隧道施工廢水處理工程設計

路文旭

（中國鐵路北京局集團有限公司 工程質(zhì)量監(jiān)督站，北京 100041）

0 引言

隨著我國鐵路運輸事業(yè)的快速發(fā)展，隧道工程在鐵路工程建設項目中所占的比重日益增加，隧道施工所產(chǎn)生的環(huán)境污染和生態(tài)影響也逐漸引起人們的關注，其中，鐵路隧道施工廢水是主要的污染源[1-2]。隧道廢水主要來源于穿越不良地質(zhì)單元時產(chǎn)生的涌水、施工面鉆孔廢水、爆破后降塵廢水、噴射混凝土和注漿產(chǎn)生的廢水，以及被污染的基巖裂隙水、巖溶水等[3]。隧道施工廢水一般呈堿性，廢水中主要污染物為懸浮物(SS)、化學需氧量(CODcr)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)及石油類污染物等[4-6]。如果隧道施工廢水未經(jīng)處理而直接排放，會對環(huán)境造成污染[1,7]。因此，有必要開展隧道施工廢水處理的工程設計研究。

基于隧道施工廢水的水質(zhì)特點，為有效去除水中主要污染物且在處理過程中不產(chǎn)生新的污染物、避免二次污染，隧道施工廢水主要采用物理化學法進行處理。但由于施工廢水的來源和性質(zhì)上的差異，處理工藝的選擇也會有所不同。目前，國內(nèi)已有的隧道施工廢水處理工藝主要有混凝/沉淀/過濾、沉淀/隔油/氣浮/砂濾等各種組合工藝，但處理的主要目標污染物為SS 及石油類污染物[8-9]，鮮少有實際工程處理大水量隧道施工廢水中的有機污染物，如氨氮、CODcr及生化需氧量(BOD)。LEE J 等[10]采用微濾-反滲透工藝對隧道施工廢水進行了中試研究，結(jié)果表明該工藝可去除99%以上的有機污染物和無機污染物，出水達到再生水利用水質(zhì)，但鑒于運行成本費用及設備維護等問題，該組合并不適用于大水量的隧道施工廢水實際處理工程。因此，目前鐵路隧道施工廢水處理項目中，需要研究針對大水量的可快速去除水體中SS、石油類污染物及少量有機污染物的處理工藝，從而實現(xiàn)隧道施工廢水高效、低耗、資源化的處理。

固定化微生物-曝氣生物濾池(G-BAF)高效脫氮工藝是研究機構(gòu)開發(fā)的生物脫氮新工藝，該工藝可實現(xiàn)同步硝化反硝化，在同一個反應器中可實現(xiàn)對氨氮的高效去除。在此，以某隧道施工廢水為例，針對隧道施工產(chǎn)生的高SS 微污染水體的處理，設計采用“隔油沉淀池—一體化氣浮過濾設備—G-BAF 池”工藝，為鐵路隧道施工廢水處理提供參考。

1 工程概況

1.1 設計規(guī)模及水質(zhì)

該隧道全長12 010 m，區(qū)間最大埋深為432 m。隧道施工廢水的污染主要來源于大量固體顆粒物的進入，若未經(jīng)處理直接排放會對周圍飲用水源、生態(tài)環(huán)境及景觀區(qū)造成一定的影響。根據(jù)建設方提供的資料，污水處理設施的設計規(guī)模為35 m3/h。設計處理出水一部分滿足《鐵路回用水水質(zhì)標準》(TB/T 3007—2000)用于施工回用，剩余部分達到《水污染物綜合排放標準》(DB 11/307—2013) B 級的排放要求，詳細數(shù)據(jù)如表1 所示。

1.2 工藝流程

基于廢水高SS、低碳氮比的水質(zhì)特點，工藝的處理效果，運行的可靠性，造價及運行成本等因素，結(jié)合同類廢水及相似廢水處理的工程經(jīng)驗[9，11-12]，設計采用“隔油沉淀池—一體化氣浮過濾—G-BAF 池”組合處理工藝，工藝流程如圖1 所示。

隧道施工廢水經(jīng)平流式沉砂池去除較重的無機顆粒后，通過隔油沉淀池及一體化兩級氣浮過濾設備去除水體中的油類物質(zhì)及微細懸浮顆粒雜質(zhì)。廢水在進入氣浮設備之前投加混凝劑聚合氯化鋁(Poly aluminium Chloride，PAC)及助凝劑聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)，形成的絮體與溶氣水中的小氣泡相互粘合，然后進入氣浮區(qū)，并隨小氣泡一同浮到水面，形成浮渣。下層的清水經(jīng)集水器流至清水池后，一部分回流用作溶氣水，剩余清水通過溢流口流出。氣浮池上面的浮渣由刮板刮至污泥池并排出。藥物投加量根據(jù)現(xiàn)場處理水量及懸浮物濃度進行試驗確定。

