工程泥漿全流程減量化及資源化技術研究

劉正雄,肖曦彬,郭智剛,李 源,張高科

(1.深圳市市政工程總公司,深圳 518000;2.武漢理工大學,武漢 430070)

近幾十年來,隨著我國建筑行業的蓬勃發展,建筑需求占了全球新增總需求的一半以上[1]。同時,建筑垃圾產量也急劇攀升,我國已經被認為是世界最大的建筑垃圾產生國[2]。為此,建設部于2005年3月23日頒布并在2005 年6月1日起實施了《城市建筑垃圾管理規定》,提出建筑垃圾的資源化循環再利用是節約自然資源的最佳途徑。同期,國家發改委等14部委也印發《循環發展引領行動》指出我國城市建筑垃圾資源化處理率任重而道遠。目前,國內在廢棄混凝土、廢棄磚混、廢棄砂漿等建筑垃圾的減量化與資源化處理領域已經做了大量的研究,部分成果已經投入使用并占據了較大的建材市場[3]。但對于含水量高、產量大、資源化難的工程泥漿,其減量化與資源化研究還十分缺乏。

1 工程泥漿概述

工程泥漿是一種由水、膨潤土顆粒、黏性土顆粒、鉆渣及外加劑等組成的穩定懸濁體系,其主要來源是樁基泥漿、地下連續墻泥漿和盾構泥漿等(表1)。工程泥漿含水量高于90%,且組分不穩定,如果直接排放到環境中將會造成土壤和地下水的污染,對生態環境和人體健康造成長期危害[4]。因此,為了推動城市的綠色發展,有必要開發低碳環保的工程泥漿處理與處置技術實現工程泥漿的資源化與減量化目標,從而獲得經濟效益和社會效益的雙重提升。論文將圍繞近年來工程泥漿的減量化-資源化技術發展及應用展開討論。

表1 工程泥漿分類表

2 工程泥漿減量化技術

目前工程泥漿的主要處理方式是直接堆填消納,會造成一系列的城市環境災害問題,侵占土地、污染巖土體和地下水,同時大量的漿料也會產生運輸難題。因此,在施工現場對工程泥漿進行脫水和固化預處理具有顯著的環境和經濟效益。國內外已有部分嘗試,并取得了一定的應用成果。

2.1 工程泥漿脫水技術

早期地下工程施工過程中,施工方大都是將大量的未脫水工程泥漿直接運至淤泥堆場攤鋪后自然曬干。這種方法存在處理效率較低、處理周期長、占地面積大等問題,并且泥漿在運輸過程中極易撒漏,對周圍環境易造成污染[5]。

隨著環境保護、綠色發展意識的逐漸增強,多省市要求施工方將工程泥漿原位脫水預處理后才能外運處置。施工方通過借鑒國內外在處理淤泥、污泥、石油鉆井廢液等過程中發展出來的多種較為成熟的脫水工藝,建成了大量的工程泥漿原位脫水項目。

1)絮凝沉淀脫水:絮凝沉淀法主要是通過在泥漿中投加絮凝劑從而產生絮狀團聚,加速泥漿沉積,更快地實現固液分離。絮凝沉淀的脫水效果往往取決于絮凝劑的選擇及投加量。例如,顧春杰等[6]采用化學絮凝法,研究了聚丙烯酰胺(PAM)在不同pH泥漿中的絮凝效果與絮凝機制。然而絮凝沉淀法單獨使用效率低下,一般配合其他處理技術共同作業。

2)壓濾脫水:壓濾脫水技術是以機械設備產生的外部壓力作為驅動力,經過過濾介質濾去泥漿中的水分,主要分為板框壓濾、帶式壓濾、疊螺壓濾等,其處理效率較高、設備價格較便宜,在工程泥漿原位脫水項目中被廣泛應用。板框壓濾機結構簡單,驅動力大,適用于各種性質的污泥,且形成的濾餅含水率低,但它只能間斷運行,操作管理麻煩,濾布易壞。帶式壓濾機中,較常見的是滾壓帶式壓濾機,其特點是可以連續生產,機械設備較簡單,動力消耗少,無需設置高壓泵或空壓機。疊螺壓濾是將濃縮后的污泥隨著螺旋軸的旋轉不斷向前移動,在沿泥餅出口方向螺旋腔的體積不斷縮小,在螺旋推動軸連續運轉推動下與背壓板之間形成擠壓,污泥中的水分在強大的壓力下被擠出,從而降低出口泥餅的含水量,實現連續脫水。

