絮凝-真空抽滤联合处理废弃泥浆

陈浩

（中国铁建港航局集团有限公司总承包分公司，广东 珠海 519000）

0 引言

随着我国经济社会发展和城市基础设施迅猛推进，地下连续墙、钻孔灌注桩、非开挖水平定向钻孔、泥水加压式盾构等工程施工过程中，不可避免地产生大量建筑工程废弃泥浆[1]。细粒含量高、初始含水量高、透水性差、自然沉降固结时间长等特点，是长期困扰建筑废弃泥浆安全处置的重大难题。因此，寻找高效绿色的废弃泥浆脱水减容方法，最大程度地降低泥浆排放风险，是工程建设施工过程中亟待解决的关键难题[2]。

建筑废弃泥浆处理旨在实现机械脱水（减量化）、固稳污染物（无害化）和改良泥浆性质（资源化）[3-4]。近年来，以土工织物为过滤体的真空排水固结法得到广泛关注，其关键在于保证过滤排水系统的持续有效性、加速固结。Moo-Young等[5]采用土工布管法处理高含水泥浆，有效实现泥水分离。利用土工织物进行常规真空抽水时易产生堵塞现象，阻碍泥水分离连续性、降低脱水效率，导致常规真空抽水对建筑泥浆的排水效果不尽人意[6]。堵塞现象与泥浆颗粒粒径有关，颗粒粒径越小，泥浆越易发生堵塞[6]。周源等[7]和邓东升等[8]采用真空负压和气流共同作用的透气真空技术，有效延缓堵塞。王军等[9]采用新型防淤堵排水板，通过提高滤膜强度、自由调节滤膜孔径大幅提高排水板透水性能。武亚军等[10]构建药剂真空预压法，明确药剂真空预压的主动防淤堵作用与固化剂联合真空预压的骨架构建作用。

选取阴离子聚丙烯酰胺APAM以及氢氧化钙Ca（OH）2，提出絮凝剂联合真空抽滤的快速泥水分离技术，通过真空抽滤试验探索絮凝泥浆泥水分离过程。用表层水高度、抽滤液质量、泥面沉降高度等指标，分析絮凝-真空抽滤对泥浆脱水减容效果，研究抽滤管尺寸和絮凝剂类型影响下泥浆抽滤效果，探索该方法有效性与最佳参数，缓解真空抽滤过程泥浆淤堵问题。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

泥浆取自珠海市洪湾港北片区（一期）环港北路二号桥钻孔灌注桩废弃泥浆，基本物理性质指标见表1。泥浆颗粒级配曲线见图1，以粉粒为主、砂粒含量居中、黏粒含量最低。

表1 泥浆基本物理特征Table 1 Physical characteristics of slurry

图1 泥浆颗粒分布曲线Fig.1 Particle size distribution of slurry

试验用无纺土工布取自山东某土工材料有限公司，具有良好的透气性和透水性，规格为200 g/m2、厚度1.7 mm、垂直渗透系数1×10-3cm/s、等效孔径200 μm。选取的有机高分子絮凝剂为APAM、无机絮凝剂Ca（OH）2，用于调理泥浆。APAM投加量按体积浓度（mg/L）计，Ca（OH）2直接称取干粉（1600 mg/L），加入泥浆均匀搅拌。试验用APAM分子量2500万，巩义市某水处理材料有限公司生产。Ca（OH）2为分析纯，取自无锡市某化工有限公司。

1.2 试验方法

真空抽滤室内模型试验装置（见图2）由真空抽滤箱、真空抽气系统、抽滤过滤系统、监控测读系统4部分组成。通过各部分构件有序组合，使得4个系统形成真空负压、抽滤过滤为主体的4个模块，构成完整的真空抽滤试验装置。

图2 真空抽滤泥水分离装置示意图Fig.2 Schematic diagram of sludge-water separation device for vacuum suction filtration

真空抽滤模型试验时，初始泥浆高度30 cm，真空度90 kPa，试验周期14 d。真空抽滤快速泥水分离试验，试验初始条件与参数取值，见表2。

表2 真空抽滤泥水分离试验方案Table 2 Program of slurry-water separation on vacuum suction filtration

