G575东天山隧道施工污水处理工艺研究

官黎明 栾治军 张帅 蒋叶青 宋增龙 李玉英

摘 要：隧道施工污水能够通过径流和渗流污染当地土壤和植被，进而污染地表水体。为了考察东天山隧道公路施工污水的污染程度，本研究对隧道污水处理工艺中几个关键段进行了水质指标的现场测定。结果发现，隧道出水口pH为8.80，排放的水流浊度低于29.48 NTU;化学需氧量为7.52 mg/L，氨氮含量为0.33 mg/L;总氮为0.55 mg/L，总磷为0.01 mg/L。各项指标均符合《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的基本项目标准限值，不会对当地地表水造成污染，公路施工没有对东天山隧道水质造成明显的影响。

关键词：东天山隧道;公路施工;水质;在建工程

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）02-0077-05

Research on Wastewater Treatment Technology for G575 East Tianshan Tunnel Construction

GUAN Liming1 LUAN Zhijun1 ZHANG Shuai1 JIANG Yeqing2 SONG Zenglong2 LI Yuying2

（1. Bridge and Tunnel Engineering Co.， Ltd. of CCCC First Highway Engineering Co.， Ltd.，Hami Xinjiang 839000;2. School of Water Resources and Environmental Engineering， Nanyang Normal University，Nanyang Henan 473061）

Abstract： Tunnel construction sewage can pollute local soil and vegetation through runoff and seepage， and then pollute surface water bodies. In order to investigate the pollution degree of the sewage from the construction of the East Tianshan Tunnel， this study conducted on-site determination of water quality indicators in several key sections of the tunnel sewage treatment process. It was found that the pH of the tunnel outlet was 8.80， the turbidity of the discharged water was lower than 29.48 NTU; the chemical oxygen demand was 7.52 mg/L， the ammonia nitrogen content was 0.33 mg/L; the total nitrogen was 0.55 mg/L， and the total phosphorus was 0.01 mg/L. All indicators are in line with the basic project standard limits of the "Surface Water Environmental Quality Standards" （GB 3838—2002）， and will not pollute the local surface water， highway construction has not significantly affected the water quality of the East Tianshan Tunnel.

Keywords： East Tianshan Tunnel;highway construction;water quality;construction in progress

公路施工会带来水体污染、大气污染、噪声污染和固体废物污染等生态问题，其中，水体污染来源广泛。桥梁施工期间，物料、机械漏油、建筑垃圾和生活垃圾等直接进入水体，会使水中的悬浮物、油类、耗氧物质增加;隧道施工期间，钻孔和运输机械的漏油、炸药爆炸后的部分残留物和岩土微粒进入水体，也会导致水体污染[1]。水体污染会影响周围居民的生活用水，进而影响其正常生活和社会稳定，因此要加强公路施工对水质影响状况的评估[2]。

东天山隧道区域是西风系统控制下的气候变化敏感区和生态环境脆弱区，该区气候极端干旱、土壤条件差、土层薄弱、植被稀疏、风沙活动频繁，有较长的寒冷期和干旱期，自然生态环境非常脆弱。东天山隧道区域水文气象条件也比较复杂，天山南坡水系葫芦沟和小白杨沟为2个水环境敏感区，隧道区地势较高且起伏大，不利于地表水的储存，对于山间的多数冲沟来说，仅在雨季时，雨水沿两侧坡体汇集径流，大多是季节性溪流，水量较小。另外，東天山隧道进口处是一块巨大的天然牧场——松树塘军马场，以发展畜牧业为主，饲养有马、牛、羊和鹿等牲畜，这些因素决定了生态环境受到破坏以后恢复起来异常困难。因此，施工过程中水资源合理利用及保护就格外重要[3-4]。

研究人员于2018年和2019年对隧道污水处理工艺中几个关键段进行了水质指标的现场测定，主要从公路施工过程中东天山隧道污水处理及其效果方面展开研究，以期为公路隧道污水处理提供有益参考。

1 研究方法

1.1 区域概况

G575线巴里坤至哈密公路建设项目位于哈密市，北起东天山北坡的巴里坤哈萨克自治县，南至东天山南坡的哈密市伊州区，东天山隧道为左右分离式特长隧道，左线长度为11 870 m，右线长度为11 900 m，为超长公路隧道。

