趙靜文

（中鐵四局集團管理研究院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

近年來各大中型城市爭相開展城市地鐵、房地產(chǎn)等的建設，而建設中所產(chǎn)生的泥漿會對城市市容、基本農(nóng)田以及地下水等造成污染。建筑泥漿主要由以下幾類工程產(chǎn)生：鉆孔樁基施工泥漿由旋挖鉆機、正反循環(huán)鉆機、沖擊鉆機等鉆進成孔施工方式產(chǎn)生；地下連續(xù)墻施工泥漿由連續(xù)墻、雙輪銑等設備成槽施工方式產(chǎn)生；泥水盾構(gòu)施工泥漿由泥水平衡盾構(gòu)成隧施工產(chǎn)生；非開挖施工泥漿由水平定向鉆及泥水頂管施工產(chǎn)生［1-3］。

建筑泥漿由液體和黏土組成，輔以添加劑，主要起保護孔壁、攜帶鉆渣出孔的作用。鉆進過程中，由于鉆渣不斷進入到泥漿中，泥漿的比重、黏度、含沙量等發(fā)生變化，不能滿足泥漿性能的要求，必須對其進行凈化，即固液分離后再將泥漿中的鉆渣分離循環(huán)使用［4-6］。目前，在地下連續(xù)墻及樁基施工的作業(yè)循環(huán)中及結(jié)束后會產(chǎn)生大量廢棄泥漿，廢泥漿中含有蒙脫石等黏土礦物和巖屑，稠度大，既不能直接排放，又難以在短時間內(nèi)自然沉降。若不及時處理，不但影響施工，而且會造成環(huán)境污染或水質(zhì)污染等二次公害，如廢泥漿自然狀態(tài)下難以降解，會造成周邊地區(qū)土壤板結(jié)，土地鹽堿化，植被大量破壞；廢泥漿長期累積滲透到地表下水層或隨雨水外溢流入江河小溪，污染水源，危害人民身體健康；廢泥漿堆積在施工工地周圍，占用大量耕地或草地，使占用的土地失去使用價值，成為新的污染源［7-11］。

目前國內(nèi)對廢棄泥漿處理的研究日益增多，主要處理方法有化學固化處理法、土地耕作處理法、固液分離處理法等［12-15］。其中，固液分離處理法工藝相對簡單，產(chǎn)生的清水可以直接排放，排出的干泥可以就地填埋，特別適用于市政地鐵項目鉆孔泥漿的處理。本文在廣泛調(diào)研的基礎上對國內(nèi)固液分離泥漿處理設備進行綜述，同時設計一款新型移動式泥漿處理設備。

1 國內(nèi)常見的泥漿處理設備

目前采用固液分離法處理泥漿的機械設備主要有振動篩、旋流泥漿凈化器、臥式螺旋離心機等［16-17］。

1.1 振動篩

振動篩是利用高頻振動作用將流經(jīng)篩布上的泥漿中的固體顆粒分離。振動篩的篩布有多種孔眼型號，一般使用100目（可分離粒徑0.15mm以上的顆粒）或更粗的篩布，使用最密的篩布為200目。振動篩一般設置在處理工藝的最前端，主要用來處理大顆粒固相。

1.2 旋流泥漿凈化器

用泵將泥漿送入旋流器后，泥漿會受到旋流器形狀限制而產(chǎn)生高速旋流，在離心力的作用下，比液體密度高的固相會靠向筒壁，而密度相對較低的液體則在筒的中間，這樣就可以將較粗的顆粒從泥漿中分離出來。旋流泥漿凈化器解決了現(xiàn)場泥漿的循環(huán)使用問題，提高了泥漿循環(huán)效率，節(jié)約了成本，但沒有解決廢棄泥漿的處理問題。

1.3 臥式螺旋離心機

離心機是惟一能去除固相顆粒表面自由液體的固液分離裝置。離心機的轉(zhuǎn)速越大，能分離出來的固相顆粒粒徑越小，當離心機轉(zhuǎn)速達到3 200r·min-1時，可分離出的最小粒徑為2μm。離心機一般設置在處理工藝的末端，主要用來處理小顆粒固相。依據(jù)泥漿中固相物質(zhì)的顆粒大小和粒徑級配，考慮處理后泥漿的性能要求，可選擇不同的處理工藝，但須按照先處理大顆粒物質(zhì)、后處理小顆粒物質(zhì)的順序進行處理［18-19］。

