基礎(chǔ)工程漿液資源化綜合利用技術(shù)

謝 輝，葉井亮，陳 娟，薛 曼，胡慧聰，楊現(xiàn)禹，蔡記華

(1.武漢譽(yù)城千里建工有限公司，湖北 武漢 430051；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

在地下連續(xù)墻、水平定向鉆、盾構(gòu)和頂管等地下工程施工中，為滿足維持孔壁穩(wěn)定、巖屑懸浮與攜帶、潤(rùn)滑減阻等要求，需要制備大量黏度較高、穩(wěn)定性良好的工程漿液[1]。但隨著地下工程的實(shí)施，工程漿液的工作性能會(huì)逐漸惡化，在施工結(jié)束后或是漿液性能不能滿足要求時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大體量的廢棄漿液。以武漢市某地下連續(xù)墻工程為例，共有166 幅槽段，每幅槽段長(zhǎng)6 m、寬1.5 m、深50 m，需要450 m3漿液。由于不斷與混凝土接觸，新鮮漿液中鈣離子含量不斷增加，pH 也相應(yīng)升高。新鮮漿液可在3 幅槽段中循環(huán)使用直至廢棄，施工結(jié)束后將會(huì)產(chǎn)生約24 900 m3的廢棄漿液。體積巨大、Ca2+含量和pH 高的基礎(chǔ)工程廢棄漿液，若處理不當(dāng)將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染及資源浪費(fèi)[2]。

當(dāng)前針對(duì)廢棄漿液的處理主要采用外運(yùn)后集中處理，或在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)壓濾得到泥餅并將廢液排入城市下水道。這樣，廢棄漿液的處理所產(chǎn)生的泥餅不能有效利用且造成資源的浪費(fèi)，廢液的直接排放會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成較大的污染。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于湖泊淤泥、污泥和油井泥漿等資源化綜合利用提出了許多處理措施[3-7]，但對(duì)于工程廢棄漿液的處理多以“絮凝脫水+機(jī)械分離”工藝為主[8-11]，大多關(guān)注于廢棄漿液的脫水處理問(wèn)題。

為減少?gòu)U棄漿液的外運(yùn)量，學(xué)者們進(jìn)行了廢棄漿液(泥漿)固化劑的研究，劉福田等[12]發(fā)明了由水泥熟料、石膏、石灰石、石灰、礦渣和速凝劑等組成的高水廢棄泥漿用固化劑，田淼等[13]提出石灰攪拌使得沉渣固化為固化土的方法，楊石飛等[14]提出了由硅酸鈉和減水劑組成的廢棄泥漿固化劑，孫平賀等[15]提出由聚丙烯酰胺、環(huán)氧樹(shù)脂和水玻璃等組成的基礎(chǔ)工程廢棄泥漿高效脫水固化處理劑。但是以上處理方法并不環(huán)保，也未涉及固化后的廢棄漿液如何利用的問(wèn)題。

在廢棄漿液綜合利用方面，姜玉松等[16]發(fā)現(xiàn)在添加一定量水玻璃和水泥后，廢棄漿液的各種性能與黏土漿液比較接近，可用于地層注漿工程；陳振國(guó)等[17]發(fā)現(xiàn)皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司朱集西煤礦鉆井廢棄泥漿可代替黏土漿用作注漿材料；楊釗等[18]發(fā)明了一種將盾構(gòu)產(chǎn)生的廢棄漿液用于壁后注漿材料中代替壁后注漿砂漿中的膨潤(rùn)土和部分水的方法；王建華[19]提出了針對(duì)泥水盾構(gòu)廢棄砂土和尾水綜合利用技術(shù)，但因廢棄砂土和尾水中污染物含量極低，處理起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，且在綠化用土中廢棄砂的摻量只有10%～15%，種植效果不明。目前尚未有文獻(xiàn)報(bào)道Ca2+含量和pH高的廢棄漿液資源化利用方法。

為此，筆者提出一種基礎(chǔ)工程漿液資源化綜合利用技術(shù)，凈化后的循環(huán)漿液可重新用于工程施工之中，鉆渣直接用于草籽培育；廢棄漿液經(jīng)處理后，得到的廢液可用于配制基礎(chǔ)工程漿液，泥餅混入適量的營(yíng)養(yǎng)土后可用于草籽培育，變“廢”為“寶”。系統(tǒng)地闡述了基礎(chǔ)工程循環(huán)漿液和廢棄漿液的資源化綜合利用方法、實(shí)驗(yàn)效果和作用原理，以期對(duì)類(lèi)似工程漿液的資源化綜合利用具有較好的指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)儀器