1.2 隧道出水口水质的确定

东天山隧道采用钻爆法施工，隧道洞身岩性主要有凝灰质粉砂岩、砂岩、花岗岩、闪长岩和凝灰质砂岩。隧道施工过程中最主要的污染物为石油类、混凝土和速凝剂，另外还有部分打钻过程中产生的岩粉、裂隙中夹杂的泥沙等。

东天山隧道公路在施工过程中采用了他人的专利技术[5-6]，对公路施工污水进行污水过滤、滤板清洗、加药处理及再次过滤，通过处理使污水达到排放要求。

1.3 样地设置与信息收集

为确切地查明隧道渗水的污染来源和排放问题，本研究分别针对隧道出水口、污水第一沉淀池出水、第二池出水、第三池出水、最后出水、汇入口上游和汇入口下游设置了采样点，然后根据检测结果进行综合分析。隧道排水执行《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）一级，检测项目包括化学需氧量、氨氮等常规指标。

为全面了解整套污水处理装置的效果，本次检测设置了7个采样点（见图1），采用每周采样一次、为期一个月的检测方法，采样点分别是斜井出水口A、第一池出水口B、第二池出水口C、第三池出水口D、最后出水口E（即汇入口E）、最后出水和工地边河流上游水F、出水与河流水汇合后约100 m处G。数据监测的采样条件为：静风，晴，温度18～25 ℃，气压100～101 kPa。

1.4 数据处理方法

本研究使用Origin75进行数据分析与绘图。

2 结果与分析

2.1 东天山隧道出水pH时空动态变化

出水pH的影响因素较多，在公路隧道施工过程中，受施工建设活动及生活排污的影响，随着水中钾、钠、钙和镁等阳离子盐类的增加，pH将走高。另外，由于高温和缺氧，水生生物快速大量生长，破坏了水体中碳酸氢盐的水解平衡，生物利用水中二氧化碳进行光合作用，使得水中氢氧根离子含量增加，氢氧根离子又使碳酸氢根的电离平衡朝生成碳酸根离子的方向移动，从而导致水中碳酸根离子浓度增大，总碱度增加，pH走高[7]。

由图2可知，隧道区域的自然水流略显碱性，pH为8.0～8.5，进水略显碱性，说明自然水中浮游藻类生长状况良好，光合作用大于呼吸作用，消耗了水体中较多的CO32-;隧道出水口未经过处理的水偏碱性，pH为9.36～11.00，相差较大，说明公路隧道施工过程中虽然采取了众多减少水体污染的措施，但还是导致水体受到一定的污染。经过沉淀池和污水处理站处理后，pH降到8.45～9.00，就五次采样平均值来看，隧道出水口的pH为10.18，处理过后pH为8.80，污水处理装置运行良好，污水处理措施到位，效果明显，因此污水处理检测结果符合《地表水质量排放标准》（GB 3838—2002）要求。

2.2 东天山隧道出水浊度检测

浊度是指水中悬浮物对光线透过时所产生的阻碍程度。水中的悬浮物一般是泥土、砂粒、微细的有机物和无机物、浮游生物、微生物和胶体物质等。水的浊度不仅与水中悬浮物的含量有关，而且与它们的大小、形状及折射系数等有关。水中含有诸多悬浮物和胶体物，其都可以使水的浑浊上升。通常，浊度越高，溶液越浑浊[8-10]。

各采样点浊度动态变化如图3所示，从图中可以看到，上游水的浊度为0 NTU，而经过公路隧道施工区域后，浊度大幅提高，第一出水口附近浊度超过800 NTU，说明隧道施工产生了大量难溶性悬浮物，这些悬浮物可能是施工带来的山体废弃物。经过第一池处理后，浊度降到800 NTU;经过第二池处理后，浊度降到400 NTU，下降幅度明显;经过第三池处理后，浊度再次下降50%，仅为200 NTU，汇入河流后，下游浊度仅为0 NTU，与上游一致。

2.3 东天山隧道出水化学需氧量检测

化学需氧量（COD）是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。它表示在强酸性条件下重铬酸钾氧化1 L污水中有机物的需氧量，可大致表示污水中的有机物量。在污水处理中，它是一个能较快测定有机物污染的参数，能够反映水体的污染程度。

化学需氧量污染的治理应采用“疏”“堵”“治”相结合的办法，一方面提升排放标准并采取各种积极措施减少污染物的排放，另一方面大力发展绿色经济，使绿色经济成为各地的支柱产业，在此基础上通过治理才能从根本上解决污染问题[11]。

