0 引言
截至2014 年底，我国已成为全球隧道座数和总里程最多的国家［1］，隧道施工中会产生许多废水。天目山隧道进口段毗邻“富春江—新安江—千岛湖”国家级风景名胜区，穿越地质以寒武系和震旦系为主，包括荷塘组、兰田组、休宁组等，其中荷塘组黑色岩系金属元素富集较多［2 － 3］。
隧道施工废水处理对当地环境保护及饮水安全尤其重要。隧道施工废水主要来自穿越不良地质单元时产生的涌水、施工设备产生的废水、爆破后用于降尘的水、喷射混凝土和注浆产生的废水以及基岩裂隙水［4 － 6］。废水中的悬浮物( SS) 、酸碱度( pH) 、化学需氧量( COD) 、氨氮( NH3 － N) 、总磷( TP) 和石油类等是引起环境问题与生态破坏的重要因子［7 － 8］。例如: 岩体钻孔、爆破、支护和喷浆等工序会产生大量的SS，造成水体透明度降低; 隧道喷浆和注浆所用水泥中的碱性物料会造成水体pH 升高，破坏水体生态平衡。文献［9 －10］指出施工废水中的重金属元素( 如铅、铬、镉、汞等) 也是重要危害源，但在废水处理中并未引起重视。重金属在微量质量浓度下即可产生毒性，在微生物的作用下还可以转化为毒性更强的金属有机化合物( 如甲基汞) ［11 － 12］，经过食物链富集，会危害人体健康。
隧道施工废水处理主要采用物理化学方法，包括沉砂、调酸、隔油、混凝、沉淀、气浮、过滤和吸附等工序［6，13 － 14］。去除SS 的方法主要包括自然沉淀法和混凝沉淀法。陈培帅等［15］研究发现阳离子型聚合铝混凝剂具有最优的SS 去除效果; Y． Smaoui 等［16］指出混凝的同时还可以去除废水中的重金属和COD; 靳李平等［14］提出“混凝+ 沉淀+ 砂锰过滤+ 吸附”的隧道施工废水处理工艺，对SS、NH3 － N、COD 的去除率分别达到90%、85%和60%; 杨斌等［17］通过技术集成研发出一种新型隧道施工废水处理设备，处理效果较好。已有研究取得了一定成果，但对隧道施工废水中的重金属处理关注较少。本文根据天目山隧道所处地理位置的敏感性及特殊地质特性，研究隧道施工废水水质特征，重点分析废水中重金属质量浓度及其与施工地质的相关性，并提出了“初沉+ 混凝+ 沉淀+ 过滤”的废水处理工艺。
1 隧道施工与废水特征分析
1． 1 工程概况
新建杭州—黄山高铁客运专线修建隧道89 座，总长139． 664 km，占施工线路总长度的52． 66%。天目山隧道全长12． 013 km，为全线最长隧道。天目山隧道进口段( DK201 + 823 ～ DK202 + 150) 围岩等级较差，主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩，采用台阶法施工。人工手持风钻配合多功能台架进行开挖，光面爆破，无轨机械出渣。人工钻孔、安装锚杆、铺设钢筋网、立拱架、喷射混凝土，开挖后及时施作初期支护封闭围岩。仰拱及隧底填充施工在隧道底部开挖支护完成后，及时全幅分段施工，采用仰拱栈桥确保洞内交通顺畅，仰拱及填充超前二次衬砌适当距离。排水盲管和防水板采用专用作业台架配合人工铺设，拱墙衬砌采用液压模板台车全断面整体衬砌。混凝土由洞外自动计量混凝土拌合站生产，专用混凝土运输车运至工作面，泵送入模。隧道两侧设有泄水孔，中间设有排水渠，废水排放量为20 ～ 70 m3 /h。
1． 2 隧道施工废水特征分析
