CaO添加順序?qū)U棄泥漿絮凝效果的影響

周 慶， 黃偉鈞， 盧烈聽

(1.蘇寧置業(yè)集團有限公司，江蘇 南京 210042； 2.溫州浙南地質(zhì)工程有限公司，浙江 溫州 325000)

0 引言

近年來，人們的環(huán)保意識不斷提升，工程廢棄泥漿引起的環(huán)境問題已逐漸成為學者研究的焦點，廢棄泥漿的無害化處理也已經(jīng)提到日程[1-6]。

工程廢棄泥漿由于成分復雜且含有較多的帶負電荷的粘土顆粒，自然沉降速度較慢，難以快速有效的分離，而絮凝劑具有電中和、吸附架橋及網(wǎng)絡(luò)卷掃作用，能夠改善泥漿的沉降和脫水性能，故絮凝劑能夠作為泥漿固液分離的一種方法。絮凝劑通常分為無機絮凝劑、有機絮凝劑和微生物絮凝劑。無機絮凝劑主要包括小分子無機絮凝劑和高分子無機絮凝劑，常見的有：三氯化鐵、硫酸亞鐵和硫酸鋁、聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鋁(PAS)、聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鐵(PFC)等。

其中小分子無機絮凝劑經(jīng)常應用于固體顆粒較少的城市污水凈化處理工程。有機高分子絮凝劑，包括天然有機高分子絮凝劑和有機合成高分子絮凝劑兩種，具有固液分離效果明顯、絮凝速度快、添加量少的優(yōu)點，應用較為廣泛。常見的有機絮凝劑有：聚丙烯酰胺系列、聚二甲基二丙烯基氯化銨等。在工程廢棄泥漿處理中通常使用有機絮凝劑或者聯(lián)合使用無機絮凝劑與有機絮凝劑。微生物絮凝劑受其微生物生長環(huán)境的限制，主要應用在城市污水處理方面[7]。

梁止水等[8]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試驗研究，發(fā)現(xiàn)有機絮凝劑對建筑泥漿具有較好的快速泥水分離效果。

李沖等[9]研究了APAM投加量、分子量、泥漿pH值等因素及聚合氯化鋁(PAC)與APAM復合使用對絮凝效果的影響；PAC與APAM的復合使用可以降低上清液濁度，但形成的絮團會略有減?。荒酀{pH值對上清液濁度影響明顯。

劉智峰等[10]考察了幾種無機絮凝劑和有機絮凝劑對泥漿絮凝效果的影響，發(fā)現(xiàn)在泥漿固液分離實驗中，陰離子聚丙烯酰胺(APAM)對泥漿的絮凝效果最好。

張忠苗等[11]研究了運用化學絮凝劑進行廢棄泥漿固液分離的一種方法，通過加入聚丙烯酰胺和生石灰實現(xiàn)了泥漿的快速泥水分離。

多個學者研究表明：絮凝沉淀法能夠起到降低廢棄泥漿含水率的作用，有機絮凝劑中的陰離子聚丙烯酰胺(APAM)對工程廢棄泥漿的處理具有一定的優(yōu)勢。

本文針對溫州某鉆孔灌注樁的廢棄泥漿進行了沉降柱試驗以及顆粒分析試驗，著重研究了無機絮凝劑CaO的不同添加順序?qū)τ袡C絮凝劑APAM絮凝效果以及絮體顆粒粒徑的影響。

1 廢棄泥漿的沉降柱試驗

1.1 廢漿試樣

針對溫州地區(qū)工程廢漿測試后的泥漿顆粒組成曲線如圖1所示。從圖中可以看出,溫州原始泥漿以粉粘細顆粒為主，粒徑>0.075 mm的砂粒約占14.0%，0.005～0.075 mm的粉粒約占56.0%，粒徑<0.005 mm的粘粒約占30.0%。泥漿含水率163.00%、pH值7.6、密度1.285 g/cm3。礦物成分相對含量為：石英41%，堿性長石4%，斜長石9%，方解石3%，白云石3%，高嶺石11%，伊利石28%，角閃石1%。

