基础工程浆液资源化综合利用技术

谢 辉，叶井亮，陈 娟，薛 曼，胡慧聪，杨现禹，蔡记华

(1.武汉誉城千里建工有限公司，湖北 武汉 430051；2.中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430074；3.南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023)

在地下连续墙、水平定向钻、盾构和顶管等地下工程施工中，为满足维持孔壁稳定、岩屑悬浮与携带、润滑减阻等要求，需要制备大量黏度较高、稳定性良好的工程浆液[1]。但随着地下工程的实施，工程浆液的工作性能会逐渐恶化，在施工结束后或是浆液性能不能满足要求时，会产生大体量的废弃浆液。以武汉市某地下连续墙工程为例，共有166 幅槽段，每幅槽段长6 m、宽1.5 m、深50 m，需要450 m3浆液。由于不断与混凝土接触，新鲜浆液中钙离子含量不断增加，pH 也相应升高。新鲜浆液可在3 幅槽段中循环使用直至废弃，施工结束后将会产生约24 900 m3的废弃浆液。体积巨大、Ca2+含量和pH 高的基础工程废弃浆液，若处理不当将会造成严重的环境污染及资源浪费[2]。

当前针对废弃浆液的处理主要采用外运后集中处理，或在现场通过压滤得到泥饼并将废液排入城市下水道。这样，废弃浆液的处理所产生的泥饼不能有效利用且造成资源的浪费，废液的直接排放会对周边环境造成较大的污染。目前，国内外学者对于湖泊淤泥、污泥和油井泥浆等资源化综合利用提出了许多处理措施[3-7]，但对于工程废弃浆液的处理多以“絮凝脱水+机械分离”工艺为主[8-11]，大多关注于废弃浆液的脱水处理问题。

为减少废弃浆液的外运量，学者们进行了废弃浆液(泥浆)固化剂的研究，刘福田等[12]发明了由水泥熟料、石膏、石灰石、石灰、矿渣和速凝剂等组成的高水废弃泥浆用固化剂，田淼等[13]提出石灰搅拌使得沉渣固化为固化土的方法，杨石飞等[14]提出了由硅酸钠和减水剂组成的废弃泥浆固化剂，孙平贺等[15]提出由聚丙烯酰胺、环氧树脂和水玻璃等组成的基础工程废弃泥浆高效脱水固化处理剂。但是以上处理方法并不环保，也未涉及固化后的废弃浆液如何利用的问题。

在废弃浆液综合利用方面，姜玉松等[16]发现在添加一定量水玻璃和水泥后，废弃浆液的各种性能与黏土浆液比较接近，可用于地层注浆工程；陈振国等[17]发现皖北煤电集团有限责任公司朱集西煤矿钻井废弃泥浆可代替黏土浆用作注浆材料；杨钊等[18]发明了一种将盾构产生的废弃浆液用于壁后注浆材料中代替壁后注浆砂浆中的膨润土和部分水的方法；王建华[19]提出了针对泥水盾构废弃砂土和尾水综合利用技术，但因废弃砂土和尾水中污染物含量极低，处理起来相对简单，且在绿化用土中废弃砂的掺量只有10%～15%，种植效果不明。目前尚未有文献报道Ca2+含量和pH高的废弃浆液资源化利用方法。

为此，笔者提出一种基础工程浆液资源化综合利用技术，净化后的循环浆液可重新用于工程施工之中，钻渣直接用于草籽培育；废弃浆液经处理后，得到的废液可用于配制基础工程浆液，泥饼混入适量的营养土后可用于草籽培育，变“废”为“宝”。系统地阐述了基础工程循环浆液和废弃浆液的资源化综合利用方法、实验效果和作用原理，以期对类似工程浆液的资源化综合利用具有较好的指导意义和实践价值。

1 实验材料与实验仪器

新鲜浆液、循环浆液和废弃浆液样品取自武汉市某地下连续墙工程现场，样品的性能参数见表1。受取样时间和施工阶段等因素影响，该数据会出现部分波动。

表1 三种基础工程浆液的基本性能Table 1 Basic properties of three kinds of foundation engineering slurry

实验仪器包括ZT-600 六速旋转黏度器(青岛森欣机电设备有限公司)、YM 液体密度计(青岛海通达专用仪器有限公司)、80-3 台式数显电动离心机、离心管、量筒等。处理剂包括碳酸氢钠(NaHCO3)、碳酸钠(Na2CO3)、氯化铵(NH4Cl)、焦磷酸二氢二钠(SAPP)、乙二胺四乙酸(EDTA)、聚合氯化铝(PAC)、聚合硅酸铝铁(PAFS)、聚二甲基二烯丙基氯化铵(HCA)、絮凝剂A-1 和A-2 等。

