絮凝劑對(duì)打樁廢棄泥漿的處理研究★

劉智峰 崔劍峰 蔣勇兵 余明達(dá) 賀淑龍 劉 榕 王興蕾 劉海波 李 程 鐘 華

(1.湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.湖南省交通勘察設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410008)

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絮凝劑對(duì)打樁廢棄泥漿的處理研究★

劉智峰1崔劍峰2蔣勇兵1余明達(dá)1賀淑龍2劉 榕2王興蕾2劉海波2李 程2鐘 華1

(1.湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.湖南省交通勘察設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410008)

采用兩步絮凝法，詳細(xì)考察了幾種無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑對(duì)泥漿絮凝效果的影響，實(shí)驗(yàn)表明，在泥漿固液分離實(shí)驗(yàn)中，陰離子聚丙烯酰胺(APAM)對(duì)泥漿的絮凝效果最好；在泥漿廢水的絮凝實(shí)驗(yàn)中，最優(yōu)絮凝劑為聚合氯化鋁，其最佳濃度為0.01 g/L，絮凝處理后COD為85.71 mg/L，SS去除率為99.60%，上清液SS為0.91 mg/L，滿足GB 8978—1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

橋梁施工泥漿，絮凝，固體懸浮物，聚丙烯酰胺

近年來(lái)我國(guó)公路橋梁事業(yè)得到蓬勃發(fā)展，根據(jù)“十二五”規(guī)劃，預(yù)計(jì)在2020年左右，中國(guó)公路橋梁數(shù)量將達(dá)到80萬(wàn)座。但是，在橋梁建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的施工廢棄泥漿污染問(wèn)題也日益突出。這類廢棄泥漿主要以粘土，水為基礎(chǔ)，是一種較為穩(wěn)定的分散系，顆粒大小在2 μm～10 μm之間，同時(shí)具有膠體和懸浮體的性質(zhì)[1]，因此很難自然沉降。到目前為止，主要的處理方法有化學(xué)固化處理法[2,3]、土地耕作處理法[2]、機(jī)械脫水處理法[5,6]和固液分離處理法等[3]。固液分離方法是用旋流分離器進(jìn)行固液分離，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單靈活，能很好地去除懸浮物和膠體物質(zhì)，產(chǎn)生的上清液達(dá)標(biāo)排放，沉淀底泥就地填埋或固化處理，特別適合處理橋梁鉆孔泥漿等污染水平較低的泥漿處理[4]。

對(duì)于泥漿固液分離后的后續(xù)廢水，其主要污染因子為SS，pH，COD,石油烴[5,6]，除此之外，廢水中的溶解氧濃度也會(huì)影響生物的存活率。因此，廢水如果不經(jīng)過(guò)處理而直接排放，將會(huì)對(duì)施工區(qū)域內(nèi)水體環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，并且嚴(yán)重威脅水生生物的生存。

由于不同區(qū)域不同井深泥漿體系的差異性，為了獲得較好的絮凝效果，需要通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選擇絮凝劑、確定投加量等技術(shù)參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)從聚合氯化鋁(PAC)、聚合氯化鋁鐵(PAFC)、明礬(KA)、非離子型聚丙烯酰胺(NPAM)、陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)這幾種絮凝劑入手，分別對(duì)臨岳高速公路岳陽(yáng)洞庭湖大橋橋梁打樁廢泥漿和廢泥漿固液分離后的上液廢水進(jìn)行絮凝試驗(yàn)，找出最佳的絮凝劑種類，并對(duì)絮凝后的水質(zhì)進(jìn)行了分析，以期為絮凝劑在橋梁施工廢棄泥漿處理中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)酀{

本文所研究的橋梁施工泥漿系臨岳高速公路岳陽(yáng)洞庭湖大橋橋梁施工過(guò)程中產(chǎn)生的廢漿，取自施工現(xiàn)場(chǎng)的廢漿池底部。該橋施工范圍在東洞庭湖區(qū)域，位于洞庭湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，水質(zhì)為Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，污水排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB 8978—1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。此工程施工過(guò)程中產(chǎn)生的泥漿性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 泥漿性能指標(biāo)