圖1 溫州原始泥漿顆分曲線

1.2 試驗藥劑

有機高分子絮凝劑陰離子聚丙烯酰胺(APAM)的主要作用原理是“架橋”絮凝作用，即有機高分子長鏈通過顆粒表面的空白部分連接顆粒彼此，使得小顆粒逐漸結(jié)合成為大顆粒加速沉降。

無機絮凝劑CaO絮凝作用機理為金屬陽離子進入膠體顆粒的表面中和一部分負電荷而使膠體顆粒的擴散層被壓縮，使膠體顆粒的ξ電位降低，在范德華力的作用下形成松散的大膠體顆粒沉降下來。

試驗過程中有機絮凝劑APAM相對分子量為2000萬，CaO純度≮98%。

1.3 試驗儀器

500 mL燒杯、500 mL量筒、玻璃棒、滴定管、移液管、電子天平、計時器等。

1.4 試驗步驟

取200 mL工程廢棄泥漿倒入500 mL燒杯中，向裝有泥漿的燒杯中加入所需量的藥劑，充分攪拌(攪拌速率控制在120 r/min左右，攪拌時間為2 min)倒入量筒中，然后記錄泥水混液面讀數(shù)。

每次試驗所取泥漿均為200 mL；有機絮凝劑APAM配制成質(zhì)量分數(shù)2‰的溶液，添加量按溶液體積10、20、30及40 mL添加；CaO添加量按泥漿的總質(zhì)量乘以質(zhì)量分數(shù)計算，添加方式為固體添加。最終形成的沉降柱如圖2所示。

圖2 沉降柱試驗

1.5 沉降柱試驗結(jié)果分析

1.5.1 APAM絮凝沉降性能

圖3為單加APAM絮凝劑的沉降量與時間關(guān)系曲線；圖4為APAM絮體密度曲線。

從圖3中可以看出：

(1)加入10 mL的APAM溶液初始沉降量較低，沉降速率較快；加入20、30及40 mL的APAM溶液，初始沉降量較大，沉降速率較慢。這是由于加入20、30及40 mL APAM溶液，充分攪拌后絮體骨架已經(jīng)形成，在初始階段就直接進入固結(jié)階段，絮體在自重作用下達到“沉降”的效果，故沉降速率較慢；而加入10mLAPAM溶液初始階段，絮體骨架尚未形成，未進入固結(jié)階段，故沉降速率較快。

圖3 APAM沉降量與時間關(guān)系曲線

圖4 APAM絮體密度曲線

(2)加入20、30及40 mL APAM溶液的沉降量曲線趨勢接近，24 h后沉降穩(wěn)定；加入10 mL APAM溶液及原始泥漿24 h后沉降尚未穩(wěn)定。

如圖4所示：絮凝沉降48 h后排出上清液，測量量筒與絮體質(zhì)量，推算出絮體密度ρ。絮體密度大小關(guān)系為：ρ20 mL<ρ30 mL<ρ10 mL<ρ40 mL。絮體密度說明了絮體的致密程度，添加20 mL APAM溶液形成的絮體密度ρ20 mL最小。

1.5.2 CaO絮凝沉降性能

單加CaO的沉降量與時間關(guān)系曲線如圖5，密度曲線如圖6所示。CaO質(zhì)量與泥漿質(zhì)量比值分別為2‰、5‰、8‰。

圖5 CaO沉降量與時間關(guān)系曲線

圖6 CaO絮體密度曲線

從圖5中可以看出：加入無機絮凝劑CaO后24 h內(nèi)沉降速率高于原始泥漿。這是由于泥漿膠粒吸附層中的Na+、K+與Ca2+進行了離子交換，減薄了膠粒的雙電層，泥漿膠粒發(fā)生脫穩(wěn)凝聚。此外，加入CaO量越多，沉降速率v越慢(v8‰