消毒池內(nèi)通過加入次氯酸鈉對廢水進行消毒，處理滿足《鐵路回用水水質(zhì)標準》的要求后，部分污水進行回用；另一部分污水進入G-BAF 池進行生物處理。G-BAF 池中投加曝氣池有效容積50% ~ 60%的大孔生物載體，將高效微生物固定在載體上，用于降解水體中CODcr、氨氮等污染物。

沉砂池和沉淀池外設置有集油桶用于收集浮油，集油桶內(nèi)的含油排渣待定期收集后，運至地方環(huán)保部門指定地點進行后續(xù)處置。隔油沉淀池沉淀的泥砂和氣浮過濾設備排出的浮渣及污泥排入污泥干化場，污泥干化脫水后外運送至指定地點進行后續(xù)處置。

2 主要構(gòu)筑物設計

2.1 平流沉砂池

表1 隧道施工廢水處理設計進水、出水水質(zhì)

圖1 工藝流程

平流式沉砂池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要用于去除廢水中無機顆粒。池體的平面尺寸長×寬為6.0 m×1.3 m，有效水深為0.57 m，采用2 格設計，一用一備。沉砂池的表面水力負荷為19.45 m3/ (m2·h)。沉砂池中砂斗容積按照2 d 的沉砂量進行計算，每格池中設有2 個沉沙斗，單個沉沙斗的有效容積為0.20 m3，采用人工排砂。

2.2 隔油沉淀池

隔油沉淀池的主要功能是進行油水分離，同時進行泥砂沉淀。采用平流式隔油沉淀池，池體采用2 格設計，單格的長×寬為11.00 m×2.60 m，有效水深為1.3 m，水力停留時間為2 h。

2.3 一體化氣浮過濾設備

采用一體化兩級氣浮過濾設備去除水體中微小油滴及密度接近于水的微細懸浮顆粒狀雜質(zhì)。設備處理能力為70 m3/h，直徑為2 m，高度為4 m，設有2套。該設備為重力無閥濾池，氣浮池內(nèi)停留時間為50 min，接觸區(qū)接觸時間為10 min，溶氣水的回流比為30% ~ 40%。濾料為均質(zhì)石英砂濾料，平均濾速為10 m/h。

2.4 G-BAF 池

考慮隧道施工廢水出水水量的不確定性，為保證出水水質(zhì)達到排放標準，G-BAF 池設計處理能力為100 m3/h。分為5 組三級，單組單級的尺寸為5 m×5 m×4.5 m。在G-BAF 池中投加曝氣池有效容積50% ~ 60%的大孔生物載體，將高效微生物固定其上，同時前端設有配水區(qū)，末端設有集水區(qū)。設計COD 容積負荷為2.25 kg/(m3·d)，水力停留時間為25 h，氣水比為30 : 1[13-14]。

3 廢水處理效果分析

表2 各單元污染物去除情況

工藝各單元去除效率如表2 所示。

由表2 結(jié)果可知，采用“隔油沉淀池—一體化氣浮過濾設備—G-BAF 池”工藝處理鐵路隧道施工廢水，能夠有效去除水中的SS、CODcr、NH3-N、TN、石油類等污染物。通過隔油沉淀池及一體化氣浮過濾設備的聯(lián)合作用可有效去除水體中的SS 及石油類污染物，去除率分別為97%和80%。G-BAF 處理單元因其具有較強的耐沖擊負荷，能夠較好地適應隧道施工廢水排水量不均衡、水質(zhì)變化大的特點，主要用于去除水體中氨氮及TN 等污染物，單元去除率可達到85%。

G-BAF 工藝因其采用高效懸浮大孔載體及固定化技術，使該單元內(nèi)形成的微生物量大且不易脫落，這樣既提高了容積負荷和生化降解速度，保證了出水水質(zhì)，又避免了設備堵塞。同時，采用該技術的曝氣濾池體積是普通濾池的20% ~ 50%，且后端無需設置二沉池，減少了占地面積，從而節(jié)省了基建費用。G-BAF 采用固定化微生物載體，使處理單元內(nèi)厭氧和好氧環(huán)境同時存在，不僅可以發(fā)生同步硝化反硝化，適用于低碳氮比廢水處理，而且該單元內(nèi)微生物呈現(xiàn)分層和分群現(xiàn)象，生物鏈長，污泥產(chǎn)量是傳統(tǒng)生物處理工藝的3% ~ 5%。

綜上所述，這一處理工藝具有設計合理、運行穩(wěn)定及處理效率高的特點，且占地面積小、能耗低、產(chǎn)泥量少，適用于高懸浮物、低碳氮比的微污染隧道施工廢水處理。

4 結(jié)束語

隧道污水處理采用隔油沉淀池—一體化氣浮過濾設備—G-BAF 池廢水處理工藝，處理后的排水可以達到《水污染物綜合排放標準》(DB 11/307—2013)的B 級標準，一部分出水可作為再生水回用至生產(chǎn)線，節(jié)約了水資源、減少了環(huán)境污染，這一工藝可以為我國高懸浮物、低碳氮比的微污染隧道施工廢水處理的設計提供借鑒。