高速铁路桥梁施工废弃泥浆处理工艺研究

Posted 2023-01-12 桥梁施工

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以京沪高速铁路1标段的黏土泥浆为研究对象，进行了固液分离的试验研究。结果表明，阴离子型聚丙烯酰胺对固液分离比较有效，从加药方式对比试验可知，采用直接固体加药从工程上考虑是可行的；而且经固液分离处理后上清液的COD和SS达到了污水综合排放一级标准要求。在试验的基础上，设计出了泥浆现场处理工艺流程，采用该工艺可以节约废弃泥浆处理费用。
文献标识码：B
铁路桥梁施工过程中需要采用泥浆平衡井壁压力、冷却钻头、悬浮钻渣及保护孔壁，泥浆用量一般为成孔体积的3～5倍，因此，施工结束后大量废弃泥浆需要处理。现行的处理方式是用槽罐车把现场泥浆运到填埋场，让其自然干化，这种处理方式费用高、效率低。近年来国内对废弃泥浆处理的研究日益增多，目前常用的处理方法有化学固化处理法[1-2]、土地耕作处理法、化学絮凝加机械脱水处理法[4-6]和化学絮凝固液分离处理法等[7-9]。固液分离方法工艺相对简单，产生的上清液达标排放，沉淀底泥就地填埋，特别适合处理铁路桥梁钻孔泥浆等污染水平较低的泥浆的处理。选用京沪高速铁路施工现场的黏土配制泥浆，采用各种类型絮凝剂进行泥浆处理工艺试验，并探讨了加药方式、加药量对絮凝沉淀效果的影响，在试验的基础上设计出现场处理废弃泥浆的工艺。
1 试验部分
1.1 絮凝剂选择试验
京沪高速铁路多为黏土地层，回旋钻机钻孔时，一般不用膨润土，采用黏土自造浆。取京沪高速铁路1号标段自造浆用黏土，用自来水配制成不同密度、pH为7.0～8.0的泥浆。
在1L的玻璃量筒中，加入1000mL配制的容重为1.10kg/L的泥浆，加入絮凝剂，絮凝剂的品种和剂量参考万玉纲等人的研究结果，聚丙烯酰胺(PAM)按0.1%浓度进行溶解，搅拌时间、强度和沉淀时间相同，观察比较泥浆的固液分离效果和沉降在下层的泥浆的颗粒大小。然后倾去上层清水，将下层泥浆摊放在地面上，观察泥浆的可堆放性。试验结果见表1。由试验结果可知，本试验所选用的絮凝剂中，阴离子聚丙烯酰胺的固液分离效果较好，这与其它人的研究结果比较一致[7-8]。因此，选用阴离子聚丙烯酰胺进行以下试验研究。

1.2 加药方式对比试验
一般在使用聚丙烯酰胺前按照0.1%或者更低的浓度进行溶解。但是京沪高速铁路工地单个沉淀池的泥浆数量较大，一般体积在80m3以上，若以100mg/L加药量计，稀释用水量将会达到8m3，如此大的用水量在现场难以实现。为此，本研究选用密度为1.10kg/L和1.15kg/L的泥浆，采用0.1%溶解和直接固体加药方式进行固液分离试验，从搅拌时间、加药量及固液分离效果等方面来对比不同加药方式对分离效果的影响，见表2；在适宜加药量情况下固相体积随时间变化的情况见图1。

试验结果及分析：
1)搅拌时间。从表1中可看出，试验的两种密度的泥浆在相同的搅拌强度情况下，0.1%质量比溶解的药剂试验组所需的搅拌时间均较短，远小于固体试验组。如密度为1.10kg/L的泥浆，0.1%质量比溶解试验组从开始加药到有明显固液分离所需的搅拌时间仅用20s，而固体加药试验组所需的搅拌时间为6min。说明采用0.1%质量比溶解，聚丙烯酰胺能够完全溶解，和泥浆接触后能很快起作用。可见仅就搅拌时间而言，采用0.1%质量比溶解加药的方式可以节约反应时间。