新鮮漿液、循環(huán)漿液和廢棄漿液樣品取自武漢市某地下連續(xù)墻工程現(xiàn)場(chǎng)，樣品的性能參數(shù)見(jiàn)表1。受取樣時(shí)間和施工階段等因素影響，該數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)部分波動(dòng)。

表1 三種基礎(chǔ)工程漿液的基本性能Table 1 Basic properties of three kinds of foundation engineering slurry

實(shí)驗(yàn)儀器包括ZT-600 六速旋轉(zhuǎn)黏度器(青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司)、YM 液體密度計(jì)(青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器有限公司)、80-3 臺(tái)式數(shù)顯電動(dòng)離心機(jī)、離心管、量筒等。處理劑包括碳酸氫鈉(NaHCO3)、碳酸鈉(Na2CO3)、氯化銨(NH4Cl)、焦磷酸二氫二鈉(SAPP)、乙二胺四乙酸(EDTA)、聚合氯化鋁(PAC)、聚合硅酸鋁鐵(PAFS)、聚二甲基二烯丙基氯化銨(HCA)、絮凝劑A-1 和A-2 等。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 循環(huán)漿液的資源化綜合利用

相比新鮮漿液，循環(huán)漿液的密度和蒙脫石含量變化明顯(表1)。在工程施工過(guò)程中，漿液中混入了大量鉆屑，導(dǎo)致循環(huán)漿液密度顯著提高，蒙脫石含量明顯降低，Ca2+含量略有增加。因此，應(yīng)對(duì)循環(huán)漿液進(jìn)行除砂處理，可選用旋流除砂器或類(lèi)似設(shè)備，分別得到凈化后的漿液和鉆渣。旋流除砂器篩網(wǎng)目數(shù)為80 目(0.178 mm)或更細(xì)，使鉆渣充分過(guò)濾。測(cè)定凈化漿液的密度、黏度、pH、失水量及Ca2+質(zhì)量濃度等性能參數(shù)，并與新鮮漿液進(jìn)行對(duì)比，以判別其能否重新應(yīng)用于基礎(chǔ)工程施工中。鉆渣以細(xì)砂、粉細(xì)砂為主，含少量泥質(zhì)成分，透氣性良好，可用于培育草籽，服務(wù)于城市園林綠化。當(dāng)然，也可在鉆渣中混入少量(如10%)的營(yíng)養(yǎng)土，增加草籽的發(fā)育效果。

2.2 廢棄漿液的資源化綜合利用

從表1 可以看出，廢棄漿液性能?chē)?yán)重惡化，Ca2+含量顯著提高，是原始漿液的20 倍以上，pH 從8 增大至13，應(yīng)首先對(duì)其進(jìn)行除鈣和降低pH 處理。接下來(lái)，采用“絮凝+壓濾”的方法進(jìn)行處理，增大泥水分離速率，分別得到廢液和泥餅。廢液可用于重新配制基礎(chǔ)工程漿液，按需添加造漿黏土和適量化 學(xué)藥劑，并與新鮮漿液的性能進(jìn)行對(duì)比。在泥餅中可混合一定比例的營(yíng)養(yǎng)土，用于草籽培育，服務(wù)于城市園林綠化。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

選用披堿草和黑麥草2 種較為常見(jiàn)的草籽進(jìn)行培育，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。將鉆渣或泥餅分別與不同含量的營(yíng)養(yǎng)土混合均勻，培養(yǎng)草籽，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組種下15 粒草籽，將育苗盤(pán)放置在溫度、濕度及陽(yáng)光適宜的地方，每天定時(shí)定點(diǎn)澆水，記錄草籽的發(fā)育情況。

表2 草籽培育實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 2 Experiments plan for grass seed cultivation

3 結(jié)果與討論

3.1 循環(huán)漿液的處理與利用

3.1.1 凈化后漿液的循環(huán)利用

凈化后漿液的性能見(jiàn)表3，其基本性能與新鮮漿液相近，因此，可重新用于基礎(chǔ)工程施工中，也可以適當(dāng)添加處理劑，進(jìn)一步優(yōu)化其性能。

表3 凈化后漿液的基本性能Table 3 Basic properties of purified mud

3.1.2 鉆渣綜合利用

除砂后得到的鉆渣，若其Ca2+含量和pH 偏高，將會(huì)影響草籽發(fā)育。實(shí)驗(yàn)測(cè)得鉆渣的Ca2+質(zhì)量濃度為68.1 mg/L，pH 為8。

