鐵路隧道施工廢水的混凝處理試驗研究

婁掌印

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣州 511458)

隨著鐵路建設(shè)項目的快速發(fā)展，隧道在山嶺或重丘地帶公路、鐵路中所占的比例也日益提高[1]。隧道建設(shè)促進(jìn)了國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但人們也逐步關(guān)注其施工造成的環(huán)境污染與生態(tài)破壞[2-3]，尤其是施工中產(chǎn)生的廢水對周邊河流、土壤以及植被的影響。隧道施工廢水主要來源于開挖階段[4-5]，施工設(shè)備產(chǎn)生的廢水，注漿過程產(chǎn)生的廢水，穿越不良地質(zhì)時的涌水，爆破后的降塵水，基巖裂隙滲水等[6-7]。鐵路隧道施工廢水中主要污染物為SS[8]。研究表明，在高濃度SS下，魚類存活時間只有12～120 min不等，SS濃度影響水生生物存活時間[9]。對鐵路隧道施工產(chǎn)生的廢水進(jìn)行處理對環(huán)境保護(hù)、社會生活和鐵路交通建設(shè)等都具有重要的意義。

目前對于隧道施工廢水主要采用混凝、沉淀、氣浮及過濾等物理化學(xué)方法進(jìn)行處理。部分施工廢水由于受到場地的限制，只能簡單引入沉淀池進(jìn)行自然沉淀處理后排放，該方法雖然簡單易行，但對施工中產(chǎn)生的含油廢水等不能有效去除[10]，對廢水的處理效果不夠理想。隨著各類有機(jī)絮凝劑、無機(jī)絮凝劑以及生物絮凝劑等產(chǎn)品的開發(fā)，絮凝劑在懸浮物含量較高的廢水中的應(yīng)用越來越多，用于隧道施工廢水處理的絮凝劑就達(dá)到幾百種[11]，對于適合隧道施工廢水處理絮凝劑的選擇及處理效果研究具有重要的意義。隋淑梅等人[12]對比分析了不同絮凝劑對鐵尾礦的絮凝效果試驗研究，絮凝劑可以有效濃縮鐵尾礦漿，取得了較好的絮凝沉淀效果。楊斌等人[13]對不同施工階段的污水進(jìn)行檢測分析表明，隧道涌(用)水、初期廢水、中期廢水、末期廢水的PH均呈堿性(PH在8以上)，初期和中期廢水中的懸浮物含量最高，其值超過 1 000 mg/L，為隧道施工廢水中的主要污染物，而NH3-N、總磷可以達(dá)到GB 8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，CODcr以及油類污染物僅在施工初期無法滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，經(jīng)絮凝劑處理沉淀后廢水可以達(dá)標(biāo)排放。絮凝劑處理高濃度懸浮物，由于其可操作性強(qiáng)，性價比高等優(yōu)點，其在隧道施工廢水中的應(yīng)用也越來越多[14]。

目前針對天目山隧道施工產(chǎn)生廢水的特性和特殊的施工環(huán)境，采用化學(xué)混凝沉淀的方法對其產(chǎn)生的施工廢水進(jìn)行處理，將高含量的懸浮物以及油類物質(zhì)去除。在前期水質(zhì)分析測試的基礎(chǔ)上，針對施工廢水呈堿性的特征，結(jié)合施工現(xiàn)場特殊的地理環(huán)境以及施工條件，同時參考國內(nèi)外類似性質(zhì)隧道廢水的處理方法，在綜合考慮和對比分析后，對天目山隧道施工廢水?dāng)M考慮采用物理化學(xué)的方式進(jìn)行廢水處理。本研究擬選取絮凝劑沉淀的方法處理施工產(chǎn)生的廢水，通過對比分析，選擇在天目山特殊環(huán)境下最適合的施工隧道廢水處理工藝，將隧道施工產(chǎn)生的廢水對環(huán)境危害程度降到最低。

1 工程概況

天目山隧道地處于中低山區(qū)，位于天目山山脈的西南，起始于浙江省淳安縣的臨岐鎮(zhèn)徐家莊村，終止于安徽省的歙縣三陽鄉(xiāng)黃塢村，測區(qū)內(nèi)最高的山峰海拔標(biāo)高為 1 140 m，最低的溝谷海拔標(biāo)高為375 m，最大相對高差為850 m。起訖里程DK 201+823～DK 213+836，隧道全長12.013 km，正洞隧道設(shè)計為單洞雙線隧道。該地區(qū)的地形陡峻，溝谷深切，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。

