摘要：為明確盾構(gòu)隧道廢棄泥漿的固液分離性能，提高分離效率，試驗選取非離子型聚丙烯酰胺、陰離子型聚丙烯酰胺以及聚合氯化鋁作為研究對象，研究三者在不同分子量、濃度及添加量下的絮凝沉淀效果?；趩我恍跄齽┑脑囼灲Y(jié)果，進一步選取復(fù)合絮凝劑進行試驗研究。結(jié)果表明，絮凝效果由強到弱的排序為陰離子型聚丙烯酰胺＞非離子型聚丙烯酰胺＞聚合氯化鋁，其中陰離子型聚丙烯酰胺的絮凝沉淀效果遠遠好于非離子型聚丙烯酰胺及聚合氯化鋁，有機絮凝劑聚合氯化鋁的泥水分離速度比其他兩種絮凝劑慢，但上清液濁度遠遠低于無機高分子絮凝劑。對比分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)合絮凝劑陰離子型聚丙烯酰胺添加量為70 mL，聚合氯化鋁添加量為10 mL時，底泥體積相對較小，同時上清液濁度大大降低，達到綠色高效的處理要求。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；廢棄泥漿；絮凝劑；效果評價

中圖分類號：U455 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）10-00-05

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Flocculation and sedimentation test of abandoned slurry in shield tunnel and evaluation of treatment effect

Chen Jin1， Ming Zhu2， Li Ning2， Yang Yousen2， Bie Diankui3， Zhang Lu4

（1. Taizhou Expressway Construction Command， Taizhou 225300， China;

2. Zhonglu Jiaoke Testing Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210031， China;

3. Jiangsu Jieda Transportation Engineering Group Co.， Ltd.， Huai’an 223001， China;

4. China Railway 14th Bureau Group Co.， Ltd.， Jinan 250101， China）

Abstract： In order to clarify the solid-liquid separation performance of abandoned slurry in shield tunnels and improve separation efficiency， non-ionic polyacrylamide， anionic polyacrylamide， and polyaluminum chloride are selected to study the flocculation and precipitation effects of different molecular weights， concentrations， and addition amounts in this experiment. Based on the experimental results of a single flocculant， a composite flocculant is further selected for experimental research. The results show that the order of flocculation effect from strong to weak is anionic polyacrylamide＞nonionic polyacrylamide＞polyaluminum chloride， among them， the flocculation and precipitation effect of anionic polyacrylamide is much better than that of nonionic polyacrylamide and polyaluminum chloride， and the mud-water separation speed of organic flocculant polyaluminum chloride is slower than the other two coagulants， but the turbidity of the supernatant is much lower than that of inorganic polymer flocculants. Comparative analysis finds that when the addition of composite flocculant anionic polyacrylamide is 70 mL and the addition of polyaluminum chloride is 10 mL， the sediment volume is relatively small， and the turbidity of the supernatant is greatly reduced， meeting the requirements of green and efficient treatment.

Keywords： shield tunnel; abandoned slurry; flocculant; effect evaluation

盾構(gòu)隧道施工不可避免地會產(chǎn)生大量的渣土和泥漿，廢棄泥漿處理技術(shù)有晾曬、機械脫水（壓濾、離心）、化學(xué)絮凝脫水和抽濾脫水[1-2]。目前常采用化學(xué)絮凝與機械脫水結(jié)合的方法，通過化學(xué)絮凝作用改變黏土顆粒表面性質(zhì)，讓細顆粒間產(chǎn)生聚結(jié)，破壞泥漿的整體穩(wěn)定性，進而在機械輔助分離下實現(xiàn)泥漿的水土分離[3-5]。因此，化學(xué)絮凝是其中一環(huán)，選擇合適的絮凝劑及處理條件至關(guān)重要。

國內(nèi)外學(xué)者針對廢棄泥漿的絮凝處理進行研究。一是研究有機絮凝劑作用下漿液絮體的宏微觀變化，揭示絮凝機理[6]；二是通過試驗得出有機絮凝劑對泥漿具有較好的分離效果[7-8]；三是通過室內(nèi)試驗，研究絮凝劑種類、摻量對漿脫水效率的影響，確定絮凝劑的最佳種類和摻量[9-11]；四是研究不同電荷類型及密度的絮凝劑對泥漿脫水效率的影響[12]。然而，上述研究存在一些不足，未充分考慮絮凝劑種類、分子量和添加量對廢棄泥漿脫水效果的影響，評價指標(biāo)過于單一，未能全面綜合評價絮凝劑對廢棄泥漿的處理效果?；诖耍x取非離子型聚丙烯酰胺、陰離子型聚丙烯酰胺以及聚合氯化鋁，研究不同分子量、濃度及添加量下的絮凝沉淀效果?；趩我恍跄齽┑脑囼灲Y(jié)果，進一步選取復(fù)合絮凝劑進行試驗研究。基于室內(nèi)試驗結(jié)果，選取多個相關(guān)影響因子進行分析，權(quán)衡利弊，建立絮凝劑絮凝效果評價體系，從而供眾多工程參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料主要有鈉基膨潤土、粉土、高嶺土、非離子型聚丙烯酰胺、陰離子型聚丙烯酰胺以及聚合氯化鋁。試驗用水為去離子水。試驗儀器主要有燒杯、量筒、電子天平、藥匙和玻璃棒等。

