天目山隧道施工廢水特征分析及處理

劉 偉， 付海陸， 耿 偉， 龐 偉， 曾愛斌， 官寶紅

(1. 中鐵隧道集團有限公司杭州公司, 浙江 杭州 310030; 2. 中國計量大學， 浙江 杭州 310018; 3. 杭州萬向職業技術學院， 浙江 杭州 310023; 4. 浙江大學， 浙江 杭州 310058)

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天目山隧道施工廢水特征分析及處理

劉 偉1， 付海陸2，*， 耿 偉1， 龐 偉1， 曾愛斌3， 官寶紅4

(1. 中鐵隧道集團有限公司杭州公司, 浙江 杭州 310030; 2. 中國計量大學， 浙江 杭州 310018; 3. 杭州萬向職業技術學院， 浙江 杭州 310023; 4. 浙江大學， 浙江 杭州 310058)

天目山隧道進口段毗鄰“新安江—富春江—千島湖”國家級風景名勝區，為避免隧道施工廢水影響當地生態環境和飲水安全，對其特征進行分析，發現廢水中懸浮物(SS)和酸堿度(pH)超標，且含有重金屬。部分水樣中汞(Hg)和鎳(Ni)超標(其中Hg的超標頻次較高)，其他重金屬未超標，廢水中出現重金屬與地質有關。采用“初沉+混凝+沉淀+過濾”工藝處理廢水，初沉主要去除大顆粒懸浮物，混凝、沉淀主要去除細顆粒物和重金屬。結果表明： 處理后的廢水各指標均滿足排放要求，處理成本為0.51元/m3，經濟性較好。

天目山隧道； 隧道施工廢水； 廢水處理； 重金屬

0 引言

截至2014年底，我國已成為全球隧道座數和總里程最多的國家[1]，隧道施工中會產生許多廢水。天目山隧道進口段毗鄰“富春江—新安江—千島湖”國家級風景名勝區，穿越地質以寒武系和震旦系為主，包括荷塘組、蘭田組、休寧組等，其中荷塘組黑色巖系金屬元素富集較多[2-3]。隧道施工廢水處理對當地環境保護及飲水安全尤其重要。

隧道施工廢水主要來自穿越不良地質單元時產生的涌水、施工設備產生的廢水、爆破后用于降塵的水、噴射混凝土和注漿產生的廢水以及基巖裂隙水[4-6]。廢水中的懸浮物(SS)、酸堿度(pH)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)和石油類等是引起環境問題與生態破壞的重要因子[7-8]。例如： 巖體鉆孔、爆破、支護和噴漿等工序會產生大量的SS，造成水體透明度降低； 隧道噴漿和注漿所用水泥中的堿性物料會造成水體pH升高，破壞水體生態平衡。文獻[9-10]指出施工廢水中的重金屬元素(如鉛、鉻、鎘、汞等)也是重要危害源，但在廢水處理中并未引起重視。重金屬在微量質量濃度下即可產生毒性，在微生物的作用下還可以轉化為毒性更強的金屬有機化合物(如甲基汞)[11-12]，經過食物鏈富集，會危害人體健康。

隧道施工廢水處理主要采用物理化學方法，包括沉砂、調酸、隔油、混凝、沉淀、氣浮、過濾和吸附等工序[6, 13-14]。去除SS的方法主要包括自然沉淀法和混凝沉淀法。陳培帥等[15]研究發現陽離子型聚合鋁混凝劑具有最優的SS去除效果； Y.Smaoui等[16]指出混凝的同時還可以去除廢水中的重金屬和COD； 靳李平等[14]提出“混凝+沉淀+砂錳過濾+吸附”的隧道施工廢水處理工藝，對SS、NH3-N、COD的去除率分別達到90%、85%和60%； 楊斌等[17]通過技術集成研發出一種新型隧道施工廢水處理設備，處理效果較好。已有研究取得了一定成果，但對隧道施工廢水中的重金屬處理關注較少。本文根據天目山隧道所處地理位置的敏感性及特殊地質特性，研究隧道施工廢水水質特征，重點分析廢水中重金屬質量濃度及其與施工地質的相關性，并提出了“初沉+混凝+沉淀+過濾”的廢水處理工藝。