2 实验方法

2.1 循环浆液的资源化综合利用

相比新鲜浆液，循环浆液的密度和蒙脱石含量变化明显(表1)。在工程施工过程中，浆液中混入了大量钻屑，导致循环浆液密度显著提高，蒙脱石含量明显降低，Ca2+含量略有增加。因此，应对循环浆液进行除砂处理，可选用旋流除砂器或类似设备，分别得到净化后的浆液和钻渣。旋流除砂器筛网目数为80 目(0.178 mm)或更细，使钻渣充分过滤。测定净化浆液的密度、黏度、pH、失水量及Ca2+质量浓度等性能参数，并与新鲜浆液进行对比，以判别其能否重新应用于基础工程施工中。钻渣以细砂、粉细砂为主，含少量泥质成分，透气性良好，可用于培育草籽，服务于城市园林绿化。当然，也可在钻渣中混入少量(如10%)的营养土，增加草籽的发育效果。

2.2 废弃浆液的资源化综合利用

从表1 可以看出，废弃浆液性能严重恶化，Ca2+含量显著提高，是原始浆液的20 倍以上，pH 从8 增大至13，应首先对其进行除钙和降低pH 处理。接下来，采用“絮凝+压滤”的方法进行处理，增大泥水分离速率，分别得到废液和泥饼。废液可用于重新配制基础工程浆液，按需添加造浆黏土和适量化 学药剂，并与新鲜浆液的性能进行对比。在泥饼中可混合一定比例的营养土，用于草籽培育，服务于城市园林绿化。

2.3 实验方案

选用披碱草和黑麦草2 种较为常见的草籽进行培育，实验设计方案见表2。将钻渣或泥饼分别与不同含量的营养土混合均匀，培养草籽，每个实验组种下15 粒草籽，将育苗盘放置在温度、湿度及阳光适宜的地方，每天定时定点浇水，记录草籽的发育情况。

表2 草籽培育实验设计方案Table 2 Experiments plan for grass seed cultivation

3 结果与讨论

3.1 循环浆液的处理与利用

3.1.1 净化后浆液的循环利用

净化后浆液的性能见表3，其基本性能与新鲜浆液相近，因此，可重新用于基础工程施工中，也可以适当添加处理剂，进一步优化其性能。

表3 净化后浆液的基本性能Table 3 Basic properties of purified mud

3.1.2 钻渣综合利用

除砂后得到的钻渣，若其Ca2+含量和pH 偏高，将会影响草籽发育。实验测得钻渣的Ca2+质量浓度为68.1 mg/L，pH 为8。

将钻渣混合不同质量分数的营养土进行混配，草籽培育方案见表2，结果显示，黑麦草和披碱草草籽在第3—第6 天时全部发芽，发芽率100%。10 d 后的发芽率和生长情况如图1-图2 所示。可见，培育盒中的草籽发育良好，说明循环浆液净化处理后得到的钻渣可直接用于草籽培育。

图1 草籽的发芽天数和发芽率Fig.1 Germination days and rates of grass seeds cultivated with drilling cuttings

图2 草籽在第10 天生长情况Fig.2 Growth situation of grass seeds cultivated with drilling cuttings on the 10th day

3.2 废弃浆液的处理与利用

3.2.1 除 钙

钙(Ca)是植物生长发育的必需元素之一，参与种子萌发、分化生长、形态建成及开花结果等全生命过程[20]。在种子萌发过程中，Ca2+通过改变酶活性，加快出苗速度、提高成苗率[21]。但Ca2+含量过高也不利于种子萌发和幼苗生长，甚至会导致植物停止生长或死亡[22]。在高Ca2+环境下，植物的光合作用也会受到抑制，生长速率降低[20]。受到盐(如Ca2+)胁迫时，植物被迫吸收盐离子并在体内积累，过量盐离子会产生离子毒害作用，破坏活性氧代谢系统的动态平衡并抑制植物吸收部分营养元素[23]。

为了对比不同类型除钙剂对废弃浆液的除钙效果，选用碳酸氢钠(NaHCO3)、碳酸钠(Na2CO3)和焦磷酸二氢二钠(SAPP)3 种常用的除钙剂，设置C1-C18 实验组，每小组称取100 g 的废弃浆液置于烧杯中，并在C1-C6 组中分别加入1%、2%、3%、4%、5%、6%的NaHCO3，在C7-C12 组中分别加入上述相同比例的Na2CO3，在C13-C18 组中分别加入上述相同比例的SAPP。搅拌均匀后，采用离心机对其进行离心处理，转速设置为1 500 r/min，20 min 后取出离心管，提取上清液，测试Ca2+含量，结果如图3 所示。3 种除钙剂加量与上清液Ca2+质量浓度呈较好的负相关关系：随着除钙剂加量的增加，Ca2+质量浓度逐渐降低；在相同加量下，NaHCO3的除钙效果略优于其他2 种。可见，当NaHCO3的加量为5%时，废弃浆液中Ca2+质量浓度可降低至173.6 mg/L。

