隧道废水处理技术进展

2019-02-13吴世红

山西建筑 2019年20期

关键词：混凝剂混凝悬浮物

吴世红

(1.交通运输部天津水运工程科学研究院，天津 300456； 2.天科院环境科技发展(天津)有限公司，天津 300456)

1 隧道废水概述

本文研究隧道废水主要是隧道在建设时期产生的全部废水。隧道建设时期废水主要包括隧道涌水、隧道施工废水、雨水、生活废水等。隧道废水如果不经处理直接排放，势必会对周围的生态、环境等造成影响。

1.1 隧道施工废水

1)隧道施工废水来源。隧道施工废水主要的来源是工程开挖，如过程中的混凝土的喷射、注浆、钻机穿孔、炮孔水封、爆破后尘降、混凝土搅拌站冲洗设备等过程产生的废水及施工过程使用的空压机、运输汽车、混凝土拌合机等机械设备的油污染[1]。

2)隧道施工废水特点。a.隧道在施工过程中，对水质和水量的变化情况是极其不稳定的,在不同的施工时段、不同季度的施工和不同地区的工地有很大的不同。b.施工废水的主要成分有岩屑、泥浆、有机处理剂、无机盐等。c.SS为首要污染物，机械油类污染为次要污染物。d.隧道施工废水pH一般为碱性。主要是隧道施工过程中使用的大量的混凝土、焊强剂等材料，这些材料水解会产生钙的硅酸化合物和钙的氢氧化物等物质,它们在水中表现为碱性,是造成了水中pH值升高的原因之一。e.COD、氨氮、总磷等含量均较低，大部分符合污水综合排放一级标准。

3)隧道施工废水主要污染物分析。隧道施工废水的污染物以悬浮物SS为主，含有部分油类，pH值超标，其余指标如：COD、氨氮、总磷等含量均较低。其中公路隧道施工废水中SS和油类含量偏高,而地铁和铁路隧道施工废水中SS含量偏高[3]。隧道施工时在混凝土应用中，搅拌砂浆和混凝土等物质会随着隧道涌水进入水环境中。进入水环境中的这些物质又会被再次带入地表水体,导致地表水体值，尤其是悬浮物的浓度升高。隧道施工过程使用的空压机、运输汽车、混凝土拌合机等机械设备也会对水体造成不同程度的油污染。另外,洞内运渣机动车排出的尾气、爆破时产生的一系列物质、岩石的不同组分溶于水或矿物因风化而发生溶解,会有大量的离子产生，其中阳离子有铁离子、锌离子、钾离子、钠离子、钙离子等，阴离子有硝酸根离子、硫酸根离子等进入地表水体，污染水体[13]。

1.2 隧道涌水

涌水是隧道施工中常见的一种地质灾害，由此引起隧道被淹、围岩失稳及塌方等事故，给隧道安全施工带来较大威胁。

1)隧道涌水的来源。隧道是修建在地下的工程，施工中穿越赋存地下水的地层地段，含水量较多地段的地质构造或经地下水长期流通而形成的通道一旦被揭露，大量地下水便会涌向隧道，从而引发涌水、突泥等灾害。王国斌等人研究发现岩溶地层中有岩石多重孔隙、裂隙或溶隙，隧道施工过程中伴随有水动力条件和围岩力学平衡状态的急剧改变，含水围岩或潜在含水围岩因此被破坏，严重时会揭露部分地下原有的天然导水通道，导致该施工地段的地下水或与地下水有水力联系的其他水体，特别是存在地下暗河及溶洞等的特殊情况下，这些涌水突然进入隧道，发生较大影响[6]。

2)隧道涌水的特点。隧道涌水一般水量较大，来源于地下水，水质与地下水水质接近，水质较良好，无人为污染源。特殊地质条件下表现为高盐量、高矿化度[1]。地下水或暗河水在涌出的过程中会携带大量的颗粒物、悬浮物，因此涌水含有大量的SS，部分可溶解盐类及重金属盐。

3)隧道涌水主要污染物分析。隧道涌水来源于地下水，故其本身水质较良好，仅在特殊地质条件下时含有Ca2+,Mg2+，重金属等污染物。

2 隧道废水处理现状

由于隧道废水水质特点及施工场地、时间周期等影响，隧道废水的处理目前主要采用的是物理化学方法，包括沉砂、混凝、沉淀、气浮、过滤和吸附等[14]。

2.1 组合工艺

杨晓盟等对秦岭隧洞施工废水进行研究，发现该施工废水是无机物污染型废水，含有较高的悬浮物，COD含量较低，氮磷含量也较低。提出以混凝+沉淀+锰砂过滤+吸附为核心的处理工艺，该处理工艺可去除90%以上的悬浮物，约85%的COD，以及约65%的氨氮[2]。刘伟等对天目山施工废水进行检测，发现天目山隧道施工废水中典型污染因子是SS和pH，其中SS最大质量浓度达到2 796.21 mg/L,pH最大达11.62，COD,TP和NH3-N均不超标。遂设计了“初沉+混凝+沉淀+过滤”的处理工艺[5]。水样经处理后均可达到排放标准。

