G575東天山隧道施工污水處理工藝研究

官黎明 欒治軍 張帥 蔣葉青 宋增龍 李玉英

摘 要：隧道施工污水能夠通過徑流和滲流污染當(dāng)?shù)赝寥篮椭脖唬M(jìn)而污染地表水體。為了考察東天山隧道公路施工污水的污染程度，本研究對隧道污水處理工藝中幾個關(guān)鍵段進(jìn)行了水質(zhì)指標(biāo)的現(xiàn)場測定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隧道出水口pH為8.80，排放的水流濁度低于29.48 NTU;化學(xué)需氧量為7.52 mg/L，氨氮含量為0.33 mg/L;總氮為0.55 mg/L，總磷為0.01 mg/L。各項指標(biāo)均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的基本項目標(biāo)準(zhǔn)限值，不會對當(dāng)?shù)氐乇硭斐晌廴?，公路施工沒有對東天山隧道水質(zhì)造成明顯的影響。

關(guān)鍵詞：東天山隧道;公路施工;水質(zhì);在建工程

中圖分類號：X703文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0077-05

Research on Wastewater Treatment Technology for G575 East Tianshan Tunnel Construction

GUAN Liming1 LUAN Zhijun1 ZHANG Shuai1 JIANG Yeqing2 SONG Zenglong2 LI Yuying2

（1. Bridge and Tunnel Engineering Co.， Ltd. of CCCC First Highway Engineering Co.， Ltd.，Hami Xinjiang 839000;2. School of Water Resources and Environmental Engineering， Nanyang Normal University，Nanyang Henan 473061）

Abstract： Tunnel construction sewage can pollute local soil and vegetation through runoff and seepage， and then pollute surface water bodies. In order to investigate the pollution degree of the sewage from the construction of the East Tianshan Tunnel， this study conducted on-site determination of water quality indicators in several key sections of the tunnel sewage treatment process. It was found that the pH of the tunnel outlet was 8.80， the turbidity of the discharged water was lower than 29.48 NTU; the chemical oxygen demand was 7.52 mg/L， the ammonia nitrogen content was 0.33 mg/L; the total nitrogen was 0.55 mg/L， and the total phosphorus was 0.01 mg/L. All indicators are in line with the basic project standard limits of the "Surface Water Environmental Quality Standards" （GB 3838—2002）， and will not pollute the local surface water， highway construction has not significantly affected the water quality of the East Tianshan Tunnel.

Keywords： East Tianshan Tunnel;highway construction;water quality;construction in progress

公路施工會帶來水體污染、大氣污染、噪聲污染和固體廢物污染等生態(tài)問題，其中，水體污染來源廣泛。橋梁施工期間，物料、機械漏油、建筑垃圾和生活垃圾等直接進(jìn)入水體，會使水中的懸浮物、油類、耗氧物質(zhì)增加;隧道施工期間，鉆孔和運輸機械的漏油、炸藥爆炸后的部分殘留物和巖土微粒進(jìn)入水體，也會導(dǎo)致水體污染[1]。水體污染會影響周圍居民的生活用水，進(jìn)而影響其正常生活和社會穩(wěn)定，因此要加強公路施工對水質(zhì)影響狀況的評估[2]。

東天山隧道區(qū)域是西風(fēng)系統(tǒng)控制下的氣候變化敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，該區(qū)氣候極端干旱、土壤條件差、土層薄弱、植被稀疏、風(fēng)沙活動頻繁，有較長的寒冷期和干旱期，自然生態(tài)環(huán)境非常脆弱。東天山隧道區(qū)域水文氣象條件也比較復(fù)雜，天山南坡水系葫蘆溝和小白楊溝為2個水環(huán)境敏感區(qū)，隧道區(qū)地勢較高且起伏大，不利于地表水的儲存，對于山間的多數(shù)沖溝來說，僅在雨季時，雨水沿兩側(cè)坡體匯集徑流，大多是季節(jié)性溪流，水量較小。另外，東天山隧道進(jìn)口處是一塊巨大的天然牧場——松樹塘軍馬場，以發(fā)展畜牧業(yè)為主，飼養(yǎng)有馬、牛、羊和鹿等牲畜，這些因素決定了生態(tài)環(huán)境受到破壞以后恢復(fù)起來異常困難。因此，施工過程中水資源合理利用及保護(hù)就格外重要[3-4]。

