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2022年12月COALGEOLOGY&
谢辉,叶井亮,陈娟,[J].煤田地质与勘探,2022,50(12):177−:/
-
XIEHui,YEJingliang,CHENJuan,
slurry[J].CoalGeology&Exploration,2022,50(12):177−:-
基础工程浆液资源化综合利用技术
谢 辉1,叶井亮1,陈 娟1,薛 曼2,胡慧聪3,杨现禹2,蔡记华2
(,湖北武汉430051;(武汉)工程学院,湖北武汉430074;
,江苏南京210023)
摘要:  地下连续墙、水平定向钻、盾构和顶管等领域的基础工程浆液具有用量大、污染物较为单一
的特点。随着国家各项环保法规的实施,基础工程浆液的综合处理尤为重要。提出一种基础工程浆
液资源化综合利用技术,即循环浆液采用“除砂+净化浆液与钻渣综合利用”技术,废弃浆液采用“除
钙+降低pH+絮凝分离+压滤处理+废液与泥饼的综合利用”技术。以武汉市某地下连续墙工程现场浆
液为研究对象,研究循环浆液和废弃浆液的资源化综合利用效果。结果表明:(1)循环浆液经过除砂
后得到净化浆液和钻渣,前者可重新用于工程施工中,后者可用于培育披碱草、黑麦草等草籽,发
芽率为100%。(2)加入5%的碳酸氢钠可将废弃浆液Ca2+/L,
%的***化铵可将pH值从13降低至9,加入300mg/L的絮凝剂A-2可得到明显
的絮凝物。絮凝物经过压滤后得到废液和泥饼,在废液中加入质量分数为2%的碳酸氢钠后可用于
重新配制工程浆液,泥饼与30%~60%的营养土混合后可进行草籽培育,发芽率为72%。(3)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除钙和降低pH等处理,之后压滤
得到的泥饼才能满足植物生长要求。该技术可实现基础工程浆液中所有钻渣(或泥饼)和净化后的浆
液(或废液)的资源化综合利用,对类似工程浆液的资源化利用有较好的启示意义,具有显著的经济、
环境和社会效益。
关 键 词:基础工程浆液;资源化;综合利用;除钙;草籽培育
中图分类号::A文章编号:1001-1986(2022)12-0177-08
Comprehensive recycling utilization technology of foundation engineering slurry
XIEHui1,YEJingliang1,CHENJuan1,XUEMan2,HUHuicong3,YANGXianyu2,CAIJihua2
(.,Wuhan430051,China;,ChinaUniversityofGeosciences,
Wuhan430074,China;,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)
Abstract: Foundationengineeringslurryinthefieldsofundergroundcontinuouswalls,horizontaldirectionaldrilling,
shield,
implementationofvariousnationalenvironmentalprotectionlawsandregulations,thecomprehensivetreatmentofslur-
,asetofcomprehensiverecyclingutilizationtechnologyoffoundationengin-

adoptedtothecirculatingslurry,andthetechnologyofcalciumremoving,pHreducing,flocculationseparation,pres-

undergroundcontinuouswallprojectinWuhancityastheexample,theeffectofcomprehensiveutilizationofcirculat-
收稿日期:  2022-04-10;修回日期:  2022-07-03
基金项目:  武汉誉城千里建工有限公司科技创新项目(2021056333)
第一作者:  谢辉,1978年生,男,湖北武汉人,工程师,-mail:******@
通信作者:  杨现禹,1992年生,男,山东日照人,副教授,从事钻井液与井壁稳定、离散元流体动力学等方面的教学与研究工作.
E-mail:******@
通信作者:  蔡记华,1978年生,男,湖北浠水人,博士,教授,博士生导师,从事钻井液、工程浆液和完井液等方面的教学与研究工作.
E-mail:******@
•178•煤田地质与勘探第50卷

