石灰、石膏及混合絮凝剂对钻孔废弃泥浆压滤脱水性能的影响

朱 锋，曾芳金，孙林柱，蔡月民

（1.江西理工大学建测学院，江西 赣州341000；2.温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州325000）

石灰、石膏及混合絮凝剂对钻孔废弃泥浆压滤脱水性能的影响

朱 锋1，曾芳金1，孙林柱2，蔡月民1

（1.江西理工大学建测学院，江西 赣州341000；2.温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州325000）

以钻孔粘土废弃泥浆为研究对象，选用石灰和石膏作为絮凝剂，采用先单一、后混合添加的方法，按照先絮凝、后压滤的试验步骤，研究不同加药量时，石灰、石膏两种絮凝剂单独使用以及不同配合比时，絮凝剂对钻孔粘土废弃泥浆絮凝脱水的规律.试验结果表明，添加石灰和石膏絮凝剂后，泥浆压滤脱水规律呈非线性增长.添加单一絮凝剂时，泥浆压滤脱水速率随加絮凝剂加药量的增加而增大，存在最优加药量；添加混合絮凝剂时，石灰絮凝剂加药量的变化对泥浆压滤脱水具有较大的影响；当石灰絮凝剂加药量未达到最优时，石膏絮凝剂加药量的变化对泥浆压滤脱水影响较小，当石灰絮凝剂加药量达到最优后，石膏絮凝剂加药量变化对泥浆压滤脱水影响较大.并建立两者添加方式最优加药量时泥浆脱水数学模型.研究结果为工程中泥浆固液分离提供重要指导.

絮凝剂；钻孔粘土泥浆；压滤脱水；模型

0引言

在城市基础设施以及工业、民用建筑等开发建设过程中，基础工程大量使用钻孔灌注桩，用于钻孔护壁、悬浮钻渣的钻孔废弃泥浆急剧增加.这些泥浆大部分被直接排放到田野、河流，造成耕地被毁，河道淤塞，污染水源，危害人的身体健康.目前国内外研究处理废弃泥浆主要集中在油田钻井泥浆、城市河道污泥等，常用的方法有：① 絮凝固化法：将絮凝剂、固化剂加入废泥浆中，破坏泥浆中的胶体成分[1]，聚沉泥浆中的固体，使其固结硬化[2]；②机械压滤法：利用真空过滤机、离心机、带式压滤机、板框压滤机和隔膜式压滤机等泥浆处理机器进行泥浆处理；③絮凝压滤法：先将絮凝剂加入到废泥浆中，经过一段时间的絮凝后，在进行机械压滤的方法.关于泥浆脱水方面的絮凝剂研究，高宝玉等[3]利用透射电镜技术研究聚硅氯化铝絮凝剂絮凝机理，以及搅拌时絮凝剂加入的量与絮凝效果的关系.杨春英等[4]提出絮凝是“粘土颗粒—水—絮凝剂”相互作用过程的理论，“共用水膜”的假设解释了含水量影响絮凝作用的机理.杜国勇[5]根据四川地区钻井废弃泥浆的特点，将简单固化处理后的泥浆与经过选定的富含微生物的土壤混合，泥浆中污染物降解后余下的固相成分（膨润土等）转化为土壤资源.Bach等[6]试验研究了明矾絮凝剂对废泥浆脱水过程中氢氧化物的影响，在明矾污泥及含氢氧化物悬浮液之间进行一系列的比较，包括絮体尺寸、浓度以及不同时间的脱水行为.丁明等[7]针对钻井废弃泥浆的特点，采用高效破稳降粘剂、絮凝剂、助凝剂并进行搅拌，利用泥浆固液分离装置，进行固液分离，达到无害化处理钻井泥浆的目的.高磊[8]采用微生物处理方法，分离筛选出对其有较高降解能力的菌株对废弃泥浆进行综合处理，在实验室阶段较好的实现了钻井废弃泥浆的生物处理.陈云嫩[9]试验采用麦糟处理废水中有毒害的钴离子，对废弃泥浆液中金属重离子的吸附提供了廉价的生物有机处理方法.丁伟文等[10]通过添加不同分子量的阳离子聚丙乙烯絮凝剂，对其进行絮凝试验,研究了泥浆的pH值、粘度、Zeta电位在絮凝过程中的变化规律.Gao M和Xu Z Q[11]制备阳离子聚丙烯酰胺接枝淀粉絮凝剂，以淀粉或微结晶的纤维为骨架，将阳离子聚丙烯酰胺接枝在上面，以达到絮凝效果.目前，基于钻孔废弃泥浆的压滤脱水研究较少，原因在于每个地区地质条件差异较大，土壤成分复杂，针对钻孔粘土废弃泥浆脱水处理使用的絮凝剂适应性研究较为缺乏；钻孔粘土废弃泥浆含水率高，直接固化需加入大量的固化剂[12]，多以水泥作为固化剂，水玻璃为助凝剂，硫酸盐或氯化物为催化剂[13]，成本较高；粘度大，颗粒细，若直接采用压滤脱水方法处理，超细颗粒会堵塞泥浆处理机器的滤孔，使泥浆固液难以分离，因此针对钻孔粘土废弃泥浆脱水处理需要深入研究.

