薛 正

(中国铁路经济规划研究院有限公司 环境评估部，北京 100844)

1 概述

在以往工程实践中，建设和设计单位对铁路隧道施工废水的处理方法进行了研究，采取了以混凝、沉淀、气浮或过滤等处理工艺为代表的处理方法，取得了较好的成效。然而在隧道施工废水处理现场的应用中，由于运营管理及运营成本问题，废水处理达不到预期效果，主要因素之一就是废水量大，药剂使用量大，导致运营成本偏高，废水处理站运营单位缺乏足量投药的积极性。因此，提高废水处理效率，降低废水处理中的药剂使用量，从而降低废水处理成本，是保证隧道施工废水达标排放的一个关键因素。结合科研课题，对各种混凝剂的应用情况及优缺点进行了分析总结，选择目前常见的几种混凝剂进行了初步研究，目的是寻求一种高效、价廉、环保的混凝剂产品，以便对隧道施工废水的处理方案进行修正和调整。

1.1 隧道施工废水来源分析

隧道施工废水一般包括开挖和钻孔过程中产生的各种泥浆水、喷淋降尘用水，以及机械设备运行的冷却水和各种清洗用水。任伟[1]研究认为，隧道施工废水的来源为隧道穿越不良地质时产生的涌水；施工机械设备，如钻进机械等产生的废水；钻爆法施工后用于降尘的水；喷射混凝土和超前注浆等产生的施工废水等。李文波等[2]分析隧道施工废水主要包括，开挖过程中遇到的断层泥；钻进及爆破时岩石碎屑及粉末经过裂隙水浸泡后形成泥浆；施工过程中初衬支护喷射混凝土过程中产生过量的水泥经过水流冲刷后，因部分无法凝固，溶于水中对水体产生污染。因此，隧道施工废水中污染物主要来源为：爆破材料产生的污染物、机械设备等产生的污染物、注浆材料和隧道施工支护过程中产生的污染物[3]。

1.2 隧道施工废水处理措施及难点

目前我国隧道施工过程中常用的废水处理措施为三级沉淀后排放，但随着施工技术发展及环境保护的要求，对施工排水标准的要求越来越高，原有的沉淀处理措施弊端越来越凸显，甚至影响工程进度，经现场调查分析主要存在以下问题。

(1)由于隧道施工大部分位于山区，隧道施工洞口场地非常紧张，很难开辟出大块场地用于施工废水处理站的建设。

(2)由于传统的自然沉淀过程中需要较大的处理场地，但随着施工技术的发展，隧道掘进速度越来越快，产生的施工废水也越来越多，由于废水处理场地不够，废水停留时间达不到要求，无法有效去除废水中的悬浮物，沉淀效果已经无法满足排放要求。

(3)投加混凝剂后能够明显改善出水效果，有效减少废水处理的停留时间，从而减小污水处理站的用地规模，但是由于投加混凝剂的成本问题，从成本角度考虑，施工时不愿按时定点投加混凝剂，导致出水效果达不到要求，久而久之废水处理站的作用有所弱化。

鉴于以上问题，高效、低成本、环保的混凝剂越来越受到重视，随着混凝沉淀技术的日益发展和完善，我国及其他国家开发的混凝剂种类越来越多，各种独具特点的新产品也不断涌现，目前隧道施工废水处理的混凝剂有200多种，基本可以满足不同地质状况下各种隧道施工废水处理的需求。

2 混凝及常用混凝剂分类

水中的胶体污染物受等电位的影响，通常不能通过自然沉降的方法去除，需要通过向水中投加部分药剂，使分散在水中的胶体类物质相互碰撞聚集，成为较大的颗粒或絮状物质后将其去除，在现实应用中通常通过2项工艺来实现这一目标，即胶体的脱稳过程及脱稳胶体之间的重新粘结[4]。在废水处理过程中，通常将脱稳这一过程称之为“凝聚”，而将脱稳胶体之间的粘结过程称之为“絮凝”，将凝聚和絮凝2个过程总称为混凝。

目前市面上有很多种类的混凝剂，按照混凝剂的化学成分及其生成环境主要可以分为微生物絮凝剂、矿物类助凝剂、有机高分子混凝剂、无机混凝剂等，其中以各种聚丙烯、聚铵等为主的有机高分子混凝剂，以及以各种聚合氯化铝盐、铁盐等为主的无机混凝剂应用较为广泛[5]。常用混凝剂分类及类型如表1所示。

表1 常用混凝剂分类及类型

3 混凝剂的应用现状及分析

3.1 无机混凝剂

早期的废水处理中，无机低分子混凝剂得到了广泛应用，如硫酸铝、明矾、硫酸铁、活化硅酸、三氯化铁等，由于价格低廉，在我国城市生活污水及工业废水处理过程中得到了长期大量使用，但因其特别易产生二次环境污染，逐渐被淘汰[6]。

3.2 无机高分子混凝剂

无机高分子混凝剂是在传统使用的铁盐和铝盐类混凝剂基础上研发出来的一种新型混凝类药剂，如硅酸硫酸铝、聚合氯化铝、聚合氯化铁、聚合磷酸铝、聚合硅酸硫酸铁、聚合硫酸铁、聚合硅酸氯化铝等[7]。该类混凝剂在日常应用过程中，废水处理效果好、用量小，残留物少，因而一经研发，便受到了广泛关注，目前已经成为混凝剂主要的研究和使用方向。