fromthecirculatingslurryaftersandremoval,theformercouldbedirectlyreusedinfoundationengineering,andthelat-
tercouldbeusedtocultivatelymegrassandryegrassseeds,withagerminationrateof100%.Theadditionof5%sodi-
/
%,itissuggestedto
add300mg/LflocculantA-
%sodiumbicarbonate,thewastewatercouldmeetthemud-makingre-
,mudcakesmixedwith30%to60%ofnutrientsoilcouldbeusedto
cultivatelymegrassandryegrassseeds,withagerminationrateof72%.ExcesssaltionsandhighpHcanbetoxicto
,,mudcakes
-
cyclingutilizationofalldrillingcuttings(ormudcake)andpurifiedslurry(orwastewater)infoundationengineering
slurryandhavegoodenlightenmentsignificancetotherecyclingutilizationofsimilarengineeringslurry,whichhassig-
nificanteconomic,environmental,andsocialbenefits.
Keywords: foundationengineeringslurry;recycling;comprehensiveutilization;calciumremoving;seedbreeding
在地下连续墙、水平定向钻、盾构和顶管等地下保,也未涉及固化后的废弃浆液如何利用的问题。
工程施工中,为满足维持孔壁稳定、岩屑悬浮与携带、在废弃浆液综合利用方面,姜玉松等[16]发现在添
润滑减阻等要求,需要制备大量黏度较高、稳定性良加一定量水玻璃和水泥后,废弃浆液的各种性能与黏
好的工程浆液[1]。但随着地下工程的实施,工程浆液土浆液比较接近,可用于地层注浆工程;陈振国等[17]
的工作性能会逐渐恶化,在施工结束后或是浆液性能发现皖北煤电集团有限责任公司朱集西煤矿钻井废弃
不能满足要求时,会产生大体量的废弃浆液。以武汉泥浆可代替黏土浆用作注浆材料;杨钊等[18]发明了一
市某地下连续墙工程为例,共有166幅槽段,每幅槽段种将盾构产生的废弃浆液用于壁后注浆材料中代替壁
长6m、、深50m,需要450m3浆液。由于不后注浆砂浆中的膨润土和部分水的方法;王建华[19]提
断与混凝土接触,新鲜浆液中钙离子含量不断增加,出了针对泥水盾构废弃砂土和尾水综合利用技术,但
pH也相应升高。新鲜浆液可在3幅槽段中循环使用因废弃砂土和尾水中污染物含量极低,处理起来相对
直至废弃,施工结束后将会产生约24900m3的废弃简单,且在绿化用土中废弃砂的掺量只有10%~15%,
浆液。体积巨大、Ca2+含量和pH高的基础工程废种植效果不明。目前尚未有文献报道Ca2+含量和pH
弃浆液,若处理不当将会造成严重的环境污染及资源高的废弃浆液资源化利用方法。
浪费[2]。为此,笔者提出一种基础工程浆液资源化综合利
当前针对废弃浆液的处理主要采用外运后集中处用技术,净化后的循环浆液可重新用于工程施工之中,
理,或在现场通过压滤得到泥饼并将废液排入城市下钻渣直接用于草籽培育;废弃浆液经处理后,得到的废
水道。这样,废弃浆液的处理所产生的泥饼不能有效液可用于配制基础工程浆液,泥饼混入适量的营养土
利用且造成资源的浪费,废液的直接排放会对周边环后可用于草籽培育,变“废”为“宝”。系统地阐述了
境造成较大的污染。目前,国内外学者对于湖泊淤泥、基础工程循环浆液和废弃浆液的资源化综合利用方法、
污泥和油井泥浆等资源化综合利用提出了许多处理措实验效果和作用原理,以期对类似工程浆液的资源化
施[3-7],但对于工程废弃浆液的处理多以“絮凝脱水+机综合利用具有较好的指导意义和实践价值。
械分离”工艺为主[8-11],大多关注于废弃浆液的脱水处
1    实验材料与实验仪器
理问题。
为减少废弃浆液的外运量,学者们进行了废弃浆新鲜浆液、循环浆液和废弃浆液样品取自武汉市
液(泥浆)固化剂的研究,刘福田等[12]发明了由水泥熟某地下连续墙工程现场,样品的性能参数见表1。受
料、石膏、石灰石、石灰、矿渣和速凝剂等组成的高水取样时间和施工阶段等因素影响,该数据会出现部分
废弃泥浆用固化剂,田淼等[13]提出石灰搅拌使得沉渣波动。
固化为固化土的方法,杨石飞等[14]提出了由硅酸钠和实验仪器包括ZT-600六速旋转黏度器(青岛森欣
减水剂组成的废弃泥浆固化剂,孙平贺等[15]提出由聚机电设备有限公司)、YM液体密度计(青岛海通达专
丙烯酰***、环氧树脂和水玻璃等组成的基础工程废弃用仪器有限公司)、80-3台式数显电动离心机、离心管、
泥浆高效脱水固化处理剂。但是以上处理方法并不环量筒等。处理剂包括碳酸氢钠(NaHCO3)、碳酸钠
第12期谢辉等:基础工程浆液资源化综合利用技术•179•
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
浆液类型密度/(g·cm−3)pH塑性黏度/(mPa·s−1)动切力/Pa失水量/mLCa2+质量浓度/(mg·L−1)蒙脱石质量分数/%