2 试验结果与讨论

2.1 APAM对真空抽滤泥浆促排作用

APAM（400 mg/L）、Ca（OH）2（1600 mg/L）、APAM+Ca（OH）2三种絮凝剂调理泥浆沉降规律见图3。APAM调理泥浆试样的真空抽滤速度最快达到5.8 g/min，之后随抽滤时间增加抽滤速度缓慢下降，前250 h内平均抽滤速度为0.87 g/min。APAM絮凝和未添加絮凝剂试样的真空抽滤试验都存在抽滤终结时间点，该时间点之后抽滤液质量与泥面沉降高度基本不再增加，添加APAM试样比未投加试样更快到达抽滤终点，有效缩短抽滤时间。

图3 不同絮凝剂时泥浆真空抽滤效果Fig.3 Effect of slurry vacuum suction filtration with different flocculants

添加APAM试样泥面总沉降量为204 mm，第1天沉降130 mm、达到14 d总沉降量的64%。添加APAM泥浆试样泥面高度比原始泥浆多下降20.7%，这说明真空抽滤作用下APAM能有效促进泥浆排水和固结过程。真空加载前絮凝脱水作用将分散颗粒团聚、细颗粒絮凝成大颗粒体絮团，絮团之间形成良好渗水通道，加快泥浆固液分离速率；抽滤高压作用下，更多粗颗粒形成，泥浆级配更好、可压缩空间提高，表现出更好压缩性、更多水分排出。

APAM絮凝泥浆试样第3天时表层水厚度达到峰值82 mm，第8天后表面水层消失。表层水厚度整体上呈现先增加后降低的规律，这主要因为：真空抽滤试验开始时，在真空负压作用下部分水分渗透经过抽滤管后流入饱和缸，迫使土颗粒骨架向下压密、体积减小，部分孔隙水来不及进入抽滤管而在表层析出。当土颗粒压密速度大于孔隙水排出速度时，宏观上表现为真空抽滤使泥浆表层水厚度增加。随着真空抽滤持续，土颗粒骨架压密速度会逐渐小于孔隙水排出速度，宏观上表现为表面水层厚度降低直至消失。

2.2 Ca（OH）2对真空抽滤泥浆促排作用

Ca（OH）2调理泥浆的滤液质量迅速增至峰值后趋于稳定。前30 min内滤液抽滤速度最高达7.9 g/min，之后随时间增加抽滤速度缓慢下降，第173小时抽滤液质量达到峰值且不再增加，前173 h内平均抽滤速度1.29 g/min。添加Ca（OH）2试样在173h达到抽滤终点，比原始泥浆提前125h，该点之前调理泥浆抽滤速度明显更高、抽滤时间缩短。Ca（OH）2调理泥浆最终抽滤液质量比原始泥浆少1066 g，由于絮凝时间过长14 d脱水效果并未提高、絮凝效应体现在絮凝剂调理泥浆初期。Ca（OH）2调理泥浆初始高度略低于原始泥浆，即泥浆中初始含水量偏低导致抽滤液质量更低；Ca（OH）2提高泥浆pH值，使泥浆溶液呈弱碱性，Ca（OH）2与SiO2发生火山灰反应，吸收孔隙自由水和土颗粒表面附着水，降低泥浆含水率。

Ca（OH）2调理泥浆试样总沉降量为152 mm，第1天时沉降量88 mm，达到14 d总沉降量的58%。添加Ca（OH）2泥浆在第5天时沉降几近终止，此时沉降量已达14 d时总沉降量，而原始泥浆第11天才达到总沉降量，比絮凝泥浆推迟约125 h，即Ca（OH）2可大幅提高泥浆中自由水抽滤效率。

Ca（OH）2调理泥浆比对照原始泥浆提前125 h达到14 d总沉降量，大幅度缩短真空抽滤时间。Ca（OH）2与泥浆SiO2发生火山灰反应生成硅酸钙微晶凝胶，不断吸附、包裹、黏结细颗粒，增大泥浆颗粒粒径而形成更大颗粒泥浆团粒。大颗粒泥浆团粒骨架构建作用，增大泥浆滤液渗流通道，提高泥浆渗透性，加速初期排水速率。

