環保絮凝劑對高黏粒高含水廢棄泥漿絮沉性能影響

【摘 " "要】：為了使公路工程結構基礎施工中含水廢漿快脫水，對鉆孔灌注樁工程廢漿展開一系列量筒沉積試驗，研究不同絮凝劑種類及填加量下廢棄泥漿的絮凝效果。結果表明：加入有機絮凝劑將顯著加快工程廢漿中固相絮沉速度；與有機絮凝劑相比，添加無機絮凝劑引起的工程廢漿絮凝沉積層厚度在相同時間內相對較小；自主配制環保型絮凝劑僅在0.02%加量時可使廢漿的剩余濁度下降至10 FTU，可有效包裹、橋聯固相顆粒，絮凝效果優于常用的陰離子型聚丙烯酰胺 （APAM），與復合絮凝劑（CaCl2+AMAP）的脫水效果相當。

【關鍵詞】：環保絮凝劑；建筑工程；高含水高黏粒泥漿；脫水性能

【中圖分類號】：X799.1 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）05-54-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.015

Effect of Environmental Flocculant on Flocculation Performance of High Viscosity and High Water Content Waste Mud

WANG Encheng

（Xinyang Highway Development Center， Xinyang 464000，China）

【Abstract】： In order to solve the highway engineering structure foundation construction in the rapid dewatering of wastewater， in this paper， a series of tube sedimentation tests were carried out to study the flocculation settlement effect of waste slurry with different kinds of flocculants and different dosages. The results show that adding organic flocculant can significantly accelerate the solid-phase flocculation rate of engineering waste slurry， and the thickness of flocculation deposit layer of engineering waste slurry caused by adding inorganic flocculant is relatively smaller than that of organic flocculant in the same time. The residual turbidity of waste slurry can be reduced to 10 FTU by adding 0.02% flocculant， which can effectively encapsulate and bridge solid particles. The flocculation effect of the flocculant is better than that of anionic Polyacrylamide （Apam） ， the dewatering effect was similar to that of composite flocculant （CaCl2 + AMAP） .

【Key words】： environmental flocculant；construction engineering；high water content and high viscosity mud；dewatering performance

每成孔1 m3鉆孔灌注樁，會出現約4 m3的廢棄泥漿[1]，傳統傾倒和填埋的泥漿處理方法不僅占用大量土地，還可能對填埋地土質造成二次污染和環境破壞，如有機處理劑降解發臭（尤其是夏季）、高pH值濾液污染地下水等。如何環保、科學地處理施工過程中產生的廢棄泥漿[2～4]，對其進行減量化和資源化處理利用成為當前城市綜合治理亟需解決的問題。

工程泥漿是膠體分散體系，含有大量黏土顆粒和細小粉粒，在溶液中處于一種水化分散狀態，具有一定的化學穩定性，難以自然沉降脫水。有研究發現，泥漿中的黏粒含量＞30%時析水速率極低，2 h不足10%。為加快漿液泥水分離速率，有學者們[5～9]采用化學絮凝的方法對建筑廢棄泥漿快速泥水分離性能進行研究，指出適宜的絮凝劑在廢漿處理前期的化學絮凝方法中至關重要；還有學者們[10～14]采用無機藥劑結合真空預壓對高含水率工程廢漿進行處理，結果表明藥劑預調理可加快排水速率，縮短達到相同排水量所需時間。絮沉效果作為評價絮凝技術直觀且有效的指標，對高黏粒-水含量工程廢棄泥漿的減量化和資源化利用有重要影響，因此有必要明確絮凝劑對工程廢漿絮沉效果的影響。本文選擇了G107和G312公路繞信陽市區段新建工程廢棄泥漿，分別添加陰離子聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、硫酸鋁、氯化鈣、聚氯化鋁及自制環保型絮凝劑進行試驗，研究不同絮凝劑種類及填加量下廢棄泥漿的絮凝效果。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 廢棄泥漿

