成都黏土工程廢漿絮凝-氣壓法脫水效果分析

蔣 炳， 陳禮儀*， 姚 蒲， 向浩天， 喬友浩

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059；2.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610059)

在鉆孔過(guò)程中，由于不斷將沉積層的土屑、巖屑攜帶到地面，會(huì)造成泥漿性質(zhì)不斷變化，當(dāng)泥漿的性質(zhì)逐漸變差以至于不能滿足工程使用時(shí)，即變成了工程廢泥漿。

通常而言對(duì)于工程廢泥漿的處理主要有化學(xué)調(diào)節(jié)法和機(jī)械壓濾法。脫水法是指在廢泥漿中加入藥劑，使藥劑與泥漿發(fā)生反應(yīng)，在自由沉降作用或者在外力作用下實(shí)現(xiàn)泥水分離。Asano 等[1]研究了殼聚糖在污泥中的應(yīng)用，通過(guò)試驗(yàn)表明，當(dāng)添加量為0.6%～1.4%時(shí)脫水效果最佳；Turchiuli 等[2]在分析污泥脫水的影響因素基礎(chǔ)上，研究了絮體結(jié)構(gòu)與污泥脫水的關(guān)系；Boran 等[3]研究了絮凝劑消耗量和離心負(fù)荷作用對(duì)污泥脫水和濃縮物質(zhì)量的影響；耿朋飛等[4]通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)不同類型絮凝劑不同劑量下對(duì)泥漿脫水效果進(jìn)行研究；劉建華等[5]對(duì)中國(guó)幾種廢棄泥漿處理方法進(jìn)行了比較分析，并重點(diǎn)研究了固液分離技術(shù)中的化學(xué)絮凝與機(jī)械分離；楊春英等[6]采用聚丙烯酰胺對(duì)泥漿進(jìn)行脫水分離研究，并對(duì)絮凝作用機(jī)理進(jìn)行了分析，提出絮凝是“黏土顆粒-水-絮凝劑”相互作用過(guò)程的理論；朱鋒等[7]自制液壓壓濾設(shè)備對(duì)鉆孔黏土廢棄泥漿進(jìn)行絮凝壓濾脫水研究，對(duì)混合絮凝劑進(jìn)行正交試驗(yàn)，與現(xiàn)有的廢棄泥漿處理方式相比，先加混合絮凝劑后壓濾脫水的方法，能夠提高廢棄泥漿處理效率；梁止水等[8]采用化學(xué)絮凝的方法對(duì)建筑廢棄泥漿快速泥水分離性能進(jìn)行研究；武亞軍等[9]將真空預(yù)壓法與絮凝沉淀法相結(jié)合用于工程廢漿的固液分離；曾琦[10]針對(duì)石油領(lǐng)域廢棄鉆井液難處理的問(wèn)題，采用以真空脫水為核心的新型裝置進(jìn)行脫水研究；高宇等[11]以毛細(xì)吸水時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了絮凝劑對(duì)廢棄泥漿脫水性能的影響；鄧明莉[12]研究了有機(jī)絮凝劑對(duì)渣土廢泥漿的脫水性能影響。依托地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室配制成都黏土工程廢漿，從物理、化學(xué)、物化協(xié)同3個(gè)角度進(jìn)行脫水試驗(yàn)研究最佳脫水配方。研究結(jié)果表明，對(duì)于成都黏土為主的高含泥量工程廢泥漿能夠用合適的脫水方法進(jìn)行快速減量化處理。

現(xiàn)提出一種新型的物化結(jié)合脫水方法，即絮凝-氣壓脫水法。對(duì)物理方法進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，對(duì)化學(xué)方法進(jìn)行復(fù)配優(yōu)選，提出的配方絮凝效果明顯好于單獨(dú)絮凝劑的絮凝效果，在物理方法、化學(xué)方法二者協(xié)同作用下，可取得很好的工程廢漿脫水處理效果。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)器材

1.1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)主要儀器為六聯(lián)失水儀。

1.1.2 試驗(yàn)材料

(1)黏土。包括成都黏土和鈉基膨潤(rùn)土。

(2)無(wú)機(jī)聚合物。聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鋁鐵(PAFC)。

(3)有機(jī)絮凝劑。主要包括聚丙烯酰胺(APAM)、聚氧化乙烯(PEO)