從圖6中可以看出密度ρ的大小關(guān)系：ρ8‰<ρ5‰<ρ2‰，與沉降量關(guān)系一致。需要說明的是，雖然加入CaO量越大泥漿越稠密，但并不是越稠密密度越大。稠度是描述物體的流動性，是材料內(nèi)部摩擦的一種表現(xiàn)，泥漿內(nèi)部摩擦力越大，沉降時需要克服的阻力也就越大，這與沉降速率大小相對應。

1.5.3 CaO添加順序?qū)PAM絮凝效果的影響

為探究CaO的添加順序?qū)τ贏PAM絮凝沉降性能的影響，本文對廢漿進行了單加APAM、CaO+APAM及APAM+CaO的沉降柱試驗。試驗結(jié)果如圖7所示，APAM的加量分別為10、20、30、40 mL，CaO質(zhì)量與泥漿質(zhì)量比值均為2‰。

通過圖7(a)可以看出：

(1)當APAM加入量為10 mL時，CaO+APAM初始沉降量為0，而單加APAM初始沉降>0。說明先添加CaO不利于APAM發(fā)生絮凝作用。主要原因可能是：加入CaO后泥漿的pH值堿度增加，抑制了APAM的絮凝作用；Ca2+與泥漿中的粘土膠粒發(fā)生離子交換增大了膠粒的粒徑，而APAM更易吸附粒徑較小的顆粒。

圖7 不同APAM添加量下沉降性能對比曲線

(2)APAM及APAM+CaO初始沉降均不為0，泥漿加藥后立即出現(xiàn)分層現(xiàn)象，且APAM+CaO初始沉降量大于APAM沉降量，說明在添加少量APAM前提下，后加CaO能夠取得比單加APAM更好的絮凝效果。其主要原因是：后加的CaO在不影響APAM絮凝劑的絮凝環(huán)境的情況下，繼續(xù)和廢漿中未沉降的小顆粒發(fā)生絮凝作用，使上部的小顆粒繼續(xù)沉降。

(3)單加APAM及CaO+APAM前期沉降速率均較快而APAM+CaO較慢，這是因為APAM及CaO+APAM絮體前期較為松散，沉降時更易壓縮絮體內(nèi)部的空隙、排水。單加APAM后期沉降量比CaO+APAM更大，主要原因是：沉降后期主要為絮體自重進行固結(jié)作用，而CaO的固化作用增大絮體模量，絮體不易壓縮。

從圖7(b)、(c)、(d)可以看出：單加APAM初始沉降量以及最終沉降量均大于APAM+CaO，雖然APAM+CaO絮凝效果更好，但由于CaO的增稠作用及固化作用，使得APAM+CaO的絮體沉降量小于單加APAM產(chǎn)生的沉降量。

2 絮體顆粒粒徑

為了探究絮凝前后顆粒粒徑變化，對不同絮凝劑、相同絮凝劑不同摻量下的絮體進行顆粒粒徑分析。由于添加APAM后形成的絮體強度較小，常用的烘干碾碎法會破壞其絮體結(jié)構(gòu)，故采用濕篩法測量其顆粒組成。濕篩用的標準篩孔徑分別為：3、1、0.5、0.25、0.15、0.1及0.075 mm。

2.1 藥劑種類對顆粒粒徑的影響

2.1.1 APAM的影響

圖8為添加不同量的APAM溶液后形成的絮體顆粒組成曲線。

從圖8中可以看出：

(1)加入有機絮凝劑APAM的顆分曲線整體在原始泥漿顆分曲線的左下方，泥漿絮凝后土顆粒整體變大，0.075 mm以上各粒組土顆粒都有所增加。添加10 mL APAM溶液絮凝作用不明顯，絮體并未形成結(jié)構(gòu)且較為散狀。加入20～50 mL APAM溶液后絮凝作用明顯，絮體有較好的結(jié)構(gòu)。

