武漢地區(qū)建筑廢棄泥漿泥水分離試驗(yàn)研究

鄭 亮 ，劉曉燁，潘希軍 ，郁紅飛 ，李關(guān)雄 ，李煜坤 ，郭宇潮 ，穆慶嵐

（1.湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北武漢430050；2.武漢地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北武漢430050；3.江漢大學(xué)工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430056）

0 引言

鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻等建筑工程施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄泥漿，這些泥漿多為穩(wěn)定的膠體形態(tài)，自然靜置很難沉淀分離。通常會(huì)采用機(jī)械壓濾、旋流離心和添加絮凝劑等方法進(jìn)行泥水分離［1-3］，但較多的研究主要集中在單一泥漿類型，并未對(duì)泥漿處理效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。建筑廢棄泥漿主要由有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)物組成，重金屬和非金屬有害物含量非常少［4］，懸浮固體濃度（SS）、懸浮顆粒攜帶污染物（COD）、總氮（TN）及總磷（TP）等污染物排放指標(biāo)隨著濁度增加而增加［5］，故此對(duì)廢棄泥漿顆粒進(jìn)行處理，可以減少污染物通過(guò)徑流方式排入附近水域，對(duì)保護(hù)地表水體有著重要的意義。因此本試驗(yàn)的要點(diǎn)是依據(jù)清液濁度和清液率為主要指標(biāo)，尋求對(duì)廢棄泥漿顆粒處理的最佳方式。

1 樣品來(lái)源及其主要地層性狀

選取武漢地區(qū)工程實(shí)踐中不同地層類型、不同施工工藝的4 個(gè)泥漿樣品來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。泥漿均從泥漿池返漿口處取得，樣品主要特征見(jiàn)表1。

表1 各泥漿樣品的主要特點(diǎn)Table 1 Main characteristics of mud samples

2 廢棄泥漿基本物理和化學(xué)性質(zhì)

采用NB-1 型泥漿密度計(jì)、1006 型泥漿粘度計(jì)、NA-1 型泥漿含砂量測(cè)定儀、PH-10 型pH 計(jì)及DT-300 型電位儀測(cè)定泥漿的基本物理性質(zhì)，見(jiàn)表2。

表2 各泥漿樣品的物理特性Table 2 Physical properties of mud samples

將泥漿樣品混勻后，取100 mL 放入真空干燥箱中，60 ℃下烘干，碾碎，并放入鼓風(fēng)干燥箱中110 ℃干燥2 h。將干燥泥漿粉末進(jìn)行壓片，并放入Rigaku Primus II 型 XRF 熒光光譜儀中進(jìn)行分析［6］。分析結(jié)果見(jiàn)表3。

建筑廢棄泥漿主要成分以粉砂、粘土顆粒等無(wú)機(jī)物為主［7］，本次分析主要為泥漿固相顆粒中各元素成分占比（原子序數(shù)＞9 的元素，不含清液中固相顆粒）。由表3 可以看出，各泥漿固相成分樣品中無(wú)機(jī)元素占比為20%左右，元素成分、種類和含量基本一致，其中Si 含量較大，占10%左右，其次是Al，占4%左右，再者為K、Ca，各占2%以內(nèi)；有機(jī)成分占80%左右，主要為含有機(jī)質(zhì)成分的土壤顆粒［8］。

表3 廢漿樣品中固相組分元素成分Table 3 Solid?phase components in mud samples %

3 廢棄泥漿處理

由于建筑廢棄泥漿中含有大量的水分，如何采取行之有效的方式來(lái)將泥水分離，實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用是本研究的主要目的。清液率越高、清液濁度越低，分離后的水質(zhì)就越好。其中清液率主要為泥水分離后上清液的體積占比率；清液濁度為上清液中顆粒物濃度的一種表征形式。旋流除砂可以去除 40～74 μm 的固相顆粒，離心機(jī)可以去除 2～44 μm 的固相顆粒［9］，不同設(shè)備對(duì)不同粒徑顆粒處理效果不一。因此，本文主要通過(guò)物理與化學(xué)藥劑方式對(duì)廢漿進(jìn)行處理，旨在尋找高效、合適的廢漿處理方法，為大規(guī)模廢漿處理工藝提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。對(duì)于處理效果指標(biāo)，采用粒度范圍較難衡量，故采用處理時(shí)間、清液率、清液濁度這幾個(gè)較直觀的指標(biāo)來(lái)表示。

