一种废弃泥浆土壤资源化的处理方法

技术领域

本发明涉及一种废弃泥浆土壤资源化的处理方法。

背景技术

泥水平衡顶管工程、盾构工程、河湖绞吸式疏浚工程等会产生大量的废弃泥浆，这些废弃泥浆黏粒含量高、自重沉降较慢且可能存在污染物，若采取常规泥场堆放的方式进行处理，不仅需要长时间占用大面积的土地，还会造成资源浪费及二次污染等问题。由于这些废弃泥浆具有含水率较高、富含有机质、低渗透性、压缩性大等特点，在工程中无法被直接应用。

现有处理废弃泥浆的方式，是采用石灰、水泥作为外加剂，配合高压板框压滤进行脱水。废弃泥浆经过脱水处理后，含水率下降至60％以下，但pH高于12。由于产物具有较高的pH，以及高压板框脱水后产物团聚体结构损失，难以作为土壤材料直接利用。产物若作为土壤利用，一般需要进行二次处理，通过添加外加剂中和产物的碱性，同时增添土体内的团聚体，形成土壤资源化产物。

现阶段废弃泥浆无法通过脱水一步土壤化主要面临两个问题：(1)在快速脱水阶段，泥浆经过预处理形成较低含水率的脱水产物后，其中团聚体构成是由预处理的絮凝剂与泥浆颗粒产生，其质地柔软，易变形，且随着时间的推移，絮凝剂所产生的结构逐渐老化，最终可能会导致团聚体结构的消失，从而导致土体通透性差，难耕作，遇雨或灌溉时，往往水分在土体中难以下渗而导致排水困难，影响植物根系的生长，阻碍了根系对土壤养分的吸收，所以必须要考虑种植土中必须存在永久性的大颗粒物质。(2)又由于在形成永久团聚体结构的过程中，外在添加剂是以石灰、水泥为主，此时形成的团聚体浆液呈较高的碱性，这对于后期的土壤化会产生不利的影响，因此需要酸性物质进行中和，保证其酸碱度适中。

针对废弃泥浆进行土壤资源化利用的问题，目前使用较多的方法是用复合配方将废弃泥浆进行改良，然后将改良后的泥浆浆液与土壤进行混合，从而对废弃泥浆进行了土壤资源化利用，如申请号为CN201010148295.9的发明公开，根据废弃泥浆的密度情况与含水量10％～15％，粒径＜0.5cm的自然土壤混合，并添加微生物，按照其所述的方式进行充分搅拌，从而对石油天然气钻井作业中的废弃泥浆进行无害化处理。该方法复杂，且需要大量的自然土壤，对环境会造成一定的破坏。

针对将泥浆直接土壤化的问题，如申请号为CN201810082332.7的发明公开，提出一种用于盾构废弃泥浆环保处理的复合材料，可以将含水率在50％～90％的盾构泥浆在1～5分钟后快速固化，满足土方车运输要求，同时在固化过程中得到改良，作为绿化工程种植土或公路路基填料实现再利用。但是并未提出复合材料的具体发挥作用的方式，且未提出对絮团起到强化作用，形成永久的具有保水性质以及疏水性质的具有良好孔隙的团聚体。且针对其权利要求中提出的复合材料，其中硅酸盐水泥会导致形成的最终产物具有极强的碱性，并不能达到土壤pH＝5.0～8.3的标准。又如申请号为202010328997.9的发明公开，提出一种复合土壤化材料，将河湖疏浚泥浆制备为绿化种植土，提出将该发明的复合土壤化材料一起加入疏浚泥浆中，养护8～14天后经筛分即可形成绿化种植用土。但并没有考虑到在加入水泥的同时水化反应已经发生，然而在此阶段的水化，并不能为团聚体的强度提升提供帮助，且按照该步骤中提及的对泥饼进行7～14天的养护，将形成具有一定强度的整块的泥饼，并不能够当作种植土进行使用。又如专利号为202110827579.9的发明公开，添加了河沙、椰糠、树枝颗粒、火山石滤料和除臭剂等不常见材料作为淤泥改良剂，材料复杂，且工艺需要先将泥浆先进行脱水，无法做到脱水后的产物即可作为种植土使用。

