刘智峰 崔剑峰 蒋勇兵 余明达 贺淑龙 刘 榕 王兴蕾 刘海波 李 程 钟 华

(1.湖南大学环境科学与工程学院 环境生物与控制教育部重点实验室，湖南 长沙 410082； 2.湖南省交通勘察设计研究院，湖南 长沙 410008)

·绿色环保·建筑节能·

絮凝剂对打桩废弃泥浆的处理研究★

刘智峰1崔剑峰2蒋勇兵1余明达1贺淑龙2刘 榕2王兴蕾2刘海波2李 程2钟 华1

(1.湖南大学环境科学与工程学院 环境生物与控制教育部重点实验室，湖南 长沙 410082； 2.湖南省交通勘察设计研究院，湖南 长沙 410008)

采用两步絮凝法，详细考察了几种无机絮凝剂和有机絮凝剂对泥浆絮凝效果的影响，实验表明，在泥浆固液分离实验中，阴离子聚丙烯酰胺(APAM)对泥浆的絮凝效果最好；在泥浆废水的絮凝实验中，最优絮凝剂为聚合氯化铝，其最佳浓度为0.01 g/L，絮凝处理后COD为85.71 mg/L，SS去除率为99.60%，上清液SS为0.91 mg/L，满足GB 8978—1996污水综合排放标准中的一级排放标准。

桥梁施工泥浆，絮凝，固体悬浮物，聚丙烯酰胺

近年来我国公路桥梁事业得到蓬勃发展，根据“十二五”规划，预计在2020年左右，中国公路桥梁数量将达到80万座。但是，在桥梁建设过程中产生的施工废弃泥浆污染问题也日益突出。这类废弃泥浆主要以粘土，水为基础，是一种较为稳定的分散系，颗粒大小在2 μm～10 μm之间，同时具有胶体和悬浮体的性质[1]，因此很难自然沉降。到目前为止，主要的处理方法有化学固化处理法[2,3]、土地耕作处理法[2]、机械脱水处理法[5,6]和固液分离处理法等[3]。固液分离方法是用旋流分离器进行固液分离，工艺相对简单灵活，能很好地去除悬浮物和胶体物质，产生的上清液达标排放，沉淀底泥就地填埋或固化处理，特别适合处理桥梁钻孔泥浆等污染水平较低的泥浆处理[4]。

对于泥浆固液分离后的后续废水，其主要污染因子为SS，pH，COD,石油烃[5,6]，除此之外，废水中的溶解氧浓度也会影响生物的存活率。因此，废水如果不经过处理而直接排放，将会对施工区域内水体环境产生负面影响，并且严重威胁水生生物的生存。

由于不同区域不同井深泥浆体系的差异性，为了获得较好的絮凝效果，需要通过试验优化设计，合理选择絮凝剂、确定投加量等技术参数。本实验从聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铝铁(PAFC)、明矾(KA)、非离子型聚丙烯酰胺(NPAM)、阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)这几种絮凝剂入手，分别对临岳高速公路岳阳洞庭湖大桥桥梁打桩废泥浆和废泥浆固液分离后的上液废水进行絮凝试验，找出最佳的絮凝剂种类，并对絮凝后的水质进行了分析，以期为絮凝剂在桥梁施工废弃泥浆处理中的应用提供理论依据和参考。

1 材料和方法

1.1 实验泥浆

本文所研究的桥梁施工泥浆系临岳高速公路岳阳洞庭湖大桥桥梁施工过程中产生的废浆，取自施工现场的废浆池底部。该桥施工范围在东洞庭湖区域，位于洞庭湖国家级自然保护区内，水质为Ⅲ类水标准，污水排放标准执行GB 8978—1996污水综合排放标准一级标准。此工程施工过程中产生的泥浆性能指标见表1。

表1 泥浆性能指标

1.2 不同种类絮凝剂对粗泥浆的絮凝实验

泥浆从施工现场取回，密封、放置于阴凉处储存备用。配制不同浓度的絮凝剂溶液，其中聚合氯化铝(PAC)450 g/L，聚合氯化铝铁(PAFC)250 g/L，明矾(KA)50 g/L，非离子型聚丙烯酰胺(NPAM，分子量800万)1 g/L、阴离子型聚丙烯酰胺(APAM，分子量1 500万)1 g/L。取泥浆500 mL，在180 r/min搅拌速度下分别加入50 mL的PAC，PAFC，KA，NPAM和APAM，搅拌10 min，试验温度为10 ℃。搅拌过程结束后，每隔2 min记录沉降泥浆体积，并测定上清液的pH值。筛选出最优絮凝剂后，将其配成不同浓度重复上述絮凝实验，确定该絮凝剂在该试验中的最佳浓度。

