有机絮凝剂对渣土废泥浆脱水效果影响

邓明莉

（中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300222）

1 引言

岩土、轨道交通等工程在施工过程中不可避免会产生渣土废泥浆，而这些废泥浆因含有高的含水率一方面会给施工带来不便[1]，另一方面会占用大量土地，污染环境。因此，为解决上述含水率高、大量土地占用等问题，往往需要将废泥浆中的水分脱除，缩小泥浆体积，从而降低含水率和减少土地占用。丁光亚等人[2]研究废泥浆的物理化学调质，以改变废泥浆颗粒表面物化性质和组分，破坏废泥浆的胶体结构，减小与水的亲和力，进而改善废泥浆的脱水性能。对不同种类的无机材料和有机高分子絮凝材料的试验分析发现，有机高分子聚丙烯酰胺PAM的絮凝脱水效果要优于无机材料。在阳离子型PAM、阴离子型PAM、非离子型PAM三类材料对废泥浆的絮凝脱水效果中，阳离子型PAM的絮凝脱水效果最好。李斌[3]研究了在石油勘探开发过程中产生的钻井废弃泥浆，研究结果表明影响钻井废弃泥浆混凝脱水因素的重要性由主到次分别为：废弃泥浆含油率、破胶剂投加量、助凝剂投加量、絮凝剂投加量。朱峰等人[4]主要探讨了复合絮凝剂（石灰、石膏、粉煤灰和高分子絮凝剂 4种材料组成）对废泥浆脱水性能的影响，并安排了纯有机高分子絮凝剂和复合絮凝剂的对比试验，运用先絮凝后压滤的方法解决了渣土废泥浆脱水问题。Ching H.W等人[5]利用光学检测技术探究了高岭土悬浮液絮凝过程，认为复掺絮凝剂对絮凝有很好作用。

然而为解决施工不便，事先在泥浆中添加了一些增稠、发泡剂从而使得产生的废泥浆颗粒自身带有一定的电荷，这就造成废泥浆不易脱水问题。因此，如何提高渣土废泥浆脱水效果成为目前亟需研究的问题[6-10]。本文以天津6号线盾构出来的渣土废泥浆为研究对象，研究有机絮凝剂种类和掺量对不同含水率下的渣土废泥浆脱水效果研究。

2 实验

2.1 原材料

渣土废泥浆：天津地铁6号线盾构产生的渣土泥浆，pH为7.5～8.5。有机絮凝剂：天津三江科技有限公司生产的阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）和阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）。

2.2 方案

为确定有机絮凝剂种类和掺量对渣土废泥浆脱水絮凝效果，向含水率分别为99%、98%、97%的渣土废泥浆中添加不同掺量的CPAM和APAM两种有机絮凝剂以及两者复掺絮凝剂，并通过添加絮凝剂后的废泥浆絮体大小、含水率和上清液浊度来确定不同种类和掺量的絮凝剂絮凝脱水效果。

2.3 试验方法

2.3.1 含水率

絮凝剂絮凝效果可通过絮体的含水率表征，含水率越低，絮凝效果越好，具体步骤如下：

（1）干燥滤纸质量，记为 M1；（2）采用真空泵对添加不同絮凝剂后的废泥浆脱水，然后将过滤后的泥饼连同滤纸一起称重，记为M2；（3）将上述泥饼和滤纸一起置于110℃恒温干燥箱中干燥，待水分完全蒸发，取出冷却后进行称重，记为M3；（4）渣土废泥浆絮体的含水率（%）公式如下所示。

