隧道廢水處理技術(shù)進(jìn)展

吳 世 紅

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456； 2.天科院環(huán)境科技發(fā)展(天津)有限公司，天津 300456)

1 隧道廢水概述

本文研究隧道廢水主要是隧道在建設(shè)時(shí)期產(chǎn)生的全部廢水。隧道建設(shè)時(shí)期廢水主要包括隧道涌水、隧道施工廢水、雨水、生活廢水等。隧道廢水如果不經(jīng)處理直接排放，勢(shì)必會(huì)對(duì)周圍的生態(tài)、環(huán)境等造成影響。

1.1 隧道施工廢水

1)隧道施工廢水來源。隧道施工廢水主要的來源是工程開挖，如過程中的混凝土的噴射、注漿、鉆機(jī)穿孔、炮孔水封、爆破后塵降、混凝土攪拌站沖洗設(shè)備等過程產(chǎn)生的廢水及施工過程使用的空壓機(jī)、運(yùn)輸汽車、混凝土拌合機(jī)等機(jī)械設(shè)備的油污染[1]。

2)隧道施工廢水特點(diǎn)。a.隧道在施工過程中，對(duì)水質(zhì)和水量的變化情況是極其不穩(wěn)定的,在不同的施工時(shí)段、不同季度的施工和不同地區(qū)的工地有很大的不同。b.施工廢水的主要成分有巖屑、泥漿、有機(jī)處理劑、無機(jī)鹽等。c.SS為首要污染物，機(jī)械油類污染為次要污染物。d.隧道施工廢水pH一般為堿性。主要是隧道施工過程中使用的大量的混凝土、焊強(qiáng)劑等材料，這些材料水解會(huì)產(chǎn)生鈣的硅酸化合物和鈣的氫氧化物等物質(zhì),它們?cè)谒斜憩F(xiàn)為堿性,是造成了水中pH值升高的原因之一。e.COD、氨氮、總磷等含量均較低，大部分符合污水綜合排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3)隧道施工廢水主要污染物分析。隧道施工廢水的污染物以懸浮物SS為主，含有部分油類，pH值超標(biāo)，其余指標(biāo)如：COD、氨氮、總磷等含量均較低。其中公路隧道施工廢水中SS和油類含量偏高,而地鐵和鐵路隧道施工廢水中SS含量偏高[3]。隧道施工時(shí)在混凝土應(yīng)用中，攪拌砂漿和混凝土等物質(zhì)會(huì)隨著隧道涌水進(jìn)入水環(huán)境中。進(jìn)入水環(huán)境中的這些物質(zhì)又會(huì)被再次帶入地表水體,導(dǎo)致地表水體值，尤其是懸浮物的濃度升高。隧道施工過程使用的空壓機(jī)、運(yùn)輸汽車、混凝土拌合機(jī)等機(jī)械設(shè)備也會(huì)對(duì)水體造成不同程度的油污染。另外,洞內(nèi)運(yùn)渣機(jī)動(dòng)車排出的尾氣、爆破時(shí)產(chǎn)生的一系列物質(zhì)、巖石的不同組分溶于水或礦物因風(fēng)化而發(fā)生溶解,會(huì)有大量的離子產(chǎn)生，其中陽離子有鐵離子、鋅離子、鉀離子、鈉離子、鈣離子等，陰離子有硝酸根離子、硫酸根離子等進(jìn)入地表水體，污染水體[13]。

1.2 隧道涌水

涌水是隧道施工中常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，由此引起隧道被淹、圍巖失穩(wěn)及塌方等事故，給隧道安全施工帶來較大威脅。

1)隧道涌水的來源。隧道是修建在地下的工程，施工中穿越賦存地下水的地層地段，含水量較多地段的地質(zhì)構(gòu)造或經(jīng)地下水長期流通而形成的通道一旦被揭露，大量地下水便會(huì)涌向隧道，從而引發(fā)涌水、突泥等災(zāi)害。王國斌等人研究發(fā)現(xiàn)巖溶地層中有巖石多重孔隙、裂隙或溶隙，隧道施工過程中伴隨有水動(dòng)力條件和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)的急劇改變，含水圍巖或潛在含水圍巖因此被破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)揭露部分地下原有的天然導(dǎo)水通道，導(dǎo)致該施工地段的地下水或與地下水有水力聯(lián)系的其他水體，特別是存在地下暗河及溶洞等的特殊情況下，這些涌水突然進(jìn)入隧道，發(fā)生較大影響[6]。

2)隧道涌水的特點(diǎn)。隧道涌水一般水量較大，來源于地下水，水質(zhì)與地下水水質(zhì)接近，水質(zhì)較良好，無人為污染源。特殊地質(zhì)條件下表現(xiàn)為高鹽量、高礦化度[1]。地下水或暗河水在涌出的過程中會(huì)攜帶大量的顆粒物、懸浮物，因此涌水含有大量的SS，部分可溶解鹽類及重金屬鹽。