隧道施工穿越不良的地質(zhì)地段時產(chǎn)生的涌水、施工機(jī)械廢水、爆破降塵廢水、噴射混凝土和注漿作業(yè)廢水及基巖的裂隙水匯聚成隧道施工廢水，如果廢水直接排入到新安江上游河流，將會造成水體的環(huán)境污染與周邊生態(tài)植被的破壞，因此隧道施工廢水的處理至關(guān)重要。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗儀器及試劑

(1)試驗儀器：PH測定儀，絮凝試驗儀，電子天平，COD分析儀，22pc-分光光度計，恒溫磁力攪拌器等。

(2)試驗試劑：實驗選取4種不同類型的絮凝劑，試驗所用試劑均為分析純，如表1所示。

表1 試驗所用絮凝劑種類及分子式

2.2 分析及測試方法

SS：重量法，參照GB 11901-1989；PH：PHS-3c型酸度計測定；含油量：紅外分光光度法，參照GB/T16488-1996；COD:HACH-COD測定儀(用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)法GB 11914J進(jìn)行校正)。

2.3 試驗方案

測試水樣取自杭黃鐵路站前I標(biāo)天目山隧道出口施工現(xiàn)場的廢水，將取來的廢水水樣混合后攪拌5 min，依次裝入測試燒杯中。在恒溫23 ℃的條件下，將待測試樣放置在混凝儀中，設(shè)置好攪拌時間以及轉(zhuǎn)速等。加入不同量的絮凝劑，設(shè)定好沉淀的時間后，開始計時，記錄實驗中形成礬花初始的時間和質(zhì)量，實驗結(jié)束后，記錄10 min、30 min以及50 min的沉淀情況。并測定沉淀后上清液的懸浮物、PH值、COD含量以及含油量等。

3 試驗結(jié)果

3.1 施工廢水水質(zhì)特征分析

由表2可知，取樣點采集的施工廢水進(jìn)行檢測分析表明，施工隧道排水中SS超標(biāo)嚴(yán)重，為1類標(biāo)準(zhǔn)值的4.7倍，PH為10.06，為強(qiáng)堿性，NH3-N、COD、總磷以及含油量濃度達(dá)標(biāo)。本實驗主要選取廢水中的SS、COD和含油量3個主要污染物指標(biāo)進(jìn)行分析。

表2 施工廢水水質(zhì)

注：標(biāo)準(zhǔn)1為GB 8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級標(biāo)準(zhǔn)

3.2 隧道施工廢水中SS污染物去除效果

絮凝劑投加量與處理后水中的SS去除效果的關(guān)系，如圖1所示。在隧道施工廢水中添加4種不同類型的絮凝劑后均產(chǎn)生了明顯的沉淀效果，SS值均顯著降低。隨著絮凝劑投加量的逐漸增加，廢水中SS的含量呈現(xiàn)降低的趨勢。當(dāng)絮凝劑投加量為30 mg/L時，對SS的去除效果依次為PAC-OP>PFS>FS>AS，其對SS的去除率分別為95%，77%，75%和74%。

圖1 絮凝劑投加量與處理后水中SS去除效果關(guān)系圖

硫酸鋁主要通過吸附脫穩(wěn)以及卷掃沉淀等作用方式對水體中懸浮物顆粒起到凝聚作用，這些水解的Al3+、各種形態(tài)的水解聚合產(chǎn)物和最終的Al(OH)3膠體產(chǎn)物連接膠體顆粒物并形成較大絮體，形成共同沉淀的混凝作用，但處理效果并不理想。硫酸亞鐵(FS)的絮凝機(jī)理主要是水解出能生成簡單單核絡(luò)合物的二價鐵離子，該單核絡(luò)合物凝聚的速度緩慢，受PH值的影響較大，對廢水的絮凝效果不如鋁鹽和氯化鐵。聚合硫酸鐵(PFS)的絮凝機(jī)理主要是水處理過程中形成具有較高的表面積(200～1 000 m2/g)的聚合體，強(qiáng)烈吸附廢水中的浮游生物、重金屬離子以及膠體雜質(zhì)等?；炷幚淼倪^程中，PFS可提供對水中膠體顆粒起到多種混凝作用的多種組分核輕基絡(luò)合物。負(fù)電性膠粒和懸浮物吸引分子量小的高價絡(luò)離子進(jìn)入緊密層，起到壓縮膠粒雙電層，從而降低毛電位的作用，促使膠粒迅速脫穩(wěn)而聚沉，進(jìn)而提高了PFS混凝效果。而當(dāng)聚合鋁-陽離子有機(jī)高分子絮凝劑的投藥量為30 mg/L時，SS達(dá)到了最小值62 mg/L。說明聚合鋁-陽離子有機(jī)高分子絮凝劑絮凝增強(qiáng)作用靠有機(jī)高分子較長分子鏈在脫穩(wěn)到一定程度顆粒物間架橋而形成較大的絮體，通過卷掃作用而將水中的顆粒物徹底的去除[15]。處理后廢水中的PH值隨著投加藥量的增加，由堿性逐漸向酸性過渡。靜置過程中廢水中出現(xiàn)了清晰的分界面，隨著靜置時間的增加，分界面逐漸下降。這主要是由于上清液中懸浮物的含量小于70 mg/L，廢水中的懸浮物質(zhì)被去除達(dá)到了理想的處理效果，因此處理后的上清液較清晰。