1.2 試驗方法

為了確保室內(nèi)試驗配制的泥漿與現(xiàn)場廢棄泥漿性能相似，通過分析現(xiàn)場廢漿顆粒粒徑及成分，選取鈉基膨潤土、粉土及高嶺土作為原料。經(jīng)粒徑分析，預(yù)處理后粒徑小于75 μm的廢漿顆粒占90%以上，故在室內(nèi)按照900 g水、90 g粉土、20 g膨潤土及70 g高嶺土混合配制廢漿。參考既有研究結(jié)果，采用3種絮凝劑，包括非離子型聚丙烯酰胺、陰離子型聚丙烯酰胺以及聚合氯化鋁，配制濃度為0.1%、0.15%及0.2%的非離子型聚丙烯酰胺、陰離子型聚丙烯酰胺溶液，采用濃度為28%的聚合氯化鋁進行對比試驗。為保證絮凝劑溶液的穩(wěn)定性，絮凝劑溶液均為現(xiàn)配現(xiàn)用。從現(xiàn)有環(huán)保要求及工期角度出發(fā)，堅持高效綠色的原則，選取上清液pH值、上清液濁度、底泥體積及底泥含水率等4個指標(biāo)來評價絮凝劑絮凝沉淀試驗結(jié)果。

2 絮凝沉淀試驗結(jié)果分析

通過對比不同絮凝劑種類、分子量、添加量及濃度對絮凝結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)不同種類絮凝劑絮凝沉淀效果不一，同種絮凝劑在不同濃度及添加量下的絮凝速率差別較大。添加非離子型聚丙烯酰胺和陰離子型聚丙烯酰胺兩種無機絮凝劑后，上清液和底泥出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，形成較為清晰的界面，泥水分離效果較好。而添加聚合氯化鋁有機絮凝劑后，上清液和底泥分層現(xiàn)象不明顯，分離界面不清晰，相較而言，泥水分離效果較差。絮凝沉淀試驗現(xiàn)象如圖1所示。

2.1 聚丙烯酰胺

采用非離子型聚丙烯酰胺作為絮凝劑，調(diào)節(jié)絮凝劑添加量，不同分子量絮凝劑對底泥的最佳處理效果如表1所示。廢棄泥漿絮凝效果與絮凝劑添加量呈非線性關(guān)系，不同分子量的非離子型聚丙烯酰胺溶液均存在最佳濃度，使得絮凝效果最佳。考慮底泥體積和含水率，非離子型聚丙烯酰胺分子量為1 600萬，添加量為70 mL，濃度為0.2%時，絮凝效果最佳。添加非離子型聚丙烯酰胺后，上清液均呈堿性，考慮上清液pH值，非離子型聚丙烯酰胺分子量為1 800萬，

添加量為70 mL，濃度為0.2%時，絮凝效果最佳；考慮上清液濁度，非離子型聚丙烯酰胺分子量為

1 600萬，添加量為60 mL，濃度為0.1%時，絮凝效果最佳。綜合考慮底泥體積、含水率、上清液濁度和pH值等指標(biāo)，最終確定非離子型聚丙烯酰胺分子量為1 600萬，添加量為70 mL，濃度為0.2%時，整體絮凝效果最佳，廢棄泥漿含水率降低40%。

采用陰離子型聚丙烯酰胺作為絮凝劑，調(diào)節(jié)絮凝劑添加量，不同分子量絮凝劑對底泥的最佳處理效果如表2所示。廢棄泥漿絮凝效果與絮凝劑添加量呈非線性關(guān)系，不同分子量的陰離子型聚丙烯酰胺溶液均存在最佳濃度，使得絮凝效果最佳。考慮底泥體積和含水率，陰離子型聚丙烯酰胺分子量為1 600萬，添加量為80 mL，濃度為0.15%時，絮凝效果最佳。添加陰離子型聚丙烯酰胺后，上清液均呈堿性，考慮上清液pH值，陰離子型聚丙烯酰胺分子量為1 600萬，

