建筑泥漿資源化利用技術(shù)研究*

李 雁，程 曦，惠 鋒，左小凡，劉 新，吳定桂

(1.南京市城建集團(tuán)，江蘇 南京 210009； 2.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模不斷增大，建筑泥漿產(chǎn)量逐年增加[1]。建筑泥漿多未經(jīng)固化減量處理，含水率較高，占用空間較大。由于現(xiàn)有泥漿棄置場(chǎng)剩余庫(kù)容有限，常隨意投棄、填埋建筑泥漿，未對(duì)其進(jìn)行資源化利用。因此，需對(duì)建筑泥漿進(jìn)行資源化、減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化處理[2]。基于建筑泥漿基本理化性質(zhì)，對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外建筑泥漿處理技術(shù)，為建筑泥漿資源化利用提供參考。

1 建筑泥漿特點(diǎn)

施工過(guò)程中產(chǎn)生的高含水率泥質(zhì)挖掘物和泥水均為建筑泥漿，可分為自硬性泥漿和非自硬性泥漿。建筑泥漿性狀主要受土壤性質(zhì)與含水率影響[3]，具有以下特點(diǎn)：①外觀呈淺黃色；②pH值較高，多呈堿性；③一般由無(wú)機(jī)物組成，化學(xué)成分主要包括SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3等，含少量重金屬元素；④黏粒含量高，平均粒徑約為10μm，難以自然沉降；⑤含水率較高，一般為60%～90%，脫水困難，自然風(fēng)干過(guò)程緩慢。

2 建筑泥漿處理技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)外建筑泥漿主要處理技術(shù)如表1所示，包括自然干化、真空脫水、離心脫水、壓濾脫水技術(shù)等[4-6]，真空脫水、離心脫水、壓濾脫水技術(shù)屬機(jī)械脫水技術(shù)，有機(jī)絮凝劑脫水、無(wú)機(jī)絮凝劑脫水、微生物絮凝劑脫水技術(shù)屬絮凝脫水技術(shù)，不同處理技術(shù)具有不同特點(diǎn)與處理效果，因此，需根據(jù)建筑泥漿性質(zhì)、利用目的和處理量選用合適的處理技術(shù)。

表1 國(guó)內(nèi)外建筑泥漿處理技術(shù)

2.1 自然干化技術(shù)

自然干化技術(shù)采用暴露于自然熱、風(fēng)的方式降低泥漿含水率，主要工藝包括沙地干化和冷凍脫水等[7]。歐美國(guó)家常用轉(zhuǎn)鼓干化、流化床干化、盤式干化技術(shù)，此外還有碟片式、帶式、日光式、閃蒸式干化技術(shù)等[8]。曹雷[9]提出的自然干化技術(shù)速度較慢，可通過(guò)減小泥層厚度、設(shè)置泥層翻轉(zhuǎn)設(shè)備、摻拌黏土或石灰、強(qiáng)制風(fēng)干等措施減小外界因素的影響。周登健[10]研究了自然干化過(guò)程中溫度、濕度、通風(fēng)、有機(jī)質(zhì)含量等對(duì)建筑泥漿含水率的影響，研究結(jié)果表明，在相同比表面積下，有機(jī)質(zhì)含量越高，自然干化速度越慢；溫度越高，濕度越低，通風(fēng)越大，自然干化速度越快。江暉等[11]提出的自然干化技術(shù)較經(jīng)濟(jì)，適用于氣候較干燥、占地不緊張、蒸發(fā)率較高且環(huán)境衛(wèi)生條件允許的地區(qū)。常用自然干化構(gòu)筑物包括干化床和干化場(chǎng)，干化床適用于小型污水處理廠，干化場(chǎng)多利用天然蒸發(fā)、滲濾、重力分離等作用，將泥漿含水率降至75%左右。

2.2 機(jī)械脫水技術(shù)

機(jī)械脫水技術(shù)成本較高，脫水后泥漿含水率約為80%。Sloan等[12]的研究表明，利用壓濾機(jī)進(jìn)行機(jī)械脫水產(chǎn)生的地污泥含水率低，且能源消耗率較低。王銘祥等[13]的研究表明，壓濾式泥漿脫水可節(jié)約46%的成本，但設(shè)備占地面積較大，基礎(chǔ)費(fèi)用較高，不適用于較小的施工場(chǎng)地。Drury等[14]通過(guò)泥漿脫水后的含水率、處理量、耗能、調(diào)劑用量、價(jià)格、釋放的氣體刺激性等評(píng)價(jià)帶式壓濾機(jī)和離心機(jī)實(shí)際應(yīng)用性能，得出離心機(jī)更經(jīng)濟(jì)、適用的結(jié)論。