1.3 絮凝剂对PAM处理后上清液的二次絮凝效果

分别配制明矾40 g/L，聚合氯化铝40 g/L，聚合氯化铝铁40 g/L各200 mL。泥浆经过阴离子PAM絮凝后，取上清液500 mL。分别加入本次所配浓度的明矾、聚合氯化铝、聚合氯化铝铁各15 mL，以180 r/min搅拌10 min，试验温度为10 ℃。静置30 min后测定上清液SS浓度和COD值，从中选出最优絮凝剂。COD采用重铬酸钾法测定[7]，悬浮物浓度(SS)用可见分光光度计测定其在550 nm下的吸光度值(OD550)并结合标准曲线测量[12-14]，泥浆样品的SS与OD550成良好的线性关系，线性方程为y=746.08x-1.603，相关系数为0.997 7。

1.4 聚合氯化铝浓度对PAM处理后上清液的二次絮凝效果的影响

配制不同浓度的聚合氯化铝溶液，取20 mL不同浓度的聚合氯化铝溶液加入到500 mL废水中，使得该絮凝剂的最终浓度分别为0，0.005 g/L，0.01 g/L，0.1 g/L，0.5 g/L，1.0 g/L，1.5 g/L，2.0 g/L和3.0 g/L，以180 r/min搅拌10 min，静置4 h，试验温度为10 ℃。每隔一定的时间测定泥浆的沉降体积和静置1 h后的絮凝率和上清液的pH。

1.5 数据处理

草儿到了花季，成了大姑娘，出落得花一样美丽了。但草儿就如一朵含羞的花儿，偷偷地在绿叶间开放，飘出醉人的香气。草儿不张扬，于是，美丽的草儿，就如一朵含羞草，文文静静。面对那身后一串串盯着她的小伙子，她总是不搭理他们，使得这些小伙子们好不失望神伤，就认为草儿是个外表文静的冷姑娘，不懂得爱。其实，草儿知道呢！美丽的草儿，内心丰富着呢！她是一朵含羞的美丽的花儿，她才不会轻易把自己交给别人！

以上实验均重复了3次，且数据的标准偏差均低于5%。

2 结果与讨论

2.1 絮凝剂对泥浆沉降影响

图1可以明显的看出阴离子型PAM的絮凝沉降效果优于其他4种絮凝剂，这与其他研究人员的结果相一致[8,9]。在静置4 min后，APAM处理的泥浆的上清液体积达到250 mL左右，而其他几种絮凝剂处理的泥浆沉淀效果并不十分明显。这表明阴离子聚丙烯酰胺更适合桥梁施工泥浆絮凝沉降。泥浆以膨润土，水，粘土等为基础在水中形成较为稳定分散系，颗粒大小一般为2 μm～0.01 mm，同时具有胶体和悬浮体的性质[8]。聚丙烯酰胺长链上存在极性基(—CONH3)，借助氢键作用与泥浆颗粒表面吸附，剩余长链在泥浆中伸展，这样吸附后的聚丙烯酰胺便可相互聚集形成大的絮体。而此时的聚丙烯酰胺对凝聚的颗粒又起到吸附架桥的作用，进而加快絮体的长大，促使泥浆颗粒与水分离[9]。刘建华等[10]在研究京沪高速铁路桥梁施工废泥浆时，也发现了阴离子PAM沉降效果最好。吴龙华等[11]发现阴离子PAM对铁路施工废泥浆具有最优沉降作用，并进一步从成本和环境效益两个方面证明了现场絮凝远远优于废泥浆外运排放。而何文锋等[12]在处理地铁站施工废泥浆时却发现阳离子PAM絮凝效果最佳，这可能与泥浆之间的差异及絮凝剂本身的性质有关。

当用APAM絮凝时还可发现在沉降最初的4 min内，沉降速度远远大于4 min～20 min的沉降速度(见图1)。在APAM与泥浆废水刚开始接触时，APAM借助酰胺基氢键和分子链在水中具有很大的吸附表面积，能快速吸附泥沙颗粒并形成较大絮团。此外，APAM絮凝剂分子长链还可以在泥浆颗粒间架桥，形成大颗粒絮体，加速絮凝沉降。随着时间的推移，吸附逐渐达到饱和，在中后期的沉降过程主要依靠絮体的重力作用自然沉降，絮团之间相互挤压，这是导致沉降速度变缓的一个重要原因。

