自重及加載條件下絮凝劑調理廢棄泥漿的脫水效果

韓 超,俞越中,柏 彬,肖 涵,范 舟,吳 巍,孫 科

(1.國網江蘇省電力有限公司建設分公司,南京 210000; 2.華中科技大學 土木與水利工程學院,武漢 430074)

0 引 言

目前,我國每年因工程建設,地下空間開發利用、盾構掘進、群樁基礎和地下連續墻等施工都會產生大量的廢棄泥漿[1]。據統計,我國各類工程建設過程中產生的廢棄泥漿量每年約為3億m3,并以10%的速度遞增[2]。當前,廢棄泥漿的主要處置方式是將其運輸到填埋場作堆場處理[3],該種處置方式存在消耗時間長、處理效率低、費用高且無法資源化利用等缺點,城市施工建設中產生廢棄泥漿的運輸泄露、隨意排放等城市生態環境問題也頗為棘手[4]。因此,在國家大力倡導綠色發展,減少環境污染,推進生態文明建設的背景下,大體量廢棄泥漿的合理處置和資源化利用問題亟待解決。

在面向工業與市政所產生的污泥進行脫水處理時,絮凝劑能夠有效改善污泥脫水性能,顯著降低其含水率,越來越多學者將絮凝調理技術運用到泥漿的處理上[5-10]。孫雨涵等[11]研究發現絮凝劑能促進淤泥顆粒團集沉積,加速泥水分離,提升脫水效率,起到降低泥漿含水率的作用。張志軍[12]針對高嶺土懸濁液使用硫酸鋁和聚合氯化鋁開展絮凝試驗,以絮凝體形態分布以及分形維數為指標定量分析了不同摻量對絮凝效果的影響,找到了鋁鹽絮凝劑的最佳用量,并進一步分析鋁鹽水解原理和試驗結果,探討了絮凝過程中絮體的形態特征。He等[13]以海相黏土為試驗材料,研究了摻入絮凝劑的沉積特性,以含水量和聚丙烯酰胺(Polyscrylamide,PAM)摻量作為變量來研究泥漿的沉積行為,結果表明加入PAM能夠促進產生大粒徑絮體,加快泥漿的沉積速率,證實了PAM能夠有效地改善泥漿的脫水性能,加快泥水分離。張躍軍等[14]探究了7種不同離子性質的陰、陽、非離子絮凝劑對于泥漿的脫水效果,發現各類絮凝劑均具備一定的脫水能力。以陽離子度、特征黏度等為變量,發現各自最佳藥劑用量均有所差異,可能與絮凝劑的帶電性以及特征黏度值均有一定的關聯性。進一步研究絮凝脫水處理后的泥漿的上清液化學需氧量發現其值均不大,但在泥漿污染較重時可以用來作為指標來進行絮凝劑的優選。徐國棟等[15]選用3種無機高分子絮凝劑和5種有機高分子絮凝劑來處理工程廢棄泥漿,以固液分離液面讀數、上清液濁度和懸浮顆粒粒徑為脫水能力指標,探究其對泥漿絮凝效果的影響,試驗發現高PH值環境下,鐵系無機高分子絮凝劑絮凝效果優于鋁系無機高分子絮凝劑,無機高分子絮凝劑和有機高分子絮凝劑使泥漿顆粒團聚沉積存在一定作用范圍,脫出清液的平均粒徑范圍分別為170～220 μm和300～340 μm,可以考慮聯合投加處理泥漿。

上述研究成果大多采用單一類型絮凝劑處理泥漿,對有機、無機-有機復合等多種類型絮凝劑組合處理泥漿的研究較少;在泥漿泥水分離過程中,衡量泥水分離程度的直觀指標和處理手段也較為單一。鑒于此,本研究首先選取有機、無機-有機復合等各類型絮凝劑,開展量筒沉積試驗,以上清液厚度和泥水分界面高度為指標,初步分析各類型絮凝劑組合處理泥漿的脫水效果,再通過小型堆載預壓試驗,進一步定量描述不同類型絮凝劑處理泥漿的脫水效果,探究絮凝劑發揮脫水效能的影響規律。