施工废水取自废水处理站进水( 共23 批次) ，背景水样取自废水处理站上游500 m 处，背景采样点至污水处理站中间不存在外来污染源。天目山隧道施工废水和背景水样水质见表1，水质分析方法及标准参照GB 8978—1996《污水综合排放标准》。根据建设项目环境影响评价，施工废水排放应满足上述标准中的一级标准( 表1 中排放标准) 。由表1 可以看出: 施工废水显著的特点是悬浮物( SS) 和酸碱度( pH) 超标。SS 变化范围较大，跟施工工序有很大关系。岩体爆破、出渣及喷浆会导致废水中SS 质量浓度升高，最高达2 796． 21 mg /L，为标准值的39． 9 倍、背景值的71． 7倍，进行支护、灌浆等工序或者遇到山体涌水时，废水中的SS 质量浓度相对较低，但最低值仍为标准值的3． 1 倍。施工废水呈强碱性，岩体喷浆时废水碱性最强，主要原因是水泥熟料中的硅酸三钙、硅酸二钙及缓凝剂等碱性物质进入废水中。废水中的化学需氧量( COD) 远低于标准限值，说明废水中的有机物含量较少。氨氮( NH3 － N) 主要来源为硝铵类炸药爆炸后释放的NH3，经远程水雾喷洒和水幕吸收后进入到废水中，爆破后废水中的NH3 － N 质量浓度最高，但低于排放标准。
表1 天目山隧道施工废水和背景水水质
1． 3 隧道围岩重金属含量分析
废水中的金属离子主要来自岩体、渣石和粉尘。部分水样中的汞( Hg) 和镍( Ni) 超标，Hg 的最大质量浓度为标准限值的1． 6 倍，Ni 的最大质量浓度为标准限值的2． 1 倍。所有水样中的砷( As) 、镉( Cd) 、铬( Cr) 和铅( Pb) 均不超标，但多数比背景值高。与引汉济渭秦岭隧洞北段［8］、东湖通道工程［9］施工废水相比，天目山隧道施工废水中重金属含量相对较高，其中: As 的最大质量浓度约是秦岭隧洞施工废水的20倍，Pb 的最大质量浓度是东湖通道施工废水的40． 4倍。废水中的重金属与地质特性密切相关，对围岩中的重金属元素含量进行分析，结果见表2。所有岩石样品中均检测出了重金属元素Cr、Pb、As、Ni 和Cd，其中: Cr 的含量( 均值) 最高，为507． 63 mg /kg; Cd 的含量最低，均值为1． 65 mg /kg。3 批次的岩石样品中仅有1 批次岩石中检测出Hg( 3． 55 mg /kg) ，说明Hg 的分布具有一定的不确定性。整体来看，废水中出现重金属元素具有一定的地质背景。
表2 隧道围岩中金属元素含量分析结果
2 施工废水处理工艺及效果
2． 1 废水处理工艺
根据施工废水水质特征，采用物理化学方法处理废水，设计“初沉+ 混凝+ 沉淀+ 过滤”的工艺路线，具体流程见图2。初沉池主要用于去除大颗粒悬浮物; 混凝池和沉淀池用于去除难沉降的细粒子和重金属，在混凝池通过酸度自动控制系统投加盐酸调节废水酸碱度pH 为7． 0 ～ 9． 0，混凝后不需要再调节酸碱度; 过滤池用于进一步去除悬浮颗粒物，使废水达标排放。
图1 隧道施工废水处理工艺流程
2． 2 废水处理设计参数
1) 初沉池。根据施工现场调研，设计处理废水量90 m3 /h。水力停留时间设计为0． 5 h，由于场地限制，初沉池设计有效水深2． 5 m、宽3． 0 m、长6． 0 m，水平流速为0． 003 3 m/s。
2) 混凝池。选择聚合氯化铝( PAC) 作为混凝剂，聚丙烯酰胺( PAM) 作为助凝剂，将PAC 和PAM分别配制成10% 和0． 1% 的溶液，用计量泵投加到废水中，控制PAC 的投加量为200 mg /L，PAM 的投加量为1 mg /L。采用机械搅拌废水，控制在混凝池的停留时间为0． 5 h，设计混凝池有效水深3． 8 m、宽3． 0 m、长4． 0 m。
3) 沉淀池。设计停留时间为1． 0 h，有效水深3． 8m、宽3． 0 m、长8． 0 m，水平流速0． 002 2 m/s。
4) 过滤池。采用单层普通快滤池对废水进行最终过滤处理，过滤池设计为2 格( 每格2． 5 m × 2． 5 m) ，反冲洗周期为12 h，滤速为0． 002 m/s。滤料为粒径1． 2 ～2 mm 石英砂，滤层高度为0． 7 m，滤池高度为2． 5 m。
2． 3 废水处理效果评价
