板框厢式隔膜压滤机
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
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。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）。
4.2.1沉淀法沉淀法是最简单且成本最低的废浆处理方法，仍被广泛使用的废浆处理方法，适合处理低粘型废浆，尤其针对残坡积地层废浆，沉淀法往往不是单一废浆处理方法，常常结合其他方法来加快处理速度，或者减少废浆处理量。沉淀法的操作很简单：将废浆放在废浆池中静置，然将上层清水排出，降低其含水率，有时为了加快固液分离速度，也会加入外添药剂。
4.2.2机械分离法2由图2可知，废浆中80%以上为稳定的细小颗粒，很难用过滤法直接对其进行固液分离，故在过滤前要对废浆进行预处理[8]，预处理的目的是使废浆中的小颗粒聚集大颗粒，破坏其稳定性，提高渗透性，减小过滤阻力，但经过预处理后的废浆含水率仍然很高，需要通过机械方法进行二次脱水，形成清水与滤饼，机械分离的作用机理是对预处理后的废浆产生压力差，提高固液分离效率。根据机械所提供力性质不同，机械分离法可分为离心分离法、压力分离法、吸力分离法三大类，下面分别介绍常用的废浆预处理技术和机械分离方法。
（1）有机絮凝技术。絮凝作用机理：利用某类高聚物特性，主要为聚丙烯酰胺（PAM）及其衍生物，其水解后能产生长分子链，长链上分布两类基团，一类为吸附基（-CONH2），能吸附泥浆中固相颗粒，通过高聚物本身的链节旋转运动，将固相颗粒聚集在一起形成大团颗粒而沉淀；另一类为亲水基团（-C00-），由于其带电能使分子链相互排斥而伸展开来，有利于长链吸附更多固相颗粒而形成“架桥”作用。废浆的絮凝反应一般选择阴离子型PAM，分子量宜选用1000万左右，先将PAM以浓度1‰稀释水解，然后缓慢加入废浆中并均匀搅拌，根据废浆浓度及粘粒含量，一般PAM用量为废浆的0.1‰左右，且存在最优用量，最优用量根据絮凝效果来判定，建议先在试验室中测试最优用量，如图3所示，有机絮凝在10min即可完成，一般可排出上清液体积占总体积50%，絮凝剂成本约2.5元/m3。
（2）无机凝集技术。无机凝集作用机理：废浆固液分离困难的原因是其中存在较多带负电的固相小颗粒，并且其稳定性与颗粒表面电位大小有直接关系，详见表3。凝集作用是向废浆中加入无机凝集剂，降低颗粒电位，一方面使颗粒水化膜厚度减小并释放部分弱结合水，同时因颗粒间距减小而引起分子间吸引力（范德华力）增大；另一方面使得颗粒间静电斥力减小。由于上述原因，颗粒间力学稳定被破坏，小颗粒便聚集成大颗粒，从体系中分离出来。废浆的凝集剂一般选择高价可溶性盐，先将凝集剂稀释再加入到废浆中并搅拌均匀，也存在最优用量，如图所示，与有机絮凝效果不同，无机凝集效果较缓慢，一般静置24h后约10%~20%清水上返，其余部分呈“果冻”状，类似为点卤后的“豆腐脑”。从工艺上比较，无机凝集反应比有效絮凝反应更简便，但药剂成本略高，以Ca2+为例，大约5元/m3。
（3）混合絮凝。混合絮凝是将有机絮凝与无机凝集技术结合起来，主要解决废浆中粘粒过多、机械脱水效率低的问题，具体技术措施：先向废浆中投入少量无机凝集剂，使得粘粒电位稍降低，稳定性下降，再加入有机絮凝剂。由于粘粒活性降低，有利于酰胺基团捕获，并形成更大的絮体，絮体沉降速度更快；又由于粘粒水化膜变溥，絮体的渗透性提高，有利于提高絮体脱分离困难的原因是其中存在较多带负电的固相小颗粒，并且其稳定性与颗粒表面电位大小有直接关系。凝集作用是向废浆中加入无机凝集剂，降低颗粒电位，一方面使颗粒水化膜厚度减小并释放部分弱结合水，同时因颗粒间距减小而引起分子间吸引力（范德华力）增大；另一方面使得颗粒间静电斥力减小。由于上述原因，颗粒间力学稳定被破坏，小颗粒便聚集成大颗粒，从体系中分离出来。水速度，提高固液分离效率，经统计，综合药剂成本较单一药剂成本还低，但处理工艺相对复杂。
