絮凝-真空抽濾聯(lián)合處理廢棄泥漿

陳浩

（中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司總承包分公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和城市基礎(chǔ)設(shè)施迅猛推進(jìn)，地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、非開挖水平定向鉆孔、泥水加壓式盾構(gòu)等工程施工過程中，不可避免地產(chǎn)生大量建筑工程廢棄泥漿[1]。細(xì)粒含量高、初始含水量高、透水性差、自然沉降固結(jié)時間長等特點，是長期困擾建筑廢棄泥漿安全處置的重大難題。因此，尋找高效綠色的廢棄泥漿脫水減容方法，最大程度地降低泥漿排放風(fēng)險，是工程建設(shè)施工過程中亟待解決的關(guān)鍵難題[2]。

建筑廢棄泥漿處理旨在實現(xiàn)機(jī)械脫水（減量化）、固穩(wěn)污染物（無害化）和改良泥漿性質(zhì)（資源化）[3-4]。近年來，以土工織物為過濾體的真空排水固結(jié)法得到廣泛關(guān)注，其關(guān)鍵在于保證過濾排水系統(tǒng)的持續(xù)有效性、加速固結(jié)。Moo-Young等[5]采用土工布管法處理高含水泥漿，有效實現(xiàn)泥水分離。利用土工織物進(jìn)行常規(guī)真空抽水時易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，阻礙泥水分離連續(xù)性、降低脫水效率，導(dǎo)致常規(guī)真空抽水對建筑泥漿的排水效果不盡人意[6]。堵塞現(xiàn)象與泥漿顆粒粒徑有關(guān)，顆粒粒徑越小，泥漿越易發(fā)生堵塞[6]。周源等[7]和鄧東升等[8]采用真空負(fù)壓和氣流共同作用的透氣真空技術(shù)，有效延緩堵塞。王軍等[9]采用新型防淤堵排水板，通過提高濾膜強(qiáng)度、自由調(diào)節(jié)濾膜孔徑大幅提高排水板透水性能。武亞軍等[10]構(gòu)建藥劑真空預(yù)壓法，明確藥劑真空預(yù)壓的主動防淤堵作用與固化劑聯(lián)合真空預(yù)壓的骨架構(gòu)建作用。

選取陰離子聚丙烯酰胺APAM以及氫氧化鈣Ca（OH）2，提出絮凝劑聯(lián)合真空抽濾的快速泥水分離技術(shù)，通過真空抽濾試驗探索絮凝泥漿泥水分離過程。用表層水高度、抽濾液質(zhì)量、泥面沉降高度等指標(biāo)，分析絮凝-真空抽濾對泥漿脫水減容效果，研究抽濾管尺寸和絮凝劑類型影響下泥漿抽濾效果，探索該方法有效性與最佳參數(shù)，緩解真空抽濾過程泥漿淤堵問題。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

泥漿取自珠海市洪灣港北片區(qū)（一期）環(huán)港北路二號橋鉆孔灌注樁廢棄泥漿，基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。泥漿顆粒級配曲線見圖1，以粉粒為主、砂粒含量居中、黏粒含量最低。

表1 泥漿基本物理特征Table 1 Physical characteristics of slurry

圖1 泥漿顆粒分布曲線Fig.1 Particle size distribution of slurry

試驗用無紡?fù)凉げ既∽陨綎|某土工材料有限公司，具有良好的透氣性和透水性，規(guī)格為200 g/m2、厚度1.7 mm、垂直滲透系數(shù)1×10-3cm/s、等效孔徑200 μm。選取的有機(jī)高分子絮凝劑為APAM、無機(jī)絮凝劑Ca（OH）2，用于調(diào)理泥漿。APAM投加量按體積濃度（mg/L）計，Ca（OH）2直接稱取干粉（1600 mg/L），加入泥漿均勻攪拌。試驗用APAM分子量2500萬，鞏義市某水處理材料有限公司生產(chǎn)。Ca（OH）2為分析純，取自無錫市某化工有限公司。

1.2 試驗方法

真空抽濾室內(nèi)模型試驗裝置（見圖2）由真空抽濾箱、真空抽氣系統(tǒng)、抽濾過濾系統(tǒng)、監(jiān)控測讀系統(tǒng)4部分組成。通過各部分構(gòu)件有序組合，使得4個系統(tǒng)形成真空負(fù)壓、抽濾過濾為主體的4個模塊，構(gòu)成完整的真空抽濾試驗裝置。

圖2 真空抽濾泥水分離裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sludge-water separation device for vacuum suction filtration

真空抽濾模型試驗時，初始泥漿高度30 cm，真空度90 kPa，試驗周期14 d。真空抽濾快速泥水分離試驗，試驗初始條件與參數(shù)取值，見表2。

表2 真空抽濾泥水分離試驗方案Table 2 Program of slurry-water separation on vacuum suction filtration

