土工管袋在污泥脫水工程中的應用

由于土工織物材料能夠去除小顆粒，并具有透水特性，因此可以將其用于含有小顆粒的污水（重金屬污染底部泥漿、污泥、污泥等）的脫水工程。土工管袋脫水技術是一種新型的污泥脫水技術,具有快速、簡便、投資和運行費用低、適合應急處置等優點。通過不同形式、規模的污泥土工管袋脫水應用實踐,總結一些設計相關經驗,以補充理論及提供參考。1土工管袋脫水工藝系統基本組成土工管袋的脫水過程通常為:高含水率的泥漿經過管道輸送到土工管袋中,泥漿與絮凝劑混合以后在管袋內實現泥水分離,濃縮后的污泥以及污染物被截留在管袋內,廢水通過管袋的表面排出。土工管袋脫水過程中可同時添加有機物吸附劑以及重金屬穩定劑,在降低底泥含水率的同時,也可達到降低廢水中可溶性有機污染物含量、穩定底泥中重金屬的效果。土工管袋脫水工藝系統基本組成部分見圖1。每個單個系統的合理設計對于整個系統的安全、順利運行都是重要的保障,現分別從每個系統來說明設計細節以及注意事項。1.1管袋材質的確定其材質分為復合(帶狀)和單向高韌聚丙烯或聚酯纖維絲編織而成。管袋材質本身具有很高的強度,并且具有一定的滲透性,布袋充填后在布袋內部強大的壓力下可有效快速的排出水分并截留污泥中的固體顆粒。管袋材質的抗拉強度、滲透系數、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。依據先前的經驗,對于沙性污泥可采用表面等效孔徑較大(約為0.5mm)的管袋,對于組成顆粒細微的污泥則需要采用表面等效孔徑稍小(約為0.3mm)的管袋。管袋材質需要具有一定的抗拉強度及橫縱向延伸率,500h抗紫外線測試后材質強度需要達到原來的80%以上。但是各種污泥特性的各不相同,因此在正式工程實施前應該先分析污泥的粒徑分布情況,初步確定管袋材質等效孔徑,再取多種材質的管袋樣品進行小試,確定脫水效果最佳的管袋品種。某2家管袋生產廠的土工管袋材質參數示例見表1。1.2管袋的充填口長度通常脫水管袋的設計周長尺寸約為8~30m,設計的管袋越大(周長尺寸越大),管袋的充填容積也越大,同時污泥脫水的周期也會增加。管袋的長度可以依據脫水場地的大小靈活設定。在國外多個大型脫水項目中的管袋設計周長為27m,長度為30~60m不等。但是長度不宜過長,長度過長時,充填時管袋在水平方向上保持平直會比較困難,管袋擺動移位后會降低其內部有效容積,并且會占用額外的脫水場地空間。管袋充填口的直徑在設計中常采用0.2~0.4m,充填口的袖口長度采用0.5~1.0m。管袋充填口數量的設置依據經驗通常為每間隔15~20m為1個,不宜過多或過少。充填口過多會影響管袋的自身強度,充填口過少會影響充填時管袋的平整及均勻程度,影響管袋的穩定性。土工管袋外形示意見圖2。土工管袋也可以依據脫水場地的情況做成各種尺寸的布袋,對于脫水污泥量較小且脫水后污泥需要外運的情況下,可根據運輸車輛的大小,做成可直接放置于車斗內的尺寸,污泥脫水以后,無需吊裝、倒運,可直接用拖車拉走。若污泥脫水管袋設計為多層堆疊,則上層管袋需要比下層管袋在長度方向短5~10m,以保證上層管袋在充填過程中的穩定性。1.3管袋充填固結增強受力分析土工管袋在充填過程中會主要在3個方向受到作用力,具體見圖3。沿管袋長度方向的張力[T]a,沿管袋周長方向的張力[T]c,,充填口與管袋連接處的拉力[T]p。充填以后的土工管袋沿周長方向的受力見圖4。