆易采用不同资源化利用方式,淤泥类适合制作新型墙材料,例如烧砖、免烧砖、大方砖等。对于桩基工程泥浆,因含有大量的混凝土废料、废砖、废砂浆等,可用于再生骨料的研究。而地下作业产生的盾构泥浆等,淤泥质较多且颗粒细腻,可用于生产水泥混合材以及陶粒产品。

3.1 工程泥浆再生流动化回填材料

工程泥浆再生流动化回填材料是以工程泥浆为主要原料,对其进行固化处理,经配合比优化制成“流态土”,并将其应用于回填,从而达到对工程泥浆的循环利用的目的。与常规的填方方法相比,采用“流态土”进行填方可以大大简化工程工序,提高工作效率。对于道路工程中的三背、市政工程中的管道沟槽等特殊施工点位,传统的回填材料难以实现充分夯实,使用流动化回填材料进行填充能够取得良好的回填效果,同时获得较高的经济效益。尹昭宇[11]通过优化原料的配合比开展了泥浆制备流动化材料回填的中试试验。此外,利用工程泥浆制备回填材料的技术路径避免了工程泥浆填埋阶段的碳排放,使用工程泥浆再生回填材料替代黄砂,每方能够减少15%的碳排放量。

3.2 工程泥浆再生烧结砖

利用烧结砖工艺处置工程泥浆能够有效地提升工程泥浆的资源化利用率,并且可以享受政策的红利从而避免停产限产。严海源等[12]以海上油气田钻进过程中产生的废弃泥浆经过压滤脱水后得到的滤饼为原料,成功制备出符合《烧结普通砖标准》的产品。但泥浆中复杂的成分可能会导致烧结砖产品出现性能不稳定。

3.3 工程泥浆再生路基填料

利用环保型固化材料对工程泥浆进行固化,通过优化掺入配比后可得到能够满足高等级公路底基层、二级以下公路基层等的设计要求的渣土混合料。该工艺可节约大量的建筑砂石原材料,具有较高的经济效益和显著的环境效益。笔者在工程泥浆再生路基填料研究过程中发现,泥浆与胶凝材料的拌合必需均匀,保证泥浆在亚毫米级被胶凝材料充分的包裹,能极大的增强成品的抗压强度。

3.4 工程泥浆再生陶粒

工程泥浆中SiO2的含量一般较高,理论上可用于陶粒的制备。沈益航等[13]以工程泥浆经机械脱水后的泥饼为主要原料制备陶粒混凝土,能够满足建筑砌块、内隔墙板等非承重结构的施工要求。工程泥浆再生陶粒除应用于建筑施工项目外,还能应用在污水处理领域。王倩[14]以工程泥浆为原料制备免烧陶粒,利用所制备的陶粒经过生物挂膜后自制陶粒反应器,该反应器对COD(Chemical Oxygen Demand,化学需氧量)、氨氮、总磷的去除能使得出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级标准。

3.5 工程泥浆再生水泥基保温芯材

水泥基保温芯材的保温功能主要受基体材料内形成的气孔影响,而工程泥浆中含有的硅铝质矿物通过与水泥的水化产物反应能够优化毛细孔结构,提高水泥基多孔材料保温隔热能力。徐田圆[15]以低成本的工程泥浆为微纳米成孔剂,协同发泡工艺,获得了成本低、保温性能良好的工程泥浆再生水泥基保温芯材。

4 结 语

“没有不能利用的垃圾,只有放错位置的资源”,工程泥浆处理主攻方向应该是资源化处理,在解决环境问题的同时,回收部分资源并创造一定的经济效应。工程泥浆的资源化利用首先要解决渣土资源化利用中的低成本脱水和物料均匀化问题。其次,针对不同工程泥浆扩宽资源化产品种类,扩大资源化市场,降低再生产品成本。最后,要推进工程泥浆管理的严控和渣土资源化项目政策倾斜。只有政策与技术、成本共同推进,才能促进工程泥浆资源化产业发展。