(2)加入10～50mLAPAM溶液后，大于0.075 mm顆粒占總質(zhì)量的比例從原來的6.34%分別增加到了44.18%、66.40%、76.70%、89.18%、84.15%及85.72%，土顆粒粒徑從絮凝前的微米級增大到了絮凝后的毫米級。

圖8 APAM顆粒分析曲線

(3)添加10 mL APAM顆分曲線與原始泥漿及添加20 mL APAM顆分曲線間隔較大，說明10 mL與20 mL APAM土顆粒粒徑增大幅度較大。加入APAM溶液超過20 mL后再繼續(xù)添加(不超過40 mL)，土顆粒粒徑增大幅度減小。這里的增大幅度指：每多添加10 mL APAM溶液形成的大于0.075 mm顆粒多少。

(4)當添加過量的絮凝劑時(50 mL)，大于0.075 mm的土顆粒含量反而比加入40 mL時少。這主要是因為微小顆粒表面被過量的絮凝劑長鏈包裹，小顆粒沒有剩余的空白表面供絮凝劑長鏈進行吸附架橋作用，故大于0.075 mm顆粒含量反而減少。

2.1.2 CaO的影響

由于Ca2+具有一定的絮凝作用，研究了CaO不同添加量下泥漿顆粒粒徑變化。添加2‰、5‰及8‰CaO形成的絮體粒徑組成曲線如圖9所示。

從圖9中可以看出：CaO對于泥漿顆粒粒徑大小有一定的增大作用，但增加幅度較小。主要原因有：

(1)CaO絮凝機理主要是通過Ca2+進行了離子交換，壓縮雙電層，使泥漿膠粒發(fā)生脫穩(wěn)凝聚。CaO添加量較少，泥漿中Ca2+較少，故絮凝效果不明顯。

(2)CaO加入泥漿中生成Ca(OH)2微溶物質(zhì)，故泥漿中含有的Ca2+較少，絮凝效果不明顯。

(3)另外，與有機絮凝劑APAM形成的絮團相比，CaO形成的膠團之間沒有高分子鏈相連接，形成的小絮團之間無法連接，故顆粒增大不明顯。

圖9 CaO顆粒分析曲線

2.2 添加順序?qū)︻w粒粒徑的影響

由前文分析可知：無機絮凝劑CaO在添加量2‰下絮凝后顆粒粒徑增加小，添加無機及有機混合絮凝劑時，有機絮凝劑APAM起主要絮凝作用，而CaO主要起增加絮體骨架強度作用。為了探究無機絮凝劑CaO對于APAM絮凝后顆粒粒徑的影響，對單加APAM、CaO+APAM及APAM+CaO顆粒組成(主要針對大于0.075 mm顆粒)進行對比。不同APAM添加量下APAM、CaO+APAM及APAM+CaO顆粒組成對比曲線如圖10所示。大于0.075 mm絮體顆粒所占比例如表1所示。

表1 粒徑大于0.075 mm土顆粒含量 %

從圖10(a)中可以看出：添加10 mL APAM溶液前提下，大于0.075 mm顆粒含量大小關(guān)系：APAM>APAM+CaO>CaO+APAM；這種大小關(guān)系與沉降中初始沉降的大小關(guān)系(APAM+CaO>APAM>CaO+APAM)不太一致，分析其主要原因為：先加10 mL APAM后再添加CaO雖然會進一步絮凝小顆粒，但由于10 mL APAM形成的絮體較松散加入CaO攪拌時會使其破碎，同時CaO對APAM絮凝的抑制作用(主要體現(xiàn)在CaO增強了堿性及增大了顆粒的粒徑)使APAM再絮凝時生成的絮體小于單加APAM絮體粒徑。