式中，ω为含水率( % )；M1为滤纸重量 ( g )；M2为湿滤饼重量 ( g )； M3为干滤饼重量 ( g )。

2.3.2 浊度

浊度反映的是光线透过液体中悬浮颗粒物时所发生的阻碍程度。

添加不同种类和掺量絮凝剂后的渣土废泥浆，待静置5 min后，取其上清液，并将上清液放入比色皿中，然后采用浊度计进行浊度分析。絮凝效果越好，显示的浊度越低。

2.3.3 絮体尺寸

絮体尺寸大小可反映废泥浆脱水絮凝效果好坏。尺寸越小，表明絮凝效果越弱。将废泥浆絮体置于载玻片上，待其烘干后，通过超景深三维立体显微镜观察絮体尺寸大小。

3 实验结果与讨论

3.1 单掺APAM

渣土废泥浆加入不同浓度的APAM絮凝剂后，其絮体含水率和上清液浊度的变化结果如图1所示。

由图1可知，初始含水率分别为99%、98%、97%的渣土废泥浆絮体含水率和上清液浊度随着APAM掺量的增大大体呈现出先下降后上升的规律。即渣土废泥浆絮体含水率和上清液浊度随着APAM掺量的增加而逐渐降低，当APAM掺量分别增加到4.0×10-4%、6.8×10-4%、1.0×10-3%时，絮体含水率和上清液浊度达到最小值，絮体含水率最小值分别为34.26%、31.64%、27.12%，上清液浊度最小值为5.22 mg/L、5.54 mg/L、6.01 mg/L，之后絮体含水率和上清液浊度随着APAM掺量的增加而逐渐增大。出现上述现象的原因是，当APAM掺量过少，则渣土废泥浆颗粒未吸附完全，絮体中空隙较多，导致絮体含水率较大，同时未吸附的渣土废泥浆颗粒悬浮在上清液中，导致上清液浊度较大[2-4]。当APAM掺量过多，则胶体会形成空间保护层导致絮凝效果变差，渣土废泥浆颗粒也会吸附不完全，也会导致絮体含水率较大，上清液浊度较大。当APAM掺量为最佳时，渣土废泥浆颗粒吸附量达到最大，胶体形成空间保护层最少，絮体间空隙最小，即絮体含水率最小，上清液中悬浮的渣土废泥浆颗粒最少，上清液浊度最低。

为了解释出现上述现象的原因，分别对含水率为99%、98%、97%的含有APAM絮凝剂的渣土废泥浆絮体尺寸进行分析，结果如图2所示。

由图2可知，含水率分别为99%、98%、97%的渣土废泥浆絮体大小随着APAM掺量的增大而呈现出先上升后下降的规律。即渣土废泥浆絮体尺寸随着APAM掺量的增加而逐渐增大，当APAM掺量分别增加到 4.0×10-4%、6.8×10-4%、1.0×10-3%时，絮体尺寸达到最大值，最大值分别为 956.87μm、911.05μm、1109.09μm，之后絮体尺寸随着 APAM 掺量的增加而逐渐减小。出现上述现象的原因是，当APAM掺量过少时，则渣土废泥浆颗粒未吸附完全，絮体平均尺寸较小。当APAM掺量过多时，则胶体会形成空间保护层导致絮凝效果变差，絮体平均尺寸变小。当APAM掺量为最佳时，渣土废泥浆颗粒吸附量达到最大，胶体形成空间保护层最少，即絮凝效果最好，絮体平均尺寸最大。

综合图1，图2可知，对于含水率分别为97%、98%、99%的废泥浆，单掺APAM时的最佳掺量分别为1.0×10-3%、6.8×10-4%、4.0×10-4%。

图1 单掺APAM对絮体含水率和上清液浊度的影响

图2 单掺APAM对渣土废泥浆絮体尺寸的影响

3.2 单掺CPAM

向不同含水率的渣土废泥浆中添加不同掺量的CPAM絮凝剂后，絮体含水率和上清液浊度的变化结果如图3所示。

由图3可知，含水率为分别99%、98%、97%的渣土废泥浆絮体含水率和上清液浊度随着CPAM掺量的增大而大体呈现先下降后上升的规律。即渣土废泥浆絮体含水率和上清液浊度随着CPAM掺量的增加而逐渐降低，当CPAM掺量增加到6.8×10-4%、1.1×10-3%、1.6×10-3%时，絮体含水率和上清液浊度达到最小值，絮体含水率最小值分别为30.95%、27.79%、26.30%，上清液浊度最小值分别为6.47 mg/L、6.8 mg/L、6.82 mg/L，之后絮体含水率和上清液浊度随着CPAM掺量的增加而逐渐增大。出现上述现象的原因是，当CPAM掺量过少时，则渣土废泥浆颗粒未吸附完全，絮体中空隙较多，导致絮体含水率较大，同时未吸附的渣土废泥浆颗粒悬浮在上清液中，导致上清液浊度较大[2-4]。当CPAM掺量过多时，则胶体会形成空间保护层导致絮凝效果变差，渣土废泥浆颗粒也会吸附不完全，也会导致絮体含水率较大，上清液浊度较大。当CPAM掺量为最佳时，渣土废泥浆颗粒吸附量达到最大，胶体形成空间保护层最少，絮体间空隙最小，即絮体含水率最小，上清液中悬浮的渣土废泥浆颗粒最少，上清液浊度最低。

为了解释出现上述现象的原因，分别对含水率为99%、98%、97%的渣土废泥浆加入CPAM絮凝剂后的絮体尺寸进行分析，结果如图4所示。

由图4可知，含水率分别为99%、98%、97%的渣土废泥浆絮体大小随着CPAM掺量的增大而呈现出先上升后下降的规律。即渣土废泥浆絮体尺寸随着CPAM掺量的增加而逐渐增大，当CPAM掺量增加到 6.8×10-4%、1.1×10-3%、1.6×10-3%时，絮体尺寸达到最大值，最大值分别为 977.48μm、1038.86μm、1182.04μm，之后絮体尺寸随着CPAM掺量的增加而逐渐减小。出现上述现象的原因是，当CPAM掺量过少时，则渣土废泥浆颗粒未吸附完全，絮体平均尺寸较小。当CPAM掺量过多时，则胶体会形成空间保护层导致絮凝效果变差，絮体平均尺寸变小。当CPAM掺量为最佳时，渣土废泥浆颗粒吸附量达到最大，胶体形成空间保护层最少，即絮凝效果最好，絮体的平均尺寸最大。