发明内容

发明目的：本发明目的旨在提供一种废弃泥浆土壤资源化的处理方法，该处理方法能够在不影响废弃泥浆快速减量的前提下，脱水产物可直接作为种植土使用。

技术方案：本发明所述的废弃泥浆土壤资源化的处理方法，包括如下步骤：

(1)制备含碱性多孔硬化团聚体的浆液：先向废弃泥浆中依次加入缓凝剂、固化剂和絮凝剂，在泥浆中形成絮团结构，沉降后排出上清液，再往泥浆中加入激发剂，加入激发剂后泥浆中的絮团结构变成多孔硬化团聚体；对泥浆进行真空过滤脱水，得到含碱性多孔硬化团聚体的浆液；排出上清液能够有效提高激发效率，使激发时水化产物大部分保留在絮团内，不在后续脱水时流失；并减少真空过滤脱水时间，真空过滤只将絮团之间多余的水排出，前序若不排出上清液，后续上清液将由真空过滤排出，效率较低；

(2)制备酸性泥饼：向废弃泥浆中加入酸性外加剂和絮凝剂，对处理后的泥浆进行高压板框压滤脱水，脱水后得到酸性泥饼；

(3)将含碱性多孔硬化团聚体的浆液与酸性泥饼混合搅拌，形成pH为6.5～8.0的土壤材料。

其中，步骤(1)中，废弃泥浆干物质与缓凝剂、固化剂、絮凝剂以及激发剂的质量比为1000:2～4:30～70:1～3:30～70。

其中，步骤(1)中，本发明使用的缓凝剂为：木质素磺酸盐类、羟基羧酸盐类(柠檬酸、酒石酸、苹果酸等)、纤维素类衍生物(羟甲基纤维素等)、无机化合物类(磷酸盐等)或有机膦酸盐类等中的一种或多种；固化剂为：无机类(生石灰、水泥等)、有机类(磺化油、改性水玻璃类、环氧树脂、高分子材料类等)、生物酶类固化剂等中的一种或多种；絮凝剂为：无机絮凝剂，如铁盐(氯化铁)等，有机絮凝剂，如天然有机高分子絮凝剂(壳聚糖类、木质素类、树胶类、褐藻胶类、动物胶类、明胶类、改性淀粉类和改性纤维素类)，合成有机高分子絮凝剂(非离子型、阳离子型、阴离子型等)，微生物絮凝剂，复合絮凝剂等中的一种或多种；激发剂为：碱激发剂(氢氧化钠、氢氧化钾和水玻璃等)、酸激发剂(磷酸、磷酸二氢铝、乙酸等)、盐类激发剂(硫酸钙、硅酸盐等)中的一种或多种。

其中，步骤(1)中，泥浆中先加入缓凝剂，缓凝剂加入后，搅拌转速为100～800rpm，搅拌10～15min；再加入固化剂，加入固化剂后，搅拌转速为100～800rpm，搅拌10～15min；再加入絮凝剂，加入絮凝剂后，搅拌转速为100～800rpm，搅拌1～5min，再静置5～6min，排出上清液，形成浓缩絮团浆液；向浓缩絮团浆液中加入激发剂，搅拌转速为400～420rpm，搅拌5～10min，再静置0.5～2h，使水化反应快速发生，絮团硬化并达到稳定。

其中，步骤(1)中，真空过滤脱水的抽滤压强为60～105kPa，抽出游离水后，得到含碱性多孔硬化团聚体的浆液，即真空过滤脱水，脱至浆液含水率至70％～80％；碱性多孔硬化团聚体的pH为10.0～12.0。

其中，步骤(2)中，所述酸性外加剂为聚合硫酸铝、硫酸亚铁、硫酸铵、硫酸钾或过磷酸钙等酸性化学肥料；絮凝剂为：无机絮凝剂，如铁盐(氯化铁等)等，有机絮凝剂，如天然有机高分子絮凝剂(壳聚糖类、木质素类、树胶类、褐藻胶类、动物胶类、明胶类、改性淀粉类和改性纤维素类)，合成有机高分子絮凝剂(非离子型、阳离子型、阴离子型等)，微生物絮凝剂，复合絮凝剂等中的一种或多种。

其中，步骤(2)中，废弃泥浆干物质与酸性外加剂和絮凝剂的质量比为1000：30～70：1～3。

其中，步骤(2)中，高压板框压滤脱水过程中，压强为0.8～2MPa，将泥浆快速脱水，得到酸性泥饼，其含水率需要控制在30～50％；酸性泥饼的pH为4.0～5.0。酸性工序的泥饼含水率一般较低，30～50％；碱性工序的浆液含水率稍高，70～80％；二者中和后含水率达到60％左右，控制含水率的目的主要是为了使最终形成的土壤具有较为合适的含水率。

