土工管袋應(yīng)用于污泥脫水的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

董 晶，梁佳斌

(1.中節(jié)能六合天融環(huán)?？萍加邢薰?，北京 100085;2.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300384)

土工管袋用于污泥脫水是向管袋內(nèi)充填大量高含水率污泥，在管袋內(nèi)部強(qiáng)大壓力下有效快速的排出水分并截留污泥中固體顆粒的過程。土工管袋材質(zhì)為復(fù)合 (帶狀)和單向高韌聚丙烯或聚酯纖維絲編織而成，材質(zhì)本身具有很高的強(qiáng)度，并且表面具有一定滲透性［1］。

高含水率污泥充填入土工機(jī)織布縫制的管袋中，同時(shí)配合使用穩(wěn)定劑、吸附劑等，可將污染物與污泥沉淀物一同截留在管袋中，達(dá)到同步脫水及去除部分污染物的效果［2］。對(duì)于包含細(xì)小顆粒物的高含水率的清淤底泥、河湖沉淀物、工業(yè)污泥，都可以使用土工織物管袋進(jìn)行高效的、低成本的脫水、固化過程。土工管袋脫水工藝系統(tǒng)基本組成部分如圖1。

圖1 土工管袋脫水工藝系統(tǒng)基本組成Fig.1 Composition of Geo-Tube dewatering system

1 土工管袋結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)物理參數(shù)

土工管袋外形通常為枕裝長(zhǎng)條形，脫水管袋的設(shè)計(jì)周長(zhǎng)尺寸為8～30m不等，設(shè)計(jì)的管袋越大(周長(zhǎng)尺寸越大)，管袋的充填容積也越大，同時(shí)污泥脫水的周期也會(huì)增加。在國(guó)外多個(gè)大型脫水項(xiàng)目中的管袋設(shè)計(jì)周長(zhǎng)為18～27m，長(zhǎng)度為30m～60m不等。

管袋材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度、滲透系數(shù)、抗紫外線性、表觀孔徑等能都是選擇脫水管袋過程中需要考慮的重要參數(shù)。依據(jù)先前的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于沙性污泥可采用表面等效孔徑較大 (約為0.5mm)的管袋，對(duì)于組成顆粒細(xì)微的污泥則需要采用表面等效孔徑稍小 (約為0.3mm)的管袋。管袋材質(zhì)需要具有一定的抗拉強(qiáng)度及橫縱向延伸率，具體強(qiáng)度需要依據(jù)管袋設(shè)計(jì)尺寸通過中試或以往經(jīng)驗(yàn)來確定。由于各種污泥特性的各不相同，因此在正式工程實(shí)施前應(yīng)該先分析污泥的粒徑分布情況，初步確定管袋材質(zhì)等效孔徑，再取多種材質(zhì)的管袋樣品進(jìn)行小試，確定脫水效果最佳的管袋品種。某兩廠家的土工管袋材質(zhì)參數(shù)示例如下表。

表 管袋材質(zhì)指標(biāo)參數(shù)Tab.Material parameters of Geo-Tube

2 土工管袋污泥脫水實(shí)施步驟及注意事項(xiàng)

2.1 工程實(shí)施前相關(guān)小試、中試

由于不同地域、不同類型的污泥組份以及粒徑分布類型千差萬別，所以在工程實(shí)施前需要進(jìn)行小試試驗(yàn)，來選定工程實(shí)施中需要的土工管袋、絮凝劑以及其他輔助藥劑的類型。

首先，進(jìn)行絮凝劑的篩選，通常選用陽離子型聚丙烯酰胺 (PAM)，也可選PAM和聚鋁配合使用。選擇好不同類型的PAM試劑，投加到調(diào)制好的試驗(yàn)污泥中，在相同的條件下分別進(jìn)行絮凝脫水燒杯實(shí)驗(yàn)，記錄絮凝劑的配制時(shí)間、濃度、添加量以及形成絮體的大小和穩(wěn)定性等數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析和比較，選出能使污泥快速形成大塊絮體、脫水效果良好且添加量少的絮凝劑。

然后是管袋污泥脫水小試，進(jìn)行污泥脫水的吊袋以及枕袋試驗(yàn)［3］:使用選定的絮凝劑按比例添加到污泥中并完成絮凝過程，然后灌注到實(shí)驗(yàn)樣袋中，記錄灌注量、脫水量與時(shí)間關(guān)系、出水濁度等數(shù)據(jù)［1］，通過數(shù)據(jù)比較選出脫水效果最佳的土工管袋［4］。土工管袋吊袋和枕袋脫水小試實(shí)驗(yàn)的照片如圖2、圖3。

