隧道施工废水处理工程设计

路文旭

（中国铁路北京局集团有限公司 工程质量监督站，北京 100041）

0 引言

随着我国铁路运输事业的快速发展，隧道工程在铁路工程建设项目中所占的比重日益增加，隧道施工所产生的环境污染和生态影响也逐渐引起人们的关注，其中，铁路隧道施工废水是主要的污染源[1-2]。隧道废水主要来源于穿越不良地质单元时产生的涌水、施工面钻孔废水、爆破后降尘废水、喷射混凝土和注浆产生的废水，以及被污染的基岩裂隙水、岩溶水等[3]。隧道施工废水一般呈碱性，废水中主要污染物为悬浮物(SS)、化学需氧量(CODcr)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)及石油类污染物等[4-6]。如果隧道施工废水未经处理而直接排放，会对环境造成污染[1,7]。因此，有必要开展隧道施工废水处理的工程设计研究。

基于隧道施工废水的水质特点，为有效去除水中主要污染物且在处理过程中不产生新的污染物、避免二次污染，隧道施工废水主要采用物理化学法进行处理。但由于施工废水的来源和性质上的差异，处理工艺的选择也会有所不同。目前，国内已有的隧道施工废水处理工艺主要有混凝/沉淀/过滤、沉淀/隔油/气浮/砂滤等各种组合工艺，但处理的主要目标污染物为SS 及石油类污染物[8-9]，鲜少有实际工程处理大水量隧道施工废水中的有机污染物，如氨氮、CODcr及生化需氧量(BOD)。LEE J 等[10]采用微滤-反渗透工艺对隧道施工废水进行了中试研究，结果表明该工艺可去除99%以上的有机污染物和无机污染物，出水达到再生水利用水质，但鉴于运行成本费用及设备维护等问题，该组合并不适用于大水量的隧道施工废水实际处理工程。因此，目前铁路隧道施工废水处理项目中，需要研究针对大水量的可快速去除水体中SS、石油类污染物及少量有机污染物的处理工艺，从而实现隧道施工废水高效、低耗、资源化的处理。

固定化微生物-曝气生物滤池(G-BAF)高效脱氮工艺是研究机构开发的生物脱氮新工艺，该工艺可实现同步硝化反硝化，在同一个反应器中可实现对氨氮的高效去除。在此，以某隧道施工废水为例，针对隧道施工产生的高SS 微污染水体的处理，设计采用“隔油沉淀池—一体化气浮过滤设备—G-BAF 池”工艺，为铁路隧道施工废水处理提供参考。

1 工程概况

1.1 设计规模及水质

该隧道全长12 010 m，区间最大埋深为432 m。隧道施工废水的污染主要来源于大量固体颗粒物的进入，若未经处理直接排放会对周围饮用水源、生态环境及景观区造成一定的影响。根据建设方提供的资料，污水处理设施的设计规模为35 m3/h。设计处理出水一部分满足《铁路回用水水质标准》(TB/T 3007—2000)用于施工回用，剩余部分达到《水污染物综合排放标准》(DB 11/307—2013) B 级的排放要求，详细数据如表1 所示。

1.2 工艺流程

基于废水高SS、低碳氮比的水质特点，工艺的处理效果，运行的可靠性，造价及运行成本等因素，结合同类废水及相似废水处理的工程经验[9，11-12]，设计采用“隔油沉淀池—一体化气浮过滤—G-BAF 池”组合处理工艺，工艺流程如图1 所示。

隧道施工废水经平流式沉砂池去除较重的无机颗粒后，通过隔油沉淀池及一体化两级气浮过滤设备去除水体中的油类物质及微细悬浮颗粒杂质。废水在进入气浮设备之前投加混凝剂聚合氯化铝(Poly aluminium Chloride，PAC)及助凝剂聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)，形成的絮体与溶气水中的小气泡相互粘合，然后进入气浮区，并随小气泡一同浮到水面，形成浮渣。下层的清水经集水器流至清水池后，一部分回流用作溶气水，剩余清水通过溢流口流出。气浮池上面的浮渣由刮板刮至污泥池并排出。药物投加量根据现场处理水量及悬浮物浓度进行试验确定。

消毒池内通过加入次氯酸钠对废水进行消毒，处理满足《铁路回用水水质标准》的要求后，部分污水进行回用；另一部分污水进入G-BAF 池进行生物处理。G-BAF 池中投加曝气池有效容积50% ~ 60%的大孔生物载体，将高效微生物固定在载体上，用于降解水体中CODcr、氨氮等污染物。