PAM是一种高分子聚合物，在絮凝沉淀实验中，如果APAM的浓度过低，则达不到理想的絮凝效果；如果浓度过高不仅浪费资源、影响絮凝效果，而且还会增加上清液的COD值而造成二次污染，因此在絮凝试验中需要确定APAM的最佳浓度。表2说明APAM浓度变化对沉降性能的影响，随着APAM浓度的升高，絮凝率有升高的趋势，当APAM的浓度达到0.15 g/L时，絮凝剂对泥浆废水的絮凝效果达到最大值，絮凝率为89.86%，SS的浓度为234.1 mg/L。

2.2 无机絮凝剂对泥浆后续废水的影响

表2 阴离子聚丙烯酰胺的最佳浓度

表3 絮凝剂种类对废水中各项指标的影响

2.3 聚合氯化铝浓度对PAM处理后上清液的二次絮凝效果的影响

从图2可以看出，絮凝剂聚合氯化铝的浓度对一次处理后的废水沉降的影响较大，当絮凝剂浓度从0增加到0.01 g/L时，泥浆的沉降速度加快，上清液SS为0.91 mg/L。当浓度从0.01 g/L进一步增加时，泥浆的沉降效果反而降低。结果说明聚合氯化铝对泥浆的最佳絮凝浓度为0.01 g/L。从总体上来看，絮凝剂聚合氯化铝的浓度在0.01 g/L～1.5 g/L时，其对泥浆的絮凝效果比较有效，泥浆的沉降体积浓缩得较低，体积浓缩到17%以内。聚合氯化铝是目前最广泛使用的高效混凝剂[14]，具有用量少、污泥少、除浊高、对出水pH影响小等优点[15]。当聚合氯化铝加入到水中后，Al3+发生水解形成多种可溶性的水解产物，它们带有较高正电荷、在中性溶液中有较低的溶解度，能够中和泥浆胶体颗粒表面的电荷，沉淀过程中会网捕水中的杂质，从而使胶体脱稳沉淀下来[15,16]。在废水处理过程中，絮凝剂往往有一个最佳的投加量范围，低于或超过这个用量都会使絮凝效果下降。投加量不足，水中的胶体脱稳不彻底，絮凝不完全；投加量过高，会造成胶粒“返稳”现象[17]。

如图3所示，不同浓度的聚合氯化铝处理第一次絮凝后的废水，静置1 h后对上清液的絮凝率和pH的影响。随着聚合氯化铝的浓度从0 g/L增加到3 g/L，上清液的pH值逐渐降低，当聚合氯化铝的浓度达到1.5 g/L时，溶液中的pH为5.68，不满足排放标准。而絮凝率随聚合氯化铝浓度的递增而呈现先增加后降低的趋势，在聚合氯化铝浓度为0.01 g/L时絮凝率为99.60%，达到最大值，絮凝后上液的pH值为7.05，聚合氯化铝的作用发挥到最佳水平，另外也有可能是聚合氯化铝与废水中残留的APAM协同作用，增强了絮凝效果。

3 结语

1)处理沉降该桥梁施工泥浆的最佳絮凝剂为阴离子聚丙烯酰胺(APAM)，最佳絮凝浓度为0.15 g/L，絮凝率为89.86%。

2)对于处理泥浆后续废水，对比明矾和聚合氯化铝铁，聚合氯化铝的处理效果较优。聚合氯化铝处理后续废水的最优浓度0.01 g/L，对SS去除率99.60%，上清液SS仅为0.91 mg/L，达到一级排放标准。

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The study on the disposal of waste drilling mud by flocculation★

Liu Zhifeng1Cui Jianfeng2Jiang Yongbing1Yu Mingda1He Shulong2Liu Rong2Wang Xinglei2Liu Haibo2Li Cheng2Zhong Hua1

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,KeyLaboratoryofEnvironmentalBiologyandPollutionControlMinistryofEducation,HunanUniversity,Changsha410082,China; 2.HunanProvincialCommunicationsPlanning,Survey&DesignInstitute,Changsha410008,China)

In this study, flocculation method is divided into two steps. Several inorganic flocculants and organic flocculants are being studied to find out the optimal one. Mud flocculation experiments show that anionic polyacrylamide(APAM) demonstrates the best flocculation effect. In follow-up wastewater flocculation experiments, polyaluminium chloride(PAC) is the most effective flocculants. The optimum dose of PAC is 0.01 g/L COD is 85.71 mg/L after flocculation treatment. The removal rate of suspended solid(SS) is 99.60%. The concentration of SS in supernatant fluid is 0.91 mg/L. The water quality meets the first grade standard ofIntegratedWastewaterDischargeStandardofChina(GB 8978—1996).

bridge construction mud, flocculation, suspended solid, polyacrylamide

2015-05-27★：湖南省交通科技项目(项目编号：201325)

刘智峰(1983- )，男，博士，助理教授

1009-6825(2015)22-0181-03

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