隧道施工廢水處理研究

周文哲

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043）

隨著我國鐵路建設的快速發展，預計到2020年全國鐵路營業里程將達到15 萬km，其中高速鐵路約3 萬km。在鐵路項目中，隧道工程所占的比例日益增加。隧道施工廢水主要來源于掌子面的鉆孔廢水，降塵、噴射混凝土及注漿產生的廢水以及機械維修漏油。廢水水質一般呈弱堿性，含有高濃度懸浮物（Suspended Solid，SS），少量的化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、氨氮、石油類等污染物［1-2］。如果不進行有效處理，勢必會對周圍的生態環境造成嚴重污染［3-7］。本文根據隧道所處地質條件及廢水排放標準，對施工廢水的處理工藝進行總結，對提高廢水處理效率及節省工程投資具有現實意義。

1 隧道施工廢水來源

隧道施工廢水主要來自2方面：

1）隧道穿越不良地質單元時產生的涌水。涌水主要來自地下水，即孔隙水、裂隙水和巖溶水。該部分地下水水量大、水質良好，達到隧道施工廢水排放標準，如果施工過程中不被污染可以直接排放。但在現有的鐵路建設項目中，從襯砌出來的清水在排出隧道過程中極易被掌子面排出的廢水和機械泄露的油類污染。大部分隧道施工過程普遍沒有做到清污分流，襯砌出來的清水與掌子面施工產生的廢水混合在一起排出洞口。這樣直接導致要處理的水量增加，加大了工程投資及運行成本。

2）鉆孔和爆破產生的廢水，爆破后降塵所產生的廢水，以及噴射混凝土和注漿產生的廢水。不同隧道因地層巖性的差異水質會有較大的差異。相同的隧道也會因為工期、施工作業時間的變化以及隧道的突然涌水造成水質和水量發生較大的變化。各種隧道施工廢水污染物均以SS 為主，還有少量的COD 及石油類污染物［8-9］。

2 國內外隧道施工廢水處理研究現狀

2.1 國內情況

隧道多處于地形復雜的山區，場地一般較小。受地形條件限制，隧道施工廢水不宜采用復雜的處理工藝［10］。在國內現有的隧道廢水處理工藝中，多采用沉砂、混凝沉淀、氣浮、過濾等工藝［11］。

在建的庫格線阿爾金山隧道采用鉆爆法施工。隧道進口段穿越上第三系泥巖夾砂巖地層，泥巖具弱膨脹性。該隧道地處阿爾金山自然保護區，設計中廢水處理采用平流沉砂池+隔油沉淀池+一體化兩級氣浮過濾設備［12］。在建的陽安二線沿線隧道距離漢江水體較近，因此全線的隧道施工廢水處理采用了同格庫線一樣的方法［13］。在建的銀西線陜西境內的南惠隧道、新永壽梁隧道、郭村隧道、徐家店隧道均分布于濕陷性黃土地區，屬于典型的黃土隧道，隧道施工廢水處理也采用了上述方法［14］，見圖1。

在建的鄭萬線、玉磨線、拉林線隧道施工廢水處理采用混凝沉淀+氣浮+過濾工藝，見圖2。成昆線隧道施工廢水處理采用混凝沉淀+過濾工藝。

圖1 格庫線、陽安二線、銀西線隧道施工廢水處理工藝

圖2 鄭萬線、玉磨線、拉林線隧道施工廢水處理工藝

2.2 國外情況

國外的學者也對隧道施工廢水處理做了一系列研究。Lee 等［15］應用微濾（microfiltration，MF）和反滲透（reverse osmosis，RO）系統的中試組合對隧道施工廢水進行處理。首先利用MF 膜系統將廢水的濁度降低到0.3 NTU 以下，然后再利用MF-RO 組合工藝可以有效地去除99%以上已知的有機和無機污染物，使其達到再生水利用水質。

Tsai 等［16］采用化學反應+微濾處理合成的隧道施工廢水，其中SS 濃度為（2.53±0.36）g/L，可溶性二氧化硅濃度為（1.41±0.20）g/L。試驗結果表明：化學反應+微濾處理工藝能有效降低廢水的濁度。化學試劑劑量和pH 值是影響二氧化硅去除效果的主要因素。當氯化鈣濃度為1 000 mg/L，pH 為8時，二氧化硅濃度可降低到187.1 mg/L。繼續增加氯化鈣用量并不能提高二氧化硅去除率。pH 值為8～9 時，氯化鎂對二氧化硅的去除比氯化鈣更有效，并且殘余的二氧化硅可以降低氯化鎂的用量。Lee 等［17］采用兩步微濾和反滲透系統對隧道廢水進行處理，污水先經過微濾系統去除微污染物如SS 和重金屬，將廢水的濁度降低到0.2 NTU 以下，將 COD 降低到 1.1 mg/L 以下，將總錳量降低到0.8 mg/L 以下。然后再進入反滲透系統，對污染物的去除率達到95%以上，將廢水的濁度降低到0.02 NTU 以下，COD 降低到 0.5 mg/L 以下，總氮降低到0.04 mg/L以下。采用反滲透系統可以顯著降低隧道廢水中的高濃度鹽度，將鹽度降低到接近于0。采用此工藝處理后隧道施工廢水的水質可以滿足當前韓國再生水的處理回用標準。

