高速公路建设和运营期水污染控制技术研究

刘 杰

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

公路交通是国家交通动脉之一，对促进地方经济发展、文化交流以及加强国防建设等都有积极的作用。当前，我国公路建设正处于快速发展阶段，在众多资金投资渠道的保证下，全国各地掀起了高速公路建设的新高潮。高速公路的兴建在带来收益和便利的同时，也产生了一些负面的环境影响，其中水环境的污染问题便不容忽视。然而，目前公路行业的环境保护工作者多注重对生态环境的影响研究，如“道路的线性分割作用”以及“公路施工造成的水土流失”等，对水环境影响及其控制措施的研究相对较少。

1 高速公路水污染源分析

高速公路工程施工期和运营期的水污染源主要包括施工期生产废水、公路路面径流、服务区污水等。

1.1 施工期生产废水

高速公路施工期的建筑材料运输堆放、工程废渣、桥梁施工、隧道施工、混凝土拌合等均会对水环境造成不同程度的影响。总体来说，建筑材料运输堆放和工程废渣对水环境的影响是由于管理和防护不力造成污染物质从固体进入水体，通过严格的管理可以有效地避免和减少；桥梁施工对地表水的影响由于新的施工工艺的采用可以得到控制；隧道施工对水环境的影响由于工程施工技术的局限，如施工过程中的涌水，隧洞的水泥支护等，使得施工中废水水量和水质难以把控；而目前拌合站产生的废水多采用自然沉淀等工艺，难以满足相应排放要求。

(1)隧道施工废水特性。隧道施工的主要工序包括：帷幕注浆(钻机定位-设置孔口管-钻孔-测涌水量-注水试验-复合注浆-检查-注浆效果)-钻爆(测量-钻眼-装药-起爆)-出渣-初期支护(初期射混凝土-打锚杆-挂网和格栅支护-复喷混凝土)-二次模筑。上述施工工序中每个环节均可能带来水环境污染。

王会川等[1]描述万丈山隧道工程的施工废水水体呈灰色，且比较浑浊，对多个采样点水样进行检测发现SS和石油类均有超标，其中SS浓度在900～1 300 mg/L范围分布，超标严重。根据杨斌等[2]对隧道施工废水的现场监测(见表1)，施工期废水的SS、pH 值、CODCr均不同程度超标，其中SS超标最为严重，浓度在60～4 000 mg/L分布。

表1 分析项目浓度平均值

注：隧道涌水为隧道岩层渗水；隧道用水为隧道施工时用水；初期废水为隧道开挖初期的施工作业面废水；中期废水为隧道施工中期施工作业面的废水；末期废水为隧道施工接近贯通或已贯通时的施工废水。表中数值为多次取样分析数据的平均值。

总体来看，隧洞施工废水主要为高浓度悬浮颗粒物及pH值超标，部分施工点还存在CODCr超标现象。

(2)混凝土拌合站废水特性。高速公路工程施工过程中将使用大量的混凝土，混凝土拌和站废水主要来源于混凝土转筒和料罐的清洗，一般为每班制清洗一次，废水排水量根据生产规模发生变化，一般为3～10 m3/次。根据国内水电行业混凝土拌和站废水的监测，混凝土拌和站废水含有较高的悬浮物且含粉率较高，废水的pH值约为11，悬浮物浓度约为5 000 mg/L。因此，混凝土拌合站冲洗废水具有悬浮物浓度高、难处理、间歇性集中排放等特点，若不经处理直接排放，将对排放口附近水域环境造成局部污染。

1.2 公路路面径流

公路路面径流中的污染物主要来自于降雨对路面的冲洗，所以，路面沉积物是路面径流中污染物的主要来源。路面沉积物的组成决定着路面径流污染的性质。影响公路路面径流污染物成分的因素很多，包括机动车辆的通行、雨水本身的污染(成云雨核污染物及近地表大气污染状况有关)和大气降尘等。