图3 除钙剂对废弃浆液上清液中Ca2+质量浓度的影响Fig.3 Effect of calcium removal additive on the calcium concentration of the liquid supernatant of waste slurry

3.2.2 降低pH

植物生长环境中的碱胁迫不仅包括渗透胁迫和离子毒害，还包括高pH 胁迫[24]。研究表明，碱胁迫的危害远高于盐胁迫[25-26]，原因是碱胁迫在盐胁迫的基础上增加了高pH 胁迫[27]，高pH 对植物的危害比离子毒害和渗透胁迫更强烈[28]。另一方面，为获得较好的造浆效果，宜将浆液的pH 控制在9～11，即保持在一个弱碱性的水平。因此，在对废弃浆液进行除钙处理后，应降低其pH 值，使后续处理得到的泥饼和废液分别满足草籽培育和重新配制工程浆液的要求。

实验选用氯化氨(NH4Cl)作为pH 调节剂，将NH4Cl 与蒸馏水均匀混合，配制成质量分数为20%的NH4Cl 溶液。取100 g 废弃浆液置于烧杯中，分别加入5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 mL 的NH4Cl溶液，测试处理后废弃浆液的pH 值。当加入20 mL质量分数为20%的NH4Cl 溶液时，即加入质量分数3.3%的NH4Cl，废弃浆液pH 降低至9，如图4 所示。

图4 不同NH4Cl 溶液加量对废弃浆液pH 值的影响Fig.4 Effect of NH4Cl solution volume on the pH of waste slurry

3.2.3 絮 凝

实验选用聚合氯化铝(PAC)、聚合硅酸铝铁(PAFS)、聚二甲基二烯丙基氯化铵(HCA)、絮凝剂A-1 和A-2等絮凝剂。将不同种类絮凝剂与蒸馏水均匀混合，配制成质量分数为1%的溶液。取100 g 经除钙及降pH 后的废弃浆液，置于100 mL 的量筒中，依次滴加5 mL 絮凝剂溶液，充分搅拌，静置6 h，观察浆液絮凝情况。

结果显示，PAC、PAFS、HCA 对废弃浆液进行絮凝的效果不佳，量筒内均无明显絮凝体堆积，上清液浑浊，且与絮凝体之间无明显分层，泥水分离效果较差。絮凝剂A-1 和A-2 的絮凝效果较为明显，量筒内有明显的絮凝物，上清液和絮凝物之间有较为清晰的分界面，泥水分离效果较为明显，絮凝体沉降速度较快。

进一步分析絮凝剂A-1 和A-2 的絮凝效果，在废弃浆液中分别加入0～800 mg/L(依次递增100 mg/L)的絮凝剂A-1 和A-2，静置6 h，如图5a 所示。随着絮凝剂A-1 加量的增大，絮凝物体积呈现变大的趋势；当絮凝剂A-1 加量小于500 mg/L 时，絮凝物体积较小，但沉降过程较快，固相体积比较小，且均小于90%。而在加量大于500 mg/L 时，尚未对絮凝效果产生显著影响，絮体增大程度缓慢。因此，絮凝剂A-1 的最优加量为500 mg/L。

由图5b 可知，当絮凝剂A-2 加量小于300 mg/L时，絮凝效果相近，絮团小而松散，呈微粒状，上清液较为浑浊，沉降充实；加量为300 mg/L 时，压实层密度变小，絮团体积明显增大，呈现海绵状，絮凝效果明显，但大絮体的存在使絮凝体沉速变慢，6 h 后絮体位置几乎未发生明显变动，但泥水分离效果十分显著；随着絮凝剂用量的继续增大，絮团体积稍有变小，沉降趋于平缓，絮凝效果无明显变化。因此，确定絮凝剂A-2 的最优加量为300 mg/L。

图5 添加絮凝剂A-1 和A-2 后废弃浆液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

比较絮凝剂A-1 和A-2 的絮凝效果(图6)，A-2 的黏性较强(300 mg/L 的絮凝剂A-1 和A-2 的表观黏度分别是56 mPa·s 和72 mPa·s)，絮凝物体积更大，抗剪切能力较强[29]，且不易破碎，絮凝效果更佳。方便后续的压滤工艺，最终优选出加量为300 mg/L 的絮凝剂A-2。

