周 慶， 黃偉鈞， 盧烈聽(tīng)

(1.蘇寧置業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210042； 2.溫州浙南地質(zhì)工程有限公司，浙江 溫州 325000)

0 引言

近年來(lái)，人們的環(huán)保意識(shí)不斷提升，工程廢棄泥漿引起的環(huán)境問(wèn)題已逐漸成為學(xué)者研究的焦點(diǎn)，廢棄泥漿的無(wú)害化處理也已經(jīng)提到日程[1-6]。

工程廢棄泥漿由于成分復(fù)雜且含有較多的帶負(fù)電荷的粘土顆粒，自然沉降速度較慢，難以快速有效的分離，而絮凝劑具有電中和、吸附架橋及網(wǎng)絡(luò)卷掃作用，能夠改善泥漿的沉降和脫水性能，故絮凝劑能夠作為泥漿固液分離的一種方法。絮凝劑通常分為無(wú)機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑和微生物絮凝劑。無(wú)機(jī)絮凝劑主要包括小分子無(wú)機(jī)絮凝劑和高分子無(wú)機(jī)絮凝劑，常見(jiàn)的有：三氯化鐵、硫酸亞鐵和硫酸鋁、聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鋁(PAS)、聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鐵(PFC)等。

其中小分子無(wú)機(jī)絮凝劑經(jīng)常應(yīng)用于固體顆粒較少的城市污水凈化處理工程。有機(jī)高分子絮凝劑，包括天然有機(jī)高分子絮凝劑和有機(jī)合成高分子絮凝劑兩種，具有固液分離效果明顯、絮凝速度快、添加量少的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。常見(jiàn)的有機(jī)絮凝劑有：聚丙烯酰胺系列、聚二甲基二丙烯基氯化銨等。在工程廢棄泥漿處理中通常使用有機(jī)絮凝劑或者聯(lián)合使用無(wú)機(jī)絮凝劑與有機(jī)絮凝劑。微生物絮凝劑受其微生物生長(zhǎng)環(huán)境的限制，主要應(yīng)用在城市污水處理方面[7]。

梁止水等[8]采用化學(xué)絮凝的方法對(duì)建筑廢棄泥漿快速泥水分離性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)有機(jī)絮凝劑對(duì)建筑泥漿具有較好的快速泥水分離效果。

李沖等[9]研究了APAM投加量、分子量、泥漿pH值等因素及聚合氯化鋁(PAC)與APAM復(fù)合使用對(duì)絮凝效果的影響；PAC與APAM的復(fù)合使用可以降低上清液濁度，但形成的絮團(tuán)會(huì)略有減??；泥漿pH值對(duì)上清液濁度影響明顯。

劉智峰等[10]考察了幾種無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑對(duì)泥漿絮凝效果的影響，發(fā)現(xiàn)在泥漿固液分離實(shí)驗(yàn)中，陰離子聚丙烯酰胺(APAM)對(duì)泥漿的絮凝效果最好。

張忠苗等[11]研究了運(yùn)用化學(xué)絮凝劑進(jìn)行廢棄泥漿固液分離的一種方法，通過(guò)加入聚丙烯酰胺和生石灰實(shí)現(xiàn)了泥漿的快速泥水分離。

多個(gè)學(xué)者研究表明：絮凝沉淀法能夠起到降低廢棄泥漿含水率的作用，有機(jī)絮凝劑中的陰離子聚丙烯酰胺(APAM)對(duì)工程廢棄泥漿的處理具有一定的優(yōu)勢(shì)。

本文針對(duì)溫州某鉆孔灌注樁的廢棄泥漿進(jìn)行了沉降柱試驗(yàn)以及顆粒分析試驗(yàn)，著重研究了無(wú)機(jī)絮凝劑CaO的不同添加順序?qū)τ袡C(jī)絮凝劑APAM絮凝效果以及絮體顆粒粒徑的影響。

1 廢棄泥漿的沉降柱試驗(yàn)

1.1 廢漿試樣

針對(duì)溫州地區(qū)工程廢漿測(cè)試后的泥漿顆粒組成曲線如圖1所示。從圖中可以看出,溫州原始泥漿以粉粘細(xì)顆粒為主，粒徑>0.075 mm的砂粒約占14.0%，0.005～0.075 mm的粉粒約占56.0%，粒徑<0.005 mm的粘粒約占30.0%。泥漿含水率163.00%、pH值7.6、密度1.285 g/cm3。礦物成分相對(duì)含量為：石英41%，堿性長(zhǎng)石4%，斜長(zhǎng)石9%，方解石3%，白云石3%，高嶺石11%，伊利石28%，角閃石1%。