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 APAM對真空抽濾泥漿促排作用

APAM（400 mg/L）、Ca（OH）2（1600 mg/L）、APAM+Ca（OH）2三種絮凝劑調(diào)理泥漿沉降規(guī)律見圖3。APAM調(diào)理泥漿試樣的真空抽濾速度最快達(dá)到5.8 g/min，之后隨抽濾時間增加抽濾速度緩慢下降，前250 h內(nèi)平均抽濾速度為0.87 g/min。APAM絮凝和未添加絮凝劑試樣的真空抽濾試驗都存在抽濾終結(jié)時間點，該時間點之后抽濾液質(zhì)量與泥面沉降高度基本不再增加，添加APAM試樣比未投加試樣更快到達(dá)抽濾終點，有效縮短抽濾時間。

圖3 不同絮凝劑時泥漿真空抽濾效果Fig.3 Effect of slurry vacuum suction filtration with different flocculants

添加APAM試樣泥面總沉降量為204 mm，第1天沉降130 mm、達(dá)到14 d總沉降量的64%。添加APAM泥漿試樣泥面高度比原始泥漿多下降20.7%，這說明真空抽濾作用下APAM能有效促進(jìn)泥漿排水和固結(jié)過程。真空加載前絮凝脫水作用將分散顆粒團(tuán)聚、細(xì)顆粒絮凝成大顆粒體絮團(tuán)，絮團(tuán)之間形成良好滲水通道，加快泥漿固液分離速率；抽濾高壓作用下，更多粗顆粒形成，泥漿級配更好、可壓縮空間提高，表現(xiàn)出更好壓縮性、更多水分排出。

APAM絮凝泥漿試樣第3天時表層水厚度達(dá)到峰值82 mm，第8天后表面水層消失。表層水厚度整體上呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律，這主要因為：真空抽濾試驗開始時，在真空負(fù)壓作用下部分水分滲透經(jīng)過抽濾管后流入飽和缸，迫使土顆粒骨架向下壓密、體積減小，部分孔隙水來不及進(jìn)入抽濾管而在表層析出。當(dāng)土顆粒壓密速度大于孔隙水排出速度時，宏觀上表現(xiàn)為真空抽濾使泥漿表層水厚度增加。隨著真空抽濾持續(xù)，土顆粒骨架壓密速度會逐漸小于孔隙水排出速度，宏觀上表現(xiàn)為表面水層厚度降低直至消失。

2.2 Ca（OH）2對真空抽濾泥漿促排作用

Ca（OH）2調(diào)理泥漿的濾液質(zhì)量迅速增至峰值后趨于穩(wěn)定。前30 min內(nèi)濾液抽濾速度最高達(dá)7.9 g/min，之后隨時間增加抽濾速度緩慢下降，第173小時抽濾液質(zhì)量達(dá)到峰值且不再增加，前173 h內(nèi)平均抽濾速度1.29 g/min。添加Ca（OH）2試樣在173h達(dá)到抽濾終點，比原始泥漿提前125h，該點之前調(diào)理泥漿抽濾速度明顯更高、抽濾時間縮短。Ca（OH）2調(diào)理泥漿最終抽濾液質(zhì)量比原始泥漿少1066 g，由于絮凝時間過長14 d脫水效果并未提高、絮凝效應(yīng)體現(xiàn)在絮凝劑調(diào)理泥漿初期。Ca（OH）2調(diào)理泥漿初始高度略低于原始泥漿，即泥漿中初始含水量偏低導(dǎo)致抽濾液質(zhì)量更低；Ca（OH）2提高泥漿pH值，使泥漿溶液呈弱堿性，Ca（OH）2與SiO2發(fā)生火山灰反應(yīng)，吸收孔隙自由水和土顆粒表面附著水，降低泥漿含水率。

Ca（OH）2調(diào)理泥漿試樣總沉降量為152 mm，第1天時沉降量88 mm，達(dá)到14 d總沉降量的58%。添加Ca（OH）2泥漿在第5天時沉降幾近終止，此時沉降量已達(dá)14 d時總沉降量，而原始泥漿第11天才達(dá)到總沉降量，比絮凝泥漿推遲約125 h，即Ca（OH）2可大幅提高泥漿中自由水抽濾效率。

Ca（OH）2調(diào)理泥漿比對照原始泥漿提前125 h達(dá)到14 d總沉降量，大幅度縮短真空抽濾時間。Ca（OH）2與泥漿SiO2發(fā)生火山灰反應(yīng)生成硅酸鈣微晶凝膠，不斷吸附、包裹、黏結(jié)細(xì)顆粒，增大泥漿顆粒粒徑而形成更大顆粒泥漿團(tuán)粒。大顆粒泥漿團(tuán)粒骨架構(gòu)建作用，增大泥漿濾液滲流通道，提高泥漿滲透性，加速初期排水速率。

2.3 APAM+Ca（OH）2對真空抽濾泥漿促排作用

不同于絮凝泥漿抽濾速度迅速下降現(xiàn)象，原始泥漿真空抽濾速度隨時間延續(xù)而不斷降低，但總體降幅較緩慢。APAM+Ca（OH）2調(diào)理泥漿在抽濾80 h時達(dá)到14 d總抽濾液質(zhì)量的82.7%，此時絮凝泥漿抽濾排水過程基本完成。因為Ca（OH）2與泥漿中SiO2發(fā)生火山灰反應(yīng)，會消耗少許水分；高分子有機(jī)絮凝劑APAM絮凝黏結(jié)泥漿內(nèi)部間隙水，無法通過真空抽濾方式有效排出。

