复合絮凝剂应用于废泥浆脱水的试验研究

饶运章， 陈桢干， 朱 锋

（江西理工大学，a.资源与环境工程学院；b.建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000）

0 引 言

基础工程施工过程中护壁泥浆常常使用膨润土或高岭土配制，施工结束后会产生大量的护壁泥浆与粘土等钻渣[1]组成混合体的废泥浆，废泥浆具有粘土颗粒细、稠度大、处于无强度的流动胶体状态、直接固液分离难度大等特殊性，常被施工单位偷排到农田、江河、甚至城市排水系统，造成耕地、水源污染和疏泾堵塞.目前对废弃泥浆的处理通常有两种方法：固化处理法和固液分离法[2-3].固化处理就是向废弃泥池中投入适量固化剂，进行均匀搅拌，经一定时间的化学反应和物理固化，使其转变成无污染的固体[4].但是此方法需要效果较好的固化剂，固化时间较长，场地也较大.固液分离是通过加入絮凝剂改变废泥浆的物理、化学性质破坏泥浆的胶体体系，使悬浮的细小颗粒聚结成较大的絮凝体，再通过机械手段达到固液分离的目的.Turchiuli等[5]通过试验研究了铁铝絮凝剂对污泥脱水性能的影响，对比了铁盐和铝盐絮凝体的尺寸，从絮凝体结构方面解决絮凝脱水问题.Bach等[6]试验研究了明矾絮凝剂对废泥浆脱水过程中氢氧化物的影响，在明矾污泥及含氢氧化物悬浮液之间进行一系列的比较，包括絮体尺寸、浓度以及不同时间的脱水行为.

试验主要分析了石灰、石膏、粉煤灰和高分子絮凝剂4种材料组成的复合絮凝剂[7]对比有机高分子絮凝剂对废泥浆的絮凝脱水效果，以及复合絮凝剂各成份最佳掺量的研究.

1 试验准备

1.1 试验仪器

主要仪器有精密pH计、电子天平 （精度1mg）、液压压滤脱水设备[8]、烧杯量筒、滤布等.

1.2 试验絮凝材料

试验所用的絮凝材料分为两组：第一组为石灰、石膏粉、粉煤灰和有机高分子絮凝剂聚丙稀酰胺组成的复合絮凝剂；第二组为纯有机高分子絮凝剂聚丙稀酰胺.

1.3 试验用的废泥浆

以某高层建筑工地钻孔灌注桩施工产生的废泥浆为试验对象，泥浆含水率72%，废泥浆中固态物质的主要化学成分和质量百分含量为:SiO259.3%、K2O 3%、Al2O39%、Na2O 12.7%、MgO 2.5%、CaO 0.6%、有机质6%.

1.4 试验设计

采用正交法L934试验[9-11]，对废泥浆的固液分离进行研究.主要讨论4种材料组成的复合絮凝剂的固液分离试验，分析各因素对固液分离效果影响，以及复合絮凝剂和高分子絮凝剂固液分离效果的对比[12-13].

（1）确定正交实验的指标、因素和水平.指标：絮凝废弃泥浆压滤脱水的出水量.因素：石灰、石膏、粉煤灰、聚丙烯酰胺.水平：各因素均取3个水平[12]，见表1.

表1 因素水平表/g

（2）选正交表，列出试验方案.选用L934正交表，共安排9次试验，如表2.

表2 L934正交试验表/g

根据已做的试验选用掺量为0.1 g的聚丙烯酰胺作为对比试验.

2 试验结果与分析

为保证各组试验的一致性，进行压滤试验前用手持式小型电动搅拌机对50 L塑料桶内的泥浆进行搅拌，使其整体均匀分布；搅拌完成后，立即取出500mL泥浆放入1000mL烧杯中；然后将试验设计所规定掺量的絮凝剂加入到泥浆试样中，用玻璃棒搅拌5min，使絮凝剂与泥浆充分混合均匀，静置絮凝2 h后，在0.8 MPa的恒压下进行压滤脱水处理，每5min记录一次脱水量；40min后，每10min记录一次；60 min后，每15min记录一次，压滤时间持续120min.压滤试验完成后，对试验数据进行整理.

2.1 试验结果与数据处理

根据上述步骤，得出14个时间段复合絮凝剂的废泥浆压滤脱水试验数据，如表3.