G107和G312公路繞信陽市區段新建工程鉆孔灌注樁施工過程中排出的，在泥漿池中自然晾曬一段時間后的泥漿。用泥漿抓斗從泥漿池液面下20 cm處抓取泥漿。見表1。

3種廢棄泥漿的粒徑主要集中在1～100 μm，絕大多數粒徑＜40 μm，黏粒含量均在30%左右（粒徑＜5 μm），屬于高黏粒含量廢棄泥漿。見圖1。

1.1.2 絮凝劑

1）無機和有機絮凝劑。無機絮凝劑為硫酸鋁、氯化鈣、聚氯化鋁，均為工業級。有機絮凝劑為陰離子聚丙烯酰胺，分子量為1 800萬；聚氧化乙烯，白色粒狀粉末，相對分子量800萬。

2）自制環保型絮凝劑。配制100 mL質量分數0.2%的NaOH水溶液，加入一定量明膠粉末后，手動攪拌10 min使其充分分散；將分散液轉移至燒瓶，置于60 ℃水浴鍋內，以300 r/min的轉速攪拌45 min；于該水浴條件下往燒杯中加入適量3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨溶液，充分反應12 h后將反應產物用半透膜透析提純；將提純產物于80 ℃烘箱內干燥48 h，研磨所得白色粉末即環保型絮凝劑。

1.2 試驗方法

將廢棄泥漿于300 r/min的轉速下充分攪拌，再取定量絮凝劑添加至500 mL廢棄泥漿中，繼續機械攪拌10 min；將攪拌均勻的混合漿液轉移到一個500 mL的量筒內，室內靜置并觀察混合漿液中土顆粒自然沉降狀態，按時間間隔記錄泥水分離界面的高度變化；靜置60 min后，用移液管將量筒上部清液吸出，進行濁度、顆粒粒徑分布測試；用刮刀提取下部分絮沉體，測試密度。無機絮凝劑直接加入試劑粉末，基礎質量分數無機聚合物為0.5%、無機鹽為1%。有機絮凝劑與水按照0.4%的質量分數進行配制，并以80 r/min的轉速機械攪拌30 min直至絮凝劑完全溶解。

觀察量筒中的沉積層厚度、上清液混濁狀態、沉降速度等指標，測試上清液的濁度、粒度分布和下部絮沉體的比例來評價絮凝劑對廢棄泥漿混合液的絮沉效果和程度。以無絮凝劑為試驗對照組A0。

2 結果與分析

2.1 絮凝劑種類對泥漿絮沉效果的影響

不同絮凝劑對廢漿的絮沉效果明顯不同。無機絮凝劑氯化鈣的沉積厚度最薄、沉降速度較慢，濁度較其他絮凝劑高；硫酸鋁次之。無機高分子絮凝劑聚氯化鋁絮凝效果優于無機低分子硫酸鋁和氯化鈣。加入陰離子聚丙烯酰胺、自制環保絮凝劑、聚氧化乙烯的廢棄泥漿基本沉淀完全，上層清液液較清澈，對絮凝效果基本優于無機低分子絮凝劑。尤其在前20 min，自制環保絮凝劑的絮沉速率最快，絮沉效果最佳。見表2和圖2。

2.2 絮凝劑摻量對泥漿絮沉效果的影響

聚合氯化鋁摻量為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.0%，硫酸鋁和氯化鈣摻量為0.5%、1%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，有機絮凝劑摻量為0.02%～0.12%。