1.2 不同種類絮凝劑對(duì)粗泥漿的絮凝實(shí)驗(yàn)

泥漿從施工現(xiàn)場(chǎng)取回，密封、放置于陰涼處儲(chǔ)存?zhèn)溆?。配制不同濃度的絮凝劑溶液，其中聚合氯化鋁(PAC)450 g/L，聚合氯化鋁鐵(PAFC)250 g/L，明礬(KA)50 g/L，非離子型聚丙烯酰胺(NPAM，分子量800萬(wàn))1 g/L、陰離子型聚丙烯酰胺(APAM，分子量1 500萬(wàn))1 g/L。取泥漿500 mL，在180 r/min攪拌速度下分別加入50 mL的PAC，PAFC，KA，NPAM和APAM，攪拌10 min，試驗(yàn)溫度為10 ℃。攪拌過(guò)程結(jié)束后，每隔2 min記錄沉降泥漿體積，并測(cè)定上清液的pH值。篩選出最優(yōu)絮凝劑后，將其配成不同濃度重復(fù)上述絮凝實(shí)驗(yàn)，確定該絮凝劑在該試驗(yàn)中的最佳濃度。

1.3 絮凝劑對(duì)PAM處理后上清液的二次絮凝效果

分別配制明礬40 g/L，聚合氯化鋁40 g/L，聚合氯化鋁鐵40 g/L各200 mL。泥漿經(jīng)過(guò)陰離子PAM絮凝后，取上清液500 mL。分別加入本次所配濃度的明礬、聚合氯化鋁、聚合氯化鋁鐵各15 mL，以180 r/min攪拌10 min，試驗(yàn)溫度為10 ℃。靜置30 min后測(cè)定上清液SS濃度和COD值，從中選出最優(yōu)絮凝劑。COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定[7]，懸浮物濃度(SS)用可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定其在550 nm下的吸光度值(OD550)并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)量[12-14]，泥漿樣品的SS與OD550成良好的線性關(guān)系，線性方程為y=746.08x-1.603，相關(guān)系數(shù)為0.997 7。

1.4 聚合氯化鋁濃度對(duì)PAM處理后上清液的二次絮凝效果的影響

配制不同濃度的聚合氯化鋁溶液，取20 mL不同濃度的聚合氯化鋁溶液加入到500 mL廢水中，使得該絮凝劑的最終濃度分別為0，0.005 g/L，0.01 g/L，0.1 g/L，0.5 g/L，1.0 g/L，1.5 g/L，2.0 g/L和3.0 g/L，以180 r/min攪拌10 min，靜置4 h，試驗(yàn)溫度為10 ℃。每隔一定的時(shí)間測(cè)定泥漿的沉降體積和靜置1 h后的絮凝率和上清液的pH。

1.5 數(shù)據(jù)處理

草兒到了花季，成了大姑娘，出落得花一樣美麗了。但草兒就如一朵含羞的花兒，偷偷地在綠葉間開(kāi)放，飄出醉人的香氣。草兒不張揚(yáng)，于是，美麗的草兒，就如一朵含羞草，文文靜靜。面對(duì)那身后一串串盯著她的小伙子，她總是不搭理他們，使得這些小伙子們好不失望神傷，就認(rèn)為草兒是個(gè)外表文靜的冷姑娘，不懂得愛(ài)。其實(shí)，草兒知道呢！美麗的草兒，內(nèi)心豐富著呢！她是一朵含羞的美麗的花兒，她才不會(huì)輕易把自己交給別人！

以上實(shí)驗(yàn)均重復(fù)了3次，且數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于5%。

