地下工程泥漿絮凝干化處理效果影響因素研究

葉 晶

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

泥漿技術是地下連續墻、鉆孔灌注樁、頂管、盾構等地下工程施工領域必須采用的施工輔助手段，其施工工藝和設備的運用無不依賴于泥漿的作用，從某種程度上說，泥漿堪稱地下工程施工的“血液”。地下工程施工不可避免地會產生大量的廢棄泥漿，未經處理的廢棄泥漿若排放到環境中，會對環境造成極大污染，巨量廢漿處理排放已成為困擾工程施工的重大技術難題。

廢棄泥漿絮凝干化處理方法作為一種無害化處理方法應運而生，該方法通過往廢棄泥漿中添加適量絮凝劑使其絮凝成團，再通過機械壓榨干化成干土外運，廢棄泥漿絮凝干化處理方法的關鍵之一是絮凝作用效果的優劣。絮凝作用作為一種復雜的物理化學過程，其效果是受多種影響因素綜合作用的[1-6]。

由于絮凝效果影響因素也是多方面的，因此絮凝處理的相關環節都很重要，忽視任何一環節都會導致絮凝處理成效低劣。

本文針對絮凝劑的機理和特性，結合目前地下工程廢棄泥漿處理常用的絮凝劑開展絮凝效果影響因素試驗，探討廢棄泥漿固相量、絮凝劑拌和速度與溶液濃度、溫度與pH值等因素的參數變化對泥漿絮凝效果的影響，以期為地下工程廢棄泥漿固液分離處理絮凝材料比選和使用提供一些新的思路和方法。

1 廢棄泥漿固相含量對絮凝效果的影響

固相量是地下工程泥漿的重要參數，廢棄泥漿的固相主要包括泥漿自身含有的膨潤土、相關外加劑及其攜帶或混入的地層土體。在對廢棄泥漿進行固化處理時，固相量高則廢棄泥漿的相對密度較高，且參與固化的顆粒成分較多，水相較少，需要更大量的絮凝劑進行處理。

施工現場取不同含量廢棄泥漿，測試其固相量，添加定量絮凝劑溶液混合靜置5 min，倒出上層清液并記錄清液量和濁度。在布氏漏斗上放置與漏斗口尺寸相同的濾布，組裝抽濾裝置，將適量倒去上層清液的絮凝廢漿倒入布氏漏斗中進行真空抽濾，記錄濾液量和濾水濁度。所測得的相關數據如表1所示。

表1 不同固相量絮凝出水比較

從上表試驗數據可以發現，當廢棄泥漿固相量低于33%時，清液的濁度和濾液的濁度都相對較大，絮凝劑未能完全發揮絮凝效果，當固相量在33%～40%區間內，絮凝效果較好，但當固相量大于40%后，消耗了更多的絮凝劑，導致絮凝效果有所下降。

2 拌和速度與溶液濃度對絮凝效果的影響

2.1 絮凝劑拌和速度對絮凝效果的影響

絮凝劑入水后通過水力作用和自身擴散使之與待處理泥漿液體中的顆粒充分接觸，進而發生絮凝凝聚成團反應，恰當的水力條件顯得非常重要。

在進行試驗或現場實際使用的時候，為增加泥漿液體顆粒與絮凝劑顆粒的接觸碰撞速率和機會，一般會進行人工或機械攪拌，應選擇適當的攪拌時間和速度。

攪拌速度慢，泥漿液體顆粒和絮凝劑不能充分接觸，不利于絮凝劑捕捉聚集泥漿液體中的膠體顆粒；攪拌速度太慢還會導致絮凝劑在液體中分布不均勻，不利于絮凝劑發揮作用。

攪拌速度快會將泥漿液體中顆粒較大的固體打碎成小顆粒，本來能夠沉淀的顆粒變成無法靠自重沉淀，絮凝效果會降低。高分子絮凝劑以極性基表面吸附和架橋吸附作用為主，其摻加水后應快速攪拌，使之快速、均勻地分散溶解于水中，但時間應控制得當，不宜過長，否則會降低高分子絮凝劑的架橋吸附能力，絮凝效果下降。圖1顯示析出的上清液量和濁度隨轉速的變化關系。

圖1 轉速與上清液量和濁度關系

隨著轉速的提升，上清液量呈增加趨勢，說明絮凝速度在加快，但同時清液濁度也有所提升，說明有部分固相物質在攪拌過程中被過分分散。通過試驗發現，攪拌速度控制在100～200 r/min為宜，不宜超過200 r/min，攪拌時間控制在2～4 min為宜，不宜超過5 min。

2.2 絮凝劑濃度對絮凝效果的影響

在對泥漿或泥水等進行絮凝干化處理時，絮凝劑用量多少也是影響絮凝過程和效果的一個重要因素。室內試驗研究和現場應用情況均表明，不同種類的絮凝劑有切合自身相適應條件下的最優摻加量，偏離最優摻加量一定范圍會導致絮凝功效下降。欠量會導致絮凝作用不足，過量會導致需絮凝處理的液體呈“再穩”現象，即隨著絮凝劑摻加量的加大，濁度（絮凝效果的體現因素）在減小到某種程度后就不再繼續減小，反而會出現隨著絮凝劑摻加量的增加而增加，典型表現就是液體膠體顆粒吸附成團脫穩而發生再穩的特征。