已有學(xué)者基于預(yù)處理技術(shù)、設(shè)備改良等提高脫水效率，如Qiao等[15]的研究表明，170℃微波加熱處理泥漿1min后，可使泥漿懸浮物含量降低40%，可知預(yù)處理技術(shù)可提高泥漿沉降性能；饒祎[16]聯(lián)合應(yīng)用機(jī)械脫水技術(shù)與電滲脫水技術(shù)，將泥漿含水率降至60%，解決了電滲處理泥漿時(shí)間長(zhǎng)、陽(yáng)極存在腐蝕和熱損失等問(wèn)題；趙靜文[17]改良出適用于市政工程的可移動(dòng)式泥漿處理設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)真空自吸與二次壓榨，且可解決入料口易堵塞的問(wèn)題，利用該設(shè)備處理后的泥漿含水率約為35%，處理效果較好。陳聰[18]研發(fā)出機(jī)械加壓泥漿脫水機(jī)，提高了設(shè)備適應(yīng)性和產(chǎn)量可調(diào)能力，該設(shè)備將濾液排出口與真空泵相連，利用負(fù)壓將濾液排出設(shè)備，同時(shí)利用余熱對(duì)泥餅進(jìn)行再次干化，減小泥餅含水率。目前，過(guò)濾與分離機(jī)械存在一定缺點(diǎn)，如真空過(guò)濾機(jī)成本高、維修復(fù)雜；帶式脫水機(jī)占地面積和沖洗水量均較大，濾布和濾袋需及時(shí)更換清洗；板框式脫水機(jī)附屬設(shè)備多，故障率高。因此，過(guò)濾與分離機(jī)械需向大型化、節(jié)能化、機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化等方向轉(zhuǎn)變。

2.3 絮凝脫水技術(shù)

應(yīng)用絮凝脫水技術(shù)時(shí)，利用絮凝劑進(jìn)行泥漿處理，達(dá)到固液分離的目的，處理流程如圖1所示。不同絮凝劑作用機(jī)理不同，Jaditager等[19]研究了粉煤灰基地質(zhì)聚合物質(zhì)量比為6%，12%，18%時(shí)含水率400%的泥漿沉降行為，研究結(jié)果表明，由于粉煤灰基地質(zhì)聚合物凝膠包覆了建筑泥漿中的泥顆粒，可使泥漿沉降時(shí)間縮短；Asano等[20]利用殼聚糖處理泥漿，并進(jìn)行脫水試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，摻入0.6%～1.4%的絮凝劑時(shí)，96%以上的懸浮顆粒可被分離，最終得到含水率>75%的泥餅；有機(jī)高分子絮凝劑具有更高的相對(duì)分子質(zhì)量，絮凝效果更優(yōu)[21]。近年來(lái)，常用復(fù)配絮凝劑聯(lián)合處理泥漿，以提高脫水效果，如Wang等[22]采用陰離子聚丙烯酰胺與氯化鐵復(fù)配絮凝劑，結(jié)合真空預(yù)壓技術(shù)處理建筑泥漿，發(fā)現(xiàn)復(fù)配絮凝劑可有效增強(qiáng)絮凝作用，增大泥漿粒徑；Lin等[23]發(fā)現(xiàn)當(dāng)選擇金屬離子作為調(diào)理劑，無(wú)機(jī)絮凝材料結(jié)合陰離子聚丙烯酰胺作為絮凝劑處理建筑泥漿時(shí)，脫水后的泥漿含水率<30%?？傮w來(lái)說(shuō)，絮凝脫水技術(shù)處理建筑泥漿的效果較好，應(yīng)根據(jù)絮凝劑特點(diǎn)有針對(duì)性地選用處理技術(shù)。目前，已有學(xué)者通過(guò)改性和復(fù)配制備性能更優(yōu)的絮凝材料。

圖1 絮凝脫水流程

2.4 固化處理技術(shù)

采用固化處理技術(shù)時(shí)，將固化材料加入高含水率建筑泥漿中，充分混合后可增加泥漿強(qiáng)度，處理流程如圖2所示。固化材料為增進(jìn)固化反應(yīng)的物質(zhì)，一般通過(guò)與泥漿土顆粒和水發(fā)生交聯(lián)聚合反應(yīng)，生成高分子聚合物，從而固化泥漿。固化材料包括水泥、石灰、粉煤灰、硅粉等[24-27]，需根據(jù)泥漿種類、含水率等確定固化材料種類和添加量，并進(jìn)行試配試驗(yàn)。

