自重及加载条件下絮凝剂调理废弃泥浆的脱水效果

韩 超,俞越中,柏 彬,肖 涵,范 舟,吴 巍,孙 科

(1.国网江苏省电力有限公司建设分公司,南京 210000; 2.华中科技大学 土木与水利工程学院,武汉 430074)

0 引 言

目前,我国每年因工程建设,地下空间开发利用、盾构掘进、群桩基础和地下连续墙等施工都会产生大量的废弃泥浆[1]。据统计,我国各类工程建设过程中产生的废弃泥浆量每年约为3亿m3,并以10%的速度递增[2]。当前,废弃泥浆的主要处置方式是将其运输到填埋场作堆场处理[3],该种处置方式存在消耗时间长、处理效率低、费用高且无法资源化利用等缺点,城市施工建设中产生废弃泥浆的运输泄露、随意排放等城市生态环境问题也颇为棘手[4]。因此,在国家大力倡导绿色发展,减少环境污染,推进生态文明建设的背景下,大体量废弃泥浆的合理处置和资源化利用问题亟待解决。

在面向工业与市政所产生的污泥进行脱水处理时,絮凝剂能够有效改善污泥脱水性能,显著降低其含水率,越来越多学者将絮凝调理技术运用到泥浆的处理上[5-10]。孙雨涵等[11]研究发现絮凝剂能促进淤泥颗粒团集沉积,加速泥水分离,提升脱水效率,起到降低泥浆含水率的作用。张志军[12]针对高岭土悬浊液使用硫酸铝和聚合氯化铝开展絮凝试验,以絮凝体形态分布以及分形维数为指标定量分析了不同掺量对絮凝效果的影响,找到了铝盐絮凝剂的最佳用量,并进一步分析铝盐水解原理和试验结果,探讨了絮凝过程中絮体的形态特征。He等[13]以海相黏土为试验材料,研究了掺入絮凝剂的沉积特性,以含水量和聚丙烯酰胺(Polyscrylamide,PAM)掺量作为变量来研究泥浆的沉积行为,结果表明加入PAM能够促进产生大粒径絮体,加快泥浆的沉积速率,证实了PAM能够有效地改善泥浆的脱水性能,加快泥水分离。张跃军等[14]探究了7种不同离子性质的阴、阳、非离子絮凝剂对于泥浆的脱水效果,发现各类絮凝剂均具备一定的脱水能力。以阳离子度、特征黏度等为变量,发现各自最佳药剂用量均有所差异,可能与絮凝剂的带电性以及特征黏度值均有一定的关联性。进一步研究絮凝脱水处理后的泥浆的上清液化学需氧量发现其值均不大,但在泥浆污染较重时可以用来作为指标来进行絮凝剂的优选。徐国栋等[15]选用3种无机高分子絮凝剂和5种有机高分子絮凝剂来处理工程废弃泥浆,以固液分离液面读数、上清液浊度和悬浮颗粒粒径为脱水能力指标,探究其对泥浆絮凝效果的影响,试验发现高PH值环境下,铁系无机高分子絮凝剂絮凝效果优于铝系无机高分子絮凝剂,无机高分子絮凝剂和有机高分子絮凝剂使泥浆颗粒团聚沉积存在一定作用范围,脱出清液的平均粒径范围分别为170～220 μm和300～340 μm,可以考虑联合投加处理泥浆。

上述研究成果大多采用单一类型絮凝剂处理泥浆,对有机、无机-有机复合等多种类型絮凝剂组合处理泥浆的研究较少;在泥浆泥水分离过程中,衡量泥水分离程度的直观指标和处理手段也较为单一。鉴于此,本研究首先选取有机、无机-有机复合等各类型絮凝剂,开展量筒沉积试验,以上清液厚度和泥水分界面高度为指标,初步分析各类型絮凝剂组合处理泥浆的脱水效果,再通过小型堆载预压试验,进一步定量描述不同类型絮凝剂处理泥浆的脱水效果,探究絮凝剂发挥脱水效能的影响规律。

