不同絮凝剂对工程废弃泥浆絮凝脱水性能影响试验研究

杨圣建

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司，南京 211899)

前 言

近年来，泥浆以其优良的护壁、携渣等作用和廉价、易获取等优势，我国大型基础设施建设中应用越来越广泛。然而，施工过程中不可避免地也产生了大量的废弃泥浆，这些泥浆多是由水、膨润土、黏性土以及外加剂等组成的一种悬浊体系，具有含水率高、难以自然沉淀分离等问题[1-2]，处理不当易造成环境污染和资源浪费。目前，废弃泥浆处理处置问题已成为基础设施建设中亟待解决的问题之一[3～5]。

目前，国内外对泥浆处理的研究主要集中在石油钻井液[6-7]、道路桥梁施工废弃泥浆[8]、河湖淤泥[9-10]和活性污泥资源化[11-12]等领域。范英宏[13]等针对高速铁路桥梁施工废弃泥浆的处理工艺进行了研究，并通过成本计算说明了工艺的可行性；刘勇健[14]等采用正交试验的方法研究了3种絮凝剂在不同浓度和搅拌强度时对废弃泥浆的泥水分离效果的影响，提出了试验条件下的最佳絮凝剂种类及配比；冷凡等[15]进行了不同有机高分子絮凝剂辅助添加无机助剂对工程废弃黏性土絮凝脱稳效果的研究。这些领域中针对废弃泥浆处理的研究，积累了很多经验，表明进行絮凝处理是目前进行废弃泥浆减量处理的主要方法，为城建工程中废弃泥浆的减量处理提供了参考。但是由于各地区泥浆性质差别较大，各地废弃泥浆进行絮凝处理的药剂和最优的添加量并不相同。所以泥浆处理工程都需通过室内试验来确定最佳絮凝剂及最优添加量，从而提高泥浆处理效率。

本文即针对城建工程产生的高含水率废弃泥浆，研究不同类型絮凝剂对泥浆絮凝沉降效果的影响，并结合絮凝沉降效果与上清液水质，确定最优的絮凝剂类型与最佳的投加量，并探讨了不同絮凝剂的絮凝机理，为类似泥浆处理工程提供指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验泥浆

本试验泥浆为某城建工程产生的废弃泥浆。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)测定泥浆的基本物理性质(见表1)，含水率高达900%(干基含水率，下同)，泥浆接近中性，有机质含量较低。图1为废弃泥浆的颗粒级配曲线，可以看出，泥浆中细颗粒含量较多，粘粒和粉粒占比分别为20.9%和65.1%，泥浆难以自然沉降分离。

表1 试验用泥浆基本性质Tab.1 Basic properties of experimental slurry

图1 试验用泥浆粒径分布曲线Fig.1 Slurry particle size distribution for experiment

1.1.2 试验絮凝剂

试验采用的絮凝剂见表2所示。无机絮凝剂：氯化铁(FeCl3)和聚合氯化铝(PAC)；有机高分子絮凝剂：阳离子型聚丙烯酰胺(分子量300万，以下简称CPAM3)、阳离子型聚丙烯酰胺(分子量1 200万，以下简称CPAM12)和阴离子型聚丙烯酰胺(分子量1 200万，以下简称APAM12)；絮凝剂的用量是按照泥浆中土的干重添加的，例如0.1%的添加量即可以是：含水率w(水的质量mw与干物质质量ms的比值：w=mw/ms)为900%的1 000 g泥浆加入0.1 g PAM干粉配制的絮凝溶液。

表2 絮凝剂种类及添加量Tab.2 Types and Additions of Flocculants (%)

1.2 试验方法

将泥浆搅匀后取1 200 mL泥浆置于量程为2 000 mL的烧杯中，缓慢添加絮凝剂溶液(添加过程中使用引流棒搅拌)。添加完成之后，使用搅拌器以100 r/min转速搅拌1 min，最后快速将其倒入量程为1 000 mL的量筒中至刻度线1 000 mL处，让其自然沉降7 h，在沉降过程中记录泥水分界面的读数。泥水分界面读数变化可以反映泥浆的泥水分离速率，学者们常通过其变化规律来比选絮凝剂及添加量，但由于絮凝剂以溶液的形式添加导致泥浆的初始含水量发生变化，泥水分界面读数不能反映浓缩泥浆含水率变化，尤其对于PAM这类需配成低浓度的溶液才能使用的有机聚合高分子絮凝剂(含水量大)，以此来评价絮凝剂对泥浆的泥水分离效果存在不足。因此本试验通过泥水分界面读数、泥浆密度、泥浆含水率、絮凝剂溶液浓度、絮凝剂添加量估算出底泥含水率，通过其变化来评价絮凝剂。

