在目前的钻孔灌注桩施工过程中, 产生的大量废弃浆液处理一直是困扰工程施工的重大难题。施工现场传统的处理方法是通过排污管将废浆排到总泥浆池进行沉淀、脱水。泥浆排到一、二、三级沉池进行充分沉淀, 泥浆泵安装在沉池中供泥浆循环, 经过长时间自然脱水固化后, 进行废弃泥浆固化外运。但是此方案需要在施工现场设置大面积的循环池和储浆池, 侵占大量的施工场地;由于采用自然沉淀的方法, 沉淀时间长且效率低, 泥水分离效果差, 大量土颗粒无法通过沉淀的方式进行分离;为了对沉淀物进行外运, 一般需要使用干石灰对上述沉淀物进行固化处理, 这种方式严重污染环境, 处理后的固态渣土属于污染土, 造成环境污染且再处理困难, 而且增加处理成本。上述处理方式无论是从施工效率还是环境保护方面都非常不便。

目前废弃泥浆处理的方法很多, 主要研究的内容有范英宏等对高速铁路桥梁施工废弃泥浆处理工艺研究, 何文峰等对地铁车站施工废弃泥浆采用组合式泥浆处理设备进行试验研究, 张钦喜等对废弃泥浆运用絮凝剂-固液分离试验方法等。

本试验所用的泥水分离泥浆为上海市黄浦区某项目现场钻孔灌注桩施工产生的废弃泥浆。泥浆是一种水中含有一定量的微细泥颗粒的悬浮液体, 它具有一定黏度。泥浆微粒的粒径尺寸对其稳定性有较大影响, 试验采用湿法进样以OMEC-LS-POP (9) 激光粒度仪对泥浆进行粒径分析, 其粒径分布数据如表1所示。由表1可知, 泥浆中的微粒均呈微米级别, D50为18.287μm, 表面积当量径D[3, 2]为9.268μm, 体积当量径D[4, 3]为29.419μm, 表明泥浆中粒径<20μm的微粒约占半数, 微粒呈不规则状。可见硅铝酸盐类矿物微粒水化后高度分散, 形成了微米级的泥浆分散悬浮体系^[6]。

根据现场施工环境及钻孔灌注桩产生的废弃泥浆量, 决定采用两种不同方案进行泥水快速分离试验研究。研究的内容主要包括采用离心式泥水分离和压滤式泥水分离两种分离方法进行对比优化并根据现场试验的效果进行分析, 选择适合桩基泥水分离的最佳分离方法及泥水分离设备。

当要分离的物料 (泥浆) 进入离心机转鼓后, 比液相密度大的固相颗粒在转鼓强大离心力作用下快速沉降到转鼓内壁, 离心机内部的螺旋输送器把沉积在转鼓内壁的固相推向转鼓小端的干燥区进一步脱水, 然后经出渣口排出, 分离后的清液则从转鼓大端溢流堰流出。如图1所示。

由于离心式泥水分离系统首次应用于本工程, 为验证其实际工作效率, 先引进了上海离心机研究所试验用机———LW350 (高效二相分离卧螺离心机) 。其参数如下:转鼓直径350mm, 转鼓转速500~4 200 r/min, 长径比3.0~5.0, 最大生产能力20 m/h, 最大排渣能力1.2 m/h, 主电动机功率15~22 k W, 重2 000 kg, 外形尺寸长×宽×高=2 790 mm×1 300 mm×880 mm。

压滤式泥水分离机包括压力布浆器和2个脱水区。

泥水经泵送入泥水混合器内, 首先进入可调节压缩比的由上下网和多个脱水胶辊及其专利密封装置构成的楔形压力布浆器, 含有大量水分的泥水首先在该区域内依靠重力和液位差形成的压力脱去80%以上的水分, 而使泥水浓度由0.5%提高到8%以上, 为下一步的预压脱水和加压脱水创造条件。

