高速公路建設和運營期水污染控制技術研究

劉 杰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

公路交通是國家交通動脈之一，對促進地方經濟發展、文化交流以及加強國防建設等都有積極的作用。當前，我國公路建設正處于快速發展階段，在眾多資金投資渠道的保證下，全國各地掀起了高速公路建設的新高潮。高速公路的興建在帶來收益和便利的同時，也產生了一些負面的環境影響，其中水環境的污染問題便不容忽視。然而，目前公路行業的環境保護工作者多注重對生態環境的影響研究，如“道路的線性分割作用”以及“公路施工造成的水土流失”等，對水環境影響及其控制措施的研究相對較少。

1 高速公路水污染源分析

高速公路工程施工期和運營期的水污染源主要包括施工期生產廢水、公路路面徑流、服務區污水等。

1.1 施工期生產廢水

高速公路施工期的建筑材料運輸堆放、工程廢渣、橋梁施工、隧道施工、混凝土拌合等均會對水環境造成不同程度的影響。總體來說，建筑材料運輸堆放和工程廢渣對水環境的影響是由于管理和防護不力造成污染物質從固體進入水體，通過嚴格的管理可以有效地避免和減少；橋梁施工對地表水的影響由于新的施工工藝的采用可以得到控制；隧道施工對水環境的影響由于工程施工技術的局限，如施工過程中的涌水，隧洞的水泥支護等，使得施工中廢水水量和水質難以把控；而目前拌合站產生的廢水多采用自然沉淀等工藝，難以滿足相應排放要求。

(1)隧道施工廢水特性。隧道施工的主要工序包括：帷幕注漿(鉆機定位-設置孔口管-鉆孔-測涌水量-注水試驗-復合注漿-檢查-注漿效果)-鉆爆(測量-鉆眼-裝藥-起爆)-出渣-初期支護(初期射混凝土-打錨桿-掛網和格柵支護-復噴混凝土)-二次模筑。上述施工工序中每個環節均可能帶來水環境污染。

王會川等[1]描述萬丈山隧道工程的施工廢水水體呈灰色，且比較渾濁，對多個采樣點水樣進行檢測發現SS和石油類均有超標，其中SS濃度在900～1 300 mg/L范圍分布，超標嚴重。根據楊斌等[2]對隧道施工廢水的現場監測(見表1)，施工期廢水的SS、pH 值、CODCr均不同程度超標，其中SS超標最為嚴重，濃度在60～4 000 mg/L分布。

表1 分析項目濃度平均值

注：隧道涌水為隧道巖層滲水；隧道用水為隧道施工時用水；初期廢水為隧道開挖初期的施工作業面廢水；中期廢水為隧道施工中期施工作業面的廢水；末期廢水為隧道施工接近貫通或已貫通時的施工廢水。表中數值為多次取樣分析數據的平均值。

總體來看，隧洞施工廢水主要為高濃度懸浮顆粒物及pH值超標，部分施工點還存在CODCr超標現象。

(2)混凝土拌合站廢水特性。高速公路工程施工過程中將使用大量的混凝土，混凝土拌和站廢水主要來源于混凝土轉筒和料罐的清洗，一般為每班制清洗一次，廢水排水量根據生產規模發生變化，一般為3～10 m3/次。根據國內水電行業混凝土拌和站廢水的監測，混凝土拌和站廢水含有較高的懸浮物且含粉率較高，廢水的pH值約為11，懸浮物濃度約為5 000 mg/L。因此，混凝土拌合站沖洗廢水具有懸浮物濃度高、難處理、間歇性集中排放等特點，若不經處理直接排放，將對排放口附近水域環境造成局部污染。

1.2 公路路面徑流

公路路面徑流中的污染物主要來自于降雨對路面的沖洗，所以，路面沉積物是路面徑流中污染物的主要來源。路面沉積物的組成決定著路面徑流污染的性質。影響公路路面徑流污染物成分的因素很多，包括機動車輛的通行、雨水本身的污染(成云雨核污染物及近地表大氣污染狀況有關)和大氣降塵等。