從圖10(b)可以看出：添加20 mL APAM溶液前提下大于0.075mm顆粒含量大小關(guān)系：APAM+CaO>APAM>CaO+APAM。與加入10mL大小關(guān)系不同的原因是：加入20 mL APAM初始絮凝效果較好，后期沉降量最小、絮體結(jié)構(gòu)性最好、絮體強度最大，此時加入CaO攪拌時絮體不易破碎，此時CaO主要與剩余的小顆粒發(fā)生絮凝作用，即在APAM加量為20 mL時再添加CaO反而對絮體顆粒增大起一定促進作用。

圖10 不同APAM添加量下顆分對比曲線

從圖10(d)可以看出與圖10(b)類似規(guī)律，但圖10(c)又有所不同，其大于0.075 mm顆粒含量大小關(guān)系反而是APAM>APAM+CaO。

綜合圖10(a)、(b)、(c)、(d)分析，后添加CaO對于APAM絮凝后顆粒粒徑的影響主要取決于加入CaO的攪拌時絮體破壞程度：(1)在相同APAM添加量的前提下，如果在加入CaO時攪拌過快或者加入APAM后絮體本身強度較小，絮體發(fā)生破壞較多，絮體所含大于0.075 mm顆粒含量關(guān)系：APAM>APAM+CaO；(2)攪拌速度慢或者加入APAM后絮體強度本身較大時，絮體發(fā)生破壞較少，大顆粒含量關(guān)系：APAM+CaO>APAM。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

針對溫州泥漿研究了無機絮凝劑CaO的不同添加順序?qū)τ袡C絮凝劑APAM絮凝效果以及泥漿顆粒粒徑大小的影響，得出如下主要結(jié)論。

(1)APAM的絮凝效果明顯。添加少量的APAM溶液(10 mL)初始沉降量小，但沉降速率快，達到穩(wěn)定的時間較長；增加APAM溶液的劑量，泥漿初始沉降變大，沉降速率較慢，沉降穩(wěn)定所需的時間較短(約24 h)；添加20 mL APAM溶液，沉降穩(wěn)定后絮體體積密度最小，說明加入20 mL APAM溶液形成的絮體骨架強度最高。

(2)CaO具有一定的絮凝作用，但在較低添加量下效果不明顯。加入CaO量越多，泥漿稠度越大，沉降速率越慢(v8‰

(3)先添加CaO再添加APAM，不利于APAM絮凝作用的發(fā)揮。這是因為CaO使泥漿的pH值堿度增加，抑制APAM的絮凝作用，此外Ca2+與泥漿中的粘土膠粒發(fā)生離子交換增大了膠粒的粒徑，而APAM更易吸附小粒徑顆粒。

(4)先加APAM再加CaO，此時CaO會繼續(xù)和廢漿中未沉降的小顆粒發(fā)生絮凝沉降。后添加CaO情況下，CaO對于最終的絮體粒徑的影響主要取決于絮體本身的強度及攪拌強度。

3.2 展望

(1)泥漿中加入無機和有機化學藥劑，通過電中和、壓縮雙電層、架橋吸附和網(wǎng)捕等共同作用，將泥漿中的細小顆粒連接起來生成粗大顆粒，從而達到絮凝。無機與有機絮凝材料協(xié)同作用需要進一步研究。

(2)本文中無機絮凝劑CaO的添加量(針對溫州地區(qū)泥漿)為最佳絮凝區(qū)域數(shù)值。添加量過小則絮凝效果不明顯，添加量過大則出現(xiàn)固化現(xiàn)象，在經(jīng)濟上不可取。但針對不同地區(qū)廢棄泥漿的絮凝沉降特性的研究仍需探討。

(3)無機絮凝劑CaO添加順序明顯影響絮凝體的沉降量和顆粒粒徑，但是否是影響絮凝效果的主要因素，值得進一步探索和研究。