于冬冬 ，錢雅潔 ，劉保江 ，薛 罡 ，高 品

（1.東華大學環(huán)境科學與工程學院，上海201620；2.東華大學化學化工與生物工程學院，上海201620）

鉆井工程中所產生的大量泥漿廢水具有污染負 荷高、成分復雜等特點，主要包括懸浮物、黏土、無機鹽、以及鉆井過程中所使用的添加劑等。泥漿廢水組成的復雜程度隨著鉆井深度的增加而增加，相應的泥漿水處理難度也越來越大〔1-3〕。泥漿廢水含水率約為30%～90%，pH偏堿性，若不經處理直接排放會對周圍生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染〔4〕。在工程現場，鉆井泥漿廢水通常被排入貯水池中，經較長時間的重力沉降固液分離后，上清液進行外排，這一處理方法存在占地面積大、泥水分離效果差、處理時間長等缺點。因此，如何快速有效地將泥漿廢水進行固液分離是其處理的關鍵，分離所得上清液可回用于鉆井工程中，減少水資源消耗，而沉淀泥漿在固結處理后可用于燒磚等行業(yè)〔5〕。

本研究以天津某鉆井作業(yè)場地泥漿廢水作為研究對象，探討了不同混凝劑、初始pH和助凝劑聚丙烯酰胺（PAM）對其固液分離的影響，并采用上清液濁度、總有機碳（TOC）、以及泥漿沉降比對比分析固液分離效果，以期為泥漿廢水的混凝處理工程實踐提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

試劑：氫氧化鈉、七水合硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O）、鹽酸均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司；PAM（陽離子型、相對分子質量約為900萬）、聚合氯化鋁（PAC）（Al2O3有效質量分數為28%）、聚合硫酸鐵（PFS）（質量分數為10%）均為工業(yè)品，由無錫綠達環(huán)保工程有限公司提供。

儀器：CM-02SS型臺式濁度儀，北京雙暉京承電子產品有限公司；pH計，梅特勒-托利多儀器有限公司；multi N/C3100 TOC型總有機碳/總氮分析儀，德國耶拿分析儀器股份公司。

1.2 混凝條件優(yōu)化實驗

泥漿廢水采集于天津某鉆井作業(yè)場地，水質偏堿性，pH約為10.0，含泥量較高，自由沉降30 min后，上清液濁度為100.1 NTU，TOC為48.2 mg/L。

采用FeSO4、PAC、PFS作為混凝劑，分別考察了混凝劑投加量、初始pH和助凝劑PAM對泥漿廢水上清液濁度和TOC的去除效果，以及泥漿沉降比的影響，從而優(yōu)化確定了混凝工藝的最佳運行參數。

1.2.1 不同混凝劑及其投加量對混凝效果的影響

取150 mL泥漿廢水于若干燒杯中，分別投加25、50、100、200、400 mg/L 的 FeSO4、PAC、PFS，快速攪拌3 min，靜置30 min，固液分離后測定上清液濁度和TOC，同時記錄泥漿沉降比。

1.2.2 初始pH對混凝效果的影響

取150 mL泥漿廢水于若干燒杯中，使用濃度為1.0 mol/L的鹽酸溶液和1.0 mol/L的氫氧化鈉溶液調節(jié)泥漿廢水 pH 分別為 6.0、8.0、9.0、10.0、11.0，加入200 mg/L混凝劑，快速攪拌3 min，靜置30 min，固液分離后測定上清液濁度和TOC，同時記錄泥漿沉降比。

1.2.3 PAM對混凝效果的影響

取150 mL泥漿廢水于若干燒杯中，加入200 mg/L 混凝劑， 再分別投加 5、10、15、20、30 mg/L 的PAM，快速攪拌3 min，靜置30 min，固液分離后測定上清液濁度和TOC，同時記錄泥漿沉降比。