3)隧道涌水主要污染物分析。隧道涌水來源于地下水，故其本身水質(zhì)較良好，僅在特殊地質(zhì)條件下時(shí)含有Ca2+,Mg2+，重金屬等污染物。

2 隧道廢水處理現(xiàn)狀

由于隧道廢水水質(zhì)特點(diǎn)及施工場(chǎng)地、時(shí)間周期等影響，隧道廢水的處理目前主要采用的是物理化學(xué)方法，包括沉砂、混凝、沉淀、氣浮、過濾和吸附等[14]。

2.1 組合工藝

楊曉盟等對(duì)秦嶺隧洞施工廢水進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該施工廢水是無機(jī)物污染型廢水，含有較高的懸浮物，COD含量較低，氮磷含量也較低。提出以混凝+沉淀+錳砂過濾+吸附為核心的處理工藝，該處理工藝可去除90%以上的懸浮物，約85%的COD，以及約65%的氨氮[2]。劉偉等對(duì)天目山施工廢水進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)天目山隧道施工廢水中典型污染因子是SS和pH，其中SS最大質(zhì)量濃度達(dá)到2 796.21 mg/L,pH最大達(dá)11.62，COD,TP和NH3-N均不超標(biāo)。遂設(shè)計(jì)了“初沉+混凝+沉淀+過濾”的處理工藝[5]。水樣經(jīng)處理后均可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

佟洪廣在處理炭質(zhì)板巖隧道施工過程產(chǎn)生的廢水時(shí)，由于地質(zhì)原因，該廢水除含有大量的SS，色度、濁度等指標(biāo)均超標(biāo)。故設(shè)計(jì)了以快速泥水分離自動(dòng)過濾+二氧化氯消毒為核心工藝的處理技術(shù)，出水符合GB 8978—1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[8]。吳楠等針對(duì)成蘭鐵路在高海拔低溫地區(qū)隧道施工時(shí)廢水水溫低的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了強(qiáng)化混凝/沉淀/過濾工藝處理該廢水。該工程處理效果好，出水水質(zhì)好，可達(dá)標(biāo)排放[9]。

經(jīng)過大量的文獻(xiàn)閱讀，隧道廢水大多屬于高懸浮物，低COD、少量氮磷等營養(yǎng)物、無重金屬等有毒有害物質(zhì)的無機(jī)污染性廢水。所以隧道廢水處理的一般流程為：混凝+沉淀+過濾+吸附。

2.2 混凝工藝

由于懸浮物是隧道廢水的首要污染物，隧道廢水處理過程中混凝顯得尤為重要?；炷齽┑幕炷Ч苯佑绊懗鏊|(zhì)。按照混凝劑的化學(xué)成分可以分為無機(jī)混凝劑、有機(jī)高分子混凝劑、微生物絮凝劑等。無機(jī)絮凝劑主要包含鋁鹽、鐵鹽為主無機(jī)低分子絮凝劑和以聚合氯化物、聚合硫酸物、聚合硅酸物為主的無機(jī)高分子絮凝劑。有機(jī)高分子絮凝劑主要分合成、天然兩種。合成有機(jī)高分子混凝劑主要為聚丙烯酰胺、水解聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、乙烯吡啶共聚物等，天然高分子混凝劑主要有甲殼素、動(dòng)物膠、腐殖酸、木質(zhì)素和淀粉衍生物等。目前應(yīng)用較為廣泛的是以各種聚丙烯、聚銨等為主的有機(jī)高分子混凝劑，以及以各種聚合氯化鋁鹽、鐵鹽等為主的無機(jī)混凝劑[15]。

薛正分別用聚合氯化鋁、硫酸鋁及聚合鋁—有機(jī)高分子復(fù)合混凝劑對(duì)某鐵路隧道施工過程中產(chǎn)生的廢水進(jìn)行絮凝沉淀研究。最終得到三者的出水效果較為接近，均可以達(dá)標(biāo)排放。其中相比于聚合氯化鋁、硫酸鋁，聚合鋁—有機(jī)高分子復(fù)合混凝劑對(duì)廢水的處理效果更好，對(duì)SS的去除效果更好[4]。

婁掌印以天目山隧道施工過程中產(chǎn)生的廢水為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)該隧道廢水SS嚴(yán)重超標(biāo)，pH值為10.09，其余氨氮、COD、總磷、含油量等指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。故選取聚合硫酸鐵、硫酸亞鐵、硫酸鋁和聚合鋁—陽離子有機(jī)高分子絮凝劑4種絮凝劑分別對(duì)隧道施工中產(chǎn)生的廢水進(jìn)行絮凝沉淀處理。結(jié)果表明，當(dāng)絮凝劑投加量為30 mg/L時(shí)，4種絮凝劑對(duì)SS的去除效率分別為77%,75%,74%,95%。去除效果最好的是呈酸性的聚合鋁—陽離子有機(jī)高分子絮凝劑[7]。