由于温州是我国东南沿海地区典型的巨厚软土发育地区之一，其沉积软土层与江浙及长江三角洲地区类似，因此该地区的钻孔粘土废弃泥浆在颗粒大小和成分组成方面具有一定的代表性.针对上文提及的问题，文中以温州地区钻孔灌注桩产生的粘土废弃泥浆位为研究对象，采用絮凝压滤法，先向泥浆中加入絮凝剂然后利用压滤方法进行泥浆处理，提高处理效率，研究石灰、石膏两种絮凝剂在不同加药量时对钻孔粘土废弃泥浆脱水性能的影响.通过絮凝压滤试验，记录脱水量随时间的变化，确定最优加药量对泥浆压滤脱水的影响规律.在此基础上，提出符合压滤脱水规律的数学模型，为钻孔粘土废弃泥浆的固液分离提供科学依据.

1 试验设计

1.1 絮凝剂选择

本试验选择石灰、石膏作为絮凝剂，其组成成分及其细度如下：

石灰：钙质生石灰，其中CaO与MgO含量大于90%；细度0.125 mm筛的筛余量不大于7.0%.

石膏：脱硫β石膏，其中CaSO4·2H2O含量大于93%；细度0.2 mm方孔筛，筛余量不大于5.0%.

1.2 试验设计

压滤脱水试验的各项试验参数设计如表1.

表1 石灰、石膏絮凝剂泥浆压滤脱水试验设计

试验采用两因素四水平的正交实验设计方法.两因素四水平分别是，石灰加药量“0.8、1.0、1.2、1.4”，石膏加药量“0.4、0.6、0.8、1.0”.使用L16（42）正交实验表，由于不需考虑因素间的交互作用，因此可以将各个因素填写在所选择的正交表内，由此获得16个试验方案.

1.3 试验仪器

试验中所用到的仪器主要有千分之一克精密电子天平，PHS-3C型精密pH计，NDJ-5S型旋转粘度计，DDS-11A型数显电导率仪，以及自制的液压压滤脱水设备，如图1.

图1 自制的液压压滤设备剖面

1.4 钻孔粘土泥浆性能

本试验所用泥浆来自温州市鹿城区钻孔灌注桩施工现场，利用上述试验仪器设备对泥浆进行各项初始性质指标以及主要的矿物成份进行测试分析，如表2.

表2 泥浆各项性质指标和主要矿物成份

2 石灰、石膏单一絮凝剂试验结果与分析

为保证每次试验的一致性，需进行压滤试验前使用手持式小型电动搅拌机对50 L装塑料桶内的泥浆进行搅拌，使其整体均匀分布；在搅拌完成后，立即取出泥浆放入烧杯中；然后将使用精密电子天平称取的试验设计所规定加药量的絮凝剂，加入到泥浆试样中，使用玻璃棒进行搅拌5 min，使絮凝剂充分和泥浆混合均匀，静置絮凝2 h，进行压滤试验，并使用量筒对压滤脱水进行测量，试验开始后0.5 h内，每5 min测量一次；之后，每15 min测量一次.压滤试验完成后，对试验结果进行整理.

2.1 石灰、石膏单一絮凝剂对钻孔粘土泥浆压滤脱水性能结果分析

根据上述步骤，石灰石膏絮凝的钻孔粘土泥浆压滤脱水量随压滤时间的变化如图2.

