地下工程泥浆絮凝干化处理效果影响因素研究

叶 晶

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

泥浆技术是地下连续墙、钻孔灌注桩、顶管、盾构等地下工程施工领域必须采用的施工辅助手段，其施工工艺和设备的运用无不依赖于泥浆的作用，从某种程度上说，泥浆堪称地下工程施工的“血液”。地下工程施工不可避免地会产生大量的废弃泥浆，未经处理的废弃泥浆若排放到环境中，会对环境造成极大污染，巨量废浆处理排放已成为困扰工程施工的重大技术难题。

废弃泥浆絮凝干化处理方法作为一种无害化处理方法应运而生，该方法通过往废弃泥浆中添加适量絮凝剂使其絮凝成团，再通过机械压榨干化成干土外运，废弃泥浆絮凝干化处理方法的关键之一是絮凝作用效果的优劣。絮凝作用作为一种复杂的物理化学过程，其效果是受多种影响因素综合作用的[1-6]。

由于絮凝效果影响因素也是多方面的，因此絮凝处理的相关环节都很重要，忽视任何一环节都会导致絮凝处理成效低劣。

本文针对絮凝剂的机理和特性，结合目前地下工程废弃泥浆处理常用的絮凝剂开展絮凝效果影响因素试验，探讨废弃泥浆固相量、絮凝剂拌和速度与溶液浓度、温度与pH值等因素的参数变化对泥浆絮凝效果的影响，以期为地下工程废弃泥浆固液分离处理絮凝材料比选和使用提供一些新的思路和方法。

1 废弃泥浆固相含量对絮凝效果的影响

固相量是地下工程泥浆的重要参数，废弃泥浆的固相主要包括泥浆自身含有的膨润土、相关外加剂及其携带或混入的地层土体。在对废弃泥浆进行固化处理时，固相量高则废弃泥浆的相对密度较高，且参与固化的颗粒成分较多，水相较少，需要更大量的絮凝剂进行处理。

施工现场取不同含量废弃泥浆，测试其固相量，添加定量絮凝剂溶液混合静置5 min，倒出上层清液并记录清液量和浊度。在布氏漏斗上放置与漏斗口尺寸相同的滤布，组装抽滤装置，将适量倒去上层清液的絮凝废浆倒入布氏漏斗中进行真空抽滤，记录滤液量和滤水浊度。所测得的相关数据如表1所示。

表1 不同固相量絮凝出水比较

从上表试验数据可以发现，当废弃泥浆固相量低于33%时，清液的浊度和滤液的浊度都相对较大，絮凝剂未能完全发挥絮凝效果，当固相量在33%～40%区间内，絮凝效果较好，但当固相量大于40%后，消耗了更多的絮凝剂，导致絮凝效果有所下降。

2 拌和速度与溶液浓度对絮凝效果的影响

2.1 絮凝剂拌和速度对絮凝效果的影响

絮凝剂入水后通过水力作用和自身扩散使之与待处理泥浆液体中的颗粒充分接触，进而发生絮凝凝聚成团反应，恰当的水力条件显得非常重要。

在进行试验或现场实际使用的时候，为增加泥浆液体颗粒与絮凝剂颗粒的接触碰撞速率和机会，一般会进行人工或机械搅拌，应选择适当的搅拌时间和速度。

搅拌速度慢，泥浆液体颗粒和絮凝剂不能充分接触，不利于絮凝剂捕捉聚集泥浆液体中的胶体颗粒；搅拌速度太慢还会导致絮凝剂在液体中分布不均匀，不利于絮凝剂发挥作用。

搅拌速度快会将泥浆液体中颗粒较大的固体打碎成小颗粒，本来能够沉淀的颗粒变成无法靠自重沉淀，絮凝效果会降低。高分子絮凝剂以极性基表面吸附和架桥吸附作用为主，其掺加水后应快速搅拌，使之快速、均匀地分散溶解于水中，但时间应控制得当，不宜过长，否则会降低高分子絮凝剂的架桥吸附能力，絮凝效果下降。图1显示析出的上清液量和浊度随转速的变化关系。

图1 转速与上清液量和浊度关系

随着转速的提升，上清液量呈增加趋势，说明絮凝速度在加快，但同时清液浊度也有所提升，说明有部分固相物质在搅拌过程中被过分分散。通过试验发现，搅拌速度控制在100～200 r/min为宜，不宜超过200 r/min，搅拌时间控制在2～4 min为宜，不宜超过5 min。

2.2 絮凝剂浓度对絮凝效果的影响

在对泥浆或泥水等进行絮凝干化处理时，絮凝剂用量多少也是影响絮凝过程和效果的一个重要因素。室内试验研究和现场应用情况均表明，不同种类的絮凝剂有切合自身相适应条件下的最优掺加量，偏离最优掺加量一定范围会导致絮凝功效下降。欠量会导致絮凝作用不足，过量会导致需絮凝处理的液体呈“再稳”现象，即随着絮凝剂掺加量的加大，浊度（絮凝效果的体现因素）在减小到某种程度后就不再继续减小，反而会出现随着絮凝剂掺加量的增加而增加，典型表现就是液体胶体颗粒吸附成团脱稳而发生再稳的特征。