3.1 廢棄泥漿自由沉降及抽濾處理

3.1.1 自由沉降對(duì)泥漿的處理效果

將泥漿放入沉降柱中進(jìn)行72 h 的自由沉降，采用WZS-185A 型濁度儀測(cè)定濁度，其結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 各泥漿樣品自然沉降結(jié)果Fig.1 Settlement results of mud samples

泥漿樣品2 和樣品3 沉降速度慢，泥水分離狀況不佳，但測(cè)得其上清液的散射濁度較低，在100 NTU 內(nèi)，清液可循環(huán)利用。樣品1 和樣品4 的泥漿沉降性能較好，清液率分別為60%和41%左右，但樣品1 的清液濁度較大，為300 NTU。

3.1.2 重力過(guò)濾對(duì)泥漿的處理效果

4 個(gè)泥漿樣品原水濁度均大于1000 NTU，對(duì)50 mL 混勻后的泥漿廢水通過(guò)103 慢速定性濾紙進(jìn)行過(guò)濾，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各泥漿樣品過(guò)濾處理結(jié)果Table 4 Filtration results of mud samples

從重力過(guò)濾處理效果上看，4 個(gè)泥漿樣品的處理效果都較為理想，處理后的清液濁度極低，均不超過(guò)10 NTU，說(shuō)明1 μm 以下的顆粒占比較低，泥水分離非常好。從過(guò)濾效率上看，樣品1 和樣品4 明顯優(yōu)于樣品2 和樣品3，但總體速度都偏慢，不適合工業(yè)規(guī)模處理。

3.1.3 真空抽濾對(duì)泥漿的處理效果

由于工業(yè)上常采用壓濾機(jī)進(jìn)行泥水分離［10］，因此利用真空抽濾的方式模擬壓濾機(jī)對(duì)泥漿樣品進(jìn)行處理。4 個(gè)泥漿樣品原水濁度均大于1000 NTU，對(duì)50 mL 混勻后的泥漿廢水進(jìn)行真空抽濾處理，濾紙為103 定性濾紙，其結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各泥漿樣品真空抽濾結(jié)果Table 5 Vacuum filtration results of mud samples

從真空抽濾結(jié)果來(lái)看，樣品2 由于泥漿顆粒較細(xì)，堵塞了濾紙空隙，使得抽濾時(shí)壓力過(guò)大，將濾紙損毀，無(wú)法進(jìn)行真空抽濾處理。其他3 個(gè)樣品處理效果較為理想，清液濁度均未超過(guò)50 NTU。

從處理清液率上分析，樣品1 和樣品4 的泥漿減量可達(dá)80%以上，說(shuō)明對(duì)于這2 個(gè)樣品而言，雖然處理后水渾濁度比自然過(guò)濾略高，但對(duì)于泥漿的減量和泥水分離效果非常好，并且相比重力過(guò)濾，抽濾速率也非?？?，若利用大型生產(chǎn)設(shè)備，效果會(huì)更加理想。因此對(duì)于1、4 號(hào)泥漿而言，抽濾處理對(duì)于泥漿的減量和處理效率是比較好的選擇。而對(duì)于2、3 號(hào)泥漿而言，則不適宜利用抽濾進(jìn)行處理。

3.1.4 機(jī)械離心對(duì)泥漿的處理效果

機(jī)械離心也是工業(yè)上常采用的泥水分離方式，主要采用離心機(jī)［11］、旋流器［12］，針對(duì)建筑泥漿，采用離心機(jī)的方式進(jìn)行處理。對(duì)于15 mL 混勻后的泥漿廢水進(jìn)行4000 r/min、10 min 離心處理，處理效果見(jiàn)圖2。樣品2 效果不理想，泥水分離不充分，清液濁度＞1000 NTU，超過(guò)設(shè)備量程，而且清液率＜5%。分析原因，由于樣品2 采用旋挖鉆機(jī)施工，其地層主要為粉質(zhì)粘土，施工中泥漿的蒙脫石膨潤(rùn)土損耗較少［13］，使得其含有較多粒徑＜2 μm 的顆粒，不易離心分離［14］。