美国加州交通部门在1997～1998年与1998～1999年期间对加州境内5条高速公路的路面雨水水质进行监测，用于研究路面雨水的污染问题[3]。监测结果显示：加州地区高速公路路面径流水质特征中SS的范围在203.8～748.8 mg/L，COD浓度为112.08～180.6 mg/L，石油类浓度小于5 mg/L。可见路面径流雨水中的主要污染物为SS，COD的污染情况次之。

1.3 服务区污水

高速公路服务区主要由冲厕废水、餐饮废水和车辆清洁维修废水三类组成，与其它污水相比，服务区污水有其独有的特点。冲厕废水氨氮及色度高，餐饮废水含动植物油较高，而车辆清洁维护废水所含泥沙颗粒物、石油类等较多。由于高速公路服务区主要以常住工作人员和过往旅客产生的生活污水为主，占比在40%以上，因此服务区污水中COD、BOD5、NH3-N、SS等的浓度较高。

高速公路服务区污水具有直接性、随意性、分散性、无规律性。服务区污水量直接受客流量、就餐人数和入厕比例等影响，天气、季节、时段以及其他一些特殊状况等因素也会造成车辆来往随机性增大，进而导致污水量具有较大的波动性，每季、每月甚至每天可能都不同，污水量的变化系数较大。

2 施工期废水处理技术研究

我国在水利水电工程建设中对高浓度悬浮物施工废水的处理做过一些研究和尝试。殷彤和殷萍[4]分析了水利水电工程施工期施工废水来源和主要的污染物质的特性，指出施工废水主要污染问题是悬浮物浓度高、pH值较高以及含有油性物质，其中悬浮物浓度是重点处理因子；同时，介绍了水利水电工程施工废水处理的常用方法等，并结合内江两河口水库工程实例对水利水电工程施工废水处理工艺进行了研究。

中国电建集团成都院与韩国晓林公司合作，开发出一套针对高浓度悬浮物去除的改进型一体高速凝集斜板沉淀池(Modified Packaged Inclined Clarifier with Accelerating Flocculation，简称“PICAF”)，是絮凝和沉淀一体型高浓度悬浮颗粒物废水处理设备。该设备与常规的沉淀池相比，其优势之一是采用了倾斜板的沉淀方式，其二是该设备集絮凝和沉淀于一体，具有处理效率高、占地面积小，且能够实现模块化生产，产品具有加工和安装灵活、方便等特点。PICAF系统的工艺流程见图1。

图1 PICAF废水处理工艺流程

原水由取水口抽入曝气调节池(曝气的作用是防止泥渣在池中沉淀)，然后经潜水泵从曝气调节池抽至PICAF顶部加药，药剂和原水通过搅拌电机混合后流入到系统的核心设备PICAF反应池，反应池中心滑动锥板和缓冲板为原水和絮凝剂进一步自然碰撞、混合提供条件，以达到更好的絮凝反应效果。反应池尾水从沉淀区下部开始向上移动，在上升过程中，泥水混合液遇到倾斜档板，清水通过挡板边的缝隙继续上升，沉淀物被挡板挡住下沉。沉淀分离的清水经过PICAF顶部出水区溢流堰流至清水池，沉淀泥渣聚在浓缩区进行浓缩后排至污泥浓缩池，并定时抽至压缩脱水机压滤脱水外运。

总体来说，PICAF系统集絮凝反应和沉淀于一体，与常规沉淀池相比，现场施工简便，土建工程量小，初期投资少。将絮凝和沉淀工艺合为一体，占地面积小，所需用地仅为常规沉淀池的1/6～1/4左右，适用于土地资源紧张的高速公路项目。而且，PICAF处理系统具有配套设施完善、技术成熟、动力成本低等特点，且能够实现模块化生产，产品的加工与安装灵活，操作方便，能有效避免污泥板结等问题，在国内高速公路建设工程的高浓度悬浮物废水处理领域有较好的推广价值。

