鐵路隧道施工期廢水處理工藝技術(shù)研究

趙子成

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，長大隧道日益增多。隧道施工不可避免地會改變原有環(huán)境狀態(tài)，對環(huán)境產(chǎn)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(jīng)處理直接排放將對排放點附近受保護水體及自然環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染[2]，因此隧道施工廢水的處理非常重要。

目前，國內(nèi)外僅有個別學(xué)者對公路隧道做過調(diào)查和研究，與鐵路隧道施工期廢水相關(guān)的研究成果不多[3]。本文對鐵路隧道施工期廢水進水水質(zhì)進行充分調(diào)研，分析其來源以及組成，對水質(zhì)影響因素以及污水水質(zhì)特征進行了詳細分析。根據(jù)未襯砌段隧道涌水量、工區(qū)長度、處理設(shè)備工作制度等主要影響因素，合理確定廢水處理規(guī)模計算公式。在隧道施工廢水水質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)環(huán)評要求，詳細分析巖層地質(zhì)情況、受納水體等級、環(huán)境容量(排出口與水體距離)、施工現(xiàn)場條件等影響因素，總結(jié)出經(jīng)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(biāo)排放或者回用。該工藝技術(shù)方案合理，具有可實施性，可為其它廢水處理工程提供指導(dǎo)，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(shù)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(zhì)單元時，開挖或爆破時產(chǎn)生的涌水；混合水泥砂漿水；施工機械設(shè)備運行時產(chǎn)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(nèi)、洞口、施工營地內(nèi)產(chǎn)生的各種新增污染[5]。

1.2 隧道工程廢水來源分析及水質(zhì)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(chǎn)生環(huán)節(jié)圖

從圖1可以看出：(1)隧道鉆爆開挖產(chǎn)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(chǎn)生施工廢水；(3)洞口開挖棄渣容易產(chǎn)生水體流失，也容易產(chǎn)生部分廢水[6]。

1.2.2現(xiàn)場隧道廢水水質(zhì)特征

為確定合理的隧道廢水處理工藝，需對廢水水質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。根據(jù)《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(huán)境監(jiān)控報告書(2007年8月至2008年3月)》，對4座隧道現(xiàn)場采樣，每個施工斷面施工時產(chǎn)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(cè)排水溝流出隧道，隨著隧道施工斷面的推進及流經(jīng)距離的增加，經(jīng)隧道兩側(cè)排水溝充分沉淀后，排水中的懸浮物逐漸減小。根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)研，其污染物的濃度分析結(jié)果如表1所示。

表1 襄渝鐵路施工期隧道洞口排水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)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(jiān)測值差異較大。西坡隧道主要由片理化凝灰?guī)r等軟質(zhì)巖組成，在監(jiān)測時段內(nèi)涌水量較大，涌水改變了原地下水徑路，沖刷地下水通道內(nèi)的沉積物，導(dǎo)致SS監(jiān)測值較高。新大巴山、新白巖寨、新小米溪隧道在監(jiān)測時段內(nèi)，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(yè)面較遠，排水經(jīng)過成分沉淀，SS監(jiān)測值較低。由此可見，SS排放濃度具有不穩(wěn)定、易受到涌水量大小、隧道地質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)》一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

(3)CODcr、氨氮主要來自施工人員在隧道內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)》一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

(4)隧道仰拱襯砌施工基本不產(chǎn)生施工廢水。

(5)隧道洞口開挖及棄渣將產(chǎn)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(jīng)處理或處理不當(dāng)，進入江河源頭或其支流，將對水體水質(zhì)產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為增加水體懸浮物含量。特別是當(dāng)排入一些小型支流時，將嚴(yán)重影響其水質(zhì)及景觀。

2 隧道施工期廢水處理規(guī)模探討

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)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(yè)面及距離隧道作業(yè)面一定距離內(nèi)的部位。已襯砌完成部位產(chǎn)生的滲水未受施工影響，水質(zhì)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(shè)備規(guī)模增大，嚴(yán)重影響投資概算。因此，隧道施工應(yīng)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(guī)模時還應(yīng)考慮工區(qū)長度、處理設(shè)備工作制度等影響因素。廢水處理規(guī)模可按式(1)計算。