研究人員于2018年和2019年對隧道污水處理工藝中幾個關(guān)鍵段進(jìn)行了水質(zhì)指標(biāo)的現(xiàn)場測定，主要從公路施工過程中東天山隧道污水處理及其效果方面展開研究，以期為公路隧道污水處理提供有益參考。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

G575線巴里坤至哈密公路建設(shè)項目位于哈密市，北起東天山北坡的巴里坤哈薩克自治縣，南至東天山南坡的哈密市伊州區(qū)，東天山隧道為左右分離式特長隧道，左線長度為11 870 m，右線長度為11 900 m，為超長公路隧道。

1.2 隧道出水口水質(zhì)的確定

東天山隧道采用鉆爆法施工，隧道洞身巖性主要有凝灰質(zhì)粉砂巖、砂巖、花崗巖、閃長巖和凝灰質(zhì)砂巖。隧道施工過程中最主要的污染物為石油類、混凝土和速凝劑，另外還有部分打鉆過程中產(chǎn)生的巖粉、裂隙中夾雜的泥沙等。

東天山隧道公路在施工過程中采用了他人的專利技術(shù)[5-6]，對公路施工污水進(jìn)行污水過濾、濾板清洗、加藥處理及再次過濾，通過處理使污水達(dá)到排放要求。

1.3 樣地設(shè)置與信息收集

為確切地查明隧道滲水的污染來源和排放問題，本研究分別針對隧道出水口、污水第一沉淀池出水、第二池出水、第三池出水、最后出水、匯入口上游和匯入口下游設(shè)置了采樣點，然后根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行綜合分析。隧道排水執(zhí)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）一級，檢測項目包括化學(xué)需氧量、氨氮等常規(guī)指標(biāo)。

為全面了解整套污水處理裝置的效果，本次檢測設(shè)置了7個采樣點（見圖1），采用每周采樣一次、為期一個月的檢測方法，采樣點分別是斜井出水口A、第一池出水口B、第二池出水口C、第三池出水口D、最后出水口E（即匯入口E）、最后出水和工地邊河流上游水F、出水與河流水匯合后約100 m處G。數(shù)據(jù)監(jiān)測的采樣條件為：靜風(fēng)，晴，溫度18～25 ℃，氣壓100～101 kPa。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

本研究使用Origin75進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 東天山隧道出水pH時空動態(tài)變化

出水pH的影響因素較多，在公路隧道施工過程中，受施工建設(shè)活動及生活排污的影響，隨著水中鉀、鈉、鈣和鎂等陽離子鹽類的增加，pH將走高。另外，由于高溫和缺氧，水生生物快速大量生長，破壞了水體中碳酸氫鹽的水解平衡，生物利用水中二氧化碳進(jìn)行光合作用，使得水中氫氧根離子含量增加，氫氧根離子又使碳酸氫根的電離平衡朝生成碳酸根離子的方向移動，從而導(dǎo)致水中碳酸根離子濃度增大，總堿度增加，pH走高[7]。

由圖2可知，隧道區(qū)域的自然水流略顯堿性，pH為8.0～8.5，進(jìn)水略顯堿性，說明自然水中浮游藻類生長狀況良好，光合作用大于呼吸作用，消耗了水體中較多的CO32-;隧道出水口未經(jīng)過處理的水偏堿性，pH為9.36～11.00，相差較大，說明公路隧道施工過程中雖然采取了眾多減少水體污染的措施，但還是導(dǎo)致水體受到一定的污染。經(jīng)過沉淀池和污水處理站處理后，pH降到8.45～9.00，就五次采樣平均值來看，隧道出水口的pH為10.18，處理過后pH為8.80，污水處理裝置運行良好，污水處理措施到位，效果明顯，因此污水處理檢測結(jié)果符合《地表水質(zhì)量排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）要求。

2.2 東天山隧道出水濁度檢測

濁度是指水中懸浮物對光線透過時所產(chǎn)生的阻礙程度。水中的懸浮物一般是泥土、砂粒、微細(xì)的有機物和無機物、浮游生物、微生物和膠體物質(zhì)等。水的濁度不僅與水中懸浮物的含量有關(guān)，而且與它們的大小、形狀及折射系數(shù)等有關(guān)。水中含有諸多懸浮物和膠體物，其都可以使水的渾濁上升。通常，濁度越高，溶液越渾濁[8-10]。