1 隧道施工與廢水特征分析

1.1 工程概況

新建杭州—黃山高鐵客運專線修建隧道89座，總長139.664 km，占施工線路總長度的52.66%。天目山隧道全長12.013 km，為全線最長隧道。天目山隧道進口段(DK201+823～ DK202+150)圍巖等級較差，主要為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，采用臺階法施工。人工手持風鉆配合多功能臺架進行開挖，光面爆破，無軌機械出渣。人工鉆孔、安裝錨桿、鋪設鋼筋網、立拱架、噴射混凝土，開挖后及時施作初期支護封閉圍巖。仰拱及隧底填充施工在隧道底部開挖支護完成后，及時全幅分段施工，采用仰拱棧橋確保洞內交通順暢，仰拱及填充超前二次襯砌適當距離。排水盲管和防水板采用專用作業臺架配合人工鋪設，拱墻襯砌采用液壓模板臺車全斷面整體襯砌。混凝土由洞外自動計量混凝土拌合站生產，專用混凝土運輸車運至工作面，泵送入模。隧道兩側設有泄水孔，中間設有排水渠，廢水排放量為20～70 m3/h。

1.2 隧道施工廢水特征分析

施工廢水取自廢水處理站進水(共23批次)，背景水樣取自廢水處理站上游500 m處，背景采樣點至污水處理站中間不存在外來污染源。天目山隧道施工廢水和背景水樣水質見表 1，水質分析方法及標準參照GB 8978—1996《污水綜合排放標準》。根據建設項目環境影響評價，施工廢水排放應滿足上述標準中的一級標準(表1中排放標準)。由表1可以看出： 施工廢水顯著的特點是懸浮物(SS)和酸堿度(pH)超標。SS變化范圍較大，跟施工工序有很大關系。巖體爆破、出渣及噴漿會導致廢水中SS質量濃度升高，最高達2 796.21 mg/L，為標準值的39.9倍、背景值的71.7倍，進行支護、灌漿等工序或者遇到山體涌水時，廢水中的SS質量濃度相對較低，但最低值仍為標準值的3.1倍。施工廢水呈強堿性，巖體噴漿時廢水堿性最強，主要原因是水泥熟料中的硅酸三鈣、硅酸二鈣及緩凝劑等堿性物質進入廢水中。廢水中的化學需氧量(COD)遠低于標準限值，說明廢水中的有機物含量較少。氨氮(NH3-N)主要來源為硝銨類炸藥爆炸后釋放的NH3，經遠程水霧噴灑和水幕吸收后進入到廢水中，爆破后廢水中的NH3-N質量濃度最高，但低于排放標準。

表1 天目山隧道施工廢水和背景水水質

1.3 隧道圍巖重金屬含量分析

廢水中的金屬離子主要來自巖體、渣石和粉塵。部分水樣中的汞(Hg)和鎳(Ni)超標，Hg的最大質量濃度為標準限值的1.6倍，Ni的最大質量濃度為標準限值的2.1倍。所有水樣中的砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)和鉛(Pb)均不超標，但多數比背景值高。與引漢濟渭秦嶺隧洞北段[8]、東湖通道工程[9]施工廢水相比，天目山隧道施工廢水中重金屬含量相對較高，其中： As的最大質量濃度約是秦嶺隧洞施工廢水的20倍，Pb的最大質量濃度是東湖通道施工廢水的40.4倍。廢水中的重金屬與地質特性密切相關，對圍巖中的重金屬元素含量進行分析，結果見表2。所有巖石樣品中均檢測出了重金屬元素Cr、Pb、As、Ni和Cd，其中： Cr的含量(均值)最高，為507.63 mg/kg； Cd的含量最低，均值為1.65 mg/kg。3批次的巖石樣品中僅有1批次巖石中檢測出Hg(3.55 mg/kg)，說明Hg的分布具有一定的不確定性。整體來看，廢水中出現重金屬元素具有一定的地質背景。

