武汉地区建筑废弃泥浆泥水分离试验研究

郑 亮 ，刘晓烨，潘希军 ，郁红飞 ，李关雄 ，李煜坤 ，郭宇潮 ，穆庆岚

（1.湖北省城市地质工程院，湖北武汉430050；2.武汉地质勘察基础工程有限公司，湖北武汉430050；3.江汉大学工业烟尘污染控制湖北省重点实验室，湖北武汉430056）

0 引言

钻孔灌注桩、地下连续墙等建筑工程施工时会产生大量的废弃泥浆，这些泥浆多为稳定的胶体形态，自然静置很难沉淀分离。通常会采用机械压滤、旋流离心和添加絮凝剂等方法进行泥水分离［1-3］，但较多的研究主要集中在单一泥浆类型，并未对泥浆处理效果进行量化评价。建筑废弃泥浆主要由有机质和无机物组成，重金属和非金属有害物含量非常少［4］，悬浮固体浓度（SS）、悬浮颗粒携带污染物（COD）、总氮（TN）及总磷（TP）等污染物排放指标随着浊度增加而增加［5］，故此对废弃泥浆颗粒进行处理，可以减少污染物通过径流方式排入附近水域，对保护地表水体有着重要的意义。因此本试验的要点是依据清液浊度和清液率为主要指标，寻求对废弃泥浆颗粒处理的最佳方式。

1 样品来源及其主要地层性状

选取武汉地区工程实践中不同地层类型、不同施工工艺的4 个泥浆样品来进行试验。泥浆均从泥浆池返浆口处取得，样品主要特征见表1。

表1 各泥浆样品的主要特点Table 1 Main characteristics of mud samples

2 废弃泥浆基本物理和化学性质

采用NB-1 型泥浆密度计、1006 型泥浆粘度计、NA-1 型泥浆含砂量测定仪、PH-10 型pH 计及DT-300 型电位仪测定泥浆的基本物理性质，见表2。

表2 各泥浆样品的物理特性Table 2 Physical properties of mud samples

将泥浆样品混匀后，取100 mL 放入真空干燥箱中，60 ℃下烘干，碾碎，并放入鼓风干燥箱中110 ℃干燥2 h。将干燥泥浆粉末进行压片，并放入Rigaku Primus II 型 XRF 荧光光谱仪中进行分析［6］。分析结果见表3。

建筑废弃泥浆主要成分以粉砂、粘土颗粒等无机物为主［7］，本次分析主要为泥浆固相颗粒中各元素成分占比（原子序数＞9 的元素，不含清液中固相颗粒）。由表3 可以看出，各泥浆固相成分样品中无机元素占比为20%左右，元素成分、种类和含量基本一致，其中Si 含量较大，占10%左右，其次是Al，占4%左右，再者为K、Ca，各占2%以内；有机成分占80%左右，主要为含有机质成分的土壤颗粒［8］。

表3 废浆样品中固相组分元素成分Table 3 Solid‑phase components in mud samples %

3 废弃泥浆处理

由于建筑废弃泥浆中含有大量的水分，如何采取行之有效的方式来将泥水分离，实现水资源的循环利用是本研究的主要目的。清液率越高、清液浊度越低，分离后的水质就越好。其中清液率主要为泥水分离后上清液的体积占比率；清液浊度为上清液中颗粒物浓度的一种表征形式。旋流除砂可以去除 40～74 μm 的固相颗粒，离心机可以去除 2～44 μm 的固相颗粒［9］，不同设备对不同粒径颗粒处理效果不一。因此，本文主要通过物理与化学药剂方式对废浆进行处理，旨在寻找高效、合适的废浆处理方法，为大规模废浆处理工艺提供试验基础。对于处理效果指标，采用粒度范围较难衡量，故采用处理时间、清液率、清液浊度这几个较直观的指标来表示。

3.1 废弃泥浆自由沉降及抽滤处理

3.1.1 自由沉降对泥浆的处理效果

将泥浆放入沉降柱中进行72 h 的自由沉降，采用WZS-185A 型浊度仪测定浊度，其结果见图1。

图1 各泥浆样品自然沉降结果Fig.1 Settlement results of mud samples

泥浆样品2 和样品3 沉降速度慢，泥水分离状况不佳，但测得其上清液的散射浊度较低，在100 NTU 内，清液可循环利用。样品1 和样品4 的泥浆沉降性能较好，清液率分别为60%和41%左右，但样品1 的清液浊度较大，为300 NTU。