美國加州交通部門在1997～1998年與1998～1999年期間對加州境內5條高速公路的路面雨水水質進行監測，用于研究路面雨水的污染問題[3]。監測結果顯示：加州地區高速公路路面徑流水質特征中SS的范圍在203.8～748.8 mg/L，COD濃度為112.08～180.6 mg/L，石油類濃度小于5 mg/L。可見路面徑流雨水中的主要污染物為SS，COD的污染情況次之。

1.3 服務區污水

高速公路服務區主要由沖廁廢水、餐飲廢水和車輛清潔維修廢水三類組成，與其它污水相比，服務區污水有其獨有的特點。沖廁廢水氨氮及色度高，餐飲廢水含動植物油較高，而車輛清潔維護廢水所含泥沙顆粒物、石油類等較多。由于高速公路服務區主要以常住工作人員和過往旅客產生的生活污水為主，占比在40%以上，因此服務區污水中COD、BOD5、NH3-N、SS等的濃度較高。

高速公路服務區污水具有直接性、隨意性、分散性、無規律性。服務區污水量直接受客流量、就餐人數和入廁比例等影響，天氣、季節、時段以及其他一些特殊狀況等因素也會造成車輛來往隨機性增大，進而導致污水量具有較大的波動性，每季、每月甚至每天可能都不同，污水量的變化系數較大。

2 施工期廢水處理技術研究

我國在水利水電工程建設中對高濃度懸浮物施工廢水的處理做過一些研究和嘗試。殷彤和殷萍[4]分析了水利水電工程施工期施工廢水來源和主要的污染物質的特性，指出施工廢水主要污染問題是懸浮物濃度高、pH值較高以及含有油性物質，其中懸浮物濃度是重點處理因子；同時，介紹了水利水電工程施工廢水處理的常用方法等，并結合內江兩河口水庫工程實例對水利水電工程施工廢水處理工藝進行了研究。

中國電建集團成都院與韓國曉林公司合作，開發出一套針對高濃度懸浮物去除的改進型一體高速凝集斜板沉淀池(Modified Packaged Inclined Clarifier with Accelerating Flocculation，簡稱“PICAF”)，是絮凝和沉淀一體型高濃度懸浮顆粒物廢水處理設備。該設備與常規的沉淀池相比，其優勢之一是采用了傾斜板的沉淀方式，其二是該設備集絮凝和沉淀于一體，具有處理效率高、占地面積小，且能夠實現模塊化生產，產品具有加工和安裝靈活、方便等特點。PICAF系統的工藝流程見圖1。

圖1 PICAF廢水處理工藝流程

原水由取水口抽入曝氣調節池(曝氣的作用是防止泥渣在池中沉淀)，然后經潛水泵從曝氣調節池抽至PICAF頂部加藥，藥劑和原水通過攪拌電機混合后流入到系統的核心設備PICAF反應池，反應池中心滑動錐板和緩沖板為原水和絮凝劑進一步自然碰撞、混合提供條件，以達到更好的絮凝反應效果。反應池尾水從沉淀區下部開始向上移動，在上升過程中，泥水混合液遇到傾斜檔板，清水通過擋板邊的縫隙繼續上升，沉淀物被擋板擋住下沉。沉淀分離的清水經過PICAF頂部出水區溢流堰流至清水池，沉淀泥渣聚在濃縮區進行濃縮后排至污泥濃縮池，并定時抽至壓縮脫水機壓濾脫水外運。

總體來說，PICAF系統集絮凝反應和沉淀于一體，與常規沉淀池相比，現場施工簡便，土建工程量小，初期投資少。將絮凝和沉淀工藝合為一體，占地面積小，所需用地僅為常規沉淀池的1/6～1/4左右，適用于土地資源緊張的高速公路項目。而且，PICAF處理系統具有配套設施完善、技術成熟、動力成本低等特點，且能夠實現模塊化生產，產品的加工與安裝靈活，操作方便，能有效避免污泥板結等問題，在國內高速公路建設工程的高濃度懸浮物廢水處理領域有較好的推廣價值。