圖1 溫州原始泥漿顆分曲線

1.2 試驗(yàn)藥劑

有機(jī)高分子絮凝劑陰離子聚丙烯酰胺(APAM)的主要作用原理是“架橋”絮凝作用，即有機(jī)高分子長(zhǎng)鏈通過(guò)顆粒表面的空白部分連接顆粒彼此，使得小顆粒逐漸結(jié)合成為大顆粒加速沉降。

無(wú)機(jī)絮凝劑CaO絮凝作用機(jī)理為金屬陽(yáng)離子進(jìn)入膠體顆粒的表面中和一部分負(fù)電荷而使膠體顆粒的擴(kuò)散層被壓縮，使膠體顆粒的ξ電位降低，在范德華力的作用下形成松散的大膠體顆粒沉降下來(lái)。

試驗(yàn)過(guò)程中有機(jī)絮凝劑APAM相對(duì)分子量為2000萬(wàn)，CaO純度≮98%。

1.3 試驗(yàn)儀器

500 mL燒杯、500 mL量筒、玻璃棒、滴定管、移液管、電子天平、計(jì)時(shí)器等。

1.4 試驗(yàn)步驟

取200 mL工程廢棄泥漿倒入500 mL燒杯中，向裝有泥漿的燒杯中加入所需量的藥劑，充分?jǐn)嚢?攪拌速率控制在120 r/min左右，攪拌時(shí)間為2 min)倒入量筒中，然后記錄泥水混液面讀數(shù)。

每次試驗(yàn)所取泥漿均為200 mL；有機(jī)絮凝劑APAM配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)2‰的溶液，添加量按溶液體積10、20、30及40 mL添加；CaO添加量按泥漿的總質(zhì)量乘以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算，添加方式為固體添加。最終形成的沉降柱如圖2所示。

圖2 沉降柱試驗(yàn)

1.5 沉降柱試驗(yàn)結(jié)果分析

1.5.1 APAM絮凝沉降性能

圖3為單加APAM絮凝劑的沉降量與時(shí)間關(guān)系曲線；圖4為APAM絮體密度曲線。

從圖3中可以看出：

(1)加入10 mL的APAM溶液初始沉降量較低，沉降速率較快；加入20、30及40 mL的APAM溶液，初始沉降量較大，沉降速率較慢。這是由于加入20、30及40 mL APAM溶液，充分?jǐn)嚢韬笮躞w骨架已經(jīng)形成，在初始階段就直接進(jìn)入固結(jié)階段，絮體在自重作用下達(dá)到“沉降”的效果，故沉降速率較慢；而加入10mLAPAM溶液初始階段，絮體骨架尚未形成，未進(jìn)入固結(jié)階段，故沉降速率較快。

圖3 APAM沉降量與時(shí)間關(guān)系曲線

圖4 APAM絮體密度曲線

(2)加入20、30及40 mL APAM溶液的沉降量曲線趨勢(shì)接近，24 h后沉降穩(wěn)定；加入10 mL APAM溶液及原始泥漿24 h后沉降尚未穩(wěn)定。

如圖4所示：絮凝沉降48 h后排出上清液，測(cè)量量筒與絮體質(zhì)量，推算出絮體密度ρ。絮體密度大小關(guān)系為：ρ20 mL<ρ30 mL<ρ10 mL<ρ40 mL。絮體密度說(shuō)明了絮體的致密程度，添加20 mL APAM溶液形成的絮體密度ρ20 mL最小。

1.5.2 CaO絮凝沉降性能

單加CaO的沉降量與時(shí)間關(guān)系曲線如圖5，密度曲線如圖6所示。CaO質(zhì)量與泥漿質(zhì)量比值分別為2‰、5‰、8‰。

圖5 CaO沉降量與時(shí)間關(guān)系曲線

圖6 CaO絮體密度曲線

從圖5中可以看出：加入無(wú)機(jī)絮凝劑CaO后24 h內(nèi)沉降速率高于原始泥漿。這是由于泥漿膠粒吸附層中的Na+、K+與Ca2+進(jìn)行了離子交換，減薄了膠粒的雙電層，泥漿膠粒發(fā)生脫穩(wěn)凝聚。此外，加入CaO量越多，沉降速率v越慢(v8‰