由于臥式螺旋離心機的工作原理是利用質(zhì)量差產(chǎn)生的離心力進行固液分離，所以必須要對泥漿進行預處理，即加入絮凝劑破壞泥漿的膠體結(jié)構(gòu)，形成內(nèi)部物質(zhì)之間的質(zhì)量差。由于絮凝劑種類繁多（陰離子、陽離子、有機絮凝劑等三大類約30種類型），每一種對應的土質(zhì)效果都不盡相同，且絮凝劑價格較高，一般每噸為20 000元，預處理的使用量也較大，約為5kg·m-3；所以臥式離心機的使用成本較高，不利于推廣。

2 新型移動式泥漿處理設備的設計

2.1 設計原理

本設備主要結(jié)構(gòu)部件包括篩網(wǎng)過濾頭、渣漿泵、真空罐、閥門、水力旋流器、隔膜式壓濾機、壓榨系統(tǒng)、反吹系統(tǒng)、自動拉板系統(tǒng)、皮帶機。具體工作流程如下：首先在真空罐中充滿清水，由操作人員開啟渣漿泵啟動按鈕，真空罐中的引水被抽空，從而使真空罐中產(chǎn)生負壓，當壓力足夠大時泥漿池中的泥漿被自動吸入真空罐中，實現(xiàn)泥漿的持續(xù)自吸入；當需要循環(huán)使用泥漿時，開啟水力旋流器閥門入口，泥漿中粒徑較大的砂石等固體顆粒物被過濾，得到比重約1.08的純泥漿，即可重復循環(huán)使用；當關(guān)閉旋流器閥門、啟動隔膜壓濾機閥門時，泥漿通過隔膜壓濾機中心孔道向各濾室給料，泥漿在各濾室內(nèi)通過濾布進行過濾，過濾出的清水通過出料口排出到清水池中，而固體顆粒物則在濾布上不斷沉積；工作一段時間后，濾布上濾餅達到一定厚度時，壓榨泵啟動，由過濾過程自動轉(zhuǎn)入壓榨過程，同時停止給料；高壓壓榨泵將壓榨水箱中的壓榨水送入到隔膜板中，隔膜板彈性內(nèi)板鼓起，與已形成的濾餅均勻擠壓，使濾布上泥餅的水分進一步降低；壓榨結(jié)束后，壓榨泵停止，壓榨水回流到水箱，再用空壓機壓縮空氣吹出殘留在中心孔道中的泥漿；啟動自動拉板系統(tǒng)，濾板被一塊塊依次拉開，濾餅與濾布脫離后掉落到底部的皮帶機上，皮帶機同時啟動，帶動泥餅排出到設備前端事先挖好的泥坑中，用裝載機鏟走；然后清理濾布，啟動下一循環(huán)，泥漿處理工作完成。

本套設備的核心是壓濾技術(shù)。壓濾技術(shù)起源于歐洲，在德國、英國被廣泛應用在石油行業(yè)、采礦業(yè)、煤炭工業(yè)、化學工業(yè)、醫(yī)療業(yè)。經(jīng)過上百年的發(fā)展，壓濾技術(shù)不斷進步，作為固液分離技術(shù)，它具有分離效果好、適應性廣的優(yōu)點，特別對于黏細混合液的分離有獨特的優(yōu)越性。與其他技術(shù)相比，壓濾技術(shù)有以下特點：單位過濾面積占地少；對物料適應性強；過濾面積選擇廣；過濾壓力高，濾餅含水率低；結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，故障少，保養(yǎng)方便；濾餅過濾可得到澄清的濾液，固相回收率高；過濾操作穩(wěn)定，沒有噪聲。

2.2 設計方案

2.2.1 整體式框架

為了不超過高速公路運輸限制以及方便轉(zhuǎn)場，本設備整體尺寸設計為9.6m×3m×2.5m，整體式框架采用100mm×100mm的槽鋼焊接而成，主要起連接各功能部件及方便吊裝的作用，框架外圍設有方便工作人員走行的鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)走道，頂部設有防曬、防雨棚。

