建筑泥浆资源化利用技术研究*

李 雁，程 曦，惠 锋，左小凡，刘 新，吴定桂

(1.南京市城建集团，江苏 南京 210009； 2.南京林业大学，江苏 南京 210037)

0 引言

随着我国经济的快速发展，工程建设规模不断增大，建筑泥浆产量逐年增加[1]。建筑泥浆多未经固化减量处理，含水率较高，占用空间较大。由于现有泥浆弃置场剩余库容有限，常随意投弃、填埋建筑泥浆，未对其进行资源化利用。因此，需对建筑泥浆进行资源化、减量化、稳定化、无害化处理[2]。基于建筑泥浆基本理化性质，对比分析国内外建筑泥浆处理技术，为建筑泥浆资源化利用提供参考。

1 建筑泥浆特点

施工过程中产生的高含水率泥质挖掘物和泥水均为建筑泥浆，可分为自硬性泥浆和非自硬性泥浆。建筑泥浆性状主要受土壤性质与含水率影响[3]，具有以下特点：①外观呈浅黄色；②pH值较高，多呈碱性；③一般由无机物组成，化学成分主要包括SiO2，Al2O3，Fe2O3等，含少量重金属元素；④黏粒含量高，平均粒径约为10μm，难以自然沉降；⑤含水率较高，一般为60%～90%，脱水困难，自然风干过程缓慢。

2 建筑泥浆处理技术

目前国内外建筑泥浆主要处理技术如表1所示，包括自然干化、真空脱水、离心脱水、压滤脱水技术等[4-6]，真空脱水、离心脱水、压滤脱水技术属机械脱水技术，有机絮凝剂脱水、无机絮凝剂脱水、微生物絮凝剂脱水技术属絮凝脱水技术，不同处理技术具有不同特点与处理效果，因此，需根据建筑泥浆性质、利用目的和处理量选用合适的处理技术。

表1 国内外建筑泥浆处理技术

2.1 自然干化技术

自然干化技术采用暴露于自然热、风的方式降低泥浆含水率，主要工艺包括沙地干化和冷冻脱水等[7]。欧美国家常用转鼓干化、流化床干化、盘式干化技术，此外还有碟片式、带式、日光式、闪蒸式干化技术等[8]。曹雷[9]提出的自然干化技术速度较慢，可通过减小泥层厚度、设置泥层翻转设备、掺拌黏土或石灰、强制风干等措施减小外界因素的影响。周登健[10]研究了自然干化过程中温度、湿度、通风、有机质含量等对建筑泥浆含水率的影响，研究结果表明，在相同比表面积下，有机质含量越高，自然干化速度越慢；温度越高，湿度越低，通风越大，自然干化速度越快。江晖等[11]提出的自然干化技术较经济，适用于气候较干燥、占地不紧张、蒸发率较高且环境卫生条件允许的地区。常用自然干化构筑物包括干化床和干化场，干化床适用于小型污水处理厂，干化场多利用天然蒸发、渗滤、重力分离等作用，将泥浆含水率降至75%左右。

2.2 机械脱水技术

机械脱水技术成本较高，脱水后泥浆含水率约为80%。Sloan等[12]的研究表明，利用压滤机进行机械脱水产生的地污泥含水率低，且能源消耗率较低。王铭祥等[13]的研究表明，压滤式泥浆脱水可节约46%的成本，但设备占地面积较大，基础费用较高，不适用于较小的施工场地。Drury等[14]通过泥浆脱水后的含水率、处理量、耗能、调剂用量、价格、释放的气体刺激性等评价带式压滤机和离心机实际应用性能，得出离心机更经济、适用的结论。

已有学者基于预处理技术、设备改良等提高脱水效率，如Qiao等[15]的研究表明，170℃微波加热处理泥浆1min后，可使泥浆悬浮物含量降低40%，可知预处理技术可提高泥浆沉降性能；饶祎[16]联合应用机械脱水技术与电渗脱水技术，将泥浆含水率降至60%，解决了电渗处理泥浆时间长、阳极存在腐蚀和热损失等问题；赵静文[17]改良出适用于市政工程的可移动式泥浆处理设备，可实现真空自吸与二次压榨，且可解决入料口易堵塞的问题，利用该设备处理后的泥浆含水率约为35%，处理效果较好。陈聪[18]研发出机械加压泥浆脱水机，提高了设备适应性和产量可调能力，该设备将滤液排出口与真空泵相连，利用负压将滤液排出设备，同时利用余热对泥饼进行再次干化，减小泥饼含水率。目前，过滤与分离机械存在一定缺点，如真空过滤机成本高、维修复杂；带式脱水机占地面积和冲洗水量均较大，滤布和滤袋需及时更换清洗；板框式脱水机附属设备多，故障率高。因此，过滤与分离机械需向大型化、节能化、机械化、自动化、智能化等方向转变。

