盾构隧道废弃泥浆絮凝沉淀试验及处理效果评价

摘要：为明确盾构隧道废弃泥浆的固液分离性能，提高分离效率，试验选取非离子型聚丙烯酰胺、阴离子型聚丙烯酰胺以及聚合氯化铝作为研究对象，研究三者在不同分子量、浓度及添加量下的絮凝沉淀效果。基于单一絮凝剂的试验结果，进一步选取复合絮凝剂进行试验研究。结果表明，絮凝效果由强到弱的排序为阴离子型聚丙烯酰胺＞非离子型聚丙烯酰胺＞聚合氯化铝，其中阴离子型聚丙烯酰胺的絮凝沉淀效果远远好于非离子型聚丙烯酰胺及聚合氯化铝，有机絮凝剂聚合氯化铝的泥水分离速度比其他两种絮凝剂慢，但上清液浊度远远低于无机高分子絮凝剂。对比分析发现，复合絮凝剂阴离子型聚丙烯酰胺添加量为70 mL，聚合氯化铝添加量为10 mL时，底泥体积相对较小，同时上清液浊度大大降低，达到绿色高效的处理要求。

关键词：盾构隧道；废弃泥浆；絮凝剂；效果评价

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）10-00-05

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Flocculation and sedimentation test of abandoned slurry in shield tunnel and evaluation of treatment effect

Chen Jin1， Ming Zhu2， Li Ning2， Yang Yousen2， Bie Diankui3， Zhang Lu4

（1. Taizhou Expressway Construction Command， Taizhou 225300， China;

2. Zhonglu Jiaoke Testing Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210031， China;

3. Jiangsu Jieda Transportation Engineering Group Co.， Ltd.， Huai’an 223001， China;

4. China Railway 14th Bureau Group Co.， Ltd.， Jinan 250101， China）

Abstract： In order to clarify the solid-liquid separation performance of abandoned slurry in shield tunnels and improve separation efficiency， non-ionic polyacrylamide， anionic polyacrylamide， and polyaluminum chloride are selected to study the flocculation and precipitation effects of different molecular weights， concentrations， and addition amounts in this experiment. Based on the experimental results of a single flocculant， a composite flocculant is further selected for experimental research. The results show that the order of flocculation effect from strong to weak is anionic polyacrylamide＞nonionic polyacrylamide＞polyaluminum chloride， among them， the flocculation and precipitation effect of anionic polyacrylamide is much better than that of nonionic polyacrylamide and polyaluminum chloride， and the mud-water separation speed of organic flocculant polyaluminum chloride is slower than the other two coagulants， but the turbidity of the supernatant is much lower than that of inorganic polymer flocculants. Comparative analysis finds that when the addition of composite flocculant anionic polyacrylamide is 70 mL and the addition of polyaluminum chloride is 10 mL， the sediment volume is relatively small， and the turbidity of the supernatant is greatly reduced， meeting the requirements of green and efficient treatment.

Keywords： shield tunnel; abandoned slurry; flocculant; effect evaluation

盾构隧道施工不可避免地会产生大量的渣土和泥浆，废弃泥浆处理技术有晾晒、机械脱水（压滤、离心）、化学絮凝脱水和抽滤脱水[1-2]。目前常采用化学絮凝与机械脱水结合的方法，通过化学絮凝作用改变黏土颗粒表面性质，让细颗粒间产生聚结，破坏泥浆的整体稳定性，进而在机械辅助分离下实现泥浆的水土分离[3-5]。因此，化学絮凝是其中一环，选择合适的絮凝剂及处理条件至关重要。

国内外学者针对废弃泥浆的絮凝处理进行研究。一是研究有机絮凝剂作用下浆液絮体的宏微观变化，揭示絮凝机理[6]；二是通过试验得出有机絮凝剂对泥浆具有较好的分离效果[7-8]；三是通过室内试验，研究絮凝剂种类、掺量对浆脱水效率的影响，确定絮凝剂的最佳种类和掺量[9-11]；四是研究不同电荷类型及密度的絮凝剂对泥浆脱水效率的影响[12]。然而，上述研究存在一些不足，未充分考虑絮凝剂种类、分子量和添加量对废弃泥浆脱水效果的影响，评价指标过于单一，未能全面综合评价絮凝剂对废弃泥浆的处理效果。基于此，选取非离子型聚丙烯酰胺、阴离子型聚丙烯酰胺以及聚合氯化铝，研究不同分子量、浓度及添加量下的絮凝沉淀效果。基于单一絮凝剂的试验结果，进一步选取复合絮凝剂进行试验研究。基于室内试验结果，选取多个相关影响因子进行分析，权衡利弊，建立絮凝剂絮凝效果评价体系，从而供众多工程参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