3.1.2 重力过滤对泥浆的处理效果

4 个泥浆样品原水浊度均大于1000 NTU，对50 mL 混匀后的泥浆废水通过103 慢速定性滤纸进行过滤，其结果见表4。

表4 各泥浆样品过滤处理结果Table 4 Filtration results of mud samples

从重力过滤处理效果上看，4 个泥浆样品的处理效果都较为理想，处理后的清液浊度极低，均不超过10 NTU，说明1 μm 以下的颗粒占比较低，泥水分离非常好。从过滤效率上看，样品1 和样品4 明显优于样品2 和样品3，但总体速度都偏慢，不适合工业规模处理。

3.1.3 真空抽滤对泥浆的处理效果

由于工业上常采用压滤机进行泥水分离［10］，因此利用真空抽滤的方式模拟压滤机对泥浆样品进行处理。4 个泥浆样品原水浊度均大于1000 NTU，对50 mL 混匀后的泥浆废水进行真空抽滤处理，滤纸为103 定性滤纸，其结果见表5。

表5 各泥浆样品真空抽滤结果Table 5 Vacuum filtration results of mud samples

从真空抽滤结果来看，样品2 由于泥浆颗粒较细，堵塞了滤纸空隙，使得抽滤时压力过大，将滤纸损毁，无法进行真空抽滤处理。其他3 个样品处理效果较为理想，清液浊度均未超过50 NTU。

从处理清液率上分析，样品1 和样品4 的泥浆减量可达80%以上，说明对于这2 个样品而言，虽然处理后水浑浊度比自然过滤略高，但对于泥浆的减量和泥水分离效果非常好，并且相比重力过滤，抽滤速率也非常快，若利用大型生产设备，效果会更加理想。因此对于1、4 号泥浆而言，抽滤处理对于泥浆的减量和处理效率是比较好的选择。而对于2、3 号泥浆而言，则不适宜利用抽滤进行处理。

3.1.4 机械离心对泥浆的处理效果

机械离心也是工业上常采用的泥水分离方式，主要采用离心机［11］、旋流器［12］，针对建筑泥浆，采用离心机的方式进行处理。对于15 mL 混匀后的泥浆废水进行4000 r/min、10 min 离心处理，处理效果见图2。样品2 效果不理想，泥水分离不充分，清液浊度＞1000 NTU，超过设备量程，而且清液率＜5%。分析原因，由于样品2 采用旋挖钻机施工，其地层主要为粉质粘土，施工中泥浆的蒙脱石膨润土损耗较少［13］，使得其含有较多粒径＜2 μm 的颗粒，不易离心分离［14］。

图2 各泥浆样品离心处理效果Fig.2 Mud samples after centrifugal treatment

对于样品1，在4000 r/min、1 min 就可以让泥浆的浊度降到150 NTU 以下，清液率＞75%；5 min 的处理效果较好，泥浆浊度可下降到50 NTU 以下，清液率可达到接近90%。对于2000 r/min 而言，效果稍差，需要10 min 左右，浊度可降到100 NTU 以下，清液率在80%左右。因此对于泥浆样品1 而言，机械离心的最佳参数为4000 r/min、5 min，见图3。

图3 样品1 离心试验结果Fig.3 Centrifugation results of Sample 1

对于样品3，4000 r/min、5 min 的处理效果也较好，可以让泥浆的浊度降到100 NTU 左右，但清液率较低，接近 40%；4000 r/min、10 min 的处理效果较好，清液率50%以上。对于2000 r/min 而言泥浆处理效果不佳，10 min 离心处理泥浆浊度仍接近300 NTU，清液率仅略大10%。说明离心对泥浆样品3 处理效果虽好，但处理量不够大，对于泥浆的减量效果不明显，结果见图4。

图4 样品3 离心试验结果Fig.4 Centrifugation results of Sample 3

对于样品4，跟样品1 处理效果基本一致，4000 r/min、5 min 的处理效果就可使泥浆的浊度降到50 NTU，清液率在 85% 左右；2000 r/min、5 min 的处理效果也较好，但清液率在60%左右，对泥浆减量效果不太理想。2000 r/min、10 min 处理对泥浆的减量有所提升，清液率接近80%。因此对于4 号泥浆而言最佳处理参数为4000 r/min、5 min，见图5。

图5 样品4 离心试验结果Fig.5 Centrifugation results of Sample 4

综合分析，对于样品2 和样品3 而言，利用低速离心方式的处理效果不理想，虽然样品3 经过4000 r/min、10 min 的处理效果较好，但对泥浆减量效果较差，处理量不够大。对于样品1 和样品4，离心效果比较显著，最佳参数为4000 r/min、5 min，处理后浊度均可下降到50 NTU 左右，清液率接近90%。4000 r/min、10 min 就可保证泥浆清液率在90%以上，减量效果明显。

