浅谈工程废浆的处置

张 杰，骆嘉成

（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）

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

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

图1 工程废浆常用处理方法

该方式是通过专用车辆或船只将废浆运抵指定地点，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v=2γ2（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。

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

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。

图3 有机絮凝与无机凝集反应效果图

（2）无机凝集技术。无机凝集作用机理：废浆固液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。

表3 颗粒表面电位与稳定性关系〔9〕

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。

图4 板框压滤机作业现场

图5 带式压滤机作业现场

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。