楊圣建

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211899)

前 言

近年來(lái)，泥漿以其優(yōu)良的護(hù)壁、攜渣等作用和廉價(jià)、易獲取等優(yōu)勢(shì)，我國(guó)大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。然而，施工過(guò)程中不可避免地也產(chǎn)生了大量的廢棄泥漿，這些泥漿多是由水、膨潤(rùn)土、黏性土以及外加劑等組成的一種懸濁體系，具有含水率高、難以自然沉淀分離等問(wèn)題[1-2]，處理不當(dāng)易造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。目前，廢棄泥漿處理處置問(wèn)題已成為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題之一[3～5]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)泥漿處理的研究主要集中在石油鉆井液[6-7]、道路橋梁施工廢棄泥漿[8]、河湖淤泥[9-10]和活性污泥資源化[11-12]等領(lǐng)域。范英宏[13]等針對(duì)高速鐵路橋梁施工廢棄泥漿的處理工藝進(jìn)行了研究，并通過(guò)成本計(jì)算說(shuō)明了工藝的可行性；劉勇健[14]等采用正交試驗(yàn)的方法研究了3種絮凝劑在不同濃度和攪拌強(qiáng)度時(shí)對(duì)廢棄泥漿的泥水分離效果的影響，提出了試驗(yàn)條件下的最佳絮凝劑種類及配比；冷凡等[15]進(jìn)行了不同有機(jī)高分子絮凝劑輔助添加無(wú)機(jī)助劑對(duì)工程廢棄黏性土絮凝脫穩(wěn)效果的研究。這些領(lǐng)域中針對(duì)廢棄泥漿處理的研究，積累了很多經(jīng)驗(yàn)，表明進(jìn)行絮凝處理是目前進(jìn)行廢棄泥漿減量處理的主要方法，為城建工程中廢棄泥漿的減量處理提供了參考。但是由于各地區(qū)泥漿性質(zhì)差別較大，各地廢棄泥漿進(jìn)行絮凝處理的藥劑和最優(yōu)的添加量并不相同。所以泥漿處理工程都需通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)確定最佳絮凝劑及最優(yōu)添加量，從而提高泥漿處理效率。

本文即針對(duì)城建工程產(chǎn)生的高含水率廢棄泥漿，研究不同類型絮凝劑對(duì)泥漿絮凝沉降效果的影響，并結(jié)合絮凝沉降效果與上清液水質(zhì)，確定最優(yōu)的絮凝劑類型與最佳的投加量，并探討了不同絮凝劑的絮凝機(jī)理，為類似泥漿處理工程提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)?zāi)酀{

本試驗(yàn)?zāi)酀{為某城建工程產(chǎn)生的廢棄泥漿。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)測(cè)定泥漿的基本物理性質(zhì)(見(jiàn)表1)，含水率高達(dá)900%(干基含水率，下同)，泥漿接近中性，有機(jī)質(zhì)含量較低。圖1為廢棄泥漿的顆粒級(jí)配曲線，可以看出，泥漿中細(xì)顆粒含量較多，粘粒和粉粒占比分別為20.9%和65.1%，泥漿難以自然沉降分離。

表1 試驗(yàn)用泥漿基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of experimental slurry

圖1 試驗(yàn)用泥漿粒徑分布曲線Fig.1 Slurry particle size distribution for experiment

1.1.2 試驗(yàn)絮凝劑

試驗(yàn)采用的絮凝劑見(jiàn)表2所示。無(wú)機(jī)絮凝劑：氯化鐵(FeCl3)和聚合氯化鋁(PAC)；有機(jī)高分子絮凝劑：陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺(分子量300萬(wàn)，以下簡(jiǎn)稱CPAM3)、陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺(分子量1 200萬(wàn)，以下簡(jiǎn)稱CPAM12)和陰離子型聚丙烯酰胺(分子量1 200萬(wàn)，以下簡(jiǎn)稱APAM12)；絮凝劑的用量是按照泥漿中土的干重添加的，例如0.1%的添加量即可以是：含水率w(水的質(zhì)量mw與干物質(zhì)質(zhì)量ms的比值：w=mw/ms)為900%的1 000 g泥漿加入0.1 g PAM干粉配制的絮凝溶液。