圖2 吊袋小試試驗(yàn)Fig.2 Hunging-bag test

圖3 枕袋小試試驗(yàn)Fig.3 Pillow-bag test

最后，按照選定材質(zhì)，制作中試規(guī)模或者全設(shè)計(jì)尺寸的土工管袋，制作相對(duì)簡(jiǎn)單的場(chǎng)地并設(shè)置疏浚和排水管道，進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)［5］。通過生產(chǎn)性試驗(yàn)來驗(yàn)證選型的效果，并發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的問題，及時(shí)作出調(diào)整。

2.2 脫水場(chǎng)地準(zhǔn)備及注意事項(xiàng)

土工管袋脫水場(chǎng)地的用途是收集排放污水，并防止污染擴(kuò)散。脫水場(chǎng)地的設(shè)計(jì)對(duì)于滲濾液的順利排出至關(guān)重要，通常脫水場(chǎng)地需要設(shè)置防滲層、滲濾排水層、排水花管、排水溝、集水坑、排水水泵等結(jié)構(gòu)，場(chǎng)地結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖4所示。

圖4 脫水場(chǎng)地剖面示意1Fig.4 Cross-section of dewatering field 1

防滲層可依據(jù)污泥的污染程度來選定，污泥污染程度較輕或者無污染的情況下可以采用較為簡(jiǎn)易的防滲材料制作防滲層。對(duì)于污泥污染較重或者是受重金屬污染污泥的脫水，則需要制作較為正式的防滲層［6］。

底部的防滲層向排水溝方向需要有一定的坡度，以保證水的順利排出。滲濾排水層通常使用卵石或者碎石當(dāng)作填充物，但是滲濾排水層的頂部需要找水平，不能有坡度存在，否則管袋在充填過程中會(huì)傾斜滾動(dòng)?；蛘吲潘畬禹敳啃枰蓤?chǎng)地兩側(cè)向中央設(shè)置較小的坡度，然后由場(chǎng)地中央開始充填第一個(gè)管袋，再依次往兩側(cè)分別充填其他管袋，這樣可以使中心線兩側(cè)的管袋可以順著場(chǎng)地的坡向往中間靠攏，保證每個(gè)充填好的管袋之間緊密結(jié)合，避免管袋之間間隙的存在而浪費(fèi)場(chǎng)地空間，示意圖如圖5。管袋脫水區(qū)，需要在場(chǎng)邊以及內(nèi)部設(shè)置通行便道，以方便操作工人在進(jìn)行管袋脫水、閘閥開啟關(guān)閉、檢修維護(hù)時(shí)行走通過。

圖5 脫水場(chǎng)地剖面示意2Fig.5 Cross-section of dewatering field 2

2.3 管袋的布置、固定及充填操作

脫水場(chǎng)地內(nèi)管袋布置可以為一層，也可以為多層。多層布置時(shí)，應(yīng)該在下層管袋達(dá)到干化要求后再進(jìn)行上層管袋的充填［7］。

管袋充填應(yīng)該從場(chǎng)地中心開始第一個(gè)，第一個(gè)充填完成之后再逐漸往兩邊延伸。第一條管袋的充填尤其重要，因?yàn)槠湓诔涮钸^程中偏移，就會(huì)影響后續(xù)管袋的充填位置。管袋充填以前需要使用無伸縮性的繩子來固定，在進(jìn)行上層管袋的固定時(shí)，要額外的注意，剛開始充填時(shí)需要加強(qiáng)加密對(duì)管袋的固定，如果固定不牢，管袋有可能從上層滑落，則會(huì)造成不必要的意外與損失。

污泥通過干管分流至支管，然后充灌入土工管袋，每條支管都需要設(shè)置獨(dú)立的閘門。管袋充填操作時(shí)需要專門的人員負(fù)責(zé)測(cè)量管袋的充填高度以及控制閘門的開關(guān)，在管袋達(dá)到最大高全充填高度時(shí)，一定要及時(shí)關(guān)閉充填該管袋支管的閘門，以確保管袋的安全，如圖6。

