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热处理技术与装备

浅谈工程废浆的处置

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组分粒径砾粒组≥2mm砂粒组75μm~2mm粉粒组5~75μm粘粒组≤5μm

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]注:ρ固=2.7,ρ介=1.0,η=0.015×103mPa·s。所需时间40.5s 67.5min 112h5min 468d14h 113a143d颗粒半径(μm)10 1 0.1 0.01 0.001下沉速度(cm/s)2.47×10-2 2.47×10-4 2.47×10-6 2.47×10-8 2.47×10-10

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)。

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