取隧道爆破后出渣阶段的施工废水作为监测对象，进行连续6 d 水质指标测定，评价废水处理站性能。SS、pH、COD、TP 和NH3 － N 的测定指标见图2，可以看出: 进水中SS 质量浓度较高( 平均值为2 341． 02 mg /L) ，且变化范围较小，说明爆破后会产生高含量的SS 施工废水。经初沉池、混凝池－ 沉淀池和过滤池处理后，SS 平均质量浓度分别降至1 839． 34、105． 62、45． 69 mg /L，平均去除率分别为21． 43%、94． 26%、56． 75%。出水中SS 质量浓度控制为36． 24 ～ 54． 40 mg /L，满足排放要求( 70 mg /L) ，SS 平均去除率达到98． 05%，处理效果较好。此外，进水中的pH 为9． 69 ～ 11． 62，经处理后为7． 61 ～ 8． 50，满足废水排放对酸碱度的要求。进水中COD 质量浓度不大于4． 0 mg /L，TP 质量浓度不大于0． 4 mg /L，NH3 －N 质量浓度不大于4． 0 mg /L，均低于废水排放标准限值，且经处理后均有不同程度的降低，对排放水体富营养化影响较小。
同时对废水中的重金属元素( As、Cd、Cr、Hg、Ni和Pb) 进行监测，结果见图3。进水水样中4 批次出现Hg 超标，超标率达到66． 67%。超标样品中的Hg质量浓度平均值达到0． 077 mg /L，为标准值的1． 54倍。经过处理后，废水中的Hg 质量浓度均达标，其中4 批次的样品中Hg 质量浓度低于检出限，说明该废水处理工艺对Hg 的去除效果较好。进水水样中Ni 的质量浓度变化范围较大( 0． 02 ～ 2． 11 mg /L) ，有1 批次的水样出现了Ni 质量浓度超标( 2． 11mg /L) ，而其他批次样品的Ni 质量浓度相对较低，说明废水中Ni 的质量浓度具有不确定性，这可能与地层和施工工序有关。经处理后，出水中Ni 的含量均低于标准限值( 1． 0 mg /L) 。废水中的As、Cd、Cr 和Pb 质量浓度均不超标，Cd 的质量浓度最低。通过对废水中重金属含量监测，可知废水处理工艺对重金属也具有较好的去除效果。
图2 废水处理站进、出水水质检测结果
图3 废水处理站进、出水中重金属含量检测结果
3 经济性分析
对该处理工艺直接运行成本的经济性进行分析，主要包括药剂和能耗2 方面。
3． 1 药剂费用
该工艺消耗的试剂主要包括盐酸、PAC 和PAM，根据价格和投加量计算药剂消耗费用，结果见表3。可知，试剂消耗为0． 46 元/m3。
表3 药剂消耗费用
3． 2 能耗费用
该工艺涉及的耗能设备主要包括将废水提升至排水渠中的水泵、混凝池搅拌机、配药搅拌机、投药计量泵和过滤池反冲洗泵。设备功率、运行时间及能耗见表4。工业电费按0． 7 元/( kW•h) 计，则处理每吨废水电费为: 143． 4 × 0． 7 ÷ 24 ÷ 90 = 0． 05 元/m3。
3． 3 综合成本
结合药剂费用和能耗费用，该工艺的直接运行成本为0． 51 元/m3，工业废水处理成本一般在数元至数十元，故本工艺经济性较好。
表4 设备运行电耗
4 结论和建议
天目山隧道施工废水中典型污染因子是SS 和pH，其中SS 最大质量浓度达到2 796． 21 mg /L，pH 最大达11． 62，COD、TP 和NH3 － N 均不超标。部分水样中Hg 和Ni 超标( Hg 的超标频次相对较高) ，As、Cr、Cd 和Pb 均不超标，但较背景水样高。结合围岩中重金属含量分析，得知废水中含有重金属与地质特征密切相关。经“初沉+ 混凝+ 沉淀+ 过滤”工艺处理后，废水中所有指标均能达到一级排放要求，直接运行成本为0． 51 元/m3，经济性较好。建议今后关注地质特性对隧道施工废水水质的影响，加强对废水中重金属元素的监测与处理。
摘自：隧道建设