3.2 废弃泥浆的絮凝正交试验

3.2.1 有机絮凝剂对泥浆废水处理正交试验结果及分析

由于自然沉降效果不够理想，而通过泥浆成分分析得知泥浆中有机质的含量较大，宜采用有机絮凝剂进行絮凝沉淀，加强沉降效果后，再联合机械处理进行泥水分离效果会更好。因此，采用聚丙烯酰胺高分子絮凝剂（简称PAM）进行正交试验［15］来选出最佳试验参数。

PAM 分子式为（C3H5NO）n，常用 PAM 分为阳离子、阴离子和非离子3 种类型，主要在水溶后通过接枝或交联得到支链或网状结构来对液相中颗粒物进行捕集，使其团聚沉降形成絮凝作用，由于该絮凝剂性能优越，工业上常用于水处理、石油开采、造纸、医用、纺织等领域。本文选用常用的阳离子、阴离子和非离子3 种类型的PAM 絮凝剂进行处理废浆，所有絮凝剂的浓度配置为5‰，试验方案见表6［16］，为满足正交实验方案完整性，增设D、E 两列空列。试验结果见表7。

表6 PAM 絮凝剂沉降试验方案(L45)Table 6 PAM flocculant settlement test scheme

表7 PAM 絮凝剂沉降正交试验结果与分析Table 7 Results and analysis of PAM flocculant settlement orthogonal test

分析正交试验数据极差，对于泥浆清液率指标而言，影响因素最大的是泥浆种类，样品1 最容易沉降；再者就是絮凝剂种类，阳离子絮凝剂处理效果最好，该结论与于真真［17］、丁光亚等［18］的研究结果一致；最后是絮凝剂用量，3%为最佳用量。因此对于清液率来说，最佳参数为样品1，5‰的阳离子絮凝剂用量为3%。对于清液浊度指标而言，影响因素最大的是絮凝剂的浓度，3%的浓度比例下，清液的浊度最低；其次是泥浆种类，也同样是样品1 的清液率较低，最后是絮凝剂种类，但絮凝剂种类极差比空列极差还低，说明絮凝剂种类对浊度的影响不大。

3.2.2 阳离子絮凝剂单因素试验及结果分析

对正交试验进行综合分析，对于4 种泥浆样品，选择5‰的阳离子絮凝剂，浓度3%的效果是最佳的。为验证正交试验所得最佳参数，取4 种泥浆样品各500 mL，采用阳离子絮凝剂，在不同浓度条件下进行单因素试验。

对于样品1 而言，试验显示加入30 mL 絮凝剂时，清液率为30.8%，浊度为27.0 NTU，清液浊度较低，效果好，见图6。

图6 样品1 絮凝剂浓度影响试验Fig.6 Effect of flocculant concentration on Sample 1

对于样品2 而言，试验显示加入30 mL 絮凝剂时，清液率为23.7%，浊度为429 NTU，清液浊度较大，但清液率较高，见图7。

图7 样品2 絮凝剂浓度影响试验Fig.7 Effect of flocculant concentration on Sample 2

对于样品3 而言，试验显示加入15 mL 絮凝剂时，清液率为4.82%，浊度为5.44 NTU，清液浊度较低，但清液率较少，见图8。

图8 样品3 絮凝剂浓度影响试验Fig.8 Effect of flocculant concentration on Sample 3

对于样品4 而言，试验显示加入15 mL 絮凝剂时，清液率为25.3%，浊度为38.1 NTU，清液浊度低，清液率尚可，见图9。

图9 样品4 絮凝剂浓度影响试验Fig.9 Effect of flocculant concentration on Sample 4

综上所述，对于样品1、样品2 来说，每500 mL泥浆样品加入5‰阳离子絮凝剂的量为30 mL 最佳，对于样品3、样品4 来说，每500 mL 泥浆样品加入5‰阳离子絮凝剂的量为15 mL 最佳。

4 结语

不同的处理方式，对不同类型建筑废弃泥浆的处理效果是不同的，工程应用中需要采取针对性的一种或多种方法组合。

通过试验分析，得出的主要结论有：

（1）武汉地区建筑废弃泥浆除去15 μm 以上颗粒后，其固相主要成分为有机质，约占80%，无机成分中Si 占比较大，约10%，各泥浆样品的元素成分种类和含量差别不大。

（2）采用过滤方式取得的清液浊度较低，采用抽滤方式处理废弃泥浆可以获得较多的上清液，整体来看，过滤和抽滤方式针对粘土颗粒较少、砂颗粒较多、颗粒物粒径较大的废弃泥浆效果比较明显。

（3）采用低速离心方式能够有效进行多数废弃泥浆的泥水分离，但颗粒物粒径较小的、含有较多膨润土或蒙脱石矿物的废弃泥浆不宜采用低速离心方式进行泥水分离。

（4）通过正交试验和单因素试验，利用阳离子絮凝剂（PAM）处理废弃泥浆效果较好，但对于不同类型的泥浆，其最佳配比还需要通过试验确定。