石灰、石膏及混合絮凝劑對鉆孔廢棄泥漿壓濾脫水性能的影響

朱 鋒，曾芳金，孫林柱，蔡月民

（1.江西理工大學建測學院，江西 贛州341000；2.溫州大學建筑與土木工程學院，浙江溫州325000）

石灰、石膏及混合絮凝劑對鉆孔廢棄泥漿壓濾脫水性能的影響

朱 鋒1，曾芳金1，孫林柱2，蔡月民1

（1.江西理工大學建測學院，江西 贛州341000；2.溫州大學建筑與土木工程學院，浙江溫州325000）

以鉆孔粘土廢棄泥漿為研究對象，選用石灰和石膏作為絮凝劑，采用先單一、后混合添加的方法，按照先絮凝、后壓濾的試驗步驟，研究不同加藥量時，石灰、石膏兩種絮凝劑單獨使用以及不同配合比時，絮凝劑對鉆孔粘土廢棄泥漿絮凝脫水的規律.試驗結果表明，添加石灰和石膏絮凝劑后，泥漿壓濾脫水規律呈非線性增長.添加單一絮凝劑時，泥漿壓濾脫水速率隨加絮凝劑加藥量的增加而增大，存在最優加藥量；添加混合絮凝劑時，石灰絮凝劑加藥量的變化對泥漿壓濾脫水具有較大的影響；當石灰絮凝劑加藥量未達到最優時，石膏絮凝劑加藥量的變化對泥漿壓濾脫水影響較小，當石灰絮凝劑加藥量達到最優后，石膏絮凝劑加藥量變化對泥漿壓濾脫水影響較大.并建立兩者添加方式最優加藥量時泥漿脫水數學模型.研究結果為工程中泥漿固液分離提供重要指導.

絮凝劑；鉆孔粘土泥漿；壓濾脫水；模型

0引言

在城市基礎設施以及工業、民用建筑等開發建設過程中，基礎工程大量使用鉆孔灌注樁，用于鉆孔護壁、懸浮鉆渣的鉆孔廢棄泥漿急劇增加.這些泥漿大部分被直接排放到田野、河流，造成耕地被毀，河道淤塞，污染水源，危害人的身體健康.目前國內外研究處理廢棄泥漿主要集中在油田鉆井泥漿、城市河道污泥等，常用的方法有：① 絮凝固化法：將絮凝劑、固化劑加入廢泥漿中，破壞泥漿中的膠體成分[1]，聚沉泥漿中的固體，使其固結硬化[2]；②機械壓濾法：利用真空過濾機、離心機、帶式壓濾機、板框壓濾機和隔膜式壓濾機等泥漿處理機器進行泥漿處理；③絮凝壓濾法：先將絮凝劑加入到廢泥漿中，經過一段時間的絮凝后，在進行機械壓濾的方法.關于泥漿脫水方面的絮凝劑研究，高寶玉等[3]利用透射電鏡技術研究聚硅氯化鋁絮凝劑絮凝機理，以及攪拌時絮凝劑加入的量與絮凝效果的關系.楊春英等[4]提出絮凝是“粘土顆粒—水—絮凝劑”相互作用過程的理論，“共用水膜”的假設解釋了含水量影響絮凝作用的機理.杜國勇[5]根據四川地區鉆井廢棄泥漿的特點，將簡單固化處理后的泥漿與經過選定的富含微生物的土壤混合，泥漿中污染物降解后余下的固相成分（膨潤土等）轉化為土壤資源.Bach等[6]試驗研究了明礬絮凝劑對廢泥漿脫水過程中氫氧化物的影響，在明礬污泥及含氫氧化物懸浮液之間進行一系列的比較，包括絮體尺寸、濃度以及不同時間的脫水行為.丁明等[7]針對鉆井廢棄泥漿的特點，采用高效破穩降粘劑、絮凝劑、助凝劑并進行攪拌，利用泥漿固液分離裝置，進行固液分離，達到無害化處理鉆井泥漿的目的.高磊[8]采用微生物處理方法，分離篩選出對其有較高降解能力的菌株對廢棄泥漿進行綜合處理，在實驗室階段較好的實現了鉆井廢棄泥漿的生物處理.陳云嫩[9]試驗采用麥糟處理廢水中有毒害的鈷離子，對廢棄泥漿液中金屬重離子的吸附提供了廉價的生物有機處理方法.丁偉文等[10]通過添加不同分子量的陽離子聚丙乙烯絮凝劑，對其進行絮凝試驗,研究了泥漿的pH值、粘度、Zeta電位在絮凝過程中的變化規律.Gao M和Xu Z Q[11]制備陽離子聚丙烯酰胺接枝淀粉絮凝劑，以淀粉或微結晶的纖維為骨架，將陽離子聚丙烯酰胺接枝在上面，以達到絮凝效果.目前，基于鉆孔廢棄泥漿的壓濾脫水研究較少，原因在于每個地區地質條件差異較大，土壤成分復雜，針對鉆孔粘土廢棄泥漿脫水處理使用的絮凝劑適應性研究較為缺乏；鉆孔粘土廢棄泥漿含水率高，直接固化需加入大量的固化劑[12]，多以水泥作為固化劑，水玻璃為助凝劑，硫酸鹽或氯化物為催化劑[13]，成本較高；粘度大，顆粒細，若直接采用壓濾脫水方法處理，超細顆粒會堵塞泥漿處理機器的濾孔，使泥漿固液難以分離，因此針對鉆孔粘土廢棄泥漿脫水處理需要深入研究.