將鉆渣混合不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的營(yíng)養(yǎng)土進(jìn)行混配，草籽培育方案見(jiàn)表2，結(jié)果顯示，黑麥草和披堿草草籽在第3—第6 天時(shí)全部發(fā)芽，發(fā)芽率100%。10 d 后的發(fā)芽率和生長(zhǎng)情況如圖1-圖2 所示?？梢?jiàn)，培育盒中的草籽發(fā)育良好，說(shuō)明循環(huán)漿液凈化處理后得到的鉆渣可直接用于草籽培育。

圖1 草籽的發(fā)芽天數(shù)和發(fā)芽率Fig.1 Germination days and rates of grass seeds cultivated with drilling cuttings

圖2 草籽在第10 天生長(zhǎng)情況Fig.2 Growth situation of grass seeds cultivated with drilling cuttings on the 10th day

3.2 廢棄漿液的處理與利用

3.2.1 除 鈣

鈣(Ca)是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素之一，參與種子萌發(fā)、分化生長(zhǎng)、形態(tài)建成及開(kāi)花結(jié)果等全生命過(guò)程[20]。在種子萌發(fā)過(guò)程中，Ca2+通過(guò)改變酶活性，加快出苗速度、提高成苗率[21]。但Ca2+含量過(guò)高也不利于種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)，甚至?xí)?dǎo)致植物停止生長(zhǎng)或死亡[22]。在高Ca2+環(huán)境下，植物的光合作用也會(huì)受到抑制，生長(zhǎng)速率降低[20]。受到鹽(如Ca2+)脅迫時(shí)，植物被迫吸收鹽離子并在體內(nèi)積累，過(guò)量鹽離子會(huì)產(chǎn)生離子毒害作用，破壞活性氧代謝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡并抑制植物吸收部分營(yíng)養(yǎng)元素[23]。

為了對(duì)比不同類(lèi)型除鈣劑對(duì)廢棄漿液的除鈣效果，選用碳酸氫鈉(NaHCO3)、碳酸鈉(Na2CO3)和焦磷酸二氫二鈉(SAPP)3 種常用的除鈣劑，設(shè)置C1-C18 實(shí)驗(yàn)組，每小組稱取100 g 的廢棄漿液置于燒杯中，并在C1-C6 組中分別加入1%、2%、3%、4%、5%、6%的NaHCO3，在C7-C12 組中分別加入上述相同比例的Na2CO3，在C13-C18 組中分別加入上述相同比例的SAPP。攪拌均勻后，采用離心機(jī)對(duì)其進(jìn)行離心處理，轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 500 r/min，20 min 后取出離心管，提取上清液，測(cè)試Ca2+含量，結(jié)果如圖3 所示。3 種除鈣劑加量與上清液Ca2+質(zhì)量濃度呈較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系：隨著除鈣劑加量的增加，Ca2+質(zhì)量濃度逐漸降低；在相同加量下，NaHCO3的除鈣效果略優(yōu)于其他2 種?？梢?jiàn)，當(dāng)NaHCO3的加量為5%時(shí)，廢棄漿液中Ca2+質(zhì)量濃度可降低至173.6 mg/L。

圖3 除鈣劑對(duì)廢棄漿液上清液中Ca2+質(zhì)量濃度的影響Fig.3 Effect of calcium removal additive on the calcium concentration of the liquid supernatant of waste slurry

3.2.2 降低pH

植物生長(zhǎng)環(huán)境中的堿脅迫不僅包括滲透脅迫和離子毒害，還包括高pH 脅迫[24]。研究表明，堿脅迫的危害遠(yuǎn)高于鹽脅迫[25-26]，原因是堿脅迫在鹽脅迫的基礎(chǔ)上增加了高pH 脅迫[27]，高pH 對(duì)植物的危害比離子毒害和滲透脅迫更強(qiáng)烈[28]。另一方面，為獲得較好的造漿效果，宜將漿液的pH 控制在9～11，即保持在一個(gè)弱堿性的水平。因此，在對(duì)廢棄漿液進(jìn)行除鈣處理后，應(yīng)降低其pH 值，使后續(xù)處理得到的泥餅和廢液分別滿足草籽培育和重新配制工程漿液的要求。

實(shí)驗(yàn)選用氯化氨(NH4Cl)作為pH 調(diào)節(jié)劑，將NH4Cl 與蒸餾水均勻混合，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NH4Cl 溶液。取100 g 廢棄漿液置于燒杯中，分別加入5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 mL 的NH4Cl溶液，測(cè)試處理后廢棄漿液的pH 值。當(dāng)加入20 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NH4Cl 溶液時(shí)，即加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.3%的NH4Cl，廢棄漿液pH 降低至9，如圖4 所示。

