实验所用建筑泥浆为龙潭长江大桥桥塔基础钻孔施工泥浆。大桥桥塔基础采用大直径群桩基础，单个桩基直径2.8 m，长105 m，共52根。桩基穿过粉质黏土、粉细砂、含卵砾石中粗砂、强风化粉砂质泥岩，最后以中风化粉砂质泥岩作为基础持力层，嵌入中风化粉砂质泥岩平均深度为52 m。施工泥浆采用膨润土配制，掺入碳酸钠、CMC等化学调理剂，具有典型的高碱性特征。采集泥浆池内废弃泥浆作为室内实验研究对象，开展基本理化性质测定，并开展絮凝调理实验。

有机调理剂为阴离子聚丙烯酰胺(APAM)，相对分子质量为800×10⁴，使用前配制成质量分数为2‰的溶液保证完全溶解，APAM溶液电荷密度为1.8×10⁶ μeq。无机调理剂PAC为黄色粉末，碱化度为1.5，主要有效成分为Al₂O₃，质量分数大于28%。PFC药剂为黄褐色粉末，碱化度为1.2，纯度大于90%。FeCl₃为分析纯试剂。磷石膏为工业生产废弃物，100目以下的灰色粉末。PAC、PFC和FeCl₃使用前均配制成质量分数为10%的溶液，磷石膏直接添加粉末搅拌使用。

在室内开展建筑泥浆絮凝调理沉降实验和污泥比阻测定实验，以评判不同絮凝剂的作用效果。首先开展单一PAM药剂调理实验，确定PAM的最适投加量；随后开展复合调理剂调理实验，筛选最优药剂组合。药剂调理泥浆实验具体操作为：1)取200 mL泥浆置于烧杯内，首先加入PAM溶液，500 r·min⁻¹搅拌5 min。PAM溶液投加量设定为20、50、100、200、300 mg·kg⁻¹。在复合调理剂调理泥浆的实验中，在PAM药剂最适投加量的基础上再分别投加PAC、PFC、FeCl₃或磷石膏无机调理剂，500 r·min⁻¹搅拌5 min，充分絮凝反应。无机调理剂的投加量设定为5、10、20、30 g·kg⁻¹。2)取100 mL反应后的泥浆，置于量筒内，静置沉降，间隔不同时间记录固液分离面位置，得到泥浆沉降曲线。3)另取100 mL反应后的泥浆，置于污泥比阻测定仪测定污泥比阻。4)将比阻测定后得到的尾水进行pH值、污染物含量的测定，泥饼测定含水率后自然风干，进行pH值测定，并进行环境扫描电镜和X射线衍射分析。

泥浆及泥饼的含水率采用质量法进行测定，泥饼pH值的测定按照土水比为1:2.5的比例提取后用pH计测定上清液pH值。样品粒度组成采用激光粒度仪进行测定。泥饼样品的表征采用环境扫描电子显微镜SEM获得，结合EDS能谱分析样品基本元素含量。泥饼矿物组成采用X射线衍射仪进行测定。水中重金属的含量采用ICP-OES进行测定。泥浆液限和塑限的测定是将泥浆风干后取土样采用数显式土壤液塑限联合测定仪进行测定。

药剂调理后泥浆的污泥采用污泥比阻测定仪进行测定，具体操作为：取100 mL泥浆，放置于铺有滤纸的布氏漏斗上，随后打开真空泵，调节真空压力维持在0.04 MPa，开始起动秒表，每隔时间t记录下计量管内的滤液体积V，一直过滤至泥饼出现裂纹；最后，关闭真空阀，取下泥饼测定总质量并测定含水率。作出关系曲线，求出斜率b，按照公式(1)计算泥浆的污泥比阻。