1.2 試驗(yàn)方法

為保證每次試驗(yàn)的一致性，在進(jìn)行絮凝-氣壓協(xié)同作用試驗(yàn)之前，先將成都黏土工程廢漿在攪拌機(jī)作用下充分?jǐn)嚢瑁瑢PAM、PEO分別配制成0.2%、0.3%、0.4%質(zhì)量濃度的藥劑，放置24 h。取若干500 mL塑料燒杯，然后量取體積為275 mL成都黏土工程廢漿倒入500 mL塑料燒杯中，準(zhǔn)確稱量泥漿質(zhì)量0.5%的PAC、PAFC、PFS無(wú)機(jī)聚合物，緩慢均勻加入到塑料燒杯中，并用玻璃棒攪拌均勻，靜置60 min后進(jìn)行氣壓試驗(yàn)。分別加入30、40、50 mL不同質(zhì)量濃度的有機(jī)絮凝劑APAM和PEO，用玻璃棒攪拌均勻后，靜置30 min，每次取341 g絮凝劑與泥漿的混合液倒入六聯(lián)失水儀容量杯，進(jìn)行氣壓試驗(yàn)。在氣壓試驗(yàn)過(guò)程中，每5 min測(cè)量一次濾出水量。

而后進(jìn)行正交試驗(yàn)，在成都黏土工程廢漿進(jìn)行絮凝作用之前，采用與單一絮凝劑試驗(yàn)相同的攪拌方式對(duì)泥漿進(jìn)行攪拌。取出275 mL泥漿，首先添加無(wú)機(jī)聚合物，并進(jìn)行攪拌，待無(wú)機(jī)聚合物與泥漿反應(yīng)完全，再加入有機(jī)絮凝劑PEO，攪拌均勻后，量取341 g混合液加入到失水儀容量杯中，進(jìn)行氣壓脫水試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)脫水量每隔5 min測(cè)量一次。對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析。將正交試驗(yàn)所得配方絮凝劑與單一絮凝劑進(jìn)行效果比對(duì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單一絮凝劑對(duì)脫水的影響

2.1.1 無(wú)機(jī)絮凝劑對(duì)脫水的影響

當(dāng)無(wú)機(jī)聚合物加量為泥漿質(zhì)量的0.5%時(shí)，單一無(wú)機(jī)聚合物PAC、PAFC、PFS對(duì)泥漿脫水試驗(yàn)效果如圖1所示。

圖1 不同無(wú)機(jī)聚合物絮凝-氣壓試驗(yàn)脫水效果Fig.1 Flocculation-barometric test dewatering effect of different inorganic polymers

經(jīng)過(guò)60 min絮凝作用和90 min壓濾作用，PAC、PAFC、PFS最終濾出的清液體積為112、103、86 mL。通過(guò)計(jì)算加入PAC、PAFC、PFS的泥餅的含水率分別為50.4%、52.3%、55.5%，相比于原始泥漿，含水率降低了約16.3%。在用PAC無(wú)機(jī)聚合物進(jìn)行絮凝-氣壓的泥漿脫水試驗(yàn)中，隨著時(shí)間的增加，泥漿的壓濾脫水量相應(yīng)增多，脫水速率逐漸降低，脫水曲線呈非線性增長(zhǎng)。在氣壓試驗(yàn)前20 min內(nèi)，脫水量增長(zhǎng)速率較快，隨著時(shí)間的增加，每5 min脫水量逐漸降低。對(duì)于泥漿中加入無(wú)機(jī)聚合物PAFC進(jìn)行的脫水試驗(yàn)中，其脫水效率略低于PAC，但是高于PFS，脫水曲線也是呈非線性增長(zhǎng)，在前20 min內(nèi)，速率較快?？芍?，PAC的脫水最佳。

2.1.2 有機(jī)絮凝劑對(duì)脫水的影響

在廢漿中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、0.3%、0.4%的APAM溶液，效果如圖2所示。在APAM溶液添加量為30、40、50 mL作用下濾出清液隨時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。

圖2 絮凝劑APAM作用的泥漿靜置沉降試驗(yàn)Fig.2 Static settlement test of mud under the action of flocculant APAM

圖3 不同濃度不同加量APAM對(duì)絮凝-氣壓 試驗(yàn)脫水效率的影響Fig.3 Effect of APAM with different concentrations and additions on flocculation-pressure test dehydration efficiency

