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.成都理工大學環境與土木工程學院，成都 610059；2.中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，成都 610059)

在鉆孔過程中，由于不斷將沉積層的土屑、巖屑攜帶到地面，會造成泥漿性質不斷變化，當泥漿的性質逐漸變差以至于不能滿足工程使用時，即變成了工程廢泥漿。

通常而言對于工程廢泥漿的處理主要有化學調節法和機械壓濾法。脫水法是指在廢泥漿中加入藥劑，使藥劑與泥漿發生反應，在自由沉降作用或者在外力作用下實現泥水分離。Asano 等[1]研究了殼聚糖在污泥中的應用，通過試驗表明，當添加量為0.6%～1.4%時脫水效果最佳；Turchiuli 等[2]在分析污泥脫水的影響因素基礎上，研究了絮體結構與污泥脫水的關系；Boran 等[3]研究了絮凝劑消耗量和離心負荷作用對污泥脫水和濃縮物質量的影響；耿朋飛等[4]通過正交試驗對不同類型絮凝劑不同劑量下對泥漿脫水效果進行研究；劉建華等[5]對中國幾種廢棄泥漿處理方法進行了比較分析，并重點研究了固液分離技術中的化學絮凝與機械分離；楊春英等[6]采用聚丙烯酰胺對泥漿進行脫水分離研究，并對絮凝作用機理進行了分析，提出絮凝是“黏土顆粒-水-絮凝劑”相互作用過程的理論；朱鋒等[7]自制液壓壓濾設備對鉆孔黏土廢棄泥漿進行絮凝壓濾脫水研究，對混合絮凝劑進行正交試驗，與現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]采用化學絮凝的方法對建筑廢棄泥漿快速泥水分離性能進行研究；武亞軍等[9]將真空預壓法與絮凝沉淀法相結合用于工程廢漿的固液分離；曾琦[10]針對石油領域廢棄鉆井液難處理的問題，采用以真空脫水為核心的新型裝置進行脫水研究；高宇等[11]以毛細吸水時間為評價指標，研究了絮凝劑對廢棄泥漿脫水性能的影響；鄧明莉[12]研究了有機絮凝劑對渣土廢泥漿的脫水性能影響。依托地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，在實驗室配制成都黏土工程廢漿，從物理、化學、物化協同3個角度進行脫水試驗研究最佳脫水配方。研究結果表明，對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行快速減量化處理。

現提出一種新型的物化結合脫水方法，即絮凝-氣壓脫水法。對物理方法進行試驗模擬，對化學方法進行復配優選，提出的配方絮凝效果明顯好于單獨絮凝劑的絮凝效果，在物理方法、化學方法二者協同作用下，可取得很好的工程廢漿脫水處理效果。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗器材

1.1.1 試驗儀器

試驗主要儀器為六聯失水儀。

1.1.2 試驗材料

(1)黏土。包括成都黏土和鈉基膨潤土。

(2)無機聚合物。聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鋁鐵(PAFC)。

(3)有機絮凝劑。主要包括聚丙烯酰胺(APAM)、聚氧化乙烯(PEO)

1.2 試驗方法

為保證每次試驗的一致性，在進行絮凝-氣壓協同作用試驗之前，先將成都黏土工程廢漿在攪拌機作用下充分攪拌，將APAM、PEO分別配制成0.2%、0.3%、0.4%質量濃度的藥劑，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，準確稱量泥漿質量0.5%的PAC、PAFC、PFS無機聚合物，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后進行氣壓試驗。分別加入30、40、50 mL不同質量濃度的有機絮凝劑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失水儀容量杯，進行氣壓試驗。在氣壓試驗過程中，每5 min測量一次濾出水量。

而后進行正交試驗，在成都黏土工程廢漿進行絮凝作用之前，采用與單一絮凝劑試驗相同的攪拌方式對泥漿進行攪拌。取出275 mL泥漿，首先添加無機聚合物，并進行攪拌，待無機聚合物與泥漿反應完全，再加入有機絮凝劑PEO，攪拌均勻后，量取341 g混合液加入到失水儀容量杯中，進行氣壓脫水試驗，試驗過程中，對脫水量每隔5 min測量一次。對正交試驗結果進行極差分析。將正交試驗所得配方絮凝劑與單一絮凝劑進行效果比對。