式中：α为污泥比阻，cm·g⁻¹；p为过滤压力，Pa；F为过滤面积，cm²；μ为滤液黏度，g·(cm·s)⁻¹；C为单位体积滤液与滤渣体积比值。

建筑泥浆理化性质分析结果表明(表1)，废弃泥浆含水率高达85%，pH为12.1，呈现强碱性；泥浆密度1.15 g·cm⁻¹，略大于水。泥浆静置30 min后的沉降比SV₃₀为94%，泥浆沉降性能差。泥浆液限和塑限的测定结果表明，液限>50%，属于高液限黏土。这说明泥浆细颗粒占比大^[15]。泥浆颗粒的化学组成结果表明(表2)，泥浆颗粒主要含有以Si、Al、Ca、Fe、O元素。这说明泥浆组成主要为硅铝酸盐的粘土矿物，含有部分铁氧化物。泥浆粒径分布测定结果表明(图1)，泥浆粒径分布为单峰态，峰形不对称，呈正偏态。这说明泥浆粒径分选差。泥浆颗粒中粘土(<5 μm)占比为15.1%，粉砂(5~50 μm)占比为52.3%，细沙(50~250 μm)占比29.7%，中粗砂(0.25~2.00 mm)占比为2.9%。这说明泥浆以细颗粒的粘土和粉细砂为主，组成颗粒细小。以上结果均表明，废弃泥浆具有组成颗粒粒径小、含水量高、碱性强、自然脱水难度大的特征，需要选择合适的调理剂对泥浆进行絮凝调理。

使用单一有机絮凝剂PAM对建筑泥浆进行调理，测定泥浆的沉降曲线和污泥比阻，结果见图2和图3。原始泥浆沉降速率缓慢，150 min时沉降比为89%，且仍呈现继续沉降的趋势。这反映出建筑泥浆沉淀性能差、自然脱水困难的特性。使用PAM能一定程度提高泥浆的沉降速率，最适宜的投加量为100 mg·kg⁻¹，150 min时沉降比为86.5%。投加300 mg·kg⁻¹ PAM时，150min时泥浆的沉降比仅为92%。这说明过多的投加PAM对泥浆沉淀起到抑制作用。污泥比阻的测定结果也表明，投加100 mg·kg⁻¹ PAM时泥浆的污泥比阻最小，达到了5.54×10¹⁰ cm·g⁻¹。继续投加对污泥比阻的降低无效果，甚至污泥比阻呈现上升趋势。这是由于PAM为无机高分子絮凝剂，溶于水呈胶状，起到吸附架桥和电中和作用，投加量合适时能够絮凝泥浆中颗粒形成大颗粒沉淀。但是，PAM投加过多时，会发生有机高分子絮凝剂对泥浆颗粒的包裹作用，导致粘土颗粒受保护而稳定分散，不利于絮凝沉淀；另外，多余的有机高分子絮凝剂会溶解在水中增加水的粘度，这些均不利于泥浆脱水^[16]。高宇等^[11]在实验过程中也发现，APAM投加过量时泥浆液开始发黏，絮凝剂架桥作用无法实现。因此，PAM最适宜的投加量为100 mg·kg⁻¹，此时泥浆的污泥比阻降低了12%，150min时泥浆沉降比仅降低了2.5%。单一PAM调理泥浆对泥浆脱水效果的提升作用有限，需要配合无机调理剂使用。

开展PAM+PAC、PAM+PFC、PAM+FeCl₃和PAM+磷石膏复合调理剂调理建筑泥浆室内实验，并对泥浆沉降效果进行测定，结果见图4。不添加药剂调理泥浆时，泥浆沉降速率缓慢。添加絮凝剂PAM和无机絮凝剂的复合调理剂后，泥浆沉降速率显著提高，最高沉降比可达75%。各实验组泥浆沉降速率均呈现先快后慢的趋势，PAM+PAC和PAM+PFC实验组在150 min时基本达到稳定。絮凝剂对泥浆中胶体粒子主要有压缩双电层作用、吸附电中和作用、吸附架桥作用和网捕作用，能够快速聚集小颗粒泥浆颗粒成大颗粒聚团，提高沉降速率。但是，PAM+FeCl₃和PAM+磷石膏实验组在150 min时仍旧呈现缓慢沉降趋势。这说明未完全沉淀，相对比而言，PAC和PFC对于泥浆沉降效率的提升更优。随着酸性无机絮凝剂PAC、PFC和FeCl₃投加量的增加，泥浆沉降速率越快。这说明PAC、PFC、和FeCl₃对絮凝剂PAM的沉降效果均有很好的协同促进作用。但是，PAM+磷石膏实验组中，随着磷石膏用量的增加，泥浆沉降速率相差不大，且反而略有降低。这说明磷石膏的掺入对于泥浆沉降起到抑制作用。磷石膏为难溶性的无机粉末，掺入泥浆中导致泥浆含固量增加，低含水率泥浆中固体颗粒接触紧密，沉降速率较慢。

