浅谈工程废浆的处置_张杰.pdf

2021年第1期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-07-01修回日期 2020-07-02 第一作者简介 张杰 （1966-） ， 男 （汉族） ， 浙江温州人， 高级工程师， 现从事城市建设和房地产投资管理工作。 浅谈工程废浆的处置 张杰*1， 骆嘉成 2 （1.温州市现代服务业发展集团， 浙江 温州 325000； 2.温州浙南地质工程有限公司， 浙江 温州 325000） 摘要 基础工程施工过程中会产生大量工程废浆， 对工程废浆不合理的处置， 会导致环境污染、 资 源浪费、 后期处置更复杂等系列问题。针对国内当前的工程废浆处置现状， 将处量方式分为直接排 放与废浆处理两种方式， 分别介绍了废浆具体处理方法， 对当前的常见处理方法的作用机理、 适用条 件、 操作特点及处理成本进行详细介绍， 重点介绍了固液分离法， 还强调工程废浆处置应遵循分类处 置、 科学处置、 减量化处置、 资源化处置原则。 关键词 工程废浆； 处置； 处理； 固液分离 中图分类号 P642 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202101-0001-05 1概述 随着城镇化建设高速发展， 工程废浆产出量越来 越多， 不仅严重污染环境、 浪费资源， 而且超过了城市 对工程废浆的处置能力， 阻碍城市建设的发展。根据 对工程废浆成分检测重量的70～80为水， 其余为固 相。废浆中水的存在形式， 主要以自由水与结合水的 形式， 以粘土颗粒对其作用力强弱分为强结合水与弱 结合水， 一般处理废浆中的水是指其中自由水； 固相成 分主要为钻屑、 砾粒组、 砂粒组、 粉粒组、 粘粒组[1-2]， 详 见表1。由于地层差异及施工工艺不同， 液固相含量会 产生波动， 固相成分中钻屑、 砾粒组、 砂粒组在废浆中 极不稳定， 受重力场影响大， 可以通过物理方式将其从 分散体系中分离出来； 粉粒组由原生矿物与次生矿物 组成， 粒径范围5～75μm， 属粘粒组过渡相， 长时间静 置不稳定， 微带负电， 多以悬浮体形式分布于废浆中， 难以从分散系中分离； 粘粒组由次生粘土矿物与有机 质组成， 粒径小于5μm， 带负电， 与水结合形成双电层 的水化膜， 几乎不受重力场影响， 在废浆中以悬浮体和 胶体形式存在[3]， 其稳定性极好， 用物理方法难以分离， 这些特性是导致该类废浆具有污染性、 处置技术复杂、 处置成本高的关键因素。 2工程废浆处置方式与技术路线 组分 粒径 砾粒组 ≥2mm 砂粒组 75μm～2mm 粉粒组 5～75μm 粘粒组 ≤5μm 表1固相颗粒各组分粒径范围 工程废浆的处置方式总体上讲分两类 一类是直 接排放， 该方法是我国当前最主要的工程废浆处置方 式。另一类是改变了废浆的成分与状态， 称为废浆处 理， 根据废浆处理机理不同， 其处理方法也不同， 具体 处理方法见图1。目前市场上常采用组合方法处理废 浆， 例如先沉淀后固化法[4]、 先絮凝后过滤法[5]、 絮凝 （药 剂） 真空预压法等[6]。 3工程废浆直接排放 该方式是通过专用车辆或船只将废浆运抵指定地 图1工程废浆常用处理方法 岩土工程 1 2021年第1期西部探矿工程 点， 其处置效率高、 处理量大、 成本低， 但对消纳场地及 运输管理要求高， 不适合高粘粒型废浆， 即以粘土为主 的地层形成的废浆。