沉砂池和沉淀池外设置有集油桶用于收集浮油，集油桶内的含油排渣待定期收集后，运至地方环保部门指定地点进行后续处置。隔油沉淀池沉淀的泥砂和气浮过滤设备排出的浮渣及污泥排入污泥干化场，污泥干化脱水后外运送至指定地点进行后续处置。

2 主要构筑物设计

2.1 平流沉砂池

表1 隧道施工废水处理设计进水、出水水质

图1 工艺流程

平流式沉砂池采用钢筋混凝土结构，主要用于去除废水中无机颗粒。池体的平面尺寸长×宽为6.0 m×1.3 m，有效水深为0.57 m，采用2 格设计，一用一备。沉砂池的表面水力负荷为19.45 m3/ (m2·h)。沉砂池中砂斗容积按照2 d 的沉砂量进行计算，每格池中设有2 个沉沙斗，单个沉沙斗的有效容积为0.20 m3，采用人工排砂。

2.2 隔油沉淀池

隔油沉淀池的主要功能是进行油水分离，同时进行泥砂沉淀。采用平流式隔油沉淀池，池体采用2 格设计，单格的长×宽为11.00 m×2.60 m，有效水深为1.3 m，水力停留时间为2 h。

2.3 一体化气浮过滤设备

采用一体化两级气浮过滤设备去除水体中微小油滴及密度接近于水的微细悬浮颗粒状杂质。设备处理能力为70 m3/h，直径为2 m，高度为4 m，设有2套。该设备为重力无阀滤池，气浮池内停留时间为50 min，接触区接触时间为10 min，溶气水的回流比为30% ~ 40%。滤料为均质石英砂滤料，平均滤速为10 m/h。

2.4 G-BAF 池

考虑隧道施工废水出水水量的不确定性，为保证出水水质达到排放标准，G-BAF 池设计处理能力为100 m3/h。分为5 组三级，单组单级的尺寸为5 m×5 m×4.5 m。在G-BAF 池中投加曝气池有效容积50% ~ 60%的大孔生物载体，将高效微生物固定其上，同时前端设有配水区，末端设有集水区。设计COD 容积负荷为2.25 kg/(m3·d)，水力停留时间为25 h，气水比为30 : 1[13-14]。

3 废水处理效果分析

表2 各单元污染物去除情况

工艺各单元去除效率如表2 所示。

由表2 结果可知，采用“隔油沉淀池—一体化气浮过滤设备—G-BAF 池”工艺处理铁路隧道施工废水，能够有效去除水中的SS、CODcr、NH3-N、TN、石油类等污染物。通过隔油沉淀池及一体化气浮过滤设备的联合作用可有效去除水体中的SS 及石油类污染物，去除率分别为97%和80%。G-BAF 处理单元因其具有较强的耐冲击负荷，能够较好地适应隧道施工废水排水量不均衡、水质变化大的特点，主要用于去除水体中氨氮及TN 等污染物，单元去除率可达到85%。

G-BAF 工艺因其采用高效悬浮大孔载体及固定化技术，使该单元内形成的微生物量大且不易脱落，这样既提高了容积负荷和生化降解速度，保证了出水水质，又避免了设备堵塞。同时，采用该技术的曝气滤池体积是普通滤池的20% ~ 50%，且后端无需设置二沉池，减少了占地面积，从而节省了基建费用。G-BAF 采用固定化微生物载体，使处理单元内厌氧和好氧环境同时存在，不仅可以发生同步硝化反硝化，适用于低碳氮比废水处理，而且该单元内微生物呈现分层和分群现象，生物链长，污泥产量是传统生物处理工艺的3% ~ 5%。

综上所述，这一处理工艺具有设计合理、运行稳定及处理效率高的特点，且占地面积小、能耗低、产泥量少，适用于高悬浮物、低碳氮比的微污染隧道施工废水处理。

4 结束语

隧道污水处理采用隔油沉淀池—一体化气浮过滤设备—G-BAF 池废水处理工艺，处理后的排水可以达到《水污染物综合排放标准》(DB 11/307—2013)的B 级标准，一部分出水可作为再生水回用至生产线，节约了水资源、减少了环境污染，这一工艺可以为我国高悬浮物、低碳氮比的微污染隧道施工废水处理的设计提供借鉴。