3 鄭萬線小三峽隧道施工廢水處理現場試驗

對已投入運營的鄭萬鐵路小三峽1號橫洞隧道施工廢水處理工藝進行現場試驗研究，此隧道采用了沉砂+混凝沉淀+氣浮+過濾組合工藝。分別對混凝沉淀、氣浮、過濾各環節對SS 的去除效果進行了監測和分析。廢水處理站設計流量為60 m3/h，實際進水流量65 m3/h，混凝藥劑采用聚合氯化鋁（Poly Aluminium Chloride，PAC），監測頻率1次/2 d，評價各環節對SS的去除效果。

3.1 混凝沉淀

混凝沉淀對SS 的去除率見圖3。可見：混凝沉淀對SS 去除率為86.0%～89.4%，出水中SS 濃度在110～174 mg/L，混凝沉淀對SS 的去除率較高。SS 的去除率隨著進水濃度的升高有所降低。因此，當廢水處理設施面對一定沖擊負荷時，可采用加大投藥量等措施予以緩沖，提高SS 去除率，減輕后續處理單元的壓力。但是SS 出水濃度仍然無法滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標準》一級標準（SS 濃度≤70 mg/L）的要求。因此，對于排放標準較高的隧道污水處理站，僅采取沉砂+混凝沉淀工藝無法滿足要求。

圖3 混凝沉淀對SS的去除率

3.2 氣浮

氣浮對SS 的去除率見圖4。可見：氣浮對SS 的去除率為7.1%～21.3%，SS出水濃度在102～153 mg/L，氣浮對SS 去除率較低。另外，出水中SS 濃度仍然無法滿足GB 8978—1996 中一級標準的要求，由此可以判斷，氣浮對于SS 的去除作用不大。在以SS 為主要污染物的隧道施工廢水處理設計中，不建議設置氣浮環節。

圖4 氣浮對SS的去除率

3.3 過濾

過濾對SS 的去除率見圖5。可見：過濾對SS 的去除率為52.9%～64.7%，出水中SS 濃度在40～59 mg/L，去除率較高。在進水中SS濃度升高的情況下，過濾環節出水中的SS濃度保持相對穩定，在一定程度上驗證了過濾對于SS去除效果的穩定性，并具有一定的抗沖擊負荷能力。另外，出水SS 濃度滿足GB 8978—1996中一級標準的要求。由此可以判斷，過濾對于SS的去除效果較好。

圖5 過濾對SS的去除率

3.4 沉砂+混凝沉淀+氣浮+過濾組合工藝

沉砂+混凝沉淀+氣浮+過濾組合工藝對SS 的去除率見圖6。可見：組合工藝對SS的去除率為95.4%～98.9%，水質的波動對SS 去除效果影響不大，出水中SS 濃度穩定在38～59 mg/L，組合工藝保持了較高的去除效率。出水中SS 濃度滿足GB 8978—1996 中一級標準的要求。

圖6 組合工藝對SS的去除率

通過現場試驗監測得到各環節對SS 的去除率及累計去除率，見表1。

表1 各環節對SS的去除率及累計去除率 %

由表1可知：組合工藝中氣浮環節對SS 去除的貢獻最小，效果不佳。由此可以判斷，在以SS 為主要污染物的隧道施工廢水處理設計中，一般設置沉砂+混凝沉淀+過濾組合工藝就可以滿足較高的排放要求，氣浮環節可取消。當隧道施工廢水中帶有石油類污染物，并且濃度超過相應排放標準時，可以考慮增加氣浮環節。

4 結論

1）從水質來看，隧道施工廢水中污染物主要為SS，還含有少量的COD、氨氮、石油類等污染物。處理SS主要采用沉砂+混凝沉淀+過濾組合工藝。

2）對隧道施工廢水國內多采用氣浮處理工藝。從小三峽隧道施工廢水處理試驗結果來看，沉砂+混凝土沉淀+氣浮+過濾組合工藝對SS 的去除率為95.4%～98.9%。其中混凝沉淀、過濾對SS 去除效果較好，去除率分別穩定在86.0%～89.4%，52.9%～64.7%；氣浮對廢水中SS 去除的貢獻最小，對SS 的去除率僅為7.1%～21.3%。

鑒于隧道施工廢水的水質特點，建議當石油類污染物含量較低時去掉氣浮環節以簡化處理工藝，節省工程投資。