圖6 系統(tǒng)管路連接Fig.6 Pipe system

管袋充填過程中需要操作人員使用非尖銳工具定期敲擊或者振動(dòng)管袋表面，加快脫水過程，并且同時(shí)檢查管袋表面是否有破損，如有破損處，則需停止充填并及時(shí)修復(fù)，如圖7。

圖7 管袋加速脫水Fig.7 Geo-Tube dewatering

管袋充填有單口充填及同一管袋多口同時(shí)充填兩種方式。單口充填時(shí)，管袋局部充填完成后，需要關(guān)閉支管閘閥，再移動(dòng)充填支管連接至另外的充填口，閘閥關(guān)閉后在支管中聚集的大量泥水會(huì)讓其移動(dòng)起來非常困難，且更換充填口時(shí)泄漏的污泥也會(huì)對(duì)操作工人健康造成潛在的危害。對(duì)一條管袋多口同時(shí)充填時(shí)，管袋的每個(gè)充填口都同時(shí)與各支管連接，閥門控制，此時(shí)充填連接支管數(shù)量較多，閘閥開關(guān)管理難度增大，但同一條管袋多口同時(shí)充填，可以保證管袋內(nèi)部充填物的均勻性，并且可以避免因更換充填口而對(duì)工人健康造成的危害。因此，管袋的多口同時(shí)充填是工程實(shí)施中安全高效的方式。

2.4 多層充填管袋穩(wěn)定性注意事項(xiàng)

在多種情況的施工過程中，出于穩(wěn)定性以及節(jié)省空間、節(jié)省投資的考慮，需要對(duì)土工管袋進(jìn)行多層堆疊充填。多層堆疊脫水時(shí)需要下層管袋已經(jīng)完成充填及脫水固化過程，然后進(jìn)行上層管袋的充填與脫水。

上層管袋要放置于下層兩個(gè)已完成充填的管袋中間，以保證穩(wěn)定性，如圖8所示。上層管袋在充填時(shí)會(huì)在下層兩個(gè)管袋的間隙部分產(chǎn)生一定的塌陷，該部分會(huì)產(chǎn)生較高的局部壓力［8］(如圖8中所示)。該部分是管袋充填中的整個(gè)管袋的薄弱點(diǎn)［9］之一，解決辦法是可以在兩個(gè)充填完成的管袋之間的V型空隙填充柔性填充物 (如圖9所示)，來保證上層管袋充填時(shí)所需底部平面的平整性。

圖8 多層管袋堆疊Fig.8 Multilayered Geo-Tube

圖9 縫隙填充Fig.9 Gap filling

在多層管袋堆疊脫水時(shí)，下層管袋會(huì)受到上層管袋的壓力，所以下層管袋的穩(wěn)定性以及下層管袋中污泥脫水固化的完成情況至關(guān)重要。下層管袋在充填過程中出現(xiàn)排列不整齊，管袋中污泥脫水固化不完全的情況下，進(jìn)行上層管袋的充填，會(huì)導(dǎo)致上層管袋的穩(wěn)定性變差 (管袋充填中變形)，管袋局部壓力異常增加，管袋有效脫水容積降低等問題，最終有可能產(chǎn)生安全問題。

因此保證下層充填好管袋的平整、管袋之間依靠緊密以及管袋中脫水后的污泥含水率達(dá)到設(shè)計(jì)要求都至關(guān)重要。通常管袋中脫水后的污泥含水率標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到50%，即可認(rèn)為該管袋底泥的脫水固化過程基本完成。

2.5 管袋充填時(shí)可能爆裂情況分析及預(yù)防

土工管袋在充填污泥泥漿的過程中，需要多次間歇充填，由于多種原因，管袋的某個(gè)部分可能會(huì)可能會(huì)破損，破損處就會(huì)成為薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)管袋內(nèi)充填壓力較大時(shí)，管袋有可能從破損的薄弱環(huán)節(jié)處撕裂，管袋中充填的帶壓泥漿會(huì)瞬間從撕裂處噴涌而出，具有很大的危險(xiǎn)性。

現(xiàn)結(jié)合實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)以及破壞性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，分析充填泥漿過程中可能出現(xiàn)的管袋爆裂形式:

(1)當(dāng)充填管袋底部不平整時(shí)，管袋長(zhǎng)度一端的接縫處承受著沿圓周方向和沿管袋長(zhǎng)度方向的張力，管袋可能從該接縫處產(chǎn)生撕裂，如圖10a處虛線所示。