表2 絮凝劑種類及添加量Tab.2 Types and Additions of Flocculants (%)

1.2 試驗(yàn)方法

將泥漿攪勻后取1 200 mL泥漿置于量程為2 000 mL的燒杯中，緩慢添加絮凝劑溶液(添加過(guò)程中使用引流棒攪拌)。添加完成之后，使用攪拌器以100 r/min轉(zhuǎn)速攪拌1 min，最后快速將其倒入量程為1 000 mL的量筒中至刻度線1 000 mL處，讓其自然沉降7 h，在沉降過(guò)程中記錄泥水分界面的讀數(shù)。泥水分界面讀數(shù)變化可以反映泥漿的泥水分離速率，學(xué)者們常通過(guò)其變化規(guī)律來(lái)比選絮凝劑及添加量，但由于絮凝劑以溶液的形式添加導(dǎo)致泥漿的初始含水量發(fā)生變化，泥水分界面讀數(shù)不能反映濃縮泥漿含水率變化，尤其對(duì)于PAM這類需配成低濃度的溶液才能使用的有機(jī)聚合高分子絮凝劑(含水量大)，以此來(lái)評(píng)價(jià)絮凝劑對(duì)泥漿的泥水分離效果存在不足。因此本試驗(yàn)通過(guò)泥水分界面讀數(shù)、泥漿密度、泥漿含水率、絮凝劑溶液濃度、絮凝劑添加量估算出底泥含水率，通過(guò)其變化來(lái)評(píng)價(jià)絮凝劑。

為分析添加絮凝劑前后泥漿顆粒級(jí)配變化，取少量原泥及添加絮凝劑后的泥漿，通過(guò)激光粒度儀測(cè)其粒徑分布。此外，為研究絮凝劑對(duì)上清液水質(zhì)的影響，分別在絮凝1 h、3 h和7 h時(shí)取少量絮凝后上清液，采用重量法測(cè)其固體懸浮物(SS)含量。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 絮凝沉降試驗(yàn)

圖2為添加CPAM12后，濃縮底泥含水率隨時(shí)間變化曲線。由于絮凝劑溶液中含有大量的水分，當(dāng)添加量由0.1%增加至0.7%時(shí)，泥漿初始含水率有較大幅度提升，約234%。隨著添加量的增加，濃縮底泥含水率下降速率呈增加趨勢(shì)，當(dāng)添加量由0.1%增加至0.2%時(shí)，泥漿自然沉降5 min時(shí)的沉積物含水率大幅度降低，由580%降低至230%，與添加量為0.1%時(shí)泥漿自然沉降7 h的含水率相同，絮凝效果改善較為明顯。添加量繼續(xù)增加時(shí)，底泥含水率曲線變化幅度減小，其不會(huì)進(jìn)一步顯著改善泥漿的絮凝沉降效果。

圖2 添加CPAM12后泥漿含水率隨時(shí)間變化Fig.2 Mud moisture content changed with time after CPAM12 was added

圖3為泥漿上清液SS含量隨時(shí)間與CPAM12添加量變化曲線。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，泥漿絮凝后上清液SS含量呈減小趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谥亓ψ饔孟?，上清液中殘留的泥漿顆粒還會(huì)不斷下沉。CPAM12添加量由0.1%增加至0.5%時(shí)，上清液SS含量呈減小趨勢(shì)，且幅度較大，當(dāng)添加量繼續(xù)增加時(shí)，泥漿上清液SS含量會(huì)又呈上升趨勢(shì)。分析認(rèn)為，這可能是由于隨著CPAM12添加量的增加，會(huì)出現(xiàn)CPAM12過(guò)剩的現(xiàn)象，泥漿絮凝后上清液中殘留的CPAM12會(huì)增加，不可避免地會(huì)吸附一些細(xì)小泥漿顆粒，導(dǎo)致SS含量上升。考慮到當(dāng)CPAM12添加量大于0.1%時(shí)，上清液SS含量都能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918-2002)》三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)(50 mg/L)，結(jié)合泥漿絮凝沉降規(guī)律，認(rèn)為0.2%是CPAM12的最佳添加量。相似的通過(guò)含水率變化曲線和上清液SS含量變化曲線比選出其他幾種絮凝劑的最優(yōu)添加量，結(jié)果如表3所示。

