隧道施工廢水處理研究

周文哲

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043）

隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2020年全國鐵路營業(yè)里程將達(dá)到15 萬km，其中高速鐵路約3 萬km。在鐵路項(xiàng)目中，隧道工程所占的比例日益增加。隧道施工廢水主要來源于掌子面的鉆孔廢水，降塵、噴射混凝土及注漿產(chǎn)生的廢水以及機(jī)械維修漏油。廢水水質(zhì)一般呈弱堿性，含有高濃度懸浮物（Suspended Solid，SS），少量的化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、氨氮、石油類等污染物［1-2］。如果不進(jìn)行有效處理，勢必會(huì)對周圍的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染［3-7］。本文根據(jù)隧道所處地質(zhì)條件及廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，對施工廢水的處理工藝進(jìn)行總結(jié)，對提高廢水處理效率及節(jié)省工程投資具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 隧道施工廢水來源

隧道施工廢水主要來自2方面：

1）隧道穿越不良地質(zhì)單元時(shí)產(chǎn)生的涌水。涌水主要來自地下水，即孔隙水、裂隙水和巖溶水。該部分地下水水量大、水質(zhì)良好，達(dá)到隧道施工廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，如果施工過程中不被污染可以直接排放。但在現(xiàn)有的鐵路建設(shè)項(xiàng)目中，從襯砌出來的清水在排出隧道過程中極易被掌子面排出的廢水和機(jī)械泄露的油類污染。大部分隧道施工過程普遍沒有做到清污分流，襯砌出來的清水與掌子面施工產(chǎn)生的廢水混合在一起排出洞口。這樣直接導(dǎo)致要處理的水量增加，加大了工程投資及運(yùn)行成本。

2）鉆孔和爆破產(chǎn)生的廢水，爆破后降塵所產(chǎn)生的廢水，以及噴射混凝土和注漿產(chǎn)生的廢水。不同隧道因地層巖性的差異水質(zhì)會(huì)有較大的差異。相同的隧道也會(huì)因?yàn)楣て?、施工作業(yè)時(shí)間的變化以及隧道的突然涌水造成水質(zhì)和水量發(fā)生較大的變化。各種隧道施工廢水污染物均以SS 為主，還有少量的COD 及石油類污染物［8-9］。

2 國內(nèi)外隧道施工廢水處理研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)情況

隧道多處于地形復(fù)雜的山區(qū)，場地一般較小。受地形條件限制，隧道施工廢水不宜采用復(fù)雜的處理工藝［10］。在國內(nèi)現(xiàn)有的隧道廢水處理工藝中，多采用沉砂、混凝沉淀、氣浮、過濾等工藝［11］。

在建的庫格線阿爾金山隧道采用鉆爆法施工。隧道進(jìn)口段穿越上第三系泥巖夾砂巖地層，泥巖具弱膨脹性。該隧道地處阿爾金山自然保護(hù)區(qū)，設(shè)計(jì)中廢水處理采用平流沉砂池+隔油沉淀池+一體化兩級氣浮過濾設(shè)備［12］。在建的陽安二線沿線隧道距離漢江水體較近，因此全線的隧道施工廢水處理采用了同格庫線一樣的方法［13］。在建的銀西線陜西境內(nèi)的南惠隧道、新永壽梁隧道、郭村隧道、徐家店隧道均分布于濕陷性黃土地區(qū)，屬于典型的黃土隧道，隧道施工廢水處理也采用了上述方法［14］，見圖1。

在建的鄭萬線、玉磨線、拉林線隧道施工廢水處理采用混凝沉淀+氣浮+過濾工藝，見圖2。成昆線隧道施工廢水處理采用混凝沉淀+過濾工藝。

圖1 格庫線、陽安二線、銀西線隧道施工廢水處理工藝

圖2 鄭萬線、玉磨線、拉林線隧道施工廢水處理工藝

2.2 國外情況

國外的學(xué)者也對隧道施工廢水處理做了一系列研究。Lee 等［15］應(yīng)用微濾（microfiltration，MF）和反滲透（reverse osmosis，RO）系統(tǒng)的中試組合對隧道施工廢水進(jìn)行處理。首先利用MF 膜系統(tǒng)將廢水的濁度降低到0.3 NTU 以下，然后再利用MF-RO 組合工藝可以有效地去除99%以上已知的有機(jī)和無機(jī)污染物，使其達(dá)到再生水利用水質(zhì)。

Tsai 等［16］采用化學(xué)反應(yīng)+微濾處理合成的隧道施工廢水，其中SS 濃度為（2.53±0.36）g/L，可溶性二氧化硅濃度為（1.41±0.20）g/L。試驗(yàn)結(jié)果表明：化學(xué)反應(yīng)+微濾處理工藝能有效降低廢水的濁度。化學(xué)試劑劑量和pH 值是影響二氧化硅去除效果的主要因素。當(dāng)氯化鈣濃度為1 000 mg/L，pH 為8時(shí)，二氧化硅濃度可降低到187.1 mg/L。繼續(xù)增加氯化鈣用量并不能提高二氧化硅去除率。pH 值為8～9 時(shí)，氯化鎂對二氧化硅的去除比氯化鈣更有效，并且殘余的二氧化硅可以降低氯化鎂的用量。Lee 等［17］采用兩步微濾和反滲透系統(tǒng)對隧道廢水進(jìn)行處理，污水先經(jīng)過微濾系統(tǒng)去除微污染物如SS 和重金屬，將廢水的濁度降低到0.2 NTU 以下，將 COD 降低到 1.1 mg/L 以下，將總錳量降低到0.8 mg/L 以下。然后再進(jìn)入反滲透系統(tǒng)，對污染物的去除率達(dá)到95%以上，將廢水的濁度降低到0.02 NTU 以下，COD 降低到 0.5 mg/L 以下，總氮降低到0.04 mg/L以下。采用反滲透系統(tǒng)可以顯著降低隧道廢水中的高濃度鹽度，將鹽度降低到接近于0。采用此工藝處理后隧道施工廢水的水質(zhì)可以滿足當(dāng)前韓國再生水的處理回用標(biāo)準(zhǔn)。