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑對(duì)泥漿沉降影響

圖1可以明顯的看出陰離子型PAM的絮凝沉降效果優(yōu)于其他4種絮凝劑，這與其他研究人員的結(jié)果相一致[8,9]。在靜置4 min后，APAM處理的泥漿的上清液體積達(dá)到250 mL左右，而其他幾種絮凝劑處理的泥漿沉淀效果并不十分明顯。這表明陰離子聚丙烯酰胺更適合橋梁施工泥漿絮凝沉降。泥漿以膨潤(rùn)土，水，粘土等為基礎(chǔ)在水中形成較為穩(wěn)定分散系，顆粒大小一般為2 μm～0.01 mm，同時(shí)具有膠體和懸浮體的性質(zhì)[8]。聚丙烯酰胺長(zhǎng)鏈上存在極性基(—CONH3)，借助氫鍵作用與泥漿顆粒表面吸附，剩余長(zhǎng)鏈在泥漿中伸展，這樣吸附后的聚丙烯酰胺便可相互聚集形成大的絮體。而此時(shí)的聚丙烯酰胺對(duì)凝聚的顆粒又起到吸附架橋的作用，進(jìn)而加快絮體的長(zhǎng)大，促使泥漿顆粒與水分離[9]。劉建華等[10]在研究京滬高速鐵路橋梁施工廢泥漿時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了陰離子PAM沉降效果最好。吳龍華等[11]發(fā)現(xiàn)陰離子PAM對(duì)鐵路施工廢泥漿具有最優(yōu)沉降作用，并進(jìn)一步從成本和環(huán)境效益兩個(gè)方面證明了現(xiàn)場(chǎng)絮凝遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于廢泥漿外運(yùn)排放。而何文鋒等[12]在處理地鐵站施工廢泥漿時(shí)卻發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子PAM絮凝效果最佳，這可能與泥漿之間的差異及絮凝劑本身的性質(zhì)有關(guān)。

當(dāng)用APAM絮凝時(shí)還可發(fā)現(xiàn)在沉降最初的4 min內(nèi)，沉降速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4 min～20 min的沉降速度(見(jiàn)圖1)。在APAM與泥漿廢水剛開(kāi)始接觸時(shí)，APAM借助酰胺基氫鍵和分子鏈在水中具有很大的吸附表面積，能快速吸附泥沙顆粒并形成較大絮團(tuán)。此外，APAM絮凝劑分子長(zhǎng)鏈還可以在泥漿顆粒間架橋，形成大顆粒絮體，加速絮凝沉降。隨著時(shí)間的推移，吸附逐漸達(dá)到飽和，在中后期的沉降過(guò)程主要依靠絮體的重力作用自然沉降，絮團(tuán)之間相互擠壓，這是導(dǎo)致沉降速度變緩的一個(gè)重要原因。

PAM是一種高分子聚合物，在絮凝沉淀實(shí)驗(yàn)中，如果APAM的濃度過(guò)低，則達(dá)不到理想的絮凝效果；如果濃度過(guò)高不僅浪費(fèi)資源、影響絮凝效果，而且還會(huì)增加上清液的COD值而造成二次污染，因此在絮凝試驗(yàn)中需要確定APAM的最佳濃度。表2說(shuō)明APAM濃度變化對(duì)沉降性能的影響，隨著APAM濃度的升高，絮凝率有升高的趨勢(shì)，當(dāng)APAM的濃度達(dá)到0.15 g/L時(shí)，絮凝劑對(duì)泥漿廢水的絮凝效果達(dá)到最大值，絮凝率為89.86%，SS的濃度為234.1 mg/L。