圖2 各泥漿樣品離心處理效果Fig.2 Mud samples after centrifugal treatment

對(duì)于樣品1，在4000 r/min、1 min 就可以讓泥漿的濁度降到150 NTU 以下，清液率＞75%；5 min 的處理效果較好，泥漿濁度可下降到50 NTU 以下，清液率可達(dá)到接近90%。對(duì)于2000 r/min 而言，效果稍差，需要10 min 左右，濁度可降到100 NTU 以下，清液率在80%左右。因此對(duì)于泥漿樣品1 而言，機(jī)械離心的最佳參數(shù)為4000 r/min、5 min，見(jiàn)圖3。

圖3 樣品1 離心試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Centrifugation results of Sample 1

對(duì)于樣品3，4000 r/min、5 min 的處理效果也較好，可以讓泥漿的濁度降到100 NTU 左右，但清液率較低，接近 40%；4000 r/min、10 min 的處理效果較好，清液率50%以上。對(duì)于2000 r/min 而言泥漿處理效果不佳，10 min 離心處理泥漿濁度仍接近300 NTU，清液率僅略大10%。說(shuō)明離心對(duì)泥漿樣品3 處理效果雖好，但處理量不夠大，對(duì)于泥漿的減量效果不明顯，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 樣品3 離心試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Centrifugation results of Sample 3

對(duì)于樣品4，跟樣品1 處理效果基本一致，4000 r/min、5 min 的處理效果就可使泥漿的濁度降到50 NTU，清液率在 85% 左右；2000 r/min、5 min 的處理效果也較好，但清液率在60%左右，對(duì)泥漿減量效果不太理想。2000 r/min、10 min 處理對(duì)泥漿的減量有所提升，清液率接近80%。因此對(duì)于4 號(hào)泥漿而言最佳處理參數(shù)為4000 r/min、5 min，見(jiàn)圖5。

圖5 樣品4 離心試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Centrifugation results of Sample 4

綜合分析，對(duì)于樣品2 和樣品3 而言，利用低速離心方式的處理效果不理想，雖然樣品3 經(jīng)過(guò)4000 r/min、10 min 的處理效果較好，但對(duì)泥漿減量效果較差，處理量不夠大。對(duì)于樣品1 和樣品4，離心效果比較顯著，最佳參數(shù)為4000 r/min、5 min，處理后濁度均可下降到50 NTU 左右，清液率接近90%。4000 r/min、10 min 就可保證泥漿清液率在90%以上，減量效果明顯。

3.2 廢棄泥漿的絮凝正交試驗(yàn)

3.2.1 有機(jī)絮凝劑對(duì)泥漿廢水處理正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于自然沉降效果不夠理想，而通過(guò)泥漿成分分析得知泥漿中有機(jī)質(zhì)的含量較大，宜采用有機(jī)絮凝劑進(jìn)行絮凝沉淀，加強(qiáng)沉降效果后，再聯(lián)合機(jī)械處理進(jìn)行泥水分離效果會(huì)更好。因此，采用聚丙烯酰胺高分子絮凝劑（簡(jiǎn)稱PAM）進(jìn)行正交試驗(yàn)［15］來(lái)選出最佳試驗(yàn)參數(shù)。

PAM 分子式為（C3H5NO）n，常用 PAM 分為陽(yáng)離子、陰離子和非離子3 種類型，主要在水溶后通過(guò)接枝或交聯(lián)得到支鏈或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)液相中顆粒物進(jìn)行捕集，使其團(tuán)聚沉降形成絮凝作用，由于該絮凝劑性能優(yōu)越，工業(yè)上常用于水處理、石油開(kāi)采、造紙、醫(yī)用、紡織等領(lǐng)域。本文選用常用的陽(yáng)離子、陰離子和非離子3 種類型的PAM 絮凝劑進(jìn)行處理廢漿，所有絮凝劑的濃度配置為5‰，試驗(yàn)方案見(jiàn)表6［16］，為滿足正交實(shí)驗(yàn)方案完整性，增設(shè)D、E 兩列空列。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 PAM 絮凝劑沉降試驗(yàn)方案(L45)Table 6 PAM flocculant settlement test scheme

表7 PAM 絮凝劑沉降正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 7 Results and analysis of PAM flocculant settlement orthogonal test

