鄭 亮 ，劉曉燁，潘希軍 ，郁紅飛 ，李關(guān)雄 ，李煜坤 ，郭宇潮 ，穆慶嵐

（1.湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北武漢430050；2.武漢地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北武漢430050；3.江漢大學(xué)工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點實驗室，湖北武漢430056）

0 引言

鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻等建筑工程施工時會產(chǎn)生大量的廢棄泥漿，這些泥漿多為穩(wěn)定的膠體形態(tài)，自然靜置很難沉淀分離。通常會采用機械壓濾、旋流離心和添加絮凝劑等方法進行泥水分離［1-3］，但較多的研究主要集中在單一泥漿類型，并未對泥漿處理效果進行量化評價。建筑廢棄泥漿主要由有機質(zhì)和無機物組成，重金屬和非金屬有害物含量非常少［4］，懸浮固體濃度（SS）、懸浮顆粒攜帶污染物（COD）、總氮（TN）及總磷（TP）等污染物排放指標(biāo)隨著濁度增加而增加［5］，故此對廢棄泥漿顆粒進行處理，可以減少污染物通過徑流方式排入附近水域，對保護地表水體有著重要的意義。因此本試驗的要點是依據(jù)清液濁度和清液率為主要指標(biāo)，尋求對廢棄泥漿顆粒處理的最佳方式。

1 樣品來源及其主要地層性狀

選取武漢地區(qū)工程實踐中不同地層類型、不同施工工藝的4 個泥漿樣品來進行試驗。泥漿均從泥漿池返漿口處取得，樣品主要特征見表1。

表1 各泥漿樣品的主要特點Table 1 Main characteristics of mud samples

2 廢棄泥漿基本物理和化學(xué)性質(zhì)

采用NB-1 型泥漿密度計、1006 型泥漿粘度計、NA-1 型泥漿含砂量測定儀、PH-10 型pH 計及DT-300 型電位儀測定泥漿的基本物理性質(zhì)，見表2。

表2 各泥漿樣品的物理特性Table 2 Physical properties of mud samples

將泥漿樣品混勻后，取100 mL 放入真空干燥箱中，60 ℃下烘干，碾碎，并放入鼓風(fēng)干燥箱中110 ℃干燥2 h。將干燥泥漿粉末進行壓片，并放入Rigaku Primus II 型 XRF 熒光光譜儀中進行分析［6］。分析結(jié)果見表3。

建筑廢棄泥漿主要成分以粉砂、粘土顆粒等無機物為主［7］，本次分析主要為泥漿固相顆粒中各元素成分占比（原子序數(shù)＞9 的元素，不含清液中固相顆粒）。由表3 可以看出，各泥漿固相成分樣品中無機元素占比為20%左右，元素成分、種類和含量基本一致，其中Si 含量較大，占10%左右，其次是Al，占4%左右，再者為K、Ca，各占2%以內(nèi)；有機成分占80%左右，主要為含有機質(zhì)成分的土壤顆粒［8］。

表3 廢漿樣品中固相組分元素成分Table 3 Solid?phase components in mud samples %

3 廢棄泥漿處理

由于建筑廢棄泥漿中含有大量的水分，如何采取行之有效的方式來將泥水分離，實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用是本研究的主要目的。清液率越高、清液濁度越低，分離后的水質(zhì)就越好。其中清液率主要為泥水分離后上清液的體積占比率；清液濁度為上清液中顆粒物濃度的一種表征形式。旋流除砂可以去除 40～74 μm 的固相顆粒，離心機可以去除 2～44 μm 的固相顆粒［9］，不同設(shè)備對不同粒徑顆粒處理效果不一。因此，本文主要通過物理與化學(xué)藥劑方式對廢漿進行處理，旨在尋找高效、合適的廢漿處理方法，為大規(guī)模廢漿處理工藝提供試驗基礎(chǔ)。對于處理效果指標(biāo)，采用粒度范圍較難衡量，故采用處理時間、清液率、清液濁度這幾個較直觀的指標(biāo)來表示。