3 鄭萬線小三峽隧道施工廢水處理現(xiàn)場試驗(yàn)

對已投入運(yùn)營的鄭萬鐵路小三峽1號(hào)橫洞隧道施工廢水處理工藝進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究，此隧道采用了沉砂+混凝沉淀+氣浮+過濾組合工藝。分別對混凝沉淀、氣浮、過濾各環(huán)節(jié)對SS 的去除效果進(jìn)行了監(jiān)測和分析。廢水處理站設(shè)計(jì)流量為60 m3/h，實(shí)際進(jìn)水流量65 m3/h，混凝藥劑采用聚合氯化鋁（Poly Aluminium Chloride，PAC），監(jiān)測頻率1次/2 d，評價(jià)各環(huán)節(jié)對SS的去除效果。

3.1 混凝沉淀

混凝沉淀對SS 的去除率見圖3?？梢姡夯炷恋韺S 去除率為86.0%～89.4%，出水中SS 濃度在110～174 mg/L，混凝沉淀對SS 的去除率較高。SS 的去除率隨著進(jìn)水濃度的升高有所降低。因此，當(dāng)廢水處理設(shè)施面對一定沖擊負(fù)荷時(shí)，可采用加大投藥量等措施予以緩沖，提高SS 去除率，減輕后續(xù)處理單元的壓力。但是SS 出水濃度仍然無法滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)（SS 濃度≤70 mg/L）的要求。因此，對于排放標(biāo)準(zhǔn)較高的隧道污水處理站，僅采取沉砂+混凝沉淀工藝無法滿足要求。

圖3 混凝沉淀對SS的去除率

3.2 氣浮

氣浮對SS 的去除率見圖4?？梢姡簹飧S 的去除率為7.1%～21.3%，SS出水濃度在102～153 mg/L，氣浮對SS 去除率較低。另外，出水中SS 濃度仍然無法滿足GB 8978—1996 中一級標(biāo)準(zhǔn)的要求，由此可以判斷，氣浮對于SS 的去除作用不大。在以SS 為主要污染物的隧道施工廢水處理設(shè)計(jì)中，不建議設(shè)置氣浮環(huán)節(jié)。

圖4 氣浮對SS的去除率

3.3 過濾

過濾對SS 的去除率見圖5?？梢姡哼^濾對SS 的去除率為52.9%～64.7%，出水中SS 濃度在40～59 mg/L，去除率較高。在進(jìn)水中SS濃度升高的情況下，過濾環(huán)節(jié)出水中的SS濃度保持相對穩(wěn)定，在一定程度上驗(yàn)證了過濾對于SS去除效果的穩(wěn)定性，并具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力。另外，出水SS 濃度滿足GB 8978—1996中一級標(biāo)準(zhǔn)的要求。由此可以判斷，過濾對于SS的去除效果較好。

圖5 過濾對SS的去除率

3.4 沉砂+混凝沉淀+氣浮+過濾組合工藝

沉砂+混凝沉淀+氣浮+過濾組合工藝對SS 的去除率見圖6?？梢姡航M合工藝對SS的去除率為95.4%～98.9%，水質(zhì)的波動(dòng)對SS 去除效果影響不大，出水中SS 濃度穩(wěn)定在38～59 mg/L，組合工藝保持了較高的去除效率。出水中SS 濃度滿足GB 8978—1996 中一級標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖6 組合工藝對SS的去除率

通過現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測得到各環(huán)節(jié)對SS 的去除率及累計(jì)去除率，見表1。

表1 各環(huán)節(jié)對SS的去除率及累計(jì)去除率 %

由表1可知：組合工藝中氣浮環(huán)節(jié)對SS 去除的貢獻(xiàn)最小，效果不佳。由此可以判斷，在以SS 為主要污染物的隧道施工廢水處理設(shè)計(jì)中，一般設(shè)置沉砂+混凝沉淀+過濾組合工藝就可以滿足較高的排放要求，氣浮環(huán)節(jié)可取消。當(dāng)隧道施工廢水中帶有石油類污染物，并且濃度超過相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以考慮增加氣浮環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

1）從水質(zhì)來看，隧道施工廢水中污染物主要為SS，還含有少量的COD、氨氮、石油類等污染物。處理SS主要采用沉砂+混凝沉淀+過濾組合工藝。

2）對隧道施工廢水國內(nèi)多采用氣浮處理工藝。從小三峽隧道施工廢水處理試驗(yàn)結(jié)果來看，沉砂+混凝土沉淀+氣浮+過濾組合工藝對SS 的去除率為95.4%～98.9%。其中混凝沉淀、過濾對SS 去除效果較好，去除率分別穩(wěn)定在86.0%～89.4%，52.9%～64.7%；氣浮對廢水中SS 去除的貢獻(xiàn)最小，對SS 的去除率僅為7.1%～21.3%。

鑒于隧道施工廢水的水質(zhì)特點(diǎn)，建議當(dāng)石油類污染物含量較低時(shí)去掉氣浮環(huán)節(jié)以簡化處理工藝，節(jié)省工程投資。