加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的有機(jī)絮凝劑APAM溶液泥漿并未實(shí)現(xiàn)沉降分離，但根據(jù)傾倒試驗(yàn)，泥漿的流動(dòng)性由原始泥漿的液態(tài)逐漸變成半流動(dòng)性的狀態(tài)，有一定的堆積性和強(qiáng)度。相比于原始泥漿在0.2 MPa氣壓作用下45 min壓濾出37 mL，而投加不同添加量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的有機(jī)絮凝劑APAM溶液在相同壓力相同時(shí)間壓濾出的清液分別為50、57、62 mL。濾出清液增量不大，添加量主要起稀釋作用，所以低濃度的有機(jī)絮凝劑APAM對(duì)這種高含泥量的泥漿絮凝效果不明顯。275 mL泥漿在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的有機(jī)絮凝劑APAM溶液40 mL時(shí)，所取341 g混合液所濾出清液最多為113 mL，在前15 min內(nèi)，壓濾出水效率最高，可以出水83 mL，占總出水量的73%。而后效率逐漸降低，整個(gè)曲線呈非線性增長(zhǎng)。同樣條件下添加50 mL該濃度絮凝劑，所取341 g混合液所濾出清液最多為106 mL；當(dāng)添加量275 mL泥漿在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的有機(jī)絮凝劑APAM溶液30 mL時(shí)，所取341 g混合液所濾出清液最多為105 mL。其余質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%、0.4%的不同添加量濾出清液均小于100 mL。實(shí)驗(yàn)效果如圖4所示。

對(duì)于有機(jī)絮凝劑PEO在相同操作模式作用下濾出清體積液隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖5所示。

圖4 有機(jī)絮凝劑PEO絮凝效果Fig.4 Flocculation effect of organic flocculant PEO

圖5 不同濃度、不同加量PEO對(duì)絮凝-氣壓試驗(yàn) 脫水效率的影響Fig.5 Effect of different concentration and dosage of PEO on dewatering efficiency of flocculation-barometric test

有機(jī)絮凝劑PEO溶液的泥漿脫水效率相比APAM明顯提高。當(dāng)質(zhì)量濃度為0.2%的PEO溶液對(duì)泥漿沒(méi)有出現(xiàn)快速明顯泥水分離現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)45 min的壓濾并沒(méi)有形成完整的泥餅，仍然有部分泥漿存在于容量杯中。但是根據(jù)絮凝-氣壓試驗(yàn)可以知道投加不同添加量質(zhì)量濃度為0.2%的PEO溶液在0.2 MPa作用下45 min濾出清液分別為100、111、128 mL，大致相當(dāng)于同條件下添加絮凝劑APAM濾出清液的兩倍體積，含泥量泥漿PEO的絮凝效果明顯大于APAM。

同樣，對(duì)于添加質(zhì)量濃度為0.3%的PEO溶液且添加量為30、40、50 mL時(shí)，所取341 g混合液濾出清液的體積分別為124、134、185 mL。對(duì)于添加質(zhì)量濃度為0.4%的PEO溶液，所取341 g混合液濾出清液的體積分別為156、160、178 mL。對(duì)于投加量50 mL的泥漿，在15 min內(nèi)，脫水量極大，效率極高，其脫水效率遠(yuǎn)大于低濃度添加量或相同濃度其他加藥量的脫水效率。隨著時(shí)間的推移，壓濾脫水量極差逐漸降低。它在5 min內(nèi)濾出清液137 mL，其中第1 min濾出85 mL。第6 min以氣泡形式出水，第6～15 min，氣泡出水速率較快，而后約均勻遞減，到40～45 min時(shí)間內(nèi)，幾乎不出水，說(shuō)明已經(jīng)達(dá)到該添加量下脫水的極限，所以該濃度、該添加量是最佳效果。而添加質(zhì)量濃度為0.4%的PEO絮凝劑，濾出的清液與質(zhì)量濃度0.3%添加50 mL濾出清液相差不大。但是從配制絮凝劑難易程度、脫水效率、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)來(lái)看，對(duì)于該泥漿選擇質(zhì)量濃度為0.3%的PEO絮凝劑50 mL為最佳。

對(duì)泥餅含水率和氣壓試驗(yàn)前加入容器341 g混合液的含水率進(jìn)行計(jì)算。可知不同投加量加入容量杯的含水率和與原泥漿含水率66.7%相比含水率的增量，如表1所示。

表1 不同投加量后泥漿混合液的含水率變化

同時(shí)經(jīng)過(guò)計(jì)算可以知道用不同絮凝劑不同添加量絮凝-氣壓處理的泥漿，最終含水率以及泥餅含水率與原泥漿含水率的差量，如圖6所示。經(jīng)過(guò)絮凝-氣壓法處理后的泥餅如圖7所示。

圖6 不同藥劑試驗(yàn)后泥餅最終含水率Fig.6 Final water content of mud cake after different reagent tests