圖2 固化處理流程

郭清春等[28]將水泥、粉煤灰、礦粉等制成復(fù)配固化材料，并將其應(yīng)用于建筑泥漿處理中，取得一定經(jīng)濟(jì)效益；陳源等[29]對(duì)海南紅黏土泥漿進(jìn)行固化試驗(yàn)研究，得到固化材料最佳配合比為2%水泥+0.5%硅酸鈉+0.1%硫酸鋁；張?jiān)频萚30]利用氫氧化鈣固化泥漿，經(jīng)試驗(yàn)分析得到最佳明礬用量為15kg/m3，最佳石灰用量為20kg/m3；Jin等[31]對(duì)真空預(yù)壓過(guò)程中泥漿沉降、排水量、孔隙水壓力、抗剪強(qiáng)度、彈性波波速和固結(jié)程度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明石灰可改變泥漿結(jié)構(gòu)，增加孔隙率，并加速水力傳導(dǎo)，確定了最佳石灰用量為4%；朱明等[32]使用建筑泥漿制作免燒磚，并進(jìn)行強(qiáng)度與微觀物相測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)由石灰-水泥體系制備的免燒磚具有更高的抗壓強(qiáng)度，硫鋁硅酸鹽與建筑泥漿可形成更致密的微觀結(jié)構(gòu)；胡軍等[33]對(duì)建筑泥漿固化分離處理技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,分析總結(jié)了廢棄泥漿免壓濾直接固化分離工藝，減少了水資源投入，解決了泥漿外運(yùn)對(duì)環(huán)境的影響問(wèn)題，加快了樁基施工進(jìn)度。

固化處理技術(shù)成本低、操作簡(jiǎn)單，常用無(wú)機(jī)膠凝材料處理建筑泥漿，但泥漿中的有機(jī)物會(huì)影響凝固過(guò)程，降低固化產(chǎn)物化學(xué)穩(wěn)定性，因此，需研發(fā)新型綠色膠凝材料，如植物纖維、天然聚合物等。

2.5 燒結(jié)處理技術(shù)

調(diào)節(jié)建筑泥漿含水率后，使用造粒裝置以預(yù)定粒度在900 ℃下烘烤泥漿，燒結(jié)處理后的泥漿可作為磚、砌塊、排水材料、骨料、綠色化基礎(chǔ)材料、園藝用土等，燒結(jié)制磚工藝流程如圖3所示。錢圣德等[34]研發(fā)出深度脫水固化制磚設(shè)備，在泥漿中摻加無(wú)機(jī)添加劑與生石灰，利用高壓空氣或高壓水進(jìn)行壓榨固化，制成含水率<60%的泥餅，由輸送機(jī)送至深度脫水固化制磚設(shè)備制成磚坯；盧琦淮等[35]利用建筑泥漿、脫硫石膏和粉煤灰等制成大尺寸多孔燒結(jié)砌塊，將建筑泥漿、脫硫石膏和粉煤灰配合比控制為12∶3∶2時(shí)，可使多孔燒結(jié)砌塊抗壓強(qiáng)度平均值≥10MPa，且使成本降低20%以上；王建義等[36]將建筑泥漿制成保溫隔熱多孔砌塊、保溫空心砌塊、隔墻板和輕質(zhì)空心磚等。燒結(jié)制磚是建筑泥漿資源化利用的較好途徑，可解決環(huán)境污染問(wèn)題，有利于研發(fā)環(huán)保節(jié)能墻材。

圖3 燒結(jié)制磚工藝流程

2.6 直接改良技術(shù)

目前，常用于直接改良建筑泥漿性狀的材料包括水泥和石灰，相關(guān)學(xué)者正在研發(fā)新型改良材料，如高分子系吸水性樹(shù)脂、無(wú)機(jī)改性劑等。高分子系吸水性樹(shù)脂利用改性劑吸水性降低表觀含水率，以提高改性泥漿固化性能，可降低土壤流動(dòng)性且便于運(yùn)輸，許祥俊[37]研制了聚合物吸水樹(shù)脂。無(wú)機(jī)改性劑主要由吸水率較高的黏土礦物組成。將干燥的粉煤灰加入建筑泥漿中，可降低泥漿含水率，且可調(diào)整泥漿粒度分布，雖然無(wú)法提高泥漿單軸抗壓強(qiáng)度，但可改善泥漿壓實(shí)性能，制成的泥餅可用于填充路堤[38]。當(dāng)建筑泥漿含水率較高時(shí)，需增加改良材料添加量，這在一定程度上增加了直接改良技術(shù)難度。Tsuchida等[39]研發(fā)了輕質(zhì)脫水泥餅技術(shù)，并利用該技術(shù)進(jìn)行建筑泥漿再利用，泥漿密度可保持為1.0～1.2g/cm3，該技術(shù)已在海港和沿海機(jī)場(chǎng)工程中得到應(yīng)用。