佟洪广在处理炭质板岩隧道施工过程产生的废水时，由于地质原因，该废水除含有大量的SS，色度、浊度等指标均超标。故设计了以快速泥水分离自动过滤+二氧化氯消毒为核心工艺的处理技术，出水符合GB 8978—1996污水综合排放标准中的一级标准[8]。吴楠等针对成兰铁路在高海拔低温地区隧道施工时废水水温低的特点，设计了强化混凝/沉淀/过滤工艺处理该废水。该工程处理效果好，出水水质好，可达标排放[9]。

经过大量的文献阅读，隧道废水大多属于高悬浮物，低COD、少量氮磷等营养物、无重金属等有毒有害物质的无机污染性废水。所以隧道废水处理的一般流程为：混凝+沉淀+过滤+吸附。

2.2 混凝工艺

由于悬浮物是隧道废水的首要污染物，隧道废水处理过程中混凝显得尤为重要。混凝剂的混凝效果直接影响出水水质。按照混凝剂的化学成分可以分为无机混凝剂、有机高分子混凝剂、微生物絮凝剂等。无机絮凝剂主要包含铝盐、铁盐为主无机低分子絮凝剂和以聚合氯化物、聚合硫酸物、聚合硅酸物为主的无机高分子絮凝剂。有机高分子絮凝剂主要分合成、天然两种。合成有机高分子混凝剂主要为聚丙烯酰胺、水解聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、乙烯吡啶共聚物等，天然高分子混凝剂主要有甲壳素、动物胶、腐殖酸、木质素和淀粉衍生物等。目前应用较为广泛的是以各种聚丙烯、聚铵等为主的有机高分子混凝剂，以及以各种聚合氯化铝盐、铁盐等为主的无机混凝剂[15]。

薛正分别用聚合氯化铝、硫酸铝及聚合铝—有机高分子复合混凝剂对某铁路隧道施工过程中产生的废水进行絮凝沉淀研究。最终得到三者的出水效果较为接近，均可以达标排放。其中相比于聚合氯化铝、硫酸铝，聚合铝—有机高分子复合混凝剂对废水的处理效果更好，对SS的去除效果更好[4]。

娄掌印以天目山隧道施工过程中产生的废水为研究对象，发现该隧道废水SS严重超标，pH值为10.09，其余氨氮、COD、总磷、含油量等指标均达标。故选取聚合硫酸铁、硫酸亚铁、硫酸铝和聚合铝—阳离子有机高分子絮凝剂4种絮凝剂分别对隧道施工中产生的废水进行絮凝沉淀处理。结果表明，当絮凝剂投加量为30 mg/L时，4种絮凝剂对SS的去除效率分别为77%,75%,74%,95%。去除效果最好的是呈酸性的聚合铝—阳离子有机高分子絮凝剂[7]。

吴楠等人在设计处理成兰铁路(高海拔低温地区)隧道废水时，利用自行研制的高效混凝剂，将水温分别设置为5 ℃,10 ℃时的条件下，结果表明：与PAM,PFS相比，复配高效混凝剂WDS-Ⅱ对低温废水的处理效果更优，可适应低温条件[9]。

张雯在实验模拟秦岭包家山隧道废水，研究水泥对隧道废水的混凝处理效果。实验得到水泥对CODCr的去除率最高为41.9%，硝基苯的去除率最高可达40.5%[12]。并采用硫酸铝处理相同的废水得到水泥对废水的处理效果与硫酸铝没有明显差别，故可将水泥作为药剂处理隧道废水。这一研究不仅实现了废弃水泥的资源利用，还降低了处理成本，同时操作简单，设备构造简单，易于实现。

经过大量的文献阅读，处理常规隧道废水时，聚合型有机高分子复合混凝剂的絮凝效果最佳。低温或其他苛刻条件下，可研制适应该环境的高效混凝剂。

2.3 集成工艺

杨斌、莫苹在常规工艺、优化构筑物选型和布置的基础上进一步改进和强化，研发了集混凝沉淀于一体的钢结构隧道施工废水的处理设备，即废水双联处理设备。该设备主要构件包括管道静态混合器、旋流反应器和斜板(管)固液分离器。首先废水经水泵提升进入设备，设备进口设一级处理设备管道混合器，管道混合器的作用是将废水与混凝剂充分混合，混合后的废水，流经二级处理设备旋流式反应器开始发生混凝反应；其次经混凝反应后的废水进入三级处理设备斜板沉淀区进行沉淀，实现了固—液分离；最后沉积下来的污泥进入污泥斗被收集，得到的清水经三角堰流出[10]。该设备成功运用在了云南武昆高速公路某隧道工程。隧道废水经初沉池后直接进入该处理装置。设备运行效果良好，出水pH值、SS、石油类、COD和氨氮等指标均能达到污水综合排放标准中的一级标准。实践证明该设备具有处理效率高、耗能低、占地面积少、结构紧凑、运行简单的优点。

王会川利用水力旋流器设计了一种快速絮凝—旋流快速分离系统。将该系统应用于万丈山隧道施工废水的处理中，实践证明出水水质达到GB 8978—1996污水综合排放标准中的一级标准要求[11]。但该快速分离分离装置还处于初期试验阶段，其经济性、可行性还需要进一步研究。

目前隧道废水的集成工艺研究较少，如何将隧道废水处理模块化、集成化，还需要大家的努力。