2.2.2 真空自吸裝置

真空自吸裝置包括真空罐和渣漿泵。

（1）真空罐?？紤]到將泥漿池中的泥漿吸上來的壓力，所以真空罐的容積設置為700L，同時頂部設置有補水口和排氣口，底部設置有排污口。

（2）渣漿泵。渣漿泵既要保證工作時的過濾壓力（8bar），又要考慮入料的效率問題，故選擇揚程為80m、流量為100m3·h-1的離心泵。

本設備壓緊機構(gòu)由液壓泵站、油缸、壓緊板及電壓力表組成。

（1）油缸?？紤]到正常工作時過濾壓力為8bar，油缸壓緊壓力應在12～20bar；所以采用Φ350油缸。

（2）電接點壓力表。液壓油缸壓緊時，當壓緊力大于壓力傳感器設定值（16bar）時，溢流閥開始卸載，切斷液壓電機電源，壓緊動作完成。當壓緊力達到壓力表下限時，油缸電機啟動，油泵供油，以此保證過濾過程中的油缸持續(xù)壓緊。

2.2.4 過濾機構(gòu)

過濾機構(gòu)由隔膜式濾板、濾布組成。

（1）過濾方式。過濾方式有明流出液和暗流出液2種，為保證設備結(jié)構(gòu)的緊湊和操作過程中設備的整潔，本設備采用暗流出液方式，在每個過濾板四角處開出液圓孔，在設備尾部用管道將4個出液口連通在一起。

（2）濾布。濾布是主要的過濾介質(zhì)，濾布的選擇和使用對過濾效果有決定性的作用，要根據(jù)過濾物料的pH值、固體粒徑、含砂率等因素選用合適的濾布材料，以實現(xiàn)較低的過濾成本和較高的過濾效率，使用過程中要保證濾布平整不打皺。由于建筑泥漿主要呈堿性，并考慮脫餅和效率問題，本設備采用錦綸單絲濾布，透氣率為800L·m-2·s-1。

2.2.5 壓榨機構(gòu)

二是高端核心芯片基本依賴進口。高端芯片是集成電路產(chǎn)業(yè)的核心產(chǎn)品，高端芯片制造是整個集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。西方發(fā)達國家為了實現(xiàn)對該核心產(chǎn)品的長期控制和價值索取，為達到對我國集成電路產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和核心競爭力提升嚴重制約的目的，對出口到中國的先進制造裝備、材料和工藝引進等進行嚴格的審查和限制，實行長期封鎖和控制。

壓榨機構(gòu)由壓榨泵、壓榨水箱、壓榨細管組成。

（1）壓榨泵。綜合比較壓榨力對泥餅含水率的影響及目前市場上壓榨板的成本，選擇耐壓12bar的隔膜壓榨板，壓榨泵工作壓力設置在8bar；壓力表上限值設置在10bar。

（2）壓榨水箱。工作時的耗水量約在3.5m3，因此設置壓榨水箱容積為4m3。

2.3 結(jié)構(gòu)設計及工藝設計

（1）產(chǎn)品建模。根據(jù)設計方案對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行設計，繪制三維圖，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品建模

（2）工藝設計。建立泥漿最終處理的工藝流程，如圖2所示。

圖2 混漿處理工藝流程

3 工程應用及分析評價

3.1 工程應用情況

該課題依托項目為濟南市軌道交通R2線一期土建工程施工六標段（圖3）。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)，該工程主要采用地下連續(xù)墻施工工藝，其中一個槽使用200～300m3泥漿（考慮到富余量，一般為400 m3），作業(yè)中一般泥漿循環(huán)使用4～6次，一個槽使用的泥漿經(jīng)過循環(huán)之后最終要產(chǎn)生的廢棄泥漿約55m3，后期作業(yè)面全開之后可能有3～4個槽同時進行施工。設備根據(jù)施工時間進行相應的泥漿處理。