2 結果與討論

2.1 單一絮凝劑對脫水的影響

2.1.1 無機絮凝劑對脫水的影響

當無機聚合物加量為泥漿質量的0.5%時，單一無機聚合物PAC、PAFC、PFS對泥漿脫水試驗效果如圖1所示。

圖1 不同無機聚合物絮凝-氣壓試驗脫水效果Fig.1 Flocculation-barometric test dewatering effect of different inorganic polymers

經過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。通過計算加入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無機聚合物進行絮凝-氣壓的泥漿脫水試驗中，隨著時間的增加，泥漿的壓濾脫水量相應增多，脫水速率逐漸降低，脫水曲線呈非線性增長。在氣壓試驗前20 min內，脫水量增長速率較快，隨著時間的增加，每5 min脫水量逐漸降低。對于泥漿中加入無機聚合物PAFC進行的脫水試驗中，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，在前20 min內，速率較快。可知，PAC的脫水最佳。

2.1.2 有機絮凝劑對脫水的影響

在廢漿中分別加入質量分數為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間的關系如圖3所示。

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

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

加入質量分數0.2%的有機絮凝劑APAM溶液泥漿并未實現沉降分離，但根據傾倒試驗，泥漿的流動性由原始泥漿的液態逐漸變成半流動性的狀態，有一定的堆積性和強度。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量分數0.2%的有機絮凝劑APAM溶液在相同壓力相同時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，所以低濃度的有機絮凝劑APAM對這種高含泥量的泥漿絮凝效果不明顯。275 mL泥漿在添加質量分數0.3%的有機絮凝劑APAM溶液40 mL時，所取341 g混合液所濾出清液最多為113 mL，在前15 min內，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，整個曲線呈非線性增長。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；當添加量275 mL泥漿在添加質量分數0.4%的有機絮凝劑APAM溶液30 mL時，所取341 g混合液所濾出清液最多為105 mL。其余質量分數0.3%、0.4%的不同添加量濾出清液均小于100 mL。實驗效果如圖4所示。

對于有機絮凝劑PEO在相同操作模式作用下濾出清體積液隨時間變化的關系如圖5所示。

圖4 有機絮凝劑PEO絮凝效果Fig.4 Flocculation effect of organic flocculant PEO

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

有機絮凝劑PEO溶液的泥漿脫水效率相比APAM明顯提高。當質量濃度為0.2%的PEO溶液對泥漿沒有出現快速明顯泥水分離現象，經過45 min的壓濾并沒有形成完整的泥餅，仍然有部分泥漿存在于容量杯中。但是根據絮凝-氣壓試驗可以知道投加不同添加量質量濃度為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，對于添加質量濃度為0.3%的PEO溶液且添加量為30、40、50 mL時，所取341 g混合液濾出清液的體積分別為124、134、185 mL。對于添加質量濃度為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。對于投加量50 mL的泥漿，在15 min內，脫水量極大，效率極高，其脫水效率遠大于低濃度添加量或相同濃度其他加藥量的脫水效率。隨著時間的推移，壓濾脫水量極差逐漸降低。它在5 min內濾出清液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時間內，幾乎不出水，說明已經達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。而添加質量濃度為0.4%的PEO絮凝劑，濾出的清液與質量濃度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、經濟效應來看，對于該泥漿選擇質量濃度為0.3%的PEO絮凝劑50 mL為最佳。

對泥餅含水率和氣壓試驗前加入容器341 g混合液的含水率進行計算。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

同時經過計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。經過絮凝-氣壓法處理后的泥餅如圖7所示。

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

泥餅質量為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

經過絮凝-氣壓試驗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質量濃度為0.2%的絮凝劑時，含水率下降幅度最小為2.2%，就不同質量濃度區間不同加量APAM溶液而言，含水率下降量最大為11.3%。而對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絮凝劑對于該泥漿的絮凝效果遠大于APAM。同時，用絮凝劑PEO和無機聚合物單獨脫水后形成的泥餅，其密實度也大于APAM處理后的密實度。

