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摘要：为了提高废弃泥浆的压滤脱水效率，选用PAM作为絮凝剂，采用物理—化学联合的方法，研究不同类型、不同分子量和不同加药量对钻孔粘土泥浆压滤脱水性能的影响规律。试验结果表明，阴离子型PAM絮凝剂能明显改善钻孔粘土泥浆的脱水性能；相对分子量为1 000万的阴离子型PAM絮凝剂效果最优，并确定不同加药量对钻孔粘土泥浆压滤脱水的影响规律；在此基础上建立最优PAM絮凝剂压滤脱水的数学模型，为指导钻孔粘土废弃泥浆的处理提供一定的参考价值。
关键词：PAM絮凝剂；钻孔粘土废弃泥浆；压滤脱水；数学模型
中图分类号：X7991 文献标志码：A
文章编号：1672-1098（2014）01-0034-05
钻孔灌注桩广泛应用于建筑、交通、水利等基础工程，钻孔泥浆用量一般为成孔体积的3～5倍[1]。泥浆中可加化学药剂，使泥浆成为一种不易失水干结，成分复杂，稳定性好的胶体体系[2]，因此，施工后会产生大量的废弃泥浆。目前处理废弃泥浆的一般方法是将其直接填埋，但很多泥浆被排放到田地、河道，严重污染土壤、河流，破坏城市生态环境，危害人的身体健康。处理废弃泥浆成为了当前工程建设一大难题。
国内外对油田钻井泥浆、矿山钻井泥浆、城市污泥、河湖污泥和淤泥处理方法的研究较多，主要有物理、化学和物理—化学联合等处理方法。目前，基于钻孔废弃泥浆的压滤脱水研究很少，主要面临是以下问题，①钻孔粘土废弃泥浆粘度大，颗粒细小，若直接采用物理的方法脱水，泥浆会堵塞脱水机滤孔，使泥浆固液难以分离；②若直接固化，钻孔粘土废弃泥浆含水率高，需加入大量的固化剂，成本较高；③由于每个地区土性差别较大，成分复杂，针对钻孔粘土废弃泥浆脱水处理使用的絮凝剂适应性研究较为缺乏。
针对以上问题，本文采用物理—化学联合的方法，研究PAM絮凝剂对钻孔粘土废弃泥浆脱水性能的影响规律。在此基础上，提出符合压滤脱水规律的数学模型，为钻孔粘土废弃泥浆的处理提供科学依据。
1试验
11絮凝剂
选用PAM絮凝剂，分别是相对分子量1 000万的阳离子型PAM絮凝剂（记为C1PAM）、相对分子
量1 000～1 800万的阴离子型PAM絮凝剂（记为A1PAM～A5PAM）和相对分子量1 000万的非离子型PAM絮凝剂（记为N1PAM）。
12试验设备
量筒、烧杯（1 000 mL）、秒表、搅拌器、精密电子天平、自制的液压压滤设备（见图1）。
图1自制的液压压滤设备
13试验方案
为了研究PAM絮凝剂的类型、相对分子量和加药量对钻孔粘土泥浆脱水性的影响规律，设计了三个试验方案（见表1～表3），并在试验结果的基础上建立符合压滤脱水规律的数学模型。
表1PAM絮凝剂类型的优选
14试验步骤
按试验所需，用精密电子天平称取PAM絮凝剂，分别于1 000 mL烧杯中加入500 mL搅拌均匀的钻孔泥浆，投加絮凝剂，搅拌均匀，至有明显絮体出现后停止；待静置絮凝2 h后，将泥浆倒入自制的液压压滤设备，设定压力值为08 MPa，泥浆厚度为4 cm，对泥浆进行压滤脱水处理；每5 min读1次脱水量，30 min后，每15 min读1次，压滤时间持续180 min；记录泥浆压滤脱水量随着压滤时间的变化。按照以上步骤，即可得到每组试验的泥浆压滤脱水量随着压滤时间的变化。
2试验结果与分析
21泥浆的物理性质和矿物组成
通过仪器测得钻孔泥浆的物理性质和主要矿物成分（见表4～表5）。
从图2～图4可以看出，随着压滤时间的增加，泥浆的压滤脱水量越来越高，压滤脱水速度逐渐降低，泥浆的压滤脱水曲线呈非线性增加的趋势。三种不同类型的PAM絮凝剂在加药量不同时，对泥浆的压滤脱水效果的影响也不同。
泥浆压滤脱水效果随着C1PAM、N1PAM加药量的增加先提升后下降（见图2和图4），脱水效果最好的加药量均为10 g；随着A1PAM加药量的增加呈下降趋势（见图3），加药量为05 g时泥浆的压滤脱水效果最好，在45 min以后，脱水速率变快。