3.3 有机混凝剂

目前有机混凝剂主要有2种，一种是合成有机高分子混凝剂，另一种是天然有机高分子混凝剂。有机高分子混凝剂出现于上世纪中期，自问世以来便迅速应用于各种水处理领域，不仅可以用于给水处理，而且可以用于含油废水的处理，且可以用于杀毒剂等[8]。

(1)合成有机高分子混凝剂。合成有机高分子混凝剂主要为聚丙烯酰胺、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、基因团多、絮凝能力强、除油效果好，被广泛应用于隧道施工废水处理中，但其缺点同样明显，难于降解、非常容易造成二次污染，故废水处理中对其使用越来越谨慎。

(2)天然高分子混凝剂。天然高分子混凝剂主要有甲壳素、动物胶、腐植酸、木质素和淀粉衍生物等，以其来源广、价格低、能降解的优点受到广泛欢迎，缺点是混凝剂本身的电荷密度相对较小，分子量低，容易受催化酶影响而降解，失去活性。

3.4 微生物絮凝剂

鉴于无机混凝剂和有机混凝剂存在的二次污染问题，最早由国外科学家利用现代生物技术，采用细胞代谢产物提取出了具有凝聚性的高分子化合物，主要以蛋白质、糖、糖蛋白、纤维素及有絮凝特性的菌体等组成的微生物絮凝剂。该絮凝剂解决了无机混凝剂和有机混凝剂无法降解及容易对环境造成二次污染的问题，以其可自然降解、来源丰富、高效安全、无二次污染的特性，迅速受到普遍的欢迎和关注。

目前微生物絮凝剂产品主要以AHU7165寄生曲霉、KJ201协腹产碱杆菌为主[9]，但此类絮凝剂在实际应用过程中因产量小、成本高的问题严重制约了其广泛应用。因此，提高生产效率、降低成本成为此类絮凝剂能否广泛推广的关键。有关科学家正在研究人工合成微生物絮凝剂的可行性，如能实验成功，将推动该絮凝剂的广泛应用。

4 混凝剂在废水处理过程中的实验研究

目前，中国铁路总公司重点课题“铁路隧道施工废水治理技术研究”正在进行中，其中混凝剂的选择研究是一项重要内容。由于不同地质状况的土质不同，可能产生不同的实验结果，目前的初步试验中对4座隧道施工洞口废水进行现场采样，其污染物浓度分析结果如表2所示。

表2 某隧道施工废水水质分析数据

注：允许排放浓度为《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)中的一级标准。

从分析结果可以看出，该隧道施工期废水的pH值多为7～10，显示偏碱性，经分析pH值偏碱性的主要原因是由于水泥水解过程中产生的氢氧化钙、硅酸二钙、硅酸三钙、注浆浆液及各种混凝土添加剂等物质均呈碱性，这些物质溶解在水中会造成pH值升高。悬浮物SS检测最大值为2 969，最小值为450，均大大超出允许排放浓度，主要是由于爆破产生的岩粉、泥沙、水泥颗粒等与水混合造成。石油类、化学需氧量CODcr检测值均低于允许排放浓度。因此，从取样结果看，悬浮物SS是隧道施工废水需要处理的首要物质，pH值为次要物质。

4.1 混凝剂选择

结合相关规范及研究的结论，本次选取3种在各行业水处理中应用效果较好、具有代表性的不同类型的混凝剂，分别为聚合氯化铝、硫酸铝及聚合铝-有机高分子复合混凝剂进行铁路隧道施工废水的絮凝沉淀研究。

4.2 实验内容及结果分析

选择感官最差、超标数值较多的4号样品进行试验，将4号样品静置后，分别取上清液水样1 000 ml至试验容器中，依次装满3个容器；然后分别加入不同类型的混凝剂，快速搅拌一定时间使其产生矾花并充分混合后静置，记录10 min、20 min、30 min的沉淀情况，分别测定其上清液pH值、悬浮物SS、含油量和COD值。混凝剂试验结果如表3所示。

表3 混凝剂试验结果

从初步试验数据可以看出，最终的出水效果较为接近，均可以满足《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)中的二级标准，3号混凝剂的处理效果优于1号和2号，尤其是对于SS值的去除较为彻底，可以满足《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)中的一级标准。

5 结论与建议

5.1 研究结论

(1)聚合氯化铝随着投药量的增加，SS等指标逐步降低，形成较大且密实的矾花，但上清液中有少部分可溶性悬浮物，据相关研究表明pH值对其处理效果有一定影响。

(2)使用硫酸铝混凝剂时随着投药量增加，易形成米粒大小的矾花[10]，相较其他混凝剂形成的矾花小，虽静置后矾花均能沉淀完毕，但上清液较混浊。

(3)随着聚合铝-有机高分子复合混凝剂投量增加，易形成较大矾花，絮体增大后，开始在水面处形成较为明显的分界面，上部SS下降较为明显，表现为上清液很清澈；随着投药量的增加，水质逐步向酸性过渡，对废水pH值有一定改善；同时因药剂中含有有机物质，使水中COD有轻微升高，但能满足排放标准要求。

5.2 建议

聚合铝-有机高分子复合混凝剂在铁路隧道施工废水处理过程中优于聚合氯化铝、硫酸铝，其主要优点在于：加快絮体形成、沉淀等过程的速度，从而提高构筑物的处理能力，保证澄清度，从而节省处理所需的药剂费用，同时对偏碱性的铁路隧道施工废水水质有一定的改善作用；但发现其形成的污泥含水率较高，因此应配合助凝剂使用，降低其污泥含水率，同时对其易产生的二次污染问题应进一步分析研究。