各采樣點濁度動態(tài)變化如圖3所示，從圖中可以看到，上游水的濁度為0 NTU，而經(jīng)過公路隧道施工區(qū)域后，濁度大幅提高，第一出水口附近濁度超過800 NTU，說明隧道施工產(chǎn)生了大量難溶性懸浮物，這些懸浮物可能是施工帶來的山體廢棄物。經(jīng)過第一池處理后，濁度降到800 NTU;經(jīng)過第二池處理后，濁度降到400 NTU，下降幅度明顯;經(jīng)過第三池處理后，濁度再次下降50%，僅為200 NTU，匯入河流后，下游濁度僅為0 NTU，與上游一致。

2.3 東天山隧道出水化學(xué)需氧量檢測

化學(xué)需氧量（COD）是以化學(xué)方法測量水樣中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量。它表示在強酸性條件下重鉻酸鉀氧化1 L污水中有機物的需氧量，可大致表示污水中的有機物量。在污水處理中，它是一個能較快測定有機物污染的參數(shù)，能夠反映水體的污染程度。

化學(xué)需氧量污染的治理應(yīng)采用“疏”“堵”“治”相結(jié)合的辦法，一方面提升排放標(biāo)準(zhǔn)并采取各種積極措施減少污染物的排放，另一方面大力發(fā)展綠色經(jīng)濟，使綠色經(jīng)濟成為各地的支柱產(chǎn)業(yè)，在此基礎(chǔ)上通過治理才能從根本上解決污染問題[11]。

各采樣點化學(xué)需氧量動態(tài)變化如圖4所示，從不同取樣周期分析，第一出水口化學(xué)需氧量先升高后降低，在第三周達(dá)到最高點（18 mg/L），而最低點為16 mg/L。第一池、上游、匯入后下游的化學(xué)需氧量各周期波動均比較平緩，其他采樣點波動幅度略大，樣品的預(yù)處理、溶解氧、溫度、pH、污泥、營養(yǎng)物添加等都會影響化學(xué)需氧量的測定結(jié)果。匯入后下游的化學(xué)需氧量僅為6～8 mg/L，與處理前相比降低62.5%，降幅明顯，污水處理效果良好。

從不同取樣點分析，第一出水口化學(xué)需氧量最高，其他各池化學(xué)需氧量依次降低，上游和匯入后下游的化學(xué)需氧量最低，經(jīng)過污水處理后，化學(xué)需氧量下降明顯，處于較低的水平。各采樣點化學(xué)需氧量最高為18 mg/L，達(dá)到國家Ⅲ類地表水的要求，而匯入下游的化學(xué)需氧量僅為6～8 mg/L，達(dá)到國家Ⅰ類地表水的要求，這充分說明東天山隧道口水體質(zhì)量整體較好，經(jīng)過污水處理，東天山隧道口水體質(zhì)量更佳。

2.4 各采樣點氨氮檢測

氨氮是指水中以游離氨（NH3）和銨離子（NH4+）形式存在的氮。動物性有機物的含氮量一般較植物性有機物高。同時，人畜糞便中的含氮有機物很不穩(wěn)定，容易分解成氨。水合氨是引起水生生物毒害的主要因子，而銨離子基本無毒。

各采樣點氨氮動態(tài)變化如圖5所示，從不同取樣周期分析，各采樣點氨氮檢測結(jié)果呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，最低點位于第3周。氨氮降解菌可以分解轉(zhuǎn)化氨氣，降低臭味，又被稱為除臭菌。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的氨氮降解菌有硝化細(xì)菌、亞硝酸菌和反硝化細(xì)菌，如桿菌、球菌、螺旋菌等，還有真菌、放線菌和異養(yǎng)細(xì)菌，如酵母菌屬、腐生菌等。研究表明，氨氮降解菌多為革蘭氏兼性厭氧菌，菌株在pH=3～7、溫度為20～35 ℃的環(huán)境下生長良好[12]。氨氮檢測結(jié)果顯示，各周期最高點出現(xiàn)在第4周，而本研究取樣檢測處于8月、9月，說明在第4周，環(huán)境因素導(dǎo)致氨氮降解菌活性降低，轉(zhuǎn)化降解速率放慢，從而影響氨氮控制效果。整體來看，氨氮各周期變化趨勢與前面幾個指標(biāo)情況相同。

