建筑工程废弃泥浆快速泥水分离试验研究

梁止水　杨才千,2　高海鹰　吴智仁

(1东南大学土木工程学院, 南京210096)(2东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京210096)(3江苏大学环境与安全学院, 镇江212013)

建筑工程废弃泥浆快速泥水分离试验研究

梁止水1杨才千1,2高海鹰1吴智仁3

(1东南大学土木工程学院, 南京210096)(2东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京210096)(3江苏大学环境与安全学院, 镇江212013)

摘要:为了研究建筑工程废弃泥浆的快速泥水分离性能、提高泥浆泥水分离速率,采用化学絮凝的方法对建筑废弃泥浆快速泥水分离性能进行了试验研究．分析了多种无机絮凝剂、有机絮凝剂及复合絮凝剂对建筑工程泥浆的快速泥水分离性能的影响,得到了絮凝剂种类、添加量与泥水分离效果的关系．结果表明:有机絮凝剂对建筑泥浆具有较好的快速泥水分离效果,泥水分离后泥浆含水率小于50%,而无机絮凝剂和复合絮凝剂的泥水分离效果较差;从泥浆的组成及性质分析可知,加入的有机絮凝剂与泥浆颗粒之间除了有压缩双电层作用外,絮凝剂还起到吸附架桥的作用;经有机絮凝剂分离的上清液中，TN和TP含量达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A及CODcr一级B排放标准．

关键词:建筑泥浆;快速泥水分离;絮凝;含水率;絮凝机理

随着我国城市化进程的不断加快,高层、超高层建筑、高速道路、大型桥梁等土木工程的建设得到快速发展．但施工过程中产生了大量的废弃泥浆、淤泥、渣土等建筑垃圾,处理不当会造成环境污染及资源浪费,目前已引起相关部门和研究机构的高度重视．废弃泥浆是土木工程中量大、污染环境严重和难以处理的建筑垃圾之一[1-3]．

建筑泥浆的组成成分以无机物为主,主要包括水分、黏性土颗粒、粉砂等,其化学成分有SiO2,Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,Na2O,K2O等矿物质,还有少量COD,TN,TP和重金属．其主要特征表现在:① 无机物含量大,成分较为固定,含水率较低,比重较市政污泥大,快速沉淀较为困难,因此一般的絮凝剂对其絮凝效果不明显;② 建筑泥浆中含有的固体颗粒的粒径较小,直径在0.1～100 μm之间,相对稠度较大,外观一般呈黏稠流体或半流体状态,色度大,颗粒细小,级配差,形成的胶体稳定性较好,难以自然沉淀分离[4-5];③ 建筑废弃泥浆的化学成分与土壤相似,若处理不当则形成的溶胶悬浮体混合液对环境造成威胁[6]．

目前,国内外对泥浆处理的研究主要集中在石油钻井、道路桥梁施工废弃泥浆、河湖淤泥和活性污泥资源化等领域．其中,范英宏等[7]针对高速铁路桥梁施工废弃泥浆的处理工艺进行了研究,并通过成本计算说明了工艺的可行性;刘勇健等[8]采用正交试验的方法研究了3种絮凝剂在不同浓度和搅拌强度时对废弃泥浆的泥水分离效果的影响,提出了实验条件下的最佳絮凝剂种类及配比;冷凡等[9]进行了不同有机高分子絮凝剂辅助添加无机助剂对工程废弃黏性土絮凝脱稳效果的研究．

本文研究了无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂以及无机与有机高分子絮凝剂结合使用对建筑泥浆泥水分离效果的影响，分析了泥水分离絮凝后的水质指标,从而为泥浆的快速泥水分离技术提供数据支撑和理论依据．

1实验设计

实验材料:南京市建邺区工程项目现场桩基泥浆,其外观呈浅黄色,有机物含量小于5%,含水率为70%～85%,相对密度为1.20～1.25．

无机絮凝剂有聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)、聚合氯化铝铁(PAFC)、聚合硅酸铝铁(PAFSI)等．

有机絮凝剂有聚丙烯酰胺系列非离子型(PAM)、阴离子型(APAM)、阳离子型(CPAM).聚丙烯酰胺由巩义市新奇化工厂提供,分子量为1.0×107～1.2×107．