2.3 絮凝脱水技术

应用絮凝脱水技术时，利用絮凝剂进行泥浆处理，达到固液分离的目的，处理流程如图1所示。不同絮凝剂作用机理不同，Jaditager等[19]研究了粉煤灰基地质聚合物质量比为6%，12%，18%时含水率400%的泥浆沉降行为，研究结果表明，由于粉煤灰基地质聚合物凝胶包覆了建筑泥浆中的泥颗粒，可使泥浆沉降时间缩短；Asano等[20]利用壳聚糖处理泥浆，并进行脱水试验，研究结果表明，掺入0.6%～1.4%的絮凝剂时，96%以上的悬浮颗粒可被分离，最终得到含水率>75%的泥饼；有机高分子絮凝剂具有更高的相对分子质量，絮凝效果更优[21]。近年来，常用复配絮凝剂联合处理泥浆，以提高脱水效果，如Wang等[22]采用阴离子聚丙烯酰胺与氯化铁复配絮凝剂，结合真空预压技术处理建筑泥浆，发现复配絮凝剂可有效增强絮凝作用，增大泥浆粒径；Lin等[23]发现当选择金属离子作为调理剂，无机絮凝材料结合阴离子聚丙烯酰胺作为絮凝剂处理建筑泥浆时，脱水后的泥浆含水率<30%。总体来说，絮凝脱水技术处理建筑泥浆的效果较好，应根据絮凝剂特点有针对性地选用处理技术。目前，已有学者通过改性和复配制备性能更优的絮凝材料。

图1 絮凝脱水流程

2.4 固化处理技术

采用固化处理技术时，将固化材料加入高含水率建筑泥浆中，充分混合后可增加泥浆强度，处理流程如图2所示。固化材料为增进固化反应的物质，一般通过与泥浆土颗粒和水发生交联聚合反应，生成高分子聚合物，从而固化泥浆。固化材料包括水泥、石灰、粉煤灰、硅粉等[24-27]，需根据泥浆种类、含水率等确定固化材料种类和添加量，并进行试配试验。

图2 固化处理流程

郭清春等[28]将水泥、粉煤灰、矿粉等制成复配固化材料，并将其应用于建筑泥浆处理中，取得一定经济效益；陈源等[29]对海南红黏土泥浆进行固化试验研究，得到固化材料最佳配合比为2%水泥+0.5%硅酸钠+0.1%硫酸铝；张云等[30]利用氢氧化钙固化泥浆，经试验分析得到最佳明矾用量为15kg/m3，最佳石灰用量为20kg/m3；Jin等[31]对真空预压过程中泥浆沉降、排水量、孔隙水压力、抗剪强度、弹性波波速和固结程度进行对比分析，结果表明石灰可改变泥浆结构，增加孔隙率，并加速水力传导，确定了最佳石灰用量为4%；朱明等[32]使用建筑泥浆制作免烧砖，并进行强度与微观物相测试分析，发现由石灰-水泥体系制备的免烧砖具有更高的抗压强度，硫铝硅酸盐与建筑泥浆可形成更致密的微观结构；胡军等[33]对建筑泥浆固化分离处理技术进行了系统研究,分析总结了废弃泥浆免压滤直接固化分离工艺，减少了水资源投入，解决了泥浆外运对环境的影响问题，加快了桩基施工进度。

固化处理技术成本低、操作简单，常用无机胶凝材料处理建筑泥浆，但泥浆中的有机物会影响凝固过程，降低固化产物化学稳定性，因此，需研发新型绿色胶凝材料，如植物纤维、天然聚合物等。

2.5 烧结处理技术

调节建筑泥浆含水率后，使用造粒装置以预定粒度在900 ℃下烘烤泥浆，烧结处理后的泥浆可作为砖、砌块、排水材料、骨料、绿色化基础材料、园艺用土等，烧结制砖工艺流程如图3所示。钱圣德等[34]研发出深度脱水固化制砖设备，在泥浆中掺加无机添加剂与生石灰，利用高压空气或高压水进行压榨固化，制成含水率<60%的泥饼，由输送机送至深度脱水固化制砖设备制成砖坯；卢琦淮等[35]利用建筑泥浆、脱硫石膏和粉煤灰等制成大尺寸多孔烧结砌块，将建筑泥浆、脱硫石膏和粉煤灰配合比控制为12∶3∶2时，可使多孔烧结砌块抗压强度平均值≥10MPa，且使成本降低20%以上；王建义等[36]将建筑泥浆制成保温隔热多孔砌块、保温空心砌块、隔墙板和轻质空心砖等。烧结制砖是建筑泥浆资源化利用的较好途径，可解决环境污染问题，有利于研发环保节能墙材。