S=Q×l/(L×T)

(1)

式中：S——廢水處理規(guī)模(m3/h)；

Q——隧道工區(qū)總涌水量(m3/h)；

l——未襯砌工區(qū)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(qū)計算長度(m)；

T——工作制度(處理站處理設(shè)備工作時間)，根據(jù)現(xiàn)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(shù)的研究較少，通常采用常規(guī)的處理工藝或者是幾種工藝的簡單組合，已不能適應(yīng)鐵路穿越特殊地質(zhì)區(qū)域的環(huán)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(zhì)，提出經(jīng)濟合理的處理工藝及流程，使處理后出水水質(zhì)達到排入相應(yīng)水域的排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 隧道廢水處理工藝確定

通過對進水水質(zhì)的分析可知，廢水處理工藝與隧道施工經(jīng)過的巖層地質(zhì)情況、受納水體等級、環(huán)境容量(排出口與水體距離)、施工現(xiàn)場條件等因素有關(guān)[8]。根據(jù)環(huán)評要求，當(dāng)施工當(dāng)?shù)厥芗{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(zhì)》要求后，可回用、綠化、灑水或用于建筑施工。當(dāng)受納水體為Ⅲ類水體時，隧道施工廢水水質(zhì)達到GB 8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)后方可排放。因此，應(yīng)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(zhì)以及水環(huán)境功能區(qū)劃要求的排放條件，分析出最經(jīng)濟、有效的處理工藝[8]。

根據(jù)上述分析，同時結(jié)合實際經(jīng)驗，確定各隧道施工點廢水處理工藝。

(1)隧道掘進經(jīng)過地層主要為石英巖、花崗巖、白云巖、頁巖等，且出水徑流經(jīng)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(yīng)(投混凝劑)+調(diào)節(jié)沉淀”的處理工藝。

(2)隧道掘進經(jīng)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(jīng)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(yīng)(投混凝劑)+調(diào)節(jié)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(yīng)(投混凝劑)+調(diào)節(jié)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(jīng)過地層主要為炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)板巖夾砂巖、炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)泥巖、灰?guī)r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(chǔ)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(lián)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(jīng)隧道專業(yè)實施的預(yù)沉池預(yù)沉淀后進入廢水處理站。首先進入反應(yīng)池，并在進水口處設(shè)置格柵，擋住部分固體不可分解垃圾，防止堵塞管道。反應(yīng)池內(nèi)安裝有加藥管道和斜管沉淀設(shè)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(yīng)池斜管中得以聚集，轉(zhuǎn)化成絮體沉淀下來。

廢水經(jīng)過反應(yīng)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(shè)污泥干化池收集干污泥。

經(jīng)過沉淀池之后，污水中的大部分雜質(zhì)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(zhì)。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(zhì))、水色澤度(吸附含色度的物質(zhì))，過濾出水水質(zhì)可達到污水綜排一級標(biāo)準(zhǔn)及回用水綠化標(biāo)準(zhǔn)。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(chǎn)。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(qū)鐵路沿線地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)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(yè)面排水影響Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類保護水域的點極多。

根據(jù)式(1)， 廢水處理站規(guī)模為20 m3/h，兩班制運行良好。隧道掘進經(jīng)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(yīng)(投混凝劑)+調(diào)節(jié)沉淀+過濾”相組合的工藝處理。經(jīng)過檢測，進出水水質(zhì)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(shù)據(jù)可以看出，對該隧道施工廢水采用“反應(yīng)(投混凝劑)+調(diào)節(jié)沉淀+過濾”的組合工藝可行，出水可達到污水綜排一級標(biāo)準(zhǔn)及回用水綠化、澆灑道路或洗車的水質(zhì)要求。

5 結(jié)論與展望

本文對隧道施工期廢水進水水質(zhì)進行充分調(diào)研，分析其來源以及組成，對水質(zhì)影響因素以及污水水質(zhì)特征進行了詳細分析。綜合分析影響因素得出廢水處理規(guī)模，依據(jù)經(jīng)濟有效的原則確定了廢水處理工藝，保證出水達標(biāo)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(dǎo)，具有較大的實際意義和推廣價值。