隧道論文:淺論鐵路隧道工程施工廢水處理對策

2021年3月24日
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摘要:隨著社會經濟的快速發展,鐵路隧道工程項目逐漸增多,由于隧道施工會產生一部分污水,污水在惡劣的施工環境下會對原本的地下水產生污染或直接排放后對地表水體產生污染,嚴重威脅人類的生存環境。須提高對隧道施工廢水的處理研究,采用合理的廢水處理工藝設計對降低施工廢水污染物含量、達到排放標準具有重要的意義。基于此,文章將在分析隧道工程施工廢水來源、主要污染物及其影響的基礎上,就鐵路工程隧道施工廢水的特點,總結相關廢水處理工藝和對策。

關鍵詞:鐵路隧道;施工廢水;處理工藝

1、鐵路隧道工程施工廢水來源和特點

1.1鐵路隧道工程施工廢水來源

鐵路隧道工程在施工時,由于隧道需要深入地下,易出現水質污染的問題,尤其在一些南方地區,地下水系較為豐富,在這種情況下開展地下隧道施工會對地下水產生污染破壞。當廢水沒有經過處理便被排放后,會對地表水體和人們的身體健康產生危害。在具體隧道施工中,常見的是用火藥爆破施工,還需要打樁施工、混凝土灌注和加固等,這些施工行為會對隧道周圍巖壁產生一定影響,巖石上的水泥脫落后,會產生大量泥漿而引起水污染,會威脅到施工隊伍在地下施工的安全。由于在地下施工時空間狹小、地質水文條件復雜,如果隨意堆放施工材料,可能會滑落到水中直接污染地下水源。具體來說,隧道工程施工廢水主要有兩個來源,其一,穿越不良地質時產生的涌水,這些涌水主要來自地下孔隙水、裂隙水、巖溶水,地下水的水量較大、水質較好,如果在施工時不受污染可以直接排放。在鐵路隧道工程施工中,由于施工活動被排放的清水,在排出隧道時易被施工產生的廢水、因機械泄漏產生的油類物質污染,目前大部分隧道工程施工沒有實施清水、污水分流。因此,原來的地下清水涌出后可能會與施工廢水混合被一同排出,直接導致所需處理的廢水量增大。另外一部分廢水是指施工活動產生的廢水,主要指爆破和鉆孔施工產生的廢水,如爆破后降塵使用的水變成受污染的廢水,噴射混凝土與注漿也會產生廢水。由于不同隧道其地質、圍巖性質不同,水質會有一些差異,相同的隧道由于工期、施工時間存在差異、隧道突水、突泥現象的發生均會對施工廢水產生一定影響。

1.2鐵路隧道工程施工廢水的特征

大部分鐵路隧道工程施工在較偏僻的地方進行,隧道環境復雜,施工產生的廢水中污染物成分比較復雜,可采用玻璃電極法、重量法、紅外光度法、重鉻酸鹽法、稀釋、接種等方法對污染物的酸堿值、懸浮物、石油類物質、化學需氧量、生化需氧量等進行測試分析。當隧道施工廢水的酸堿值超出了允許排放的標準,懸浮物檢測最大、最小值均超出了允許排放濃度,會對環境造成較大的污染破壞。如果這些廢水未經過處理便排放到洞外地表,再順著巖洞進入水體中會污染地表水體,會對周圍植物產生破壞。隧洞施工廢水的水質和涌水滲水量、圍巖的類別等有較大的關聯,隧洞涌水滲水量小、廢水水質指標偏差大,需要處理的廢水量較小。當隧洞的涌水滲水量較大、廢水水質指標較好時需要處理的廢水量增大。隧洞的圍巖質量較差,巖石強度較低可能會在施工中由于施工活動的影響,產生大量泥漿,影響廢水水質。

2、鐵路隧道工程施工廢水主要污染物和對環境的影響

鐵路隧道工程施工廢水中,主要污染物為水中固體懸浮物、化學需氧量、少量的石油類物質和堿性物質。含有堿性物質是由于在施工時,噴射混凝土和注漿的水發生水解反應產生了硅酸鈣物質和氫氧化鈣物質。根據調查統計,隧道工程施工廢水中污染物濃度分別為:懸浮物450~5000mg/L,化學需氧量28~160mg/L,石油類物質0.2~20mg/L,氨氮1.4~3.4mg/L。鐵路隧道施工產生廢水會對周圍的水體環境、植物、魚類等產生一定破壞,當施工廢水直接排入周邊地表水體中會導致地表水體的污染,當隧道工程開挖施工時,會對地下水環境產生破壞。廢水中懸浮物濃度太高會降低水的透明度,大量固體物質沉淀在河底會覆蓋魚類的產卵場,破壞了水生生物的繁衍生存。