图6 添加絮凝剂A-2 后废弃浆液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 废液循环利用

完成上述化学处理的废弃浆液进行泥水分离，用200 目(0.074 mm)过滤网进行压滤处理，充分挤压直至难以挤出多余的水分时，完成压滤，得到废液和泥饼。

取100 mL 的废液，加入3.6%的膨润土，搅拌均匀，测试废液配制工程浆液的基本性能(表4)。与表1相比，在相同实验条件下，用废液重新配置的浆液中Ca2+质量浓度偏高，黏度略有所减小。浆液中的钙离子会中和膨润土所带的负电荷，弱化其水化效果。因而可以在废液配置的新鲜浆液中加入一定量的除钙剂改善其性能，使之达到基础工程浆液的要求。

表4 利用废液配制工程浆液的基本性能Table 4 Basic properties of foundation slurry based on wastewater

从上述试验中得出NaHCO3的除钙效果最佳，采用NaHCO3进行除钙处理，实验结果见表5。当加入2%的NaHCO3后，浆液中Ca2+质量浓度降低至34 mg/L，与新鲜浆液的Ca2+质量浓度基本一致。

表5 利用废液配制基础工程浆液的除钙效果Table 5 Calcium removal effect of foundation engineering slurry based on wastewater

3.2.5 泥饼综合利用

实验测定泥饼中Ca2+质量浓度约为173.6 mg/L、pH 为9。将泥饼与不同体积分数的营养土进行混配，草籽培育方案见表2，实验结果如图7、图8 所示。经过10 d 的培育，草籽的发芽率与营养土的加量呈较好的正相关关系。对比披碱草和黑麦草的草籽发育情况，发芽时间几乎一致，草籽均在3～6 d 发芽；披碱草的发芽率为77.8%，黑麦草为44.4%；在营养土加至20%以上时，披碱草便可以发芽生长；而黑麦草则需要40%以上的营养土。披碱草具有较好的耐碱性，发育情况优于黑麦草。综合而言，当泥饼中混合30%～60%的营养土时，草籽发芽率可达到72%。

图7 添加A-1 和A-2 后废弃浆液的絮凝效果对比Fig.7 Comparison of the floculation effect of flocculant A-1 and A-2 to waste slurry

图8 用泥饼培育的草籽在第10 天生长情况Fig.8 Growth situation of grass seeds cultivated with mud cake on the 10th day

由前述实验结果可知，与钻渣相比，使用泥饼培育的草籽，不管是黑麦草还是披碱草，发育芽明显降低。钻渣是循环浆液除砂器处理后的筛余物，以粉砂、粉细砂和细砂等为主，其中Ca2+质量浓度为68.1 mg/L、pH 为8，泥质成分含量低，透气性好，适合草籽生长，发芽率100%；而泥饼是废弃浆液除钙、降低pH 后压滤所得，除了粉砂、粉细砂和细砂之外，造浆用的膨润土、黏土类钻屑和絮凝剂A-2 含量较高，其中Ca2+质量浓度为173.6 mg/L、pH 为9，透气性也较差，这些因素的综合作用使得草籽发芽率相对较低(72%)。

可以看出，对于基础工程废弃浆液，必须先进行除钙、降低pH 等化学处理，将泥饼中的盐碱含量降低到草籽等植物生长可以接受的水平之内，才能实现较高的发芽率。

4 结论

a.循环浆液经过除砂后得到的净化浆液和钻渣，前者可重新用于工程施工中，用于培育披碱草、黑麦草等草籽，其发芽率为100%，实现了循环浆液的资源化综合利用。

b.废弃浆液需要进行化学处理，加入5%的NaHCO3可将Ca2+质量浓度从703.5 mg/L 降低至173.6 mg/L，加入质量分数为3.3%的NH4Cl 将pH 值从13 降低至9；同时，加入300 mg/L 的絮凝剂A-2，可得到有效的絮凝物。

c.废弃浆液经过压滤得到的废液，在加入质量分数为2%的NaHCO3后，可用于重新配制基础工程浆液，减少了大量废弃浆液的外运工作；在泥饼中加入30%～60%的营养土后，可用于培育草籽，草籽平均发芽率达到72%，实现废弃浆液的资源化综合利用。

d.过量的盐离子和高pH 会对植物生长产生毒害作用。应先对废弃浆液进行降低pH、除钙等处理，压滤得到的泥饼才可以满足植物生长的要求。