隧道施工废水处理研究

周文哲

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043）

随着我国铁路建设的快速发展，预计到2020年全国铁路营业里程将达到15 万km，其中高速铁路约3 万km。在铁路项目中，隧道工程所占的比例日益增加。隧道施工废水主要来源于掌子面的钻孔废水，降尘、喷射混凝土及注浆产生的废水以及机械维修漏油。废水水质一般呈弱碱性，含有高浓度悬浮物（Suspended Solid，SS），少量的化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、氨氮、石油类等污染物［1-2］。如果不进行有效处理，势必会对周围的生态环境造成严重污染［3-7］。本文根据隧道所处地质条件及废水排放标准，对施工废水的处理工艺进行总结，对提高废水处理效率及节省工程投资具有现实意义。

1 隧道施工废水来源

隧道施工废水主要来自2方面：

1）隧道穿越不良地质单元时产生的涌水。涌水主要来自地下水，即孔隙水、裂隙水和岩溶水。该部分地下水水量大、水质良好，达到隧道施工废水排放标准，如果施工过程中不被污染可以直接排放。但在现有的铁路建设项目中，从衬砌出来的清水在排出隧道过程中极易被掌子面排出的废水和机械泄露的油类污染。大部分隧道施工过程普遍没有做到清污分流，衬砌出来的清水与掌子面施工产生的废水混合在一起排出洞口。这样直接导致要处理的水量增加，加大了工程投资及运行成本。

2）钻孔和爆破产生的废水，爆破后降尘所产生的废水，以及喷射混凝土和注浆产生的废水。不同隧道因地层岩性的差异水质会有较大的差异。相同的隧道也会因为工期、施工作业时间的变化以及隧道的突然涌水造成水质和水量发生较大的变化。各种隧道施工废水污染物均以SS 为主，还有少量的COD 及石油类污染物［8-9］。

2 国内外隧道施工废水处理研究现状

2.1 国内情况

隧道多处于地形复杂的山区，场地一般较小。受地形条件限制，隧道施工废水不宜采用复杂的处理工艺［10］。在国内现有的隧道废水处理工艺中，多采用沉砂、混凝沉淀、气浮、过滤等工艺［11］。

在建的库格线阿尔金山隧道采用钻爆法施工。隧道进口段穿越上第三系泥岩夹砂岩地层，泥岩具弱膨胀性。该隧道地处阿尔金山自然保护区，设计中废水处理采用平流沉砂池+隔油沉淀池+一体化两级气浮过滤设备［12］。在建的阳安二线沿线隧道距离汉江水体较近，因此全线的隧道施工废水处理采用了同格库线一样的方法［13］。在建的银西线陕西境内的南惠隧道、新永寿梁隧道、郭村隧道、徐家店隧道均分布于湿陷性黄土地区，属于典型的黄土隧道，隧道施工废水处理也采用了上述方法［14］，见图1。

在建的郑万线、玉磨线、拉林线隧道施工废水处理采用混凝沉淀+气浮+过滤工艺，见图2。成昆线隧道施工废水处理采用混凝沉淀+过滤工艺。

图1 格库线、阳安二线、银西线隧道施工废水处理工艺

图2 郑万线、玉磨线、拉林线隧道施工废水处理工艺

2.2 国外情况

国外的学者也对隧道施工废水处理做了一系列研究。Lee 等［15］应用微滤（microfiltration，MF）和反渗透（reverse osmosis，RO）系统的中试组合对隧道施工废水进行处理。首先利用MF 膜系统将废水的浊度降低到0.3 NTU 以下，然后再利用MF-RO 组合工艺可以有效地去除99%以上已知的有机和无机污染物，使其达到再生水利用水质。

Tsai 等［16］采用化学反应+微滤处理合成的隧道施工废水，其中SS 浓度为（2.53±0.36）g/L，可溶性二氧化硅浓度为（1.41±0.20）g/L。试验结果表明：化学反应+微滤处理工艺能有效降低废水的浊度。化学试剂剂量和pH 值是影响二氧化硅去除效果的主要因素。当氯化钙浓度为1 000 mg/L，pH 为8时，二氧化硅浓度可降低到187.1 mg/L。继续增加氯化钙用量并不能提高二氧化硅去除率。pH 值为8～9 时，氯化镁对二氧化硅的去除比氯化钙更有效，并且残余的二氧化硅可以降低氯化镁的用量。Lee 等［17］采用两步微滤和反渗透系统对隧道废水进行处理，污水先经过微滤系统去除微污染物如SS 和重金属，将废水的浊度降低到0.2 NTU 以下，将 COD 降低到 1.1 mg/L 以下，将总锰量降低到0.8 mg/L 以下。然后再进入反渗透系统，对污染物的去除率达到95%以上，将废水的浊度降低到0.02 NTU 以下，COD 降低到 0.5 mg/L 以下，总氮降低到0.04 mg/L以下。采用反渗透系统可以显著降低隧道废水中的高浓度盐度，将盐度降低到接近于0。采用此工艺处理后隧道施工废水的水质可以满足当前韩国再生水的处理回用标准。