泥水混合器进入压力脱水区后, 上下滤布开始逐渐加压, 使泥水进行挤压脱水。

泥水随滤布移动送入加压脱水区, 在7个呈上升状态的胶辊间, 依胶辊间隙由大而渐小、压力则由小而渐大的配置, 随上下滤布在不同的胶辊之间因变换滤布上下位置而对泥水产生的挤压力将泥水中的毛细管结合水压榨出来, 以产生较干的污泥饼。处理后水泥浆分离率高达95%以上, 出土含固率达到90%。采用清水反冲洗, 实现循环利用, 节约成本。同时, 处理后的清水也满足排放标准, 起到很好的保护环境作用, 符合实际使用要求。

主要研究压滤式泥浆分离设备关键技术及主要指标。为了选择既经济又有效的试验方案, 试验现场又引进了压滤式泥水分离设备。

技术要求: (1) 均匀搅拌由于钻孔灌注桩产生的泥浆为自然废浆, 其密度差异较大, 在对其进行压榨之前需通过搅拌池进行均匀搅拌; (2) 添加絮凝剂为了达到压榨的更好效果, 在经过搅拌后的泥浆中加入一定比例的絮凝剂, 使得泥浆中细小颗粒凝结成较大颗粒, 压榨效果更好; (3) 多层压滤通过多层压滤使泥浆中的水、土充分分离, 逐级提高固化率。 (4) 一体化性能泥浆的排入、絮凝剂的搅拌、压滤机组的运转及出土等一系列过程均可通过操控箱按钮来操作, 全自动一体化性能比较高。

技术指标: (1) 絮凝剂比例根据现场实测泥浆密度调整, 一般控制在0.25%~0.5%。 (2) 根据实测泥浆密度及现场灌注桩施工进度, 合理控制泥浆流量60~80m/h。

泥浆非常稳定, 长时间静置也难以分层。只有通过稀释加入高分子絮凝剂的方式才可以去除部分泥砂。高分子絮凝剂是一类水溶性的高聚物, 将其与泥浆水混合时, 由于它们具有架桥、网捕、吸附和电性中和等功能, 可以破坏泥浆水的稳定性, 使泥砂颗粒从水中迅速凝聚、沉降, 从而达到泥砂与水分离的效果^[5]。

根据设备工作原理, 废弃泥浆需要与絮凝剂或聚凝剂在特殊设计的进料室内混合并得到加速, 确保废弃泥浆以均匀的最佳状态进入分离区。因此, 絮凝剂的使用方法与泥浆混合的最佳融合状态是密切相关的。

使用PAM (聚丙烯酰胺) 时, 难点是不易使之溶解并生成高黏度的溶液, 即使在很低的浓度下溶解也是比较困难的。在配制PAM时应力求做到以下几点: (1) 使用中性而不含盐类和夹杂物的水为宜; (2) 使用40℃左右, 但≤60℃的温水可加速絮凝剂溶解; (3) 溶解时应将PAM缓慢撒入水中, 一次撒过多会出现难溶胶团; (4) 溶解搅拌时不能过猛, 否则会使聚合物降解, 搅拌应以100~300r/min为宜; (5) 溶解度按干基控制在0.1%~0.5%, 在使用前再稀释到0.05%; (6) 使用多少溶解多少, 稀溶液易发生降解。

向水中投PAM溶液, 配成合适的浓度需要考虑两个方面的问题:一是力求获得较高的絮凝效果, 二是要在生产中切实可行。从理论上说, 当投入剂量相同时, 投加液的浓度越低, 聚丙烯酰胺的活性基团与水中粒子的接触和结合就越强、越均匀。这样更容易使水中粒子都进入到架桥作用的范围内, 根据现场多次试验最佳效果所得, 本次现场试验对于离心式泥水分离, PAM浓度控制在1.5‰左右。