对比不同药剂实验组150 min时的沉降比，可以发现，PAM+PFC复合调理剂在PFC投加量为30 g·kg⁻¹时沉降比最小，达到了75%，泥浆沉降效果最好。其次为PAC和FeCl₃，使用磷石膏的实验组沉降效果最差。因此，根据泥浆沉降实验的结果选择PAM+PFC复合调理剂作为建筑泥浆调理剂最优。所有实验组的结果也表明，添加絮凝剂后泥浆沉降时间均较长，沉降后泥浆仍旧呈流动态，含水率大于80%，采用絮凝沉降脱水工艺处置建筑泥浆效果有限。

污泥比阻大小能够直观反映泥浆机械脱水的难易。从图5可以看出，原始泥浆的污泥比阻高达6.25×10¹⁰ cm·g⁻¹，属于难过滤泥浆，直接采用机械脱水工艺进行处置效率较低。掺入絮凝剂后，各实验组泥浆的污泥比阻均显著降低，且随着酸性无机调理剂投加量的增加而下降。这说明PAC、PFC、FeCl₃和磷石膏对于泥浆脱水效果的提升有一定促进作用。其中，PAM+PFC复合调理剂实验组污泥比阻最低。PFC投加30 g·kg⁻¹用量后，污泥比阻降低至3.38×10¹⁰ cm·g⁻¹，相对于原始泥浆的污泥比阻降低了46%；其次为PAM+FeCl₃复合调理剂，FeCl₃投加30 g·kg⁻¹用量后，污泥比阻降低至3.99×10¹⁰ cm·g⁻¹，相对于原始泥浆降低了36%。使用PAM+磷石膏调理剂的实验组污泥比阻降低效果最差，这主要是由于磷石膏对泥浆脱水效果的提升主要在于磷石膏颗粒能够为泥浆脱水提供矿物骨架，营造孔隙通道，相对于PAC和PFC具有的电中和、吸附架桥作用效果的特性，效果有限。根据污泥比阻测定结果，选用PAM+PFC复合调理剂对废弃泥浆进行调理最优，且PFC用量越多，效果越好。经过调理后泥浆的污泥比阻降低，可采用机械脱水方式进行高效处置。

废弃泥浆的高碱性问题是其最主要的环境风险。对不同调理剂调理后尾水和泥饼的pH值进行了测定，结果见图6。FeCl₃、PFC和PAC碱中和能力较强，在投加量为30 g·kg⁻¹的用量下，尾水pH分别降低至6.47、7.48和8.38。磷石膏中和能力差，投加30 g·kg⁻¹用量时尾水pH仅下降0.76。泥浆的碱性组分主要为碳酸钠外加剂，FeCl₃溶于水后，Fe³⁺首先与CO$_3^{2{\rm{ - }}} $发生反应(2)。

反应过程中产生的CO₂溶于水呈酸性，从而降低了泥浆的pH；多余的Fe³⁺还会水解，生成大量H⁺。PFC和PAC水解程度弱于无机盐混凝剂FeCl₃，溶于水后首先发生部分水解，在泥浆中产生部分游离的Al³⁺和Fe³⁺；随后，游离的Fe³⁺和Al³⁺分别与泥浆中CO$_3^{2{\rm{ - }}} $发生反应（2）和反应（3）。