2.2 無(wú)機(jī)絮凝劑對(duì)泥漿后續(xù)廢水的影響

表2 陰離子聚丙烯酰胺的最佳濃度

表3 絮凝劑種類對(duì)廢水中各項(xiàng)指標(biāo)的影響

2.3 聚合氯化鋁濃度對(duì)PAM處理后上清液的二次絮凝效果的影響

從圖2可以看出，絮凝劑聚合氯化鋁的濃度對(duì)一次處理后的廢水沉降的影響較大，當(dāng)絮凝劑濃度從0增加到0.01 g/L時(shí)，泥漿的沉降速度加快，上清液SS為0.91 mg/L。當(dāng)濃度從0.01 g/L進(jìn)一步增加時(shí)，泥漿的沉降效果反而降低。結(jié)果說(shuō)明聚合氯化鋁對(duì)泥漿的最佳絮凝濃度為0.01 g/L。從總體上來(lái)看，絮凝劑聚合氯化鋁的濃度在0.01 g/L～1.5 g/L時(shí)，其對(duì)泥漿的絮凝效果比較有效，泥漿的沉降體積濃縮得較低，體積濃縮到17%以內(nèi)。聚合氯化鋁是目前最廣泛使用的高效混凝劑[14]，具有用量少、污泥少、除濁高、對(duì)出水pH影響小等優(yōu)點(diǎn)[15]。當(dāng)聚合氯化鋁加入到水中后，Al3+發(fā)生水解形成多種可溶性的水解產(chǎn)物，它們帶有較高正電荷、在中性溶液中有較低的溶解度，能夠中和泥漿膠體顆粒表面的電荷，沉淀過(guò)程中會(huì)網(wǎng)捕水中的雜質(zhì)，從而使膠體脫穩(wěn)沉淀下來(lái)[15,16]。在廢水處理過(guò)程中，絮凝劑往往有一個(gè)最佳的投加量范圍，低于或超過(guò)這個(gè)用量都會(huì)使絮凝效果下降。投加量不足，水中的膠體脫穩(wěn)不徹底，絮凝不完全；投加量過(guò)高，會(huì)造成膠粒“返穩(wěn)”現(xiàn)象[17]。

如圖3所示，不同濃度的聚合氯化鋁處理第一次絮凝后的廢水，靜置1 h后對(duì)上清液的絮凝率和pH的影響。隨著聚合氯化鋁的濃度從0 g/L增加到3 g/L，上清液的pH值逐漸降低，當(dāng)聚合氯化鋁的濃度達(dá)到1.5 g/L時(shí)，溶液中的pH為5.68，不滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。而絮凝率隨聚合氯化鋁濃度的遞增而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在聚合氯化鋁濃度為0.01 g/L時(shí)絮凝率為99.60%，達(dá)到最大值，絮凝后上液的pH值為7.05，聚合氯化鋁的作用發(fā)揮到最佳水平，另外也有可能是聚合氯化鋁與廢水中殘留的APAM協(xié)同作用，增強(qiáng)了絮凝效果。

3 結(jié)語(yǔ)

1)處理沉降該橋梁施工泥漿的最佳絮凝劑為陰離子聚丙烯酰胺(APAM)，最佳絮凝濃度為0.15 g/L，絮凝率為89.86%。

2)對(duì)于處理泥漿后續(xù)廢水，對(duì)比明礬和聚合氯化鋁鐵，聚合氯化鋁的處理效果較優(yōu)。聚合氯化鋁處理后續(xù)廢水的最優(yōu)濃度0.01 g/L，對(duì)SS去除率99.60%，上清液SS僅為0.91 mg/L，達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

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The study on the disposal of waste drilling mud by flocculation★

Liu Zhifeng1Cui Jianfeng2Jiang Yongbing1Yu Mingda1He Shulong2Liu Rong2Wang Xinglei2Liu Haibo2Li Cheng2Zhong Hua1

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,KeyLaboratoryofEnvironmentalBiologyandPollutionControlMinistryofEducation,HunanUniversity,Changsha410082,China; 2.HunanProvincialCommunicationsPlanning,Survey&DesignInstitute,Changsha410008,China)

In this study, flocculation method is divided into two steps. Several inorganic flocculants and organic flocculants are being studied to find out the optimal one. Mud flocculation experiments show that anionic polyacrylamide(APAM) demonstrates the best flocculation effect. In follow-up wastewater flocculation experiments, polyaluminium chloride(PAC) is the most effective flocculants. The optimum dose of PAC is 0.01 g/L COD is 85.71 mg/L after flocculation treatment. The removal rate of suspended solid(SS) is 99.60%. The concentration of SS in supernatant fluid is 0.91 mg/L. The water quality meets the first grade standard ofIntegratedWastewaterDischargeStandardofChina(GB 8978—1996).

bridge construction mud, flocculation, suspended solid, polyacrylamide

2015-05-27★：湖南省交通科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201325)

劉智峰(1983- )，男，博士，助理教授

1009-6825(2015)22-0181-03

X506

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