1 试验内容

1.1 试验材料

试验泥浆为上海地铁机场线工程产生的废弃泥浆,同温州、汉阳地区所取泥浆[16]均属于细颗粒含量较高的泥。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)测得泥浆基本物性参数见表1,试验泥浆颗粒级配曲线见图1。试验泥浆液限wL<50%且塑性指数IP>0.73(wL-20%),同时有机质含量mO<5%,按照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)塑性图分类,该泥样属于低液限黏土(CL),采用X射线衍射仪测定泥浆的矿物成分,其主要矿物成分是石英,其次是伊利石和高岭石,黏土矿物中伊利石和高岭石含量较高,蒙脱石与云母含量较低。

图1 试验泥浆粒径分布Fig.1 Particle size distribution of test mud

表1 泥浆基本物性参数Table 1 Main physical properties of mud

试验采用工程中应用广泛的无机絮凝剂和有机絮凝剂,阴离子AN926SH型PAM相对分子质量为(1.6～1.8)×107;聚氧化乙烯(Polyethylene Oxide,PEO)为白色粒状粉末,相对分子质量为800×104;水溶壳聚糖(Chitosan,CTS)呈淡黄色结晶状粉末,脱乙酰度>40%;聚合氯化铁(Polyferric Chloride,PFC)呈棕褐色颗粒状;生石灰(CaO)为精细化生石灰粉末;聚合硫酸铝铁(Polymeric Aluminum Ferric Sulfate,PAFS)呈白色颗粒状。

1.2 试验流程

1.2.1 量筒沉积试验

试验沉积容器采用塑料量筒,沿外壁从上至下垂直贴紧一次性塑料刻度条(精度1 mm)。量筒沉积试验具体流程如下:

(1)将泥浆搅拌6～8 min至均匀状态。人工剔除泥样中的碎石和砖渣,完成后测定初始含水率并用薄膜密封。

(2)将PAM、PEO、CTS颗粒与水按照1∶500的质量比配置,以80～100 r/min的速度人工渐进添加,充分搅拌40～60 min直至颗粒全部溶解,溶解后沉淀4～5 h,使用时再加以搅拌。

(3)基于测定泥浆的初始含水率,按照设计配比称量相应质量的泥浆,加入定量的水匀速搅拌5 min,机械搅拌完成后再用刮刀人工搅拌1 min以清除搅拌死角,制备成图2(a)所示均匀的淤泥浆。

图2 量筒沉积试验流程Fig.2 Deposition test process using measuring cylinder

(4)再次搅拌提前制备好的PAM、PEO、CTS溶液用注射器抽取定量的絮凝剂溶液到烧杯中,分别缓缓倒入制备好的泥浆试样中,形成“絮凝剂-泥浆”混合浆液。

(5)对“絮凝剂-泥浆”混合浆液采取人工搅拌的方式,以90 r/min的转速沿逆时针搅拌,同时观察混合浆液的状态和土颗粒的形态,当发现有土颗粒聚合团聚后,放缓搅拌速度,直至有图2(b)所示较明显的大粒径的絮团及上清液产生,停止人工搅拌。

(6)将制备均匀的“絮凝剂-泥浆”混合浆液缓沿塑料漏斗缓缓注入图2(c)所示塑料量筒中,并将残留漏斗中的泥浆用刮刀刮至干净,然后置于室内常温下自然沉积,同时按照一定的时间间隔记录泥水分界面的初始高度。

1.2.2 小型堆载预压试验

试验采用图3所示自行设计的小型堆载预压装置对混合浆液进行堆载沉降,该装置由3个加压板焊接而成,最下方加压板开有小孔以便排水。

图3 小型堆载预压装置及试验Fig.3 Small-scale heap load preloading device and test

小型堆载预压试验具体流程如下:

(1)同1.2.1节步骤(1)—步骤(5)制备“絮凝剂-泥浆”混合浆液。

(2)将泥浆容置管筒内壁均匀地涂抹凡士林,橡胶塞用防水胶布缠绕数圈后塞入管筒底部(防止浆液从管底溢漏),加载构件从筒口放入后,调试至能够在自重作用下贴壁匀速下滑。