图2 两种絮凝剂单一添加时的脱水量变化

图2（a）中，在石灰絮凝剂试验中，泥浆的压滤脱水量随时间的增加而增多，脱水速度随着压滤时间的增加逐渐降低，脱水曲线呈非线性增加.在压滤试验初期，其脱水量增长较快，相同时间内，脱水量极差较大，随时间推移，压滤脱水量极差逐渐降低.同时随着石灰絮凝剂加药量的增加，压滤泥浆的脱水速率持续上升.在石灰絮凝剂加药量少于0.6 g时，加药量的变化对压滤泥浆脱水速率的影响并不明显；当加药量超过0.6 g时，压滤泥浆脱水速率随加药量的增加而出现较明显的提高.当石灰絮凝剂加药量为1.6 g时，其脱水速率远大于其他加药量的脱水速率.且1.4 g、1.6 g加药量时，当压滤时间为120 min，其脱水量已基本达到其他加药量时的脱水量，压滤后的泥饼具有相当强度.但加药量1.6 g时泥浆粘稠度过大，严重影响泥浆压滤脱水过程中的流动性，因此在工程化处理泥浆时应以1.4 g为宜.

图2（b）中，随着石膏絮凝剂加药量从0.2 g到1.6 g，压滤泥浆的脱水速率变化幅度并不大，图中曲线相对集中，可知石膏絮凝剂加药量的变化对泥浆压滤脱水效果影响幅度不大.当石膏絮凝剂加药量小于1 g时，泥浆压滤脱水速率随石膏加药量的增加而上升；当石膏絮凝剂加药量继续增加时，泥浆的压滤脱水速率并没有继续增加，反而出现下降趋势，因此石膏絮凝剂存在最优加药量.

由此可见在不影响泥浆压滤脱水过程中流动性的前提下，提高石灰絮凝剂的加药量可以显著提高泥浆压滤脱水的速率；添加石膏絮凝剂的泥浆压滤脱水速率呈现先随絮凝剂加药量增加而上升，超过1 g后，随絮凝剂加药量增加而下降的规律.与无絮凝剂的泥浆压滤脱水试验相比，添加石灰、石膏絮凝剂的泥浆压滤脱水速率大幅提高.

2.2 石灰、石膏单一絮凝剂对钻孔粘土泥浆压滤脱水性能的对比

对石灰、石膏单一絮凝剂试验结果按照相同加药量进行对比分析，如图3.

图3 石灰、石膏絮凝剂单一添加时试验结果对比

图3（a~d）中，当石灰、石膏絮凝剂加药量均不超过1.0 g，石膏絮凝剂的絮凝脱水效果要优于石灰的.在此加药量范围内，石膏絮凝剂试样的脱水量均略大于石灰试样的脱水量.当石灰、石膏絮凝剂加药量达到1.4 g时，石灰试样的脱水速率超过石膏试样，如图3（e）.之后当加药量继续增加时，石灰絮凝压滤脱水的效率持续提高，明显高于石膏试样，如图3（f）.

图4 按正交实验设计时，石灰石膏混合絮凝剂对对泥浆压滤脱水的影响

因此，当石灰加药量小于石膏最优加药量时，石膏絮凝剂压滤脱水效果优于石灰絮凝剂；当超过石膏最优加药量时，石灰絮凝剂压滤脱水效果出现大幅提高，压滤脱水速率超过石膏絮凝剂压滤脱水速率.

3 石灰石膏混合絮凝剂试验结果与分析

采用与单一絮凝剂试验相同的试验步骤，对石灰石膏混合絮凝剂进行泥浆压滤脱水试验.并对试验结果进行整理，如图4.

从图4可以看出，加入石灰石膏混合絮凝剂后压滤泥浆的脱水量随着压滤时间的增加而增加，压滤脱水速率随时间的增加而降低，压滤脱水曲线呈非线性增加.当混合絮凝剂中石灰絮凝剂的加药量为0.8 g和1.0 g时，图中泥浆压滤时间-脱水量曲线上下跨度较小，如图4（a），混合絮凝剂中石灰、石膏两种絮凝剂加药量的变化对泥浆压滤脱水速率的影响幅度不大.当混合絮凝剂中石灰絮凝剂的加药量为1.2 g和1.4 g时，图中泥浆压滤时间-脱水量曲线上下跨度较大，如图4（b），因此当混合絮凝剂中石灰絮凝剂加药量大于1 g时，石灰、石膏两种絮凝剂加药量的变化对泥浆压滤脱水速率的影响幅度较大.