综合图3、图4分析，对于含水率为97%、98%、99%的渣土废泥浆，单掺CPAM时的最佳掺量分别为1.6×10-3%、1.1×10-3%、6.8×10-4%。

图3 掺CPAM单对絮体含水率和上清液浊度的影响

图4 CPAM单掺对渣土废泥浆的絮体尺寸的影响

3.3 复掺CPAM和APAM

固定APAM掺量，变化CPAM浓度，渣土废泥浆的絮体含水率和上清液浊度变化结果如图5所示。

图5 APAM和CPAM复掺对渣土废泥浆的絮体含水率和上清液浊度的影响

由图5可知，随着两种有机絮凝剂的复掺浓度增加，渣土废泥浆絮体含水率和上清液浊度呈现出先上升后下降的规律。即在固定APAM掺量分别为2.4×10-4%、4.4×10-4%、6.4×10-4%之后，渣土废泥浆絮体含水率和上清液浊度随着CPAM掺量的增加而逐渐降低，当CPAM掺量分别增加到2.8×10-4%、6.4×10-4%、8.8×10-4%时，絮体含水率和上清液浊度达到最小值，絮体含水率最小值分别为 42.59%、39.76%、38.25%，上清液浊度最小值分别为2.16 mg/L、3.05 mg/L、2.69 mg/L，之后絮体含水率和上清液浊度随着CPAM掺量的增加而逐渐增大。出现上述现象的原因是，当CPAM掺量过少时，则渣土废泥浆颗粒未吸附完全，絮体中空隙较多，导致絮体含水率较大，同时未吸附的渣土废泥浆颗粒悬浮在上清液中，导致上清液浊度较大。当CPAM掺量过多时，则胶体会形成空间保护层导致絮凝效果变差，渣土废泥浆颗粒也会吸附不完全，也会导致絮体含水率较大，上清液浊度较大[2-4]。当CPAM掺量为最佳时，渣土废泥浆颗粒吸附量达到最大，胶体形成空间保护层最少，絮体间空隙最小，即絮体含水率最小，上清液中悬浮的渣土废泥浆颗粒最少，上清液的浊度最小。

为了解释出现上述现象的原因，分别对99%、98%、97%含水率的渣土废泥浆加入复掺絮凝剂时的絮体尺寸进行分析，如图6所示。

图6 APAM和CPAM复掺对渣土废泥浆的絮体尺寸的影响

由图6可知，随着复掺浓度的增加，渣土废泥浆絮体尺寸呈现出先上升后下降的规律。即在固定APAM掺量为2.4×10-4%、4.4×10-4%、6.4×10-4%后，随着CPAM掺量的增加，渣土废泥浆絮体尺寸而逐渐增大，当CPAM掺量分别增加到2.8×10-4%、6.4×10-4%、8.8×10-4%时，絮体尺寸达到最大值，最大值分别为927.83 μm、846.11 μm、980.11 μm，之后絮体尺寸随着CPAM掺量的增加而逐渐减小。出现上述现象的原因是，当CPAM掺量过少时，渣土废泥浆颗粒未吸附完全，絮体平均尺寸较小。当CPAM掺量过多时，胶体会形成空间保护层导致絮凝效果变差，絮体平均尺寸变小。当CPAM掺量为最佳时，渣土废泥浆颗粒吸附量达到最大，胶体形成空间保护层最少，即絮凝效果最好，絮体平均尺寸最大。

综合图5、图6可知，对于含水率分别为97%、98%、99%的渣土废泥浆，复掺时APAM的最佳掺量分别为 6.4×10-4%、4.4×10-4%、2.4×10-4%，CPAM 的最佳掺量分别为 8.8×10-4%、6.4×10-4%、2.8×10-4%。

4 结论

通过研究含水率为99%、98%、97%渣土废泥浆中添加不同有机絮凝剂（APAM、CPAM）种类和掺量对渣土废泥浆絮凝脱水效果的影响，确定了针对不同含水率下的APAM、CPAM以及二者复掺的最佳掺量。结论如下：

（1）含水率为99%的渣土废泥浆，APAM、CPAM单掺时的最佳掺量分别为4.0×10-4%、6.8×10-4%；复掺时最佳掺量分别为2.4×10-4%、2.8×10-4%。

（2）含水率为98%的渣土废泥浆，APAM、CPAM单掺时的最佳掺量分别为6.8×10-4%、1.1×10-3%；复掺时最佳掺量分别为4.4×10-4%、6.4×10-4%。

（3）含水率为97%的渣土废泥浆，APAM、CPAM单掺时的最佳掺量分别为1.0×10-3%、1.6×10-3%；复掺时最佳掺量分别为6.4×10-4%、8.8×10-4%。