3.1 廢棄泥漿自由沉降及抽濾處理

3.1.1 自由沉降對泥漿的處理效果

將泥漿放入沉降柱中進行72 h 的自由沉降，采用WZS-185A 型濁度儀測定濁度，其結(jié)果見圖1。

圖1 各泥漿樣品自然沉降結(jié)果Fig.1 Settlement results of mud samples

泥漿樣品2 和樣品3 沉降速度慢，泥水分離狀況不佳，但測得其上清液的散射濁度較低，在100 NTU 內(nèi)，清液可循環(huán)利用。樣品1 和樣品4 的泥漿沉降性能較好，清液率分別為60%和41%左右，但樣品1 的清液濁度較大，為300 NTU。

3.1.2 重力過濾對泥漿的處理效果

4 個泥漿樣品原水濁度均大于1000 NTU，對50 mL 混勻后的泥漿廢水通過103 慢速定性濾紙進行過濾，其結(jié)果見表4。

表4 各泥漿樣品過濾處理結(jié)果Table 4 Filtration results of mud samples

從重力過濾處理效果上看，4 個泥漿樣品的處理效果都較為理想，處理后的清液濁度極低，均不超過10 NTU，說明1 μm 以下的顆粒占比較低，泥水分離非常好。從過濾效率上看，樣品1 和樣品4 明顯優(yōu)于樣品2 和樣品3，但總體速度都偏慢，不適合工業(yè)規(guī)模處理。

3.1.3 真空抽濾對泥漿的處理效果

由于工業(yè)上常采用壓濾機進行泥水分離［10］，因此利用真空抽濾的方式模擬壓濾機對泥漿樣品進行處理。4 個泥漿樣品原水濁度均大于1000 NTU，對50 mL 混勻后的泥漿廢水進行真空抽濾處理，濾紙為103 定性濾紙，其結(jié)果見表5。

表5 各泥漿樣品真空抽濾結(jié)果Table 5 Vacuum filtration results of mud samples

從真空抽濾結(jié)果來看，樣品2 由于泥漿顆粒較細，堵塞了濾紙空隙，使得抽濾時壓力過大，將濾紙損毀，無法進行真空抽濾處理。其他3 個樣品處理效果較為理想，清液濁度均未超過50 NTU。

從處理清液率上分析，樣品1 和樣品4 的泥漿減量可達80%以上，說明對于這2 個樣品而言，雖然處理后水渾濁度比自然過濾略高，但對于泥漿的減量和泥水分離效果非常好，并且相比重力過濾，抽濾速率也非?？欤衾么笮蜕a(chǎn)設(shè)備，效果會更加理想。因此對于1、4 號泥漿而言，抽濾處理對于泥漿的減量和處理效率是比較好的選擇。而對于2、3 號泥漿而言，則不適宜利用抽濾進行處理。

3.1.4 機械離心對泥漿的處理效果

機械離心也是工業(yè)上常采用的泥水分離方式，主要采用離心機［11］、旋流器［12］，針對建筑泥漿，采用離心機的方式進行處理。對于15 mL 混勻后的泥漿廢水進行4000 r/min、10 min 離心處理，處理效果見圖2。樣品2 效果不理想，泥水分離不充分，清液濁度＞1000 NTU，超過設(shè)備量程，而且清液率＜5%。分析原因，由于樣品2 采用旋挖鉆機施工，其地層主要為粉質(zhì)粘土，施工中泥漿的蒙脫石膨潤土損耗較少［13］，使得其含有較多粒徑＜2 μm 的顆粒，不易離心分離［14］。