2.2 復配絮凝劑脫水效果

2.2.1 正交試驗結果

通過前期篩選試驗，選取PAC和PEO進行復配，經過正交試驗，PAC2.4 g/275 mL、PEO質量濃度0.3%、添加量50 mL的脫水效率最高。5 min時脫水高達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

對于因素A，各個水平絮凝-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中每個水平的平均脫水量K1=153 mL、K2=159 mL、K3=158.7 mL和平均結果的極差R=6 mL。另分析因素B、C的影響，如表2所示。

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

根據表2作水平-試驗指標規律變化圖來表示各因素水平影響的趨勢，如圖8所示。

從圖8中可以看出，當PAC添加量處于1.0～1.7 g時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PAC加藥量過大時，隨著藥量增加脫水量反而減少。這一方面是因為過量的PAC水解出過多的Fe3+、Al3+等陽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性，不利于進行氣壓試驗。當PEO質量濃度在0.2%～0.3%時，隨著濃度的增加，泥漿濾出水量顯著增加，說明PEO質量濃度對泥漿的脫水效果影響很明顯，但是當濃度高于一定值時，由于PEO溶液本身的黏稠度過大，可能會阻礙絮凝劑對土顆粒的架橋吸附，表現為脫水量有所下降，且部分水具有黏度。對于因素PEO投加量而言，投加量在30～50 mL的區間，隨著加量的增加，脫水量也顯著增多，其中40～50 mL區間脫水量增加率顯著是大于30～40 mL段。

表2 正交試驗數據分析

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

2.3 單一與復配絮凝劑脫水效果比較

選擇在絮凝-氣壓試驗作用下，相同添加量，唯一變量為單一和復配的不同。

a組：無機聚合物PAC添加量占泥漿質量0.5%。

b組：有機絮凝劑PEO添加量為質量濃度0.3%加量30 mL。

c組：有機絮凝劑APAM添加量為質量濃度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，探究對比PAC、PEO、PAC+PEO和PAC、APAM、PAC+APAM兩種情形下單一與復配對泥漿脫水效率與速率的影響，如圖9所示。

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

對于PAC、PEO、PAC+PEO，d組復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組單一無機聚合物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。從平均速率上來看，可以知道復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-氣壓試驗全過程看，3組總脫水量分別占泥漿總量的49.3%、52.4%、66%，其中a組的作用時間為90 min。所以復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，復配藥劑在絮凝-氣壓的試驗條件下，其脫水效率顯著高于單一絮凝劑的脫水效率。

同理，對于情形PAC、APAM、PAC+APAM而言，e組復配絮凝劑的凈脫水量為90 mL/35 min，平均速率為12.9 mL/5 min；相應的c組APAM脫水量為78 mL/25 min，平均速率為15.6 mL/5 min；對于這一類別，復配絮凝劑PAC+APAM比單一絮凝劑APAM的凈脫水速率要慢，但總脫水量復配107 mL大于單一97 mL。出現這種情況的原因是APAM能夠將黏土絮凝成較大的絮體，而復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絮凝劑前，提前加了無機聚合物PAC，PAC雖然不能對泥漿起到很大的絮凝作用，但是能夠起到一個骨架作用，為后續的氣壓試驗增大液體流動的通道，也就是說增大了泥餅多孔介質的孔洞，孔隙，提高了氣壓的脫水量及效率。所以就總的脫水量而言，復配絮凝劑要大于單一絮凝劑。

3 結論

經過上述試驗分析，對無機絮凝劑和有機絮凝劑的絮凝效果單獨分析，加上復配之后的絮凝劑的效果分析，結合提出的絮凝-氣壓法脫水處理方法，對處理工程廢漿的實際應用具有一定參考意義，得到以下結論：

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

(2)有機絮凝劑PEO的脫水效果優于APAM和PAC，可見在絮凝過程中，使用有機絮凝劑的效果要優于無機絮凝劑。

(3)復配后的絮凝劑因為加入了鋁鹽無機聚合物，在泥漿中電離出[Al6(OH)15]3+、[Al7(OH)17]4+、[Al8(OH)20]4+、[Al13(OH)34]5+等。與只加有機絮凝劑PEO相比，因為黏土-水膠體體系先行被破壞，所以復配絮凝劑能夠更容易地將高分子鏈與黏土顆粒連接起來，脫水效果也就優于單加情況。