试验材料主要有钠基膨润土、粉土、高岭土、非离子型聚丙烯酰胺、阴离子型聚丙烯酰胺以及聚合氯化铝。试验用水为去离子水。试验仪器主要有烧杯、量筒、电子天平、药匙和玻璃棒等。

1.2 试验方法

为了确保室内试验配制的泥浆与现场废弃泥浆性能相似，通过分析现场废浆颗粒粒径及成分，选取钠基膨润土、粉土及高岭土作为原料。经粒径分析，预处理后粒径小于75 μm的废浆颗粒占90%以上，故在室内按照900 g水、90 g粉土、20 g膨润土及70 g高岭土混合配制废浆。参考既有研究结果，采用3种絮凝剂，包括非离子型聚丙烯酰胺、阴离子型聚丙烯酰胺以及聚合氯化铝，配制浓度为0.1%、0.15%及0.2%的非离子型聚丙烯酰胺、阴离子型聚丙烯酰胺溶液，采用浓度为28%的聚合氯化铝进行对比试验。为保证絮凝剂溶液的稳定性，絮凝剂溶液均为现配现用。从现有环保要求及工期角度出发，坚持高效绿色的原则，选取上清液pH值、上清液浊度、底泥体积及底泥含水率等4个指标来评价絮凝剂絮凝沉淀试验结果。

2 絮凝沉淀试验结果分析

通过对比不同絮凝剂种类、分子量、添加量及浓度对絮凝结果的影响，发现不同种类絮凝剂絮凝沉淀效果不一，同种絮凝剂在不同浓度及添加量下的絮凝速率差别较大。添加非离子型聚丙烯酰胺和阴离子型聚丙烯酰胺两种无机絮凝剂后，上清液和底泥出现明显的分层现象，形成较为清晰的界面，泥水分离效果较好。而添加聚合氯化铝有机絮凝剂后，上清液和底泥分层现象不明显，分离界面不清晰，相较而言，泥水分离效果较差。絮凝沉淀试验现象如图1所示。

2.1 聚丙烯酰胺

采用非离子型聚丙烯酰胺作为絮凝剂，调节絮凝剂添加量，不同分子量絮凝剂对底泥的最佳处理效果如表1所示。废弃泥浆絮凝效果与絮凝剂添加量呈非线性关系，不同分子量的非离子型聚丙烯酰胺溶液均存在最佳浓度，使得絮凝效果最佳。考虑底泥体积和含水率，非离子型聚丙烯酰胺分子量为1 600万，添加量为70 mL，浓度为0.2%时，絮凝效果最佳。添加非离子型聚丙烯酰胺后，上清液均呈碱性，考虑上清液pH值，非离子型聚丙烯酰胺分子量为1 800万，

添加量为70 mL，浓度为0.2%时，絮凝效果最佳；考虑上清液浊度，非离子型聚丙烯酰胺分子量为

1 600万，添加量为60 mL，浓度为0.1%时，絮凝效果最佳。综合考虑底泥体积、含水率、上清液浊度和pH值等指标，最终确定非离子型聚丙烯酰胺分子量为1 600万，添加量为70 mL，浓度为0.2%时，整体絮凝效果最佳，废弃泥浆含水率降低40%。

采用阴离子型聚丙烯酰胺作为絮凝剂，调节絮凝剂添加量，不同分子量絮凝剂对底泥的最佳处理效果如表2所示。废弃泥浆絮凝效果与絮凝剂添加量呈非线性关系，不同分子量的阴离子型聚丙烯酰胺溶液均存在最佳浓度，使得絮凝效果最佳。考虑底泥体积和含水率，阴离子型聚丙烯酰胺分子量为1 600万，添加量为80 mL，浓度为0.15%时，絮凝效果最佳。添加阴离子型聚丙烯酰胺后，上清液均呈碱性，考虑上清液pH值，阴离子型聚丙烯酰胺分子量为1 600万，