2.3 APAM+Ca（OH）2对真空抽滤泥浆促排作用

不同于絮凝泥浆抽滤速度迅速下降现象，原始泥浆真空抽滤速度随时间延续而不断降低，但总体降幅较缓慢。APAM+Ca（OH）2调理泥浆在抽滤80 h时达到14 d总抽滤液质量的82.7%，此时絮凝泥浆抽滤排水过程基本完成。因为Ca（OH）2与泥浆中SiO2发生火山灰反应，会消耗少许水分；高分子有机絮凝剂APAM絮凝黏结泥浆内部间隙水，无法通过真空抽滤方式有效排出。

复合絮凝剂调理泥浆在第1天～第2天时间段内沉降基本为0，这是由于泥浆中形成快速渗水通道，真空负压作用下表层水通过真空抽滤管将其快速抽滤出，第2.3天表层水消失后泥浆内部才继续发生沉降，直至第4天时沉降量达到158 mm，达到总沉降量的90%，此时可认为沉降过程已基本完成，即真空负压作用下复合絮凝剂可大幅提高泥浆抽滤效率。

絮凝泥浆在第12.5小时表层水厚度达到最大值（67 mm），第2.3天时表层水完全消失。与原始泥浆相比，APAM+Ca（OH）2复合絮凝剂调理泥浆试样沉降量更大、抽滤速度更快。复合絮凝泥浆抽滤过程中，APAM+Ca（OH）2可有效加速抽滤、增大泥浆沉降程度。

2.4 不同絮凝剂对真空抽滤过程影响对比

3种类型絮凝剂在泥浆泥水分离方面各有优势，Ca（OH）2、APAM+Ca（OH）2抽滤速度更快；综合抽滤液质量、泥面沉降高度和表层水高度，认为APAM比Ca（OH）2、APAM+Ca（OH）2具备更优的真空抽滤泥水分离效果。

对比4组真空抽滤结果，APAM调理泥浆真空抽滤14 d后抽滤液质量最高，达到14670 g。添加Ca（OH）2与复合絮凝剂的两组泥浆抽滤液质量较接近，分别达到13398 g、13435 g。这说明，APAM、Ca（OH）2和复合絮凝剂对泥浆中自由水的排出具有促进作用，前期显示更快抽滤速度、更早到达抽滤终点，即有效缩短抽滤时间，但对最终抽滤液质量提升并无显著作用。

抽滤泥浆对应最终泥面沉降高度由高到低依次：APAM调理泥浆>APAM+Ca（OH）2调理泥浆>原始泥浆对照组>Ca（OH）2调理泥浆。这就是说，对比原始泥浆对照试样，APAM、Ca（OH）2和APAM+Ca（OH）2复合絮凝剂可显著提高泥面沉降速度和沉降量。

泥浆表层水高度由大到小依次：APAM调理泥浆>APAM+Ca（OH）2调理泥浆>原始泥浆>Ca（OH）2调理泥浆。该变化与泥面沉降高度高低排序保持一致，再次证实APAM等絮凝剂对泥浆抽滤沉降过程的促进作用。表层水消失时间长短顺序依次：APAM+Ca（OH）2调理泥浆（2.3 d）≈Ca（OH）2调理泥浆（2.3 d）

3 结语

1）APAM将细颗粒絮凝为粗颗粒絮团，絮团之间形成良好渗水通道，加快泥浆固液分离速率。由于更多较大颗粒形成，泥浆级配变得更优，可压缩空间提高，真空负压作用下表现出更强压缩性，泥面沉降量提高约20%。

2）Ca（OH）2与泥浆中SiO2发生火山灰反应生成硅酸钙微晶凝胶，凝胶黏性作用不断吸附、包裹、黏结细颗粒，增大泥浆颗粒粒径，形成具有骨架构建作用的大颗粒泥浆团粒，增大泥浆中滤液渗流通道，提高泥浆渗透性，加速初期排水速率。随着抽滤试验进行，表层水被抽出，泥面高度不断下沉，引起泥浆内部孔隙不断被压缩，孔隙比减小，水化物结晶体会填充土团粒间孔隙，进一步降低泥浆渗透性，排水周期显著缩短。

3）APAM+Ca（OH）2复合絮凝剂明显有利于泥浆中水分抽出，加强泥浆沉降，并能大幅提高抽滤速度。然而，由于其自身絮凝集水效应，Ca（OH）2对抽滤试验后期泥浆中水分抽出表现出一定程度抑制作用，即复合絮凝抽滤试验过程中Ca（OH）2投加量值得进一步探索。