由于溫州是我國東南沿海地區典型的巨厚軟土發育地區之一，其沉積軟土層與江浙及長江三角洲地區類似，因此該地區的鉆孔粘土廢棄泥漿在顆粒大小和成分組成方面具有一定的代表性.針對上文提及的問題，文中以溫州地區鉆孔灌注樁產生的粘土廢棄泥漿位為研究對象，采用絮凝壓濾法，先向泥漿中加入絮凝劑然后利用壓濾方法進行泥漿處理，提高處理效率，研究石灰、石膏兩種絮凝劑在不同加藥量時對鉆孔粘土廢棄泥漿脫水性能的影響.通過絮凝壓濾試驗，記錄脫水量隨時間的變化，確定最優加藥量對泥漿壓濾脫水的影響規律.在此基礎上，提出符合壓濾脫水規律的數學模型，為鉆孔粘土廢棄泥漿的固液分離提供科學依據.

1 試驗設計

1.1 絮凝劑選擇

本試驗選擇石灰、石膏作為絮凝劑，其組成成分及其細度如下：

石灰：鈣質生石灰，其中CaO與MgO含量大于90%；細度0.125 mm篩的篩余量不大于7.0%.

石膏：脫硫β石膏，其中CaSO4·2H2O含量大于93%；細度0.2 mm方孔篩，篩余量不大于5.0%.

1.2 試驗設計

壓濾脫水試驗的各項試驗參數設計如表1.

表1 石灰、石膏絮凝劑泥漿壓濾脫水試驗設計

試驗采用兩因素四水平的正交實驗設計方法.兩因素四水平分別是，石灰加藥量“0.8、1.0、1.2、1.4”，石膏加藥量“0.4、0.6、0.8、1.0”.使用L16（42）正交實驗表，由于不需考慮因素間的交互作用，因此可以將各個因素填寫在所選擇的正交表內，由此獲得16個試驗方案.

1.3 試驗儀器

試驗中所用到的儀器主要有千分之一克精密電子天平，PHS-3C型精密pH計，NDJ-5S型旋轉粘度計，DDS-11A型數顯電導率儀，以及自制的液壓壓濾脫水設備，如圖1.

圖1 自制的液壓壓濾設備剖面

1.4 鉆孔粘土泥漿性能

本試驗所用泥漿來自溫州市鹿城區鉆孔灌注樁施工現場，利用上述試驗儀器設備對泥漿進行各項初始性質指標以及主要的礦物成份進行測試分析，如表2.

表2 泥漿各項性質指標和主要礦物成份

2 石灰、石膏單一絮凝劑試驗結果與分析

為保證每次試驗的一致性，需進行壓濾試驗前使用手持式小型電動攪拌機對50 L裝塑料桶內的泥漿進行攪拌，使其整體均勻分布；在攪拌完成后，立即取出泥漿放入燒杯中；然后將使用精密電子天平稱取的試驗設計所規定加藥量的絮凝劑，加入到泥漿試樣中，使用玻璃棒進行攪拌5 min，使絮凝劑充分和泥漿混合均勻，靜置絮凝2 h，進行壓濾試驗，并使用量筒對壓濾脫水進行測量，試驗開始后0.5 h內，每5 min測量一次；之后，每15 min測量一次.壓濾試驗完成后，對試驗結果進行整理.