在设备操作运行过程中, 试验记录如表2所示。

初始试验由于LW350型离心机功率太小, 因此处理效果不明显, 在此基础上进行改进, 选用上海离心机研究所LW900型离心机再一次进行相应的试验过程研究。

自LW900型离心机3月28日进场安装完毕至6月17日, 扣除期间4月11日至4月27日以及5月16日至5月27日停工日期, 共正常运行54d。累计完成桩基144根, 处理干方5 141m³。

LW900型离心机每天工作时长为16 h, 分为早晚2班, 每班3~4人。早班时段:8:00—16:00;晚班时段:16:00—24:00。1h泥浆处理量36.5m³, 絮凝剂用量25kg, 用水约18m³, 用电约150度。

1) 基本概况

该设备由抽吸系统、搅拌系统、加药系统、沉淀系统、分离系统 (由6台机组组成) 及输送系统组成, 通过压滤分离及离心干燥作用对泥浆进行脱水分离处理。整套设备占地约250m², 从设备制作安装完成到进场组装并投入使用需耗费15d左右, 预计6月20日之前进场施工。设备投入使用后能24 h正常运转, 日泥浆处理量约1 200 m³ (50m³/h) 。每天分日夜2班, 每班3~4人。

2) 试验组对运行长达5h的压滤式泥浆脱水处理器 (6台机组同时运行) 进行了各项数据统计记录, 如表4, 5所示。泥浆处理总量初末差值为415.14m³。

1) 按照LW350型离心分离设备初始试验, 从表2记录可知, 泥浆密度在不同时间段基本控制在1.18 g/cm³, 很稳定;药剂量浓度基本控制在1.5‰, 在离心机处理泥水时运行至结束末尾时段, 由于泥浆输出量变慢, 操作员适当调节了絮凝剂浓度。根据多次操作经验, 在絮凝剂 (PAM) 浓度调制在1.0‰左右时效果最佳, 此时的药流量变大, 并且通过数据记录得出, 泥浆水处理量为3.3~3.5m³/h, 与其设备介绍的泥浆处理效率情况基本属实。但是出土效率及泥浆处理量不能达到高峰期泥浆处理试验的要求, 为此对LW900型大功率离心机进行相同试验。

2) 从表3, 5可以得出, LW900型比LW350型离心机每小时出干土方量增加9~10倍, 每小时泥浆处理量同比增加9~9.5倍, 出土效率显著增加。每小时泥浆处理量同比增加1~1.5倍。

3) LW900型离心机与压滤式脱水处理设备相比, 每小时出干土方量同比增加1~2倍, 每小时泥浆处理量同比增加1~1.5倍。

1) 通过进行不同絮凝掺量试验, 得出对于离心式泥水分离设备, 絮凝剂 (PAM) 浓度控制在1.5‰泥水分离效果最佳;而对于压滤式脱水设备一般控制在0.25%~0.5%, 且根据实测泥浆密度及现场灌注桩施工进度, 合理控制泥浆流量60~80m³/h。

2) 通过现场记录的数据得出, LW350型离心机在泥浆脱水处理技术上满足工程需要, 与其资料介绍的处理量基本吻合。按照该设备其他型号LW900设备处理能力为60~100 m³/h进行考虑, 显然基本满足最高峰时期平均1d的湿方泥浆量是2 000m³。

3) 经计算, 离心机泥浆脱水处理的费用要高于罐车运输泥浆的费用, 从生产成本上来说, 目前是不可行的。但是基于上海地区目前泥浆无法外运及今后环保要求越来越高, 泥浆外运方式将会禁止, 泥浆脱水处理将成为今后施工的必然途径。

4) 压滤式泥浆处理设备无论从泥浆处理量还是处理费用, 都优于离心式泥浆处理设备。但与泥浆外运相比, 其设备占用场地较大, 不适用于面积较小的施工场地, 同时费用上与泥浆外运相比, 无明显优势, 且泥浆处理量在高峰时期并不能满足现场实际生产要求, 因此压滤式泥浆处理设备在工程应用中只能适用于特殊施工时期且泥浆产生量不是很大的工程。