山岭隧洞施工废水处理方法探讨

Posted 2023-01-12 废水处理方法

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山岭隧洞施工大多位于山区，且往往是河流源头或水源保护区上游，对排放水质有较严格的要求。施工过程中会产生大量含悬浮物的废水，如爆破、机械施工，还会产生含有一定量的氨氮和石油类废水。结合某工程实例，在考虑受纳水体的排放要求和山区环境特点的情况下，对山岭隧洞施工过程产生的各类废水进行分质分流处理，本着简单易行的原则，提出了有针对性的工艺技术路线，为山岭隧洞施工废水处理方案的选择提供参考。
近年来，随着高等级公路、铁路的建设，隧洞施工日渐普遍。山岭隧洞施工一般多发生在山区，地处天然水的产汇流区、水源的源头区，甚至是饮用水水源保护区。如何解决山岭隧洞施工废水的有效处理，是具有普遍性的工程实际问题。目前国内针对这一问题的相关研究鲜有报道，本文通过分析提出施工过程主要污染物的测算方法与废水的有效处理方案。
1.山岭隧洞施工废水种类与特点
山岭隧洞施工一般会产生3类废水：①隧洞施工过程产生的废水，称之为施工废水；②伴随施工过程的隧洞涌水和围岩渗水，称之为施工涌渗水；③施工人员产生的生活污水。前两者统称为施工过程废水；后者称之为生活污水。
1.1 施工废水
施工废水的水质与施工工艺密切相关，目前山岭隧洞施工方式主要有钻爆法与隧洞(TBM)法两种。在隧道长、空间大的隧洞施工过程，为了加快工期，常常会利用斜井、横洞等辅助施工。
1.1.1 钻爆法
钻爆法施工的基本流程为在岩石表面钻装药孔，装填炸药并爆破，再将爆破的碎石渣清运，并在形成断面后根据实际需要进行支护等作业。根据钻爆施工原理，产生的污染物主要有：岩粉等固体颗粒物、炸药爆炸后的产物和没有完全反应的残余药物、支护作业流失的混凝土浆液等。目前，山岭隧洞爆破多采用硝氨炸药，其爆炸产物为N2、NO、NO2等，只有少量来不及反应的原药硝铵才会产生氨氮和硝酸根等物质。
钻爆法施工过程废水中氨氮的高低对废水处理工艺的选择至关重要。施工废水中的氨氮一般来自硝铵炸药的无效成份。根据经验，在无受潮情况下硝铵炸药爆炸过程不参与反应的物质一般不会超过1%，由于爆炸具有间歇性和瞬时性的特点，因此废水中氨氮的含量可以根据山岭隧洞集水池总容积计算。如某隧洞一次使用硝铵炸药约600kg，则未参予反应的硝铵最多为6kg，折算氨氮约为1.5kg，其设计的集水池总容积为400m3，则爆炸后废水氨氮最高约为4mg/L。表1为某山岭隧洞钻爆法施工工艺产生的废水水质监测结果。

1.1.2 TBM法
TBM法施工属于机械作业，能同时完成破岩、出渣、通风除尘、支护衬砌等作业，具有连续、高效的特点。TBM法施工不仅避免了使用炸药，且粉尘和隧洞涌水及围岩渗水产生量也少。由于TBM盾构机属于大型机械作业，因此需要冷却和润滑，会产生一定量的石油类污染物。表2为某山岭隧洞TBM法施工工艺产生的废水水质监测结果。

1.2 隧洞涌水与围岩渗水
隧洞涌水与围岩渗水是隧道施工过程中，由于岩石的破坏、开挖、松动而导致的存在于地下裂隙中的天然水，其类型多为基岩或岩溶裂隙地下潜水或承压水等。隧洞涌水与围岩渗水水量变化幅度较大，但水质总体稳定，一般属于无人为污染的天然水。其水质取决于原生地质环境，可能会因原生地质环境而存在特殊的盐或重金属污染物。
1.3 生活污水
施工人员居住房屋简陋，卫生设施简单，多采用旱厕，加之洗浴比较频繁。所以，其产生的生活污水相对于城市居民而言，其主要污染物含量较低。
2.废水处理
2.1 清污分流原则
按照清洁生产的原则，隧洞涌水与围岩渗水属于清洁的天然水，应单独收集、利用或排放。但当爆破或钻洞开挖施工时都会诱发隧洞涌水、围岩渗水与施工废水同步产生。因此，除极个别的特殊情况，隧洞涌水和围岩渗水一般很难与施工废水彻底分开。加之隧洞作业空间相对狭小且封闭，废水多为混合后引出洞外处理。
2.2 受纳水体水质要求
废水处理的程度取决于受纳水体的水功能要求。山区环境一般属于河流的源头区或水源保护区，其水质一般均可达到地表水环境质量Ⅲ类及以上标准。如果施工区位于水源一级保护区，则禁止一切与水源保护无关的活动；如果在二级保护区以内，则或者实现零排放，或者处理后达到地表水Ⅲ类以上水质标准后排放。表3为地表水Ⅱ类和Ⅲ水质标准与《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)中一级排放标准限值的对比情况。可见，地表水环境质量标准与污水综合排放标准限值差距较大，施工过程若排放废水，对水质的处理要求极高，难度极大。