圖4 不同NH4Cl 溶液加量對(duì)廢棄漿液pH 值的影響Fig.4 Effect of NH4Cl solution volume on the pH of waste slurry

3.2.3 絮 凝

實(shí)驗(yàn)選用聚合氯化鋁(PAC)、聚合硅酸鋁鐵(PAFS)、聚二甲基二烯丙基氯化銨(HCA)、絮凝劑A-1 和A-2等絮凝劑。將不同種類(lèi)絮凝劑與蒸餾水均勻混合，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的溶液。取100 g 經(jīng)除鈣及降pH 后的廢棄漿液，置于100 mL 的量筒中，依次滴加5 mL 絮凝劑溶液，充分?jǐn)嚢?，靜置6 h，觀察漿液絮凝情況。

結(jié)果顯示，PAC、PAFS、HCA 對(duì)廢棄漿液進(jìn)行絮凝的效果不佳，量筒內(nèi)均無(wú)明顯絮凝體堆積，上清液渾濁，且與絮凝體之間無(wú)明顯分層，泥水分離效果較差。絮凝劑A-1 和A-2 的絮凝效果較為明顯，量筒內(nèi)有明顯的絮凝物，上清液和絮凝物之間有較為清晰的分界面，泥水分離效果較為明顯，絮凝體沉降速度較快。

進(jìn)一步分析絮凝劑A-1 和A-2 的絮凝效果，在廢棄漿液中分別加入0～800 mg/L(依次遞增100 mg/L)的絮凝劑A-1 和A-2，靜置6 h，如圖5a 所示。隨著絮凝劑A-1 加量的增大，絮凝物體積呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)；當(dāng)絮凝劑A-1 加量小于500 mg/L 時(shí)，絮凝物體積較小，但沉降過(guò)程較快，固相體積比較小，且均小于90%。而在加量大于500 mg/L 時(shí)，尚未對(duì)絮凝效果產(chǎn)生顯著影響，絮體增大程度緩慢。因此，絮凝劑A-1 的最優(yōu)加量為500 mg/L。

由圖5b 可知，當(dāng)絮凝劑A-2 加量小于300 mg/L時(shí)，絮凝效果相近，絮團(tuán)小而松散，呈微粒狀，上清液較為渾濁，沉降充實(shí)；加量為300 mg/L 時(shí)，壓實(shí)層密度變小，絮團(tuán)體積明顯增大，呈現(xiàn)海綿狀，絮凝效果明顯，但大絮體的存在使絮凝體沉速變慢，6 h 后絮體位置幾乎未發(fā)生明顯變動(dòng)，但泥水分離效果十分顯著；隨著絮凝劑用量的繼續(xù)增大，絮團(tuán)體積稍有變小，沉降趨于平緩，絮凝效果無(wú)明顯變化。因此，確定絮凝劑A-2 的最優(yōu)加量為300 mg/L。

圖5 添加絮凝劑A-1 和A-2 后廢棄漿液6 h 后的沉降效果Fig.5 Settlement effect of waste slurry in addition of flocculant A-1 and A-2 for 6 hours

比較絮凝劑A-1 和A-2 的絮凝效果(圖6)，A-2 的黏性較強(qiáng)(300 mg/L 的絮凝劑A-1 和A-2 的表觀黏度分別是56 mPa·s 和72 mPa·s)，絮凝物體積更大，抗剪切能力較強(qiáng)[29]，且不易破碎，絮凝效果更佳。方便后續(xù)的壓濾工藝，最終優(yōu)選出加量為300 mg/L 的絮凝劑A-2。

圖6 添加絮凝劑A-2 后廢棄漿液6 h 后的沉降效果Fig.6 Settlement effect of waste slurry in addition of flocculant A-2 for 6 hours

3.2.4 廢液循環(huán)利用

完成上述化學(xué)處理的廢棄漿液進(jìn)行泥水分離，用200 目(0.074 mm)過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行壓濾處理，充分?jǐn)D壓直至難以擠出多余的水分時(shí)，完成壓濾，得到廢液和泥餅。

取100 mL 的廢液，加入3.6%的膨潤(rùn)土，攪拌均勻，測(cè)試廢液配制工程漿液的基本性能(表4)。與表1相比，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，用廢液重新配置的漿液中Ca2+質(zhì)量濃度偏高，黏度略有所減小。漿液中的鈣離子會(huì)中和膨潤(rùn)土所帶的負(fù)電荷，弱化其水化效果。因而可以在廢液配置的新鮮漿液中加入一定量的除鈣劑改善其性能，使之達(dá)到基礎(chǔ)工程漿液的要求。

表4 利用廢液配制工程漿液的基本性能Table 4 Basic properties of foundation slurry based on wastewater