3 建筑泥漿資源化利用存在的問(wèn)題

1)未制定區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)改良的脫水泥餅需滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，目前美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家從政府層面建立了較完善的法律、法規(guī)體系，從行業(yè)層面建立了切實(shí)可行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范體系，以促進(jìn)建筑垃圾資源化利用[40]。而我國(guó)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范較少，未制定區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)。

2)泥漿處理不當(dāng)

目前，我國(guó)建筑泥漿存在隨意投棄、填埋等問(wèn)題，而日本通過(guò)傳票制度遏制非法處理建筑垃圾現(xiàn)象[41]，新加坡將建筑垃圾處理情況納入驗(yàn)收指標(biāo)體系，對(duì)于處理未達(dá)標(biāo)的建筑垃圾，不予發(fā)放建筑使用許可證，同時(shí)將建筑垃圾循環(huán)利用納入綠色建筑標(biāo)志認(rèn)證考核范圍[42]。

3)技術(shù)存在局限性

對(duì)于狹小空間，無(wú)法安裝現(xiàn)有建筑泥漿處理設(shè)施，導(dǎo)致技術(shù)無(wú)法應(yīng)用。某些技術(shù)存在一定局限性，如采用燒結(jié)處理技術(shù)時(shí)，無(wú)法進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，需將材料運(yùn)至磚窯燒制成磚。多數(shù)技術(shù)改良效果評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)取決于材料單軸抗壓強(qiáng)度是否滿足要求，缺乏多指標(biāo)的綜合判定。

4)存在環(huán)境安全問(wèn)題

使用水泥和水泥基固化材料進(jìn)行泥漿穩(wěn)定化處理時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)重金屬超標(biāo)現(xiàn)象，需進(jìn)行重金屬溶出試驗(yàn)，并根據(jù)國(guó)家土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)采取適當(dāng)措施，確保重金屬溶出量不超過(guò)土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值。使用水泥和石灰等固化材料制備的脫水泥餅通常表現(xiàn)為高堿度，可能影響周圍地區(qū)自然環(huán)境，須采取酸堿度中和措施。

4 改進(jìn)建議

針對(duì)建筑泥漿資源化利用存在的問(wèn)題，提出建筑泥漿處理流程(見(jiàn)圖4)，以期為建筑泥漿回收管理提供參考，并提出以下改進(jìn)建議：①合理利用脫水、固化、直接改良等處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑泥漿固液分離，優(yōu)化處理工藝，更新升級(jí)處理設(shè)備，開(kāi)發(fā)新型環(huán)保改良材料；②加強(qiáng)建筑泥漿資源化利用研究力度，大范圍推廣建筑泥漿在回填路基、制磚、城市綠化用土中的應(yīng)用；③建立健全相關(guān)法律、法規(guī)體系，制定區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)，完善相關(guān)施工要求；④加大環(huán)保投入力度，解決建筑泥漿資源化利用中的環(huán)境安全問(wèn)題。

圖4 建筑泥漿處理流程

5 結(jié)語(yǔ)

建筑泥漿處理技術(shù)的選擇依賴于泥漿自身特性、處理效果、所需成本及資源化利用目標(biāo)等，不同施工條件及處理方式下泥漿利用效果差異較大。針對(duì)建筑泥漿大量出現(xiàn)且成分復(fù)雜的問(wèn)題，需進(jìn)行資源化、減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化利用研究。通過(guò)采用多種建筑泥漿脫水干化技術(shù)及合理的工藝參數(shù)，達(dá)到泥漿優(yōu)化處理的目的。建筑泥漿處理過(guò)程中存在的環(huán)境安全問(wèn)題制約了其資源化發(fā)展，需通過(guò)理論分析與實(shí)踐應(yīng)用深入研究泥漿循環(huán)利用技術(shù)，不斷降低泥漿處理難度，提高處理效率，消除對(duì)環(huán)境的影響。