從圖6中可以看出密度ρ的大小關(guān)系：ρ8‰<ρ5‰<ρ2‰，與沉降量關(guān)系一致。需要說(shuō)明的是，雖然加入CaO量越大泥漿越稠密，但并不是越稠密密度越大。稠度是描述物體的流動(dòng)性，是材料內(nèi)部摩擦的一種表現(xiàn)，泥漿內(nèi)部摩擦力越大，沉降時(shí)需要克服的阻力也就越大，這與沉降速率大小相對(duì)應(yīng)。

1.5.3 CaO添加順序?qū)PAM絮凝效果的影響

為探究CaO的添加順序?qū)τ贏PAM絮凝沉降性能的影響，本文對(duì)廢漿進(jìn)行了單加APAM、CaO+APAM及APAM+CaO的沉降柱試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，APAM的加量分別為10、20、30、40 mL，CaO質(zhì)量與泥漿質(zhì)量比值均為2‰。

通過(guò)圖7(a)可以看出：

(1)當(dāng)APAM加入量為10 mL時(shí)，CaO+APAM初始沉降量為0，而單加APAM初始沉降>0。說(shuō)明先添加CaO不利于APAM發(fā)生絮凝作用。主要原因可能是：加入CaO后泥漿的pH值堿度增加，抑制了APAM的絮凝作用；Ca2+與泥漿中的粘土膠粒發(fā)生離子交換增大了膠粒的粒徑，而APAM更易吸附粒徑較小的顆粒。

圖7 不同APAM添加量下沉降性能對(duì)比曲線

(2)APAM及APAM+CaO初始沉降均不為0，泥漿加藥后立即出現(xiàn)分層現(xiàn)象，且APAM+CaO初始沉降量大于APAM沉降量，說(shuō)明在添加少量APAM前提下，后加CaO能夠取得比單加APAM更好的絮凝效果。其主要原因是：后加的CaO在不影響APAM絮凝劑的絮凝環(huán)境的情況下，繼續(xù)和廢漿中未沉降的小顆粒發(fā)生絮凝作用，使上部的小顆粒繼續(xù)沉降。

(3)單加APAM及CaO+APAM前期沉降速率均較快而APAM+CaO較慢，這是因?yàn)锳PAM及CaO+APAM絮體前期較為松散，沉降時(shí)更易壓縮絮體內(nèi)部的空隙、排水。單加APAM后期沉降量比CaO+APAM更大，主要原因是：沉降后期主要為絮體自重進(jìn)行固結(jié)作用，而CaO的固化作用增大絮體模量，絮體不易壓縮。

從圖7(b)、(c)、(d)可以看出：?jiǎn)渭覣PAM初始沉降量以及最終沉降量均大于APAM+CaO，雖然APAM+CaO絮凝效果更好，但由于CaO的增稠作用及固化作用，使得APAM+CaO的絮體沉降量小于單加APAM產(chǎn)生的沉降量。

2 絮體顆粒粒徑

為了探究絮凝前后顆粒粒徑變化，對(duì)不同絮凝劑、相同絮凝劑不同摻量下的絮體進(jìn)行顆粒粒徑分析。由于添加APAM后形成的絮體強(qiáng)度較小，常用的烘干碾碎法會(huì)破壞其絮體結(jié)構(gòu)，故采用濕篩法測(cè)量其顆粒組成。濕篩用的標(biāo)準(zhǔn)篩孔徑分別為：3、1、0.5、0.25、0.15、0.1及0.075 mm。

2.1 藥劑種類對(duì)顆粒粒徑的影響

2.1.1 APAM的影響

圖8為添加不同量的APAM溶液后形成的絮體顆粒組成曲線。

從圖8中可以看出：

(1)加入有機(jī)絮凝劑APAM的顆分曲線整體在原始泥漿顆分曲線的左下方，泥漿絮凝后土顆粒整體變大，0.075 mm以上各粒組土顆粒都有所增加。添加10 mL APAM溶液絮凝作用不明顯，絮體并未形成結(jié)構(gòu)且較為散狀。加入20～50 mL APAM溶液后絮凝作用明顯，絮體有較好的結(jié)構(gòu)。