圖2 各泥漿樣品離心處理效果Fig.2 Mud samples after centrifugal treatment

對于樣品1，在4000 r/min、1 min 就可以讓泥漿的濁度降到150 NTU 以下，清液率＞75%；5 min 的處理效果較好，泥漿濁度可下降到50 NTU 以下，清液率可達到接近90%。對于2000 r/min 而言，效果稍差，需要10 min 左右，濁度可降到100 NTU 以下，清液率在80%左右。因此對于泥漿樣品1 而言，機械離心的最佳參數(shù)為4000 r/min、5 min，見圖3。

圖3 樣品1 離心試驗結(jié)果Fig.3 Centrifugation results of Sample 1

對于樣品3，4000 r/min、5 min 的處理效果也較好，可以讓泥漿的濁度降到100 NTU 左右，但清液率較低，接近 40%；4000 r/min、10 min 的處理效果較好，清液率50%以上。對于2000 r/min 而言泥漿處理效果不佳，10 min 離心處理泥漿濁度仍接近300 NTU，清液率僅略大10%。說明離心對泥漿樣品3 處理效果雖好，但處理量不夠大，對于泥漿的減量效果不明顯，結(jié)果見圖4。

圖4 樣品3 離心試驗結(jié)果Fig.4 Centrifugation results of Sample 3

對于樣品4，跟樣品1 處理效果基本一致，4000 r/min、5 min 的處理效果就可使泥漿的濁度降到50 NTU，清液率在 85% 左右；2000 r/min、5 min 的處理效果也較好，但清液率在60%左右，對泥漿減量效果不太理想。2000 r/min、10 min 處理對泥漿的減量有所提升，清液率接近80%。因此對于4 號泥漿而言最佳處理參數(shù)為4000 r/min、5 min，見圖5。

圖5 樣品4 離心試驗結(jié)果Fig.5 Centrifugation results of Sample 4

綜合分析，對于樣品2 和樣品3 而言，利用低速離心方式的處理效果不理想，雖然樣品3 經(jīng)過4000 r/min、10 min 的處理效果較好，但對泥漿減量效果較差，處理量不夠大。對于樣品1 和樣品4，離心效果比較顯著，最佳參數(shù)為4000 r/min、5 min，處理后濁度均可下降到50 NTU 左右，清液率接近90%。4000 r/min、10 min 就可保證泥漿清液率在90%以上，減量效果明顯。

3.2 廢棄泥漿的絮凝正交試驗

3.2.1 有機絮凝劑對泥漿廢水處理正交試驗結(jié)果及分析

由于自然沉降效果不夠理想，而通過泥漿成分分析得知泥漿中有機質(zhì)的含量較大，宜采用有機絮凝劑進行絮凝沉淀，加強沉降效果后，再聯(lián)合機械處理進行泥水分離效果會更好。因此，采用聚丙烯酰胺高分子絮凝劑（簡稱PAM）進行正交試驗［15］來選出最佳試驗參數(shù)。

PAM 分子式為（C3H5NO）n，常用 PAM 分為陽離子、陰離子和非離子3 種類型，主要在水溶后通過接枝或交聯(lián)得到支鏈或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來對液相中顆粒物進行捕集，使其團聚沉降形成絮凝作用，由于該絮凝劑性能優(yōu)越，工業(yè)上常用于水處理、石油開采、造紙、醫(yī)用、紡織等領(lǐng)域。本文選用常用的陽離子、陰離子和非離子3 種類型的PAM 絮凝劑進行處理廢漿，所有絮凝劑的濃度配置為5‰，試驗方案見表6［16］，為滿足正交實驗方案完整性，增設(shè)D、E 兩列空列。試驗結(jié)果見表7。

表6 PAM 絮凝劑沉降試驗方案(L45)Table 6 PAM flocculant settlement test scheme

表7 PAM 絮凝劑沉降正交試驗結(jié)果與分析Table 7 Results and analysis of PAM flocculant settlement orthogonal test

