低溫低濁隧道施工廢水的加載混凝試驗研究

劉東斌 陳亞利 言海燕 曹文娟 徐德良 王喜

摘要：隧道施工過程中將產生大量隧洞排水，其主要污染指標為懸浮物、石油類和COD等，倘若得不到妥善處理，任由其排放，勢必會對周邊水環境造成污染。本文以某鐵路隧道施工過程中產生的廢水為研究對象，采用介質加載混凝方法進行處理，研究結果表明，當PAC投加量50mg/L、PAM投加量3mg/L、微砂投加量150mg/L時，原水濁度為44NTU、SS為124mg/L的低溫低濁型隧道施工污水處理后剩余濁度為2.65NTU、剩余SS為8mg/L，氨氮、COD、石油類等指標也有所下降，各項指標均能滿足《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）一級標準、城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918—2002 ）一級A標準、《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）二類水標準等標準要求。

Abstract： In the process of tunnel construction， there will be a large number of tunnel drainage， and the main pollution indicators are suspended solids， petroleum and COD. If they are not properly treated and allowed to discharge， it will inevitably cause pollution to the surrounding water environment. In this paper， the waste water produced in the construction of a railway tunnel is taken as the research object and treated by the method of medium loading coagulation. The results show that when PAC dosage is 50mg/L， PAM dosage is 3mg/L and micro sand dosage is 150mg/L， the turbidity of raw water is 44NTU and SS is 124mg/L， the residual turbidity is 2.65NTU， the residual SS is 8mg/L， ammonia nitrogen， COD Petroleum and other indicators also decreased， and all indicators can meet the requirements of class I standard of integrated wastewater discharge standard （GB8978-1996）， class I a standard of pollutant discharge standard for urban sewage treatment plant （GB18918-2002）， class II water standard of environmental quality standard for surface water （GB3838-2002）.

關鍵詞：低溫低濁;隧道施工;廢水;加載混凝;試驗

Key words： low temperature and turbidity;tunnel construction;waste water;loaded coagulation;test

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）10-0143-03

0? 引言

隧道施工過程中往往會大量的施工廢水，包括隧道施工機械設備生產產生的廢水，混凝土注漿施工中產生的廢水，或者在隧道施工中穿越不良地質時的涌水，爆破施工時的降塵水，基層巖石因開裂而從縫隙中進入的滲水等[1-2]。這類廢水中夾雜大量巖層粉細物及部分化工、石油類廢液，在排放過程中與城市給排水管網發生交集，致使排水管網堵塞，或是因施工原因導致水源污染從而造成給水管網的污染。另一方面，隧道在開挖過程中往往會引起地下水位變化，對城市局部水生態系統產生危害[3]。對隧道施工廢水的處理進行妥善處理，是隧道施工沿線水環境安全的重要保障，也是促進隧道施工向綠色施工模式轉變的中關鍵環節。

隧道施工廢水隧道中主要污染物為顆粒物及懸浮物，偶爾含油類、炸藥殘余物、少量有機物、鹽類等。根據《鐵路給水排水設計規范》（TB10010-2016）規定，隧道施工產生的廢水、沖洗施工現場廢水、機械設備流放的冷卻水等生產中產生的廢水排水要求需要達到《污水綜合排放標準》GB 8978規定的一級排放標準或《鐵路回用水水質標準》TB/T 3007規定的標準時可采用“格柵+調節沉淀隔油+氣浮或過濾”工藝處理，要求達到《污水綜合排放標準》GB 8978規定的二級或三級排放標準時，可采用“格柵+調節沉淀”工藝處理[4]。婁掌印以天目山隧道施工過程中產生的廢水為研究對象進行絮凝沉淀處理，研究結果表明“聚合鋁-陽離子有機高分子”投放量達到 30mg/L 時，施工生產廢水中所含的油量去除率為12%，以及 SS 的去除率95%[5]。胡鍇通過分析黃巖隧道工程中沖斜井的生產廢水水質，分析結果表明該隧道工程中所產生的施工廢水所含污染物主要為氨氮，生產廢水經專用沉淀過濾池進行相應處理后，除 pH外其他指標基本滿足《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）一級標準[6]。韓國 Jae-Hyun Lee 等人使用微濾（MF）-反滲透（RO）膜系統對隧道工程施工生產廢水進行分析研究表明運用MF膜系統能夠去除生產廢水中顆粒物中的污染物（濁度低于 0.3NTU），利用MF-RO 組合工藝能夠去除 99%以上已知的有機污染物和無機污染物，使其達到再生水利用水質[8]。