表2 隧道圍巖中金屬元素含量分析結果

Table 2 Metal element contents of surrounding rock of Tianmushan Tunnel mg/kg

2 施工廢水處理工藝及效果

2.1 廢水處理工藝

根據施工廢水水質特征，采用物理化學方法處理廢水，設計“初沉+混凝+沉淀+過濾”的工藝路線，具體流程見圖2。初沉池主要用于去除大顆粒懸浮物； 混凝池和沉淀池用于去除難沉降的細粒子和重金屬，在混凝池通過酸度自動控制系統投加鹽酸調節廢水酸堿度pH為7.0～9.0，混凝后不需要再調節酸堿度； 過濾池用于進一步去除懸浮顆粒物，使廢水達標排放。

圖1 隧道施工廢水處理工藝流程

2.2 廢水處理設計參數

1)初沉池。根據施工現場調研，設計處理廢水量90 m3/h。水力停留時間設計為0.5 h，由于場地限制，初沉池設計有效水深2.5 m、寬3.0 m、長6.0 m，水平流速為0.003 3 m/s。

2)混凝池。選擇聚合氯化鋁(PAC)作為混凝劑，聚丙烯酰胺(PAM)作為助凝劑，將PAC和PAM分別配制成10%和0.1%的溶液，用計量泵投加到廢水中，控制PAC的投加量為200 mg/L，PAM的投加量為1 mg/L。采用機械攪拌廢水，控制在混凝池的停留時間為0.5 h，設計混凝池有效水深3.8 m、寬3.0 m、長4.0 m。

3)沉淀池。設計停留時間為1.0 h，有效水深3.8 m、寬3.0 m、長8.0 m，水平流速0.002 2 m/s。

4)過濾池。采用單層普通快濾池對廢水進行最終過濾處理，過濾池設計為2格(每格2.5 m×2.5 m)，反沖洗周期為12 h，濾速為0.002 m/s。濾料為粒徑1.2～2 mm石英砂，濾層高度為0.7 m，濾池高度為2.5 m。

2.3 廢水處理效果評價

取隧道爆破后出渣階段的施工廢水作為監測對象，進行連續6 d水質指標測定，評價廢水處理站性能。SS、pH、COD、TP和NH3-N的測定指標見圖2，可以看出： 進水中SS質量濃度較高(平均值為2 341.02 mg/L)，且變化范圍較小，說明爆破后會產生高含量的SS施工廢水。經初沉池、混凝池-沉淀池和過濾池處理后，SS平均質量濃度分別降至1 839.34、105.62、45.69 mg/L，平均去除率分別為21.43%、94.26%、56.75%。出水中SS質量濃度控制為36.24～54.40 mg/L，滿足排放要求(70 mg/L)，SS平均去除率達到98.05%，處理效果較好。此外，進水中的pH為9.69～11.62，經處理后為7.61～8.50，滿足廢水排放對酸堿度的要求。進水中COD質量濃度不大于4.0 mg/L，TP質量濃度不大于0.4 mg/L，NH3-N質量濃度不大于4.0 mg/L，均低于廢水排放標準限值，且經處理后均有不同程度的降低，對排放水體富營養化影響較小。

同時對廢水中的重金屬元素(As、Cd、Cr、Hg、Ni和Pb)進行監測，結果見圖3。進水水樣中4批次出現Hg超標，超標率達到66.67%。超標樣品中的Hg質量濃度平均值達到0.077 mg/L，為標準值的1.54倍。經過處理后，廢水中的Hg質量濃度均達標，其中4批次的樣品中Hg質量濃度低于檢出限，說明該廢水處理工藝對Hg的去除效果較好。進水水樣中Ni的質量濃度變化范圍較大(0.02～2.11 mg/L)，有1批次的水樣出現了Ni質量濃度超標(2.11 mg/L)，而其他批次樣品的Ni質量濃度相對較低，說明廢水中Ni的質量濃度具有不確定性，這可能與地層和施工工序有關。經處理后，出水中Ni的含量均低于標準限值(1.0 mg/L)。廢水中的As、Cd、Cr和Pb質量濃度均不超標，Cd的質量濃度最低。通過對廢水中重金屬含量監測，可知廢水處理工藝對重金屬也具有較好的去除效果。