分析正交試驗數(shù)據(jù)極差，對于泥漿清液率指標(biāo)而言，影響因素最大的是泥漿種類，樣品1 最容易沉降；再者就是絮凝劑種類，陽離子絮凝劑處理效果最好，該結(jié)論與于真真［17］、丁光亞等［18］的研究結(jié)果一致；最后是絮凝劑用量，3%為最佳用量。因此對于清液率來說，最佳參數(shù)為樣品1，5‰的陽離子絮凝劑用量為3%。對于清液濁度指標(biāo)而言，影響因素最大的是絮凝劑的濃度，3%的濃度比例下，清液的濁度最低；其次是泥漿種類，也同樣是樣品1 的清液率較低，最后是絮凝劑種類，但絮凝劑種類極差比空列極差還低，說明絮凝劑種類對濁度的影響不大。

3.2.2 陽離子絮凝劑單因素試驗及結(jié)果分析

對正交試驗進行綜合分析，對于4 種泥漿樣品，選擇5‰的陽離子絮凝劑，濃度3%的效果是最佳的。為驗證正交試驗所得最佳參數(shù)，取4 種泥漿樣品各500 mL，采用陽離子絮凝劑，在不同濃度條件下進行單因素試驗。

對于樣品1 而言，試驗顯示加入30 mL 絮凝劑時，清液率為30.8%，濁度為27.0 NTU，清液濁度較低，效果好，見圖6。

圖6 樣品1 絮凝劑濃度影響試驗Fig.6 Effect of flocculant concentration on Sample 1

對于樣品2 而言，試驗顯示加入30 mL 絮凝劑時，清液率為23.7%，濁度為429 NTU，清液濁度較大，但清液率較高，見圖7。

圖7 樣品2 絮凝劑濃度影響試驗Fig.7 Effect of flocculant concentration on Sample 2

對于樣品3 而言，試驗顯示加入15 mL 絮凝劑時，清液率為4.82%，濁度為5.44 NTU，清液濁度較低，但清液率較少，見圖8。

圖8 樣品3 絮凝劑濃度影響試驗Fig.8 Effect of flocculant concentration on Sample 3

對于樣品4 而言，試驗顯示加入15 mL 絮凝劑時，清液率為25.3%，濁度為38.1 NTU，清液濁度低，清液率尚可，見圖9。

圖9 樣品4 絮凝劑濃度影響試驗Fig.9 Effect of flocculant concentration on Sample 4

綜上所述，對于樣品1、樣品2 來說，每500 mL泥漿樣品加入5‰陽離子絮凝劑的量為30 mL 最佳，對于樣品3、樣品4 來說，每500 mL 泥漿樣品加入5‰陽離子絮凝劑的量為15 mL 最佳。

4 結(jié)語

不同的處理方式，對不同類型建筑廢棄泥漿的處理效果是不同的，工程應(yīng)用中需要采取針對性的一種或多種方法組合。

通過試驗分析，得出的主要結(jié)論有：

（1）武漢地區(qū)建筑廢棄泥漿除去15 μm 以上顆粒后，其固相主要成分為有機質(zhì)，約占80%，無機成分中Si 占比較大，約10%，各泥漿樣品的元素成分種類和含量差別不大。

（2）采用過濾方式取得的清液濁度較低，采用抽濾方式處理廢棄泥漿可以獲得較多的上清液，整體來看，過濾和抽濾方式針對粘土顆粒較少、砂顆粒較多、顆粒物粒徑較大的廢棄泥漿效果比較明顯。

（3）采用低速離心方式能夠有效進行多數(shù)廢棄泥漿的泥水分離，但顆粒物粒徑較小的、含有較多膨潤土或蒙脫石礦物的廢棄泥漿不宜采用低速離心方式進行泥水分離。

（4）通過正交試驗和單因素試驗，利用陽離子絮凝劑（PAM）處理廢棄泥漿效果較好，但對于不同類型的泥漿，其最佳配比還需要通過試驗確定。