总之，随着压滤时间的延长，泥浆的压滤脱水曲线呈非线性增大的趋势；从脱水效果来看，阴离子型的PAM絮凝剂效果最好。
2） 最佳加药量不同类型PAM絮凝剂的影响。对比分析最佳加药量不同类型PAM絮凝剂对泥浆脱水性能的影响，结果如图5所示。
t/min
1. A1PAM加药量05 g； 2. C1PAM加药量10 g；3. N1PAM加药量10 g； 4. 纯泥浆
图5三种类型PAM絮凝剂最佳加药量时泥浆压滤脱水曲线
由图5可以看出，在均为最佳加药量的情况下，三种不同类型PAM絮凝剂的添加均能改善泥浆的压滤脱水性能。A1PAM的添加加快了泥浆的脱水速率，对泥浆压滤脱水性能改善效果最好，最终的压滤脱水量也明显高于纯泥浆，C1PAM和N1PAM对泥浆压滤脱水性能改善效果不明显，最终的压滤脱水量与纯泥浆基本相等。
以上分析得出，适用于钻孔粘土泥浆絮凝脱水的最优PAM絮凝剂是A1PAM。
23不同相对分子量的阴离子型PAM絮凝剂的影响
在确定了最优PAM絮凝剂的基础上，为了进一步优选阴离子型PAM絮凝剂的相对分子量，选用A1PAM～A5PAM，加药量均为05 g，泥浆压滤脱水量随压滤时间的变化曲线如图6所示。
t/min
1.A2PAM加药量05 g； 2.A1PAM加药量05 g； 3.纯泥浆；
4. A4PAM加药量05 g； 5. A3PAM加药量05 g；6. A5PAM加药量05 g 图6添加A1PAM～A5PAM时泥浆的压滤脱水曲线
由图6可知，随着阴离子型PAM絮凝剂相对分子量的增加，泥浆的压滤脱水效果先提升后下降。
当阴离子型PAM絮凝剂相对分子量小于1 200万时，阴离子型PAM絮凝剂的添加对泥浆的脱水性能有所改善；当相对分子量大于1 200万时，随着相对分子量的增加，泥浆的脱水效果反而越来越差。
分析原因，当絮凝剂的相对分子量过小时，会造成泥浆不絮凝或者絮凝团较小，会降低脱水的速度；当絮凝剂的分子量过大时，PAM包裹泥浆微粒，絮团间相互排斥造成絮凝效果差，其次泥浆粘度值过大，在压滤过程中水分子通道堵塞，使絮团束缚较多水难以通过泥浆絮凝团，压滤脱水效果也比较差。
分别添加A1PAM和A2PAM的泥浆压滤脱水效果都有明显提高，改善效果也基本相同，考虑到经济效益，最终确定相对分子量1 000万的阴离子型PAM絮凝剂为最优。
24最优PAM絮凝剂加药量的优化及模型建立
1） 最优PAM絮凝剂加药量的优化。A1PAM对于钻孔粘土泥浆的压滤脱水改善效果较为理想，最佳加药量为下限05 g，为了进一步优选A1PAM的最佳加药量，进行加药量细化的工作，试验结果如图7所示。
t/min
1- 05 g；2- 008 g；3- 010 g；4- 006 g；5- 004 g
图7A1PAM不同加药量时泥浆的压滤脱水曲线
由图7可知，当A1PAM的加药量小于008 g时，泥浆的脱水效果随着加药量的增加越来越好；当加药量大于008 g时，随着加药量的继续增加，泥浆的脱水效果没有继续得到改善，而是维持在一个较小的范围内波动。根据试验结果，考虑工程应用中的实际效益，A1PAM最佳加药量为008 g，泥浆的体积为500 mL，即160 g/m3。
2） 最优PAM絮凝剂压滤脱水模型的建立。采用脱水率和时间的关系建立相应的模型，试验数据点及模型曲线如图8所示。
t/min
图8A1PAM加药量为008 g时泥浆的试验数据点及模型曲线图
根据压滤脱水试验数据及曲线形状，泥浆的压滤脱水规律可以用数学模型表达：
w=a×（1-e-bt）c （1）
当t趋于无穷大，e-bt等于0，w等于a，即为泥浆的最初含水率7153%；当t等于0时，w等于0。表明此模型符合泥浆的压滤脱水规律和泥浆的特性，根据最优压滤脱水的试验数据进行非线性拟合，系统参数b和c分别为-0003 45，0553 36。其模型表达为
w=7153×（1-e-000345t）055336 （2）
式中：w为脱水率；t为压滤时间，min。
由图8可见，式（2）能准确表达脱水率与压滤时间之间的关系，模型曲线与试验数据点的拟合精度很高，较好地反映泥浆的压滤脱水规律。研究结果为泥浆的处理提供了可靠的科学依据。