其中，步骤(3)中，将含碱性多孔硬化团聚体的浆液与酸性泥饼按质量比1～1.5:1混合。

本发明通过缓凝剂、固化剂、絮凝剂和激发剂的加入量和特定加入顺序使废弃泥浆脱水产物中形成碱性多孔硬化团聚体，即在脱水产物中形成大颗粒的永久性土体骨架，从而完成了废弃泥浆脱水一步土壤化的重要条件。废弃泥浆水分含量超高极易使固化剂直接在泥浆中水化，缓凝剂率先添加减缓后续添加的固化剂的固化反应，絮凝剂的添加可以快速絮凝废弃泥浆中的细颗粒与固化剂颗粒，形成包含固化剂及土颗粒的絮团结构，沉降排出上清液后，添加激发剂，激发剂与缓凝剂发生反应，使缓凝剂产生的作用失效，从而让絮团内部的固化剂迅速发生水化反应从而硬化絮团结构，使得废弃泥浆中的土颗粒形成一个一个碱性多孔硬化团聚体(泥浆脱水产物中硬化多孔絮团形成的关键在于利用缓凝剂将固化剂的水化反应推迟，在形成包裹固化剂颗粒的絮团之后，利用激发剂与缓凝剂发生反应，使絮团中的固化剂可以立即发生水化反应)，在泥浆中形成碱性多孔硬化团聚体后能够进一步提高泥浆的抽滤效果，从而加速泥浆的脱水；同时酸性泥饼中的酸性物质由于受到碱性多孔硬化团聚体浆液的水分激发，能够进入碱性多孔硬化团聚体中，并与其发生酸碱中和反应，从而最终得到pH在6.5～8.0之间的具有良好透水保水性以及保肥性的土壤材料，可作为种植土直接进行原地种植植物使用。

有益效果：相比于现有技术，本发明具有如下显著的优点：(1)本发明可以在对高含水率废弃泥浆进行快速脱水的同时，通过特定药剂的添加量及添加顺序，形成一个个硬化团聚物，从而以大颗粒形式存在于最终的种植土中，使种植土具有永久良好的通透性，透水效果极佳；特定的药剂添加顺序避免了固化剂过早水化失去作用、也避免形成一大块硬化泥饼；(2)由于废弃泥浆大部分由粘土构成，有机质含量较高，且添加的酸性外加剂具有一定的肥力，大多养分不会因板框压滤而损失，故最终的酸性泥饼具有良好的保肥能力，并且通过酸性泥饼对碱性多孔硬化团聚体浆液进行中和，使最终的土壤pH处于6.5～8.0之间；(3)本发明形成的土壤，不需要添加额外大颗粒物质，如秸秆，生物炭等，本发明可以在只添加少许外加剂的情况下，对废弃泥浆进行一步化处理，形成pH适中、具有良好透水保水性以及保肥性的优质土壤，达到《绿化种植土壤》标准，且该土壤质地特性为永久质地。

附图说明

图1为本发明处理方法的工艺流程图；

图2为实施例1步骤(1)中初始未经处理的泥浆；

图3为实施例1经步骤(1)处理后形成的碱性多孔硬化团聚体浆液；

图4为实施例1经步骤(2)处理后得到的酸性泥饼；

图5为实施例1得到的种植土直接原地种植植物后种子的发芽图；

图6为对比例1经步骤(1)处理后得到的泥饼图片。

具体实施方式

实施例1

本发明废弃泥浆土壤资源化的处理方法，应用于含水率为400％的太湖疏浚泥浆中，泥浆如图2所示，包括如下步骤：

(1)制备含碱性多孔硬化团聚体的浆液：

(1.1)废弃泥浆浓缩：缓凝剂、固化剂、絮凝剂分别为羟甲基纤维素、OPC、PAM(聚丙烯酰胺)，将缓凝剂羟甲基纤维素按照与泥浆干物质质量比为2:1000的比例加入400％含水率的泥浆中，搅拌转速设定为600rpm，搅拌15min后，将固化剂OPC按照与泥浆干物质质量比为50:1000加入含水率高于泥浆液限的泥浆中，搅拌转速设定为600rpm，搅拌15min后，将絮凝剂PAM按照与泥浆干物质质量比为3:1000加入含水率高于泥浆液限的泥浆中，搅拌转速设定为500rpm，搅拌4min，再静置5min，排出上清液；