添加量為40 mL，濃度為0.2%時，絮凝效果最佳。考慮上清液濁度，陰離子型聚丙烯酰胺分子量為

1 800萬，添加量為80 mL，濃度為0.1%時，絮凝效果最佳。綜合考慮底泥體積、含水率、上清液濁度和pH值等指標(biāo)，最終確定陰離子型聚丙烯酰胺分子量為1 600萬，添加量為80 mL，濃度為0.15%時，整體絮凝效果最佳，廢棄泥漿含水率降低50%。相較于非離子型聚丙烯酰胺，在相同濃度、相同添加量的陰離子型聚丙烯酰胺作用下，絮凝沉淀后的底泥體積與含水率都有不同程度的下降，說明陰離子型聚丙烯酰胺具有更好的絮凝沉淀效果。絮凝劑濃度為0.15%，添加量為80 mL時，陰離子型聚丙烯酰胺最終絮凝沉淀的底泥體積比非離子型聚丙烯酰胺小15 mL。

2.2 聚合氯化鋁

采用濃度為28%的聚合氯化鋁溶液進行對比試驗，添加量分別為80 mL、100 mL、120 mL、140 mL、

160 mL和180 mL，聚合氯化鋁絮凝沉淀試驗結(jié)果如圖2及表3所示。通過底泥體積和含水率可以看出，聚合氯化鋁對廢棄泥漿的絮凝效果一般。通過上清液pH值和濁度的變化可以看出，聚合氯化鋁的作用主要是降低廢水中的污染物。在無機高分子聚合物作用下，上清液濁度和上清液pH值遠遠低于有機高分子絮凝劑。綜合考慮底泥體積、含水率、上清液濁度及pH值等指標(biāo)，最終確定聚合氯化鋁濃度為28%時，最佳添加量為120 mL。在此狀態(tài)下，上清液pH值及濁度大大降低，達到最佳絮凝效果。

3 復(fù)合絮凝劑絮凝沉淀試驗

單一絮凝劑絮凝沉淀試驗研究可得到各自最優(yōu)投放量。但是，實際處理工程廢漿時，僅僅使用單一絮凝劑不能達到環(huán)保要求，合理的絮凝劑組合能使處理后的廢漿綜合性能達到最佳，有利于排放和二次利用，故研究復(fù)合絮凝劑對廢漿的處理十分必要。復(fù)合絮凝劑通常選取無機高分子絮凝劑+有機高分子絮凝劑組合，二者作用機理不同且存在互補，能達到較好的效果。參考既有研究，采用陰離子型聚丙烯酰胺+聚合氯化鋁來處理，因為陰離子型聚丙烯酰胺可以顯著加快固液分離，而聚合氯化鋁對上清液pH值及濁度的調(diào)節(jié)效果明顯，兩者綜合運用能夠達到高效綠色處理的目的。

選取分子量為1 600萬、濃度為0.15%的陰離子型聚丙烯酰胺和濃度為28%的聚合氯化鋁進行復(fù)配，在復(fù)配試驗中，將陰離子型聚丙烯酰胺和聚合氯化鋁按照不同的比例投加到廢棄泥漿中，復(fù)合絮凝劑絮凝沉淀試驗結(jié)果如圖3及表4所示。復(fù)合絮凝劑對細小土顆粒及上清液中污染物顆粒的絮凝效果介于陰離子型聚丙烯酰胺和聚合氯化鋁之間，復(fù)合絮凝劑的陰離子型聚丙烯酰胺添加量為70 mL，聚合氯化鋁添加量為10 mL時，底泥含水率降低45%，相比陰離子型聚丙烯酰胺添加量80 mL的絮凝效果（底泥含水率降低50%）而言，二者絮凝效果比較接近。此時，上清液pH值和濁度顯著減小，與聚合氯化鋁添加量80 mL的絮凝效果比較接近。綜上，復(fù)合絮凝劑的陰離子型聚丙烯酰胺添加量為70 mL，聚合氯化鋁添加量為10 mL時，絮凝效果最佳。

4 絮凝劑處理效果評價

不同分子量下，各類絮凝劑對底泥體積的影響如圖4所示。通過對比分析不同種類絮凝劑最佳效果下的底泥體積，可以得出陰離子型聚丙烯酰胺與非離子型聚丙烯酰胺的處理效果相差不大，整體而言，其效果優(yōu)于聚合氯化鋁，其中聚合氯化鋁作用下的底泥體積明顯高于前兩者。對于陰離子型聚丙烯酰胺而言，當(dāng)分子量為1 600萬時，最低底泥體積為178 mL；對于非離子型聚丙烯酰胺而言，當(dāng)分子量為1 600萬時，最低底泥體積為186 mL；對于聚合氯化鋁（濃度28%）而言，當(dāng)分子量為1 800萬時，底泥體積為376 mL，為前兩者的兩倍。因此，適宜處理廢棄泥漿的絮凝劑為分子量1 600萬的陰離子型聚丙烯酰胺。