2 結果與討論

2.1 不同混凝劑及其投加量對混凝效果的影響

考察不同混凝劑及其投加量對泥漿廢水混凝效果的影響，結果見圖1。

圖1 不同混凝劑及其投加量對泥漿廢水混凝效果的影響

由圖1（a）可知，隨著混凝劑投加量的逐漸增大，上清液濁度呈現逐漸下降的趨勢（FeSO4除外），且FeSO4和PAC對上清液濁度的去除效果總體優(yōu)于PFS。當混凝劑投加量為200 mg/L時，FeSO4、PAC混凝處理上清液濁度分別為37.9、38.3 NTU，而當混凝劑投加量增大至400 mg/L時，除PFS對上清液濁度去除有所改善外，FeSO4作為混凝劑時的上清液濁度出現反彈。相比之下，當PAC作為混凝劑，投加量分別為200、400 mg/L時，上清液濁度相對穩(wěn)定，可維持在40 NTU以下。

由圖1（b）可知，混凝處理對泥漿廢水TOC同樣具有較好的去除效果。上清液TOC去除率隨著混凝劑投加量的增大而總體呈現出升高趨勢，與FeSO4和PFS相比，PAC對上清液TOC去除效果最好，PAC投加量為100～400 mg/L時對TOC的去除率可保持在91%以上。相比之下，FeSO4混凝對上清液TOC的去除效果最差，TOC去除率約為77%。

由此可見，相比于FeSO4和PFS，采用 PAC對泥漿廢水進行混凝處理效果最好，當PAC投加量為200 mg/L時，混凝上清液濁度可降至38.3 NTU，TOC去除率可達91.5%以上，而繼續(xù)增大PAC投加量對上清液濁度和TOC的去除效果影響不大，這與劉鵬〔6〕在對比篩選鋁、鐵和鎂等無機混凝劑對油田鉆井廢水混凝處理結果相似。泥漿廢水主要是由微米級尺寸、帶負電荷的礦物質組分所形成的分散懸浮體系，PAC溶于水后會發(fā)生聚合反應生成羥基配合物，具有較大的比表面積，且其所攜帶的正電荷有利于與帶有負電荷的礦物顆粒之間發(fā)生靜電吸附作用，達到較好的混凝效果〔4〕。

考察不同混凝劑及其投加量對泥漿沉降比和上清液pH的影響，結果見表1。

表1 不同混凝劑及其投加量對泥漿沉降比和上清液pH的影響

由表1可知，PAC對泥漿廢水混凝固液分離效果相對較好，當PAC投加量為200 mg/L，靜置30 min后，泥漿廢水沉降比約為66.7%，上清液pH由初始的10.0降至9.0左右，混凝劑的加入會造成上清液pH的降低，其混凝劑投加量越大，上清液pH降低幅度越大，這主要是由于FeSO4、PAC、PFS本身呈酸性所導致的。因此，在后續(xù)實驗中，混凝劑投加量均采用200 mg/L進行不同工藝參數的優(yōu)化。

2.2 初始pH對混凝效果的影響

考察泥漿廢水初始pH對不同混凝劑混凝效果的影響，結果見圖2。

由圖2（a）可知，隨著初始pH的增大，FeSO4混凝處理后上清液濁度相應降低，當初始pH從6.0升高至10.0時，上清液濁度可從95.1 NTU降至37.9 NTU。相比之下，當采用PAC作為混凝劑時，初始pH對上清液濁度的去除影響相對較小，當初始pH從6.0升高至10.0時，上清液濁度從41.5 NTU降至38.3 NTU。當初始pH繼續(xù)從10.0增大至11.0時，FeSO4和PAC混凝對上清液濁度去除的影響很小，基本維持穩(wěn)定，且效果優(yōu)于PFS。

圖2 初始pH對不同混凝劑混凝效果的影響

由圖2（b）可知，PAC對上清液TOC的去除效果始終優(yōu)于FeSO4和PFS，且初始pH對其影響較小，在不同pH條件下對上清液TOC的去除率均可維持在85%以上，表現出較好的混凝效果。

