土工管袋应用于污泥脱水的工程实践经验

董 晶，梁佳斌

(1.中节能六合天融环保科技有限公司，北京 100085;2.中铁第五勘察设计院集团有限公司，天津 300384)

土工管袋用于污泥脱水是向管袋内充填大量高含水率污泥，在管袋内部强大压力下有效快速的排出水分并截留污泥中固体颗粒的过程。土工管袋材质为复合 (带状)和单向高韧聚丙烯或聚酯纤维丝编织而成，材质本身具有很高的强度，并且表面具有一定渗透性［1］。

高含水率污泥充填入土工机织布缝制的管袋中，同时配合使用稳定剂、吸附剂等，可将污染物与污泥沉淀物一同截留在管袋中，达到同步脱水及去除部分污染物的效果［2］。对于包含细小颗粒物的高含水率的清淤底泥、河湖沉淀物、工业污泥，都可以使用土工织物管袋进行高效的、低成本的脱水、固化过程。土工管袋脱水工艺系统基本组成部分如图1。

图1 土工管袋脱水工艺系统基本组成Fig.1 Composition of Geo-Tube dewatering system

1 土工管袋结构形式及材质物理参数

土工管袋外形通常为枕装长条形，脱水管袋的设计周长尺寸为8～30m不等，设计的管袋越大(周长尺寸越大)，管袋的充填容积也越大，同时污泥脱水的周期也会增加。在国外多个大型脱水项目中的管袋设计周长为18～27m，长度为30m～60m不等。

管袋材质的抗拉强度、渗透系数、抗紫外线性、表观孔径等能都是选择脱水管袋过程中需要考虑的重要参数。依据先前的经验，对于沙性污泥可采用表面等效孔径较大 (约为0.5mm)的管袋，对于组成颗粒细微的污泥则需要采用表面等效孔径稍小 (约为0.3mm)的管袋。管袋材质需要具有一定的抗拉强度及横纵向延伸率，具体强度需要依据管袋设计尺寸通过中试或以往经验来确定。由于各种污泥特性的各不相同，因此在正式工程实施前应该先分析污泥的粒径分布情况，初步确定管袋材质等效孔径，再取多种材质的管袋样品进行小试，确定脱水效果最佳的管袋品种。某两厂家的土工管袋材质参数示例如下表。

表 管袋材质指标参数Tab.Material parameters of Geo-Tube

2 土工管袋污泥脱水实施步骤及注意事项

2.1 工程实施前相关小试、中试

由于不同地域、不同类型的污泥组份以及粒径分布类型千差万别，所以在工程实施前需要进行小试试验，来选定工程实施中需要的土工管袋、絮凝剂以及其他辅助药剂的类型。

首先，进行絮凝剂的筛选，通常选用阳离子型聚丙烯酰胺 (PAM)，也可选PAM和聚铝配合使用。选择好不同类型的PAM试剂，投加到调制好的试验污泥中，在相同的条件下分别进行絮凝脱水烧杯实验，记录絮凝剂的配制时间、浓度、添加量以及形成絮体的大小和稳定性等数据。通过数据分析和比较，选出能使污泥快速形成大块絮体、脱水效果良好且添加量少的絮凝剂。

然后是管袋污泥脱水小试，进行污泥脱水的吊袋以及枕袋试验［3］:使用选定的絮凝剂按比例添加到污泥中并完成絮凝过程，然后灌注到实验样袋中，记录灌注量、脱水量与时间关系、出水浊度等数据［1］，通过数据比较选出脱水效果最佳的土工管袋［4］。土工管袋吊袋和枕袋脱水小试实验的照片如图2、图3。

图2 吊袋小试试验Fig.2 Hunging-bag test

图3 枕袋小试试验Fig.3 Pillow-bag test

最后，按照选定材质，制作中试规模或者全设计尺寸的土工管袋，制作相对简单的场地并设置疏浚和排水管道，进行生产性试验［5］。通过生产性试验来验证选型的效果，并发现出现的问题，及时作出调整。

2.2 脱水场地准备及注意事项

土工管袋脱水场地的用途是收集排放污水，并防止污染扩散。脱水场地的设计对于渗滤液的顺利排出至关重要，通常脱水场地需要设置防渗层、渗滤排水层、排水花管、排水沟、集水坑、排水水泵等结构，场地结构剖面示意图如图4所示。