(3)管筒垂直插入加载台开孔内,将制备好的混合浆液缓缓倒入管筒,加载圆盘上堆载砝码对泥浆试样施加10 kPa的压强,同时按照一定间隔时间开始记录泥水分界面的高度,加载250 min后卸下加载砝码,去除加载构件并用注射器抽出上清液,对压缩后的沉积层用长柄药勺分3层取样测量含水率取平均值。

1.3 试验工况

通过量筒沉积试验,观察“絮凝剂-泥浆”混合浆液的脱水情况,以沉积层厚度、上清液状态和厚度作为评价脱水效果和程度的指标。为了探究有机高分子絮凝剂处理泥浆效果,此试验设置一个对照组(A0无絮凝剂)和3个试验组(A1-1-A1-3、A2-1-A2-3、A3-1-A3-3),试验具体工况和掺量见表2。表2中wi为初始含水率(定义为泥浆含水质量与干土颗粒质量之比),wPAM为PAM掺量(定义为PAM颗粒质量与干土质量之比),wPEO为PEO掺量(定义为PEO粉末质量与干土质量之比),wCTS为CTS掺量(定义为CTS粉末质量与干土质量之比)。

表2 淤泥试样工况配比Table 2 Proportions of dredged mud specimens

wPAFS、wCaO、wPFC分别为机絮凝剂PAFS、CaO、PFC的掺量。为探究无机-有机复合絮凝剂处理泥浆效果,设置3个试验组(B1-1-B1-4、C1-1-C1-4、D1-1-D1-4) 。

2 试验结果与分析

2.1 有机絮凝剂絮凝效果分析

絮凝处理后的泥浆,土颗粒在重力作用下开始沉降,量筒中开始出现明显的泥水分界面,静置一段时间后,沉降速度逐渐放缓直至沉降完全。与对照组相比,加入絮凝剂的试验组,脱水量均有提升,泥浆的泥水分离程度有一定增加。图4展示了泥浆泥水分界面高度和上清液厚度随投入掺量增加的变化过程。

图4 单一絮凝剂处理泥浆泥水分界面高度和上清液厚度Fig.4 Height of mud-water interface and supernatant thickness of mud treated by single flocculant

从图4(a)可知,经过PAM调理的A1-1-A1-3试验组,相对于泥浆对照组,泥水分界面高度均有下降,同时上清液的厚度也相应升高,显示出PAM处理泥浆的脱水优势,能够改变泥浆的性质和形态,从而有效提升泥浆的脱水程度和效率。通过对比泥浆在不同PAM掺量下的脱水表现,发现掺量从0.08%提高到0.16%时,泥水分界面曲线呈现下降趋势,分界面高度从20.8 cm下降到18 cm,随之上清液厚度也在不断地增加,从9.5 cm提高到12.3 cm,整体曲线变化趋势为先较快增长后放缓。这表明随着PAM添加量增加,“絮凝剂-泥浆”混合浆液中的PAM颗粒浓度升高,调理泥浆的脱水性能提升;继续观察试验组的上清液状态,可以发现在掺量为0.16%时,A1-3组上清液呈黏稠状,说明PAM颗粒与泥浆中的土颗粒结合反应不完全。考虑到PAM掺量从0.12%增加到0.16%,泥水分界面高度和上清液厚度的变化幅度较小,曲线呈放缓趋势,综合脱水效果和经济成本,0.12%的掺量为PAM处理该泥浆试样的最优掺量。

由图4(b)可得,试验组A2-1-A2-3混合浆液的泥水分离程度大,相较于对照组,其上清液厚度增加明显。PEO掺量为0.02%、0.04%、0.06%时,上清液厚度分别为A0工况的1.84、2.04、2.26倍。高分子量PEO对于泥浆中的泥颗粒有很好的絮凝作用,利用高分子聚合吸附泥颗粒能够达到深度脱水的目的。0.06%掺量时上清液厚度已经达到了最高,此时泥水分界面下降至最低点17.6 cm处,比对照组多下降7 cm,沉积层密实程度增大,因此掺量0.06%是PEO处理泥浆试样的最优掺量。