(2)管袋充填時(shí)會(huì)有輸送污泥的連接硬管與充填口相連，在充填壓力作用下，連接硬管會(huì)頻繁擺動(dòng)與起伏，由此會(huì)引起管袋連接口處的管袋破損(圖10b處)，充填高度較高時(shí)，管袋會(huì)在沿周長(zhǎng)方向作用力的作用下，沿管袋頂部撕裂，圖10b處虛線所示。

圖10 管袋爆裂位置示意Fig.10 The breaking position of Geo-Tube

要保證充填過程中的安全性，避免管袋破損造成損失，首先要保證充填管袋底部的平整性，嚴(yán)格控制管袋充填最大安全高度。定期檢查充填口邊的管袋是否有破損，發(fā)現(xiàn)破損立刻在非充填脫水間隙進(jìn)行修補(bǔ)。

2.6 系統(tǒng)控制注意事項(xiàng)

整個(gè)管袋充填過程分為疏浚 (泵送污泥)系統(tǒng)、絮凝劑制備系統(tǒng)、脫水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等。為減少勞動(dòng)強(qiáng)度，各個(gè)系統(tǒng)需要加強(qiáng)各自的自動(dòng)控制程度。由于管袋的脫水過程需要指定各個(gè)系統(tǒng)的專職人員控制，所以各個(gè)系統(tǒng)之間需要高度的協(xié)調(diào)配合、同時(shí)運(yùn)作。整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)由總控制部門發(fā)布命令，同時(shí)每個(gè)系統(tǒng)都需要有專門的控制團(tuán)隊(duì)，每個(gè)系統(tǒng)操作控制主管都要服從總系統(tǒng)指揮控制部門的命令。這樣整個(gè)系統(tǒng)才能協(xié)調(diào)運(yùn)作、順利運(yùn)行、確保安全，當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，主管人員需要立即向總控制部門報(bào)告，由總控制部門向其他各個(gè)系統(tǒng)發(fā)布命令，依次停止，直到問題排除后再重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行前需要做好操作人員培訓(xùn)以及安全教育，操作時(shí)需要做好操作記錄，以及換班人員工作交接，并做好特殊情況應(yīng)急預(yù)案，保證項(xiàng)目的順利實(shí)施以及操作人員的人生健康與安全。

2.7 脫水后污泥及管袋的最終處置

管袋中的污泥脫水后達(dá)到設(shè)計(jì)的含水率目標(biāo)后，土工管袋可直接原位覆土填埋，堆疊放置的土工管袋可起到土層穩(wěn)固的作用，其原理類似市政道路修建中添加的加筋土工布。管袋中脫水后污泥需要異位處理時(shí)，就需要使用施工機(jī)械將土工管袋破袋，將破碎的管袋與污泥一同外運(yùn)填埋或者焚燒。

3 國(guó)內(nèi)相關(guān)案例

土工管袋在國(guó)外應(yīng)用于疏浚污泥脫水工程的案例較多，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用僅限于較少的幾個(gè)項(xiàng)目，其中的幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例如下:

2004年天津大沽河治理工程中，進(jìn)行了土工管袋脫水應(yīng)用的小試工程;

2009年底在武漢沙湖的清淤施工中，對(duì)清淤淤泥采用了土工管袋脫水工藝;

2009年深圳下坪垃圾填埋場(chǎng)污泥應(yīng)急處置工程［10］，應(yīng)用了土工管袋對(duì)污泥脫水處理。

4 結(jié)語

土工管袋的運(yùn)行過程是多個(gè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合、共同運(yùn)作的過程，每個(gè)系統(tǒng)的順利運(yùn)行都是至關(guān)重要的。對(duì)于土工管袋應(yīng)用于污泥脫水方面，很多的操作細(xì)節(jié)對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目的成敗、系統(tǒng)運(yùn)行效率的提高以及成本控制都會(huì)產(chǎn)生重大影響，因此需要不斷地在實(shí)際工程中摸索、積累操作經(jīng)驗(yàn)。

由于該類型項(xiàng)目每個(gè)項(xiàng)目各自的特殊性，因此具體的項(xiàng)目還需要依據(jù)實(shí)際的內(nèi)外部情況來調(diào)整、選定適合自身的設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)施操作方法。

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