薛 正

(中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司 環(huán)境評估部，北京 100844)

1 概述

在以往工程實(shí)踐中，建設(shè)和設(shè)計(jì)單位對鐵路隧道施工廢水的處理方法進(jìn)行了研究，采取了以混凝、沉淀、氣浮或過濾等處理工藝為代表的處理方法，取得了較好的成效。然而在隧道施工廢水處理現(xiàn)場的應(yīng)用中，由于運(yùn)營管理及運(yùn)營成本問題，廢水處理達(dá)不到預(yù)期效果，主要因素之一就是廢水量大，藥劑使用量大，導(dǎo)致運(yùn)營成本偏高，廢水處理站運(yùn)營單位缺乏足量投藥的積極性。因此，提高廢水處理效率，降低廢水處理中的藥劑使用量，從而降低廢水處理成本，是保證隧道施工廢水達(dá)標(biāo)排放的一個(gè)關(guān)鍵因素。結(jié)合科研課題，對各種混凝劑的應(yīng)用情況及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析總結(jié)，選擇目前常見的幾種混凝劑進(jìn)行了初步研究，目的是尋求一種高效、價(jià)廉、環(huán)保的混凝劑產(chǎn)品，以便對隧道施工廢水的處理方案進(jìn)行修正和調(diào)整。

1.1 隧道施工廢水來源分析

隧道施工廢水一般包括開挖和鉆孔過程中產(chǎn)生的各種泥漿水、噴淋降塵用水，以及機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的冷卻水和各種清洗用水。任偉[1]研究認(rèn)為，隧道施工廢水的來源為隧道穿越不良地質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的涌水；施工機(jī)械設(shè)備，如鉆進(jìn)機(jī)械等產(chǎn)生的廢水；鉆爆法施工后用于降塵的水；噴射混凝土和超前注漿等產(chǎn)生的施工廢水等。李文波等[2]分析隧道施工廢水主要包括，開挖過程中遇到的斷層泥；鉆進(jìn)及爆破時(shí)巖石碎屑及粉末經(jīng)過裂隙水浸泡后形成泥漿；施工過程中初襯支護(hù)噴射混凝土過程中產(chǎn)生過量的水泥經(jīng)過水流沖刷后，因部分無法凝固，溶于水中對水體產(chǎn)生污染。因此，隧道施工廢水中污染物主要來源為：爆破材料產(chǎn)生的污染物、機(jī)械設(shè)備等產(chǎn)生的污染物、注漿材料和隧道施工支護(hù)過程中產(chǎn)生的污染物[3]。

1.2 隧道施工廢水處理措施及難點(diǎn)

目前我國隧道施工過程中常用的廢水處理措施為三級沉淀后排放，但隨著施工技術(shù)發(fā)展及環(huán)境保護(hù)的要求，對施工排水標(biāo)準(zhǔn)的要求越來越高，原有的沉淀處理措施弊端越來越凸顯，甚至影響工程進(jìn)度，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析主要存在以下問題。

(1)由于隧道施工大部分位于山區(qū)，隧道施工洞口場地非常緊張，很難開辟出大塊場地用于施工廢水處理站的建設(shè)。

(2)由于傳統(tǒng)的自然沉淀過程中需要較大的處理場地，但隨著施工技術(shù)的發(fā)展，隧道掘進(jìn)速度越來越快，產(chǎn)生的施工廢水也越來越多，由于廢水處理場地不夠，廢水停留時(shí)間達(dá)不到要求，無法有效去除廢水中的懸浮物，沉淀效果已經(jīng)無法滿足排放要求。

(3)投加混凝劑后能夠明顯改善出水效果，有效減少廢水處理的停留時(shí)間，從而減小污水處理站的用地規(guī)模，但是由于投加混凝劑的成本問題，從成本角度考慮，施工時(shí)不愿按時(shí)定點(diǎn)投加混凝劑，導(dǎo)致出水效果達(dá)不到要求，久而久之廢水處理站的作用有所弱化。

鑒于以上問題，高效、低成本、環(huán)保的混凝劑越來越受到重視，隨著混凝沉淀技術(shù)的日益發(fā)展和完善，我國及其他國家開發(fā)的混凝劑種類越來越多，各種獨(dú)具特點(diǎn)的新產(chǎn)品也不斷涌現(xiàn)，目前隧道施工廢水處理的混凝劑有200多種，基本可以滿足不同地質(zhì)狀況下各種隧道施工廢水處理的需求。