图4(c)表明,加入CTS后,混合浆液沉积明显,不同掺量下的试验组都能达到好的脱水效果,随着CTS掺量的提高,可以发现泥水分界面高度先增加再减小。CTS掺量为0.15%时,沉积层高度达到最低值18.2 cm,进一步提高将掺量至0.25%、0.35%时,分界面高度分别为19.5、21.1 cm,对应的上清液高度为10.7 cm和9.1 cm,这说明过量的天然高分子会在一定程度上限制土颗粒的聚集,减弱团聚吸附作用,脱水效能降低导致最终脱水量减小,可以得出CTS处理泥浆试样的最优掺量为0.15%。添加有机高分子絮凝剂能够加速泥浆脱水,缩短脱水时间,发挥絮凝剂吸附架桥、电性中和和卷扫等作用,团聚泥浆中的土颗粒和胶体颗粒形成絮团结构,絮体孔隙和排水通道增加,泥浆中的水分子从中排出,最终达到脱水的目的。

2.2 复合絮凝剂絮凝效果分析

图5为复合絮凝剂处理泥浆试样后泥水分界面高度和上清液厚度柱状图,由图5可知复合絮凝剂中有机高分子和无机组分能够共同发挥作用,加快泥浆的脱水。观察各试验组可以发现在加入混合浆液体积、初始高度相差不大且在同一室内条件(包括温度、湿度)置放的条件下,各组的沉降情况各不相同,这表明不同复合絮凝剂组合类型处理能力各有差别。等到沉降稳定,沉降高度变化不大时,记录到各试验组泥水分界面高度分别为20.6、24.5、21.2、16.8、21.7、17.5、19.6、22.7、18.7 cm。经过计算可知,PAM、PEO和CTS复合类组合平均沉积层高度分别为22.1、18.67、20.33 cm。对照原始泥浆试验组发现PAM复合类组合的平均高度最高,上清液厚度也最小,其中PAM和CaO组合的泥水分界面高度最高为24.5 cm,比原始泥浆自然沉积高度还高0.4 cm,这与复合絮凝剂提升脱水效能的功用相违背。

图5 不同复合絮凝剂组合类型沉积情况Fig.5 Sedimentation of mud under different composite flocculant combinations

进一步观察量筒沉积情况(图6),发现PAM复合类组合处理泥浆时,会利用长链架桥促使絮凝剂分子聚合形成分子网吸附网布泥颗粒,形成数量多、体积大的絮体[17]。

图6 各复合絮凝剂类型组合絮团形态大小Fig.6 Shape and size of flocs of each composite flocculant combination

由图6(a)可知,这些絮体在重力作用下团聚堆叠在混合浆液中产生很多空隙和排水通道,从而抬高沉积层,降低上清液厚度。

由图6(b)可以看到PEO复合类组合中PEO和CaO两种絮凝剂协同处理泥浆能够产生较大的絮团沉积,而搭配PEO的无机絮凝剂PAFS和PFC并不能发挥同样作用,产生大絮团,其混合浆液沉积后的泥颗粒十分细腻,使得一定程度的泥水分界面降低。

图6(c)中的CTS复合类组合试验组整体絮团很小,泥颗粒细小,层层铺陈密实,加入CaO的工况会有较高的泥水分界面。

在PAM、PEO、CTS分别取最优掺量的基础上搭配3种无机絮凝剂,各类型组合中,搭配CaO的试验组其沉积层高度普遍较高,泥颗粒成团效果最好,絮团平均尺寸最大,这是由于CaO搅拌溶入混合浆液后先吸水,再产生大量的阳离子起到吸附作用;PAFS作为高分子无机絮凝剂搭配有机絮凝剂时,不会与之共同作用产生大的絮团,PFC在与PAM搭配时可以发挥作用生成大絮团。PAFS搭配PEO时试验组沉积层高度较PFC与PEO搭配处理要低,而对比PAFS搭配CTS时,PFC和CTS的组合理泥浆其泥水分界面高度要低。