發生再穩現象的原因主要體現為如下2種情況：一是凝聚劑分子對泥漿液體中顆粒物發生過量吸附，造成顆粒物表面電荷出現反號，使得絮凝液體體系重新穩定下來，易發生在電中和吸附脫穩機制作用過程中；二是部分絮凝劑分子覆蓋包裹了泥漿液體中顆粒物表面活性點，隔絕了顆粒物與外界的聯系，無法繼續與其他顆粒物吸附架橋發生絮凝作用，此種情況常在吸附橋架絮凝過程中發生。因此，絮凝劑的最優摻加量不能通過純理論推導出來，而應在實際使用前通過相關試驗確定。取施工現場3種不同固相量泥漿添加不同濃度的絮凝劑測試其清液量和濁度，如表2所示。

表2 不同質量分數絮凝劑絮凝效果比較

分析試驗數據發現，在處理固相量為36%～41%的廢棄泥漿時，質量分數為0.1%的絮凝劑可以達到最佳的絮凝效果，在處理固相量為42%的廢棄泥漿時需適當提高絮凝劑的摻入量，提高絮凝作用效果。

3 溫度與pH值對絮凝效果的影響

3.1 溫度

液體溫度也是絮凝反應和沉降分離等過程中的重要影響因素。水溫太低或太高，皆不利于絮凝作用。水溫太高會使得化學反應速率變快，形成的絮凝聚凝體細小，并增加絮凝體水合作用，導致絮凝沉積物體量較多且含水量高，處理困難。此外，如將所需處理的液體進行加熱升溫，還會產生大量的能源消耗，提高成本，得不償失。

無機絮凝劑水解過程是一種吸熱反應，當液體溫度過低時，其水解作用會變慢，溶解率降低，絮凝劑所釋放的帶電粒子也會大幅減少，對廢棄泥漿的處理速率和效果會產生較大影響。

同時，在溫度較低情況下，廢棄泥漿中的膠體顆粒布朗運動變弱，粒子間相互作用降低導致相互之間的絮凝作用減慢，不利于泥漿液體中的膠體顆粒相互絮凝成團，會直接影響絮凝體的形成以及絮凝沉淀過程，對待絮凝干化處理泥漿的絮凝效果造成較大影響，進而影響絮凝后續壓濾脫水工序。溫度降低還會引起水的黏度增大，這會增加水體對絮凝體的撕裂作用，使絮凝體變得細小而不易分離，影響絮凝處理效果。

因此通過相關試驗來分析溫度對絮凝效果的影響，來指導實際施工，將溫度控制在合理的范圍內，對充分發揮材料性能，提高固化處理效能具有重要意義。

試驗采用數顯水浴磁力攪拌器（圖2），將絮凝劑溶液分別加熱至15、20、25、30、35 ℃后，與同溫泥漿混合攪拌后進行試驗。

圖2 數顯水浴磁力攪拌器

試驗結果顯示，隨溫度上升，其絮凝效果呈增加趨勢，但在超過30 ℃后，濾液的濁度較大，說明高溫使得分子的布朗運動加劇，導致泥漿渾濁，在20～30 ℃區間內，其性能較為穩定，上清液量和濾液濁度均較優。

3.2 pH值對絮凝效果的影響

泥漿液體中顆粒物質所帶電荷和所選用的絮凝劑性質等均會受到pH值的影響，在絮凝干化處理過程中絮凝效果也會受到較大影響。

泥漿液體中顆粒物質所帶電荷和電泳速度會根據液體性質隨pH值呈現不同的變化趨勢。陽性溶液pH值降低會使顆粒電荷增大，pH值升高則會使顆粒電荷減小。對于陰性溶液，則與陽性溶液呈現相反的變化。

在酸性pH值條件下進行泥漿絮凝干化處理中，采用陽離子類絮凝劑情況較多，在堿性pH值條件下進行泥漿絮凝干化處理中采用陰離子類絮凝劑情況較多，中性pH值條件中則陽離子和陰離子2種類型均可使用。非離子型絮凝劑從酸性條件到堿性條件均可使用，其適用范圍較為寬廣。此外，絮凝劑用量也受pH值影響，通過調配適宜的pH值可節省絮凝劑，同時能夠使絮凝作用發揮充分，此時絮凝效果較好；如果根據pH值選擇合適的絮凝劑，輕則效果不佳，重則無法絮凝處理。

對明礬等鋁鹽類無機絮凝劑，其水解條件偏酸性（pH值5～7）時為最佳，堿性時則絮凝效果不佳。在酸性環境中，陽離子型高分子有機絮凝劑電離較為充分，在采用陽離子型高分子有機絮凝劑進行泥漿絮凝處理時，應采取措施降低液體pH值，充分發揮絮凝劑效用。在堿性環境中，陰離子型高分子有機絮凝劑處理效果較好，因此在使用陰離子高分子有機絮凝劑處理廢棄泥漿時，需恰當提高泥漿液體的pH值，使之呈堿性，確保絮凝劑可以充分發揮絮凝作用。

4 結語

絮凝干化處理方法作為一種廢棄泥漿綠色無害化處理方法，技術關鍵之一是絮凝劑使用效果的好壞。絮凝作用作為一種復雜的物理和化學過程，受多種因素綜合影響，處理過程中的各個環節都至關重要，忽視任何一個環節都有可能導致絮凝處理的失敗。

因此，本文針對絮凝劑的機理和特性，結合目前地下工程廢棄泥漿處理常用的絮凝劑，開展絮凝效果影響因素試驗。通過表象觀測和性能指標參數測試分析，對廢棄泥漿的固相含量、絮凝劑拌和速度與溶液濃度、溫度與pH值等因素的參數變化對泥漿絮凝效果的影響進行研究，為地下工程廢棄泥漿固液分離處理絮凝材料比選和使用提供了一些新的思路和方法，以期做到在絮凝劑的選擇和使用上有的放矢，從而提升工程廢棄泥漿干化處理的社會效益和經濟效益。