仪器与设备有Microtrac S3500 激光衍射法粒度分析仪、XD-3A X射线衍射仪、PHS-3C型精密数显酸度计、恒温真空干燥箱、电子天平、烧杯、玻璃棒和FEI Inspect F50扫描电子显微镜等．

主要检测项目及测定方法如表1所示．

表1　样品测试项目及方法

2实验结果

2.1泥浆特征

1) 粒度分布．为了分析泥浆微粒粒径对其稳定性的影响,采用湿法进样对泥浆进行粒径分析,微粒的概率分布特征见图1．

(a) 原始泥浆

(b) 泥水分离泥浆

由图1(a)可知,90%的泥浆粒径小于10 μm,表明该建筑泥浆中含有90%黏土和10%砂．泥浆微粒粒径均呈微米级别,多小于5 μm,微粒的形状不规则,形成分散性较好的泥浆分散悬浮体系．

由图1(b)可看出,经絮凝后浆体颗粒的粒径分布有所改变,大于5 μm的颗粒比例接近40%,10 μm以下的约为65%,大于50 μm的也有所增加,小于1 μm的微粒已去除．上述实验结果表明,絮凝剂可将小颗粒黏土颗粒凝聚成较大颗粒的絮体,降低了颗粒的分散性,有利于颗粒的沉降,有效实现泥水分离．

2) 化学成分．为了分析样本的化学成分,取少量烘干泥样在XD-3A X射线衍射仪上进行测试,利用Jade软件对测试数据进行处理，得到的衍射图谱和泥样主要成分如图2和表2所示，其中，θ为衍射角．

图2　XRD图谱曲线

名称化学式uscovite-2M1KAl2(Si3Al)O10(OH,F)2AluminumAcetateHydrox-ideC4H7AlO5AluminumAcetateHydrox-ideHydrateC4H7AlO5·2.5H2OAluminumAcetateHydrox-ideC4H7AlO53-n-HexylresorcinolC12H18O25-BromotetrazoleCHBrN41-Pentyl-3,5-dinitrobenzoateC12H14N2O6AliettiteCa0.2Mg6(Si,Al)8O20(OH)4·4H2O2-Phenyl-5-tetrazolecarbox-ylicacidC8H6N4O2

由图2与表2可知,泥浆中含有SiO2,Al2O3等无机矿物质,也含有少量的有机物．

2.2自然沉降实验

为了研究建筑废弃泥浆的自然沉降效果,将原样泥浆试样加入蒸馏水进行稀释,制取含水率分别为75%,80%和85%的泥样．将泥样放入250 mL量筒中，加至满刻度静置，观察并记录在不同沉降时间内(0,30,60,120,180,240,300及480 min)污泥界面所处位置,以及不同浓度泥浆的悬浊液的体积变化．3种不同含水率泥浆样本的上清液体积随时间的变化如图3所示．

图3　3种泥浆样本上清液体积随时间的变化

由图3可知,泥浆在自然沉降过程中,泥水界面的沉降速度随着时间的延长而不断减小．当含水率较小时,初始阶段泥浆的沉降速度较快,很快达到沉淀压密点,但是在压密点附近曲线的斜率明显减缓,最后趋于水平．随着泥浆含水率的增高,泥水界面达到压密点的历时较长,压密点不明显,且沉降后上清液的体积明显增大．含水率为75%的泥浆在静置沉降30 min 后,悬浊液的液面位于239 mL处,沉降比(SV)为91%,而含水率为85%的泥浆,悬浊液的液面位于215 mL处,SV为86%,这说明泥浆初始浓度愈高,黏土微粒间距愈小,微粒间的相互作用愈强．受扩散层水化膜的影响微粒间距难以进一步缩小,宏观上表现为上清液液面高度难以下降,沉降比较大,沉降效果较差．

出现以上情况的主要原因是，当含水率较低时,泥浆中的颗粒浓度较大,发生了群体沉降,絮体在沉降的过程中,颗粒逐渐增大,沉速加快,能够较快地进入等速沉降阶段,达到压密点状态；之后主要是压缩沉降阶段,上清液的体积变化不大,曲线趋于水平．此时,泥浆絮体也开始进一步靠近接触,颗粒间的作用力明显增强,泥水絮体颗粒进一步靠近并互相接触,颗粒间分子力作用更为明显与强化,絮体在较短的时间内,形成网状的絮团,导致泥水分离界面的沉速进一步减小．当含水率较高时,泥浆的颗粒浓度较小,颗粒间的相互作用较小,在沉降过程中相互干扰,沉速开始较慢,但是随着沉降的进行,絮体颗粒的体积增大,絮团开始形成,沉速加快,最后慢慢进入压密点,曲线也开始趋于平缓,最终达到泥水分离状态．