不同复合絮凝剂类型组合在处理泥浆试样时,由于会产生大小、数量不相同的絮团,絮团积累堆叠会使泥水分界面高度上升,上清液厚度随之减小,因此仅仅依据观测的泥水分界面高度和上清液厚度来作为判断复合协同脱水程度的指标是不准确的,需要进一步开展堆载预压试验探究不同组合类型实际的脱水效能。

加压堆载能够显著降低试验组沉积层厚度,使试样脱水明显。容置筒筒底由于用橡胶塞封口,排水过程为单面排水固结,固结沉积完成后,观察到沉积层均呈密实状,大的絮团被压实铺平,排水通道和大空隙消失。图7给出了各复合絮凝剂组合类型堆载加压后的泥水分界面高度和沉积层含水率。

图7 堆载加压后的泥水分界面高度和沉积层含水率Fig.7 Height of the mud-water interface and water content of sedimentary layer after heap loading

(1)观察发现PAM复合絮凝剂类型组合能够显著提升泥浆的脱水效能,提升脱水程度,其平均泥水分界面高度为12.83 cm,相较于PEO、CTS复合类型组合的15.08、16.58 cm,平均沉降量分别下降了14.9%和22.6%,表明PAM作为复合絮凝剂中的有机高分子组分,能够利用有机高分子的链状结构、电中和作用吸附细小的泥颗粒、并形成桥链团聚泥颗粒形成稳定的絮体结构,从而加速水分子分离,增大脱水量,是处理泥浆试样的最优有机高分子絮凝剂组合类型[18]。同时,无机絮凝剂组分能够在泥浆脱水过程中发挥作用,各复合类型组合中,对比对照组(只添加PAM、PEO、CTS),加入无机絮凝剂的试验组泥水分界面均有一定程度的降低,这是因为无机絮凝剂PAFS、CaO、PFC能够在沉积过程中吸附黏结细小颗粒,形成的小絮体可以和有机高分子絮凝而成的大絮团结合团聚成更大的絮体结构,从而更进一步促使沉积和泥水分离过程。本文选用的泥浆黏粒含量为38.9%,小粒径泥颗粒占比较多,这种泥浆能够更好地发挥无机絮凝剂吸附小颗粒的特性,与有机高分子絮凝剂协同发挥脱水絮凝功效,压缩沉积层,提升脱水量。

(2)沉积层含水率能够有效地反映泥浆的密实度和脱水程度,是衡量混合浆液脱水量的直观指标。在PAM复合类型组合中,单一絮凝剂处理脱水后沉积层的含水率为181.67%,经各类型组合复合絮凝剂絮凝调理处理后的沉积层含水率分别是170.67%(PAM+PAFS)、98.92%(PAM+CaO)、155.22%(PAM+PFC),与对照组(只添加PAM)相比含水率均有下降,其中PAM+CaO的组合能够显著降低沉积层含水率,下降程度达到82.75%,泥水分界面高度与沉积层含水率一一对应,共同表明PAM和CaO的组合是该类型中的最优组合类型。

(3)观察PEO复合类型组合,可以发现复合絮凝剂的添加能够一定程度降低沉积层含水率,但含水率下降程度较低,泥水分界面高度与沉积层含水率一一对应,共同表明PAM和CaO的组合是该类型中的最优组合类型。

(4)观察PEO复合类型组合,可以发现复合絮凝剂的添加能够一定程度降低沉积层含水率,但含水率下降程度较低,最优组合PEO和CaO试验组中最低含水率为167.55%,对比对照组(只添加PEO)只下降了25.44%,这是因为聚氧化乙烯主要利用高分子絮凝吸附细小泥颗粒来达到脱水效果,与无机絮凝剂作用机理较为重合,因此各类型组合处理泥浆的沉积层含水率下降程度不大。