2.1 石灰、石膏單一絮凝劑對鉆孔粘土泥漿壓濾脫水性能結果分析

根據上述步驟，石灰石膏絮凝的鉆孔粘土泥漿壓濾脫水量隨壓濾時間的變化如圖2.

圖2 兩種絮凝劑單一添加時的脫水量變化

圖2（a）中，在石灰絮凝劑試驗中，泥漿的壓濾脫水量隨時間的增加而增多，脫水速度隨著壓濾時間的增加逐漸降低，脫水曲線呈非線性增加.在壓濾試驗初期，其脫水量增長較快，相同時間內，脫水量極差較大，隨時間推移，壓濾脫水量極差逐漸降低.同時隨著石灰絮凝劑加藥量的增加，壓濾泥漿的脫水速率持續上升.在石灰絮凝劑加藥量少于0.6 g時，加藥量的變化對壓濾泥漿脫水速率的影響并不明顯；當加藥量超過0.6 g時，壓濾泥漿脫水速率隨加藥量的增加而出現較明顯的提高.當石灰絮凝劑加藥量為1.6 g時，其脫水速率遠大于其他加藥量的脫水速率.且1.4 g、1.6 g加藥量時，當壓濾時間為120 min，其脫水量已基本達到其他加藥量時的脫水量，壓濾后的泥餅具有相當強度.但加藥量1.6 g時泥漿粘稠度過大，嚴重影響泥漿壓濾脫水過程中的流動性，因此在工程化處理泥漿時應以1.4 g為宜.

圖2（b）中，隨著石膏絮凝劑加藥量從0.2 g到1.6 g，壓濾泥漿的脫水速率變化幅度并不大，圖中曲線相對集中，可知石膏絮凝劑加藥量的變化對泥漿壓濾脫水效果影響幅度不大.當石膏絮凝劑加藥量小于1 g時，泥漿壓濾脫水速率隨石膏加藥量的增加而上升；當石膏絮凝劑加藥量繼續增加時，泥漿的壓濾脫水速率并沒有繼續增加，反而出現下降趨勢，因此石膏絮凝劑存在最優加藥量.

由此可見在不影響泥漿壓濾脫水過程中流動性的前提下，提高石灰絮凝劑的加藥量可以顯著提高泥漿壓濾脫水的速率；添加石膏絮凝劑的泥漿壓濾脫水速率呈現先隨絮凝劑加藥量增加而上升，超過1 g后，隨絮凝劑加藥量增加而下降的規律.與無絮凝劑的泥漿壓濾脫水試驗相比，添加石灰、石膏絮凝劑的泥漿壓濾脫水速率大幅提高.

2.2 石灰、石膏單一絮凝劑對鉆孔粘土泥漿壓濾脫水性能的對比

對石灰、石膏單一絮凝劑試驗結果按照相同加藥量進行對比分析，如圖3.

圖3 石灰、石膏絮凝劑單一添加時試驗結果對比

圖3（a~d）中，當石灰、石膏絮凝劑加藥量均不超過1.0 g，石膏絮凝劑的絮凝脫水效果要優于石灰的.在此加藥量范圍內，石膏絮凝劑試樣的脫水量均略大于石灰試樣的脫水量.當石灰、石膏絮凝劑加藥量達到1.4 g時，石灰試樣的脫水速率超過石膏試樣，如圖3（e）.之后當加藥量繼續增加時，石灰絮凝壓濾脫水的效率持續提高，明顯高于石膏試樣，如圖3（f）.

圖4 按正交實驗設計時，石灰石膏混合絮凝劑對對泥漿壓濾脫水的影響

因此，當石灰加藥量小于石膏最優加藥量時，石膏絮凝劑壓濾脫水效果優于石灰絮凝劑；當超過石膏最優加藥量時，石灰絮凝劑壓濾脫水效果出現大幅提高，壓濾脫水速率超過石膏絮凝劑壓濾脫水速率.

