有機絮凝劑對渣土廢泥漿脫水效果影響

鄧明莉

（中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300222）

1 引言

巖土、軌道交通等工程在施工過程中不可避免會產生渣土廢泥漿，而這些廢泥漿因含有高的含水率一方面會給施工帶來不便[1]，另一方面會占用大量土地，污染環境。因此，為解決上述含水率高、大量土地占用等問題，往往需要將廢泥漿中的水分脫除，縮小泥漿體積，從而降低含水率和減少土地占用。丁光亞等人[2]研究廢泥漿的物理化學調質，以改變廢泥漿顆粒表面物化性質和組分，破壞廢泥漿的膠體結構，減小與水的親和力，進而改善廢泥漿的脫水性能。對不同種類的無機材料和有機高分子絮凝材料的試驗分析發現，有機高分子聚丙烯酰胺PAM的絮凝脫水效果要優于無機材料。在陽離子型PAM、陰離子型PAM、非離子型PAM三類材料對廢泥漿的絮凝脫水效果中，陽離子型PAM的絮凝脫水效果最好。李斌[3]研究了在石油勘探開發過程中產生的鉆井廢棄泥漿，研究結果表明影響鉆井廢棄泥漿混凝脫水因素的重要性由主到次分別為：廢棄泥漿含油率、破膠劑投加量、助凝劑投加量、絮凝劑投加量。朱峰等人[4]主要探討了復合絮凝劑（石灰、石膏、粉煤灰和高分子絮凝劑 4種材料組成）對廢泥漿脫水性能的影響，并安排了純有機高分子絮凝劑和復合絮凝劑的對比試驗，運用先絮凝后壓濾的方法解決了渣土廢泥漿脫水問題。Ching H.W等人[5]利用光學檢測技術探究了高嶺土懸浮液絮凝過程，認為復摻絮凝劑對絮凝有很好作用。

然而為解決施工不便，事先在泥漿中添加了一些增稠、發泡劑從而使得產生的廢泥漿顆粒自身帶有一定的電荷，這就造成廢泥漿不易脫水問題。因此，如何提高渣土廢泥漿脫水效果成為目前亟需研究的問題[6-10]。本文以天津6號線盾構出來的渣土廢泥漿為研究對象，研究有機絮凝劑種類和摻量對不同含水率下的渣土廢泥漿脫水效果研究。

2 實驗

2.1 原材料

渣土廢泥漿：天津地鐵6號線盾構產生的渣土泥漿，pH為7.5～8.5。有機絮凝劑：天津三江科技有限公司生產的陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）和陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）。

2.2 方案

為確定有機絮凝劑種類和摻量對渣土廢泥漿脫水絮凝效果，向含水率分別為99%、98%、97%的渣土廢泥漿中添加不同摻量的CPAM和APAM兩種有機絮凝劑以及兩者復摻絮凝劑，并通過添加絮凝劑后的廢泥漿絮體大小、含水率和上清液濁度來確定不同種類和摻量的絮凝劑絮凝脫水效果。

2.3 試驗方法

2.3.1 含水率

絮凝劑絮凝效果可通過絮體的含水率表征，含水率越低，絮凝效果越好，具體步驟如下：

（1）干燥濾紙質量，記為 M1；（2）采用真空泵對添加不同絮凝劑后的廢泥漿脫水，然后將過濾后的泥餅連同濾紙一起稱重，記為M2；（3）將上述泥餅和濾紙一起置于110℃恒溫干燥箱中干燥，待水分完全蒸發，取出冷卻后進行稱重，記為M3；（4）渣土廢泥漿絮體的含水率（%）公式如下所示。