3结论
PAM絮凝剂适用于钻孔粘土泥浆并能够有效改善泥浆脱水性能，最优PAM絮凝剂为相对分子量1 000万的阴离子型PAM絮凝剂；泥浆的体积为500 mL时最佳加药量为008 g，即160 g/m3。
根据最优PAM絮凝剂泥浆压滤脱水曲线，提出了脱水率与压滤时间的表达式，建立相应的模型，模型表达式能准确表达脱水率与压滤时间之间的关系，模型曲线与试验数据点的拟合精度很高，能较好地反映泥浆的压滤脱水规律。
以上研究结果，为钻孔粘土废弃泥浆的高效处理提供了可靠的科学依据。
参考文献：
[1]吴波，马希河，杨中喜，等.油田污泥固化研究进展[J].国外建材科技，2003（4）：66-67.
[2]谭蔚，于真真，高晓冲，等.钻井废弃盐水泥浆无害化脱水处理研究[J].油田化学，2011（2）：126-129.
[3]范英宏，潘智，刘建华，等.高速铁路桥梁施工废弃泥浆处理工艺研究[J].铁道建筑，2009（12）：21-23.
[4]王树芹，罗松涛，李国忠，等.阴离子型聚丙烯酰胺相对分子质量和水解度对污泥脱水性能影响的研究[J].环境科学学报，2011，31（8）：1 706-1 712.
[5]BORAN J，HOUDKOVA L，ELSASSER T.Processing of sewage sludge： Dependence of sludge dewatering efficiency on amount of flocculant[J].Resources，Conservation and Recycling，2010，54（5）：278-282.
[6]JIANPING WANG，SHIJIE YUAN，YI WANG，et al.Synthesis， characterization and application of a novel starch-based flocculant with high flocculation and dewatering properties[J].Water Research.Water Research，2013，47（8）：2 643-2 648.
[7]丁明，王海波，郭学峰，等.钻井废弃泥浆无害化、资源化处理技术[J].建井技术，2012，33（3）：32-34.
（责任编辑：何学华，吴晓红）
关键词：PAM絮凝剂；钻孔粘土废弃泥浆；压滤脱水；数学模型
中图分类号：X7991 文献标志码：A
文章编号：1672-1098（2014）01-0034-05
钻孔灌注桩广泛应用于建筑、交通、水利等基础工程，钻孔泥浆用量一般为成孔体积的3～5倍[1]。泥浆中可加化学药剂，使泥浆成为一种不易失水干结，成分复杂，稳定性好的胶体体系[2]，因此，施工后会产生大量的废弃泥浆。目前处理废弃泥浆的一般方法是将其直接填埋，但很多泥浆被排放到田地、河道，严重污染土壤、河流，破坏城市生态环境，危害人的身体健康。处理废弃泥浆成为了当前工程建设一大难题。
国内外对油田钻井泥浆、矿山钻井泥浆、城市污泥、河湖污泥和淤泥处理方法的研究较多，主要有物理、化学和物理—化学联合等处理方法。目前，基于钻孔废弃泥浆的压滤脱水研究很少，主要面临是以下问题，①钻孔粘土废弃泥浆粘度大，颗粒细小，若直接采用物理的方法脱水，泥浆会堵塞脱水机滤孔，使泥浆固液难以分离；②若直接固化，钻孔粘土废弃泥浆含水率高，需加入大量的固化剂，成本较高；③由于每个地区土性差别较大，成分复杂，针对钻孔粘土废弃泥浆脱水处理使用的絮凝剂适应性研究较为缺乏。
针对以上问题，本文采用物理—化学联合的方法，研究PAM絮凝剂对钻孔粘土废弃泥浆脱水性能的影响规律。在此基础上，提出符合压滤脱水规律的数学模型，为钻孔粘土废弃泥浆的处理提供科学依据。
1试验
11絮凝剂
选用PAM絮凝剂，分别是相对分子量1 000万的阳离子型PAM絮凝剂（记为C1PAM）、相对分子
量1 000～1 800万的阴离子型PAM絮凝剂（记为A1PAM～A5PAM）和相对分子量1 000万的非离子型PAM絮凝剂（记为N1PAM）。