综上所述,不加任何絮凝剂仅依靠自然沉降对泥浆进行分离需要的时间较长,并且泥水分离效果较差,不具有工程上的可行性[10-11]．

2.3无机絮凝剂自然沉降实验

为了研究不同无机絮凝剂对泥浆絮凝效果的影响,在泥浆样本(含水率为80%) 中加入质量分数为5%的4种无机絮凝剂(PAC,PFS,PAFC及PAFSI)，充分搅拌，4个样本的上清液体积随时间的变化如图4所示．

图4　无机絮凝剂的重力沉降曲线

4种无机絮凝剂的絮凝反应效果均不佳,上清液和絮体也没有明显的分层现象,泥水分离效果较差,沉降的悬浊液无堆积性,经200目滤布过滤后的液体仍呈高度浑浊状态．该现象与泥浆中含有的粉砂有关,由于粉砂的相对比重大时,无机絮凝剂的黏性较小,而泥浆的比重比较大,含有粉砂较多,不能有效地将粉砂吸附黏结成较大颗粒的絮体,导致沉降效果有限,泥水分离效果较差．

未加絮凝剂的污泥沉降性能较差,上清液体积较小,污泥形成细小疏松矾花．加入无机絮凝剂后虽不能有效进行泥水分离,但沉降效果有轻微的改善.加入絮凝剂后可以明显观察到在烧杯中出现了一些细小颗粒,正是这些细小颗粒在沉淀过程中逐渐形成了稍大的絮体颗粒,从而有利于静止沉降和泥水分离．与未加入任何絮凝剂的泥浆沉降相比,加入无机絮凝剂的沉降速度较快,上清液体积较大,沉降效果稍有改善．投加PAC,PAFC,PSF,PAFSI和空白的沉降后，上清液的体积分别为98,56,64,114和48 mL,可见其泥水分离效果依次为PAFSI,PAC, PFS, PAFC和空白．初始阶段,沉降速度较快,但随着时间的推移,沉降速度逐渐变慢,3 h以后趋于平稳,上清液体积几乎不再发生变化,沉降程度达到最大．

2.4有机絮凝剂自然沉降实验

采用同样方法加入质量分数为0.2%的有机絮凝剂(APAM,PAM,CPAM)25 mL, 进行搅拌,观察0,30,60,120,180,240,300及480 min时间内污泥界面所处位置,实验结果如图5所示．

投加有机絮凝剂后，污泥的沉降性有了明显的改善,泥浆上清液与泥浆颗粒之间形成了较为清晰的界面．30 min后泥浆上清液约有60 mL,60 min后上清液约有95 mL,最终形成的上清液分别达125,118,114 mL.由此可以看出，加入有机絮凝剂的上清液体积比加入无机絮凝剂上清液体积多,且沉降效果优于PAFSI,但形成的污泥絮体粗大且疏松.与CPAM和PAM的处理效果相比,APAM黏性较强,絮体颗粒较大,抗剪切能力较强[12],不易破碎,更容易实现固液分离,泥水分离效果较为显著．

图5　有机絮凝剂的自然沉降曲线

图6为絮体形成过程中的形态．当加入25 mLAPAM絮凝剂后,在絮体形成的过程中,絮团逐渐增大,形成并压实,将流动性的液态泥浆变成了半流动性的固态泥浆,呈现出一定的堆积性和强度[13]．为进一步降低含水率,提高泥水分离效果,还需要进行较长时间的过滤或者结合机械泥水分离进行处理．

图6　絮体颗粒形态

2.5复合絮凝剂混合使用

研究表明,APAM作为絮凝剂的泥水分离效果最佳,因此将其与4种无机絮凝剂分别进行复配使用．复配方式主要分为3种:

1) 加APAM充分搅拌,然后加入质量比1∶1的无机絮凝剂充分搅拌．经观察,加入APAM后,烧杯中逐渐形成絮体颗粒,并且随着投加量的增加,颗粒变大,剪切强度增大,但慢慢加入无机絮凝剂后,已经形成的絮凝颗粒开始逐渐溶解、破碎,直至最后变成和原泥浆相似的状态,经滤布过滤,滤液呈严重浑浊状态,可见絮体基本上被分解成细小颗粒．这说明无机絮凝剂对有机絮凝剂的效果不具有协同作用,甚至发生了拮抗作用,明显减弱其作用效果,使得沉淀效果较差．

2) 将无机絮凝剂和APAM 以质量比1∶1混合加入．经观察,加入絮凝剂后,周围有明显的反应和絮体产生,而经过充分搅拌后,形成的少量絮体也全部溶解,从表面上看与原泥浆无明显差别,说明其絮凝效果不佳．这可能是因为有机絮凝剂和无机絮凝剂发生了反应,形成了络合物或者胶体,从泥浆中分离出来,不能发挥正常的吸附、架桥、网捕等作用,导致已形成絮体的重新分解．

3) 先加入无机絮凝剂进行搅拌,待充分反应后再慢慢加入APAM．经观察,加入无机絮凝剂之后,无明显的絮凝体产生,泥水也没有明显分层现象,但是可以看到有细小颗粒开始析出.然后再按质量比 1∶1慢慢加入APAM,此时可以看到絮体颗粒开始慢慢变大,数量增多,抗剪切强度也有所增大,最终实现泥水分离.但是,所形成的絮体颗粒仍然比较细碎,特别是加入PFS的烧杯中,絮体颗粒特别细,无明显大颗粒絮体,沉降效果较差．对于加入的PAC,PAFC和PAFSI无机絮凝剂的复合絮凝剂,经过搅拌和静止沉降,上清液的体积稍有增大,这是由于黏土类微粒能吸附无机絮凝剂在水溶液中的络合物和多种多核羟基络离子,而带正电的多核羟基络离子对微粒的双电层有压缩作用,降低了ζ电位,促进了微粒的聚集作用,提升了上清液的澄清度,同时微粒间斥力的减弱也在一定程度上减小了絮团的体积．

将沉降后的混合液过滤30 min,上清液的体积和滤饼的含水率如图7和图8所示,将滤布上面的固体泥浆放入培养皿中进行干燥,完全干燥且冷却后测定其含水率．

由图7和图8可知,沉降泥浆呈半固体状态,堆积性一般,有轻微的流动性．而含水率在51%～55%之间,比有机絮凝剂的效果差．过滤后上清液的体积随着絮凝剂投加量的增大而逐渐减小,沉降效果开始慢慢变差．但这与先加有机絮凝剂再加无机絮凝剂的效果相比,有明显好转,这说明先加入的无机絮凝剂与泥浆发生了絮凝反应,消耗了大部分的无机絮凝剂,形成了较为稳定的絮体或者络合物,在加入有机絮凝剂后,仍能够发生较为明显的絮凝反应,形成较大的絮凝颗粒,有利于静止沉降．这也再次说明了无机絮凝剂和有机絮凝剂直接使用会干涉两者的相互反应,导致不能充分发挥两者的絮凝作用,影响絮凝效果[14]．

图7　复合絮凝剂对上清液体积影响曲线

图8　复合絮凝剂对泥饼含水率影响曲线

随着无机和有机絮凝剂投加量的增大,污泥含水率呈递增趋势,絮凝沉降效果变差,这可能是由于加入无机絮凝剂超过一定量后,无机絮凝剂有较多的剩余,导致加入的有机絮凝剂优先和无机絮凝剂发生反应,消耗了较多的絮凝剂,使絮凝沉降效果逐渐变差．

3讨论及分析

3.1絮凝机理

用扫描电镜对絮体结构进行扫描,其中扫描电镜放大倍数为10 000,结果见图9．

由图9可知,原泥浆是较为均匀的泥浆悬浊液,而经过絮凝后的泥浆出现明显大颗粒的絮体,且泥水分离较好,上清液较清．由图9可见,原泥浆的结构较为均匀且疏松；加入APAM后泥浆固体的结构慢慢变得密实紧凑,且在添加量为20 mL时开始有少量较小的固体颗粒出现,加入25 mL时固体颗粒多且颗粒较大．