2)加药量及固液分离效果对比。由表2和图1可知，对于密度为1.10kg/L的泥浆，80mg/L固体加药的加药量固液分离效果与0.1%溶解加药60mg/L的效果基本一样；对于1.15kg/L的泥浆，固体加药和0.1%溶解加药的适宜加药量分别为120mg/L和100mg/L。分析其原因主要是由于聚丙烯酰胺药剂没有充分溶解，部分药剂没有发挥作用。在适宜加药量情况下，沉淀相同时间后，两种加药方式沉淀底泥的可堆放性都比较好。由此可见，相对于直接固体加药，采用0.1%溶解加药可以节约药量20%～30%。
3)由上述试验可知，相对于0.1%溶解加药，采用直接固体加药所需的搅拌时间明显增加，但不会超过10min，这在工程上是完全可以接受的；两种加药方式底泥的可堆放性和上清液清澈程度无明显差别；直接固体加药比溶解加药需增加药量20%～30%。综合上述试验结果，从工程实际考虑，采用直接固体加药方式是可行的。但是需注意，如采用直接固体加药方式，需要加强搅拌，避免固体药粉结成团状不溶物。
1.3 不同密度泥浆适宜加药量确定
聚丙烯酰胺是一种高分子聚合物，溶解在水中为COD，悬浮物为SS。因此，固液分离试验需选择合适的加药量，否则会造成COD的二次污染。通过对固液分离效果、沉淀后底泥可堆放性、上清液清澈程度及沉降特性的对比，本研究确定了不同密度泥浆的适宜加药量。对于密度为1.05、1.10、1.15、1.20和1.25kg/L的泥浆，适宜加药量分别为60、80、120、140和200mg/L。相关性分析表明，加药量与泥浆的密度成线性关系(图2)。

1.4 不同加药量条件下上清液COD及SS
为了避免添加聚丙烯酰胺造成固液分离后COD的二次污染，本研究测定了不同密度泥浆适宜加药量条件下，固液分离后上清液的COD和SS指标(表3)。由表3可知，对于不同密度的泥浆，在适宜加药量条件下，上清液COD和SS都能达到污水综合排放标准(GB8978—1996)一级排放标准。对于密度为1.20kg/L和1.25kg/L的泥浆，沉淀后上清液COD值都比较高，这可能是由于固体含量高，造成部分未溶解的聚丙烯酰胺进入到上清液中(液体量少)，故COD含量比较高。

2 现场处理工艺及经济效益分析
2.1 泥浆现场处理工艺
在前期试验的基础上，结合工程实际，采用化学与物理方法相结合的泥浆现场处理工艺流程见图3。首先测量泥浆沉淀池的尺寸，计算出泥浆的体积，再测定泥浆的密度，然后根据试验结果确定加药量。投加絮凝剂后采用污泥泵进行搅拌，生成絮团后静止沉淀，大约1h后，上清液达标排放，底泥就地填埋。

2.2 经济效益分析
目前采用槽车运输泥浆，所需费用约为30元/m3，而且会造成遗洒，污染环境。而采用铁科院环卫所设计的现场处理废弃泥浆工艺，对于密度为1.25kg/L的泥浆，按200mg/L加药量(本研究所用聚丙烯酰胺大约18元/kg)、泥浆泵30kWh功率搅拌30min计算(一个泥浆池80m3泥浆，按工业电价1.0元/度)，则处理每立方米泥浆所需费用不到3元。因此，采用该工艺可以大大节约废弃泥浆的处理成本。
3 结论
1)由试验结果可知，对于京沪高速铁路桥梁施工泥浆固液分离试验，无机絮凝剂无效，高分子聚丙烯酰胺效果较好，尤其是阴离子型聚丙烯酰胺固液分离效果最好。
2)由加药方式对比试验可知，相对于0.1%溶解加药，采用直接固体加药所需的搅拌时间较长，所需的加药量要增加，且相对于0.1%溶解加药，增加的加药量不会超过30%。因此从工程实际角度考虑采用直接固体加药是可行的。
3)从加药量试验来看，对于密度为1.05、1.10、1.15、1.20和1.25kg/L的泥浆，比较适宜的加药量分别为60、80、120、140和200mg/L。
4)从工程实际考虑，采用化学与物理方法相结合的工艺是比较可行的。处理后的上清液可以直接达标排放，沉淀底泥可就地填埋。
5)采用该工艺处理泥浆，费用可大大降低。据了解，目前采用槽车运送泥浆，成本大概为30元/m3；采用该工艺后费用大概为3元/m3(药剂+电费)。