圖3 上清液SS含量隨時(shí)間與CPAM12添加量變化Fig.3 SS content in supernatant changed with time and CPAM12 dosage

表3 絮凝劑最佳添加量Tab.3 Optimum dosage of flocculant (%)

2.2 基于絮凝沉降試驗(yàn)絮凝劑比選與分析

根據(jù)以上絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)所有絮凝劑的最佳添加量的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析(見(jiàn)圖4)?？梢钥闯觯嘈跄? h后底泥含水率仍較高，約650%。添加絮凝劑并自然沉降7 h后，底泥含水率約為100%～200%，比原泥低了約450%～550%，表明所選用的5種絮凝劑均能促使泥漿顆粒絮凝沉降，提高泥水分離速率。添加有機(jī)絮凝劑和無(wú)機(jī)絮凝劑之后，泥漿含水率變化曲線(沉降曲線)都可分為快速沉降階段和緩慢沉降階段。分析認(rèn)為，泥漿初始濃度較低，泥漿顆粒絮凝而形成的團(tuán)粒間間距較大，其在溶液中處于自然沉降狀態(tài)，沉降速度較快。隨著泥漿團(tuán)粒逐漸沉降，底泥濃度逐漸增加，團(tuán)粒間間距逐漸減小，最終會(huì)彼此接觸，處于堆積狀態(tài)。此時(shí)的沉降主要是由泥漿壓縮固結(jié)產(chǎn)生的，速度較慢。但相比于無(wú)機(jī)絮凝劑FeCl3和PAC，添加PAM后，泥漿快速沉降階段持續(xù)時(shí)間較短(5 min)，含水率變化曲線斜率大，這可能與絮凝劑作用機(jī)理不同而導(dǎo)致的絮團(tuán)粒徑大小不同相關(guān)。

圖4 不同絮凝劑下濃縮底泥含水率隨時(shí)間變化Fig.4 Variation of water content of concentrated sediment with time under different flocculants

添加FeCl3和PAC之后，底泥含水率變化曲線差異不大，在60 min和7 h時(shí)，底泥含水率基本相同，對(duì)泥漿的絮凝沉降效果差異不大。添加CPAM3、CPAM12、APAM12后，在整個(gè)絮凝沉降過(guò)程中，泥漿沉積物含水率差異不大，均在5%以內(nèi)，CPAM3、CPAM12和APAM12對(duì)泥漿的絮凝沉降速率影響差異不大。相比于FeCl3和PAC，CPAM3、CPAM12和APAM12能在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)泥漿的快速泥水分離，泥漿沉降5 min后底泥含水率就降到200%左右，比無(wú)機(jī)絮凝劑低了約530%～630%。但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，底泥含水率差異越來(lái)越小。

圖5為添加不同絮凝劑后泥漿上清液濁度隨時(shí)間變化曲線?？梢钥闯觯砑覨eCl3之后，泥漿上清液濁度最高，添加PAC后，泥漿上清液濁度最低，絮凝效果較好。添加PAM之后，泥漿上清液濁度從小到大依次為CPAM12、CPAM12和APAM12。分析認(rèn)為，有機(jī)高分子絮凝劑分子量越高，其分子鏈越長(zhǎng)，附帶的帶電基團(tuán)越多，對(duì)泥漿顆粒吸附作用越強(qiáng)，上清液中殘留的泥漿顆粒越少，所以相比于CPAM3，CPAM12使泥漿絮凝后的上清液濁度較低。與APAM相比，添加CPAM后泥漿上清液SS含量較低。這是由于CPAM除了分子鏈的吸附架橋作用，其分子鏈所帶正電基團(tuán)能夠與表面帶負(fù)電的粘土顆粒發(fā)生電中和，壓縮雙電層，降低泥漿Zeta電位[16]，促進(jìn)細(xì)顆粒間彼此吸附，形成小絮團(tuán)，從而更易被高分子鏈吸附下沉。相反，APAM水解后帶負(fù)電，不利于泥漿顆粒聚集成團(tuán)，高分子鏈對(duì)其吸附力較弱，導(dǎo)致上清液中更易殘留少量粘土顆粒，導(dǎo)致SS含量增加。結(jié)合泥漿含水率變化曲線，可以認(rèn)為CPAM12與PAC對(duì)泥漿絮凝效果較好。