1 試驗內容

1.1 試驗材料

試驗泥漿為上海地鐵機場線工程產生的廢棄泥漿,同溫州、漢陽地區所取泥漿[16]均屬于細顆粒含量較高的泥。根據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)測得泥漿基本物性參數見表1,試驗泥漿顆粒級配曲線見圖1。試驗泥漿液限wL<50%且塑性指數IP>0.73(wL-20%),同時有機質含量mO<5%,按照《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)塑性圖分類,該泥樣屬于低液限黏土(CL),采用X射線衍射儀測定泥漿的礦物成分,其主要礦物成分是石英,其次是伊利石和高嶺石,黏土礦物中伊利石和高嶺石含量較高,蒙脫石與云母含量較低。

圖1 試驗泥漿粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of test mud

表1 泥漿基本物性參數Table 1 Main physical properties of mud

試驗采用工程中應用廣泛的無機絮凝劑和有機絮凝劑,陰離子AN926SH型PAM相對分子質量為(1.6～1.8)×107;聚氧化乙烯(Polyethylene Oxide,PEO)為白色粒狀粉末,相對分子質量為800×104;水溶殼聚糖(Chitosan,CTS)呈淡黃色結晶狀粉末,脫乙酰度>40%;聚合氯化鐵(Polyferric Chloride,PFC)呈棕褐色顆粒狀;生石灰(CaO)為精細化生石灰粉末;聚合硫酸鋁鐵(Polymeric Aluminum Ferric Sulfate,PAFS)呈白色顆粒狀。

1.2 試驗流程

1.2.1 量筒沉積試驗

試驗沉積容器采用塑料量筒,沿外壁從上至下垂直貼緊一次性塑料刻度條(精度1 mm)。量筒沉積試驗具體流程如下:

(1)將泥漿攪拌6～8 min至均勻狀態。人工剔除泥樣中的碎石和磚渣,完成后測定初始含水率并用薄膜密封。

(2)將PAM、PEO、CTS顆粒與水按照1∶500的質量比配置,以80～100 r/min的速度人工漸進添加,充分攪拌40～60 min直至顆粒全部溶解,溶解后沉淀4～5 h,使用時再加以攪拌。

(3)基于測定泥漿的初始含水率,按照設計配比稱量相應質量的泥漿,加入定量的水勻速攪拌5 min,機械攪拌完成后再用刮刀人工攪拌1 min以清除攪拌死角,制備成圖2(a)所示均勻的淤泥漿。

圖2 量筒沉積試驗流程Fig.2 Deposition test process using measuring cylinder

(4)再次攪拌提前制備好的PAM、PEO、CTS溶液用注射器抽取定量的絮凝劑溶液到燒杯中,分別緩緩倒入制備好的泥漿試樣中,形成“絮凝劑-泥漿”混合漿液。

(5)對“絮凝劑-泥漿”混合漿液采取人工攪拌的方式,以90 r/min的轉速沿逆時針攪拌,同時觀察混合漿液的狀態和土顆粒的形態,當發現有土顆粒聚合團聚后,放緩攪拌速度,直至有圖2(b)所示較明顯的大粒徑的絮團及上清液產生,停止人工攪拌。

(6)將制備均勻的“絮凝劑-泥漿”混合漿液緩沿塑料漏斗緩緩注入圖2(c)所示塑料量筒中,并將殘留漏斗中的泥漿用刮刀刮至干凈,然后置于室內常溫下自然沉積,同時按照一定的時間間隔記錄泥水分界面的初始高度。

1.2.2 小型堆載預壓試驗

試驗采用圖3所示自行設計的小型堆載預壓裝置對混合漿液進行堆載沉降,該裝置由3個加壓板焊接而成,最下方加壓板開有小孔以便排水。

圖3 小型堆載預壓裝置及試驗Fig.3 Small-scale heap load preloading device and test

小型堆載預壓試驗具體流程如下:

(1)同1.2.1節步驟(1)—步驟(5)制備“絮凝劑-泥漿”混合漿液。

(2)將泥漿容置管筒內壁均勻地涂抹凡士林,橡膠塞用防水膠布纏繞數圈后塞入管筒底部(防止漿液從管底溢漏),加載構件從筒口放入后,調試至能夠在自重作用下貼壁勻速下滑。

(3)管筒垂直插入加載臺開孔內,將制備好的混合漿液緩緩倒入管筒,加載圓盤上堆載砝碼對泥漿試樣施加10 kPa的壓強,同時按照一定間隔時間開始記錄泥水分界面的高度,加載250 min后卸下加載砝碼,去除加載構件并用注射器抽出上清液,對壓縮后的沉積層用長柄藥勺分3層取樣測量含水率取平均值。

1.3 試驗工況

通過量筒沉積試驗,觀察“絮凝劑-泥漿”混合漿液的脫水情況,以沉積層厚度、上清液狀態和厚度作為評價脫水效果和程度的指標。為了探究有機高分子絮凝劑處理泥漿效果,此試驗設置一個對照組(A0無絮凝劑)和3個試驗組(A1-1-A1-3、A2-1-A2-3、A3-1-A3-3),試驗具體工況和摻量見表2。表2中wi為初始含水率(定義為泥漿含水質量與干土顆粒質量之比),wPAM為PAM摻量(定義為PAM顆粒質量與干土質量之比),wPEO為PEO摻量(定義為PEO粉末質量與干土質量之比),wCTS為CTS摻量(定義為CTS粉末質量與干土質量之比)。

表2 淤泥試樣工況配比Table 2 Proportions of dredged mud specimens

wPAFS、wCaO、wPFC分別為機絮凝劑PAFS、CaO、PFC的摻量。為探究無機-有機復合絮凝劑處理泥漿效果,設置3個試驗組(B1-1-B1-4、C1-1-C1-4、D1-1-D1-4) 。

2 試驗結果與分析

2.1 有機絮凝劑絮凝效果分析

絮凝處理后的泥漿,土顆粒在重力作用下開始沉降,量筒中開始出現明顯的泥水分界面,靜置一段時間后,沉降速度逐漸放緩直至沉降完全。與對照組相比,加入絮凝劑的試驗組,脫水量均有提升,泥漿的泥水分離程度有一定增加。圖4展示了泥漿泥水分界面高度和上清液厚度隨投入摻量增加的變化過程。

圖4 單一絮凝劑處理泥漿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

從圖4(a)可知,經過PAM調理的A1-1-A1-3試驗組,相對于泥漿對照組,泥水分界面高度均有下降,同時上清液的厚度也相應升高,顯示出PAM處理泥漿的脫水優勢,能夠改變泥漿的性質和形態,從而有效提升泥漿的脫水程度和效率。通過對比泥漿在不同PAM摻量下的脫水表現,發現摻量從0.08%提高到0.16%時,泥水分界面曲線呈現下降趨勢,分界面高度從20.8 cm下降到18 cm,隨之上清液厚度也在不斷地增加,從9.5 cm提高到12.3 cm,整體曲線變化趨勢為先較快增長后放緩。這表明隨著PAM添加量增加,“絮凝劑-泥漿”混合漿液中的PAM顆粒濃度升高,調理泥漿的脫水性能提升;繼續觀察試驗組的上清液狀態,可以發現在摻量為0.16%時,A1-3組上清液呈黏稠狀,說明PAM顆粒與泥漿中的土顆粒結合反應不完全?？紤]到PAM摻量從0.12%增加到0.16%,泥水分界面高度和上清液厚度的變化幅度較小,曲線呈放緩趨勢,綜合脫水效果和經濟成本,0.12%的摻量為PAM處理該泥漿試樣的最優摻量。

由圖4(b)可得,試驗組A2-1-A2-3混合漿液的泥水分離程度大,相較于對照組,其上清液厚度增加明顯。PEO摻量為0.02%、0.04%、0.06%時,上清液厚度分別為A0工況的1.84、2.04、2.26倍。高分子量PEO對于泥漿中的泥顆粒有很好的絮凝作用,利用高分子聚合吸附泥顆粒能夠達到深度脫水的目的。0.06%摻量時上清液厚度已經達到了最高,此時泥水分界面下降至最低點17.6 cm處,比對照組多下降7 cm,沉積層密實程度增大,因此摻量0.06%是PEO處理泥漿試樣的最優摻量。