3 公路路面径流处理技术研究

雨水径流污染控制措施可以分为工程(技术)措施和非工程(技术)措施。前者主要针对不同情况的污染采用滞留池、入渗设施、植物性处理设施等，并借助物理、化学、生物等技术减少污染总量；后者主要采取一些路面维护措施、管理办法、经济手段、政策法规等来达到综合污染控制的目的。国内外减小地表及公路路面径流污染比较有效和实用的措施主要包括路面清扫、植物控制、滞留池、渗滤系统和人工湿地系统等。

高速公路路面径流污染物主要为SS和COD，无需考虑深度处理工艺；路面径流雨水是依附高速公路而产生的，要求处理工艺流程简单，建设投资少，维护方便，成本低廉，无需人力管理。结合以上因素，人工湿地工艺是相对理想的路面径流雨水处理工艺。公路路面径流的水质水量变化较大，因此在设计路面径流人工湿地时，应选择具有较强适应能力的生物群，通过项目所在区域水生植被进行调查，筛选出去除率好、生命力旺盛的原生水生植被，并对这些植物进行分析，根据植被在遗传特性、生长习性等方面的差异，选择最优搭配物种，使多元群体组合缺点得以避免，优势得以互补。

4 服务区污水处理技术研究

目前，高速公路服务区污水处理工艺可分为好氧处理工艺、厌氧处理工艺、好氧-厌氧联合处理工艺和生态处理工艺等。好氧处理工艺主要包括传统的生物接触氧化工艺、SBR法、MBR法、MBBR法等；厌氧处理工艺主要有厌氧滤池(AP)、上流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧接触膜膨胀床反应器(AAFEB)和厌氧流化床(FB)等；好氧-厌氧联合处理工艺主要有A/O工艺、A2/O工艺等；生态处理工艺主要包括人工快渗、人工湿地和阿科蔓生态基等。

从技术成熟度、稳定性、处理效果、建设成本、运行成本、可操作性等方面对四类处理工艺进行比选。具体工艺比较分析如表2所示。

表2 高速公路服务区污水处理工艺比较分析[5]

总体来看，四类处理工艺均较成熟，具有较好的稳定性，但好氧处理工艺抗水量冲击能力较差，不适用于高速公路服务区这种水质水量变幅较大的污水。从建设成本和运行成本来分析，好氧处理和好氧-厌氧处理工艺成本较高。根据近年来国内外专家的论证与实际工程的运行情况，活性污泥法、生物膜法、A/A/O法等污水处理工艺在一次性投资、能耗和运行费用等方面的要求均较高，可能造成高速公路服务区污水处理系统“建得起、运行不起”的局面。另外，从可操作性来分析，好氧处理和好氧-厌氧处理工艺需要聘请专业人员操作和维护，而厌氧处理和生态处理工艺的运行管理相对简单。

综上所述，生态处理和厌氧处理工艺能耗低、抗水质水量冲击性能力强、处理效果较好、便于管理维护，是优先考虑用于高速公路服务区污水处理的工艺。对于沿线水源地保护区等敏感点较多的高速公路，为提高服务区污水处理效果，更好地保证公路沿线水环境，推动高速公路沿线污水“零排放技术”，推荐采用组合工艺，如“UASB+人工湿地+阿科蔓深度处理系统+消毒回用系统”的组合处理工艺对服务区污水进行处理。

5 结 论

(1)本文从高速公路水处理理论和实践出发，系统总结了一套包括施工期废水处理技术、公路路面径流处理技术、服务区污水处理技术等内容的高速公路水污染控制措施体系，为新建高速公路的水污染控制提供借鉴。

(2)该水污染措施体系仅从工程措施方面提出水质保障体系，未完全考虑源头减少污染输入、非工程措施等的协同作用，仍存在一定的局限性。要提高该领域的整体技术能力，相关研究工作还任重而道远。

(3)我国高速公路建设和运营期水污染控制技术研究尚处于起步阶段，很多处理工艺是在其他废水处理系统的基础上进行改造并逐渐完善的，有些工艺甚至并没有真正结合高速公路的项目特点，在今后的工作中应根据高速公路的实际情况进行合理设计和改造。国内路桥面径流废水的研究和应用资料较少，应逐步开展不同地区桥路面径流废水水质成分、迁移途径和收集处理措施的研究。