圖5 不同絮凝劑下上清液SS含量變化曲線Fig.5 Change curve of SS content in supernatant under different flocculants

2.3 粒徑分布變化規(guī)律

圖6為添加絮凝劑后泥漿的粒徑分布曲線，可以看出添加絮凝劑后，泥漿顆分曲線向右移動(dòng)，均在原泥顆分曲線的下方，表明絮凝劑使泥漿顆粒聚集，產(chǎn)生粒徑較大的團(tuán)粒，這是絮凝劑加快泥漿絮凝沉降速率的根本原因。

圖6 添加絮凝劑后的泥漿粒徑分布曲線Fig.6 Distribution curve of mud particle size after adding flocculant

為定量分析絮凝劑對(duì)泥漿粒徑變化的影響規(guī)律，將泥漿粒徑分為3個(gè)區(qū)間：0～5 μm、5～75 μm、>75 μm，圖7為不同顆粒區(qū)間對(duì)應(yīng)顆粒占總顆粒的質(zhì)量百分比。對(duì)于原泥，位于0～5 μm和5～75 μm間的顆粒質(zhì)量占比分別為19.5%和72.9%，均高于添加絮凝劑之后的泥漿，而原泥中大于75 μm的顆粒占比為8%，均小于添加絮凝劑之后的泥漿。由此可見(jiàn)，添加絮凝劑后，泥漿中部分小于75 μm的泥漿顆粒聚集成團(tuán)，導(dǎo)致粒徑小于75 μm的泥漿顆粒質(zhì)量占比減小，粒徑大于75 μm的顆粒質(zhì)量占比增加，這也是絮凝劑的主要作用機(jī)制。

圖7 顆粒粒徑演變規(guī)律Fig.7 Evolution of particle size

與原泥相比，添加PAC和FeCl3后的泥漿中粒徑位于0～5 μm間的顆粒占比分別降低了1%和0.6%，位于5～75 μm之間的泥漿顆粒分別降低了2.4%和5.8%，降幅均小于添加PAM后的泥漿。此外，經(jīng)無(wú)機(jī)絮凝劑處理后的泥漿中粒徑大于75 μm的顆粒占比增幅均小于添加PAM后的泥漿。這表明PAM類高分子有機(jī)絮凝劑對(duì)泥漿的聚集成團(tuán)作用要強(qiáng)于無(wú)機(jī)絮凝劑，能夠使更多細(xì)小顆粒聚集成粒徑更大的團(tuán)粒，從而絮凝沉降速率更快，這與前面泥漿含水率變化曲線規(guī)律一致。經(jīng)分析認(rèn)為，PAM分子鏈上有很多帶電活性基團(tuán)，能與泥漿顆粒表面氫鍵互相吸附。同時(shí)，PAM相對(duì)分子質(zhì)量較高，其分子鏈較長(zhǎng)，通過(guò)吸附架橋作用[17]將細(xì)顆粒聚集起來(lái)，從而形成粒徑較大絮團(tuán)，如圖8所示。此外，絮團(tuán)在沉降過(guò)程中，其還會(huì)通過(guò)網(wǎng)捕卷掃作用吸附更多懸浮細(xì)小顆粒，進(jìn)一步增加絮團(tuán)粒徑。而PAC和FeCl3則通過(guò)電位中和、壓縮雙電層、降低Zeta電位的方式促進(jìn)細(xì)小顆粒聚集成團(tuán)，如圖9所示，絮凝作用較弱。但有相關(guān)研究指出，PAC與FeCl3可以提高泥漿絮體強(qiáng)度，有利于后續(xù)機(jī)械壓濾脫水處理[18]。

圖8 有機(jī)絮凝劑絮凝機(jī)理示意圖Fig.8 Schematic diagram of flocculation mechanism of organic flocculant

圖9 無(wú)機(jī)絮凝劑絮凝機(jī)理示意圖Fig.9 Schematic diagram of flocculation mechanism of inorganic flocculant