(1.2)碱性多孔硬化团聚体激发：将粉煤灰作为激发剂按照与泥浆干物质质量比为40:1000加入浓缩后的碱性浆液中，搅拌转速为400rpm，搅拌5min，搅拌均匀，再静置1h以激发絮团强度；

(1.3)真空过滤脱水：激发强度后的碱性多孔硬化团聚体浆液采用真空过滤的脱水工艺，脱水负压为60kPa，抽出游离水后，得到pH＝10.0～12.0具有保水性质的碱性多孔硬化团聚体的浆液，浆液的含水率为75％，且由PAM絮凝产生的团聚体结构在过滤后基本不发生变化，如图3所示；

(2)制备低含水率酸性泥饼：

(2.1)将酸性外加剂聚合硫酸铝与泥浆干物质质量比为45:1000加入含水率高于泥浆液限的泥浆中，搅拌转速设定为600rpm，搅拌20min；

(2.2)将絮凝剂PAM与泥浆干物质质量比为3:1000加入400％含水率的泥浆中，搅拌转速设定为500rpm，搅拌4min，再静置5min，排出上清液；

(2.3)将沉积物进行高压板框过滤脱水，压强设定为0.8MPa，将泥浆快速脱水，得到pH＝4.0～5.0的酸性泥饼，泥饼的含水率为35％，且由于该酸性团聚体为柔性结构，故在过滤中由于高压的作用，PAM形成的柔性絮团结构将不再具有孔隙，如图4所示；

(3)混合土壤化过程：将含碱性多孔硬化团聚体浆液和酸性泥饼以质量比为1:1比例，排放在搅拌池中，搅拌转速设定为500rpm，搅拌30min后，酸性泥饼中的酸性物质由于得到碱性多孔硬化团聚体浆液中的水分激发，进入碱性多孔硬化团聚体中，并与其发生酸碱中和反应，最终得到的土壤产物各项指标均达到种植土的标准要求，具体的各项指标测试结果见表1。后续将得到的土壤产物进行白萝卜种子种植试验，生长良好，见图5。

实施例2

实施例2的处理方法与实施例1基本相同，唯一区别为：在实施例2中将本发明废弃泥浆土壤资源化的处理方法应用于含水率800％的大连湾泥浆中，同时实施例2步骤(1)中使用的缓凝剂、固化剂、絮凝剂和激发剂分别为脱硫石膏、OPC、PAM和硫酸铝，缓凝剂、固化剂、絮凝剂和激发剂与泥浆干物质的质量比为3:40:3:50:1000；步骤(2)中，絮凝剂和酸性外加剂分别为PAM和硫酸亚铁，絮凝剂和酸性外加剂与泥浆干物质的质量比为3:50:1000。

经过实施例2的处理，最终得到的土壤产物的各项指标均达到种植土的标准要求，具体的各项指标测试结果见表1。从实施例2可以得出，更换泥浆种类后，根据泥浆特性更换药剂，按照本发明中特定的加药顺序仍可以将泥浆进行脱水-土壤化一体化处理。

实施例3

实施例3的处理方法与实施例1基本相同，唯一区别为：实施例3步骤(1.2)中使用的激发剂为废弃石膏粉末，废弃石膏粉末与泥浆干物质的质量比为40:1000，静置时间为30min。

经过实施例3的处理，最终得到的土壤产物的各项指标均达到种植土的标准要求，具体的各项指标测试结果见表1。从实施例3可以得出，更换激发剂的种类后，按照本发明中特定的加药顺序仍可以将泥浆进行脱水-土壤化一体化处理。

实施例4

实施例4的处理方法与实施例1基本相同，唯一区别为：实施例4步骤(2.1)中使用的酸性外加剂为硫酸钾，硫酸钾与泥浆干物质的质量比为30:1000。

经过实施例4的处理，最终得到的土壤产物的各项指标均达到种植土的标准要求，具体的各项指标测试结果见表1。从实施例4可以得出，更换酸性外加剂的种类后，按照本发明中特定的土壤化混合方式仍可以将泥浆进行脱水-土壤化一体化处理。

