铁路工程施工期水环境污染分析与控制

封国强

（中国铁路设计集团有限公司 机械动力与环境工程设计研究院，天津300308）

水环境保护是铁路工程施工期环境保护的重要内容之一,涉及施工生产生活的多个方面,既有施工生产污水,也有施工人员生活污水,污水来源和性质复杂多样,处理工艺及要求各不相同。近年来,针对隧道施工废水的环境影响及应对措施开展了多项研究[1-4],如何对施工期生产生活污水的性质、数量及处理方案进行调查和分析总结,以利于规范和提升施工期水环境保护效果,是需要进一步深化研究的课题。

1 施工期污水水质监测

铁路工程施工中产生的污水大致可以分为施工营地施工人员日常生活产生的生活污水、大型临时施工场地(制(存)梁场、混凝土拌和站等)机械冲洗产生的冲洗污水及隧道施工污水。

1.1 施工营地生活污水

施工营地生活污水是施工人员日常生活产生的污水,以洗涤污水、粪便污水和食堂清洗污水为主,主要污染物包括化学需氧量(CODCr)、动植物油、氨氮(NH3-N)、悬浮物(SS)等。此次调查实测了盐城—南通铁路、南昌—景德镇—黄山铁路、杭州经绍兴至台州铁路的多处施工营地,统计施工营地生活污水产生量为每人每天0.15～0.40 m3；实测化粪池污水水质情况如下：CODCr为225～414 mg/L、SS为182～256 mg/L、动植物油为51～98 mg/L、氨氮为24～44 mg/L、pH为7.1～8.8,与一般城市生活污水水质相当。

1.2 冲洗污水

混凝土拌和站是铁路施工必备的大型临时工程,施工中所需的现浇混凝土均在拌和站拌制,由运输车辆运送至工地(或梁场制梁)。运输车辆罐体的定期清洗会产生高悬浮物、高砂石的冲洗污水,悬浮物以水泥、泥沙为主。根据对上述铁路的现场调查和实测,每台混凝土运输车的冲洗污水量约为0.5 m3/次。冲洗水SS浓度普遍大于5 000 mg/L,水质一般呈现明显的碱性(pH值≥10),砂石含量大。

制梁场、拌和站、铺轨基地等大型临时工程的进出口一般设有车胎清洗设施,包括清洗水池和加压冲洗设备,冲洗作业产生的污水含高悬浮物及少量油污,污水水质随处理的车辆变化范围较大[5]。实测洗车污水的污染物情况如下：CODCr为180～482 mg/L、SS为887～2 520 mg/L、石油类为8～43 mg/L、pH为6.2～9.5。

1.3 隧道施工污水

隧道施工污水是隧道掘进过程中钻孔爆破及混凝土养护作业产生的冷却水、养护水、渗漏地下水混合岩石粉末、水泥、少量油污、爆炸后化合物等形成的混合体,隧道施工污水的主要污染物为SS、少量油污和氨氮。隧道施工污水量主要由3个部分组成：钻孔作业的喷水量、爆破后的洒水量和隧道涌水量。其中,钻孔作业的喷水量和爆破后的洒水量由施工工艺确定,可预测性较强；地下水渗漏量随地下水赋存及地质情况变化大。污水水质随施工进程变化较大,在某个范围内,以某个工程特定时段的水质监测数据并不能准确预测其他工程或其他时段的具体水质。因此,要准确确定隧道施工污水的水质,定点定时的取样监测不可或缺。

隧道的地层岩性也是隧道施工污水的决定性因素之一。砂岩、花岗岩等粗颗粒岩岩层产生的污水中悬浮物浓度会较小,而泥岩、板岩、灰岩等细颗粒岩岩层产生的污水中悬浮物较多,这与掘进产生的岩石颗粒是否容易在水中沉淀或悬浮有关。油污主要来源于施工机械滴漏和被水冲刷,氨氮主要来源于爆破炸药爆炸后产生的由于污水中混合水泥、爆炸化合物等成分,水质往往呈现明显的碱性特征。虽然实际工程的隧道污水监测数据不具有非常好的代表性,但调查监测了若干处隧道污水的实测数据作为参考。从监测数据可以看出,隧道施工污水的水质变化范围大,很难界定在一定范围之内,部分隧道施工污水水质如表1所示。

表1 隧道施工污水水质情况

2 施工污水处理工艺调查与分析

2.1 施工营地生活污水

施工营地生活污水最常见和最简易的处理方案是设置大型化粪池集中存放,定期外运至城市污水管网。这一方案无需污水处理和外排等环节,适用于人口稠密、地形平坦、没有外排条件或环保不允许外排的情况。缺点是需要修建较大容量的化粪池,并委托外部机构定期清运。实施这一方案的重点是确定化粪池的容量。同时,为了防止污水渗漏,修建的化粪池应做防渗处理,避免污水渗漏污染地下水。此外,因雨水的大量进入可能导致污水外溢、污染环境,施工营地的污水系统也应防止雨水进入。地处荒漠偏远的施工营地,可以考虑对生活污水适当处理后排放,排放执行标准应咨询当地环境保护主管部门或查阅本工程的环境影响报告书及其批复。适用标准可能包括但不限于《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)[6]、《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005)等。

生活污水中有机污染物含量高,可生化性强,一般采用生化方法处理,常用处理工艺有生物处理法、生物接触氧化法等。由于施工营地生活污水具有临时、量小的特点,选择小型的一体化生化处理设备较为适宜。对于北方寒冷地区,在选择生化处理设备时应考虑北方冬季低气温状态下的运行效果,避免冬季处理效果的下降。