(5)CTS复合类型组合不能较为有效地降低试验淤泥浆的沉积层含水率,测得平均含水率为214.81%,采用CaO作为无机絮凝剂时,含水率下降程度最大为73.16%,结合泥水分界面高度表明三类复合类型中CTS组合类型处理泥浆的效果较为一般。

(6)观察3类复合絮凝剂类型,发现CaO的加入能够改善泥浆的脱水性能,降低试验组的沉积含水率,这是因为CaO加入混合浆液后能够发挥其吸水特性,在短时间内增加脱水量,提高泥水分离程度,因此CaO为无机絮凝剂组分中处理泥浆试样的最优选择。

沉积速率也是衡量脱水性能的一个重要指标,在工程实际应用中具有重要作用。图8反映归一化泥水分界面高度随沉积时间的变化规律。

图8 各复合絮凝剂组合类型脱水速率Fig.8 Dewatering rate of each composite flocculant combination

(1)从图8可以看出复合絮凝剂发挥作用主要分为2个阶段:①快速沉积阶段,在这一阶段里,絮凝剂迅速发挥作用,泥颗粒沉积速度快,泥水分界面迅速下降,沉积量占最沉降总量比例大,曲线斜率较大;②稳定沉积阶段,经过一段时间,整体沉积速度放缓,沉积基本稳定,时间增加,沉积量变化程度不大,这一阶段的沉积量占沉降总量比例小,曲线较为平缓。

(2)由图8(a)可知,PAM复合絮凝剂组合在快速沉积阶段絮凝效果表现优异,混合浆液在25 min左右迅速脱水达到稳定沉积阶段,平均沉降量可以达到总沉降量的78.8%,其中PAM和CaO试验组在第一阶段的沉降速率最大约为0.376 cm/min,PAM作为复合絮凝剂组合中的有机组分,在处理泥浆试样时,各条曲线呈现较为一致的变化趋势,表明PAM在改变泥浆性质和脱水性能中起主导作用,无机絮凝剂起辅助作用,协同发挥功效来进行絮凝脱水。

(3)图8(b)反映PEO复合絮凝剂组合的沉积曲线,PEO和CaO试验组沉积速率最大为0.137 cm/min,在60 min左右完成第一阶段进入稳定沉积阶段,这一阶段的沉降量为总沉降量的79.6%,CaO的快速吸水加快了泥颗粒与水分子的分离,达到快速脱水的目的,其它3组工况保持较为平稳的沉积速率,在180 min左右完成沉积。

(4)由图8(c)可得,CTS复合絮凝剂组合处理泥浆试样的快速脱水阶段所需时间长约120 min,在此阶段其平均沉积速率为0.135 cm/min,CTS搭配无机絮凝剂处理泥浆时,其整体脱水速率较为缓慢,脱水过程几乎延续整个沉积时间段。

3 结 论

本文通过量筒沉积试验和小型堆载预压试验研究了不同类型絮凝剂对于泥浆脱水效果的影响规律,提出了更为直观地衡量脱水程度的指标,得到以下主要结论:

(1)单一有机高分子絮凝剂的加入能够提升泥浆的脱水程度,并且缩短其脱水时间,PAM、PEO、CTS处理泥浆的最优掺量分别为0.12%、0.06%、0.15%。

(2)复合絮凝剂相较于单一絮凝剂处理泥浆,其处理能力和效率得到进一步改善和提升。PAM类复合絮凝剂的脱水效能优异,其中PAM与CaO复合絮凝剂组合相较其他组合,能够大大提升处理泥浆的脱水程度,沉积层含水率降低程度达到82.75%;同时该组合也能显著提升泥浆的脱水速率,其沉积速率最大为0.137 cm/min。

(3)自重沉积不能作为衡量脱水效果的单一直观指标,絮凝剂发挥絮凝效果时,团聚集合形成的堆叠絮团不能够定性定量评价脱水效果。经过一定荷载加压后的试样能够直观突出展现不同絮凝剂组合处理泥浆的脱水效果,可用作评价指标。