为分析添加絮凝剂前后泥浆颗粒级配变化，取少量原泥及添加絮凝剂后的泥浆，通过激光粒度仪测其粒径分布。此外，为研究絮凝剂对上清液水质的影响，分别在絮凝1 h、3 h和7 h时取少量絮凝后上清液，采用重量法测其固体悬浮物(SS)含量。

2 结果分析与讨论

2.1 絮凝沉降试验

图2为添加CPAM12后，浓缩底泥含水率随时间变化曲线。由于絮凝剂溶液中含有大量的水分，当添加量由0.1%增加至0.7%时，泥浆初始含水率有较大幅度提升，约234%。随着添加量的增加，浓缩底泥含水率下降速率呈增加趋势，当添加量由0.1%增加至0.2%时，泥浆自然沉降5 min时的沉积物含水率大幅度降低，由580%降低至230%，与添加量为0.1%时泥浆自然沉降7 h的含水率相同，絮凝效果改善较为明显。添加量继续增加时，底泥含水率曲线变化幅度减小，其不会进一步显著改善泥浆的絮凝沉降效果。

图2 添加CPAM12后泥浆含水率随时间变化Fig.2 Mud moisture content changed with time after CPAM12 was added

图3为泥浆上清液SS含量随时间与CPAM12添加量变化曲线。随着时间的增长，泥浆絮凝后上清液SS含量呈减小趋势，这是因为在重力作用下，上清液中残留的泥浆颗粒还会不断下沉。CPAM12添加量由0.1%增加至0.5%时，上清液SS含量呈减小趋势，且幅度较大，当添加量继续增加时，泥浆上清液SS含量会又呈上升趋势。分析认为，这可能是由于随着CPAM12添加量的增加，会出现CPAM12过剩的现象，泥浆絮凝后上清液中残留的CPAM12会增加，不可避免地会吸附一些细小泥浆颗粒，导致SS含量上升。考虑到当CPAM12添加量大于0.1%时，上清液SS含量都能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》三级排放标准(50 mg/L)，结合泥浆絮凝沉降规律，认为0.2%是CPAM12的最佳添加量。相似的通过含水率变化曲线和上清液SS含量变化曲线比选出其他几种絮凝剂的最优添加量，结果如表3所示。

图3 上清液SS含量随时间与CPAM12添加量变化Fig.3 SS content in supernatant changed with time and CPAM12 dosage

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

2.2 基于絮凝沉降试验絮凝剂比选与分析

根据以上絮凝沉降试验结果，对所有絮凝剂的最佳添加量的试验结果进行比较分析(见图4)。可以看出，原泥絮凝7 h后底泥含水率仍较高，约650%。添加絮凝剂并自然沉降7 h后，底泥含水率约为100%～200%，比原泥低了约450%～550%，表明所选用的5种絮凝剂均能促使泥浆颗粒絮凝沉降，提高泥水分离速率。添加有机絮凝剂和无机絮凝剂之后，泥浆含水率变化曲线(沉降曲线)都可分为快速沉降阶段和缓慢沉降阶段。分析认为，泥浆初始浓度较低，泥浆颗粒絮凝而形成的团粒间间距较大，其在溶液中处于自然沉降状态，沉降速度较快。随着泥浆团粒逐渐沉降，底泥浓度逐渐增加，团粒间间距逐渐减小，最终会彼此接触，处于堆积状态。此时的沉降主要是由泥浆压缩固结产生的，速度较慢。但相比于无机絮凝剂FeCl3和PAC，添加PAM后，泥浆快速沉降阶段持续时间较短(5 min)，含水率变化曲线斜率大，这可能与絮凝剂作用机理不同而导致的絮团粒径大小不同相关。

图4 不同絮凝剂下浓缩底泥含水率随时间变化Fig.4 Variation of water content of concentrated sediment with time under different flocculants