对比例1

对比例1与本发明的区别在于：未按照特定的药剂添加种类以及添加顺序，缺少酸性泥饼制作。与实施例1相比，对比例1的处理方法与实施例1基本相同，区别为：对比例1在步骤(1)中的加药种类及顺序发生改变，且缺少酸性泥饼制作过程。对比例1的加药种类为：絮凝剂、固化剂、激发剂；顺序为：先加入絮凝剂，排出上清液，加入固化剂后，加入激发剂，且不添加缓凝剂，同时缺少酸性泥饼制作步骤。

对比例1在实施过程中发现，激发剂加入后使得固化反应迅速发生，从而硬化絮团结构，但是由于固化剂是在絮团形成后加入，此时的固化剂导致了絮团与絮团之间形成成体结构，团粒间的孔隙消失，最终没有得到碱性多孔硬化团聚体浆液，而是一整块已经发生水化反应的具有一定强度的泥饼，入渗效果极差，见图6，且由于缺少混合酸性泥饼，最终得到的产物碱性极强，种子发芽率不达标，其土壤指标见表1，部分指标不能满足标准值。

对比例2

对比例2与本发明的区别在于：未加入缓凝剂。与实施例1相比，对比例2的处理方法与实施例1基本相同，唯一区别为：对比例2在步骤(1)中缺少缓凝剂的添加。

对比例2在实施过程中发现，由于没有加入缓凝剂，固化剂添加入高含水率泥浆后，反应较快，一方面团聚体强度较低，团粒长期保持性差，无法形成多孔硬化团聚体；另一方面固化剂的损失量大，在加入酸性泥饼混合后的产物不能作为土壤进行使用，由于其缺少孔隙结构，质地属于黏土，不能满足壤土要求，同时入渗效果极差，种子发芽率不达标，其土壤指标见表1，部分指标不能满足标准值。

对比例3

对比例3与本发明的区别在于：未按照本发明特定的药剂添加比例。与实施例1相比，对比例3的处理方法与实施例1基本相同，唯一区别为：对比例3中缓凝剂按照与干物质质量比为：0.5:1000进行添加，絮凝剂按照与干物质质量比为：0.5:1000进行添加。

对比例3在实施过程中发现，由于缓凝剂的添加量较少，在加入固化剂后，由于缓凝剂的掺量过少，导致大部分固化剂已经开始水化反应，且由于絮凝剂的量加入较少，形成的微小絮团结构在激发剂的作用下，连接形成密实的饼状物，入渗率极低，同时酸性泥饼的加入没能缓解已固化的碱性物质，种子发芽率不达标，其土壤指标见表1，部分指标不能满足标准值。

对比例4

对比例4是现有技术中常规废弃泥浆的处理方法：疏浚泥浆采用水泥、PAM配方，采用板框压滤的工艺从而得到低含水率的泥饼。

通过对比例4，得到的脱水产物的pH>12.5，同时脱水产物的入渗率极低，种子发芽率不达标，难以作为土壤应用。

实施例1～4和对比例1～4得到的脱水产物的土壤理化性质的主控指标试验结果见表1。

表1

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由表1中实施例1～4的数据能够看出，本发明方法适用于来源不同的泥浆以及不同含水率的泥浆。由对比例1可以看出，缺少药剂添加种类以及没有按照本发明的特定药剂添加顺序，同时缺少酸性泥饼的制作，从而导致pH、EC、入渗率以及种子发芽指数不能够满足土壤标准，不可以将泥浆进行土壤化处理；对比例2中由于缺少缓凝剂的添加，虽然已经按照本发明特定药剂添加顺序进行药剂添加，但是由于缺少缓凝剂，因此得到的混合产物的pH、入渗率以及种子发芽指数不能够满足土壤标准。这说明了按照本发明所述的特定药剂添加顺序进行药剂添加，但缺少药剂种类，这样不能够将泥浆进行土壤化处理。对比例3中由于药剂添加比例不在本发明的添加范围内，得到的混合产物的EC、入渗率以及种子发芽指数不能够满足土壤标准，这说明了药剂添加不在本发明的范围内时，将无法实现泥浆土壤化。按照常规泥浆处置方式的对比例4中，其脱水产物的pH、EC、入渗率以及种子发芽指数不能够满足土壤标准，因此按照常规处置方式是不能够将泥浆一步处理为土壤。只有按照本发明的特定药剂添加种类、剂量及顺序，同时制作酸性泥饼与之混合，才能够将不同高含水率疏浚泥浆在脱水的同时处理为土壤直接进行资源回收利用。