吳楠等人在設(shè)計(jì)處理成蘭鐵路(高海拔低溫地區(qū))隧道廢水時(shí)，利用自行研制的高效混凝劑，將水溫分別設(shè)置為5 ℃,10 ℃時(shí)的條件下，結(jié)果表明：與PAM,PFS相比，復(fù)配高效混凝劑WDS-Ⅱ?qū)Φ蜏貜U水的處理效果更優(yōu)，可適應(yīng)低溫條件[9]。

張?chǎng)┰趯?shí)驗(yàn)?zāi)M秦嶺包家山隧道廢水，研究水泥對(duì)隧道廢水的混凝處理效果。實(shí)驗(yàn)得到水泥對(duì)CODCr的去除率最高為41.9%，硝基苯的去除率最高可達(dá)40.5%[12]。并采用硫酸鋁處理相同的廢水得到水泥對(duì)廢水的處理效果與硫酸鋁沒有明顯差別，故可將水泥作為藥劑處理隧道廢水。這一研究不僅實(shí)現(xiàn)了廢棄水泥的資源利用，還降低了處理成本，同時(shí)操作簡單，設(shè)備構(gòu)造簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)過大量的文獻(xiàn)閱讀，處理常規(guī)隧道廢水時(shí)，聚合型有機(jī)高分子復(fù)合混凝劑的絮凝效果最佳。低溫或其他苛刻條件下，可研制適應(yīng)該環(huán)境的高效混凝劑。

2.3 集成工藝

楊斌、莫蘋在常規(guī)工藝、優(yōu)化構(gòu)筑物選型和布置的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)和強(qiáng)化，研發(fā)了集混凝沉淀于一體的鋼結(jié)構(gòu)隧道施工廢水的處理設(shè)備，即廢水雙聯(lián)處理設(shè)備。該設(shè)備主要構(gòu)件包括管道靜態(tài)混合器、旋流反應(yīng)器和斜板(管)固液分離器。首先廢水經(jīng)水泵提升進(jìn)入設(shè)備，設(shè)備進(jìn)口設(shè)一級(jí)處理設(shè)備管道混合器，管道混合器的作用是將廢水與混凝劑充分混合，混合后的廢水，流經(jīng)二級(jí)處理設(shè)備旋流式反應(yīng)器開始發(fā)生混凝反應(yīng)；其次經(jīng)混凝反應(yīng)后的廢水進(jìn)入三級(jí)處理設(shè)備斜板沉淀區(qū)進(jìn)行沉淀，實(shí)現(xiàn)了固—液分離；最后沉積下來的污泥進(jìn)入污泥斗被收集，得到的清水經(jīng)三角堰流出[10]。該設(shè)備成功運(yùn)用在了云南武昆高速公路某隧道工程。隧道廢水經(jīng)初沉池后直接進(jìn)入該處理裝置。設(shè)備運(yùn)行效果良好，出水pH值、SS、石油類、COD和氨氮等指標(biāo)均能達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)踐證明該設(shè)備具有處理效率高、耗能低、占地面積少、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行簡單的優(yōu)點(diǎn)。

王會(huì)川利用水力旋流器設(shè)計(jì)了一種快速絮凝—旋流快速分離系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用于萬丈山隧道施工廢水的處理中，實(shí)踐證明出水水質(zhì)達(dá)到GB 8978—1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求[11]。但該快速分離分離裝置還處于初期試驗(yàn)階段，其經(jīng)濟(jì)性、可行性還需要進(jìn)一步研究。

目前隧道廢水的集成工藝研究較少，如何將隧道廢水處理模塊化、集成化，還需要大家的努力。

3 結(jié)語

隧道廢水的主要污染物是懸浮物，其次是pH、油類等，其余含量一般達(dá)標(biāo)。因此隧道廢水的處理一般選用混凝、沉淀、過濾、吸附等物理化學(xué)方法。我國目前水資源緊缺狀態(tài)及經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展下，隧道施工工程日益增多，隧道廢水的處理、回用顯得更為重要。隧道廢水處理今后發(fā)展的趨勢(shì)主要有：

1)提高施工方隧道廢水經(jīng)處理才可排放的意識(shí)，增強(qiáng)公民的環(huán)保意識(shí)，加強(qiáng)施工過程中的環(huán)境監(jiān)管。2)加快水泥處理隧道廢水機(jī)理的研究，研究其可行性，盡快應(yīng)用于實(shí)際工程處理中。3)加快隧道廢水集成工藝發(fā)展，為隧道廢水處理提供更加便捷的方式。