泥餅質(zhì)量為94.45 g，濾紙為定性濾紙，直徑10 cm圖7 絮凝-氣壓法處理后的泥餅Fig.7 Mud cake treated by flocculation-air pressure method

經(jīng)過(guò)絮凝-氣壓試驗(yàn)處理后的泥漿含水率相比于原始泥漿含水率都有了一定幅度的下降，其中添加APAM質(zhì)量濃度為0.2%的絮凝劑時(shí)，含水率下降幅度最小為2.2%，就不同質(zhì)量濃度區(qū)間不同加量APAM溶液而言，含水率下降量最大為11.3%。而對(duì)于添加同種條件下的絮凝劑PEO，泥餅含水率下降最小量和最大量分別為10%、30.2%。所以從泥餅含水率角度而言，PEO絮凝劑對(duì)于該泥漿的絮凝效果遠(yuǎn)大于APAM。同時(shí)，用絮凝劑PEO和無(wú)機(jī)聚合物單獨(dú)脫水后形成的泥餅，其密實(shí)度也大于APAM處理后的密實(shí)度。

2.2 復(fù)配絮凝劑脫水效果

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)前期篩選試驗(yàn)，選取PAC和PEO進(jìn)行復(fù)配，經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)，PAC2.4 g/275 mL、PEO質(zhì)量濃度0.3%、添加量50 mL的脫水效率最高。5 min時(shí)脫水高達(dá)142 mL，總脫水量為194 mL，使最終泥餅的含水率為32.52%。

2.2.2 極差分析

對(duì)于因素A，各個(gè)水平絮凝-氣壓脫水量分別為A1：a=116+160+183=459 mL；A2：b=157+156+164=477 mL；A3：c=129+194+153=476 mL。

因素A中每個(gè)水平的平均脫水量K1=153 mL、K2=159 mL、K3=158.7 mL和平均結(jié)果的極差R=6 mL。另分析因素B、C的影響，如表2所示。

因素C,PEO的添加量對(duì)泥漿絮凝-氣壓試驗(yàn)脫水效果的影響最顯著，PAC的添加量對(duì)樣本泥漿的脫水效果最小，各因素影響的主次為C、B、A，最優(yōu)水平組合為A3B2C3。

根據(jù)表2作水平-試驗(yàn)指標(biāo)規(guī)律變化圖來(lái)表示各因素水平影響的趨勢(shì)，如圖8所示。

從圖8中可以看出，當(dāng)PAC添加量處于1.0～1.7 g時(shí)隨著加藥量的增加混合絮凝劑的脫水效果隨之增加，但是當(dāng)PAC加藥量過(guò)大時(shí)，隨著藥量增加脫水量反而減少。這一方面是因?yàn)檫^(guò)量的PAC水解出過(guò)多的Fe3+、Al3+等陽(yáng)離子依附在土顆粒表面，使得其間的靜電斥力變大，凝聚效果降低；另一方面影響了泥漿的流動(dòng)性，不利于進(jìn)行氣壓試驗(yàn)。當(dāng)PEO質(zhì)量濃度在0.2%～0.3%時(shí)，隨著濃度的增加，泥漿濾出水量顯著增加，說(shuō)明PEO質(zhì)量濃度對(duì)泥漿的脫水效果影響很明顯，但是當(dāng)濃度高于一定值時(shí)，由于PEO溶液本身的黏稠度過(guò)大，可能會(huì)阻礙絮凝劑對(duì)土顆粒的架橋吸附，表現(xiàn)為脫水量有所下降，且部分水具有黏度。對(duì)于因素PEO投加量而言，投加量在30～50 mL的區(qū)間，隨著加量的增加，脫水量也顯著增多，其中40～50 mL區(qū)間脫水量增加率顯著是大于30～40 mL段。

表2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖8 不同因素的水平-指標(biāo)變化Fig.8 Level-Indicator changes of different factors

2.3 單一與復(fù)配絮凝劑脫水效果比較

選擇在絮凝-氣壓試驗(yàn)作用下，相同添加量，唯一變量為單一和復(fù)配的不同。

a組：無(wú)機(jī)聚合物PAC添加量占泥漿質(zhì)量0.5%。

b組：有機(jī)絮凝劑PEO添加量為質(zhì)量濃度0.3%加量30 mL。

c組：有機(jī)絮凝劑APAM添加量為質(zhì)量濃度0.3%加量30 mL。

d組：先加PAC(0.5%)再加PEO(0.3%+30 mL)。

e組：先加PAC(0.5%)再加APAM(0.3%+30 mL)。

選擇以上5組試驗(yàn)，探究對(duì)比PAC、PEO、PAC+PEO和PAC、APAM、PAC+APAM兩種情形下單一與復(fù)配對(duì)泥漿脫水效率與速率的影響，如圖9所示。

