粘粉土地層工程廢棄泥漿絮凝脫水試驗研究

張呂林，龔習煒，張蘇皖，王登峰

(1. 南京環境集團有限公司，江蘇 南京 210026；2. 河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

近年來，泥漿以其優良的護壁[1]、攜渣[2]等作用，和廉價、易獲取等優勢，在我國大型基礎設施建設中應用越來越廣泛。然而，開挖土料與泥水混合形成高密度泥漿，伴隨著施工會產生大量的廢棄泥漿[3-5]，隨意排放會造成嚴重的環境污染，集中外運則會占據極大的消納場地[6-8]。尤其是在粘粉土等地層施工時，廢棄泥漿的處理問題成為制約工程施工高效化、綠色化的瓶頸。為解決泥漿快速脫水減量的問題，國內有學者已經進行了一些研究。梁止水等[9]采用絮凝沉淀法對建筑工程廢棄泥漿的絮凝性能進行了試驗研究，得到有機絮凝劑對于建筑工程廢棄泥漿的絮凝效果最佳、無機絮凝劑與復合絮凝劑對于建筑工程廢棄泥漿的絮凝效果較差的結論。楊春英[10-11]等研究結果表明：PAM的最佳添加量為300 mg/L；在絮凝劑消耗量相同的情況下，絮凝效果與含水量成正比；泥漿絮凝脫水的主要作用方式是吸附架橋；PAM在絮凝發育過程中需要克服土結構基本單元體之間的聯結力。李旭等[12]對廣州地鐵泥水盾構廢棄泥漿的絮凝性能進行了試驗研究，認為：復合型絮凝劑的絮凝效果優于單一型絮凝劑；高分子量聚丙烯酰胺的絮凝效果優于低分子量聚丙烯酰胺的絮凝效果。這些針對廢棄泥漿處理的研究表明進行絮凝處理是目前進行廢棄泥漿減量處理的主要方法。但是由于各地區泥漿性質差別較大，各地廢棄泥漿進行絮凝處理的藥劑和最優的添加量并不相同。所以泥漿處理工程都需通過室內試驗來確定最佳絮凝劑及最優添加，以提高泥水處理效率。

本文通過添加聚丙稀酰胺、聚合氯化鋁等絮凝劑對泥漿進行絮凝沉降試驗，考察不同種類絮凝劑對泥漿沉降的影響，根據泥漿絮凝沉降后上清液的濁度、底泥密度和含水率以及絮體的粒徑分布，明確了泥漿的絮凝沉降規律，優選出適用于泥漿絮凝沉降的絮凝劑種類及添加量，同時根據室內試驗結果提出了在粘粉土地層施工時廢棄泥漿脫水的具體方法，以期為類似泥漿處理工程提供技術參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗泥漿采用在粘粉土地層施工時所產生的廢棄泥漿，根據國家標準《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)測定試驗用泥漿的土工含水率約為500%，密度為1.118 g/cm3。采用MS2000型激光粒度儀測試泥漿的顆粒粒徑。根據激光粒度儀測得的泥漿顆粒粒徑數據，繪制出泥漿的顆粒粒組頻率曲線圖1，并將泥漿顆粒的特征粒徑計入表1。

表1 泥漿顆粒粒徑分布表 (單位：μm)

圖1 泥漿粒徑分布曲線Fig.1 Mud particle size distribution curve

從圖1可以看出，泥漿的顆粒粒徑范圍約為0.4～1 000 μm， 其中 90% 的顆粒粒徑小于 56 μm， 泥漿細顆粒含量高。因此， 該廢棄泥漿是由大量細顆粒形成的高度分散的懸浮體系。

1.2 試驗方法

取一定量的泥漿置于1 000 mL燒杯中，按試驗設計加入一定量的絮凝劑陰離子聚丙烯酰胺(APAM)、非離子型聚丙烯酰胺(NPAM)、聚合氯化鋁(PAC)，三種絮凝劑的質量濃度分別為0.3%、0.3%、10%，快速(120 r/min)攪拌1 min，靜置，使其自然沉降，觀察絮凝后絮體及上清液狀態。

為了得到泥漿摻入三種絮凝劑后的最佳絮凝脫水效果下的絮凝劑添加量，將三種絮凝劑各分5種添加量添加，具體添加量見表2。其中絮凝劑的添加量是按照泥漿中土的干重添加的，例如0.1%的添加量是：含水率w(水的質量mw與干物質質量ms的比值：w=mw/ms)為500%的100 g泥漿加入0.1 g PAM干粉配制的絮凝劑溶液。