從不同取樣點檢測結(jié)果分析，第一出水口氨氮含量最高，達(dá)到1.8 mg/L，水質(zhì)為國家Ⅴ類地表水。而匯入后下游的氨氮量最低，僅為0.26 mg/L，同比降幅達(dá)到85.6%，水質(zhì)也達(dá)到國家Ⅱ類地表水要求，這充分說明污水處理效果顯著，而且東天山隧道口出水水質(zhì)優(yōu)良。

2.5 東天山隧道出水總氮檢測

氮是生態(tài)系統(tǒng)中很活躍的元素之一，它的轉(zhuǎn)化運移規(guī)律涉及物理、化學(xué)及微生物等作用，與水體富營養(yǎng)化關(guān)系密切。大量含氮污水排入自然水體，會導(dǎo)致水體溶解氧（DO）急劇降低，造成水體發(fā)臭?？偟窍跛猁}氮、亞硝酸鹽氮、氨氮、蛋白質(zhì)、氨基酸和有機胺的總稱，包括水中各種形態(tài)的無機氮和有機氮，是反映水體富營養(yǎng)化的主要指標(biāo)，是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)之一?？偟悦可量藬?shù)計算，常被用來表示水體受營養(yǎng)物質(zhì)污染的程度。

總氮的去除影響因素包括溫度、pH、碳源、細(xì)菌微生物、氧化環(huán)境和酸堿條件等，具體方法有生物法和化學(xué)法，兩者的原理有類同點，也有不同點。目前，大多數(shù)污水處理廠均使用生物法。影響因子包括物理、化學(xué)、生物等方面的多個因素[13]。

各采樣點總氮動態(tài)變化如圖6所示，從不同取樣周期檢測結(jié)果分析，各采樣點檢測結(jié)果呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，最高點為2.5 mg/L，位于第四周，前三周變化比較平穩(wěn)，第五周比第四周略有下降。總氮的去除影響因素主要受到溫度的影響，在一定范圍內(nèi)，溫度越高，氮元素的轉(zhuǎn)化速率越大。硝化過程是有氧和微生物參與下的放能過程，散熱有利于硝化;硝化過程為吸能反應(yīng)，升高溫度有利于脫氮[13]。根據(jù)亞硝酸鹽氮、硝酸鹽、氨氮的變化趨勢，總氮變化符合預(yù)期。上游和匯入后下游的總氮在整個取樣周期中變化都十分平緩，檢測結(jié)果均在0.5 mg/L左右小范圍波動，說明經(jīng)過處理后水體總氮較少，外界環(huán)境的變化已經(jīng)不會造成總氮的變化。

從不同取樣點檢測結(jié)果分析，第一出水口總氮含量最高，第一池、第二池、第三池依次降低，規(guī)律十分明顯，而出水口總氮在第三周、第四周的檢測結(jié)果甚至接近上游和匯入后下游，這說明污水處理效果明顯，上游和匯入后下游的總氮波動并非真正反映隧道口出水的水質(zhì)，很有可能受到外界因素影響?？傮w上看，第一出水口總氮含量最高點為2.5 mg/L，高于國家Ⅴ類地表水質(zhì)要求，而匯入后下游總氮含量僅為0.55 mg/L，達(dá)到國家Ⅱ類地表水質(zhì)要求，說明東天山隧道口水質(zhì)良好。

2.6 東天山隧道出水總磷檢測

水中，磷可以元素磷、正磷酸鹽、縮合磷酸鹽、焦磷酸鹽、偏磷酸鹽和有機團結(jié)合的磷酸鹽等形式存在。其主要來源為生活污水、化肥、有機磷農(nóng)藥及洗滌劑所用的磷酸鹽增潔劑等。污水中的磷部分來源于化肥和農(nóng)業(yè)廢棄物。同時，生活中含磷洗滌劑的大量使用也使生活污水的磷含量顯著增加。此外，化工、造紙、橡膠、紡織印染、農(nóng)藥、焦化、石油化工、發(fā)酵、醫(yī)藥與食品等行業(yè)排放的廢水常含有有機磷化合物，工業(yè)和生活污水的大量排放導(dǎo)致總磷含量高。磷酸鹽會干擾污水處理廠中的混凝過程。水體中的磷是藻類生長需要的一種關(guān)鍵元素，過量磷是造成水體惡臭，導(dǎo)致湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化、海灣出現(xiàn)赤潮的主要原因。