图4 脱水场地剖面示意1Fig.4 Cross-section of dewatering field 1

防渗层可依据污泥的污染程度来选定，污泥污染程度较轻或者无污染的情况下可以采用较为简易的防渗材料制作防渗层。对于污泥污染较重或者是受重金属污染污泥的脱水，则需要制作较为正式的防渗层［6］。

底部的防渗层向排水沟方向需要有一定的坡度，以保证水的顺利排出。渗滤排水层通常使用卵石或者碎石当作填充物，但是渗滤排水层的顶部需要找水平，不能有坡度存在，否则管袋在充填过程中会倾斜滚动。或者排水层顶部需要由场地两侧向中央设置较小的坡度，然后由场地中央开始充填第一个管袋，再依次往两侧分别充填其他管袋，这样可以使中心线两侧的管袋可以顺着场地的坡向往中间靠拢，保证每个充填好的管袋之间紧密结合，避免管袋之间间隙的存在而浪费场地空间，示意图如图5。管袋脱水区，需要在场边以及内部设置通行便道，以方便操作工人在进行管袋脱水、闸阀开启关闭、检修维护时行走通过。

图5 脱水场地剖面示意2Fig.5 Cross-section of dewatering field 2

2.3 管袋的布置、固定及充填操作

脱水场地内管袋布置可以为一层，也可以为多层。多层布置时，应该在下层管袋达到干化要求后再进行上层管袋的充填［7］。

管袋充填应该从场地中心开始第一个，第一个充填完成之后再逐渐往两边延伸。第一条管袋的充填尤其重要，因为其在充填过程中偏移，就会影响后续管袋的充填位置。管袋充填以前需要使用无伸缩性的绳子来固定，在进行上层管袋的固定时，要额外的注意，刚开始充填时需要加强加密对管袋的固定，如果固定不牢，管袋有可能从上层滑落，则会造成不必要的意外与损失。

污泥通过干管分流至支管，然后充灌入土工管袋，每条支管都需要设置独立的闸门。管袋充填操作时需要专门的人员负责测量管袋的充填高度以及控制闸门的开关，在管袋达到最大高全充填高度时，一定要及时关闭充填该管袋支管的闸门，以确保管袋的安全，如图6。

图6 系统管路连接Fig.6 Pipe system

管袋充填过程中需要操作人员使用非尖锐工具定期敲击或者振动管袋表面，加快脱水过程，并且同时检查管袋表面是否有破损，如有破损处，则需停止充填并及时修复，如图7。

图7 管袋加速脱水Fig.7 Geo-Tube dewatering

管袋充填有单口充填及同一管袋多口同时充填两种方式。单口充填时，管袋局部充填完成后，需要关闭支管闸阀，再移动充填支管连接至另外的充填口，闸阀关闭后在支管中聚集的大量泥水会让其移动起来非常困难，且更换充填口时泄漏的污泥也会对操作工人健康造成潜在的危害。对一条管袋多口同时充填时，管袋的每个充填口都同时与各支管连接，阀门控制，此时充填连接支管数量较多，闸阀开关管理难度增大，但同一条管袋多口同时充填，可以保证管袋内部充填物的均匀性，并且可以避免因更换充填口而对工人健康造成的危害。因此，管袋的多口同时充填是工程实施中安全高效的方式。

2.4 多层充填管袋稳定性注意事项

在多种情况的施工过程中，出于稳定性以及节省空间、节省投资的考虑，需要对土工管袋进行多层堆叠充填。多层堆叠脱水时需要下层管袋已经完成充填及脱水固化过程，然后进行上层管袋的充填与脱水。

上层管袋要放置于下层两个已完成充填的管袋中间，以保证稳定性，如图8所示。上层管袋在充填时会在下层两个管袋的间隙部分产生一定的塌陷，该部分会产生较高的局部压力［8］(如图8中所示)。该部分是管袋充填中的整个管袋的薄弱点［9］之一，解决办法是可以在两个充填完成的管袋之间的V型空隙填充柔性填充物 (如图9所示)，来保证上层管袋充填时所需底部平面的平整性。