式中，ω為含水率( % )；M1為濾紙重量 ( g )；M2為濕濾餅重量 ( g )； M3為干濾餅重量 ( g )。

2.3.2 濁度

濁度反映的是光線透過液體中懸浮顆粒物時所發生的阻礙程度。

添加不同種類和摻量絮凝劑后的渣土廢泥漿，待靜置5 min后，取其上清液，并將上清液放入比色皿中，然后采用濁度計進行濁度分析。絮凝效果越好，顯示的濁度越低。

2.3.3 絮體尺寸

絮體尺寸大小可反映廢泥漿脫水絮凝效果好壞。尺寸越小，表明絮凝效果越弱。將廢泥漿絮體置于載玻片上，待其烘干后，通過超景深三維立體顯微鏡觀察絮體尺寸大小。

3 實驗結果與討論

3.1 單摻APAM

渣土廢泥漿加入不同濃度的APAM絮凝劑后，其絮體含水率和上清液濁度的變化結果如圖1所示。

由圖1可知，初始含水率分別為99%、98%、97%的渣土廢泥漿絮體含水率和上清液濁度隨著APAM摻量的增大大體呈現出先下降后上升的規律。即渣土廢泥漿絮體含水率和上清液濁度隨著APAM摻量的增加而逐漸降低，當APAM摻量分別增加到4.0×10-4%、6.8×10-4%、1.0×10-3%時，絮體含水率和上清液濁度達到最小值，絮體含水率最小值分別為34.26%、31.64%、27.12%，上清液濁度最小值為5.22 mg/L、5.54 mg/L、6.01 mg/L，之后絮體含水率和上清液濁度隨著APAM摻量的增加而逐漸增大。出現上述現象的原因是，當APAM摻量過少，則渣土廢泥漿顆粒未吸附完全，絮體中空隙較多，導致絮體含水率較大，同時未吸附的渣土廢泥漿顆粒懸浮在上清液中，導致上清液濁度較大[2-4]。當APAM摻量過多，則膠體會形成空間保護層導致絮凝效果變差，渣土廢泥漿顆粒也會吸附不完全，也會導致絮體含水率較大，上清液濁度較大。當APAM摻量為最佳時，渣土廢泥漿顆粒吸附量達到最大，膠體形成空間保護層最少，絮體間空隙最小，即絮體含水率最小，上清液中懸浮的渣土廢泥漿顆粒最少，上清液濁度最低。

為了解釋出現上述現象的原因，分別對含水率為99%、98%、97%的含有APAM絮凝劑的渣土廢泥漿絮體尺寸進行分析，結果如圖2所示。

由圖2可知，含水率分別為99%、98%、97%的渣土廢泥漿絮體大小隨著APAM摻量的增大而呈現出先上升后下降的規律。即渣土廢泥漿絮體尺寸隨著APAM摻量的增加而逐漸增大，當APAM摻量分別增加到 4.0×10-4%、6.8×10-4%、1.0×10-3%時，絮體尺寸達到最大值，最大值分別為 956.87μm、911.05μm、1109.09μm，之后絮體尺寸隨著 APAM 摻量的增加而逐漸減小。出現上述現象的原因是，當APAM摻量過少時，則渣土廢泥漿顆粒未吸附完全，絮體平均尺寸較小。當APAM摻量過多時，則膠體會形成空間保護層導致絮凝效果變差，絮體平均尺寸變小。當APAM摻量為最佳時，渣土廢泥漿顆粒吸附量達到最大，膠體形成空間保護層最少，即絮凝效果最好，絮體平均尺寸最大。

綜合圖1，圖2可知，對于含水率分別為97%、98%、99%的廢泥漿，單摻APAM時的最佳摻量分別為1.0×10-3%、6.8×10-4%、4.0×10-4%。

圖1 單摻APAM對絮體含水率和上清液濁度的影響

圖2 單摻APAM對渣土廢泥漿絮體尺寸的影響

3.2 單摻CPAM

向不同含水率的渣土廢泥漿中添加不同摻量的CPAM絮凝劑后，絮體含水率和上清液濁度的變化結果如圖3所示。

由圖3可知，含水率為分別99%、98%、97%的渣土廢泥漿絮體含水率和上清液濁度隨著CPAM摻量的增大而大體呈現先下降后上升的規律。即渣土廢泥漿絮體含水率和上清液濁度隨著CPAM摻量的增加而逐漸降低，當CPAM摻量增加到6.8×10-4%、1.1×10-3%、1.6×10-3%時，絮體含水率和上清液濁度達到最小值，絮體含水率最小值分別為30.95%、27.79%、26.30%，上清液濁度最小值分別為6.47 mg/L、6.8 mg/L、6.82 mg/L，之后絮體含水率和上清液濁度隨著CPAM摻量的增加而逐漸增大。出現上述現象的原因是，當CPAM摻量過少時，則渣土廢泥漿顆粒未吸附完全，絮體中空隙較多，導致絮體含水率較大，同時未吸附的渣土廢泥漿顆粒懸浮在上清液中，導致上清液濁度較大[2-4]。當CPAM摻量過多時，則膠體會形成空間保護層導致絮凝效果變差，渣土廢泥漿顆粒也會吸附不完全，也會導致絮體含水率較大，上清液濁度較大。當CPAM摻量為最佳時，渣土廢泥漿顆粒吸附量達到最大，膠體形成空間保護層最少，絮體間空隙最小，即絮體含水率最小，上清液中懸浮的渣土廢泥漿顆粒最少，上清液濁度最低。

為了解釋出現上述現象的原因，分別對含水率為99%、98%、97%的渣土廢泥漿加入CPAM絮凝劑后的絮體尺寸進行分析，結果如圖4所示。

由圖4可知，含水率分別為99%、98%、97%的渣土廢泥漿絮體大小隨著CPAM摻量的增大而呈現出先上升后下降的規律。即渣土廢泥漿絮體尺寸隨著CPAM摻量的增加而逐漸增大，當CPAM摻量增加到 6.8×10-4%、1.1×10-3%、1.6×10-3%時，絮體尺寸達到最大值，最大值分別為 977.48μm、1038.86μm、1182.04μm，之后絮體尺寸隨著CPAM摻量的增加而逐漸減小。出現上述現象的原因是，當CPAM摻量過少時，則渣土廢泥漿顆粒未吸附完全，絮體平均尺寸較小。當CPAM摻量過多時，則膠體會形成空間保護層導致絮凝效果變差，絮體平均尺寸變小。當CPAM摻量為最佳時，渣土廢泥漿顆粒吸附量達到最大，膠體形成空間保護層最少，即絮凝效果最好，絮體的平均尺寸最大。