2.2.1 上部清液濁度值

隨著無機絮凝劑的加入，廢漿濁度值明顯減小，主要是由于廢棄泥漿中的固體顆粒表面通常帶有負電荷，帶有正電荷的絮凝劑會因異電荷相吸，使土顆粒表面的雙電層被壓縮，伴隨顆粒與顆粒之間的吸附、架橋等作用發生，顆粒相互粘結形成較大的絮體[6]。隨著絮凝劑濃度的增大，絮凝效果逐漸增強，上部清液隨之清澈。各絮凝劑均存在最佳質量濃度，聚合氯化鋁最佳摻量為0.7%，硫酸鋁和氯化鈣最佳摻量均為4%。添加氯化鈣泥漿濁度值最高可達800 FTU，最低也有260 FTU，普遍高于添加聚合氯化鋁和硫酸鋁的廢棄泥漿濁度值，這是因為聚合氯化鋁和硫酸鋁中的高價Al3+置換廢棄泥漿中土顆粒表面低價陽離子Na+的能力比氯化鈣中的Ca2+更強；中和土顆粒表面所帶負電荷，降低其電動電位的能力也更強，土顆粒更容易發生相互碰撞，結合形成大顆粒而聚沉。見圖3。

隨著有機絮凝劑摻量的增加，廢棄泥漿的濁度值呈先減小再增大的趨勢，但達到同樣絮沉效果所需有機絮凝劑的摻量低于無機絮凝劑；這是因為有機高分子絮凝劑能夠在廢漿中同時發揮吸附架橋、電性中和以及網捕等多種作用，使固體顆粒團快速聚成體積較大的絮團結構，達到較好的絮沉脫水效果。聚氧化乙烯作為高分子聚合物，能夠利用高分子鏈對廢漿中土顆粒的吸附網捕作用，達到良好的絮沉效果：摻量為0.2%時，上層清液的濁度值已經達到最低的55 FTU，下層沉積厚度也已至最高點；因此，0.2%為聚氧化乙烯處理廢漿的最優摻量。陰離子聚丙烯酰胺摻量增加時泥水分界面高度和上清液濁度值變化與聚氧化乙烯類似：陰離子聚丙烯酰胺摻量為0.02%，泥漿未實現有效沉降；摻量為0.04%時，上清液濁度有一定降低，說明低濃度的有機絮凝劑陰離子聚丙烯酰胺對高黏粒-水含量的泥漿絮凝效果不明顯；摻量為0.08%時，泥水分界面上層清液明顯變清澈，上清液濁度值從75 FTU降低到22 FTU；摻量為0.08%～0.12%時，上層清液濁度值和體積變化幅度較小。考慮到經濟與成果雙重因素，0.08%為陰離子聚丙烯酰胺的最佳摻量。見圖4。

自制環保凝劑的加入能夠使廢漿立刻絮沉：在加量僅為0.02%時，上清液剩余濁度僅15 FTU，沉積厚度75 cm；繼續增加摻量，下層沉積厚度上升不明顯，上清液濁度值減小趨于也趨于平緩；摻量為0.12%時，濁度值略有上升，這是由于自制環保凝劑的主要成分是明膠，屬于陽離子型生物高分子聚合物，分子鏈上的羥基、氨基等基團以氫鍵吸附于粘土顆粒表面，同時季銨基官能團能中和黏土表面的負電荷，過多的絮凝劑會過度減小黏土表面的負電性，使顆粒間的斥力增大，減弱團聚吸附作用。因此，自制環保凝劑的最優摻量為0.02%。見圖5和圖6。

2.2.2 泥漿顆粒粒度分布

基于濁度試驗結果，選擇添加不同絮凝劑各自最佳摻量后的絮凝粒徑顆粒粒徑進行測試。添加絮凝劑后泥漿的顆粒分布與原漿有明顯差異。見圖7。

曲線整體向左偏移，說明泥漿中原本細小的土顆粒、黏土類顆粒由于絮凝劑的添加粒徑有變大的趨勢。絮凝劑可以將廢漿中呈水化分散狀態的黏土顆粒互相連接形成較大的整體，然后由于自重變大而沉降，形成泥水分離。曲線偏移的幅度和范圍會因絮凝劑種類不同發生變化：無機絮凝劑的加入雖然能增加絮團的尺寸，但依然集中在10～100 μm；而有機絮凝劑能夠非常明顯的加大絮團顆粒的尺寸，集中在100 μm左右，其中又以自制環保絮凝劑增加顆粒粒徑尺寸的效果最為明顯。