图3 烧结制砖工艺流程

2.6 直接改良技术

目前，常用于直接改良建筑泥浆性状的材料包括水泥和石灰，相关学者正在研发新型改良材料，如高分子系吸水性树脂、无机改性剂等。高分子系吸水性树脂利用改性剂吸水性降低表观含水率，以提高改性泥浆固化性能，可降低土壤流动性且便于运输，许祥俊[37]研制了聚合物吸水树脂。无机改性剂主要由吸水率较高的黏土矿物组成。将干燥的粉煤灰加入建筑泥浆中，可降低泥浆含水率，且可调整泥浆粒度分布，虽然无法提高泥浆单轴抗压强度，但可改善泥浆压实性能，制成的泥饼可用于填充路堤[38]。当建筑泥浆含水率较高时，需增加改良材料添加量，这在一定程度上增加了直接改良技术难度。Tsuchida等[39]研发了轻质脱水泥饼技术，并利用该技术进行建筑泥浆再利用，泥浆密度可保持为1.0～1.2g/cm3，该技术已在海港和沿海机场工程中得到应用。

3 建筑泥浆资源化利用存在的问题

1)未制定区域标准

经改良的脱水泥饼需满足有关标准要求，目前美国、日本、德国等发达国家从政府层面建立了较完善的法律、法规体系，从行业层面建立了切实可行的标准、规范体系，以促进建筑垃圾资源化利用[40]。而我国发布的标准、规范较少，未制定区域标准。

2)泥浆处理不当

目前，我国建筑泥浆存在随意投弃、填埋等问题，而日本通过传票制度遏制非法处理建筑垃圾现象[41]，新加坡将建筑垃圾处理情况纳入验收指标体系，对于处理未达标的建筑垃圾，不予发放建筑使用许可证，同时将建筑垃圾循环利用纳入绿色建筑标志认证考核范围[42]。

3)技术存在局限性

对于狭小空间，无法安装现有建筑泥浆处理设施，导致技术无法应用。某些技术存在一定局限性，如采用烧结处理技术时，无法进行施工现场生产，需将材料运至砖窑烧制成砖。多数技术改良效果评判标准取决于材料单轴抗压强度是否满足要求，缺乏多指标的综合判定。

4)存在环境安全问题

使用水泥和水泥基固化材料进行泥浆稳定化处理时，有时会出现重金属超标现象，需进行重金属溶出试验，并根据国家土壤环境标准采取适当措施，确保重金属溶出量不超过土壤环境标准值。使用水泥和石灰等固化材料制备的脱水泥饼通常表现为高碱度，可能影响周围地区自然环境，须采取酸碱度中和措施。

4 改进建议

针对建筑泥浆资源化利用存在的问题，提出建筑泥浆处理流程(见图4)，以期为建筑泥浆回收管理提供参考，并提出以下改进建议：①合理利用脱水、固化、直接改良等处理技术实现建筑泥浆固液分离，优化处理工艺，更新升级处理设备，开发新型环保改良材料；②加强建筑泥浆资源化利用研究力度，大范围推广建筑泥浆在回填路基、制砖、城市绿化用土中的应用；③建立健全相关法律、法规体系，制定区域标准，完善相关施工要求；④加大环保投入力度，解决建筑泥浆资源化利用中的环境安全问题。

图4 建筑泥浆处理流程

5 结语

建筑泥浆处理技术的选择依赖于泥浆自身特性、处理效果、所需成本及资源化利用目标等，不同施工条件及处理方式下泥浆利用效果差异较大。针对建筑泥浆大量出现且成分复杂的问题，需进行资源化、减量化、稳定化、无害化利用研究。通过采用多种建筑泥浆脱水干化技术及合理的工艺参数，达到泥浆优化处理的目的。建筑泥浆处理过程中存在的环境安全问题制约了其资源化发展，需通过理论分析与实践应用深入研究泥浆循环利用技术，不断降低泥浆处理难度，提高处理效率，消除对环境的影响。