添加量为40 mL，浓度为0.2%时，絮凝效果最佳。考虑上清液浊度，阴离子型聚丙烯酰胺分子量为

1 800万，添加量为80 mL，浓度为0.1%时，絮凝效果最佳。综合考虑底泥体积、含水率、上清液浊度和pH值等指标，最终确定阴离子型聚丙烯酰胺分子量为1 600万，添加量为80 mL，浓度为0.15%时，整体絮凝效果最佳，废弃泥浆含水率降低50%。相较于非离子型聚丙烯酰胺，在相同浓度、相同添加量的阴离子型聚丙烯酰胺作用下，絮凝沉淀后的底泥体积与含水率都有不同程度的下降，说明阴离子型聚丙烯酰胺具有更好的絮凝沉淀效果。絮凝剂浓度为0.15%，添加量为80 mL时，阴离子型聚丙烯酰胺最终絮凝沉淀的底泥体积比非离子型聚丙烯酰胺小15 mL。

2.2 聚合氯化铝

采用浓度为28%的聚合氯化铝溶液进行对比试验，添加量分别为80 mL、100 mL、120 mL、140 mL、

160 mL和180 mL，聚合氯化铝絮凝沉淀试验结果如图2及表3所示。通过底泥体积和含水率可以看出，聚合氯化铝对废弃泥浆的絮凝效果一般。通过上清液pH值和浊度的变化可以看出，聚合氯化铝的作用主要是降低废水中的污染物。在无机高分子聚合物作用下，上清液浊度和上清液pH值远远低于有机高分子絮凝剂。综合考虑底泥体积、含水率、上清液浊度及pH值等指标，最终确定聚合氯化铝浓度为28%时，最佳添加量为120 mL。在此状态下，上清液pH值及浊度大大降低，达到最佳絮凝效果。

3 复合絮凝剂絮凝沉淀试验

单一絮凝剂絮凝沉淀试验研究可得到各自最优投放量。但是，实际处理工程废浆时，仅仅使用单一絮凝剂不能达到环保要求，合理的絮凝剂组合能使处理后的废浆综合性能达到最佳，有利于排放和二次利用，故研究复合絮凝剂对废浆的处理十分必要。复合絮凝剂通常选取无机高分子絮凝剂+有机高分子絮凝剂组合，二者作用机理不同且存在互补，能达到较好的效果。参考既有研究，采用阴离子型聚丙烯酰胺+聚合氯化铝来处理，因为阴离子型聚丙烯酰胺可以显著加快固液分离，而聚合氯化铝对上清液pH值及浊度的调节效果明显，两者综合运用能够达到高效绿色处理的目的。

选取分子量为1 600万、浓度为0.15%的阴离子型聚丙烯酰胺和浓度为28%的聚合氯化铝进行复配，在复配试验中，将阴离子型聚丙烯酰胺和聚合氯化铝按照不同的比例投加到废弃泥浆中，复合絮凝剂絮凝沉淀试验结果如图3及表4所示。复合絮凝剂对细小土颗粒及上清液中污染物颗粒的絮凝效果介于阴离子型聚丙烯酰胺和聚合氯化铝之间，复合絮凝剂的阴离子型聚丙烯酰胺添加量为70 mL，聚合氯化铝添加量为10 mL时，底泥含水率降低45%，相比阴离子型聚丙烯酰胺添加量80 mL的絮凝效果（底泥含水率降低50%）而言，二者絮凝效果比较接近。此时，上清液pH值和浊度显著减小，与聚合氯化铝添加量80 mL的絮凝效果比较接近。综上，复合絮凝剂的阴离子型聚丙烯酰胺添加量为70 mL，聚合氯化铝添加量为10 mL时，絮凝效果最佳。

4 絮凝剂处理效果评价

不同分子量下，各类絮凝剂对底泥体积的影响如图4所示。通过对比分析不同种类絮凝剂最佳效果下的底泥体积，可以得出阴离子型聚丙烯酰胺与非离子型聚丙烯酰胺的处理效果相差不大，整体而言，其效果优于聚合氯化铝，其中聚合氯化铝作用下的底泥体积明显高于前两者。对于阴离子型聚丙烯酰胺而言，当分子量为1 600万时，最低底泥体积为178 mL；对于非离子型聚丙烯酰胺而言，当分子量为1 600万时，最低底泥体积为186 mL；对于聚合氯化铝（浓度28%）而言，当分子量为1 800万时，底泥体积为376 mL，为前两者的两倍。因此，适宜处理废弃泥浆的絮凝剂为分子量1 600万的阴离子型聚丙烯酰胺。