3 石灰石膏混合絮凝劑試驗結果與分析

采用與單一絮凝劑試驗相同的試驗步驟，對石灰石膏混合絮凝劑進行泥漿壓濾脫水試驗.并對試驗結果進行整理，如圖4.

從圖4可以看出，加入石灰石膏混合絮凝劑后壓濾泥漿的脫水量隨著壓濾時間的增加而增加，壓濾脫水速率隨時間的增加而降低，壓濾脫水曲線呈非線性增加.當混合絮凝劑中石灰絮凝劑的加藥量為0.8 g和1.0 g時，圖中泥漿壓濾時間-脫水量曲線上下跨度較小，如圖4（a），混合絮凝劑中石灰、石膏兩種絮凝劑加藥量的變化對泥漿壓濾脫水速率的影響幅度不大.當混合絮凝劑中石灰絮凝劑的加藥量為1.2 g和1.4 g時，圖中泥漿壓濾時間-脫水量曲線上下跨度較大，如圖4（b），因此當混合絮凝劑中石灰絮凝劑加藥量大于1 g時，石灰、石膏兩種絮凝劑加藥量的變化對泥漿壓濾脫水速率的影響幅度較大.

因此，當混合絮凝劑中的石灰、石膏絮凝劑加藥量發生變化時，泥漿壓濾脫水速率發生較大的變化，不同配合比的石灰石膏混合絮凝劑對泥漿壓濾脫水效果產生較大的影響.

3.1 混合絮凝劑中石灰加藥量不變時，石膏加藥量變化對泥漿壓濾脫水的影響

將泥漿壓濾脫水曲線按照混合絮凝劑中石灰加藥量相同，石膏加藥量不同進行分類整理，分析在石灰石膏混合絮凝劑中，不同石灰加藥量情況下，石膏加藥量的變化對泥漿壓濾脫水速率的影響，如圖5.

當石灰絮凝劑加藥量為0.8 g時，混合絮凝劑中石膏加藥量的變化對泥漿壓濾脫水速率的影響并不明顯，如圖5（a），脫水曲線相對集中；在60 min到120 min，兩者脫水量相近.因此在石灰加藥量為0.8 g時，混合絮凝劑中石膏加藥量的變化對泥漿絮凝壓濾脫水速率影響較小.當石灰絮凝劑加藥量為1.0 g、1.2 g時，泥漿壓濾脫水速率隨混合絮凝劑中石膏絮凝劑加藥量的增加而呈先上升、后下降的趨勢，在石膏加藥量為0.8 g時，泥漿壓濾脫水速率達到最大，如圖5（b）、圖5（c）.當石灰絮凝劑加藥量達到1.4 g時，泥漿壓濾脫水速率隨石膏絮凝劑加藥量的增加而增加，如圖5(d)，脫水曲線之間增幅較大，曲線相對分散，泥漿壓濾脫水速率明顯提高.

因此，當石灰絮凝劑加藥量小于1.2 g時，石膏絮凝劑加藥量的增加對泥漿絮凝壓濾脫水速率的挺高并不明顯；當石灰絮凝劑加藥量大于1.2 g時，泥漿絮凝壓濾脫水速率隨石膏絮凝劑加藥量的增加而大幅上升.在石灰、石膏混合絮凝劑中，石灰絮凝劑起到較大的絮凝作用.

圖5 不同石灰加藥量情況下，石膏加藥量的變化對泥漿壓濾脫水速率的影響

3.2 混合絮凝劑中石膏加藥量不變時，石灰加藥量變化對泥漿壓濾脫水的影響

將泥漿壓濾脫水曲線按照混合絮凝劑中石膏加藥量相同，石灰加藥量不同進行分類整理，分析在石灰石膏混合絮凝劑中，不同石膏加藥量情況下，石灰加藥量的變化對泥漿壓濾脫水速率的影響，如圖6.