(Na2CO3)、***化铵(NH4Cl)、焦磷酸二氢二钠(SAPP)、15粒草籽,将育苗盘放置在温度、湿度及阳光适宜的
乙二***四乙酸(EDTA)、聚合***化铝(PAC)、聚合硅酸地方,每天定时定点浇水,记录草籽的发育情况。
铝铁(PAFS)、聚二***二烯丙基***化铵(HCA)、絮凝
表 2    草籽培育实验设计方案
A-1A-2
剂和等。Table 2    Experiments plan for grass seed cultivation
实验营养土实验营养土
2    实验方法草籽草籽
编号质量分数/%编号质量分数/%
    循环浆液的资源化综合利用YP10LP10
相比新鲜浆液,循环浆液的密度和蒙脱石含量变化YP210LP210
明显(表1)。在工程施工过程中,浆液中混入了大量钻YP320LP320
屑,导致循环浆液密度显著提高,蒙脱石含量明显降低,YP430LP430
Ca2+含量略有增加。因此,应对循环浆液进行除砂处披碱草YP540披碱草LP540
理,可选用旋流除砂器或类似设备,分别得到净化后的浆YP650LP650
液和钻渣。旋流除砂器筛网目数为80目()YP760LP760
或更细,使钻渣充分过滤。测定净化浆液的密度、黏YP880LP880
度、pH、失水量及Ca2+质量浓度等性能参数,并与新YP9100LP9100
鲜浆液进行对比,以判别其能否重新应用于基础工程YH10LH10
施工中。钻渣以细砂、粉细砂为主,含少量泥质成分,YH210LH210
透气性良好,可用于培育草籽,服务于城市园林绿化。YH320LH320
当然,也可在钻渣中混入少量(如10%)的营养土,增加YH430LH430
草籽的发育效果。黑麦草YH540黑麦草LH540
    废弃浆液的资源化综合利用YH650LH650
从表1可以看出,废弃浆液性能严重恶化,Ca2+含YH760LH760
量显著提高,是原始浆液的20倍以上,pH从8增大YH880LH880
至13,应首先对其进行除钙和降低pH处理。接下来,YH9100LH9100
采用“絮凝+压滤”的方法进行处理,增大泥水分离速 注:YP为“钻渣+披碱草”,YH为“钻渣+黑麦草”,LP为“泥
饼+披碱草”,LH为“泥饼+黑麦草”的培育方式。
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
3    结果与讨论
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。    循环浆液的处理与利用
    
选用披碱草和黑麦草2种较为常见的草籽进行培净化后浆液的性能见表3,其基本性能与新鲜浆
育,实验设计方案见表2。将钻渣或泥饼分别与不同液相近,因此,可重新用于基础工程施工中,也可以适
含量的营养土混合均匀,培养草籽,每个实验组种下当添加处理剂,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
密度/(g·cm−3)pH塑性黏度/(mPa·s−1)动切力/Pa失水量/mLCa2+质量浓度/(mg·L−1)蒙脱石质量分数/%