因此，当混合絮凝剂中的石灰、石膏絮凝剂加药量发生变化时，泥浆压滤脱水速率发生较大的变化，不同配合比的石灰石膏混合絮凝剂对泥浆压滤脱水效果产生较大的影响.

3.1 混合絮凝剂中石灰加药量不变时，石膏加药量变化对泥浆压滤脱水的影响

将泥浆压滤脱水曲线按照混合絮凝剂中石灰加药量相同，石膏加药量不同进行分类整理，分析在石灰石膏混合絮凝剂中，不同石灰加药量情况下，石膏加药量的变化对泥浆压滤脱水速率的影响，如图5.

当石灰絮凝剂加药量为0.8 g时，混合絮凝剂中石膏加药量的变化对泥浆压滤脱水速率的影响并不明显，如图5（a），脱水曲线相对集中；在60 min到120 min，两者脱水量相近.因此在石灰加药量为0.8 g时，混合絮凝剂中石膏加药量的变化对泥浆絮凝压滤脱水速率影响较小.当石灰絮凝剂加药量为1.0 g、1.2 g时，泥浆压滤脱水速率随混合絮凝剂中石膏絮凝剂加药量的增加而呈先上升、后下降的趋势，在石膏加药量为0.8 g时，泥浆压滤脱水速率达到最大，如图5（b）、图5（c）.当石灰絮凝剂加药量达到1.4 g时，泥浆压滤脱水速率随石膏絮凝剂加药量的增加而增加，如图5(d)，脱水曲线之间增幅较大，曲线相对分散，泥浆压滤脱水速率明显提高.

因此，当石灰絮凝剂加药量小于1.2 g时，石膏絮凝剂加药量的增加对泥浆絮凝压滤脱水速率的挺高并不明显；当石灰絮凝剂加药量大于1.2 g时，泥浆絮凝压滤脱水速率随石膏絮凝剂加药量的增加而大幅上升.在石灰、石膏混合絮凝剂中，石灰絮凝剂起到较大的絮凝作用.

图5 不同石灰加药量情况下，石膏加药量的变化对泥浆压滤脱水速率的影响

3.2 混合絮凝剂中石膏加药量不变时，石灰加药量变化对泥浆压滤脱水的影响

将泥浆压滤脱水曲线按照混合絮凝剂中石膏加药量相同，石灰加药量不同进行分类整理，分析在石灰石膏混合絮凝剂中，不同石膏加药量情况下，石灰加药量的变化对泥浆压滤脱水速率的影响，如图6.

当石膏絮凝剂加药量为一定时，混合絮凝剂组合中石灰絮凝剂加药量为1.4 g时，泥浆絮凝压滤脱水速率最大，如图6（a~d）.当石膏絮凝剂加药量小于0.8 g时，泥浆压滤脱水速率随石灰絮凝剂加药量的增加而呈先下降后上升的趋势，曲线相对密集，如图6（a~b）.当石膏絮凝剂加药量大于0.8 g时，泥浆压滤脱水速率随石灰絮凝剂加药量的增加而呈上升的趋势，且泥浆压滤脱水速率增加较快，曲线之间间距较大，如图6（c~d）.当石膏絮凝剂加药量达到1.0 g时，石灰絮凝剂加药量的增加对泥浆压滤脱水速率的提高产生较大幅度的增加，如图6（d）.

因此，石膏絮凝剂加药量小于1.0 g时，混合絮凝剂组合中石灰絮凝剂加药量的变化对泥浆压滤脱水性能的影响相对较小；当石膏絮凝剂加药量为1.0 g时，混合絮凝剂组合中石灰絮凝剂加药量的变化对泥浆压滤脱水性能产生较大幅度影响.当石灰石膏混合絮凝剂加药量组合为（1.4+1.0）g时，泥浆压滤脱水速率最快，所以此加药量组合为最优加药量组合.

4 石灰、石膏单一絮凝剂以及混合絮凝剂最优加药量时钻孔粘土泥浆压滤脱水模型的建立

图6 不同石灰加药量情况下，石膏加药量的变化对泥浆压滤脱水速率的影响

将各个时间点泥浆脱水总体积通过水的比重换算成脱水重量，将泥浆的初始总体积通过泥浆的比重换算成泥浆总质量，两者相比作为泥浆的压滤脱水率，经整理，石灰、石膏单一絮凝剂以及混合絮凝剂的最优压滤脱水曲线如图7.

图7 石膏、石灰絮凝剂及混合絮凝剂最优加药量脱水率

针对图7中两种絮凝剂最优加药量时的泥浆压滤脱水率曲线规律，其数学模型可用公式（1）表达.