當石膏絮凝劑加藥量為一定時，混合絮凝劑組合中石灰絮凝劑加藥量為1.4 g時，泥漿絮凝壓濾脫水速率最大，如圖6（a~d）.當石膏絮凝劑加藥量小于0.8 g時，泥漿壓濾脫水速率隨石灰絮凝劑加藥量的增加而呈先下降后上升的趨勢，曲線相對密集，如圖6（a~b）.當石膏絮凝劑加藥量大于0.8 g時，泥漿壓濾脫水速率隨石灰絮凝劑加藥量的增加而呈上升的趨勢，且泥漿壓濾脫水速率增加較快，曲線之間間距較大，如圖6（c~d）.當石膏絮凝劑加藥量達到1.0 g時，石灰絮凝劑加藥量的增加對泥漿壓濾脫水速率的提高產生較大幅度的增加，如圖6（d）.

因此，石膏絮凝劑加藥量小于1.0 g時，混合絮凝劑組合中石灰絮凝劑加藥量的變化對泥漿壓濾脫水性能的影響相對較小；當石膏絮凝劑加藥量為1.0 g時，混合絮凝劑組合中石灰絮凝劑加藥量的變化對泥漿壓濾脫水性能產生較大幅度影響.當石灰石膏混合絮凝劑加藥量組合為（1.4+1.0）g時，泥漿壓濾脫水速率最快，所以此加藥量組合為最優加藥量組合.

4 石灰、石膏單一絮凝劑以及混合絮凝劑最優加藥量時鉆孔粘土泥漿壓濾脫水模型的建立

圖6 不同石灰加藥量情況下，石膏加藥量的變化對泥漿壓濾脫水速率的影響

將各個時間點泥漿脫水總體積通過水的比重換算成脫水重量，將泥漿的初始總體積通過泥漿的比重換算成泥漿總質量，兩者相比作為泥漿的壓濾脫水率，經整理，石灰、石膏單一絮凝劑以及混合絮凝劑的最優壓濾脫水曲線如圖7.

圖7 石膏、石灰絮凝劑及混合絮凝劑最優加藥量脫水率

針對圖7中兩種絮凝劑最優加藥量時的泥漿壓濾脫水率曲線規律，其數學模型可用公式（1）表達.

其中，W為脫 水 率；t為壓濾時間；a，b，c為系統參數；

當t等于0時，W等于0；當t趨向于無窮大時，W等于a，即泥漿初始含水率，a=61.89%.因此該數學表達式符合泥漿壓濾脫水規律及泥漿性質.對圖2中曲線進行擬合，獲得模型系統參數b，c值分別為：-0.0175，0.7223.因此數學模型具體表達式可用公式（2）表達.

將試驗點與數學模型曲線進行對比，如圖8，可見模型曲線較好地反映了泥漿的壓濾脫水規律，為工程中廢棄泥漿處理提供了指導意義.

圖8 數學擬合曲線與石灰石膏混合絮凝劑最優加藥量脫水率對比

5結 論

根據上述研究，可以得到如下結論：

（1）提高石灰絮凝劑的加藥量可以顯著提高泥漿壓濾脫水的速率；添加石膏絮凝劑的泥漿壓濾脫水速率呈現先上升后下降的規律；與無絮凝劑的泥漿壓濾脫水試驗相比，添加石灰、石膏絮凝劑的泥漿壓濾脫水速率大幅提高.

（2）對比石灰、石膏絮凝劑泥漿壓濾脫水結果，當石灰加藥量小于石膏最優加藥量時，石膏絮凝劑壓濾脫水效果優于石灰絮凝劑；當超過石膏最優加藥量時，石灰絮凝劑壓濾脫水效果出現大幅提高，壓濾脫水速率超過石膏絮凝劑壓濾脫水速率.

（3）石灰石膏混合絮凝劑中，當石灰絮凝劑加藥量未達到最優時，石膏絮凝劑加藥量的變化對泥漿壓濾脫水影響較小；當石灰絮凝劑加藥量達到最優時，石膏加藥量的變化對泥漿壓濾脫水性能產生較大影響.因此，在混合絮凝劑中，石灰絮凝劑起到主要作用，當其加藥量發生變化時，泥漿壓濾脫水性能發生較大變化.

（4）對比單一絮凝劑與混合絮凝劑泥漿壓濾脫水結果，當兩種添加方式中加藥量都達到最優時，混合絮凝劑泥漿壓濾脫水效果比單一使用時有大幅提高.因此，在將石灰石膏絮凝劑混合使用時，泥漿壓濾脫水呈現疊加效應，能夠大幅提高壓濾脫水速率.