2.2.3 下部絮沉體密度

當自制環保絮凝劑摻量＞0.02%時，絮沉體密度幾乎沒有變化。陰離子聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯加量變化對絮沉體密度影響較為明顯：離子聚丙烯酰胺加量很少時，密度增加非常緩慢，絮沉效果欠佳，表明離子聚丙烯酰胺作為絮凝劑使用時，需要適當的加大摻量；聚氧化乙烯絮凝效果遠低于環保型和離子聚丙烯酰胺，摻量為0.4%，絮沉體密度也只有1.126 g/cm3且密度隨摻量增加而增大的趨勢越來越弱。無機絮凝劑的加入對絮沉體密度也有顯著變化，但是密度增加的幅度不如有機絮凝劑的明顯。見圖8和圖9。

2.3 復合絮凝劑對泥漿絮沉效果的影響

選取氯化鈣、陰離子聚丙烯酰胺和自制環保絮凝劑進行復配試驗：A組為2%氯化鈣；B組為0.08%陰離子聚丙烯酰胺；C組為0.04%自制環保絮凝劑；D組為先2%氯化鈣、后0.08%陰離子聚丙烯酰胺；E組為先2%氯化鈣、后0.04%自制環保絮凝劑；F組為先0.08%陰離子聚丙烯酰胺、后2%氯化鈣；G組為先0.04%自制環保絮凝劑、后2%氯化鈣。探究單一與復配絮凝劑對廢漿絮沉效率和速率的影響。見表3。

自制環保絮凝劑和復配絮凝劑絮凝效果均優于其他單一絮凝劑，這是由于有機絮凝劑具備強大的網捕和橋接作用，可與無機絮凝劑的強電中和協同發揮作用，增強絮凝效果。E組絮沉效果最優，廢漿立刻絮沉，上部全是清液；D組對提升絮沉效果能力較突出，與單加自制環保絮凝劑的C組的絮沉效果相當，說明自制環保絮凝劑在處理廢棄泥漿的固相絮凝沉降上效果優異。值得關注的是，D組和E組比B組上層清液體積要大，但是絮沉速度卻沒有加快，因為陰離子聚丙烯酰胺及自制環保絮凝劑的明膠分子能夠將黏土顆粒絮凝成較大的絮體，沉降速度與質量之間相關，同時大絮體所含間隙水也較多； 而先加氯化鈣再復配陰離子聚丙烯酰胺或自制環保絮凝劑形成的絮體較小， 氯化鈣先與黏土顆粒形成骨架橋接，相當于增大了絮沉體多孔介質的孔隙，后續沉降過程中會逐步釋放水，所得到的絮沉體密度就會較大，可以發現D組與E組的下部絮沉體密度值最大。

先加入陰離子聚丙烯酰胺和自制環保絮凝劑，后加入氯化鈣的絮凝效果要遠低于添加順序相反的復合絮凝劑的絮凝效果，表明廢棄泥漿脫水處理前，應將其中膠體先進行脫穩處理，再添加有機絮凝劑，以提高絮凝劑網捕和架橋的協同作用。

3 現場驗證

將自制環保絮凝劑應用于現場廢棄泥漿的固液分離處理，除砂效率和泥漿重復利用率大有提高。見表4。

自制環保絮凝劑的添加量僅0.02%，也就是每立方米泥漿只需要0.2 g自制環保絮凝劑，成本上遠低于復合絮凝劑；另外自制環保絮凝劑主要成分是植物膠，處理前后對泥漿及工程所處環境幾乎無害，處理后的漿液中仍有部分留存，能夠起到增黏、降失水、潤滑等有益的輔助作用。

現場試驗顯示，自制環保絮凝劑處理后的黏粒殘存少，含量僅7.8 cm3，使用過程中不會對環境造成污染，與常規機械固控（鉆渣分離機、泥沙分離機、砂石分離機）相結合能夠高效除砂。