圖2 絮凝劑投加量與處理后水中COD去除效果關(guān)系圖

3.3 隧道施工廢水中COD污染物去除效果

絮凝劑投加量與處理后水中的COD關(guān)系，如圖2所示。硫酸鋁(AS)、硫酸亞鐵(FS)以及聚合硫酸鐵(PFS)三類絮凝劑加入廢水后，廢水中的污染物COD含量逐漸降低，30 mg/L后，COD去除率的趨勢變得平緩。當(dāng)絮凝劑投加量為30 mg/L時，對COD的去除效果依次為PFS>FS>AS，其對COD的去除率分別為63%，26%和25%，說明無機(jī)類絮凝劑對廢水中COD的去除效果不理想。而聚合鋁-陽離子有機(jī)高分子絮凝劑(PAC-OP)隨著其投加量的增加，處理后廢水中的PH值逐漸向酸性過渡，COD的去除率先降低后增加，當(dāng)其投加量為30 mg/L時，PH值為6.35，COD含量為98.25 mg/L。這主要是投加的聚合鋁-陽離子有機(jī)高分子絮凝劑為含有機(jī)物質(zhì)有機(jī)高分子絮凝劑，投加量過多時造成水中COD含量略有增加。

3.4 隧道施工廢水中含油污染物去除效果

處理時，向廢水中加入混凝劑，消除或降低水中膠體顆粒間的相互排斥力，使水中膠體顆粒易于相互碰撞和附聚搭接而形成較大顆粒或絮凝體，進(jìn)而從水中分離出來。然后與沉淀、過濾等結(jié)合使用，去除水中懸浮物和膠體物質(zhì)[16]。有機(jī)高分子絮凝劑之所以被人們重視，是因為可以彌補(bǔ)無機(jī)絮凝劑的不足，具有效果理想、用量少、渣量少、受外界條件影響小、且便于處理等優(yōu)點。是通過架橋方式將兩個或更多的微粒物連接在一起，從而絮凝，即分子鏈一端會吸附在顆粒表面上，而長鏈的另一端同時也可以吸附在另一個粒子表面[17]。

絮凝劑投加量與處理后水中含油污染物去除效果的關(guān)系，如圖3所示。在隧道施工廢水中添加4種不同類型的絮凝劑后均對含油污染物的去除效果一般。隨著絮凝劑投加量的逐漸增加，廢水中含油污染物的去除效果降低后逐漸平緩。當(dāng)絮凝劑投加量為30 mg/L時，對含油污染物的去除效果依次為PFS>AS>FS>PAC-OP，其對含油污染物的去除率分別為22%，20%，16%和12%。

圖3 絮凝劑投加量與處理后水中含油量去除效果關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過4種絮凝劑對隧道施工廢水的處理效果的試驗研究發(fā)現(xiàn)，“聚合鋁-陽離子有機(jī)高分子”絮凝劑的脫穩(wěn)效果較好，該絮凝劑本身具有酸性，對于施工中產(chǎn)生的堿性隧道施工廢水具有酸堿中和的改善作用。該絮凝劑具有形成絮體快、沉淀速度快等優(yōu)點，在去除廢水中懸浮物質(zhì)的同時，也可有效去除石油類物質(zhì)等，且投加量少，綜合性價比高，適合于特殊環(huán)境下隧道施工廢水的處理。當(dāng)“聚合鋁-陽離子有機(jī)高分子”絮凝劑的投放量為30 mg/L時，廢水中含SS和含油污染物的去除率分別達(dá)到95%和12%，處理后的廢水可以滿足GB 8979-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅰ級排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。