2.4 Zeta電位變化規(guī)律

Zeta電位值是反映膠體顆粒間相互排斥或吸引的能力，是衡量膠體的穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。圖10為泥漿的Zeta電位變化曲線(1、2、3、4、5分別對(duì)應(yīng)表2中每種絮凝劑的5種添加量，0指的是未加添加絮凝劑)。

注：箭頭指向的點(diǎn)對(duì)應(yīng)相應(yīng)絮凝劑的最佳添加量圖10 泥漿Zeta電位隨絮凝劑添加量變化Fig.10 The zeta potential of slurry varies with the dosage of flocculant

可以看出，絮凝劑的添加使得泥漿Zeta電位產(chǎn)生了變化。添加APAM12(水解后帶負(fù)電)后，泥漿的ζ電位值(一般取絕對(duì)值，下同)呈上升趨勢(shì)，而添加其他4種絮凝劑(水解后都會(huì)帶正電)后的泥漿Zeta電位值都是呈下降趨勢(shì)。表明陽(yáng)離子能夠?qū)Ρ煌令w粒表面所帶負(fù)電荷所吸引的陽(yáng)離子層產(chǎn)生斥力，從而壓縮雙電層，降低Zeta電位值，導(dǎo)致顆粒間斥力減小，易聚集成團(tuán)。添加無(wú)機(jī)絮凝劑后，泥漿Zeta電位值顯著降低，這是其促進(jìn)泥漿細(xì)小顆粒聚集成團(tuán)的根本原因。

相比于無(wú)機(jī)絮凝劑，有機(jī)高分子絮凝劑對(duì)泥漿Zeta電位影響較小，甚至APAM12使泥漿Zeta電位值升高，因此，其使顆粒聚集成團(tuán)的能力應(yīng)該比較弱，但添加PAM后，泥漿產(chǎn)生的團(tuán)粒粒徑普遍大于添加無(wú)機(jī)絮凝劑之后的泥漿。這再次表明相比于雙電層壓縮、Zeta電位值降低，有機(jī)高分子絮凝劑的分子鏈的吸附架橋作用更易促進(jìn)泥漿顆粒聚集成團(tuán)，這也是有機(jī)高分子絮凝劑加快泥漿絮凝沉降的主要原因。

2.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

在實(shí)際工程應(yīng)用中，除了絮凝效果，還需考慮絮凝劑的使用成本。表4給出了不同絮凝劑處理每方泥漿成本。可以看出使用PAC處理泥漿成本最低，約每方1.318元，其次為CPAM12與APAM12。由前面絮凝試驗(yàn)得到PAC與CPAM12能較好的改善泥漿絮凝沉降性能，但采用CPAM12處理泥漿的成本高達(dá)每方4.017元，是PAC的3倍之多。因此，施工現(xiàn)場(chǎng)最終選擇PAC對(duì)城建廢棄泥漿進(jìn)行處理，雖然絮凝處理時(shí)間稍長(zhǎng)，但能大幅度降低泥漿處理成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 絮凝劑使用成本Tab.4 Cost of flocculant

3 結(jié) 論

3.1 與有機(jī)絮凝劑相比，添加無(wú)機(jī)絮凝劑后，泥漿沉降速度較慢，泥漿含水率下降速率較慢，但隨著絮凝時(shí)間的增加，經(jīng)兩類絮凝劑處理后的泥漿含水率趨于相同，在絮凝7 h時(shí)，含水率差異很小。

3.2 對(duì)于本文研究所使用的某城建工程廢棄泥漿，CPAM12與PAC有較好的絮凝效果，最優(yōu)添加量分別為0.2%和0.8%。結(jié)合成本分析，現(xiàn)場(chǎng)最終選擇PAC對(duì)泥漿進(jìn)行絮凝處理，具有良好經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 絮凝劑使泥漿細(xì)小顆粒聚集成粒徑較大團(tuán)粒是加速泥漿絮凝沉降的根本原因。相比于無(wú)機(jī)絮凝劑的電位中和、降低Zeta電位值等作用，有機(jī)高分子絮凝劑的吸附架橋與網(wǎng)捕-卷掃作用能夠生成粒徑更大的團(tuán)粒。