圖4(c)表明,加入CTS后,混合漿液沉積明顯,不同摻量下的試驗組都能達到好的脫水效果,隨著CTS摻量的提高,可以發現泥水分界面高度先增加再減小。CTS摻量為0.15%時,沉積層高度達到最低值18.2 cm,進一步提高將摻量至0.25%、0.35%時,分界面高度分別為19.5、21.1 cm,對應的上清液高度為10.7 cm和9.1 cm,這說明過量的天然高分子會在一定程度上限制土顆粒的聚集,減弱團聚吸附作用,脫水效能降低導致最終脫水量減小,可以得出CTS處理泥漿試樣的最優摻量為0.15%。添加有機高分子絮凝劑能夠加速泥漿脫水,縮短脫水時間,發揮絮凝劑吸附架橋、電性中和和卷掃等作用,團聚泥漿中的土顆粒和膠體顆粒形成絮團結構,絮體孔隙和排水通道增加,泥漿中的水分子從中排出,最終達到脫水的目的。

2.2 復合絮凝劑絮凝效果分析

圖5為復合絮凝劑處理泥漿試樣后泥水分界面高度和上清液厚度柱狀圖,由圖5可知復合絮凝劑中有機高分子和無機組分能夠共同發揮作用,加快泥漿的脫水。觀察各試驗組可以發現在加入混合漿液體積、初始高度相差不大且在同一室內條件(包括溫度、濕度)置放的條件下,各組的沉降情況各不相同,這表明不同復合絮凝劑組合類型處理能力各有差別。等到沉降穩定,沉降高度變化不大時,記錄到各試驗組泥水分界面高度分別為20.6、24.5、21.2、16.8、21.7、17.5、19.6、22.7、18.7 cm。經過計算可知,PAM、PEO和CTS復合類組合平均沉積層高度分別為22.1、18.67、20.33 cm。對照原始泥漿試驗組發現PAM復合類組合的平均高度最高,上清液厚度也最小,其中PAM和CaO組合的泥水分界面高度最高為24.5 cm,比原始泥漿自然沉積高度還高0.4 cm,這與復合絮凝劑提升脫水效能的功用相違背。

圖5 不同復合絮凝劑組合類型沉積情況Fig.5 Sedimentation of mud under different composite flocculant combinations

進一步觀察量筒沉積情況(圖6),發現PAM復合類組合處理泥漿時,會利用長鏈架橋促使絮凝劑分子聚合形成分子網吸附網布泥顆粒,形成數量多、體積大的絮體[17]。

圖6 各復合絮凝劑類型組合絮團形態大小Fig.6 Shape and size of flocs of each composite flocculant combination

由圖6(a)可知,這些絮體在重力作用下團聚堆疊在混合漿液中產生很多空隙和排水通道,從而抬高沉積層,降低上清液厚度。

由圖6(b)可以看到PEO復合類組合中PEO和CaO兩種絮凝劑協同處理泥漿能夠產生較大的絮團沉積,而搭配PEO的無機絮凝劑PAFS和PFC并不能發揮同樣作用,產生大絮團,其混合漿液沉積后的泥顆粒十分細膩,使得一定程度的泥水分界面降低。

圖6(c)中的CTS復合類組合試驗組整體絮團很小,泥顆粒細小,層層鋪陳密實,加入CaO的工況會有較高的泥水分界面。

在PAM、PEO、CTS分別取最優摻量的基礎上搭配3種無機絮凝劑,各類型組合中,搭配CaO的試驗組其沉積層高度普遍較高,泥顆粒成團效果最好,絮團平均尺寸最大,這是由于CaO攪拌溶入混合漿液后先吸水,再產生大量的陽離子起到吸附作用;PAFS作為高分子無機絮凝劑搭配有機絮凝劑時,不會與之共同作用產生大的絮團,PFC在與PAM搭配時可以發揮作用生成大絮團。PAFS搭配PEO時試驗組沉積層高度較PFC與PEO搭配處理要低,而對比PAFS搭配CTS時,PFC和CTS的組合理泥漿其泥水分界面高度要低。