3)真空抽濾脫水:真空抽濾脫水技術是泥漿在負壓條件下經過濾裝置實現固液分離的工藝,其對于泥漿中粒徑低于過濾介質的顆粒物能夠實現有效地過濾。真空抽濾的原理與地基施工中使用真空預壓法類似,本質上都是土的固結過程,因此工程泥漿真空抽濾脫水可以應用于大規模的泥漿脫水工程。然而,泥漿的真空抽濾過程中易發生堵塞問題。

4)離心脫水:離心脫水是依靠設備高速旋轉產生的離心力驅動泥漿脫水,通過控制離心力的大小可實現泥漿的快速脫水,脫水效果遠超重力分離法。離心脫水工藝具有設備占地小、效率高的特點,但是對污泥預處理要求高,且設備在使用過程中磨損較大。夏新星等[7]針對龍潭長江大橋大直徑群樁基礎施工過程中產生的廢棄泥漿處置難題,采用絮凝調理結合高速離心脫水的工藝對廢棄泥漿進行脫水處置,處理效率高且運行穩定。

2.2 工程泥漿固化技術

工程泥漿固化技術大都是輔助工程泥漿脫水技術來減少泥漿的外運量,其處理遵循“因地制宜、綜合比選,現場固化和集中固化同步推進”的原則。工程泥漿固化技術通常采用化學固化的方法,將固化材料摻入泥漿的漿料中,固化材料與孔隙水發生化學反應從而獲得具有良好力學性能的固化土。傳統的固化材料主要為水泥、石灰、粉煤灰等無機固化材料。有時加入一些工業廢渣,如高爐渣、堿渣和廢石膏等制成復合固化劑以減少水泥用量,并增強水泥固化土的力學性能。此外,對一些新型固化材料,如有機高分子材料、納米材料等也在深入開展研究,但材料價格過高,相關應用技術還不夠成熟,限制了實際工程的應用。

2.2.1 無機固化材料

由于單一的固化材料在使用過程中存在固化效果差、使用成本高的問題,目前多通過多種固化材料配合使用形成復合固化劑,從而協同作用以改善固化土的力學性能,并減少水泥用量。商武鋒等[8]利用工業固廢、氯氧鎂水泥等新型復合固化材料對建筑廢棄泥漿進行固化處理。王亞星[9]以礦渣和石灰為固化材料,并摻入水玻璃作為激發劑配制出一種新型復合固化劑,并采用該固化劑進行工程泥漿固化試驗。

2.2.2 高分子固化材料

高分子固化材料呈鏈狀和網狀結構,其在與泥漿的混合過程可以吸附其中的膠體顆粒,并團聚成絮團,最終達到絮凝固化的目的。目前用于工程泥漿固化的高分子包括聚丙烯酸、殼聚糖、海藻酸鈉、纖維素基水凝膠等。馬強等[10]采用瓜爾膠-硼砂體系構建大分子網狀結構實現了快速固化工程泥漿。

3 工程泥漿資源化技術

為響應國家“綠水青山”理念,工程泥漿資源化率迫切需要提高。但全國各個地區工程泥漿的占比以及組成成分都存在較大差異,故要根據工程泥漿的組成成分及相關特征,因地制宜,對癥下藥,解決工程泥漿處理難題。工程泥漿的資源化最好采用原位處理,減少運輸帶來高成本和CO2排放的問題,可設計移動式、模塊化的工程泥漿資源化設備。對于資源化高性能產品,可場地預處理后再運輸至工廠進行綜合利用。不同成分的工程泥漿易采用不同資源化利用方式,淤泥類適合制作新型墻材料,例如燒磚、免燒磚、大方磚等。對于樁基工程泥漿,因含有大量的混凝土廢料、廢磚、廢砂漿等,可用于再生骨料的研究。而地下作業產生的盾構泥漿等,淤泥質較多且顆粒細膩,可用于生產水泥混合材以及陶粒產品。