图8 多层管袋堆叠Fig.8 Multilayered Geo-Tube

图9 缝隙填充Fig.9 Gap filling

在多层管袋堆叠脱水时，下层管袋会受到上层管袋的压力，所以下层管袋的稳定性以及下层管袋中污泥脱水固化的完成情况至关重要。下层管袋在充填过程中出现排列不整齐，管袋中污泥脱水固化不完全的情况下，进行上层管袋的充填，会导致上层管袋的稳定性变差 (管袋充填中变形)，管袋局部压力异常增加，管袋有效脱水容积降低等问题，最终有可能产生安全问题。

因此保证下层充填好管袋的平整、管袋之间依靠紧密以及管袋中脱水后的污泥含水率达到设计要求都至关重要。通常管袋中脱水后的污泥含水率标准达到50%，即可认为该管袋底泥的脱水固化过程基本完成。

2.5 管袋充填时可能爆裂情况分析及预防

土工管袋在充填污泥泥浆的过程中，需要多次间歇充填，由于多种原因，管袋的某个部分可能会可能会破损，破损处就会成为薄弱环节。当管袋内充填压力较大时，管袋有可能从破损的薄弱环节处撕裂，管袋中充填的带压泥浆会瞬间从撕裂处喷涌而出，具有很大的危险性。

现结合实施现场的经验以及破坏性实验的结果，分析充填泥浆过程中可能出现的管袋爆裂形式:

(1)当充填管袋底部不平整时，管袋长度一端的接缝处承受着沿圆周方向和沿管袋长度方向的张力，管袋可能从该接缝处产生撕裂，如图10a处虚线所示。

(2)管袋充填时会有输送污泥的连接硬管与充填口相连，在充填压力作用下，连接硬管会频繁摆动与起伏，由此会引起管袋连接口处的管袋破损(图10b处)，充填高度较高时，管袋会在沿周长方向作用力的作用下，沿管袋顶部撕裂，图10b处虚线所示。

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

要保证充填过程中的安全性，避免管袋破损造成损失，首先要保证充填管袋底部的平整性，严格控制管袋充填最大安全高度。定期检查充填口边的管袋是否有破损，发现破损立刻在非充填脱水间隙进行修补。

2.6 系统控制注意事项

整个管袋充填过程分为疏浚 (泵送污泥)系统、絮凝剂制备系统、脱水系统、排水系统等。为减少劳动强度，各个系统需要加强各自的自动控制程度。由于管袋的脱水过程需要指定各个系统的专职人员控制，所以各个系统之间需要高度的协调配合、同时运作。整个运行系统由总控制部门发布命令，同时每个系统都需要有专门的控制团队，每个系统操作控制主管都要服从总系统指挥控制部门的命令。这样整个系统才能协调运作、顺利运行、确保安全，当某个系统出现问题时，主管人员需要立即向总控制部门报告，由总控制部门向其他各个系统发布命令，依次停止，直到问题排除后再重新启动系统。

整个系统运行前需要做好操作人员培训以及安全教育，操作时需要做好操作记录，以及换班人员工作交接，并做好特殊情况应急预案，保证项目的顺利实施以及操作人员的人生健康与安全。

2.7 脱水后污泥及管袋的最终处置

管袋中的污泥脱水后达到设计的含水率目标后，土工管袋可直接原位覆土填埋，堆叠放置的土工管袋可起到土层稳固的作用，其原理类似市政道路修建中添加的加筋土工布。管袋中脱水后污泥需要异位处理时，就需要使用施工机械将土工管袋破袋，将破碎的管袋与污泥一同外运填埋或者焚烧。

3 国内相关案例

土工管袋在国外应用于疏浚污泥脱水工程的案例较多，在国内的应用仅限于较少的几个项目，其中的几个应用实例如下:

2004年天津大沽河治理工程中，进行了土工管袋脱水应用的小试工程;

2009年底在武汉沙湖的清淤施工中，对清淤淤泥采用了土工管袋脱水工艺;

2009年深圳下坪垃圾填埋场污泥应急处置工程［10］，应用了土工管袋对污泥脱水处理。

4 结语

土工管袋的运行过程是多个子系统协调配合、共同运作的过程，每个系统的顺利运行都是至关重要的。对于土工管袋应用于污泥脱水方面，很多的操作细节对于整个项目的成败、系统运行效率的提高以及成本控制都会产生重大影响，因此需要不断地在实际工程中摸索、积累操作经验。

由于该类型项目每个项目各自的特殊性，因此具体的项目还需要依据实际的内外部情况来调整、选定适合自身的设计参数与实施操作方法。

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