(a) 懸浮物(SS) (b) 酸堿度(pH)

(c) 化學需氧量(COD) (d) 總磷(TP) (e) 氨氮(NH3-N)

D1表示第1天，其余類同。

圖2 廢水處理站進、出水水質檢測結果

Fig. 2 Testing results of water quality of inlet and outlet of wastewater treatment station

D1表示第1天，其余類同。

圖3 廢水處理站進、出水中重金屬含量檢測結果

Fig. 3 Testing results of heavy metal contents of inlet and outlet of wastewater treatment station

3 經濟性分析

對該處理工藝直接運行成本的經濟性進行分析，主要包括藥劑和能耗2方面。

3.1 藥劑費用

該工藝消耗的試劑主要包括鹽酸、PAC和PAM，根據價格和投加量計算藥劑消耗費用，結果見表3。可知，試劑消耗為0.46元/m3。

表3 藥劑消耗費用

3.2 能耗費用

該工藝涉及的耗能設備主要包括將廢水提升至排水渠中的水泵、混凝池攪拌機、配藥攪拌機、投藥計量泵和過濾池反沖洗泵。設備功率、運行時間及能耗見表4。工業電費按0.7元/(kW·h)計，則處理每噸廢水電費為： 143.4×0.7÷24÷90=0.05元/m3。

3.3 綜合成本

結合藥劑費用和能耗費用，該工藝的直接運行成本為0.51 元/m3，工業廢水處理成本一般在數元至數十元，故本工藝經濟性較好。

表4 設備運行電耗

4 結論和建議

天目山隧道施工廢水中典型污染因子是SS和pH，其中SS最大質量濃度達到2 796.21 mg/L，pH最大達11.62，COD、TP和NH3-N均不超標。部分水樣中Hg和Ni超標(Hg的超標頻次相對較高)，As、Cr、Cd和Pb均不超標，但較背景水樣高。結合圍巖中重金屬含量分析，得知廢水中含有重金屬與地質特征密切相關。經“初沉+混凝+沉淀+過濾”工藝處理后，廢水中所有指標均能達到一級排放要求，直接運行成本為0.51 元/m3，經濟性較好。建議今后關注地質特性對隧道施工廢水水質的影響，加強對廢水中重金屬元素的監測與處理。

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Characteristic Analysis and Treatment of Construction Wastewater of Tianmushan Tunnel

LIU Wei1, FU Hailu2,*, GENG Wei1, PANG Wei1, ZENG Aibin3, GUAN Baohong4
(1.HangzhouBranchofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Hangzhou310030,Zhejiang,China; 2.ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,Zhejiang,China; 3.HangzhouWanxiangPolytechnic,Hangzhou310023,Zhejiang,China; 4.ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,Zhejiang,China)

The entrance of Tianmushan Tunnel is adjacent to the national scenic area of “Xin’an River-Fuchun River-Qiandao Lake”. The protection of the safety of local ecological environment and drinking water is very important. As a result, the characteristics of construction wastewater of Tinmushan Tunnel are analyzed; the results show that the suspended solids (SS) and power of hydrogen (pH) in wastewater exceed the limit. The heavy metals related to the engineering geology are detected in the wastewater, which do not exceed the limit except mercury (Hg) and nickel (Ni) in some of water samples. The wastewater treatment method of “primary setting + coagulation + sediment + filtration” is adopted. The suspended solids with large particle size can be removed by primary setting process; and the fine particulate matter and the heavy metals can be removed by coagulation and sediment process. The application results show that the quality of construction wastewater after treatment can meet relevant requirements; meanwhile, the treatment cost of the wastewater per cubic meter is RMB 0.51, so as to show beffer economical benefit.

Tianmushan Tunnel; tunnel construction wastewater; wastewater treatment; heavy metal

2017-03-17;

2017-06-09

劉偉(1972—)，男，浙江杭州人，1994年畢業于西南交通大學，鐵路工程專業，本科，高級工程師，從事隧道及地下工程施工管理工作。E-mail: 258626748@qq.com。 *通訊作者： 付海陸， E-mail: hlfu@cjlu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.010

U 455

B

1672-741X(2017)07-0845-06