该反应产生的CO₂降低了泥浆的pH，同时消耗掉溶液中Al³⁺和Fe³⁺，进一步促进了PAC和PFC水解。由于Al³⁺水解程度比Fe³⁺小，PAC中和碱性能力弱于PFC。磷石膏主要成分是二水硫酸钙，还含有少量的磷酸、有机物等杂质，提供酸的能力弱。泥饼pH变化规律与尾水pH变化趋势一致，但是，泥饼pH总体低于尾水，其原因是Fe³⁺和Al³⁺更多沉积于泥饼中，能够对泥饼中碱性组分发挥长期的中和作用。根据《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)^[17]和《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T 18920-2020)^[18]中的限值要求，尾水排放或回用的pH应满足6~9的限值要求，因此，PAC、PFC及FeCl₃的最低投加量为30、20和20 g·kg⁻¹，磷石膏不满足使用要求。

PAC、PFC及FeCl₃含有铁、铝、氯化物等组分，磷石膏杂质含量较多，使用过多的药剂对泥浆进行调理也可能存在环境污染风险。对无机调理剂投加量为20 g·kg⁻¹的各组调理剂使用后尾水中污染物含量的测定，结合《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)^[17]和《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T 18920-2020)^[18]对各指标进行比较，结果见表3。使用PAM+PAC、PAM+PFC和PAM+磷石膏复合调理剂后，尾水中污染物含量均达到限值要求。由于PAC为铝系絮凝剂，使用后会导致尾水中Al含量略有升高，但是在安全范围之内。使用PFC虽然会导致尾水中Fe含量升高，投加量在20 g·kg⁻¹以内不会超过标准限值(0.3 mg·L⁻¹)。而使用PAM+FeCl₃复合调理剂后，尾水中Fe和Cl^-含量较高，分别达到了0.34和465.8 mg·L⁻¹。其主要原因是FeCl₃投加量过大，部分游离的铁离子和氯离子进入尾水。因此，从环保角度考虑，PAM+FeCl₃复合调理剂不适用。

为进一步分析各药剂对建筑泥浆脱水性能提升的作用机理和对泥饼理化性质的影响，对各组药剂作用下的泥饼进行了SEM和XRD分析。空白组泥饼的SEM微观图像(图7(a))显示，泥饼组成主要为5 μm以下细小颗粒物，颗粒之间较为分散。这表明泥浆颗粒之间存在一定的排斥力。废弃泥浆是一种稳定的粘土-水胶体分散体系，粘土颗粒间存在静电斥力、溶剂化膜斥力，所以建筑泥浆难以自然沉淀脱水^[19]。使用PAM+PAC、PAM+PFC和PAM+FeCl₃复合调理剂调理后，泥饼的SEM图像(图7(b)~图7(d))中颗粒物粒径明显增加，颗粒之间接触更为紧密，且PAM+FeCl₃实验组泥饼颗粒堆积最为致密。有机絮凝剂PAM为高分子聚合物，分子结构呈链状，低浓度的聚丙烯酰胺溶液会形成网状结构，通过吸附架桥作用和网捕作用的方式聚集泥浆颗粒形成聚团，以提高固液分离程度^[20]。PAC和PFC分别为铝系和铁系无机高分子絮凝剂，溶于水后产生多核羟基络合物，与土颗粒发生氢键吸附和静电吸引，具有吸附架桥和电中和作用特性^[21]。FeCl₃为无机絮凝剂，溶于水后水解迅速，生成含铁羟基络合物，降低泥浆胶体的ζ电位，通过电中和作用聚集土颗粒^[22-23]。有机絮凝剂PAM与无机调理剂配合使用，结合了有机絮凝剂的吸附架桥、网捕作用和无机调理剂的电中和、压缩双电层作用，协同强化土颗粒聚沉，导致泥饼颗粒组成粒径增加，有利于排出细颗粒之间的毛细水和吸附水，从而提升脱水效率^[24]。使用PAM+磷石膏复合调理剂的泥饼SEM图像(图7(e))中存在部分5 μm以下细小颗粒物，同时也存在大的长条状矿物晶体，说明泥浆中细颗粒组分未絮凝团聚完全，且磷石膏中的矿物掺入到泥浆中。大粒径的无机矿物组分掺入到泥浆中，能够为泥浆脱水提供矿物骨架，营造孔隙通道，利于水分排出。