图9　SEM扫描图片

建筑泥浆中以无机黏土矿物为主,污泥颗粒粒径相对较大,自然沉降效果较差,且污泥颗粒表面所带电荷正负不均,因此影响沉降过程的因素较多,单纯的电中和、压缩双电层作用已经不能有效地进行絮凝泥水分离,而投加APAM后,其黏性和网状结构对泥浆颗粒产生了较强的吸附架桥作用,形成坚固、不易破碎的大块絮状体,使固液分离,便于污泥泥水分离[14]．

3.2水质检测结果及分析

对泥水分离后的上清液加入APAM絮凝剂后,泥水分离效果最佳．

由图10(a)可知,絮凝剂的投加量从15 mL到30 mL的过程中,过滤水的COD逐渐呈增大趋势,且絮凝剂投加量从25 mL到30 mL时，COD斜率较大,COD的增大较快(从50.35 mg/L增加到62 mg/L)，略高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B排放标准．这可能是因为絮凝剂的用量过多,导致带负电荷的胶体和悬浮物转而带正电，而相互排斥,使所形成的絮凝体重新变成稳定的胶体,导致絮凝效果下降．

由图10(b)可以看出,絮凝剂的投加量由15 mL增加到30 mL的过程中,过滤水的TN先增大而后又减小,变化范围在5.33～7.70 mg/L,能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A排放标准,可以直接排放到河道、湖泊和市政管道中．这说明有机絮凝剂对总氮具有一定的去除作用．

由图10(c)可知,絮凝剂的投加量由15 mL增加到30 mL的过程中,过滤水的TP逐渐变小,从0.089 mg/L下降到0.087 mg/L,远小于0.5 mg/L,能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A排放标准,可直接排放到河道、湖泊和市政管道中．

4结论

1) 有机絮凝剂具有良好的泥水分离效果,其中阴离子型效果最好．随着投加量的增大泥水分离泥饼的含水率先减小后增大,泥浆的泥水分离效果先提高后降低,随着絮凝剂浓度的不断增大,泥水分离效果逐渐提高,且泥浆的初始含水率越大,所需絮凝剂的体积越少．

(a) CODCr

(b) TN

(c) TP

2) 泥浆浓度、搅拌时间和强度对泥浆性能有较大影响．絮凝剂的投加量随着泥浆浓度的增大而增加;搅拌时间过长会导致絮凝效果不好,絮团松散,不利于压缩．

3) 在最佳添加量的情况下,COD约为50.35～62.00 mg/L、TN约为5.33～7.70 mg/L,TP约为0.087～0.089 mg/L,浊度较小,基本上都能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准,可以直接排放．

4) 通过SEM发现,APAM絮凝剂对泥浆颗粒进行了黏附桥联,而从泥浆本身的组成和性质分析,加入絮凝剂后能够快速实现絮凝和泥水分离的原因不仅有压缩双电层作用,更重要的是絮凝剂的吸附架桥作用．

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Experimental study on rapid separation between water and slurry from construction engineering

Liang Zhishui1Yang Caiqian1,2Gao Haiying1Wu Zhiren3

(1School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)(3School of the Environment and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:To study the properties of rapid separation between water and slurry from construction engineering and improve its separation rate, Experiments in chemical flocculation methods were conducted, the influence on the performances of rapid separation between water and slurry by different flocculants including inorganic flocculants, organic polymer flocculants and composite flocculation were analyzed and the relationships among the type and adding amount of flocculants and the efficiency of separation between water and slurry were obtained. The results showed that organic flocculants had a relatively better effect compared with the inorganic flocculants and composite flocculants, and the moisture content of dewatered slurry could be reduced to below 50%. With respect to the components and properties of construction slurry, the mechanism of separation between water and construction slurry was not only compression of double electric layer between organic flocculants and slurry particles, but also the effects of adsorption bridging action. What’s more, the A standard of TN and TP and B standard of CODcrhad been obtained from experiments of water quality monitoring according to the “discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant”.

Key words:construction mud; rapid separation between water and slurry; flocculation; moisture content; flocculation mechanism

doi:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.031

收稿日期:2015-06-05.

作者简介:梁止水(1988—)，男，博士生；杨才千(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，ycqjxx@hotmail.com.

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2013BAC05B02)、江苏省普通高校研究生创新计划资助项目(KYLX15_0083)、南京市科技发展计划资助项目(2014sc312035).

中图分类号:TU41

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)02-0427-07

引用本文: 梁止水，杨才千，高海鹰,等.建筑工程废弃泥浆快速泥水分离试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(2):427-433. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.031.