各采样点化学需氧量动态变化如图4所示，从不同取样周期分析，第一出水口化学需氧量先升高后降低，在第三周达到最高点（18 mg/L），而最低点为16 mg/L。第一池、上游、汇入后下游的化学需氧量各周期波动均比较平缓，其他采样点波动幅度略大，样品的预处理、溶解氧、温度、pH、污泥、营养物添加等都会影响化学需氧量的测定结果。汇入后下游的化学需氧量仅为6～8 mg/L，与处理前相比降低62.5%，降幅明显，污水处理效果良好。

从不同取样点分析，第一出水口化学需氧量最高，其他各池化学需氧量依次降低，上游和汇入后下游的化学需氧量最低，经过污水处理后，化学需氧量下降明显，处于较低的水平。各采样点化学需氧量最高为18 mg/L，达到国家Ⅲ类地表水的要求，而汇入下游的化学需氧量仅为6～8 mg/L，达到国家Ⅰ类地表水的要求，这充分说明东天山隧道口水体质量整体较好，经过污水处理，东天山隧道口水体质量更佳。

2.4 各采样点氨氮检测

氨氮是指水中以游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮。动物性有机物的含氮量一般较植物性有机物高。同時，人畜粪便中的含氮有机物很不稳定，容易分解成氨。水合氨是引起水生生物毒害的主要因子，而铵离子基本无毒。

各采样点氨氮动态变化如图5所示，从不同取样周期分析，各采样点氨氮检测结果呈现先降低后升高的趋势，最低点位于第3周。氨氮降解菌可以分解转化氨气，降低臭味，又被称为除臭菌。目前已经发现的氨氮降解菌有硝化细菌、亚硝酸菌和反硝化细菌，如杆菌、球菌、螺旋菌等，还有真菌、放线菌和异养细菌，如酵母菌属、腐生菌等。研究表明，氨氮降解菌多为革兰氏兼性厌氧菌，菌株在pH=3～7、温度为20～35 ℃的环境下生长良好[12]。氨氮检测结果显示，各周期最高点出现在第4周，而本研究取样检测处于8月、9月，说明在第4周，环境因素导致氨氮降解菌活性降低，转化降解速率放慢，从而影响氨氮控制效果。整体来看，氨氮各周期变化趋势与前面几个指标情况相同。

从不同取样点检测结果分析，第一出水口氨氮含量最高，达到1.8 mg/L，水质为国家Ⅴ类地表水。而汇入后下游的氨氮量最低，仅为0.26 mg/L，同比降幅达到85.6%，水质也达到国家Ⅱ类地表水要求，这充分说明污水处理效果显著，而且东天山隧道口出水水质优良。

2.5 东天山隧道出水总氮检测

氮是生态系统中很活跃的元素之一，它的转化运移规律涉及物理、化学及微生物等作用，与水体富营养化关系密切。大量含氮污水排入自然水体，会导致水体溶解氧（DO）急剧降低，造成水体发臭。总氮是硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮、蛋白质、氨基酸和有机胺的总称，包括水中各种形态的无机氮和有机氮，是反映水体富营养化的主要指标，是衡量水质的重要指标之一。总氮以每升水含氮毫克数计算，常被用来表示水体受营养物质污染的程度。

总氮的去除影响因素包括温度、pH、碳源、细菌微生物、氧化环境和酸碱条件等，具体方法有生物法和化学法，两者的原理有类同点，也有不同点。目前，大多数污水处理厂均使用生物法。影响因子包括物理、化学、生物等方面的多个因素[13]。

各采样点总氮动态变化如图6所示，从不同取样周期检测结果分析，各采样点检测结果呈现先升高后降低的趋势，最高点为2.5 mg/L，位于第四周，前三周變化比较平稳，第五周比第四周略有下降。总氮的去除影响因素主要受到温度的影响，在一定范围内，温度越高，氮元素的转化速率越大。硝化过程是有氧和微生物参与下的放能过程，散热有利于硝化;硝化过程为吸能反应，升高温度有利于脱氮[13]。根据亚硝酸盐氮、硝酸盐、氨氮的变化趋势，总氮变化符合预期。上游和汇入后下游的总氮在整个取样周期中变化都十分平缓，检测结果均在0.5 mg/L左右小范围波动，说明经过处理后水体总氮较少，外界环境的变化已经不会造成总氮的变化。