圖3 泥漿處理現(xiàn)場

根據(jù)數(shù)據(jù)計算可得，廢棄泥漿處理量為55～220 m3·次-1，處理時間為24h。取日廢棄泥漿處理量平均值為140m3。

根據(jù)現(xiàn)場情況，本設備的應用良好，平穩(wěn)運行后基本實現(xiàn)2h一個流程，每個流程處理泥漿20m3，處理后排出清水和固態(tài)的泥餅如圖4、5所示，泥餅含水率約為35%左右。

圖4 排出的清水

圖5 排出的泥餅

3.2 影響處理效果的因素

（1）影響泥餅厚度的因素。根據(jù)處理情況可知，在進料泥漿濃度固定的情況下，干濾餅的厚度與壓濾時間成正比關(guān)系，但當壓濾時間達到45min后，泥餅厚度增加不明顯。

（2）影響泥餅含水率的因素。泥餅的含水量與壓榨壓力有關(guān)，壓榨壓力越大，含水率越低，同時通過試驗可確定壓榨時間宜控制在30min左右。

3.3 入料口優(yōu)化設計

在實際處理中，發(fā)現(xiàn)設備入料口經(jīng)常發(fā)生堵頭現(xiàn)象（圖6），故對入料口進行優(yōu)化設計（圖7），以解決高濃度泥漿情況下的入料口堵塞問題。

圖6 入料口堵塞

圖7 入料口過濾器設計優(yōu)化

3.4 分析評價

3.4.1 泥漿處理量計算

（1）單循環(huán)泥漿處理量?，F(xiàn)場泥漿池尺寸為3m×6m，單循環(huán)泥漿池液面下降為40cm，單循環(huán)泥漿處理量約為7.2m3。

（2）單循環(huán)排水量。根據(jù)現(xiàn)場泥漿處理設備自帶的流量計可知：入料時最大排水量為10.9m3·h-1，最小排水量為1.2m3·h-1，入料時間1h，入料排水時間約50min；壓榨時最大排水量為2.2m3·h-1，最小排水量為1.0m3·h-1，壓榨時間30min，壓榨排水時間30min，如表1所示。

表1 單循環(huán)排水量

（3）單循環(huán)泥餅排放量。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，泥餅尺寸為1m×1m，泥餅平均厚度為2.5cm，一個循環(huán)排出泥餅數(shù)量為59塊，單循環(huán)泥餅排放體積為1.48m3。

3.4.2 泥漿處理成本對比

（1）采用施工組織設計中的泥漿外運方式的成本核算。根據(jù)項目部成本測算，采用專業(yè)槽罐車外運統(tǒng)一處理，一輛槽罐車可運輸25m3廢棄泥漿，1輛車運輸單價約為每次2 000元，單位處理成本為80元·m-3。

（2）采用本設備的泥漿處理成本核算。經(jīng)初步測算，采用新設備進行現(xiàn)場廢棄泥漿處理，設備整機功率約50kW，按7.2m3·h-1的效率處理廢棄泥漿，用時約2h，耗電100度，按工業(yè)用電電費計算，一次工作用電費用約為100元。泥水分離后，水可直接循環(huán)用于現(xiàn)場施工，干泥可利用渣土車外運，渣土車外運成本為40元·m-3，外運費用為59.2元。據(jù)此計算，采用新設備進行廢棄泥漿處理的成本為22.1元·m-3。

綜上可知，使用本設備處理1m3泥漿的成本相對于外運方式節(jié)約57.9元。

4 結(jié) 語

（1）本文對比重在1.08～1.32的黃土泥漿均進行了現(xiàn)場試驗，對比重大于1.2的泥漿需要先進行過濾預處理，去除其中的大顆粒砂石，否則極易堵塞入料口。采用篩網(wǎng)過濾器后未發(fā)生入料口堵塞情況，但有泥餅分層現(xiàn)象，原因是入料過程中泥漿的比重前后不一致，在過濾器中加入攪拌裝置后該問題得到了解決。

（2）采用二次壓榨及反吹技術(shù)后，泥餅含水率在35%左右，泥漿比重為1.08時，泥漿處理的壓縮比為9∶1左右。

（3）本文設計的設備占地25m2左右，需要提前做好場地硬化，對于泥漿池小且較為分散的情況，可考慮對設備進行小型化設計，從而降低單臺設備成本，且更加便于轉(zhuǎn)場。