3 郑万线小三峡隧道施工废水处理现场试验

对已投入运营的郑万铁路小三峡1号横洞隧道施工废水处理工艺进行现场试验研究，此隧道采用了沉砂+混凝沉淀+气浮+过滤组合工艺。分别对混凝沉淀、气浮、过滤各环节对SS 的去除效果进行了监测和分析。废水处理站设计流量为60 m3/h，实际进水流量65 m3/h，混凝药剂采用聚合氯化铝（Poly Aluminium Chloride，PAC），监测频率1次/2 d，评价各环节对SS的去除效果。

3.1 混凝沉淀

混凝沉淀对SS 的去除率见图3。可见：混凝沉淀对SS 去除率为86.0%～89.4%，出水中SS 浓度在110～174 mg/L，混凝沉淀对SS 的去除率较高。SS 的去除率随着进水浓度的升高有所降低。因此，当废水处理设施面对一定冲击负荷时，可采用加大投药量等措施予以缓冲，提高SS 去除率，减轻后续处理单元的压力。但是SS 出水浓度仍然无法满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》一级标准（SS 浓度≤70 mg/L）的要求。因此，对于排放标准较高的隧道污水处理站，仅采取沉砂+混凝沉淀工艺无法满足要求。

图3 混凝沉淀对SS的去除率

3.2 气浮

气浮对SS 的去除率见图4。可见：气浮对SS 的去除率为7.1%～21.3%，SS出水浓度在102～153 mg/L，气浮对SS 去除率较低。另外，出水中SS 浓度仍然无法满足GB 8978—1996 中一级标准的要求，由此可以判断，气浮对于SS 的去除作用不大。在以SS 为主要污染物的隧道施工废水处理设计中，不建议设置气浮环节。

图4 气浮对SS的去除率

3.3 过滤

过滤对SS 的去除率见图5。可见：过滤对SS 的去除率为52.9%～64.7%，出水中SS 浓度在40～59 mg/L，去除率较高。在进水中SS浓度升高的情况下，过滤环节出水中的SS浓度保持相对稳定，在一定程度上验证了过滤对于SS去除效果的稳定性，并具有一定的抗冲击负荷能力。另外，出水SS 浓度满足GB 8978—1996中一级标准的要求。由此可以判断，过滤对于SS的去除效果较好。

图5 过滤对SS的去除率

3.4 沉砂+混凝沉淀+气浮+过滤组合工艺

沉砂+混凝沉淀+气浮+过滤组合工艺对SS 的去除率见图6。可见：组合工艺对SS的去除率为95.4%～98.9%，水质的波动对SS 去除效果影响不大，出水中SS 浓度稳定在38～59 mg/L，组合工艺保持了较高的去除效率。出水中SS 浓度满足GB 8978—1996 中一级标准的要求。

图6 组合工艺对SS的去除率

通过现场试验监测得到各环节对SS 的去除率及累计去除率，见表1。

表1 各环节对SS的去除率及累计去除率 %

由表1可知：组合工艺中气浮环节对SS 去除的贡献最小，效果不佳。由此可以判断，在以SS 为主要污染物的隧道施工废水处理设计中，一般设置沉砂+混凝沉淀+过滤组合工艺就可以满足较高的排放要求，气浮环节可取消。当隧道施工废水中带有石油类污染物，并且浓度超过相应排放标准时，可以考虑增加气浮环节。

4 结论

1）从水质来看，隧道施工废水中污染物主要为SS，还含有少量的COD、氨氮、石油类等污染物。处理SS主要采用沉砂+混凝沉淀+过滤组合工艺。

2）对隧道施工废水国内多采用气浮处理工艺。从小三峡隧道施工废水处理试验结果来看，沉砂+混凝土沉淀+气浮+过滤组合工艺对SS 的去除率为95.4%～98.9%。其中混凝沉淀、过滤对SS 去除效果较好，去除率分别稳定在86.0%～89.4%，52.9%～64.7%；气浮对废水中SS 去除的贡献最小，对SS 的去除率仅为7.1%～21.3%。

鉴于隧道施工废水的水质特点，建议当石油类污染物含量较低时去掉气浮环节以简化处理工艺，节省工程投资。