从不同取样点检测结果分析，第一出水口总氮含量最高，第一池、第二池、第三池依次降低，规律十分明显，而出水口总氮在第三周、第四周的检测结果甚至接近上游和汇入后下游，这说明污水处理效果明显，上游和汇入后下游的总氮波动并非真正反映隧道口出水的水质，很有可能受到外界因素影响。总体上看，第一出水口总氮含量最高点为2.5 mg/L，高于国家Ⅴ类地表水质要求，而汇入后下游总氮含量仅为0.55 mg/L，达到国家Ⅱ类地表水质要求，说明东天山隧道口水质良好。

2.6 东天山隧道出水总磷检测

水中，磷可以元素磷、正磷酸盐、缩合磷酸盐、焦磷酸盐、偏磷酸盐和有机团结合的磷酸盐等形式存在。其主要来源为生活污水、化肥、有机磷农药及洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂等。污水中的磷部分来源于化肥和农业废弃物。同时，生活中含磷洗涤剂的大量使用也使生活污水的磷含量显著增加。此外，化工、造纸、橡胶、纺织印染、农药、焦化、石油化工、发酵、医药与食品等行业排放的废水常含有有机磷化合物，工业和生活污水的大量排放导致总磷含量高。磷酸盐会干扰污水处理厂中的混凝过程。水体中的磷是藻类生长需要的一种关键元素，过量磷是造成水体恶臭，导致湖泊发生富营养化、海湾出现赤潮的主要原因。

总磷处理方法主要有化学除磷法和生物除磷法两种。化学法除正磷，往污水中投加铝盐、钙盐、铁盐等无机盐除磷剂即可;化学法除次亚磷，传统的除磷剂无法与之反应形成沉淀，因此通常使用HMC-P3次亚磷去除剂，通过均相共沉淀，其直接与次亚磷反应，有效去除污染物。生物法除磷是指好氧型细菌在一定条件下会对有机磷或者偏磷进行硝化分解，一部分磷会被微生物吸收，从而变为微生物污泥，另一部分磷会被分解转化为正磷小分子，在后续处理中，还要继续通过化学法将正磷小分子沉淀。

图7是各采样点总磷动态变化，从不同取样周期分析，第一出水口、上游、汇入后下游的总磷含量在各个周期没有太大变化，在图上呈现出一条直线，而其他各池的总磷含量则波动较大，部分检测结果甚至高于第一出水口。有研究表明，总磷含量受到水深、水温、pH与溶解氧含量的影响，水体中可溶性无机磷同化、有机磷矿化和微生物分解是磷循环的主要过程，水位变化引起沉积物中磷向上覆水中释放，增加了磷浓度[14]。因此，在取样过程中，各池水体剧烈翻腾会影响检测结果。

从不同取样点分析，第一池总磷含量最高，其次是第一出水口，与其他各指标趋势不同，根据前面分析，水位变化能够引起沉积物中的磷向上释放，从而影响检测结果。其他几个取样点的结果类似。上游、汇入后下游的总磷含量最低，几乎没有太大波动，而且检测结果十分接近，这说明隧道出水水质良好，对河流没有影响。在整个检测结果中，总磷含量的最高点数值为0.05 mg/L，达到国家Ⅱ类地表水质要求，而上游、汇入后下游的总磷含量仅为0.01 mg/L，达到国家Ⅰ类地表水质要求，说明东天山隧道口出水水质良好。

3 结论

隧道施工污水通过径流和渗流污染当地土壤和植被，污染地表水体，破坏地表水体生态系统，影响水生生物的生存，制约工业和农业的持续发展。隧道施工污水对环境造成污染后，其后期治理难度较大，人们需要采取综合处理措施[15-17]。

从本研究调查结果来看，东天山隧道在公路施工过程中采取了一系列防护措施，有效减少了可溶性矿物质、油污等排放量，从而使施工区域出水水质相对于上游水质增加并不明显，而经过污水处理以后，汇入下游的水质明显提高，大多数指标与上游水质持平，部分指标甚至还低于上游，污水处理效果明显。

调查发现，隧道出水口的pH为8.80，出水的浊度低于29.48 NTU，化学需氧量为7.52 mg/L，氨氮含量为0.33 mg/L，总氮为0.55 mg/L，总磷为0.01 mg/L。经过上述数据检测分析，隧道区域上游自然河流水质符合国家地表水Ⅱ类水质标准，隧道口经过处理的水符合《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）一级标准，因此，该污水处理符合预期要求，避免了隧道施工污水直接排放对自然生态系统的危害。

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