因型号不同,小型一体化污水处理设备的处理能力为1～100 m3/d,处理工艺主要为生物膜法。生物膜法适用于水量较小、水质较为稳定的低浓度污水水质,由于生物膜培养较快(一般夏天为7~10 d,冬天为15~20 d),系统调试好后运行稳定,可操作性较强,出水水质一般可满足《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)二级排放标准。对于要求排放标准更高的地区,可考虑在后部增加过滤和消毒等工艺。小型一体化污水处理设备安装操作较为简便,占用空间较小,但对于寒冷地区冬季需要保温采暖以保持微生物的活性。

2.2 冲洗污水

混凝土运输车罐体的冲洗污水呈现高砂石、高悬浮物特征,悬浮物以水泥、泥沙等微小颗粒物为主。处理工艺普遍采用多级沉淀,处理后循环使用。沉淀池的级数和容积选择是确定处理设施的关键。此外,为保证沉淀池的沉淀效果,沉淀池设置应注意以下方面：①每格长宽之比不宜小于4,长深之比不宜小于8；②池数或分格数一般不少于2个；在总池长范围内适当增加分格数,有利于提高沉淀效果；③池底纵坡不宜小于1%；④沉淀池应定期清掏,防止沉淀物堆积过多影响沉淀池的沉淀效果。

标准的混凝土运输车罐体冲洗污水应先通过砂水分离机进行砂水分离,清除大粒径的砂石后再进入沉淀池。砂水分离机可以提前分离大粒径的砂石,大幅减少沉淀池的淤积和沉淀压力,增加沉淀池的清掏周期。制梁场、拌和站在混凝土用砂石含泥量超标时需要对砂石进行清洗,清洗污水一般也需要经过砂水分离机后沉淀循环使用。

2.3 隧道施工污水

国内隧道施工污水的处理现状多为沉淀池处理,难于做到达标排放。针对隧道施工污水的特点,需实施对症的污水处理措施。高悬浮物的处理一般采用絮凝沉淀法,絮凝剂的使用与否及添加的剂量视悬浮物的颗粒大小及浓度而定。隧道污水的碱性一般采用中和法处理,即投加一定数量的酸进行中和。油污部分一般可以结合沉淀池的设置,在末端增加隔油设施。NH4+的含量一般较低,大部分情况下不需要特殊处理。特殊情况下,可以增加曝气设备增加水中氧气的含量,加速NH4+的硝化,此举同时也利于油污的上浮,提高油污的去除率。

（1）隧道施工污水量的估算。隧道施工污水的沉淀隔油池设计主要与施工污水的产生量有关。隧道施工污水的来源包括钻孔冷却、混凝土养护、降尘及地下水渗漏[7],准确预测水量存在很大的不确定性,《铁路隧道工程施工期生产废水处理技术管理手册》中给出了各类污水的估算方法,实际操作中可参考使用。

（2）隧道施工污水的处理工艺。隧道施工污水的处理工艺一般包括预沉、隔板沉淀、调节沉淀、排放等。典型的隧道污水处理工艺流程如图1所示。具体到特定的隧道工程,应结合隧道污水的特点区别对待,通过增减相应的处理工艺流程实现污水的达标处理。

（3）隧道施工污水处理设计。隧道施工污水处理相对复杂,应进行专业的详细设计。非专业的现场简易处理往往不能达到应有的处理效果。详细设计中应特别注意以下方面：①隧道施工污水应先经过预沉池,预沉大颗粒的沙石和拦隔大块漂浮物；②可以通过在隔板沉淀池和调节沉淀池中加设浮油拦截和收集装置将石油类中的大部分浮油去除；③通过隧道岩性预判隧道污水的水质,提前考虑处理工艺的预留和调整,如果是特殊岩性隧道应予特殊处理,如碳质板岩隧道的污水具有高悬浮物、高色度特征,普通的混凝沉淀处理效果不佳,出水色度、悬浮物不能达标,排水出口下游污染迹象明显；④隧道施工污水的处理标准及工艺应结合周边受纳水体的功能分类考虑,环境敏感区及《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)划定的Ⅱ类以上水体不得外排,Ⅲ类及以下水体达标排放。

3 施工污水处置方案及建议

综上分析,铁路工程施工期污水主要包括施工营地生活污水、大临工程设备冲洗污水和隧道施工污水,污水性质各有特点,控制好这些污水的处理、排放和再利用,才能对污水进行合理控制和有效管理,实现污水的达标排放和水环境保护。

（1）施工营地生活污水。优先推荐设置大型化粪池集中存放,定期外运至城市污水管网。确实只能现场外排的,建议选用小型一体化处理设备处理达标后排放,并尽可能在营地自身范围内洒扫、灌溉、绿化使用。

（2）施工机械冲洗污水。机械和车辆冲洗污水一般设多级沉淀池处理后循环回用,正常情况下无污水外排。防止雨水汇入导致冲洗污水外溢,是沉淀池设置应特别考虑的因素之一。

（3）隧道施工污水。隧道施工污水的处理工艺一般包括预沉、隔板沉淀(隔油)、调节沉淀(隔油)、排放,并可根据实际污水特点增减处理工艺。由于隧道施工污水相对复杂,一般应提前进行专业的详细设计。