（5）添加石灰石膏混合絮凝劑的泥漿壓濾脫水率用統一數學模型表達，通過擬合，獲得兩種加藥方式最優加藥量時，泥漿的壓濾脫水模型，該模型反映了泥漿絮凝壓濾脫水的規律.

[1]洪 蔚.鐵路橋梁施工廢棄泥漿處理技術試驗研究[D].北京：中國鐵道科學研究院，2011.

[2]徐玉民，王壽光.用粉煤灰作主料固化鉆井廢泥漿[J].油氣田地面工程，2006，24(8):32.

[3]高寶玉，岳欽艷，王占生，等.利用透射電鏡研究聚硅氯化鋁的混凝機理[J].中國給水排水，2003，19(13):101-102.

[4]楊春英，徐薇，白晨光.施工廢棄泥漿絮凝脫水試驗及機理分析[J].環境科技，2013，26(5):15-17.

[5]杜國勇.鉆井廢棄泥漿土壤化實驗研究 [J].天然氣工業，2010，30(8):95-97.

[6]Bach D H,Papavasilopoulos E N.Dewatering of alumino-humic sludge:impacts of hydroxide[J].Water Research,2003,37(14): 3289-3298.

[7]丁 明，王海波，郭學峰，等.鉆井廢棄泥漿無害化、資源化處理技術[J].建井技術，2012(3):32-34.

[8]高 磊.油氣田鉆井廢棄泥漿處理菌的篩選及處理性能研究[D].西安：西北大學，2012.

[9]陳云嫩.麥糟處理含鈷廢水的實驗研究[J].江西理工大學學報，2010，31(2):5-8.

[10]丁偉文，孫林柱，丁光亞，等.陽離子PAM絮凝劑對鉆孔泥漿絮凝效果的試驗研究[J].三峽大學學報：自然科學版，2013，35 (3):65-68.

[11]Gao M,Xu Z Q.Preparation of cationic polyacrylamide-grafted starch flocculant and its application in the treatment of coal slurry wastewater[J].Advanced Materials Research,2012,466: 485-489.

[12]朱彥偉，李 韌，王紅坤.鉆井泥漿固化劑配方研究[J].科技與企業，2013(11):319.

[13]王 偉，周 巖.鉆井廢棄泥漿無害化和固化處理技術的應用[J].吉林地質，2012，31(2):143-146.

Experimental study on drilling clay slurry of filter press dewatering with lime and gypsum as flocculant

ZHU Feng1，ZENG Fang-jin1，SUN Lin-zhu2,CAI Yue-min1（1.School of Architectural and Surveying﹠Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China; 2.College of Construction and Architecture,Wenzhou University,Wenzhou 325000,China)

In this paper,drilling clay slurry is used for study,and lime and gypsum are selected as flocculent. Test method of first flocculation then pressure filtration was used to study the rule using the two flocculents alone and then together under different dosages.Results show that the slurry pressure filtration dewatering rule of lime and gypsum increases non-linearly.When a single flocculant is added,the slurry pressure filtration dewatering rate increases with the increase of the amount of flocculent dosing.there is an optimal dosage of gypsum flocculent.When a mix of flocculants are added,the amount of lime flocculant has a great impact on the slurry pressure filtration dewatering rate,the change of lime flocculant dosing has lesser influence on the dewatering rate when the dosage is smaller than the optimal value.When the dosage is larger than the optimal value,the dewatering effect of lime flocculent is better than gypsum flocculent under the same conditions. Finally,a slurry dewatering mathematical model of both the optimal dosage is established.The findings provide important guidance for slurry solid-liquid separation in engineering.

flocculent;drilling clay slurry;pressure filtration;model

TU41

A

2095-3041（2014）00-0046-08

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.01.008

2013-09-16

浙江省重大科技專項（2011C13013）；溫州市社會發展重大項目S20090001；溫州市建筑節能財政專項

朱 鋒（1987- ），男，碩士研究生，主要從事巖土工程等方面的研究，E-mail:453709603@qq.com.

曾芳金（1965- ），男，博士，教授，主要從事巖土工程等方面的研究，E-mail:604435461@qq.com.