2 混凝及常用混凝劑分類

水中的膠體污染物受等電位的影響，通常不能通過自然沉降的方法去除，需要通過向水中投加部分藥劑，使分散在水中的膠體類物質(zhì)相互碰撞聚集，成為較大的顆粒或絮狀物質(zhì)后將其去除，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中通常通過2項(xiàng)工藝來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，即膠體的脫穩(wěn)過程及脫穩(wěn)膠體之間的重新粘結(jié)[4]。在廢水處理過程中，通常將脫穩(wěn)這一過程稱之為“凝聚”，而將脫穩(wěn)膠體之間的粘結(jié)過程稱之為“絮凝”，將凝聚和絮凝2個(gè)過程總稱為混凝。

目前市面上有很多種類的混凝劑，按照混凝劑的化學(xué)成分及其生成環(huán)境主要可以分為微生物絮凝劑、礦物類助凝劑、有機(jī)高分子混凝劑、無機(jī)混凝劑等，其中以各種聚丙烯、聚銨等為主的有機(jī)高分子混凝劑，以及以各種聚合氯化鋁鹽、鐵鹽等為主的無機(jī)混凝劑應(yīng)用較為廣泛[5]。常用混凝劑分類及類型如表1所示。

表1 常用混凝劑分類及類型

3 混凝劑的應(yīng)用現(xiàn)狀及分析

3.1 無機(jī)混凝劑

早期的廢水處理中，無機(jī)低分子混凝劑得到了廣泛應(yīng)用，如硫酸鋁、明礬、硫酸鐵、活化硅酸、三氯化鐵等，由于價(jià)格低廉，在我國城市生活污水及工業(yè)廢水處理過程中得到了長期大量使用，但因其特別易產(chǎn)生二次環(huán)境污染，逐漸被淘汰[6]。

3.2 無機(jī)高分子混凝劑

無機(jī)高分子混凝劑是在傳統(tǒng)使用的鐵鹽和鋁鹽類混凝劑基礎(chǔ)上研發(fā)出來的一種新型混凝類藥劑，如硅酸硫酸鋁、聚合氯化鋁、聚合氯化鐵、聚合磷酸鋁、聚合硅酸硫酸鐵、聚合硫酸鐵、聚合硅酸氯化鋁等[7]。該類混凝劑在日常應(yīng)用過程中，廢水處理效果好、用量小，殘留物少，因而一經(jīng)研發(fā)，便受到了廣泛關(guān)注，目前已經(jīng)成為混凝劑主要的研究和使用方向。

3.3 有機(jī)混凝劑

目前有機(jī)混凝劑主要有2種，一種是合成有機(jī)高分子混凝劑，另一種是天然有機(jī)高分子混凝劑。有機(jī)高分子混凝劑出現(xiàn)于上世紀(jì)中期，自問世以來便迅速應(yīng)用于各種水處理領(lǐng)域，不僅可以用于給水處理，而且可以用于含油廢水的處理，且可以用于殺毒劑等[8]。

(1)合成有機(jī)高分子混凝劑。合成有機(jī)高分子混凝劑主要為聚丙烯酰胺、水解聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、乙烯吡啶共聚物等，其分子量高、用量少、基因團(tuán)多、絮凝能力強(qiáng)、除油效果好，被廣泛應(yīng)用于隧道施工廢水處理中，但其缺點(diǎn)同樣明顯，難于降解、非常容易造成二次污染，故廢水處理中對其使用越來越謹(jǐn)慎。

(2)天然高分子混凝劑。天然高分子混凝劑主要有甲殼素、動物膠、腐植酸、木質(zhì)素和淀粉衍生物等，以其來源廣、價(jià)格低、能降解的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛歡迎，缺點(diǎn)是混凝劑本身的電荷密度相對較小，分子量低，容易受催化酶影響而降解，失去活性。

3.4 微生物絮凝劑

鑒于無機(jī)混凝劑和有機(jī)混凝劑存在的二次污染問題，最早由國外科學(xué)家利用現(xiàn)代生物技術(shù)，采用細(xì)胞代謝產(chǎn)物提取出了具有凝聚性的高分子化合物，主要以蛋白質(zhì)、糖、糖蛋白、纖維素及有絮凝特性的菌體等組成的微生物絮凝劑。該絮凝劑解決了無機(jī)混凝劑和有機(jī)混凝劑無法降解及容易對環(huán)境造成二次污染的問題，以其可自然降解、來源豐富、高效安全、無二次污染的特性，迅速受到普遍的歡迎和關(guān)注。

目前微生物絮凝劑產(chǎn)品主要以AHU7165寄生曲霉、KJ201協(xié)腹產(chǎn)堿桿菌為主[9]，但此類絮凝劑在實(shí)際應(yīng)用過程中因產(chǎn)量小、成本高的問題嚴(yán)重制約了其廣泛應(yīng)用。因此，提高生產(chǎn)效率、降低成本成為此類絮凝劑能否廣泛推廣的關(guān)鍵。有關(guān)科學(xué)家正在研究人工合成微生物絮凝劑的可行性，如能實(shí)驗(yàn)成功，將推動該絮凝劑的廣泛應(yīng)用。