添加FeCl3和PAC之后，底泥含水率变化曲线差异不大，在60 min和7 h时，底泥含水率基本相同，对泥浆的絮凝沉降效果差异不大。添加CPAM3、CPAM12、APAM12后，在整个絮凝沉降过程中，泥浆沉积物含水率差异不大，均在5%以内，CPAM3、CPAM12和APAM12对泥浆的絮凝沉降速率影响差异不大。相比于FeCl3和PAC，CPAM3、CPAM12和APAM12能在较短时间内实现泥浆的快速泥水分离，泥浆沉降5 min后底泥含水率就降到200%左右，比无机絮凝剂低了约530%～630%。但随着时间的增长，底泥含水率差异越来越小。

图5为添加不同絮凝剂后泥浆上清液浊度随时间变化曲线。可以看出，添加FeCl3之后，泥浆上清液浊度最高，添加PAC后，泥浆上清液浊度最低，絮凝效果较好。添加PAM之后，泥浆上清液浊度从小到大依次为CPAM12、CPAM12和APAM12。分析认为，有机高分子絮凝剂分子量越高，其分子链越长，附带的带电基团越多，对泥浆颗粒吸附作用越强，上清液中残留的泥浆颗粒越少，所以相比于CPAM3，CPAM12使泥浆絮凝后的上清液浊度较低。与APAM相比，添加CPAM后泥浆上清液SS含量较低。这是由于CPAM除了分子链的吸附架桥作用，其分子链所带正电基团能够与表面带负电的粘土颗粒发生电中和，压缩双电层，降低泥浆Zeta电位[16]，促进细颗粒间彼此吸附，形成小絮团，从而更易被高分子链吸附下沉。相反，APAM水解后带负电，不利于泥浆颗粒聚集成团，高分子链对其吸附力较弱，导致上清液中更易残留少量粘土颗粒，导致SS含量增加。结合泥浆含水率变化曲线，可以认为CPAM12与PAC对泥浆絮凝效果较好。

图5 不同絮凝剂下上清液SS含量变化曲线Fig.5 Change curve of SS content in supernatant under different flocculants

2.3 粒径分布变化规律

图6为添加絮凝剂后泥浆的粒径分布曲线，可以看出添加絮凝剂后，泥浆颗分曲线向右移动，均在原泥颗分曲线的下方，表明絮凝剂使泥浆颗粒聚集，产生粒径较大的团粒，这是絮凝剂加快泥浆絮凝沉降速率的根本原因。

图6 添加絮凝剂后的泥浆粒径分布曲线Fig.6 Distribution curve of mud particle size after adding flocculant

为定量分析絮凝剂对泥浆粒径变化的影响规律，将泥浆粒径分为3个区间：0～5 μm、5～75 μm、>75 μm，图7为不同颗粒区间对应颗粒占总颗粒的质量百分比。对于原泥，位于0～5 μm和5～75 μm间的颗粒质量占比分别为19.5%和72.9%，均高于添加絮凝剂之后的泥浆，而原泥中大于75 μm的颗粒占比为8%，均小于添加絮凝剂之后的泥浆。由此可见，添加絮凝剂后，泥浆中部分小于75 μm的泥浆颗粒聚集成团，导致粒径小于75 μm的泥浆颗粒质量占比减小，粒径大于75 μm的颗粒质量占比增加，这也是絮凝剂的主要作用机制。

图7 颗粒粒径演变规律Fig.7 Evolution of particle size

与原泥相比，添加PAC和FeCl3后的泥浆中粒径位于0～5 μm间的颗粒占比分别降低了1%和0.6%，位于5～75 μm之间的泥浆颗粒分别降低了2.4%和5.8%，降幅均小于添加PAM后的泥浆。此外，经无机絮凝剂处理后的泥浆中粒径大于75 μm的颗粒占比增幅均小于添加PAM后的泥浆。这表明PAM类高分子有机絮凝剂对泥浆的聚集成团作用要强于无机絮凝剂，能够使更多细小颗粒聚集成粒径更大的团粒，从而絮凝沉降速率更快，这与前面泥浆含水率变化曲线规律一致。经分析认为，PAM分子链上有很多带电活性基团，能与泥浆颗粒表面氢键互相吸附。同时，PAM相对分子质量较高，其分子链较长，通过吸附架桥作用[17]将细颗粒聚集起来，从而形成粒径较大絮团，如图8所示。此外，絮团在沉降过程中，其还会通过网捕卷扫作用吸附更多悬浮细小颗粒，进一步增加絮团粒径。而PAC和FeCl3则通过电位中和、压缩双电层、降低Zeta电位的方式促进细小颗粒聚集成团，如图9所示，絮凝作用较弱。但有相关研究指出，PAC与FeCl3可以提高泥浆絮体强度，有利于后续机械压滤脱水处理[18]。