12试验设备
量筒、烧杯（1 000 mL）、秒表、搅拌器、精密电子天平、自制的液压压滤设备（见图1）。
图1自制的液压压滤设备
13试验方案
为了研究PAM絮凝剂的类型、相对分子量和加药量对钻孔粘土泥浆脱水性的影响规律，设计了三个试验方案（见表1～表3），并在试验结果的基础上建立符合压滤脱水规律的数学模型。
表1PAM絮凝剂类型的优选
14试验步骤
按试验所需，用精密电子天平称取PAM絮凝剂，分别于1 000 mL烧杯中加入500 mL搅拌均匀的钻孔泥浆，投加絮凝剂，搅拌均匀，至有明显絮体出现后停止；待静置絮凝2 h后，将泥浆倒入自制的液压压滤设备，设定压力值为08 MPa，泥浆厚度为4 cm，对泥浆进行压滤脱水处理；每5 min读1次脱水量，30 min后，每15 min读1次，压滤时间持续180 min；记录泥浆压滤脱水量随着压滤时间的变化。按照以上步骤，即可得到每组试验的泥浆压滤脱水量随着压滤时间的变化。
2试验结果与分析
21泥浆的物理性质和矿物组成
通过仪器测得钻孔泥浆的物理性质和主要矿物成分（见表4～表5）。
从图2～图4可以看出，随着压滤时间的增加，泥浆的压滤脱水量越来越高，压滤脱水速度逐渐降低，泥浆的压滤脱水曲线呈非线性增加的趋势。三种不同类型的PAM絮凝剂在加药量不同时，对泥浆的压滤脱水效果的影响也不同。
泥浆压滤脱水效果随着C1PAM、N1PAM加药量的增加先提升后下降（见图2和图4），脱水效果最好的加药量均为10 g；随着A1PAM加药量的增加呈下降趋势（见图3），加药量为05 g时泥浆的压滤脱水效果最好，在45 min以后，脱水速率变快。
总之，随着压滤时间的延长，泥浆的压滤脱水曲线呈非线性增大的趋势；从脱水效果来看，阴离子型的PAM絮凝剂效果最好。
2） 最佳加药量不同类型PAM絮凝剂的影响。对比分析最佳加药量不同类型PAM絮凝剂对泥浆脱水性能的影响，结果如图5所示。
t/min
1. A1PAM加药量05 g； 2. C1PAM加药量10 g；3. N1PAM加药量10 g； 4. 纯泥浆
图5三种类型PAM絮凝剂最佳加药量时泥浆压滤脱水曲线
由图5可以看出，在均为最佳加药量的情况下，三种不同类型PAM絮凝剂的添加均能改善泥浆的压滤脱水性能。A1PAM的添加加快了泥浆的脱水速率，对泥浆压滤脱水性能改善效果最好，最终的压滤脱水量也明显高于纯泥浆，C1PAM和N1PAM对泥浆压滤脱水性能改善效果不明显，最终的压滤脱水量与纯泥浆基本相等。
以上分析得出，适用于钻孔粘土泥浆絮凝脱水的最优PAM絮凝剂是A1PAM。
23不同相对分子量的阴离子型PAM絮凝剂的影响
在确定了最优PAM絮凝剂的基础上，为了进一步优选阴离子型PAM絮凝剂的相对分子量，选用A1PAM～A5PAM，加药量均为05 g，泥浆压滤脱水量随压滤时间的变化曲线如图6所示。
t/min
1.A2PAM加药量05 g； 2.A1PAM加药量05 g； 3.纯泥浆；
4. A4PAM加药量05 g； 5. A3PAM加药量05 g；6. A5PAM加药量05 g 图6添加A1PAM～A5PAM时泥浆的压滤脱水曲线
由图6可知，随着阴离子型PAM絮凝剂相对分子量的增加，泥浆的压滤脱水效果先提升后下降。
当阴离子型PAM絮凝剂相对分子量小于1 200万时，阴离子型PAM絮凝剂的添加对泥浆的脱水性能有所改善；当相对分子量大于1 200万时，随着相对分子量的增加，泥浆的脱水效果反而越来越差。
分析原因，当絮凝剂的相对分子量过小时，会造成泥浆不絮凝或者絮凝团较小，会降低脱水的速度；当絮凝剂的分子量过大时，PAM包裹泥浆微粒，絮团间相互排斥造成絮凝效果差，其次泥浆粘度值过大，在压滤过程中水分子通道堵塞，使絮团束缚较多水难以通过泥浆絮凝团，压滤脱水效果也比较差。
分别添加A1PAM和A2PAM的泥浆压滤脱水效果都有明显提高，改善效果也基本相同，考虑到经济效益，最终确定相对分子量1 000万的阴离子型PAM絮凝剂为最优。
24最优PAM絮凝剂加药量的优化及模型建立