3.1 工程泥漿再生流動化回填材料

工程泥漿再生流動化回填材料是以工程泥漿為主要原料,對其進行固化處理,經配合比優化制成“流態土”,并將其應用于回填,從而達到對工程泥漿的循環利用的目的。與常規的填方方法相比,采用“流態土”進行填方可以大大簡化工程工序,提高工作效率。對于道路工程中的三背、市政工程中的管道溝槽等特殊施工點位,傳統的回填材料難以實現充分夯實,使用流動化回填材料進行填充能夠取得良好的回填效果,同時獲得較高的經濟效益。尹昭宇[11]通過優化原料的配合比開展了泥漿制備流動化材料回填的中試試驗。此外,利用工程泥漿制備回填材料的技術路徑避免了工程泥漿填埋階段的碳排放,使用工程泥漿再生回填材料替代黃砂,每方能夠減少15%的碳排放量。

3.2 工程泥漿再生燒結磚

利用燒結磚工藝處置工程泥漿能夠有效地提升工程泥漿的資源化利用率,并且可以享受政策的紅利從而避免停產限產。嚴海源等[12]以海上油氣田鉆進過程中產生的廢棄泥漿經過壓濾脫水后得到的濾餅為原料,成功制備出符合《燒結普通磚標準》的產品。但泥漿中復雜的成分可能會導致燒結磚產品出現性能不穩定。

3.3 工程泥漿再生路基填料

利用環保型固化材料對工程泥漿進行固化,通過優化摻入配比后可得到能夠滿足高等級公路底基層、二級以下公路基層等的設計要求的渣土混合料。該工藝可節約大量的建筑砂石原材料,具有較高的經濟效益和顯著的環境效益。筆者在工程泥漿再生路基填料研究過程中發現,泥漿與膠凝材料的拌合必需均勻,保證泥漿在亞毫米級被膠凝材料充分的包裹,能極大的增強成品的抗壓強度。

3.4 工程泥漿再生陶粒

工程泥漿中SiO2的含量一般較高,理論上可用于陶粒的制備。沈益航等[13]以工程泥漿經機械脫水后的泥餅為主要原料制備陶粒混凝土,能夠滿足建筑砌塊、內隔墻板等非承重結構的施工要求。工程泥漿再生陶粒除應用于建筑施工項目外,還能應用在污水處理領域。王倩[14]以工程泥漿為原料制備免燒陶粒,利用所制備的陶粒經過生物掛膜后自制陶粒反應器,該反應器對COD(Chemical Oxygen Demand,化學需氧量)、氨氮、總磷的去除能使得出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級標準。

3.5 工程泥漿再生水泥基保溫芯材

水泥基保溫芯材的保溫功能主要受基體材料內形成的氣孔影響,而工程泥漿中含有的硅鋁質礦物通過與水泥的水化產物反應能夠優化毛細孔結構,提高水泥基多孔材料保溫隔熱能力。徐田圓[15]以低成本的工程泥漿為微納米成孔劑,協同發泡工藝,獲得了成本低、保溫性能良好的工程泥漿再生水泥基保溫芯材。

4 結 語

“沒有不能利用的垃圾,只有放錯位置的資源”,工程泥漿處理主攻方向應該是資源化處理,在解決環境問題的同時,回收部分資源并創造一定的經濟效應。工程泥漿的資源化利用首先要解決渣土資源化利用中的低成本脫水和物料均勻化問題。其次,針對不同工程泥漿擴寬資源化產品種類,擴大資源化市場,降低再生產品成本。最后,要推進工程泥漿管理的嚴控和渣土資源化項目政策傾斜。只有政策與技術、成本共同推進,才能促進工程泥漿資源化產業發展。