(2)加入10～50mLAPAM溶液后，大于0.075 mm顆粒占總質(zhì)量的比例從原來(lái)的6.34%分別增加到了44.18%、66.40%、76.70%、89.18%、84.15%及85.72%，土顆粒粒徑從絮凝前的微米級(jí)增大到了絮凝后的毫米級(jí)。

圖8 APAM顆粒分析曲線

(3)添加10 mL APAM顆分曲線與原始泥漿及添加20 mL APAM顆分曲線間隔較大，說(shuō)明10 mL與20 mL APAM土顆粒粒徑增大幅度較大。加入APAM溶液超過(guò)20 mL后再繼續(xù)添加(不超過(guò)40 mL)，土顆粒粒徑增大幅度減小。這里的增大幅度指：每多添加10 mL APAM溶液形成的大于0.075 mm顆粒多少。

(4)當(dāng)添加過(guò)量的絮凝劑時(shí)(50 mL)，大于0.075 mm的土顆粒含量反而比加入40 mL時(shí)少。這主要是因?yàn)槲⑿☆w粒表面被過(guò)量的絮凝劑長(zhǎng)鏈包裹，小顆粒沒(méi)有剩余的空白表面供絮凝劑長(zhǎng)鏈進(jìn)行吸附架橋作用，故大于0.075 mm顆粒含量反而減少。

2.1.2 CaO的影響

由于Ca2+具有一定的絮凝作用，研究了CaO不同添加量下泥漿顆粒粒徑變化。添加2‰、5‰及8‰CaO形成的絮體粒徑組成曲線如圖9所示。

從圖9中可以看出：CaO對(duì)于泥漿顆粒粒徑大小有一定的增大作用，但增加幅度較小。主要原因有：

(1)CaO絮凝機(jī)理主要是通過(guò)Ca2+進(jìn)行了離子交換，壓縮雙電層，使泥漿膠粒發(fā)生脫穩(wěn)凝聚。CaO添加量較少，泥漿中Ca2+較少，故絮凝效果不明顯。

(2)CaO加入泥漿中生成Ca(OH)2微溶物質(zhì)，故泥漿中含有的Ca2+較少，絮凝效果不明顯。

(3)另外，與有機(jī)絮凝劑APAM形成的絮團(tuán)相比，CaO形成的膠團(tuán)之間沒(méi)有高分子鏈相連接，形成的小絮團(tuán)之間無(wú)法連接，故顆粒增大不明顯。

圖9 CaO顆粒分析曲線

2.2 添加順序?qū)︻w粒粒徑的影響

由前文分析可知：無(wú)機(jī)絮凝劑CaO在添加量2‰下絮凝后顆粒粒徑增加小，添加無(wú)機(jī)及有機(jī)混合絮凝劑時(shí)，有機(jī)絮凝劑APAM起主要絮凝作用，而CaO主要起增加絮體骨架強(qiáng)度作用。為了探究無(wú)機(jī)絮凝劑CaO對(duì)于APAM絮凝后顆粒粒徑的影響，對(duì)單加APAM、CaO+APAM及APAM+CaO顆粒組成(主要針對(duì)大于0.075 mm顆粒)進(jìn)行對(duì)比。不同APAM添加量下APAM、CaO+APAM及APAM+CaO顆粒組成對(duì)比曲線如圖10所示。大于0.075 mm絮體顆粒所占比例如表1所示。

表1 粒徑大于0.075 mm土顆粒含量 %

從圖10(a)中可以看出：添加10 mL APAM溶液前提下，大于0.075 mm顆粒含量大小關(guān)系：APAM>APAM+CaO>CaO+APAM；這種大小關(guān)系與沉降中初始沉降的大小關(guān)系(APAM+CaO>APAM>CaO+APAM)不太一致，分析其主要原因?yàn)椋合燃?0 mL APAM后再添加CaO雖然會(huì)進(jìn)一步絮凝小顆粒，但由于10 mL APAM形成的絮體較松散加入CaO攪拌時(shí)會(huì)使其破碎，同時(shí)CaO對(duì)APAM絮凝的抑制作用(主要體現(xiàn)在CaO增強(qiáng)了堿性及增大了顆粒的粒徑)使APAM再絮凝時(shí)生成的絮體小于單加APAM絮體粒徑。