（4）离心分离法。在离心作用下，物料比重不同所获得离心力大小也不同，且比重差越大分离效果越好，废浆离心分离即依据该原理。为了获得更大固液比重差，故在废浆离心分离前也要进行预处理，否则只能分离粒径大于75μm的砂粒。目前市场常用的离心分离设备有两款，即水力旋流分离机和卧螺离心机。水力旋流分离机是在外力作用下，废浆以高流速沿切线方向进入旋流器内筒并产生离心运动，固相颗粒沿着旋流器内壁向下运动，液相由于旋流器竖向结构变化形成压力差而向上运动，从而产生固液分离。卧螺离心机是通过电机驱动转筒旋转，使废浆获得离心条件，固相颗粒附着在转筒内壁，内置螺旋叶片将固相物推送出来，而液相从反方向流出，实现固液分离。
（5）压力分离法。压力分离属于过滤分离法，对预处理后的废浆施以压力，固相被截留在滤布上，液相快速透过滤布，形成固液分离，现在市场常用的废浆分离设备有：板框压滤机与带式压滤机
①板框压滤机：利用专用泥浆泵将预处理后废浆压入板框机内空腔里，由于压力作用，液相透过泥饼与滤布被排出，固相被滤布截留形成泥饼。板框压滤是目前市场上废浆处理最常用的设备，泥饼含水率可低于40%，液相很清澈，一般单台日处理量200~400m3，处理成本20~30元/m3，但设备体积较大，占用场地面积也大。
②带式压滤机：废浆絮凝后被输送到压滤机的滤带上，部分自由水由滤带直接过滤掉，絮体进入滤带间加压区再次被挤压脱水形成泥饼，带式压滤机只适合有机絮凝或混合絮凝的废浆，其分离效果与絮凝效果直接相关，滤饼厚度10~15mm，含水率高于板框机泥饼。与板框压滤不同，能实现连续分离作业，处理成本与板框机差不多，单台日处理量与板框机也差不多。4.2.3电渗法利用土颗粒带负电和水分子具有极性的特性，在电场作用下，土颗粒向阳极移动形成电泳，水分子向阴极移动形成电渗。电渗法用于废浆的固液分离优点是不用对废浆进行预处理，而且电渗法对废浆中的粘粒特性并不敏感，电渗法通常与真空预压法联合以提高排水效率，但是在实际应用过程中仍存在一些问题：能耗波动较大，后期排水效果不明显，对不同类型的泥浆其排水效果差异性较大，目前，很少进行大规模废浆处理应用，常用于污染土、污泥脱水处理项目，处理成本明显比沉淀法和机械分离法高。
5建议与期望工程废浆作为工程活动过程中常见排放物，但并非废物，其中的主要成分水、砂、粘土均是可利用的宝贵资源，废浆处置的目的是资源再利用，保护环境，而不是将废浆转变成另一种废物。坚持废浆科学处理符合我国坚持节约资源和保护环境的基本国策，针对当前工程废浆处量方面的不足，现提出如下建议：
（1）坚持科学处置：应根据废浆性能与处置条件选择合理的处置方法，不宜强行选择统一的处置方法；鼓励企业根据自身实力和场地条件，选择高效、环保的处置方式，鼓励施工单位通过对工程废浆的净化、改良，增加泥浆循环利用次数，尽量减少废浆排放量；政府引导并鼓励全社会通过技术创新，积极使用无泥浆或少泥浆施工技术，淘汰落后的、高污染、高排放的施工工艺。
（2）坚持资源循环利用路线：工程废浆之所以形成社会关注问题，就是废浆未得到充分利用，而是当作废物存放，这种处置方法当然不可持续。工程废浆的处置方式应与当地产业特点相结合，鼓励对废浆进行多元化利用，鼓励对废浆中的成分进行分类利用，只有形成完整产业链才能保证废浆处置可持续，这方面要通过政府引导、企业主导、社会共同参与才能解决。（3）提高对废浆的认识：国内有许多地区对废浆的处置很重视，甚至成立了专门职能管理部门，他们很重视废浆产量、运输、结算等管理方面，关注其他地区的成功管理模式，对废浆综合利用很少关注。主要原因是管理者或决策者对废浆缺乏全面认识，更谈不上合理利用，故加强对本地区的废浆的研究显得十分必要。