•180•煤田地质与勘探第50卷
[23]。
除砂后得到的钻渣,若其Ca2+含量和pH偏高,将为了对比不同类型除钙剂对废弃浆液的除钙效果,
会影响草籽发育。实验测得钻渣的Ca2+质量浓度为选用碳酸氢钠(NaHCO3)、碳酸钠(Na2CO3)和焦磷酸二
,pH为8。氢二钠(SAPP)3种常用的除钙剂,设置C1−C18实验
将钻渣混合不同质量分数的营养土进行混配,草组,每小组称取100g的废弃浆液置于烧杯中,并在
籽培育方案见表2,结果显示,黑麦草和披碱草草籽在C1−C6组中分别加入1%、2%、3%、4%、5%、6%的
第3—第6天时全部发芽,发芽率100%。10d后的发NaHCO3,在C7−C12组中分别加入上述相同比例的
芽率和生长情况如图1−图2所示。可见,培育盒中Na2CO3,在C13−C18组中分别加入上述相同比例的
的草籽发育良好,说明循环浆液净化处理后得到的钻SAPP。搅拌均匀后,采用离心机对其进行离心处理,
渣可直接用于草籽培育。转速设置为1500r/min,20min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
7黑麦草发芽天数100
披碱草发芽天数
黑麦草发芽率量与上清液Ca2+质量浓度呈较好的负相关关系:随着
690
披碱草发芽率
除钙剂加量的增加,Ca2+质量浓度逐渐降低;在相同加
5
80
量下,NaHCO3的除钙效果略优于其他2种。可见,当
4
70NaHCO3的加量为5%时,废弃浆液中Ca2+质量浓度
3
发芽天数
发芽率/%。
60
2
600
NaHCO
1503
NaCO
)23
040−1500SAPP
010203040506080100
营养土加量/%
图1草籽的发芽天数和发芽率400

质量浓度/(mg·L
drillingcuttings2+300
200
上清液Ca
100
YH3YH6YH9YP3YP6YP9123456
除钙剂质量分数/%
图3除钙剂对废弃浆液上清液中Ca2+
YH2YH5YH8YP2YP5YP8质量浓度的影响

concentrationoftheliquidsupernatantofwasteslurry
YH1YH4YH7YP1YP4YP7


cuttingsonthe10thday
子毒害,还包括高pH胁迫[24]。研究表明,碱胁迫的危
    废弃浆液的处理与利用害远高于盐胁迫[25-26],原因是碱胁迫在盐胁迫的基础
[27],高pH对植物的危害比离子毒
钙(Ca)是植物生长发育的必需元素之一,参与种害和渗透胁迫更强烈[28]。另一方面,为获得较好的造
子萌发、分化生长、形态建成及开花结果等全生命过浆效果,宜将浆液的pH控制在9~11,即保持在一个弱
程[20]。在种子萌发过程中,Ca2+通过改变酶活性,加快碱性的水平。因此,在对废弃浆液进行除钙处理后,应
出苗速度、提高成苗率[21]。但Ca2+含量过高也不利于降低其pH值,使后续处理得到的泥饼和废液分别满
种子萌发和幼苗生长,甚至会导致植物停止生长或死足草籽培育和重新配制工程浆液的要求。
亡[22]。在高Ca2+环境下,植物的光合作用也会受到抑实验选用***化氨(NH4Cl)作为pH调节剂,将
制,生长速率降低[20]。受到盐(如Ca2+)胁迫时,植物被NH4Cl与蒸馏水均匀混合,配制成质量分数为20%的
迫吸收盐离子并在体内积累,过量盐离子会产生离子NH4Cl溶液。取100g废弃浆液置于烧杯中,分别加
毒害作用,破坏活性氧代谢系统的动态平衡并抑制植入5、10、15、20、25、30、35、40、45、50mL的NH4Cl
第12期谢辉等:基础工程浆液资源化综合利用技术•181•
溶液,测试处理后废弃浆液的pH值。当加入20mL0100200300400500600700800
质量分数为20%的NH4Cl溶液时,即加入质量分数
%的NH4Cl,废弃浆液pH降低至9,如图4所示。
14
131313
1212
1111
(a)絮凝剂A-1
10
PH值0100200300400500600700800
99999
88888888888
7777
6
0102030405060708090100
NH4Cl溶液加量/mL
图4不同NH4Cl溶液加量对废弃浆液pH值的影响

(b)絮凝剂A-2
:图中数字单位为mg/L,如100mg/L。
实验选用聚合***化铝(PAC)、聚合硅酸铝铁(PAFS)、图5添加絮凝剂A-1和A-2后废弃浆液6h后的沉降效果