1） 最优PAM絮凝剂加药量的优化。A1PAM对于钻孔粘土泥浆的压滤脱水改善效果较为理想，最佳加药量为下限05 g，为了进一步优选A1PAM的最佳加药量，进行加药量细化的工作，试验结果如图7所示。
t/min
1- 05 g；2- 008 g；3- 010 g；4- 006 g；5- 004 g
图7A1PAM不同加药量时泥浆的压滤脱水曲线
由图7可知，当A1PAM的加药量小于008 g时，泥浆的脱水效果随着加药量的增加越来越好；当加药量大于008 g时，随着加药量的继续增加，泥浆的脱水效果没有继续得到改善，而是维持在一个较小的范围内波动。根据试验结果，考虑工程应用中的实际效益，A1PAM最佳加药量为008 g，泥浆的体积为500 mL，即160 g/m3。
2） 最优PAM絮凝剂压滤脱水模型的建立。采用脱水率和时间的关系建立相应的模型，试验数据点及模型曲线如图8所示。
t/min
图8A1PAM加药量为008 g时泥浆的试验数据点及模型曲线图
根据压滤脱水试验数据及曲线形状，泥浆的压滤脱水规律可以用数学模型表达：
w=a×（1-e-bt）c （1）
当t趋于无穷大，e-bt等于0，w等于a，即为泥浆的最初含水率7153%；当t等于0时，w等于0。表明此模型符合泥浆的压滤脱水规律和泥浆的特性，根据最优压滤脱水的试验数据进行非线性拟合，系统参数b和c分别为-0003 45，0553 36。其模型表达为
w=7153×（1-e-000345t）055336 （2）
式中：w为脱水率；t为压滤时间，min。
由图8可见，式（2）能准确表达脱水率与压滤时间之间的关系，模型曲线与试验数据点的拟合精度很高，较好地反映泥浆的压滤脱水规律。研究结果为泥浆的处理提供了可靠的科学依据。
3结论
PAM絮凝剂适用于钻孔粘土泥浆并能够有效改善泥浆脱水性能，最优PAM絮凝剂为相对分子量1 000万的阴离子型PAM絮凝剂；泥浆的体积为500 mL时最佳加药量为008 g，即160 g/m3。
根据最优PAM絮凝剂泥浆压滤脱水曲线，提出了脱水率与压滤时间的表达式，建立相应的模型，模型表达式能准确表达脱水率与压滤时间之间的关系，模型曲线与试验数据点的拟合精度很高，能较好地反映泥浆的压滤脱水规律。
以上研究结果，为钻孔粘土废弃泥浆的高效处理提供了可靠的科学依据。
参考文献：
[1]吴波，马希河，杨中喜，等.油田污泥固化研究进展[J].国外建材科技，2003（4）：66-67.
[2]谭蔚，于真真，高晓冲，等.钻井废弃盐水泥浆无害化脱水处理研究[J].油田化学，2011（2）：126-129.
[3]范英宏，潘智，刘建华，等.高速铁路桥梁施工废弃泥浆处理工艺研究[J].铁道建筑，2009（12）：21-23.
[4]王树芹，罗松涛，李国忠，等.阴离子型聚丙烯酰胺相对分子质量和水解度对污泥脱水性能影响的研究[J].环境科学学报，2011，31（8）：1 706-1 712.
[5]BORAN J，HOUDKOVA L，ELSASSER T.Processing of sewage sludge： Dependence of sludge dewatering efficiency on amount of flocculant[J].Resources，Conservation and Recycling，2010，54（5）：278-282.
[6]JIANPING WANG，SHIJIE YUAN，YI WANG，et al.Synthesis， characterization and application of a novel starch-based flocculant with high flocculation and dewatering properties[J].Water Research.Water Research，2013，47（8）：2 643-2 648.
[7]丁明，王海波，郭学峰，等.钻井废弃泥浆无害化、资源化处理技术[J].建井技术，2012，33（3）：32-34.
（责任编辑：何学华，吴晓红）