從圖10(b)可以看出：添加20 mL APAM溶液前提下大于0.075mm顆粒含量大小關(guān)系：APAM+CaO>APAM>CaO+APAM。與加入10mL大小關(guān)系不同的原因是：加入20 mL APAM初始絮凝效果較好，后期沉降量最小、絮體結(jié)構(gòu)性最好、絮體強(qiáng)度最大，此時(shí)加入CaO攪拌時(shí)絮體不易破碎，此時(shí)CaO主要與剩余的小顆粒發(fā)生絮凝作用，即在APAM加量為20 mL時(shí)再添加CaO反而對(duì)絮體顆粒增大起一定促進(jìn)作用。

圖10 不同APAM添加量下顆分對(duì)比曲線

從圖10(d)可以看出與圖10(b)類似規(guī)律，但圖10(c)又有所不同，其大于0.075 mm顆粒含量大小關(guān)系反而是APAM>APAM+CaO。

綜合圖10(a)、(b)、(c)、(d)分析，后添加CaO對(duì)于APAM絮凝后顆粒粒徑的影響主要取決于加入CaO的攪拌時(shí)絮體破壞程度：(1)在相同APAM添加量的前提下，如果在加入CaO時(shí)攪拌過(guò)快或者加入APAM后絮體本身強(qiáng)度較小，絮體發(fā)生破壞較多，絮體所含大于0.075 mm顆粒含量關(guān)系：APAM>APAM+CaO；(2)攪拌速度慢或者加入APAM后絮體強(qiáng)度本身較大時(shí)，絮體發(fā)生破壞較少，大顆粒含量關(guān)系：APAM+CaO>APAM。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

針對(duì)溫州泥漿研究了無(wú)機(jī)絮凝劑CaO的不同添加順序?qū)τ袡C(jī)絮凝劑APAM絮凝效果以及泥漿顆粒粒徑大小的影響，得出如下主要結(jié)論。

(1)APAM的絮凝效果明顯。添加少量的APAM溶液(10 mL)初始沉降量小，但沉降速率快，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)；增加APAM溶液的劑量，泥漿初始沉降變大，沉降速率較慢，沉降穩(wěn)定所需的時(shí)間較短(約24 h)；添加20 mL APAM溶液，沉降穩(wěn)定后絮體體積密度最小，說(shuō)明加入20 mL APAM溶液形成的絮體骨架強(qiáng)度最高。

(2)CaO具有一定的絮凝作用，但在較低添加量下效果不明顯。加入CaO量越多，泥漿稠度越大，沉降速率越慢(v8‰

(3)先添加CaO再添加APAM，不利于APAM絮凝作用的發(fā)揮。這是因?yàn)镃aO使泥漿的pH值堿度增加，抑制APAM的絮凝作用，此外Ca2+與泥漿中的粘土膠粒發(fā)生離子交換增大了膠粒的粒徑，而APAM更易吸附小粒徑顆粒。

(4)先加APAM再加CaO，此時(shí)CaO會(huì)繼續(xù)和廢漿中未沉降的小顆粒發(fā)生絮凝沉降。后添加CaO情況下，CaO對(duì)于最終的絮體粒徑的影響主要取決于絮體本身的強(qiáng)度及攪拌強(qiáng)度。

3.2 展望

(1)泥漿中加入無(wú)機(jī)和有機(jī)化學(xué)藥劑，通過(guò)電中和、壓縮雙電層、架橋吸附和網(wǎng)捕等共同作用，將泥漿中的細(xì)小顆粒連接起來(lái)生成粗大顆粒，從而達(dá)到絮凝。無(wú)機(jī)與有機(jī)絮凝材料協(xié)同作用需要進(jìn)一步研究。

(2)本文中無(wú)機(jī)絮凝劑CaO的添加量(針對(duì)溫州地區(qū)泥漿)為最佳絮凝區(qū)域數(shù)值。添加量過(guò)小則絮凝效果不明顯，添加量過(guò)大則出現(xiàn)固化現(xiàn)象，在經(jīng)濟(jì)上不可取。但針對(duì)不同地區(qū)廢棄泥漿的絮凝沉降特性的研究仍需探討。

(3)無(wú)機(jī)絮凝劑CaO添加順序明顯影響絮凝體的沉降量和顆粒粒徑，但是否是影響絮凝效果的主要因素，值得進(jìn)一步探索和研究。