图8 有机絮凝剂絮凝机理示意图Fig.8 Schematic diagram of flocculation mechanism of organic flocculant

图9 无机絮凝剂絮凝机理示意图Fig.9 Schematic diagram of flocculation mechanism of inorganic flocculant

2.4 Zeta电位变化规律

Zeta电位值是反映胶体颗粒间相互排斥或吸引的能力，是衡量胶体的稳定性的重要指标。图10为泥浆的Zeta电位变化曲线(1、2、3、4、5分别对应表2中每种絮凝剂的5种添加量，0指的是未加添加絮凝剂)。

注：箭头指向的点对应相应絮凝剂的最佳添加量图10 泥浆Zeta电位随絮凝剂添加量变化Fig.10 The zeta potential of slurry varies with the dosage of flocculant

可以看出，絮凝剂的添加使得泥浆Zeta电位产生了变化。添加APAM12(水解后带负电)后，泥浆的ζ电位值(一般取绝对值，下同)呈上升趋势，而添加其他4种絮凝剂(水解后都会带正电)后的泥浆Zeta电位值都是呈下降趋势。表明阳离子能够对被土颗粒表面所带负电荷所吸引的阳离子层产生斥力，从而压缩双电层，降低Zeta电位值，导致颗粒间斥力减小，易聚集成团。添加无机絮凝剂后，泥浆Zeta电位值显著降低，这是其促进泥浆细小颗粒聚集成团的根本原因。

相比于无机絮凝剂，有机高分子絮凝剂对泥浆Zeta电位影响较小，甚至APAM12使泥浆Zeta电位值升高，因此，其使颗粒聚集成团的能力应该比较弱，但添加PAM后，泥浆产生的团粒粒径普遍大于添加无机絮凝剂之后的泥浆。这再次表明相比于双电层压缩、Zeta电位值降低，有机高分子絮凝剂的分子链的吸附架桥作用更易促进泥浆颗粒聚集成团，这也是有机高分子絮凝剂加快泥浆絮凝沉降的主要原因。

2.5 经济效益分析

在实际工程应用中，除了絮凝效果，还需考虑絮凝剂的使用成本。表4给出了不同絮凝剂处理每方泥浆成本。可以看出使用PAC处理泥浆成本最低，约每方1.318元，其次为CPAM12与APAM12。由前面絮凝试验得到PAC与CPAM12能较好的改善泥浆絮凝沉降性能，但采用CPAM12处理泥浆的成本高达每方4.017元，是PAC的3倍之多。因此，施工现场最终选择PAC对城建废弃泥浆进行处理，虽然絮凝处理时间稍长，但能大幅度降低泥浆处理成本，具有良好的经济效益。

表4 絮凝剂使用成本Tab.4 Cost of flocculant

3 结 论

3.1 与有机絮凝剂相比，添加无机絮凝剂后，泥浆沉降速度较慢，泥浆含水率下降速率较慢，但随着絮凝时间的增加，经两类絮凝剂处理后的泥浆含水率趋于相同，在絮凝7 h时，含水率差异很小。

3.2 对于本文研究所使用的某城建工程废弃泥浆，CPAM12与PAC有较好的絮凝效果，最优添加量分别为0.2%和0.8%。结合成本分析，现场最终选择PAC对泥浆进行絮凝处理，具有良好经济效益。

3.3 絮凝剂使泥浆细小颗粒聚集成粒径较大团粒是加速泥浆絮凝沉降的根本原因。相比于无机絮凝剂的电位中和、降低Zeta电位值等作用，有机高分子絮凝剂的吸附架桥与网捕-卷扫作用能够生成粒径更大的团粒。