總磷處理方法主要有化學(xué)除磷法和生物除磷法兩種?；瘜W(xué)法除正磷，往污水中投加鋁鹽、鈣鹽、鐵鹽等無機鹽除磷劑即可;化學(xué)法除次亞磷，傳統(tǒng)的除磷劑無法與之反應(yīng)形成沉淀，因此通常使用HMC-P3次亞磷去除劑，通過均相共沉淀，其直接與次亞磷反應(yīng)，有效去除污染物。生物法除磷是指好氧型細(xì)菌在一定條件下會對有機磷或者偏磷進(jìn)行硝化分解，一部分磷會被微生物吸收，從而變?yōu)槲⑸镂勰啵硪徊糠至讜环纸廪D(zhuǎn)化為正磷小分子，在后續(xù)處理中，還要繼續(xù)通過化學(xué)法將正磷小分子沉淀。

圖7是各采樣點總磷動態(tài)變化，從不同取樣周期分析，第一出水口、上游、匯入后下游的總磷含量在各個周期沒有太大變化，在圖上呈現(xiàn)出一條直線，而其他各池的總磷含量則波動較大，部分檢測結(jié)果甚至高于第一出水口。有研究表明，總磷含量受到水深、水溫、pH與溶解氧含量的影響，水體中可溶性無機磷同化、有機磷礦化和微生物分解是磷循環(huán)的主要過程，水位變化引起沉積物中磷向上覆水中釋放，增加了磷濃度[14]。因此，在取樣過程中，各池水體劇烈翻騰會影響檢測結(jié)果。

從不同取樣點分析，第一池總磷含量最高，其次是第一出水口，與其他各指標(biāo)趨勢不同，根據(jù)前面分析，水位變化能夠引起沉積物中的磷向上釋放，從而影響檢測結(jié)果。其他幾個取樣點的結(jié)果類似。上游、匯入后下游的總磷含量最低，幾乎沒有太大波動，而且檢測結(jié)果十分接近，這說明隧道出水水質(zhì)良好，對河流沒有影響。在整個檢測結(jié)果中，總磷含量的最高點數(shù)值為0.05 mg/L，達(dá)到國家Ⅱ類地表水質(zhì)要求，而上游、匯入后下游的總磷含量僅為0.01 mg/L，達(dá)到國家Ⅰ類地表水質(zhì)要求，說明東天山隧道口出水水質(zhì)良好。

3 結(jié)論

隧道施工污水通過徑流和滲流污染當(dāng)?shù)赝寥篮椭脖?，污染地表水體，破壞地表水體生態(tài)系統(tǒng)，影響水生生物的生存，制約工業(yè)和農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。隧道施工污水對環(huán)境造成污染后，其后期治理難度較大，人們需要采取綜合處理措施[15-17]。

從本研究調(diào)查結(jié)果來看，東天山隧道在公路施工過程中采取了一系列防護(hù)措施，有效減少了可溶性礦物質(zhì)、油污等排放量，從而使施工區(qū)域出水水質(zhì)相對于上游水質(zhì)增加并不明顯，而經(jīng)過污水處理以后，匯入下游的水質(zhì)明顯提高，大多數(shù)指標(biāo)與上游水質(zhì)持平，部分指標(biāo)甚至還低于上游，污水處理效果明顯。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道出水口的pH為8.80，出水的濁度低于29.48 NTU，化學(xué)需氧量為7.52 mg/L，氨氮含量為0.33 mg/L，總氮為0.55 mg/L，總磷為0.01 mg/L。經(jīng)過上述數(shù)據(jù)檢測分析，隧道區(qū)域上游自然河流水質(zhì)符合國家地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，隧道口經(jīng)過處理的水符合《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）一級標(biāo)準(zhǔn)，因此，該污水處理符合預(yù)期要求，避免了隧道施工污水直接排放對自然生態(tài)系統(tǒng)的危害。

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