從上述試驗(yàn)中得出NaHCO3的除鈣效果最佳，采用NaHCO3進(jìn)行除鈣處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。當(dāng)加入2%的NaHCO3后，漿液中Ca2+質(zhì)量濃度降低至34 mg/L，與新鮮漿液的Ca2+質(zhì)量濃度基本一致。

表5 利用廢液配制基礎(chǔ)工程漿液的除鈣效果Table 5 Calcium removal effect of foundation engineering slurry based on wastewater

3.2.5 泥餅綜合利用

實(shí)驗(yàn)測(cè)定泥餅中Ca2+質(zhì)量濃度約為173.6 mg/L、pH 為9。將泥餅與不同體積分?jǐn)?shù)的營(yíng)養(yǎng)土進(jìn)行混配，草籽培育方案見(jiàn)表2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8 所示。經(jīng)過(guò)10 d 的培育，草籽的發(fā)芽率與營(yíng)養(yǎng)土的加量呈較好的正相關(guān)關(guān)系。對(duì)比披堿草和黑麥草的草籽發(fā)育情況，發(fā)芽時(shí)間幾乎一致，草籽均在3～6 d 發(fā)芽；披堿草的發(fā)芽率為77.8%，黑麥草為44.4%；在營(yíng)養(yǎng)土加至20%以上時(shí)，披堿草便可以發(fā)芽生長(zhǎng)；而黑麥草則需要40%以上的營(yíng)養(yǎng)土。披堿草具有較好的耐堿性，發(fā)育情況優(yōu)于黑麥草。綜合而言，當(dāng)泥餅中混合30%～60%的營(yíng)養(yǎng)土?xí)r，草籽發(fā)芽率可達(dá)到72%。

圖7 添加A-1 和A-2 后廢棄漿液的絮凝效果對(duì)比Fig.7 Comparison of the floculation effect of flocculant A-1 and A-2 to waste slurry

圖8 用泥餅培育的草籽在第10 天生長(zhǎng)情況Fig.8 Growth situation of grass seeds cultivated with mud cake on the 10th day

由前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，與鉆渣相比，使用泥餅培育的草籽，不管是黑麥草還是披堿草，發(fā)育芽明顯降低。鉆渣是循環(huán)漿液除砂器處理后的篩余物，以粉砂、粉細(xì)砂和細(xì)砂等為主，其中Ca2+質(zhì)量濃度為68.1 mg/L、pH 為8，泥質(zhì)成分含量低，透氣性好，適合草籽生長(zhǎng)，發(fā)芽率100%；而泥餅是廢棄漿液除鈣、降低pH 后壓濾所得，除了粉砂、粉細(xì)砂和細(xì)砂之外，造漿用的膨潤(rùn)土、黏土類(lèi)鉆屑和絮凝劑A-2 含量較高，其中Ca2+質(zhì)量濃度為173.6 mg/L、pH 為9，透氣性也較差，這些因素的綜合作用使得草籽發(fā)芽率相對(duì)較低(72%)。

可以看出，對(duì)于基礎(chǔ)工程廢棄漿液，必須先進(jìn)行除鈣、降低pH 等化學(xué)處理，將泥餅中的鹽堿含量降低到草籽等植物生長(zhǎng)可以接受的水平之內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)較高的發(fā)芽率。

4 結(jié)論

a.循環(huán)漿液經(jīng)過(guò)除砂后得到的凈化漿液和鉆渣，前者可重新用于工程施工中，用于培育披堿草、黑麥草等草籽，其發(fā)芽率為100%，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)漿液的資源化綜合利用。

b.廢棄漿液需要進(jìn)行化學(xué)處理，加入5%的NaHCO3可將Ca2+質(zhì)量濃度從703.5 mg/L 降低至173.6 mg/L，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.3%的NH4Cl 將pH 值從13 降低至9；同時(shí)，加入300 mg/L 的絮凝劑A-2，可得到有效的絮凝物。

c.廢棄漿液經(jīng)過(guò)壓濾得到的廢液，在加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的NaHCO3后，可用于重新配制基礎(chǔ)工程漿液，減少了大量廢棄漿液的外運(yùn)工作；在泥餅中加入30%～60%的營(yíng)養(yǎng)土后，可用于培育草籽，草籽平均發(fā)芽率達(dá)到72%，實(shí)現(xiàn)廢棄漿液的資源化綜合利用。

d.過(guò)量的鹽離子和高pH 會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生毒害作用。應(yīng)先對(duì)廢棄漿液進(jìn)行降低pH、除鈣等處理，壓濾得到的泥餅才可以滿足植物生長(zhǎng)的要求。