通常情況下，無機鐵鹽混凝劑在pH范圍為4～11時都會形成絮體，鐵離子能與水中的氫氧根離子反應生成 Fe（OH）2和 Fe（OH）3膠體，對泥漿廢水中的膠體物質和細小固體顆粒具有較好的捕集分離作用，且廢水TOC隨著溶液pH的升高而降低〔7〕。無機鋁鹽混凝劑 PAC 溶于水后會反應生成〔Al6（OH）14〕4+、〔Al8（OH）15〕3+、〔Al13（OH）34〕5+等高價帶正電荷的離子，能夠有效地與泥漿廢水中帶有負電荷的黏土顆粒等發(fā)生電荷中和反應，強化混凝效果〔5〕。

考察初始pH對泥漿沉降比和上清液pH的影響，結果見表2。

表2 初始pH對泥漿沉降比和上清液pH的影響

由表 2可知，當初始pH為 6.0時，FeSO4、PAC、PFS混凝處理后泥漿沉降比均最小，分別為61.3%、56.0%、61.3%，這可能是因為混凝劑本身生成的氫氧化物沉淀在酸性條件下會發(fā)生分解所導致的。當初始pH為10.0時，不同混凝劑混凝處理后的泥漿沉降比較為接近，而繼續(xù)升高初始pH至11.0時，對泥漿沉降比基本無影響。

2.3 PAM對混凝上清液濁度、TOC及泥漿沉降比的作用影響

PAM作為助凝劑與無機鐵鹽或鋁鹽混凝劑聯(lián)用，已被廣泛應用于廢水處理中〔8-10〕。為了考察PAM是否能夠進一步強化PAC對泥漿廢水的混凝效果，本研究實驗探討了在PAC投加量為200 mg/L和初始pH為10.0時，不同PAM投加量對混凝上清液濁度和TOC的去除效果影響，結果見圖3。

圖3 PAM對泥漿廢水混凝效果的影響

由圖3可知，當PAM投加量從5 mg/L升高至20 mg/L時，上清液濁度相應從249.7 NTU降低至135.7 NTU，但對上清液TOC總體影響不大。隨著PAM投加量繼續(xù)增大至30 mg/L，上清液濁度和TOC濃度均出現反彈升高趨勢。

考察PAM投加量對泥漿沉降比的影響，結果見表3。

表3 PAM投加量對泥漿沉降比的影響

由表3可知，PAM投加量的增大對泥漿沉降比的影響不顯著，當PAM投加量從5 mg/L增大至10 mg/L時，泥漿沉降比相應從50%降至33.3%，而繼續(xù)增大PAM投加量對其無影響。

綜上所述，通過實驗研究，綜合考慮不同混凝劑對上清液濁度和TOC去除效果，以及泥漿沉降比的影響，確定泥漿廢水混凝處理最佳參數條件為：PAC作為混凝劑，PAC投加量為200 mg/L，初始pH為10.0（泥漿廢水原始pH，無需調節(jié)）。在此工藝條件下，混凝處理靜置30 min后，上清液濁度可降至38.3 NTU，TOC去除率達91.5%，泥漿沉降比約為66.7%，根據廠家詢價，PAC價格按2 600元/t進行核算，則PAC藥劑成本約為0.52元/t。需要注意的是，盡管PAM的投加可以有效降低泥漿沉降比，但同時會造成上清液濁度大幅度升高，在實際工程應用時可根據實際情況進行確定，投加時建議投加量為20 mg/L。泥漿廢水經混凝處理后，上清液pH為9.0左右，可以滿足鉆井作業(yè)用水要求，因此可集中收集進行回用，沉淀泥漿經脫水后再行資源化處置。

3 結論

（1）對泥漿廢水進行混凝處理不僅能夠加快固液分離，而且可以有效地降低上清液濁度和TOC，相比FeSO4和PFS混凝劑，PAC的混凝效果最好。

（2）經實驗優(yōu)化確定混凝最佳工藝條件：PAC投加量為200 mg/L，泥漿廢水初始pH為10.0，混凝處理靜置30 min后，上清液濁度為38.3 NTU，TOC去除率為91.5%，泥漿沉降比約為66.7%，PAC藥劑成本約為0.52元/t，具有較好的應用可行性。

（3）PAM的加入雖然能夠降低泥漿沉降比，但會導致上清液濁度升高，因此建議在實際工程應用時需進行預實驗確定是否需要投加PAM。