復(fù)合絮凝劑調(diào)理泥漿在第1天～第2天時間段內(nèi)沉降基本為0，這是由于泥漿中形成快速滲水通道，真空負(fù)壓作用下表層水通過真空抽濾管將其快速抽濾出，第2.3天表層水消失后泥漿內(nèi)部才繼續(xù)發(fā)生沉降，直至第4天時沉降量達(dá)到158 mm，達(dá)到總沉降量的90%，此時可認(rèn)為沉降過程已基本完成，即真空負(fù)壓作用下復(fù)合絮凝劑可大幅提高泥漿抽濾效率。

絮凝泥漿在第12.5小時表層水厚度達(dá)到最大值（67 mm），第2.3天時表層水完全消失。與原始泥漿相比，APAM+Ca（OH）2復(fù)合絮凝劑調(diào)理泥漿試樣沉降量更大、抽濾速度更快。復(fù)合絮凝泥漿抽濾過程中，APAM+Ca（OH）2可有效加速抽濾、增大泥漿沉降程度。

2.4 不同絮凝劑對真空抽濾過程影響對比

3種類型絮凝劑在泥漿泥水分離方面各有優(yōu)勢，Ca（OH）2、APAM+Ca（OH）2抽濾速度更快；綜合抽濾液質(zhì)量、泥面沉降高度和表層水高度，認(rèn)為APAM比Ca（OH）2、APAM+Ca（OH）2具備更優(yōu)的真空抽濾泥水分離效果。

對比4組真空抽濾結(jié)果，APAM調(diào)理泥漿真空抽濾14 d后抽濾液質(zhì)量最高，達(dá)到14670 g。添加Ca（OH）2與復(fù)合絮凝劑的兩組泥漿抽濾液質(zhì)量較接近，分別達(dá)到13398 g、13435 g。這說明，APAM、Ca（OH）2和復(fù)合絮凝劑對泥漿中自由水的排出具有促進(jìn)作用，前期顯示更快抽濾速度、更早到達(dá)抽濾終點，即有效縮短抽濾時間，但對最終抽濾液質(zhì)量提升并無顯著作用。

抽濾泥漿對應(yīng)最終泥面沉降高度由高到低依次：APAM調(diào)理泥漿>APAM+Ca（OH）2調(diào)理泥漿>原始泥漿對照組>Ca（OH）2調(diào)理泥漿。這就是說，對比原始泥漿對照試樣，APAM、Ca（OH）2和APAM+Ca（OH）2復(fù)合絮凝劑可顯著提高泥面沉降速度和沉降量。

泥漿表層水高度由大到小依次：APAM調(diào)理泥漿>APAM+Ca（OH）2調(diào)理泥漿>原始泥漿>Ca（OH）2調(diào)理泥漿。該變化與泥面沉降高度高低排序保持一致，再次證實APAM等絮凝劑對泥漿抽濾沉降過程的促進(jìn)作用。表層水消失時間長短順序依次：APAM+Ca（OH）2調(diào)理泥漿（2.3 d）≈Ca（OH）2調(diào)理泥漿（2.3 d）

3 結(jié)語

1）APAM將細(xì)顆粒絮凝為粗顆粒絮團(tuán)，絮團(tuán)之間形成良好滲水通道，加快泥漿固液分離速率。由于更多較大顆粒形成，泥漿級配變得更優(yōu)，可壓縮空間提高，真空負(fù)壓作用下表現(xiàn)出更強(qiáng)壓縮性，泥面沉降量提高約20%。

2）Ca（OH）2與泥漿中SiO2發(fā)生火山灰反應(yīng)生成硅酸鈣微晶凝膠，凝膠黏性作用不斷吸附、包裹、黏結(jié)細(xì)顆粒，增大泥漿顆粒粒徑，形成具有骨架構(gòu)建作用的大顆粒泥漿團(tuán)粒，增大泥漿中濾液滲流通道，提高泥漿滲透性，加速初期排水速率。隨著抽濾試驗進(jìn)行，表層水被抽出，泥面高度不斷下沉，引起泥漿內(nèi)部孔隙不斷被壓縮，孔隙比減小，水化物結(jié)晶體會填充土團(tuán)粒間孔隙，進(jìn)一步降低泥漿滲透性，排水周期顯著縮短。

3）APAM+Ca（OH）2復(fù)合絮凝劑明顯有利于泥漿中水分抽出，加強(qiáng)泥漿沉降，并能大幅提高抽濾速度。然而，由于其自身絮凝集水效應(yīng)，Ca（OH）2對抽濾試驗后期泥漿中水分抽出表現(xiàn)出一定程度抑制作用，即復(fù)合絮凝抽濾試驗過程中Ca（OH）2投加量值得進(jìn)一步探索。