3、國內外關于隧道工程施工廢水的處理研究

3.1國內研究現狀

鐵路隧道一般處在地形較復雜的山區,這些地區地勢崎嶇地下空間較為狹窄,受到地形地勢的影響,隧道工程施工時產生的廢水無法采用復雜的處理方法。國內目前針對鐵路隧道廢水的處理,常見的是沉砂、混凝沉淀、氣浮和過濾等。如庫格線阿爾金山隧道采用鉆爆法施工后,隧道的進口段穿越第三系泥巖夾砂巖地層,巖層具有一定的膨脹特性,該隧道處在自然保護區域,對施工廢水處理時,須綜合考慮當地的地勢地形條件、圍巖特征、當地的自然環境,經設計研究后采用平流沉砂池+隔油沉淀池+一體化兩級氣浮過濾的處理工藝。對陽安二線沿線隧道施工,由于施工現場距離漢江水體較近,在處理廢水時采用了經典處理方式,可減少對自然水體的破壞。一般在沉淀時為了取得較好的沉淀處理效果,應確保廢水在沉淀池中停留的時間大于1.5h,控制進水區的水流速度小于30mm/s,有效水深控制在3~4m。國內對隧道廢水的處理上采用了酸堿中和、混凝作用和斜管沉淀DOI:10.19301/j.cnki.zncs.2021.03.027等方式。酸堿中和是由于施工廢水中含有一些堿性物質,通過加入鹽酸可中和降低廢水的酸堿值,使其達到排放的標準,經過初沉的廢水送入酸堿反應池中,加入一定濃度的鹽酸,經攪拌混合均勻后,采用試紙檢測酸堿值是否達到了廢水排放的標準,如果不達標則繼續調節鹽酸的流量直到滿足要求。需要注意的是,一般混凝劑自身有適用的酸堿值范圍,酸堿中和應在混凝作用前開展,避免對混凝劑的影響,確保良好的處理效果。

3.2國外研究現狀

國外對于隧道廢水處理的研究,常見的是采用微濾和反滲透的方式進行隧道施工廢水處理,使用微濾膜系統實現對廢水的降濁,將廢水濁度降到一定值以后,再使用反滲透和微濾組合的方式去除廢水中的有機和無機污染物,達到排放水質的要求。Tsai等設計了化學反應與微濾處理結合的隧道施工廢水處理系統,檢驗廢水中各污染物成分的濃度,利用化學反應生成可溶性二氧化硅,化學試劑和酸堿值均會對去除二氧化硅產生影響。在化學試劑氯化鈣的濃度和酸堿值足夠高時,可降低水體中二氧化硅的濃度,但繼續增加氯化鈣并不能持續降低二氧化硅的濃度,說明化學試劑的使用有一定限值,超出了這個限值不能再起到去除沉淀物的作用。酸堿值在一定范圍時,加入氯化鎂比加入氯化鈣去除二氧化硅的效果更好。Lee等設計了兩步微濾與反滲透結合的系統,實現對隧道施工廢水的處理,廢水先經過微濾系統進行處理后去除其中的微污染物,如重金屬、懸浮物,使廢水濁度下降到一定值下,再進入反滲透系統中實現對污染物的有效去除,去除率可達95%以上,降低了廢水的濁度和污染物的濃度。使用反滲透系統可以減少廢水中的鹽度,采用此工藝處理隧道廢水可使鹽度接近于0,可使處理后的水質滿足排放的條件。

4、結合隧道工程試驗分析對鐵路隧道工程施工廢水的處理

4.1混凝沉淀

此隧道工程對施工廢水的處理采用了沉砂、混凝沉淀、氣浮和過濾的組合工藝,通過對各個處理工藝環節對懸浮物去除效果的監督檢測,可驗證每一項工藝對于廢水污染物的去除效果。混凝沉淀使用聚合氯化鋁混凝藥劑,混凝土沉淀對懸浮顆粒的去除率達86%左右,懸浮物的濃度在經混凝沉淀后濃度控制在110mg/L,混凝沉淀對懸浮顆粒去除的效果較好,但去除的效果隨著進水水量的增多而下降。當廢水處理設施實際進水流量過大,運行負荷較大時,可通過加大混凝藥劑量進行緩沖,能有效提高懸浮顆粒去除率,降低了處理設施的運行壓力。當經處理后,懸浮顆粒的出水濃度無法滿足污水排放標準時,說明該沉砂、混凝沉淀的工藝無法滿足實際隧道污水處理的要求,須對該污水處理設施進行改進優化。

4.2氣浮

氣浮處理工藝對于懸浮顆粒的去除效果,其去除率可達到7%~20%,懸浮顆粒的出水濃度一般在100~150mg/L之間,氣浮工藝去除懸浮顆粒的效果較差,去除率不高,出水中的懸浮顆粒的濃度不能滿足污水排放標準要求。因此,可以判斷氣浮處理工藝對于廢水中懸浮物的去除效果不佳,主要以去除懸浮物污染物的隧道施工廢水處理系統中,可節省氣浮處理的環節。

4.3過濾

通過試驗發現過濾處理工藝對懸浮物的去除效果,去除率達到53%以上,且出水中懸浮物的濃度控制在40%左右,說明過濾工藝對于懸浮物的去除效果較好。在進水中懸浮物濃度不斷上升的情況下,可采用過濾處理工藝確保出水中懸浮物濃度的穩定,確保去除廢水中懸浮物效果的穩定。過濾處理工藝抗負荷的能力較好,出水中懸浮物的濃度一般滿足污水排放標準要求。

5、結語

綜上所述,隧道工程施工廢水主要污染物中包括懸浮物、石油類物質、氨氮和少量COD物質,但以懸浮物為主。對懸浮物污染物的處理工藝常見的有沉砂、混凝沉砂、氣浮和過濾等,其中以混凝沉砂和過濾處理工藝為最佳,可確保懸浮物的處理效果和出水中懸浮物濃度的穩定,使出水中懸浮物濃度達到排放標準。基于對隧道工程施工廢水來源、特點的研究,建議在石油類污染物含量較低時,可直接取出氣浮處理環節,設置沉砂、混凝沉淀和過濾處理系統,簡化系統處理流程,節約成本,起到良好的去除污染物的效果。

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作者:靳菲菲 單位:中鐵上海工程局集團第一工程有限公司

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