通過受力分析可以得知[Tmax]a與[Tmax]c有如下關系:[Tmax]a=0.63[Tmax]c,[T]p的大小和充填壓力、充填口的形狀以及充填高度有關系,通過估計計算,[Tmax]有肯能會達到管袋周長方向頂部受力值的2~3倍。詳細受力分析過程可以參見參考文獻。所以,在土工管袋充填過程中,充填口與管袋的連接口是比較薄軟的環節之一,在設計加工充填口時不宜設計直徑過大的充填口,以20~30cm的孔徑為宜,其形狀可為圓形或者橢圓形。生產廠家在加工的時候需要采用額外的方式,例如多層材料疊加縫合的方式來增加充填口連接處的強度。1.4管袋4縫接縫土工管袋產品是由多條土工機織布縫制而成,縫制方式以及充填口的數量也是影響其自身強度以及充填穩定性、安全性的重要因素。管袋縫制方式有接縫沿管袋長度方向和接縫沿管袋周長方向2種,示意見圖5。由于土工管袋在充填中,從管袋中心向管袋圓周方向的受力最大,所以管袋接縫沿周長方向的縫制方式在受力中較優,通常管袋都設計成這種縫制方式。在實際工程應用過程中,圖5中(b)的縫合方式的管袋安全性也較好。1.5最大充填高度的確定管袋的最大充填高度是保證土工管袋安全充填的重要參數,管袋被充填達到最大充填高度以后就要停止充填,管袋經過一段時間的脫水并塌落到穩定的高度后,完成1個充填周期,然后繼續開始下一次充填。管袋的最大充填高度主要與管袋的周長成比例,相關文獻中出現的計算公式如下:式中:Hmax為最大充填高度;C為管袋周長。但是不同種類土工機織布的單位克重、抗拉強度、材料的延伸率都不盡相同,僅依靠上述公式來計算最大充填高度,明顯不太合理。為了保證管袋在充填時更高的安全系數,通常土工管袋設定的最大安全充填高度數值都較公式計算的數值要小很多。由于涉及到的因素參數過多,所以管袋最大充填高度的通常依據工程應用實施經驗來設定,或者依據專門生產廠家提供的公式來計算。實例應用中管袋的最大充填高度的經驗數據:當管袋材質單位質量≥500g/m2,Hmax≈0.1C;當管袋材質單位質量在400~500g/m2,Hmax≈0.08C。以下提供某國外品牌的管袋產品的力學指標及生產廠家提供的指導最大充填高度,并與國內的類似產品作了比較,見表2。通常為了保證充填的安全性,國內同類產品的充填高度較國外產品略低,對于本文中依據管袋周長的大小來推算最大充填高度的方法可以在設計過程中參考,但是不同產品具體的最大充填高度最終還要參考產品生產廠家提供的安全充填高度數值。管袋通常經過7~8個周期的充填后即可達到要求,底泥最終干化后管袋的高度可以達到最大充填高度的80%左右,可以以此來計算充填完成后管袋內的泥量。1.6管袋的布置形式管袋需要依據脫水場地的形狀依次布置,單個管袋的長度依據場地尺寸來設計。由于場地面積有限等限制原因,管袋需要多層堆疊充填污泥脫水時,管袋的布置形式通常有2種:依次排列布置形式和交錯排列布置形式,見圖6。圖6(b)中的布置形式,管袋的穩定性較好,但是實際操作過程中,管袋的擺放和固定操作過程較復雜。設計時采用交錯布置形式對于管袋的穩定性、保證管袋有效充填容積都有好處。2土工管袋脫水工程土工管袋應用于疏浚污泥脫水工程的案例在國外較多,在國內的應用僅限于較少的幾個項目,其中的幾個應用實例如下:12004年天津大沽河治理工程中,進行了土工管袋脫水應用的小試工程;22009年底在武漢沙湖的清淤施工中,對清淤淤泥采用了土工管袋脫水工藝;32009年深圳下坪垃圾填埋場污泥應急處置工程,應用了土工管袋進行