表2 各絮凝劑添加量

2 試驗結果與分析

2.1 絮凝劑對泥漿沉降的影響

廢棄泥漿添加三種絮凝劑后沉降曲線如圖2所示。

圖2 泥漿沉降曲線Fig.2 Mud flocculation settlement curve

添加有機絮凝劑陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)、非離子型聚丙烯酰胺(NPAM)后，上清液和絮體出現明顯的分層現象，泥水分離效果較好，泥漿上清液與泥漿顆粒之間形成了較為清晰的界面。陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)添加量小于0.3%時絮凝沉降緩慢，形成的上清液體積較小。添加量為大于0.3%時，前1 h內絮凝沉降較快，最終形成的上清液達到300 mL。而非離子型聚丙烯酰胺(NPAM)添加量小于0.3%時絮凝沉降緩慢，形成的上清液體積較小。添加量為大于0.3%時，能夠快速絮凝沉降，最終形成的上清液多達380 mL。由此可以看出，APAM和NPAM添加量超過0.3%時上清液體積顯著變多，且絮凝沉降速率加快，形成的濃泥絮體粗大。聚丙烯酰胺黏性較強，絮體顆粒較大，不易破碎，更容易實現固液分離，泥水分離效果較為顯著。

添加無機絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)后，泥漿絮凝沉降較緩慢，上清液體積緩慢增加，上清液和絮體能夠出現分層現象，形成較為清晰的界面，但最終形成的上清液遠少于有機絮凝劑添加后形成的上清液，泥水分離效果不好。

2.2 絮凝劑對上清液濁度的影響

取25 mL左右不同時間段的上清液，測試濁度。

由圖3可知，隨著絮凝劑時間的增加，上層液體的濁度值不斷降低。但隨著各絮凝劑添加量的增加，上清液濁度變化趨勢各不相同，APAM、NPAM添加量為0.4%時濁度值最高，其他4種APAM添加量上清液濁度值都很低；當PAC添加量為20%時，濁度值最低，絮凝5 h后，5種添加量的濁度值趨于同一值。

圖3 上清液濁度曲線Fig.3 Turbidity curve of supernatant

2.3 絮凝劑對底泥密度及含水率的影響

絮凝結束后，抽出上清液，取底部濃縮后泥漿，測試其絮凝沉降后的泥漿含水率及密度。

由圖4可知，隨著APAM、NPAM添加量的增加，底泥的密度逐漸增大，含水率逐漸減小，大致與絮凝沉降曲線相對應，即沉降速度越快，沉降量越大，則底泥密度越大，含水率越小。但當泥漿含水率下降并且密度增加到幾乎同一數值時所需APAM添加量比NPAM更少。

圖4 底泥含水率及密度變化曲線Fig.4 Sediment moisture content and density change curve

由表3可知，當PAC添加量為14%時，底泥的密度最大，含水率最低，表明此時泥漿的脫水效果最好；但各PAC添加量下底泥含水率與初始含水率相差不大，表明PAC添加量的增加對廢棄泥漿的絮凝效果影響不大，脫水效果不好。

表3 PAC五組不同添加量對應的底泥密度及含水率

2.4 基于絮凝沉降試驗的絮凝劑比選

根據對沉降曲線、上清液濁度、底泥密度及含水率等指標的分析，可以得出對于廢棄泥漿絮凝效果最佳的APAM添加量為0.5%、PAC添加量為14%、NPAM添加量區間為0.5%～0.6%。但是每種絮凝劑的絮凝效果大不相同，需對不同絮凝劑最優添加量下的絮凝效果進行比較，從中選出最優絮凝劑，比較結果如圖5、圖6所示，絮凝效果如圖7所示。

圖5 三種絮凝劑最優添加量沉降曲線比較Fig.5 Comparison of sedimentation curves of the optimal addition amount of three flocculants

圖6 三種絮凝劑最優添加量濁度比較Fig.6 Comparison of turbidity of the optimal addition amount of three flocculants

圖7 泥漿絮凝沉降試驗圖Fig.7 Test diagram of mud flocculation and sedimentation

由圖5可以看出，在三種絮凝劑的最優添加量下，添加絮凝劑陰離子型聚丙烯酰胺 APAM和非離子型聚丙烯酰胺NPAM后，泥漿在前1 h的沉降速度非?？?，在1 h后，沉降基本全部完成；然而添加聚合氯化鋁PAC后，泥漿絮凝沉降緩慢。由圖6可以看出，添加NPAM后，試樣上清液濁度很大，而添加PAC和APAM之后，試樣上清液的濁度很低。因此，通過對沉降速度、濁度等指標的比選，選擇添加量為0.5%的陰離子聚丙烯酰胺有機絮凝劑對泥漿進行絮凝脫水處理。

不同絮凝劑在各自最適添加量下的粒徑分布曲線如圖8 所示。

圖8 不同絮凝劑最適添加量下的粒徑分布曲線Fig.8 The particle size distribution curve under the optimum dosage of different flocculants