3 公路路面徑流處理技術研究

雨水徑流污染控制措施可以分為工程(技術)措施和非工程(技術)措施。前者主要針對不同情況的污染采用滯留池、入滲設施、植物性處理設施等，并借助物理、化學、生物等技術減少污染總量；后者主要采取一些路面維護措施、管理辦法、經濟手段、政策法規等來達到綜合污染控制的目的。國內外減小地表及公路路面徑流污染比較有效和實用的措施主要包括路面清掃、植物控制、滯留池、滲濾系統和人工濕地系統等。

高速公路路面徑流污染物主要為SS和COD，無需考慮深度處理工藝；路面徑流雨水是依附高速公路而產生的，要求處理工藝流程簡單，建設投資少，維護方便，成本低廉，無需人力管理。結合以上因素，人工濕地工藝是相對理想的路面徑流雨水處理工藝。公路路面徑流的水質水量變化較大，因此在設計路面徑流人工濕地時，應選擇具有較強適應能力的生物群，通過項目所在區域水生植被進行調查，篩選出去除率好、生命力旺盛的原生水生植被，并對這些植物進行分析，根據植被在遺傳特性、生長習性等方面的差異，選擇最優搭配物種，使多元群體組合缺點得以避免，優勢得以互補。

4 服務區污水處理技術研究

目前，高速公路服務區污水處理工藝可分為好氧處理工藝、厭氧處理工藝、好氧-厭氧聯合處理工藝和生態處理工藝等。好氧處理工藝主要包括傳統的生物接觸氧化工藝、SBR法、MBR法、MBBR法等；厭氧處理工藝主要有厭氧濾池(AP)、上流式厭氧污泥床反應器(UASB)、厭氧接觸膜膨脹床反應器(AAFEB)和厭氧流化床(FB)等；好氧-厭氧聯合處理工藝主要有A/O工藝、A2/O工藝等；生態處理工藝主要包括人工快滲、人工濕地和阿科蔓生態基等。

從技術成熟度、穩定性、處理效果、建設成本、運行成本、可操作性等方面對四類處理工藝進行比選。具體工藝比較分析如表2所示。

表2 高速公路服務區污水處理工藝比較分析[5]

總體來看，四類處理工藝均較成熟，具有較好的穩定性，但好氧處理工藝抗水量沖擊能力較差，不適用于高速公路服務區這種水質水量變幅較大的污水。從建設成本和運行成本來分析，好氧處理和好氧-厭氧處理工藝成本較高。根據近年來國內外專家的論證與實際工程的運行情況，活性污泥法、生物膜法、A/A/O法等污水處理工藝在一次性投資、能耗和運行費用等方面的要求均較高，可能造成高速公路服務區污水處理系統“建得起、運行不起”的局面。另外，從可操作性來分析，好氧處理和好氧-厭氧處理工藝需要聘請專業人員操作和維護，而厭氧處理和生態處理工藝的運行管理相對簡單。

綜上所述，生態處理和厭氧處理工藝能耗低、抗水質水量沖擊性能力強、處理效果較好、便于管理維護，是優先考慮用于高速公路服務區污水處理的工藝。對于沿線水源地保護區等敏感點較多的高速公路，為提高服務區污水處理效果，更好地保證公路沿線水環境，推動高速公路沿線污水“零排放技術”，推薦采用組合工藝，如“UASB+人工濕地+阿科蔓深度處理系統+消毒回用系統”的組合處理工藝對服務區污水進行處理。

5 結 論

(1)本文從高速公路水處理理論和實踐出發，系統總結了一套包括施工期廢水處理技術、公路路面徑流處理技術、服務區污水處理技術等內容的高速公路水污染控制措施體系，為新建高速公路的水污染控制提供借鑒。

(2)該水污染措施體系僅從工程措施方面提出水質保障體系，未完全考慮源頭減少污染輸入、非工程措施等的協同作用，仍存在一定的局限性。要提高該領域的整體技術能力，相關研究工作還任重而道遠。

(3)我國高速公路建設和運營期水污染控制技術研究尚處于起步階段，很多處理工藝是在其他廢水處理系統的基礎上進行改造并逐漸完善的，有些工藝甚至并沒有真正結合高速公路的項目特點，在今后的工作中應根據高速公路的實際情況進行合理設計和改造。國內路橋面徑流廢水的研究和應用資料較少，應逐步開展不同地區橋路面徑流廢水水質成分、遷移途徑和收集處理措施的研究。