董 晶，梁佳斌

(1.中節(jié)能六合天融環(huán)保科技有限公司，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條形，脫水管袋的設(shè)計(jì)周長尺寸為8～30m不等，設(shè)計(jì)的管袋越大(周長尺寸越大)，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。在國外多個(gè)大型脫水項(xiàng)目中的管袋設(shè)計(jì)周長為18～27m，長度為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)?；蛘呷O(shè)計(jì)尺寸的土工管袋，制作相對(duì)簡單的場(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)，管袋長度一端的接縫處承受著沿圓周方向和沿管袋長度方向的張力，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 國內(nèi)相關(guān)案例

土工管袋在國外應(yīng)用于疏浚污泥脫水工程的案例較多，在國內(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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