4 結論

1）有機絮凝劑處理廢棄泥漿的脫水效果優于無機絮凝劑。對廢棄泥漿泥水分離處理時，無機高分子絮凝劑要優于無機低分子鹽類絮凝劑，聚合氯化鋁相對于硫酸鋁和氯化鈣沉降速度更快，上清液體積更大，濁度值也明顯較低；有機絮凝劑陰離子聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯及自制環保絮凝劑的絮沉效果又都優于聚氧化乙烯。

2）隨著絮凝劑摻量的增加，在達到各自最佳摻量后，廢漿的絮凝沉降會有“再穩”現象，自制環保絮凝劑再穩現象輕微，相比其他絮凝劑，絮凝效果最優。

3）復合絮凝劑的絮凝效果明顯優于單一有機或無機絮凝劑。注意添加順序為先加無機絮凝劑再加有機絮凝劑，這是因為先添加無機絮凝劑，能夠在泥漿中電離出高價鋁離子，與只加有機絮凝劑相比，廢棄泥漿膠體溶液的穩定性先行被破壞，所以復合絮凝劑能更容易將土顆粒進行橋聯形成大顆粒，沉降脫水效果也就優于單加無機或者有機絮凝劑的情況。

4）廢棄泥漿若處理不當會影響周邊環境，制環保絮凝劑較出色的泥漿固液分離功能，可有效減少施工用水量，還可實現泥漿分離水的再循環使用；同時，脫離出的泥餅易于密封包裝運輸，或用于定點處理，或被用于園林綠化基質等，提高了再次利用效率，避免對環境的再次污染，在實際生產中將產生較大的經濟和社會效益。

5）由于試驗條件限制，本文的研究結果必然有不足之處，自制環保絮凝劑的研究還應在現場實踐中不斷進行總結完善，進一步優化選材配比，以使其發揮更大作用。

參考文獻：

[1]張 杰，駱嘉成.淺談工程廢漿的處置[J].西部探礦工程，2020，33（1）：1-4+7.

[2]閔凡路，徐靜波，杜佳芮，等.大直徑泥水盾構礫砂地層泥漿配制及成膜試驗研究[J].現代隧道技術，2015， 52（6）：141-146.

[3]蔣 炳，陳禮儀，姚 蒲，等.成都黏土工程廢漿絮凝-氣壓法脫水效果分析[J].科學技術與工程，2020，20（5）：1747-1753 .

[4]劉四進.絮凝-帶式壓濾技術在泥水盾構隧道泥漿處理中的應用[J].鐵道建筑技術，2019（6）：118.

[5]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].東南大學學報（自然科學版），2016，46（2）：427-433.

[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].浙江大學學報（工學版）2020，54（6）：1049-1057.

[7]夏新星，陳文峰，王龍濤.復合調理劑對廢棄建筑泥漿脫水性能的影響[J].環境工程學報，2022，16（4）：1313-1322.

[8]高 宇，周普玉，楊 霞，等.絮凝劑對工程廢棄泥漿脫水性能的影響[J].環境工程學報，2017，11（10）：5597-5602.

[9]冷 凡，莊迎春，劉世明，等.泥漿快速化學脫穩與固液分離試驗研究[J].哈爾濱工程大學學報，2014，35（3）：280-284.

[10]武亞軍，陸逸天，牛 坤，等.藥劑真空預壓法處理工程廢漿試驗[J].巖土工程學報，2016，38（8）：1365-1373.

[11]王 軍，蔡袁強，符洪濤，等. 新型防淤堵真空預壓法室內與現場試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2014，33（6）：1257-1268.

[12]章榮軍，董超強，鄭俊杰，等.絮凝劑和緩凝劑對水泥固化疏浚淤泥漿效率的影響研究[J].巖土工程學報，2019，41（10）：1928-1935.

[13]丁嘉儀，張春雷，陳 森，等.南京建筑廢棄泥漿絮凝減容效果與經濟性分析[J].2022，34（5）：64-67.

[14]蹇守衛，黃偉超，李寶棟，等. 絮凝材料與淤泥有機質含量的匹配規律及機理研究[J].功能材料，2020，51（12）：12147-12154