EDS能谱能够半定量的表征泥饼中各元素的占比。从测定结果(表4)可以看出，使用PAM+PAC复合调理剂后，泥饼中铝元素占比提高了5.95%。这是由于PAC中铝元素沉积在泥饼中。使用PAM+PFC和PAM+FeCl₃后，泥饼中铁元素占比分别提高了5.21%和6.99%。这表明PFC和FeCl₃中的铁元素沉积在泥饼中。同时，PAM+FeCl₃实验组中泥饼的氯元素质量分数提升了1.51%。这说明三氯化铁中的存在部分氯离子沉积在泥饼中，其原因是氯离子被粘土矿物吸附。使用PAM+磷石膏复合调剂后，泥饼中钙元素占比升高了7.40%，硫元素占比提升了2.72%。这表明磷石膏中的硫酸钙沉积在泥饼中。调理剂使用后，大部分沉积于泥饼中，对泥饼的物质组成产生了较大影响。

如XRD谱图(图8)所示，原始泥浆中主要矿物组成为石英、碳酸钙、伊利石、高岭石和蒙脱石。这是由于建筑泥浆主要是由膨润土掺水配制，施工过程中的机械搅拌作用导致泥浆混入了地层中的粘土、砂砾等沉积物。膨润土的主要矿物组成为蒙脱石，施工地层沉积物主要为粉质黏土、粉细砂、粗砂和强风化粉砂质泥岩，主要含有石英、碳酸钙、伊利石、高岭石等矿物相。使用PAM+PAC、PAM+PFC和PAM+FeCl₃药剂调理泥浆后，泥饼的XRD谱图没有明显差异。其原因是加入土壤中的铝系、铁系絮凝剂在泥饼中形成无定型的氢氧化物沉淀，没有明显的特征峰。铁铝(氢)氧化物在土壤中能够吸附固定氮、磷和重金属污染物，对土壤结构的稳定有重要作用，生态风险小^[25-26]。使用PAM+磷石膏复合调理剂调理泥浆后，XRD谱图存在明显的CaSO₄·2H₂O的特征峰，这是磷石膏的主要矿物组成。磷石膏能够作为肥料调节土壤肥力，但是应用过多会导致土壤重金属污染，需控制用量^[27]。

结合以上各组调理剂使用后建筑泥浆的沉降性能、污泥比阻、尾水酸碱性、尾水污染物含量和泥饼表征分析的结果，可以认为，使用PAM+PFC复合调理剂对建筑泥浆进行调理效果最好，PAM最适宜投加量为100 mg·kg⁻¹，PFC最适宜投加量为20 g·kg⁻¹。该复合调理剂的作用机理为：建筑泥浆含有膨润土、高岭石等大量粘土颗粒，泥浆颗粒之间相互排斥，难以自然沉淀脱水；PAM和PFC的电中和作用、吸附架桥和网捕作用，使得泥浆中细粒粘土颗粒聚集成大颗粒聚团，排出泥浆颗粒中的水分，泥浆污泥比阻降低46%。PFC中铁离子的水解作用产生的H⁺能够中和泥浆中的碱性物质，调节尾水pH至9以下。反应后PAM和PFC药剂沉积在泥饼中，尾水中污染物含量得到控制，能够达标排放。该复合调理剂既能提升泥浆的脱水性能，又能保证尾水达标排放，脱水产生的泥饼和尾水不会造成环境污染。

1)使用PAM+PFC复合调理剂对建筑泥浆调理效果最好，PAM和PFC的最适宜投加量分别为100 mg·kg⁻¹和20 g·kg⁻¹，最优配比下建筑泥浆沉降比降低17%，污泥比阻降低46%。

2)复合调理剂使用时，PAM和PFC的电中和作用、吸附架桥和网捕作用，使得泥浆中细粒粘土颗粒聚集成大颗粒聚团，排出泥浆颗粒中的水分。PFC能够有效中和泥浆碱性，保证尾水达标排放。