4 混凝劑在廢水處理過程中的實(shí)驗(yàn)研究

目前，中國鐵路總公司重點(diǎn)課題“鐵路隧道施工廢水治理技術(shù)研究”正在進(jìn)行中，其中混凝劑的選擇研究是一項(xiàng)重要內(nèi)容。由于不同地質(zhì)狀況的土質(zhì)不同，可能產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目前的初步試驗(yàn)中對4座隧道施工洞口廢水進(jìn)行現(xiàn)場采樣，其污染物濃度分析結(jié)果如表2所示。

表2 某隧道施工廢水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

注：允許排放濃度為《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)中的一級標(biāo)準(zhǔn)。

從分析結(jié)果可以看出，該隧道施工期廢水的pH值多為7～10，顯示偏堿性，經(jīng)分析pH值偏堿性的主要原因是由于水泥水解過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣、注漿漿液及各種混凝土添加劑等物質(zhì)均呈堿性，這些物質(zhì)溶解在水中會造成pH值升高。懸浮物SS檢測最大值為2 969，最小值為450，均大大超出允許排放濃度，主要是由于爆破產(chǎn)生的巖粉、泥沙、水泥顆粒等與水混合造成。石油類、化學(xué)需氧量CODcr檢測值均低于允許排放濃度。因此，從取樣結(jié)果看，懸浮物SS是隧道施工廢水需要處理的首要物質(zhì)，pH值為次要物質(zhì)。

4.1 混凝劑選擇

結(jié)合相關(guān)規(guī)范及研究的結(jié)論，本次選取3種在各行業(yè)水處理中應(yīng)用效果較好、具有代表性的不同類型的混凝劑，分別為聚合氯化鋁、硫酸鋁及聚合鋁-有機(jī)高分子復(fù)合混凝劑進(jìn)行鐵路隧道施工廢水的絮凝沉淀研究。

4.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

選擇感官最差、超標(biāo)數(shù)值較多的4號樣品進(jìn)行試驗(yàn)，將4號樣品靜置后，分別取上清液水樣1 000 ml至試驗(yàn)容器中，依次裝滿3個(gè)容器；然后分別加入不同類型的混凝劑，快速攪拌一定時(shí)間使其產(chǎn)生礬花并充分混合后靜置，記錄10 min、20 min、30 min的沉淀情況，分別測定其上清液pH值、懸浮物SS、含油量和COD值?；炷齽┰囼?yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 混凝劑試驗(yàn)結(jié)果

從初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，最終的出水效果較為接近，均可以滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)中的二級標(biāo)準(zhǔn)，3號混凝劑的處理效果優(yōu)于1號和2號，尤其是對于SS值的去除較為徹底，可以滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)中的一級標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論與建議

5.1 研究結(jié)論

(1)聚合氯化鋁隨著投藥量的增加，SS等指標(biāo)逐步降低，形成較大且密實(shí)的礬花，但上清液中有少部分可溶性懸浮物，據(jù)相關(guān)研究表明pH值對其處理效果有一定影響。

(2)使用硫酸鋁混凝劑時(shí)隨著投藥量增加，易形成米粒大小的礬花[10]，相較其他混凝劑形成的礬花小，雖靜置后礬花均能沉淀完畢，但上清液較混濁。

(3)隨著聚合鋁-有機(jī)高分子復(fù)合混凝劑投量增加，易形成較大礬花，絮體增大后，開始在水面處形成較為明顯的分界面，上部SS下降較為明顯，表現(xiàn)為上清液很清澈；隨著投藥量的增加，水質(zhì)逐步向酸性過渡，對廢水pH值有一定改善；同時(shí)因藥劑中含有有機(jī)物質(zhì)，使水中COD有輕微升高，但能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 建議

聚合鋁-有機(jī)高分子復(fù)合混凝劑在鐵路隧道施工廢水處理過程中優(yōu)于聚合氯化鋁、硫酸鋁，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：加快絮體形成、沉淀等過程的速度，從而提高構(gòu)筑物的處理能力，保證澄清度，從而節(jié)省處理所需的藥劑費(fèi)用，同時(shí)對偏堿性的鐵路隧道施工廢水水質(zhì)有一定的改善作用；但發(fā)現(xiàn)其形成的污泥含水率較高，因此應(yīng)配合助凝劑使用，降低其污泥含水率，同時(shí)對其易產(chǎn)生的二次污染問題應(yīng)進(jìn)一步分析研究。