其中，W为脱 水 率；t为压滤时间；a，b，c为系统参数；

当t等于0时，W等于0；当t趋向于无穷大时，W等于a，即泥浆初始含水率，a=61.89%.因此该数学表达式符合泥浆压滤脱水规律及泥浆性质.对图2中曲线进行拟合，获得模型系统参数b，c值分别为：-0.0175，0.7223.因此数学模型具体表达式可用公式（2）表达.

将试验点与数学模型曲线进行对比，如图8，可见模型曲线较好地反映了泥浆的压滤脱水规律，为工程中废弃泥浆处理提供了指导意义.

图8 数学拟合曲线与石灰石膏混合絮凝剂最优加药量脱水率对比

5结 论

根据上述研究，可以得到如下结论：

（1）提高石灰絮凝剂的加药量可以显著提高泥浆压滤脱水的速率；添加石膏絮凝剂的泥浆压滤脱水速率呈现先上升后下降的规律；与无絮凝剂的泥浆压滤脱水试验相比，添加石灰、石膏絮凝剂的泥浆压滤脱水速率大幅提高.

（2）对比石灰、石膏絮凝剂泥浆压滤脱水结果，当石灰加药量小于石膏最优加药量时，石膏絮凝剂压滤脱水效果优于石灰絮凝剂；当超过石膏最优加药量时，石灰絮凝剂压滤脱水效果出现大幅提高，压滤脱水速率超过石膏絮凝剂压滤脱水速率.

（3）石灰石膏混合絮凝剂中，当石灰絮凝剂加药量未达到最优时，石膏絮凝剂加药量的变化对泥浆压滤脱水影响较小；当石灰絮凝剂加药量达到最优时，石膏加药量的变化对泥浆压滤脱水性能产生较大影响.因此，在混合絮凝剂中，石灰絮凝剂起到主要作用，当其加药量发生变化时，泥浆压滤脱水性能发生较大变化.

（4）对比单一絮凝剂与混合絮凝剂泥浆压滤脱水结果，当两种添加方式中加药量都达到最优时，混合絮凝剂泥浆压滤脱水效果比单一使用时有大幅提高.因此，在将石灰石膏絮凝剂混合使用时，泥浆压滤脱水呈现叠加效应，能够大幅提高压滤脱水速率.

（5）添加石灰石膏混合絮凝剂的泥浆压滤脱水率用统一数学模型表达，通过拟合，获得两种加药方式最优加药量时，泥浆的压滤脱水模型，该模型反映了泥浆絮凝压滤脱水的规律.

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Experimental study on drilling clay slurry of filter press dewatering with lime and gypsum as flocculant

ZHU Feng1，ZENG Fang-jin1，SUN Lin-zhu2,CAI Yue-min1（1.School of Architectural and Surveying﹠Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China; 2.College of Construction and Architecture,Wenzhou University,Wenzhou 325000,China)

In this paper,drilling clay slurry is used for study,and lime and gypsum are selected as flocculent. Test method of first flocculation then pressure filtration was used to study the rule using the two flocculents alone and then together under different dosages.Results show that the slurry pressure filtration dewatering rule of lime and gypsum increases non-linearly.When a single flocculant is added,the slurry pressure filtration dewatering rate increases with the increase of the amount of flocculent dosing.there is an optimal dosage of gypsum flocculent.When a mix of flocculants are added,the amount of lime flocculant has a great impact on the slurry pressure filtration dewatering rate,the change of lime flocculant dosing has lesser influence on the dewatering rate when the dosage is smaller than the optimal value.When the dosage is larger than the optimal value,the dewatering effect of lime flocculent is better than gypsum flocculent under the same conditions. Finally,a slurry dewatering mathematical model of both the optimal dosage is established.The findings provide important guidance for slurry solid-liquid separation in engineering.

flocculent;drilling clay slurry;pressure filtration;model

TU41

A

2095-3041（2014）00-0046-08

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.01.008

2013-09-16

浙江省重大科技专项（2011C13013）；温州市社会发展重大项目S20090001；温州市建筑节能财政专项

朱 锋（1987- ），男，硕士研究生，主要从事岩土工程等方面的研究，E-mail:453709603@qq.com.

曾芳金（1965- ），男，博士，教授，主要从事岩土工程等方面的研究，E-mail:604435461@qq.com.