綜合圖3、圖4分析，對于含水率為97%、98%、99%的渣土廢泥漿，單摻CPAM時的最佳摻量分別為1.6×10-3%、1.1×10-3%、6.8×10-4%。

圖3 摻CPAM單對絮體含水率和上清液濁度的影響

圖4 CPAM單摻對渣土廢泥漿的絮體尺寸的影響

3.3 復摻CPAM和APAM

固定APAM摻量，變化CPAM濃度，渣土廢泥漿的絮體含水率和上清液濁度變化結果如圖5所示。

圖5 APAM和CPAM復摻對渣土廢泥漿的絮體含水率和上清液濁度的影響

由圖5可知，隨著兩種有機絮凝劑的復摻濃度增加，渣土廢泥漿絮體含水率和上清液濁度呈現出先上升后下降的規律。即在固定APAM摻量分別為2.4×10-4%、4.4×10-4%、6.4×10-4%之后，渣土廢泥漿絮體含水率和上清液濁度隨著CPAM摻量的增加而逐漸降低，當CPAM摻量分別增加到2.8×10-4%、6.4×10-4%、8.8×10-4%時，絮體含水率和上清液濁度達到最小值，絮體含水率最小值分別為 42.59%、39.76%、38.25%，上清液濁度最小值分別為2.16 mg/L、3.05 mg/L、2.69 mg/L，之后絮體含水率和上清液濁度隨著CPAM摻量的增加而逐漸增大。出現上述現象的原因是，當CPAM摻量過少時，則渣土廢泥漿顆粒未吸附完全，絮體中空隙較多，導致絮體含水率較大，同時未吸附的渣土廢泥漿顆粒懸浮在上清液中，導致上清液濁度較大。當CPAM摻量過多時，則膠體會形成空間保護層導致絮凝效果變差，渣土廢泥漿顆粒也會吸附不完全，也會導致絮體含水率較大，上清液濁度較大[2-4]。當CPAM摻量為最佳時，渣土廢泥漿顆粒吸附量達到最大，膠體形成空間保護層最少，絮體間空隙最小，即絮體含水率最小，上清液中懸浮的渣土廢泥漿顆粒最少，上清液的濁度最小。

為了解釋出現上述現象的原因，分別對99%、98%、97%含水率的渣土廢泥漿加入復摻絮凝劑時的絮體尺寸進行分析，如圖6所示。

圖6 APAM和CPAM復摻對渣土廢泥漿的絮體尺寸的影響

由圖6可知，隨著復摻濃度的增加，渣土廢泥漿絮體尺寸呈現出先上升后下降的規律。即在固定APAM摻量為2.4×10-4%、4.4×10-4%、6.4×10-4%后，隨著CPAM摻量的增加，渣土廢泥漿絮體尺寸而逐漸增大，當CPAM摻量分別增加到2.8×10-4%、6.4×10-4%、8.8×10-4%時，絮體尺寸達到最大值，最大值分別為927.83 μm、846.11 μm、980.11 μm，之后絮體尺寸隨著CPAM摻量的增加而逐漸減小。出現上述現象的原因是，當CPAM摻量過少時，渣土廢泥漿顆粒未吸附完全，絮體平均尺寸較小。當CPAM摻量過多時，膠體會形成空間保護層導致絮凝效果變差，絮體平均尺寸變小。當CPAM摻量為最佳時，渣土廢泥漿顆粒吸附量達到最大，膠體形成空間保護層最少，即絮凝效果最好，絮體平均尺寸最大。

綜合圖5、圖6可知，對于含水率分別為97%、98%、99%的渣土廢泥漿，復摻時APAM的最佳摻量分別為 6.4×10-4%、4.4×10-4%、2.4×10-4%，CPAM 的最佳摻量分別為 8.8×10-4%、6.4×10-4%、2.8×10-4%。

4 結論

通過研究含水率為99%、98%、97%渣土廢泥漿中添加不同有機絮凝劑（APAM、CPAM）種類和摻量對渣土廢泥漿絮凝脫水效果的影響，確定了針對不同含水率下的APAM、CPAM以及二者復摻的最佳摻量。結論如下：

（1）含水率為99%的渣土廢泥漿，APAM、CPAM單摻時的最佳摻量分別為4.0×10-4%、6.8×10-4%；復摻時最佳摻量分別為2.4×10-4%、2.8×10-4%。

（2）含水率為98%的渣土廢泥漿，APAM、CPAM單摻時的最佳摻量分別為6.8×10-4%、1.1×10-3%；復摻時最佳摻量分別為4.4×10-4%、6.4×10-4%。

（3）含水率為97%的渣土廢泥漿，APAM、CPAM單摻時的最佳摻量分別為1.0×10-3%、1.6×10-3%；復摻時最佳摻量分別為6.4×10-4%、8.8×10-4%。