不同復合絮凝劑類型組合在處理泥漿試樣時,由于會產生大小、數量不相同的絮團,絮團積累堆疊會使泥水分界面高度上升,上清液厚度隨之減小,因此僅僅依據觀測的泥水分界面高度和上清液厚度來作為判斷復合協同脫水程度的指標是不準確的,需要進一步開展堆載預壓試驗探究不同組合類型實際的脫水效能。

加壓堆載能夠顯著降低試驗組沉積層厚度,使試樣脫水明顯。容置筒筒底由于用橡膠塞封口,排水過程為單面排水固結,固結沉積完成后,觀察到沉積層均呈密實狀,大的絮團被壓實鋪平,排水通道和大空隙消失。圖7給出了各復合絮凝劑組合類型堆載加壓后的泥水分界面高度和沉積層含水率。

圖7 堆載加壓后的泥水分界面高度和沉積層含水率Fig.7 Height of the mud-water interface and water content of sedimentary layer after heap loading

(1)觀察發現PAM復合絮凝劑類型組合能夠顯著提升泥漿的脫水效能,提升脫水程度,其平均泥水分界面高度為12.83 cm,相較于PEO、CTS復合類型組合的15.08、16.58 cm,平均沉降量分別下降了14.9%和22.6%,表明PAM作為復合絮凝劑中的有機高分子組分,能夠利用有機高分子的鏈狀結構、電中和作用吸附細小的泥顆粒、并形成橋鏈團聚泥顆粒形成穩定的絮體結構,從而加速水分子分離,增大脫水量,是處理泥漿試樣的最優有機高分子絮凝劑組合類型[18]。同時,無機絮凝劑組分能夠在泥漿脫水過程中發揮作用,各復合類型組合中,對比對照組(只添加PAM、PEO、CTS),加入無機絮凝劑的試驗組泥水分界面均有一定程度的降低,這是因為無機絮凝劑PAFS、CaO、PFC能夠在沉積過程中吸附黏結細小顆粒,形成的小絮體可以和有機高分子絮凝而成的大絮團結合團聚成更大的絮體結構,從而更進一步促使沉積和泥水分離過程。本文選用的泥漿黏粒含量為38.9%,小粒徑泥顆粒占比較多,這種泥漿能夠更好地發揮無機絮凝劑吸附小顆粒的特性,與有機高分子絮凝劑協同發揮脫水絮凝功效,壓縮沉積層,提升脫水量。

(2)沉積層含水率能夠有效地反映泥漿的密實度和脫水程度,是衡量混合漿液脫水量的直觀指標。在PAM復合類型組合中,單一絮凝劑處理脫水后沉積層的含水率為181.67%,經各類型組合復合絮凝劑絮凝調理處理后的沉積層含水率分別是170.67%(PAM+PAFS)、98.92%(PAM+CaO)、155.22%(PAM+PFC),與對照組(只添加PAM)相比含水率均有下降,其中PAM+CaO的組合能夠顯著降低沉積層含水率,下降程度達到82.75%,泥水分界面高度與沉積層含水率一一對應,共同表明PAM和CaO的組合是該類型中的最優組合類型。

(3)觀察PEO復合類型組合,可以發現復合絮凝劑的添加能夠一定程度降低沉積層含水率,但含水率下降程度較低,泥水分界面高度與沉積層含水率一一對應,共同表明PAM和CaO的組合是該類型中的最優組合類型。

(4)觀察PEO復合類型組合,可以發現復合絮凝劑的添加能夠一定程度降低沉積層含水率,但含水率下降程度較低,最優組合PEO和CaO試驗組中最低含水率為167.55%,對比對照組(只添加PEO)只下降了25.44%,這是因為聚氧化乙烯主要利用高分子絮凝吸附細小泥顆粒來達到脫水效果,與無機絮凝劑作用機理較為重合,因此各類型組合處理泥漿的沉積層含水率下降程度不大。