不同分子量下，各类絮凝剂对上清液浊度的影响如图5所示。对比分析不同种类絮凝剂作用下上清液浊度变化，当聚合氯化铝作用时，其上清液浊度远远低于其他絮凝剂，其中非离子型聚丙烯酰胺作用下的上清液浊度略低于阴离子型聚丙烯酰胺，而复合絮凝剂作用的上清液浊度低于非离子型聚丙烯酰胺和阴离子型聚丙烯酰胺，仅高于聚合氯化铝。以上清液浊度为参考指标，复合絮凝剂在废弃泥浆处理方面具有较大的优势。

5 结论

对于不同种类絮凝剂，絮凝效果由强到弱的排序为阴离子型聚丙烯酰胺＞非离子型聚丙烯酰胺＞聚合氯化铝，其中阴离子型聚丙烯酰胺的絮凝沉淀效果明显优于非离子型聚丙烯酰胺及聚合氯化铝。对于非离子型聚丙烯酰胺，试验得出无论是底泥体积还是上清液性质，其均介于阴离子型聚丙烯酰胺与聚合氯化铝之间，处理效果及速率不及阴离子型聚丙烯酰胺，排放的上清液浊度等远远高于聚合氯化铝。对于阴离子型聚丙烯酰胺，对比底泥体积、含水率、上清液pH值

及浊度等指标，当分子量为1 600万，浓度为0.15%，添加量为80 mL时，各项指标均处于最佳状态，此添加量为阴离子型聚丙烯酰胺最佳添加量。聚合氯化铝的泥水分离速度比其他两种絮凝剂慢，但有机絮凝剂聚合氯化铝絮凝沉淀后的上清液浊度明显低于无机高分子絮凝剂，该结果对复合絮凝剂的应用具有较大参考价值。选取阴离子型聚丙烯酰胺+聚合氯化铝作为复合絮凝剂组合，按照不同配比进行复配试验，对比底泥及上清液相关指标结果表明，当阴离子型聚丙烯酰胺添加量为70 mL，聚合氯化铝为10 mL时，底泥体积相对较小，上清液浊度大大降低，达到绿色高效的处理要求。

参考文献

1 谢亦朋，张 聪，阳军生，等.盾构隧道渣土资源化再利用技术研究及展望[J].隧道建设，2022（2）：188-207.

2 朱 伟，钱勇进，王 璐，等.盾构隧道渣土与泥浆的分类与处理利用技术及主要问题[J].隧道建设，2021（2）：1-13.

3 杜贵新.复杂城市环境泥水盾构泥浆绿色处理技术分析[J].铁道建筑技术，2020（1）：121-124.

4 乌效鸣，徐 晗，魏林春，等.泥水盾构泥浆除砂的选择性絮凝剂应用研究[J].现代隧道技术，2020（3）：189-192.

5 刘 娟，武耀锋，张晓慷.水分散型阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的絮凝性能及其机理[J].环境工程学报，2015（1）：119-124.

6 王东星，伍林峰，唐弈锴，等.建筑废弃泥浆泥水分离过程与效果评价[J].浙江大学学报（工学版），2020（6）：1049-1057.

7 梁止水，杨才千，高海鹰，等.建筑工程废弃泥浆快速泥水分离试验研究[J].东南大学学报（自然科学版），2016（2）：427-433.

8 张钦喜，陶 韬，王晓杰，等.钻孔灌注桩废弃泥浆处理的试验研究[J].水利学报，2015（1）：40-45.

9 冷 凡，庄迎春，刘世明，等.泥浆快速化学脱稳与固液分离试验研究[J].哈尔滨工程大学学报，2014（3）：280-284.

10 武亚军，陆逸天，牛 坤，等.药剂真空预压法处理工程废浆试验[J].岩土工程学报，2016（8）：1365-1373.

11 刘勇健，沈 军，张建龙.废泥浆固液分离的试验研究[J].广东工业大学学报，2000（2）：53-56.

12 HE J，CHU J.Sedimentation behavior of flocculant-treated soilslurry [J].Marine Georesources and Geotechnology，2017（5）：593-602.