分析正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差，對(duì)于泥漿清液率指標(biāo)而言，影響因素最大的是泥漿種類，樣品1 最容易沉降；再者就是絮凝劑種類，陽(yáng)離子絮凝劑處理效果最好，該結(jié)論與于真真［17］、丁光亞等［18］的研究結(jié)果一致；最后是絮凝劑用量，3%為最佳用量。因此對(duì)于清液率來(lái)說(shuō)，最佳參數(shù)為樣品1，5‰的陽(yáng)離子絮凝劑用量為3%。對(duì)于清液濁度指標(biāo)而言，影響因素最大的是絮凝劑的濃度，3%的濃度比例下，清液的濁度最低；其次是泥漿種類，也同樣是樣品1 的清液率較低，最后是絮凝劑種類，但絮凝劑種類極差比空列極差還低，說(shuō)明絮凝劑種類對(duì)濁度的影響不大。

3.2.2 陽(yáng)離子絮凝劑單因素試驗(yàn)及結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行綜合分析，對(duì)于4 種泥漿樣品，選擇5‰的陽(yáng)離子絮凝劑，濃度3%的效果是最佳的。為驗(yàn)證正交試驗(yàn)所得最佳參數(shù)，取4 種泥漿樣品各500 mL，采用陽(yáng)離子絮凝劑，在不同濃度條件下進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

對(duì)于樣品1 而言，試驗(yàn)顯示加入30 mL 絮凝劑時(shí)，清液率為30.8%，濁度為27.0 NTU，清液濁度較低，效果好，見(jiàn)圖6。

圖6 樣品1 絮凝劑濃度影響試驗(yàn)Fig.6 Effect of flocculant concentration on Sample 1

對(duì)于樣品2 而言，試驗(yàn)顯示加入30 mL 絮凝劑時(shí)，清液率為23.7%，濁度為429 NTU，清液濁度較大，但清液率較高，見(jiàn)圖7。

圖7 樣品2 絮凝劑濃度影響試驗(yàn)Fig.7 Effect of flocculant concentration on Sample 2

對(duì)于樣品3 而言，試驗(yàn)顯示加入15 mL 絮凝劑時(shí)，清液率為4.82%，濁度為5.44 NTU，清液濁度較低，但清液率較少，見(jiàn)圖8。

圖8 樣品3 絮凝劑濃度影響試驗(yàn)Fig.8 Effect of flocculant concentration on Sample 3

對(duì)于樣品4 而言，試驗(yàn)顯示加入15 mL 絮凝劑時(shí)，清液率為25.3%，濁度為38.1 NTU，清液濁度低，清液率尚可，見(jiàn)圖9。

圖9 樣品4 絮凝劑濃度影響試驗(yàn)Fig.9 Effect of flocculant concentration on Sample 4

綜上所述，對(duì)于樣品1、樣品2 來(lái)說(shuō)，每500 mL泥漿樣品加入5‰陽(yáng)離子絮凝劑的量為30 mL 最佳，對(duì)于樣品3、樣品4 來(lái)說(shuō)，每500 mL 泥漿樣品加入5‰陽(yáng)離子絮凝劑的量為15 mL 最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

不同的處理方式，對(duì)不同類型建筑廢棄泥漿的處理效果是不同的，工程應(yīng)用中需要采取針對(duì)性的一種或多種方法組合。

通過(guò)試驗(yàn)分析，得出的主要結(jié)論有：

（1）武漢地區(qū)建筑廢棄泥漿除去15 μm 以上顆粒后，其固相主要成分為有機(jī)質(zhì)，約占80%，無(wú)機(jī)成分中Si 占比較大，約10%，各泥漿樣品的元素成分種類和含量差別不大。

（2）采用過(guò)濾方式取得的清液濁度較低，采用抽濾方式處理廢棄泥漿可以獲得較多的上清液，整體來(lái)看，過(guò)濾和抽濾方式針對(duì)粘土顆粒較少、砂顆粒較多、顆粒物粒徑較大的廢棄泥漿效果比較明顯。

（3）采用低速離心方式能夠有效進(jìn)行多數(shù)廢棄泥漿的泥水分離，但顆粒物粒徑較小的、含有較多膨潤(rùn)土或蒙脫石礦物的廢棄泥漿不宜采用低速離心方式進(jìn)行泥水分離。

（4）通過(guò)正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)，利用陽(yáng)離子絮凝劑（PAM）處理廢棄泥漿效果較好，但對(duì)于不同類型的泥漿，其最佳配比還需要通過(guò)試驗(yàn)確定。