对表3试验数据进行处理，得出水量与时间的关系曲线，如图1.

图1中，在复合絮凝剂正交试验中，脱水刚开始时，试验2的脱水速率最明显，其余8组试验脱水速率差别不大，当脱水到60min时，试验6脱水速率突然变小.当脱水时间到120min时试验1的脱水量要大于其它8组试验.综合分析脱水效果，可以发现120min内，试验2脱水速率和脱水量都有着比较好的效果.

2.2 极差分析

（1）试验结果的处理.从脱水量、压滤出水速率两个方面来比较絮凝剂的压滤脱水效果.取90min的出水量进行分析，对试验结果进行如下处理.

表3 实验中14个时间段废泥浆压滤脱水试验数据表/m L

图1 复合絮凝剂脱水量随时间变化

石灰因素A.将表2中石灰用量1.4 g（记为A1水平）的3次试验记为第一组，表2中石灰用量1.2 g（记为A2水平）的3次试验记为第二组，表2中石灰用量1.0 g（记为A3水平）的3次试验记为第三组，分析因素A在3个水平的试验情况.

第一组试验中得到的压滤出水量之和为：出水量I=286+297+273=856mL；第二组试验压滤出水量之和为：出水量II=280+267+251=798 mL；第三组试验压滤出水量之和为：出水量Ⅲ=279+277+271=827 mL.

每组3次试验中，A1(A2或A3)出现3次，而因素B、C、D的3个水平各出现过3次，可认为B、C、D的影响大体相等，I、Ⅱ、Ⅲ的差异是由于因素A取3个不同水平引起的.

同时计算出每水平的平均脱水率(I/3、II/3、Ⅲ/3)和平均结果的极差 (最大值与最小值之差)R=19.3.极差的大小反映了该列所在排因素的水平变动对指标的影响.极差R值大，表明该因素对指标影响就大.

同理，可分析因素B、C、D的影响，如表4.

表4 试验分析表/m L

（2）因素对指标的影响分析.表4可见，絮凝剂中石灰掺量对脱水效果的影响最显著，聚丙烯酰胺掺量对脱水效果的影响最小，各因素影响的主次顺序为A、B、C、D，最优水平组合为 A1B1C2D3.

根据表4作水平－指标规律变化图来表示各因素水平影响的趋势（图2）.

从图2和表4中可以看出当石灰剂量处于1.2～1.4 g时随着剂量的增加脱水效果越好，但石灰剂量过大时影响泥浆的流动性不利于压滤脱水；在石膏量小于0.8 g时，掺量的变化对泥浆脱水速率的影响明显，当石膏加药量大于0.8 g时，掺量的变化对泥浆脱水速率的影响不明显；在粉煤灰絮凝剂中最佳加药量为1.2 g左右，掺量过大或过小都不利于泥浆的压滤脱水；在聚丙烯酰胺絮凝剂中加药量的变化对泥浆压滤脱水速率基本没有影响.

2.3 试验对比分析

复合絮凝剂正交试验表2中试验2与0.1 g聚丙烯酰胺对废弃泥浆脱水对比分析，如图3.

从图3可以看出.脱水刚开始时，加入复合絮凝剂的废泥浆脱水速率非常明显，但到60min以后，脱水速率相对减缓.而加入0.1 g聚丙烯酰胺絮凝剂的废弃泥浆25min之前脱水速率较为明显，25min以后脱水速率变缓，综合分析两组试验的脱水效果，可以发现加入复合絮凝剂的泥浆脱水速率和120min时的脱水量都明显优于加入0.1 g聚丙烯酰胺絮凝剂泥浆的脱水效果.

图2 水平－指标变化规律图

图3 压滤时间与出水量关系图

3 结 论

（1）在废弃泥浆絮凝压滤脱水时，复合絮凝剂的脱水效果优于聚丙烯酰胺絮凝剂.

（2）影响絮凝压滤脱水效果的因素主次为：A（石灰）、B（石膏）、D（聚丙烯酰胺）、C（粉煤灰），在工程实践的废泥浆脱水处理中，选择合理的絮凝剂种类是至关重要的.

（3）试验表明，复合絮凝剂中各药剂投放量存在最佳投放量，500mL废泥浆中，各药剂的最佳投放量依次为：石灰1.4 g、石膏1.0 g、粉煤灰2.0 g、聚丙烯酰胺0.1 g.

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