不同分子量下，各類絮凝劑對上清液濁度的影響如圖5所示。對比分析不同種類絮凝劑作用下上清液濁度變化，當(dāng)聚合氯化鋁作用時，其上清液濁度遠遠低于其他絮凝劑，其中非離子型聚丙烯酰胺作用下的上清液濁度略低于陰離子型聚丙烯酰胺，而復(fù)合絮凝劑作用的上清液濁度低于非離子型聚丙烯酰胺和陰離子型聚丙烯酰胺，僅高于聚合氯化鋁。以上清液濁度為參考指標(biāo)，復(fù)合絮凝劑在廢棄泥漿處理方面具有較大的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

對于不同種類絮凝劑，絮凝效果由強到弱的排序為陰離子型聚丙烯酰胺＞非離子型聚丙烯酰胺＞聚合氯化鋁，其中陰離子型聚丙烯酰胺的絮凝沉淀效果明顯優(yōu)于非離子型聚丙烯酰胺及聚合氯化鋁。對于非離子型聚丙烯酰胺，試驗得出無論是底泥體積還是上清液性質(zhì)，其均介于陰離子型聚丙烯酰胺與聚合氯化鋁之間，處理效果及速率不及陰離子型聚丙烯酰胺，排放的上清液濁度等遠遠高于聚合氯化鋁。對于陰離子型聚丙烯酰胺，對比底泥體積、含水率、上清液pH值

及濁度等指標(biāo)，當(dāng)分子量為1 600萬，濃度為0.15%，添加量為80 mL時，各項指標(biāo)均處于最佳狀態(tài)，此添加量為陰離子型聚丙烯酰胺最佳添加量。聚合氯化鋁的泥水分離速度比其他兩種絮凝劑慢，但有機絮凝劑聚合氯化鋁絮凝沉淀后的上清液濁度明顯低于無機高分子絮凝劑，該結(jié)果對復(fù)合絮凝劑的應(yīng)用具有較大參考價值。選取陰離子型聚丙烯酰胺+聚合氯化鋁作為復(fù)合絮凝劑組合，按照不同配比進行復(fù)配試驗，對比底泥及上清液相關(guān)指標(biāo)結(jié)果表明，當(dāng)陰離子型聚丙烯酰胺添加量為70 mL，聚合氯化鋁為10 mL時，底泥體積相對較小，上清液濁度大大降低，達到綠色高效的處理要求。

參考文獻

1 謝亦朋，張 聰，陽軍生，等.盾構(gòu)隧道渣土資源化再利用技術(shù)研究及展望[J].隧道建設(shè)，2022（2）：188-207.

2 朱 偉，錢勇進，王 璐，等.盾構(gòu)隧道渣土與泥漿的分類與處理利用技術(shù)及主要問題[J].隧道建設(shè)，2021（2）：1-13.

3 杜貴新.復(fù)雜城市環(huán)境泥水盾構(gòu)泥漿綠色處理技術(shù)分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2020（1）：121-124.

4 烏效鳴，徐 晗，魏林春，等.泥水盾構(gòu)泥漿除砂的選擇性絮凝劑應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020（3）：189-192.

5 劉 娟，武耀鋒，張曉慷.水分散型陽離子聚丙烯酰胺絮凝劑的絮凝性能及其機理[J].環(huán)境工程學(xué)報，2015（1）：119-124.

6 王東星，伍林峰，唐弈鍇，等.建筑廢棄泥漿泥水分離過程與效果評價[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2020（6）：1049-1057.

7 梁止水，楊才千，高海鷹，等.建筑工程廢棄泥漿快速泥水分離試驗研究[J].東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016（2）：427-433.

8 張欽喜，陶 韜，王曉杰，等.鉆孔灌注樁廢棄泥漿處理的試驗研究[J].水利學(xué)報，2015（1）：40-45.

9 冷 凡，莊迎春，劉世明，等.泥漿快速化學(xué)脫穩(wěn)與固液分離試驗研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2014（3）：280-284.

10 武亞軍，陸逸天，牛 坤，等.藥劑真空預(yù)壓法處理工程廢漿試驗[J].巖土工程學(xué)報，2016（8）：1365-1373.

11 劉勇健，沈 軍，張建龍.廢泥漿固液分離的試驗研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000（2）：53-56.

12 HE J，CHU J.Sedimentation behavior of flocculant-treated soilslurry [J].Marine Georesources and Geotechnology，2017（5）：593-602.