发生再稳现象的原因主要体现为如下2种情况：一是凝聚剂分子对泥浆液体中颗粒物发生过量吸附，造成颗粒物表面电荷出现反号，使得絮凝液体体系重新稳定下来，易发生在电中和吸附脱稳机制作用过程中；二是部分絮凝剂分子覆盖包裹了泥浆液体中颗粒物表面活性点，隔绝了颗粒物与外界的联系，无法继续与其他颗粒物吸附架桥发生絮凝作用，此种情况常在吸附桥架絮凝过程中发生。因此，絮凝剂的最优掺加量不能通过纯理论推导出来，而应在实际使用前通过相关试验确定。取施工现场3种不同固相量泥浆添加不同浓度的絮凝剂测试其清液量和浊度，如表2所示。

表2 不同质量分数絮凝剂絮凝效果比较

分析试验数据发现，在处理固相量为36%～41%的废弃泥浆时，质量分数为0.1%的絮凝剂可以达到最佳的絮凝效果，在处理固相量为42%的废弃泥浆时需适当提高絮凝剂的掺入量，提高絮凝作用效果。

3 温度与pH值对絮凝效果的影响

3.1 温度

液体温度也是絮凝反应和沉降分离等过程中的重要影响因素。水温太低或太高，皆不利于絮凝作用。水温太高会使得化学反应速率变快，形成的絮凝聚凝体细小，并增加絮凝体水合作用，导致絮凝沉积物体量较多且含水量高，处理困难。此外，如将所需处理的液体进行加热升温，还会产生大量的能源消耗，提高成本，得不偿失。

无机絮凝剂水解过程是一种吸热反应，当液体温度过低时，其水解作用会变慢，溶解率降低，絮凝剂所释放的带电粒子也会大幅减少，对废弃泥浆的处理速率和效果会产生较大影响。

同时，在温度较低情况下，废弃泥浆中的胶体颗粒布朗运动变弱，粒子间相互作用降低导致相互之间的絮凝作用减慢，不利于泥浆液体中的胶体颗粒相互絮凝成团，会直接影响絮凝体的形成以及絮凝沉淀过程，对待絮凝干化处理泥浆的絮凝效果造成较大影响，进而影响絮凝后续压滤脱水工序。温度降低还会引起水的黏度增大，这会增加水体对絮凝体的撕裂作用，使絮凝体变得细小而不易分离，影响絮凝处理效果。

因此通过相关试验来分析温度对絮凝效果的影响，来指导实际施工，将温度控制在合理的范围内，对充分发挥材料性能，提高固化处理效能具有重要意义。

试验采用数显水浴磁力搅拌器（图2），将絮凝剂溶液分别加热至15、20、25、30、35 ℃后，与同温泥浆混合搅拌后进行试验。

图2 数显水浴磁力搅拌器

试验结果显示，随温度上升，其絮凝效果呈增加趋势，但在超过30 ℃后，滤液的浊度较大，说明高温使得分子的布朗运动加剧，导致泥浆浑浊，在20～30 ℃区间内，其性能较为稳定，上清液量和滤液浊度均较优。

3.2 pH值对絮凝效果的影响

泥浆液体中颗粒物质所带电荷和所选用的絮凝剂性质等均会受到pH值的影响，在絮凝干化处理过程中絮凝效果也会受到较大影响。

泥浆液体中颗粒物质所带电荷和电泳速度会根据液体性质随pH值呈现不同的变化趋势。阳性溶液pH值降低会使颗粒电荷增大，pH值升高则会使颗粒电荷减小。对于阴性溶液，则与阳性溶液呈现相反的变化。

在酸性pH值条件下进行泥浆絮凝干化处理中，采用阳离子类絮凝剂情况较多，在碱性pH值条件下进行泥浆絮凝干化处理中采用阴离子类絮凝剂情况较多，中性pH值条件中则阳离子和阴离子2种类型均可使用。非离子型絮凝剂从酸性条件到碱性条件均可使用，其适用范围较为宽广。此外，絮凝剂用量也受pH值影响，通过调配适宜的pH值可节省絮凝剂，同时能够使絮凝作用发挥充分，此时絮凝效果较好；如果根据pH值选择合适的絮凝剂，轻则效果不佳，重则无法絮凝处理。

对明矾等铝盐类无机絮凝剂，其水解条件偏酸性（pH值5～7）时为最佳，碱性时则絮凝效果不佳。在酸性环境中，阳离子型高分子有机絮凝剂电离较为充分，在采用阳离子型高分子有机絮凝剂进行泥浆絮凝处理时，应采取措施降低液体pH值，充分发挥絮凝剂效用。在碱性环境中，阴离子型高分子有机絮凝剂处理效果较好，因此在使用阴离子高分子有机絮凝剂处理废弃泥浆时，需恰当提高泥浆液体的pH值，使之呈碱性，确保絮凝剂可以充分发挥絮凝作用。

4 结语

絮凝干化处理方法作为一种废弃泥浆绿色无害化处理方法，技术关键之一是絮凝剂使用效果的好坏。絮凝作用作为一种复杂的物理和化学过程，受多种因素综合影响，处理过程中的各个环节都至关重要，忽视任何一个环节都有可能导致絮凝处理的失败。

因此，本文针对絮凝剂的机理和特性，结合目前地下工程废弃泥浆处理常用的絮凝剂，开展絮凝效果影响因素试验。通过表象观测和性能指标参数测试分析，对废弃泥浆的固相含量、絮凝剂拌和速度与溶液浓度、温度与pH值等因素的参数变化对泥浆絮凝效果的影响进行研究，为地下工程废弃泥浆固液分离处理絮凝材料比选和使用提供了一些新的思路和方法，以期做到在絮凝剂的选择和使用上有的放矢，从而提升工程废弃泥浆干化处理的社会效益和经济效益。