(5)CTS復合類型組合不能較為有效地降低試驗淤泥漿的沉積層含水率,測得平均含水率為214.81%,采用CaO作為無機絮凝劑時,含水率下降程度最大為73.16%,結合泥水分界面高度表明三類復合類型中CTS組合類型處理泥漿的效果較為一般。

(6)觀察3類復合絮凝劑類型,發現CaO的加入能夠改善泥漿的脫水性能,降低試驗組的沉積含水率,這是因為CaO加入混合漿液后能夠發揮其吸水特性,在短時間內增加脫水量,提高泥水分離程度,因此CaO為無機絮凝劑組分中處理泥漿試樣的最優選擇。

沉積速率也是衡量脫水性能的一個重要指標,在工程實際應用中具有重要作用。圖8反映歸一化泥水分界面高度隨沉積時間的變化規律。

圖8 各復合絮凝劑組合類型脫水速率Fig.8 Dewatering rate of each composite flocculant combination

(1)從圖8可以看出復合絮凝劑發揮作用主要分為2個階段:①快速沉積階段,在這一階段里,絮凝劑迅速發揮作用,泥顆粒沉積速度快,泥水分界面迅速下降,沉積量占最沉降總量比例大,曲線斜率較大;②穩定沉積階段,經過一段時間,整體沉積速度放緩,沉積基本穩定,時間增加,沉積量變化程度不大,這一階段的沉積量占沉降總量比例小,曲線較為平緩。

(2)由圖8(a)可知,PAM復合絮凝劑組合在快速沉積階段絮凝效果表現優異,混合漿液在25 min左右迅速脫水達到穩定沉積階段,平均沉降量可以達到總沉降量的78.8%,其中PAM和CaO試驗組在第一階段的沉降速率最大約為0.376 cm/min,PAM作為復合絮凝劑組合中的有機組分,在處理泥漿試樣時,各條曲線呈現較為一致的變化趨勢,表明PAM在改變泥漿性質和脫水性能中起主導作用,無機絮凝劑起輔助作用,協同發揮功效來進行絮凝脫水。

(3)圖8(b)反映PEO復合絮凝劑組合的沉積曲線,PEO和CaO試驗組沉積速率最大為0.137 cm/min,在60 min左右完成第一階段進入穩定沉積階段,這一階段的沉降量為總沉降量的79.6%,CaO的快速吸水加快了泥顆粒與水分子的分離,達到快速脫水的目的,其它3組工況保持較為平穩的沉積速率,在180 min左右完成沉積。

(4)由圖8(c)可得,CTS復合絮凝劑組合處理泥漿試樣的快速脫水階段所需時間長約120 min,在此階段其平均沉積速率為0.135 cm/min,CTS搭配無機絮凝劑處理泥漿時,其整體脫水速率較為緩慢,脫水過程幾乎延續整個沉積時間段。

3 結 論

本文通過量筒沉積試驗和小型堆載預壓試驗研究了不同類型絮凝劑對于泥漿脫水效果的影響規律,提出了更為直觀地衡量脫水程度的指標,得到以下主要結論:

(1)單一有機高分子絮凝劑的加入能夠提升泥漿的脫水程度,并且縮短其脫水時間,PAM、PEO、CTS處理泥漿的最優摻量分別為0.12%、0.06%、0.15%。

(2)復合絮凝劑相較于單一絮凝劑處理泥漿,其處理能力和效率得到進一步改善和提升。PAM類復合絮凝劑的脫水效能優異,其中PAM與CaO復合絮凝劑組合相較其他組合,能夠大大提升處理泥漿的脫水程度,沉積層含水率降低程度達到82.75%;同時該組合也能顯著提升泥漿的脫水速率,其沉積速率最大為0.137 cm/min。

(3)自重沉積不能作為衡量脫水效果的單一直觀指標,絮凝劑發揮絮凝效果時,團聚集合形成的堆疊絮團不能夠定性定量評價脫水效果。經過一定荷載加壓后的試樣能夠直觀突出展現不同絮凝劑組合處理泥漿的脫水效果,可用作評價指標。