2.3 山区的环境特点
由于山岭隧洞施工多发生在山区，该环境特点为：①道路、电力、通讯、输送管道等建设条件较差，给污废水处理工程带来了极大不便；②山区早晚温差大，晚间和冬季气温较低，不利于污水生物处理中微生物的生长和繁殖；③山区环境一般地质灾害较多，土层薄，多岩石，施工不易，施工成本较高；④山区一般为河流的上游或源头，水量不大，稀释自净能力弱，水质洁净，对废水的排放标准要求极高。
3 水处理工艺的选择
3.1 施工过程废水
施工过程废水主要含有无机污染物，悬浮物含量高，并含有一定量的氨氮、石油类等污染物质，可生化性相对较差。由于此类废水中SS相对较高，且SS与悬浮性COD、氮类污染物有一定的关联度。因此，施工过程废水宜采用物化法为主的处理工艺。
(1)SS的去除。施工过程产生的SS，通常是非常细小的岩屑及少量有机质。气浮法适合去除比重较小或者更为细小的悬浮微粒。絮凝沉淀法通过投加絮凝剂和助凝剂去除悬浮微粒，同时还可以通过吸附作用去除有机物，因而比较常用，但会产生较多的泥渣，但其疏水性较好，相对稳定，可以填埋处置。
(2)氨氮的去除。施工过程废水中氨氮变化幅度较大，小时最大浓度会在几个、十几个甚至几十个mg/L之间波动，且氨氮一般只在钻爆法中硝氨炸药瞬时爆炸时产生，在与隧洞涌水和围岩渗水混合之后，其浓度大幅度降低且与一次用药量及集水池容积有关，有一定的人为控制余地。一般可以控制在3～5mg/L，这样可以省略专门用于去除氨氮的单元。因此，一般可考虑采用与去除SS的混凝沉淀相结合的方法，以去除少量氨氮。为进一步保证出水氨氮达到地表水环境质量Ⅲ类及以上标准，可在混凝沉淀后增加沸石床吸附工艺，同时在沸石床之前应增加砂滤作为预处理单元，延长沸石床的使用寿命。据有关资料表明，沸石对NH+4的吸附量最高可达270mg/kg，平均在230mg/kg左右，吸附比为1%～2%。可见，在氨氮浓度较低的情况下，沸石是非常有效的吸附剂。
(3)石油类物质的去除。石油类物质的去除方法主要有气浮法、混凝沉淀法、臭氧氧化法、过滤法以及吸附法等。为使出水石油类物质达到地表水环境质量Ⅲ类及以上标准，可考虑采用重力隔油和活性炭吸附进一步降低出水石油类物质。
综合上述分析，考虑到施工过程废水以SS为主，同时含有少量COD、氨氮以及石油类物质，故工艺选择以物化法为主，建议采用①施工过程废水→混凝沉淀→石英砂滤—沸石吸附→排放；
②施工过程废水→混凝沉淀→石英砂滤→活性炭吸附→排放。工艺①主要针对氨氮的去除；工艺②主要针对石油类物质的去除。
通过上述两种工艺的处理，施工过程废水处理出水可达到地表水环境质量Ⅲ类及以上标准。
(4)滤料与吸附材料的选择。本文提出的石英砂滤料主要处理悬浮物，且不易堵塞，起到了预处理和保安过滤的作用；沸石主要利用其较好的氨氮吸附效果；活性炭主要针对的是石油类污染物质。当然，滤料和吸附材料应当本着就地取材、方便、经济、实用、有效的原则进行选择。
3.2 生活污水
由于施工过程有时段性，生活设施具有临时性的特点，所以生活污水的处理设施应紧密结合山区居民的生活实际，选择经济可行的处理方式。生活垃圾可以采取定点收集和日产日清，集中清运的方式解决。粪便污水和洗涤废水建议采用分散和分别处理的方式，如在施工人数不多的情况下，可结合山区当地实际，修建双瓮式厕所或对当地旱厕进行改造，满足卫生要求；人数较多时，可以采用流动式公共厕所做到逐日清运，或者建设化粪池与生活污水一并处理。当生活污水宜采用分散式的处理方式，即按照相对集中的施工区域集中设置处理站，以减少管道施工。其中餐厨废水含有大量食用油脂，需要单独设隔油装置；生活污水碳源不足时，宜采用物化处理方法；当施工区生活污水包括上述全部污水时，首选应以生物处理方法。
4.结论
山岭隧洞施工多发生在山区，而山区往往是水源源头区和水源保护区，不仅水质标准较高，甚至有些地方不允许排污，这就与施工废水的排放发生了很大矛盾。本文在对隧洞施工过程废水的来源、水质特征进行详细分析的基础上，充分考虑受纳水体的水质要求和山区环境特点，针对施工过程废水和生活污水，提出了有针对性的工艺技术方案。