圖9 單一與復(fù)配藥劑絮凝-氣壓脫水比較Fig.9 Comparison of flocculation-pressure dehydration of single and compound agents

對(duì)于PAC、PEO、PAC+PEO，d組復(fù)配絮凝劑的凈絮凝脫水量為144 mL/25 min，其平均速率為28.8 mL/5 min。而b組單一無(wú)機(jī)聚合物PEO凈脫水量為124 mL/45 min，平均速率為13.78 mL/5 min，同理a組凈脫水量78 mL/35 min，平均速率為2.22 mL/5 min。從平均速率上來(lái)看，可以知道復(fù)配絮凝劑的凈脫水效率是單一絮凝劑效率的10倍左右；從絮凝-氣壓試驗(yàn)全過(guò)程看，3組總脫水量分別占泥漿總量的49.3%、52.4%、66%，其中a組的作用時(shí)間為90 min。所以復(fù)配藥劑能夠脫出更多的水，也就使得最終得到的泥餅含水率更低。綜上可知，復(fù)配藥劑在絮凝-氣壓的試驗(yàn)條件下，其脫水效率顯著高于單一絮凝劑的脫水效率。

同理，對(duì)于情形PAC、APAM、PAC+APAM而言，e組復(fù)配絮凝劑的凈脫水量為90 mL/35 min，平均速率為12.9 mL/5 min；相應(yīng)的c組APAM脫水量為78 mL/25 min，平均速率為15.6 mL/5 min；對(duì)于這一類別，復(fù)配絮凝劑PAC+APAM比單一絮凝劑APAM的凈脫水速率要慢，但總脫水量復(fù)配107 mL大于單一97 mL。出現(xiàn)這種情況的原因是APAM能夠?qū)ね列跄奢^大的絮體，而復(fù)配的絮凝劑形成的絮體較小，所以單一APAM顆粒間的間隙水較多，所以凈絮凝速率大于單一的APAM。由于在泥漿加入有機(jī)絮凝劑前，提前加了無(wú)機(jī)聚合物PAC，PAC雖然不能對(duì)泥漿起到很大的絮凝作用，但是能夠起到一個(gè)骨架作用，為后續(xù)的氣壓試驗(yàn)增大液體流動(dòng)的通道，也就是說(shuō)增大了泥餅多孔介質(zhì)的孔洞，孔隙，提高了氣壓的脫水量及效率。所以就總的脫水量而言，復(fù)配絮凝劑要大于單一絮凝劑。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)分析，對(duì)無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑的絮凝效果單獨(dú)分析，加上復(fù)配之后的絮凝劑的效果分析，結(jié)合提出的絮凝-氣壓法脫水處理方法，對(duì)處理工程廢漿的實(shí)際應(yīng)用具有一定參考意義，得到以下結(jié)論：

(1)加入無(wú)機(jī)聚合物雖然不能直接進(jìn)行泥水分離，但在氣壓的作用下，沉降效果已經(jīng)明顯改善，濾出大量的清液，形成泥餅。針對(duì)3種無(wú)機(jī)聚合物而言，PAC鹽水解-聚合產(chǎn)物的聚合粒子的聚合度要略高于PAFC，大于PFS，所以針對(duì)單一絮凝劑，PAC脫水效果最好。但靜置沉降條件下不足以實(shí)現(xiàn)泥水分離。處理后的廢泥漿與未處理的表觀上大致一樣。

(2)有機(jī)絮凝劑PEO的脫水效果優(yōu)于APAM和PAC，可見(jiàn)在絮凝過(guò)程中，使用有機(jī)絮凝劑的效果要優(yōu)于無(wú)機(jī)絮凝劑。

(3)復(fù)配后的絮凝劑因?yàn)榧尤肓虽X鹽無(wú)機(jī)聚合物，在泥漿中電離出[Al6(OH)15]3+、[Al7(OH)17]4+、[Al8(OH)20]4+、[Al13(OH)34]5+等。與只加有機(jī)絮凝劑PEO相比，因?yàn)轲ね?水膠體體系先行被破壞，所以復(fù)配絮凝劑能夠更容易地將高分子鏈與黏土顆粒連接起來(lái)，脫水效果也就優(yōu)于單加情況。