由圖8可以看出，不同絮凝劑添加后，泥漿顆粒粒徑分布曲線明顯向左側移動，顆粒粒徑均有所增大，表明三種絮凝劑的添加均可實現泥漿的絮凝沉降，但添加APAM后形成的絮團顆粒粒徑顯著大于添加 NPAM 和PAC 后的，進一步加快了泥漿的沉降速率，使泥漿脫水性能得到提高。

這是由于有機絮凝劑對泥漿顆粒的吸附架橋和卷掃網捕[13]作用導致。陰離子聚丙烯酰胺APAM添加到泥漿中后，其高分子鏈條遇水舒展[11]，分子鏈上的酰胺基(-CONH2)與粘土顆粒表面親和、吸附形成氫鍵；并且高分子量的陰離子聚丙烯酰胺有很長的分子鏈，分子長鏈在泥漿中將大量的微小顆粒聚集成大顆粒[14]，加速泥漿顆粒的沉降(圖9)。因此，對于泥漿顆粒，有機絮凝劑分子鏈段上的酰胺基與粘土顆粒表面的氫鍵作用對吸附架橋起重要作用，有機絮凝劑分子長鏈對卷掃網捕起重要作用。

圖9 絮凝機理示意圖Fig.9 Schematic diagram of flocculation mechanism

3 工程應用情況

根據室內廢棄泥漿的絮凝沉降試驗以及絮凝劑比選的結果，現場采用陰離子型聚丙烯酰胺進行絮凝沉淀。絮凝劑顆粒有效成分為聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺為水溶性高分子聚合物，不溶于大多數有機溶劑，具有良好的絮凝性，可以降低液體之間的磨擦阻力。

3.1 工藝流程

現場根據實際情況按照以下流程進行廢棄泥漿的絮凝脫水處理。

3.1.1 藥劑配備

為了更好地使絮凝劑與泥漿充分高效反應，現場使用3個藥劑罐存放配制好的溶液，以便在處理時匹配實際泥漿流量?？紤]到泥漿密度數據的實時變化，實際應用時首先將干粉絮凝劑配制成質量濃度為0.3%的溶液，再按泥漿密度為1.12 g/cm3配制絮凝劑溶液的用量，藥劑配備見圖10。

圖10 藥劑配備圖Fig.10 Medicament preparation

3.1.2 漿藥混合

利用一種簡易的藥劑混合設備，設備由十噸罐子，一個減速機，一個攪拌軸，兩個攪拌葉，一個螺旋泵等組成，將清水通過上水口打到藥劑罐，通過螺旋泵加藥，將顆粒分子完全打開，然后充分攪拌40 min，至藥劑完全溶開，形成清液。經過約40 min攪拌，將顆粒干粉的分子鏈完全打開，后通過剪切泵制漿平臺加入，藥劑混合圖見圖11。

圖11 藥劑混合圖Fig.11 Medicament mixture

3.1.3 固液分離

絮凝反應后的泥漿在沉淀池靜置，沉淀池中上層為不含固體清液，下層為固態絮凝團。經測試，進行絮凝處理后的泥漿上清液pH值為7，粘度較低，符合施工用水要求。因此使用浮漂泵將沉淀池中的上層清液抽排備用，待沉淀池中上層清液抽排完成后，用挖機將下層絮凝團撈至渣場進行晾曬風干，固液分離情況見圖12。

圖12 固液分離圖Fig.12 Medicament mixture

3.1.4 晾曬出渣

渣土經過充分晾曬風干，待渣土含水率低于40%時外運。

3.2 處理效果

泥漿絮凝處理后，沉淀池中上層為不含固體清液，下層固態絮凝團在渣場晾曬后滿足外運條件，效果如表4所示。

表4 絮凝處理效果對比

現場采用陰離子型聚丙烯酰胺進行泥漿絮凝處理效果良好，與室內試驗結果基本吻合，可快速達到理想的絮凝、沉降、上浮、污泥脫水處理效果。既降低了施工生產成本，又可大幅提高泥漿處理效率。

4 結論

1)對于在粘粉土地層施工時所產生的廢棄泥漿，有機絮凝劑聚丙烯酰胺 PAM 的絮凝處理效果優于無機絮凝劑聚合氯化鋁PAC，摻加單一絮凝劑時陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)泥漿的絮凝效果優于非離子型聚丙烯酰胺(NPAM)泥漿。

2)有機絮凝劑陰離子聚丙烯酰胺(APAM)添加到泥漿中后，通過其吸附架橋和卷掃網捕作用將大量的微小顆粒聚集成大顆粒，加速了泥漿顆粒的沉降。

3)現場采用陰離子型聚丙烯酰胺進行泥漿絮凝處理效果良好，與室內試驗結果基本吻合，可快速達到理想的絮凝、沉降、上浮、泥漿脫水處理效果。既降低了施工生產成本，又可大幅提高泥漿處理效率。

4)絮凝劑的最佳添加量并非一成不變，對于不同密度、粘度的泥漿則需根據實際情況不斷調整以達到最佳效果。