聚二***二烯丙基***化铵(HCA)、絮凝剂A-1和A-2
flocculantA-1andA-2for6hours
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100g经除钙及降剂用量的继续增大,絮团体积稍有变小,沉降趋于平缓,
pH后的废弃浆液,置于100mL的量筒中,依次滴加絮凝效果无明显变化。因此,确定絮凝剂A-2的最优
5mL絮凝剂溶液,充分搅拌,静置6h,观察浆液絮凝加量为300mg/L。
情况。比较絮凝剂A-1和A-2的絮凝效果(图6),A-2的
结果显示,PAC、PAFS、HCA对废弃浆液进行絮黏性较强(300mg/L的絮凝剂A-1和A-2的表观黏
凝的效果不佳,量筒内均无明显絮凝体堆积,上清液浑度分别是56mPa·s和72mPa·s),絮凝物体积更大,抗
浊,且与絮凝体之间无明显分层,泥水分离效果较差。
剪切能力较强[29],且不易破碎,絮凝效果更佳。方便后
絮凝剂A-1和A-2的絮凝效果较为明显,量筒内有明
续的压滤工艺,最终优选出加量为300mg/L的絮凝
显的絮凝物,上清液和絮凝物之间有较为清晰的分界
剂A-2。
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100
弃浆液中分别加入0~800mg/L(依次递增100mg/L)A-1
的絮凝剂A-1和A-2,静置6h,如图5a所示。随着絮90A-2
凝剂A-1加量的增大,絮凝物体积呈现变大的趋势;当
80
絮凝剂A-1加量小于500mg/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70
在加量大于500mg/L时,尚未对絮凝效果产生显著影
60
响,絮体增大程度缓慢。因此,絮凝剂A-1的最优加量泥水分离面读数/mL
为500mg/L。
50
由图5b可知,当絮凝剂A-2加量小于300mg/L
时,絮凝效果相近,絮团小而松散,呈微粒状,上清液较40
0100200300400500600700800
为浑浊,沉降充实;加量为300mg/L时,压实层密度变
絮凝剂加量/(mg·L−1)
小,絮团体积明显增大,呈现海绵状,絮凝效果明显,但
图6添加絮凝剂A-2后废弃浆液6h后的沉降效果
大絮体的存在使絮凝体沉速变慢,
未发生明显变动,但泥水分离效果十分显著;随着絮凝flocculantA-2for6hours
•182•煤田地质与勘探第50卷
,在相同实验条件下,用废液重新配置的浆液中
完成上述化学处理的废弃浆液进行泥水分离,用Ca2+质量浓度偏高,黏度略有所减小。浆液中的钙离
200目()过滤网进行压滤处理,充分挤压直至子会中和膨润土所带的负电荷,弱化其水化效果。因
难以挤出多余的水分时,完成压滤,得到废液和泥饼。而可以在废液配置的新鲜浆液中加入一定量的除钙剂
取100mL的废液,%的膨润土,搅拌均改善其性能,使之达到基础工程浆液的要求。
匀,测试废液配制工程浆液的基本性能(表4)。与表1
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
配制的工程浆液密度/(g·cm−3)pH塑性黏度/(mPa·s−1)动切力/Pa失水量/mLCa2+质量浓度/(mg·L−1)
废液+%
从上述试验中得出NaHCO3的除钙效果最佳,采以上的营养土。披碱草具有较好的耐碱性,发育情况
用NaHCO3进行除钙处理,实验结果见表5。当加入2%优于黑麦草。综合而言,当泥饼中混合30%~60%的
的NaHCO3后,浆液中Ca2+质量浓度降低至34mg/L,营养土时,草籽发芽率可达到72%。
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 engineeringLH3LH6LH9LP3LP6LP9
slurry based on wastewater
NaHCO3加量/%上清液中的Ca2+质量浓度/(mg·L−1)
LH2LH5LH8LP2LP5LP8



图8用泥饼培育的草籽在第10天生长情况

onthe10thday
实验测定泥饼中Ca2+、
由前述实验结果可知,与钻渣相比,使用泥饼培育
pH为9。将泥饼与不同体积分数的营养土进行混配,
的草籽,不管是黑麦草还是披碱草,发育芽明显降低。
草籽培育方案见表2,实验结果如图7、图8所示。经
钻渣是循环浆液除砂器处理后的筛余物,以粉砂、粉
过10d的培育,草籽的