鐵路隧道施工期廢水處理工藝技術研究

趙子成

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

隨著高速鐵路的快速發展，長大隧道日益增多。隧道施工不可避免地會改變原有環境狀態，對環境產生不利影響，甚至造成污染。隧道施工期廢水是主要的污染源[1]，隧道施工期排出的廢水未經處理直接排放將對排放點附近受保護水體及自然環境產生嚴重的污染[2]，因此隧道施工廢水的處理非常重要。

目前，國內外僅有個別學者對公路隧道做過調查和研究，與鐵路隧道施工期廢水相關的研究成果不多[3]。本文對鐵路隧道施工期廢水進水水質進行充分調研，分析其來源以及組成，對水質影響因素以及污水水質特征進行了詳細分析。根據未襯砌段隧道涌水量、工區長度、處理設備工作制度等主要影響因素，合理確定廢水處理規模計算公式。在隧道施工廢水水質分析的基礎上，根據環評要求，詳細分析巖層地質情況、受納水體等級、環境容量(排出口與水體距離)、施工現場條件等影響因素，總結出經濟有效的廢水處理工藝，提出了各個工藝的適用范圍以及處理流程，確保廢水處理達標排放或者回用。該工藝技術方案合理，具有可實施性，可為其它廢水處理工程提供指導，具有較大的實際意義和推廣價值。

1 隧道施工期廢水處理工藝技術研究

1.1 隧道污水來源

隧道施工廢水的來源[4]主要包括：隧道穿越不良地質單元時，開挖或爆破時產生的涌水；混合水泥砂漿水；施工機械設備運行時產生的含油廢水；隧道爆破后用于施工降塵的淋水；噴射注漿材料后滲出的廢水以及基巖裂隙水。除此之外，還包括施工人員的排泄物以及其他廢水在徑流排水溝內、洞口、施工營地內產生的各種新增污染[5]。

1.2 隧道工程廢水來源分析及水質特征

1.2.1隧道工程施工期廢水來源分析

對主要隧道廢水來源進行整理，如圖1所示。

圖1 隧道工程施工廢水產生環節圖

從圖1可以看出：(1)隧道鉆爆開挖產生的施工廢水不可避免；(2)二次襯砌施工完畢后，巖層涌水自帶的污染物基本上不產生施工廢水；(3)洞口開挖棄渣容易產生水體流失，也容易產生部分廢水[6]。

1.2.2現場隧道廢水水質特征

為確定合理的隧道廢水處理工藝，需對廢水水質及特征進行詳細探討。隧道施工過程中污染物排放允許濃度值一般按GB 8978-1996《污水綜合排放標準》執行。根據《襄渝鐵路安康至重慶段增建第二線漢江、后河敏感水體施工期水環境監控報告書(2007年8月至2008年3月)》，對4座隧道現場采樣，每個施工斷面施工時產生的高濁度施工廢水約為20～50 m3/d，主要污染物為懸浮物，并含少量石油類。該高濁度施工廢水與隧道滲水一起沿隧道兩側排水溝流出隧道，隨著隧道施工斷面的推進及流經距離的增加，經隧道兩側排水溝充分沉淀后，排水中的懸浮物逐漸減小。根據現場實際調研，其污染物的濃度分析結果如表1所示。

表1 襄渝鐵路施工期隧道洞口排水水質監測結果表

由表1可以看出：

(1)隧道施工時，隧道出水中主要污染物為SS，不同隧道的SS監測值差異較大。西坡隧道主要由片理化凝灰巖等軟質巖組成，在監測時段內涌水量較大，涌水改變了原地下水徑路，沖刷地下水通道內的沉積物，導致SS監測值較高。新大巴山、新白巖寨、新小米溪隧道在監測時段內，隧道無涌水，排水水量極小，懸浮物主要來自鉆機鉆頭冷卻水及爆破降塵灑水，加之隧道洞口距施工作業面較遠，排水經過成分沉淀，SS監測值較低。由此可見，SS排放濃度具有不穩定、易受到涌水量大小、隧道地質條件及排放距離影響的特點。

(2)石油類主要來自施工機械的跑、冒、滴、漏，其濃度基本滿足GB 8978-1996《污水綜合排放標準》一級排放標準。

(3)CODcr、氨氮主要來自施工人員在隧道內亂排的糞便、尿液等生活污水[7]， CODcr、氨氮濃度基本滿足GB 8978-1996《污水綜合排放標準》一級排放標準。

(4)隧道仰拱襯砌施工基本不產生施工廢水。

(5)隧道洞口開挖及棄渣將產生水土流失，進入水體將使水體懸浮物增加。

(6)隧道施工排水未經處理或處理不當，進入江河源頭或其支流，將對水體水質產生影響，主要表現為增加水體懸浮物含量。特別是當排入一些小型支流時，將嚴重影響其水質及景觀。

2 隧道施工期廢水處理規模探討

經現場調查，隧道施工廢水主要來源于隧道開挖后的未襯砌段，即正在施工的作業面及距離隧道作業面一定距離內的部位。已襯砌完成部位產生的滲水未受施工影響，水質較為清澈，采用截流溝截流后可直接排放。若將隧道涌水量全部納入隧道施工處理，不僅影響處理工藝，還會造成設備規模增大，嚴重影響投資概算。因此，隧道施工應清污分流，僅考慮將未襯砌段隧道涌水納入廢水處理站。同時在確定隧道施工廢水處理規模時還應考慮工區長度、處理設備工作制度等影響因素。廢水處理規?？砂词?1)計算。

S=Q×l/(L×T)

(1)