但隧道建設項目屬于典型的線性項目，需跨越不同的地理、地質區域[7]，施工廢水水質與水量變化大。我國氣候復雜多樣，大部分地區的氣溫年較差較大，南北氣候溫差對比明顯，且隧道工程多處山區丘陵，隧道施工方法隨地理地質機動調整，地質情況在一定程度上決定隧道施工產生廢水水質情況。因此廢水處理的方法需要適應水質、水量和水溫的變化。而國內目前暫無針對低溫低濁這類極端環境、氣候條件情況下隧道施工污水處理的研究、應用報道。本文針對某高海拔低溫地區的低溫低濁隧道施工廢水，進行加載混凝的試驗研究，優選低溫低濁型隧道施工廢水處理的混凝劑、絮凝劑、加載介質的最佳藥劑配比，以期為高海拔高原地區隧道施工建設提供污水處理設施設計依據。

1? 實驗部分

1.1 實驗儀器和材料

①實驗儀器：ST300型便攜式pH計、STZ-A1型便攜式濁度儀、SE402FZH電子天平、JJ-1型六連攪拌器等。具體見表1。

②實驗試劑：包括聚合氯化鋁（PAC）、硫酸鋁（AS）、硫酸鐵（FS）、聚合氯化鋁鐵（PAFC）、三氯化鐵（FeCl3）、聚合硫酸鐵（PFS）、聚丙烯酰胺（PAM）、活性炭、微砂、磁粉、澄清污泥。其中混凝劑溶液的配制方法是稱取100g的混凝劑粉末，向其中加入少量水溶解后緩慢投入到盛有 1000mL水的溶液杯中，不斷攪拌使混凝劑溶液質地均勻后儲存備用。助凝劑的配制方法是稱取2g的助凝劑粉末，緩慢投入到盛有 1000mL水的溶液杯中，不斷攪拌使混凝劑溶液質地均一后儲存備用。使用前混凝劑溶液要充分攪拌混勻以避免混凝劑沉淀。實驗試劑的信息列表如表2所示。

③實驗原水：實驗廢水取自某西北高海拔低溫地區隧道施工段，廢水水質指標如表3所示，主要污染指標為pH、濁度、SS。

1.2 實驗方法

在保持水溫的條件下，量取一定的水樣于500mL 燒杯中，分別加入混凝劑、絮凝劑、介質，按照設定的程序利用六聯程控混凝試驗攪拌儀進行反應，反應結束后，靜置沉淀30min，取上清液測定濁度、SS等水質指標評價混凝效果，以選取最佳的藥劑添加量。

1.3 分析方法

主要評價指標為濁度、SS，輔助評價指標為pH、水溫、SS、氨氮、石油類，具體分析方法如表4所示。

2? 結果與討論

2.1 混凝劑投加量對加載混凝效果的影響

在保持水溫的條件下，以PAC為混凝劑，設定加藥量分別為30mg/L、35mg/L、40mg/L、45mg/L、50mg/L、55mg/L、60mg/L、65mg/L;攪拌30s后，以PAM為絮凝劑，投加量為2mg/L。按照上述試驗方法進行混凝反應后，測定出水中SS和濁度來評價混凝效果。實驗結果如圖1所示。

如圖所示，隨著加藥量逐步增加，剩余濁度和剩余SS出現相似的變化規律，呈現迅速降低后緩慢增加的趨勢。當投加量為50mg/L時，去除效果最好，剩余濁度為23.5NTU，剩余SS為51mg/L，出水釩花松散。表明當藥劑投加量達到時，低溫低濁廢水混凝效果在一定程度上，并不受PAC藥劑投加量的影響，主要是由于絮體不凝結，不沉降。

2.2 絮凝劑投加量對加載混凝效果的影響

在保持水溫的條件下，以PAC為混凝劑，加藥量為50mg/L;攪拌30s后，以PAM為絮凝劑，設定分別投加0.5mg/L、1mg/L、1.5mg/L、2mg/L、2.5mg/L、3mg/L、3.5mg/L、