根据斯托克斯 （Stokes） 定律 粒子 下沉速度v2γ2（ρ固-ρ介） /9ηg， 理论上悬浮在水中的土 颗粒下降1cm所需要时间见表2， 在自然条件下， 决定 固相颗粒沉降速度是粒径， 粘土颗粒粒径大多数小于 5μm， 实际上废浆固液分离所需时间远大于表2所示时 间。 颗粒半径 （μm） 10 1 0.1 0.01 0.001 下沉速度 （cm/s） 2.4710-2 2.4710-4 2.4710-6 2.4710-8 2.4710-10 所需时间 40.5s 67.5min 112h5min 468d14h 113a143d 注 ρ固2.7， ρ介1.0， η0.015103mPas。 表2悬浮在水中的土颗粒下降1cm所需时间[3] 直接排放作为废浆处置方式本身没有问题， 只是 高粘型的废浆很少直接被利用， 往往需要经处理后再 利用， 而低粘型的废浆只需经过自然沉淀或简单处理 便可重复利用， 故直接排放法较适合处置低粘型的废 浆。上海市在工程废浆排放、 整体规划、 循环利用方面 结合得非常好， 将废浆排放到横沙岛东侧预先规划区， 然后利用排水固结方法， 将废浆转化成可利用的土地， 代替从海中吹填造地。图2为温州地区与上海地区典 型工程废浆颗分曲线， 温州地区粘粒含量大于30， 粉 粘含量小于40， 属典型高粘型废浆； 上海地区粘粒含 量小于30， 粉粒大于50， 属典型低粘型废浆。 图2温州地区与上海地区典型工程废浆颗分曲线 4工程废浆的处理 目前国内工程废浆处理的技术线路是直接固化与 固液分离[7]， 涉及到具体操作， 常常是两种或多种处理 方法组合， 下面分别介绍常用的几种工程废浆处理方 法。 4.1固化法 固化法的机理是向工程废浆中加入合适的固化 剂， 使其转化成胶结强度较大的固体。固化剂主要分 为有机聚合物类与无机盐类。有机固化剂应用范围 广， 固化效果好， 但成本高， 易产生二次污染。无机固 化剂原料易购、 成本低， 施工方便， 水稳性好、 解毒效果 好， 分为普通固化剂与高效固化剂。普通无机固化剂， 一般以硅酸盐水泥为主体配方， 并辅以助凝剂和调凝 剂， 一般加量为废浆重量的15～25， 硬化时间一般 小于72h， 处理成本大约150元/m3。高效固化剂又称 复合型固化剂， 主要成分为石膏、 石灰、 矿渣微粉、 激发 剂及其他， 加量一般为废浆重量的5～10， 硬化时间 快， 一般小于48h， 处理成本大约100元/m3。 4.2固液分离法 固液分离法的机理是在外力作用下， 使得废浆中 固液两相分开， 依据外力性质不同， 主要分为沉淀法 （重力场作用） 、 机械分离法 （机械力作用） 、 电渗法 （电 场作用） 。 4.2.1沉淀法 沉淀法是最简单且成本最低的废浆处理方法， 仍 被广泛使用的废浆处理方法， 适合处理低粘型废浆， 尤 其针对残坡积地层废浆， 沉淀法往往不是单一废浆处 理方法， 常常结合其他方法来加快处理速度， 或者减少 废浆处理量。沉淀法的操作很简单 将废浆放在废浆 池中静置， 然后将上层清水排出， 降低其含水率， 有时 为了加快固液分离速度， 也会加入外添药剂。 4.2.2机械分离法 2 2021年第1期西部探矿工程 由图2可知， 废浆中80以上为稳定的细小颗粒， 很难用过滤法直接对其进行固液分离， 故在过滤前要 对废浆进行预处理[8]， 预处理的目的是使废浆中的小颗 粒聚集大颗粒， 破坏其稳定性， 提高渗透性， 减小过滤 阻力， 但经过预处理后的废浆含水率仍然很高， 需要通 过机械方法进行二次脱水， 形成清水与滤饼， 机械分离 的作用机理是对预处理后的废浆产生压力差， 提高固 液分离效率。根据机械所提供力性质不同， 机械分离 法可分为离心分离法、 压力分离法、 吸力分离法三大 类， 下面分别介绍常用的废浆预处理技术和机械分离 方法。 （1） 有机絮凝技术。絮凝作用机理 利用某类高聚 物特性， 主要为聚丙烯酰胺 （PAM） 及其衍生物， 其水 解后能产生长分子链， 长链上分布两类基团， 一类为吸 附基 （-CONH2） ， 能吸附泥浆中固相颗粒， 通过高聚物 本身的链节旋转运动， 将固相颗粒聚集在一起形成大 团颗粒而沉淀； 另一类为亲水基团 （-C00-） ， 由于其带 电能使分子链相互排斥而伸展开来， 有利于长链吸附 更多固相颗粒而形成 “架桥” 作用。 废浆的絮凝反应一般选择阴离子型PAM， 分子量 宜选用1000万左右， 先将PAM以浓度1‰稀释水解， 然后缓慢加入废浆中并均匀搅拌， 根据废浆浓度及粘 粒含量， 一般PAM用量为废浆的0.1‰左右， 且存在最 优用量， 最优用量根据絮凝效果来判定， 建议先在试验 室中测试最优用量， 如图3所示， 有机絮凝在10min即 可完成， 一般可排出上清液体积占总体积50， 絮凝剂 成本约2.5元/m3。 （2） 无机凝集技术。无机凝集作用机理 废浆固液 图3有机絮凝与无机凝集反应效果图 表3颗粒表面电位与稳定性关系 〔9〕 稳定性 稳定性极好 稳定性较好 稳定性适中 平均表面电位 （mV） -100～-60 -60～-40 -40～-30 稳定性 轻度分散 凝集 强烈凝集或沉淀 平均表面电位 （mV） -30～-15 -15～-10 -5～5 废浆的凝集剂一般选择高价可溶性盐， 先将凝集 剂稀释再加入到废浆中并搅拌均匀， 也存在最优用量， 如图所示， 与有机絮凝效果不同， 无机凝集效果较缓 慢， 一般静置24h后约10～20清水上返， 其余部分 呈 “果冻” 状， 类似为点卤后的 “豆腐脑” 。从工艺上比 较， 无机凝集反应比有效絮凝反应更简便， 但药剂成本 略高， 以Ca2为例 ， 大约5元/m3。 （3） 混合絮凝。混合絮凝是将有机絮凝与无机凝 集技术结合起来， 主要解决废浆中粘粒过多、 机械脱水 效率低的问题， 具体技术措施 先向废浆中投入少量无 机凝集剂， 使得粘粒电位稍降低， 稳定性下降， 再加入 有机絮凝剂。由于粘粒活性降低， 有利于酰胺基团捕 获， 并形成更大的絮体， 絮体沉降速度更快； 又由于粘 粒水化膜变溥， 絮体的渗透性提高， 有利于提高絮体脱 分离困难的原因是其中存在较多带负电的固相小颗 粒， 并且其稳定性与颗粒表面电位大小有直接关系， 详 见表3。凝集作用是向废浆中加入无机凝集剂， 降低颗 粒电位， 一方面使颗粒水化膜厚度减小并释放部分弱 结合水， 同时因颗粒间距减小而引起分子间吸引力 （范 德华力） 增大； 另一方面使得颗粒间静电斥力减小。由 于上述原因， 颗粒间力学稳定被破坏， 小颗粒便聚集成 大颗粒， 从体系中分离出来。 3 2021年第1期西部探矿工程 水速度， 提高固液分离效率， 经统计， 综合药剂成本较 单一药剂成本还低， 但处理工艺相对复杂。 （4） 离心分离法。在离心作用下， 物料比重不同所 获得离心力大小也不同， 且比重差越大分离效果越好， 废浆离心分离即依据该原理。为了获得更大固液比重 差， 故在废浆离心分离前也要进行预处理， 否则只能分 离粒径大于75μm的砂粒。目前市场常用的离心分离 设备有两款， 即水力旋流分离机和卧螺离心机。 水力旋流分离机是在外力作用下， 废浆以高流速 沿切线方向进入旋流器内筒并产生离心运动， 固相颗 粒沿着旋流器内壁向下运动， 液相由于旋流器竖向结 构变化形成压力差而向上运动， 从而产生固液分离。 卧螺离心机是通过电机驱动转筒旋转， 使废浆获得离 心条件， 固相颗粒附着在转筒内壁， 内置螺旋叶片将固 相物推送出来， 而液相从反方向流出， 实现固液分离。 （5） 压力分离法[10]。 压力分离属于过滤分离法， 对预处理后的废浆施以压力， 固相被截留在滤布上， 液 相快速透过滤布， 形成固液分离， 现在市场常用的废浆 分离设备有 板框压滤机与带式压滤机， 如图4、 图5所 示。 ①板框压滤机 利用专用泥浆泵将预处理后废浆 压入板框机内空腔里， 由于压力作用， 液相透过泥饼与 滤布被排出， 固相被滤布截留形成泥饼。板框压滤是 目前市场上废浆处理最常用的设备， 泥饼含水率可低 于40， 液相很清澈， 一般单台日处理量200～400m3， 处理成本20～30元/m3， 但设备体积较大， 占用场地面 积也大。 ②带式压滤机 废浆絮凝后被输送到压滤机的滤 带上， 部分自由水由滤带直接过滤掉， 絮体进入滤带间 加压区再次被挤压脱水形成泥饼， 带式压滤机只适合 有机絮凝或混合絮凝的废浆， 其分离效果与絮凝效果 直接相关， 滤饼厚度10～15mm， 含水率高于板框机泥 饼。与板框压滤不同， 能实现连续分离作业， 处理成本 与板框机差不多， 单台日处理量与板框机也差不多。 4.2.3电渗法 利用土颗粒带负电和水分子具有极性的特性， 在 电场作用下， 土颗粒向阳极移动形成电泳， 水分子向阴 极移动形成电渗。电渗法用于废浆的固液分离优点是 不用对废浆进行预处理， 而且电渗法对废浆中的粘粒 特性并不敏感， 电渗法通常与真空预压法联合以提高 排水效率， 但是在实际应用过程中仍存在一些问题 能 耗波动较大， 后期排水效果不明显， 对不同类型的泥浆 其排水效果差异性较大， 目前， 很少进行大规模废浆处 理应用， 常用于污染土、 污泥脱水处理项目， 处理成本 明显比沉淀法和机械分离法高。 5建议与期望 工程废浆作为工程活动过程中常见排放物， 但并 非废物， 其中的主要成分水、 砂、 粘土均是可利用的宝 贵资源， 废浆处置的目的是资源再利用， 保护环境， 而 不是将废浆转变成另一种废物。坚持废浆科学处理符 合我国坚持节约资源和保护环境的基本国策， 针对当 前工程废浆处量方面的不足， 现提出如下建议 （1） 坚持科学处置 应根据废浆性能与处置条件选 择合理的处置方法， 不宜强行选择统一的处置方法； 鼓 励企业根据自身实力和场地条件， 选择高效、 环保的处 置方式， 鼓励施工单位通过对工程废浆的净化、 改良， 增加泥浆循环利用次数， 尽量减少废浆排放量； 政府引 导并鼓励全社会通过技术创新， 积极使用无泥浆或少 泥浆施工技术， 淘汰落后的、 高污染、 高排放的施工工 艺。 （2） 坚持资源循环利用路线 工程废浆之所以形成 （下转第7页） 图4板框压滤机作业现场 图5带式压滤机作业现场 4 2021年第1期西部探矿工程 60cm时， 已经满足 铀矿地质辐射环境影响评价要求 中γ辐射空气吸收剂量、 氡析出率指标限值要求。 为恢复自然生态环境， 打造青山绿水及减少风蚀和 大气降水的淋浸等自然因素的影响， 根据 土地复垦技术 标准 满足植被恢复 （草灌木） 所需的最小覆土厚度为 35cm， 以及以往的设计和工程施工经验为了防止植物根 系和动物侵入对废 （矿） 石堆覆盖层的破坏， 在覆盖层上 部铺设生物阻挡层， 结合当地实际情况， 确定铺设厚度 20cm的砂卵石层。因此， 确定该军工铀矿地质勘探设施 遗留废 （矿） 石堆退役整治多层覆盖综合厚度为115cm。 4结论 （ 1 ） 土源地土壤γ辐射空气吸收剂量率、 土壤氡析出率 及土壤特征参数等处于当地天然环境本底水平， 适宜用 作后期军工铀矿地质勘探设施退役治理工程覆盖材料。 （2） 在进行正式退役整治工程施工前应对各铀矿地 质勘探设施源项进行调查， 根据场地γ辐射空气吸收剂量 率、 氡析出率指标结合管理限值计算出最佳覆土厚度。 （3） 覆土试验表明， 覆土厚度X与覆土前、 后氡析 出率比值的自然对数ln （Jt/Jc） 之间呈显著线性相关， 试 验得出方程X0.795 ln （Jt/Jc） -0.004结果可用。该试 验结果可为浙皖地区类似地质条件下铀矿地质历史遗 留勘探设施的退役治理覆盖设计提供参考。 参考文献 [1]张露， 吕彩霞， 盛青， 等.铀矿地质勘探设施退役整治若干问 题探讨 ［J］ .铀矿冶， 2013 （4） 212-215. [2]潘英杰， 徐乐昌， 薛建新， 等.国外铀矿冶设施的退役治理 ［J］ .铀矿冶， 2012 （2） 92-95. [3]邓文辉， 周星火， 吴桂慧.我国铀矿冶废石、 尾矿场覆盖厚度 确定方法中几个问题的探讨[J].铀矿开采， 2000， 24 （3-4） 23-28. [4]马盼军， 王哲， 易发成， 等.某铀尾矿库周边土壤中铀元素的 空间分布与污染评价[J].原子能科学技术， 2017， 51 （5） 956-960. [5]潘永， 刘泽华， 谭凯旋， 等.铀尾矿氡析出率的测量探讨[J].现 代矿业， 2009 （468） 67-70. [6]Anon.Measurement and Calculation of Radon Releases from Uranium MillTailings[R].Technical Reports Series No.333.Vi- ennaIAEA，1992. 图2γ辐射空气吸收剂量率随覆土厚度变化曲线 （上接第4页） 社会关注问题， 就是废浆未得到充分利用， 而是当作废 物存放， 这种处置方法当然不可持续。工程废浆的处 置方式应与当地产业特点相结合， 鼓励对废浆进行多 元化利用， 鼓励对废浆中的成分进行分类利用， 只有形 成完整产业链才能保证废浆处置可持续， 这方面要通 过政府引导、 企业主导、 社会共同参与才能解决。 （3） 提高对废浆的认识 国内有许多地区对废浆的 处置很重视， 甚至成立了专门职能管理部门， 他们很重 视废浆产量、 运输、 结算等管理方面， 关注其他地区的 成功管理模式， 对废浆综合利用很少关注。主要原因 是管理者或决策者对废浆缺乏全面认识， 更谈不上合 理利用， 故加强对本地区的废浆的研究显得十分必要。 参考文献 [1]唐大雄， 孙愫文.工程岩土学[M].北京地质出版社， 1990. [2]武亚军， 陆逸天， 牛坤， 等. 药剂真空预压法处理工程废浆试 验[J]. 岩土工程学报， 20168 1366-1367. [3]李健鹰.泥浆胶体化学[M].石油大学出版社， 1988. [4]胡承雄， 马华滨. 京沪高铁废弃泥浆处理现场试验[J].铁道 劳动安全卫生与环保， 20093112-115. [5]骆嘉成.钻孔桩废弃泥浆固液分离工艺 中国， ZL 2010 1 0193605.9. [P]. 2013-04-10. [6]武亚军， 骆嘉成.一种处理工程废浆的药剂真空预压法 中 国， ZL 2015 1 0322445.6. [P].2017-06-13. [7]刘建华， 侯世全.废弃泥浆无害化处理技术研究进展[J].铁道 劳动安全卫生与环保， 2009110-12. [8]A.Rushton，A.S.Ward，R.G.Holdich.固液两相过滤及分离技术 [M].北京化学工业出版社， 2005. [9]李风亭， 张善发.混凝剂与絮凝剂[M].北京化学工业出版社， 2005. [10]王维一， 丁启圣.过滤介质及其选用[M].北京中国纺织出版 社， 2008. 7