式中：S——廢水處理規模(m3/h)；

Q——隧道工區總涌水量(m3/h)；

l——未襯砌工區計算長度(m)。按實際工程確定，一般取100 m、120 m或150 m；

L——未襯砌工區計算長度(m)；

T——工作制度(處理站處理設備工作時間)，根據現場確定，一班制不宜大于7 h，二班制不宜大于14 h，三班制不宜大于20 h。

3 隧道污水處理工藝的確定

目前，對隧道施工期廢水處理技術的研究較少，通常采用常規的處理工藝或者是幾種工藝的簡單組合，已不能適應鐵路穿越特殊地質區域的環境要求。本文針對隧道施工期廢水處理效果的主要影響因素，分析廢水水質，提出經濟合理的處理工藝及流程，使處理后出水水質達到排入相應水域的排放標準。

3.1 隧道廢水處理工藝確定

通過對進水水質的分析可知，廢水處理工藝與隧道施工經過的巖層地質情況、受納水體等級、環境容量(排出口與水體距離)、施工現場條件等因素有關[8]。根據環評要求，當施工當地受納水體為Ⅰ類、Ⅱ類水體時，隧道污水禁止排放，隧道施工廢水達到GB/T 18920-2002《城市污水再生利用 城市雜用水水質》要求后，可回用、綠化、灑水或用于建筑施工。當受納水體為Ⅲ類水體時，隧道施工廢水水質達到GB 8978-1996《污水綜合排放標準》一級標準后方可排放。因此，應通過不同工藝組合試驗，確定不同工藝組合的處理效果，針對不同廢水水質以及水環境功能區劃要求的排放條件，分析出最經濟、有效的處理工藝[8]。

根據上述分析，同時結合實際經驗，確定各隧道施工點廢水處理工藝。

(1)隧道掘進經過地層主要為石英巖、花崗巖、白云巖、頁巖等，且出水徑流經較長距離(大于0.5 km)流入Ⅲ類水域主河道時，其施工期廢水采用“反應(投混凝劑)+調節沉淀”的處理工藝。

(2)隧道掘進經過地層主要為石英巖、花崗巖、白云巖、頁巖等，且出水徑流直接或經較短距離(小于等于0.5 km)流入III類水域主河道時，其施工期廢水采用“反應(投混凝劑)+調節沉淀+過濾”相組合的處理工藝。

(3)隧道進出口徑流位于Ⅱ類水體范圍時，其施工期廢水采用“反應(投混凝劑)+調節沉淀+氣浮+過濾相組合+回用(投消毒劑)”的處理工藝。

(4)隧道掘進經過地層主要為炭質頁巖、炭質板巖夾砂巖、炭質千枚巖、炭質泥巖、灰巖夾煤線、煤層、石膏等特殊巖性時，需在(2)、(3)條處理工藝的基礎上，采用強化處理工藝(如過濾采用微濾、超濾等膜分離法或在末端串聯活性炭吸附等)。

3.2 隧道廢水處理流程

隧道施工期廢水由隧道洞口排出，經隧道專業實施的預沉池預沉淀后進入廢水處理站。首先進入反應池，并在進水口處設置格柵，擋住部分固體不可分解垃圾，防止堵塞管道。反應池內安裝有加藥管道和斜管沉淀設備，污水中的懸浮顆粒與混凝劑充分混合后，利用水力作用在反應池斜管中得以聚集，轉化成絮體沉淀下來。

廢水經過反應池的混凝作用后，進入沉淀池，沉淀池流速緩慢且停留時間長，故污水中大的污泥顆粒和大部分污染物能靜沉下來。由于隧道污水SS含量較高，沉淀污泥較多，沉淀的污泥需定期清理，可在沉淀池旁設污泥干化池收集干污泥。

經過沉淀池之后，污水中的大部分雜質已去除，然后廢水進入過濾罐，進一步去除小顆粒懸浮物，提高出水水質。過濾不僅能進一步去除SS，還能去除異味(吸附含味覺的物質)、水色澤度(吸附含色度的物質)，過濾出水水質可達到污水綜排一級標準及回用水綠化標準。處理完成的清水進入清水池，清水池中儲藏的水量可回用于施工生產。清水池多余的水量通過排水管溢流排入自然水體。廢水處理流程如圖2所示。

4 實例分析

某西南山區鐵路沿線地形、地質條件復雜，生態環境具有“原始、獨特、敏感、脆弱”的特點，沿線隧道進出口及輔助作業面排水影響Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類保護水域的點極多。

根據式(1)， 廢水處理站規模為20 m3/h，兩班制運行良好。隧道掘進經過地層主要為石英巖、頁巖等，出水徑流距離較短(≤0.5 km)，主河道為Ⅲ類水域，其施工期廢水采用“反應(投混凝劑)+調節沉淀+過濾”相組合的工藝處理。經過檢測，進出水水質變化及去除率如表2所示。

圖2 隧道廢水處理流程圖

表2 試驗工藝處理效果

從表2數據可以看出，對該隧道施工廢水采用“反應(投混凝劑)+調節沉淀+過濾”的組合工藝可行，出水可達到污水綜排一級標準及回用水綠化、澆灑道路或洗車的水質要求。

5 結論與展望

本文對隧道施工期廢水進水水質進行充分調研，分析其來源以及組成，對水質影響因素以及污水水質特征進行了詳細分析。綜合分析影響因素得出廢水處理規模，依據經濟有效的原則確定了廢水處理工藝，保證出水達標排放或回用，并通過實例論證了該成果的合理性和可行性。研究成果可為其它廢水處理工程提供指導，具有較大的實際意義和推廣價值。