4mg/L。按照上述試驗方法進行混凝反應后，測定出水中SS和濁度來評價混凝效果。實驗結果如圖2所示。

由圖可見，增加PAM的用量可以加強低溫低濁類型廢水的混凝效果，在絮凝劑PAM投加量為3mg/L時，剩余濁度為8.4NTU，剩余SS為16mg/L。

2.3 介質投加種類及投加量對加載混凝效果的影響

在保持水溫的條件下，以PAC為混凝劑，加藥量為50mg/L;攪拌30s后，以PAM為絮凝劑，加藥量為3mg/L;用活性炭、微砂、磁粉、澄清污泥四種介質進行加載對比，且各控制藥劑投加量為0mg/L、50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L、250mg/L、300mg/L。按照上述試驗方法進行加載混凝反應后，測定出水中SS和濁度來評價混凝效果。實驗結果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，處理后水濁度、剩余SS均呈逐步降低的趨勢，說明低溫低濁水質處理增加介質可以較大的提高污染物去除率，優化混凝效果。同時在相同投藥量的情況下，投加微砂的處理后出水效果呈現出較明顯的優勢，剩余濁度和剩余SS低于投加其他3種介質后的沉后水剩余濁度，微砂投加量150mg/L時，剩余濁度為2.65NTU，剩余SS為8mg/L。

2.4 最優條件下加載混凝處理后出水水質

根據上述試驗，確定該低溫低濁類型隧道施工廢水最佳處理參數： PAC 投藥量為 50mg/L、PAM投藥量為3mg/L、微砂投加量 150mg/L，在最優條件下進行處理，對水質進行分析。檢測結果如表5所示。

由表5可見，最優參數下，隧道廢水沉后水除濁度和SS外，其余指標也處理效果較好，均能滿足《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）一級標準、城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918—2002）一級A標準、《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）二類水標準等標準要求。

3? 結論

以某西北高海拔低溫地區隧道施工生產廢水作為的原水為處理對象進行加載混凝小試研究，以處理后廢水的濁度、SS、COD、氨氮等指標來評價廢水處理效果，通過實驗考察，可以得出如下結論：

①低溫低濁類型隧道施工廢水采用PAC（50mg/L）+PAM（2mg/L）的藥劑組合，處理效果較差，沉后水剩余濁度為23.5，沉后剩余SS為51mg/L，且絮凝時釩花松散，出水可看見明顯絮體，表觀效果較差。通過增加PAM的投加量至3mg/L，可以提高出水效果，將濁度降低至8.4NTU，SS降低至16mg/L，但SS指標還不能滿足城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918—2002）一級A標準要求。

②通過投加介質，基于加載混凝的機理可以進一步提高低溫低濁類隧道施工廢水的處理效果，實驗確定的最優工藝參數為 PAC 投藥量50mg/L、PAM投藥量為3mg/L、微砂投加量為150mg/L，此時處理后剩余濁度為2.65NTU、剩余SS為8mg/L，可以達到城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918—2002）一級A標準要求。

③對最優參數處理后的廢水進行了其他指標的檢測，發現處理后的SS、COD、pH、氨氮、總磷、石油類等各項指標均能滿足《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）一級標準、城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918—2002）一級A標準、《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）二類水標準等標準要求。加載混凝工藝可作為低溫低濁類隧道施工污水、尤其是環境敏感區域隧道施工污水處理的最佳工藝之一。

參考文獻：

[1]袁勇.歌樂山隧道施工與環境保護[J].現代隧道技術， 2004， 41（1）：68-72.

[2]楊斌，蔣紅梅，吳東國，等.公路隧道施工廢水處理工藝探討[J].公路交通技術，2008，24（6）：162-164.

[3]趙先科，張運亮.城市隧道施工對周圍環境的影響分析[J].四川建材，2017，43（07）：143-144.

[4]TB10010-2016，鐵路給水排水設計規范[S].

[5]婁掌印.鐵路隧道施工廢水的混凝處理試驗研究[J].高速鐵路技術，2019，10（02）：10-13，26.

[6]胡鍇.鐵路隧道斜井施工廢水污染物特征分析[J].科技創業月刊，2016，29（3）：119-121.

[7]Lee J， Kim J， Jeong S， et al. Characterization of membrane foulants in a pilot-scale tunnel construction wastewater treatment process[J]. Bioresource Technology， 2014，171：384-388.

[8]許峰.水泥+硫酸鋁混凝法處理隧道施工廢水研究[D].長安大學，2011.