劉 杰

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

公路交通是國家交通動脈之一，對促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、文化交流以及加強(qiáng)國防建設(shè)等都有積極的作用。當(dāng)前，我國公路建設(shè)正處于快速發(fā)展階段，在眾多資金投資渠道的保證下，全國各地掀起了高速公路建設(shè)的新高潮。高速公路的興建在帶來收益和便利的同時，也產(chǎn)生了一些負(fù)面的環(huán)境影響，其中水環(huán)境的污染問題便不容忽視。然而，目前公路行業(yè)的環(huán)境保護(hù)工作者多注重對生態(tài)環(huán)境的影響研究，如“道路的線性分割作用”以及“公路施工造成的水土流失”等，對水環(huán)境影響及其控制措施的研究相對較少。

1 高速公路水污染源分析

高速公路工程施工期和運(yùn)營期的水污染源主要包括施工期生產(chǎn)廢水、公路路面徑流、服務(wù)區(qū)污水等。

1.1 施工期生產(chǎn)廢水

高速公路施工期的建筑材料運(yùn)輸堆放、工程廢渣、橋梁施工、隧道施工、混凝土拌合等均會對水環(huán)境造成不同程度的影響?？傮w來說，建筑材料運(yùn)輸堆放和工程廢渣對水環(huán)境的影響是由于管理和防護(hù)不力造成污染物質(zhì)從固體進(jìn)入水體，通過嚴(yán)格的管理可以有效地避免和減少；橋梁施工對地表水的影響由于新的施工工藝的采用可以得到控制；隧道施工對水環(huán)境的影響由于工程施工技術(shù)的局限，如施工過程中的涌水，隧洞的水泥支護(hù)等，使得施工中廢水水量和水質(zhì)難以把控；而目前拌合站產(chǎn)生的廢水多采用自然沉淀等工藝，難以滿足相應(yīng)排放要求。

(1)隧道施工廢水特性。隧道施工的主要工序包括：帷幕注漿(鉆機(jī)定位-設(shè)置孔口管-鉆孔-測涌水量-注水試驗(yàn)-復(fù)合注漿-檢查-注漿效果)-鉆爆(測量-鉆眼-裝藥-起爆)-出渣-初期支護(hù)(初期射混凝土-打錨桿-掛網(wǎng)和格柵支護(hù)-復(fù)噴混凝土)-二次模筑。上述施工工序中每個環(huán)節(jié)均可能帶來水環(huán)境污染。

王會川等[1]描述萬丈山隧道工程的施工廢水水體呈灰色，且比較渾濁，對多個采樣點(diǎn)水樣進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)SS和石油類均有超標(biāo)，其中SS濃度在900～1 300 mg/L范圍分布，超標(biāo)嚴(yán)重。根據(jù)楊斌等[2]對隧道施工廢水的現(xiàn)場監(jiān)測(見表1)，施工期廢水的SS、pH 值、CODCr均不同程度超標(biāo)，其中SS超標(biāo)最為嚴(yán)重，濃度在60～4 000 mg/L分布。

表1 分析項(xiàng)目濃度平均值

注：隧道涌水為隧道巖層滲水；隧道用水為隧道施工時用水；初期廢水為隧道開挖初期的施工作業(yè)面廢水；中期廢水為隧道施工中期施工作業(yè)面的廢水；末期廢水為隧道施工接近貫通或已貫通時的施工廢水。表中數(shù)值為多次取樣分析數(shù)據(jù)的平均值。

總體來看，隧洞施工廢水主要為高濃度懸浮顆粒物及pH值超標(biāo)，部分施工點(diǎn)還存在CODCr超標(biāo)現(xiàn)象。

(2)混凝土拌合站廢水特性。高速公路工程施工過程中將使用大量的混凝土，混凝土拌和站廢水主要來源于混凝土轉(zhuǎn)筒和料罐的清洗，一般為每班制清洗一次，廢水排水量根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模發(fā)生變化，一般為3～10 m3/次。根據(jù)國內(nèi)水電行業(yè)混凝土拌和站廢水的監(jiān)測，混凝土拌和站廢水含有較高的懸浮物且含粉率較高，廢水的pH值約為11，懸浮物濃度約為5 000 mg/L。因此，混凝土拌合站沖洗廢水具有懸浮物濃度高、難處理、間歇性集中排放等特點(diǎn)，若不經(jīng)處理直接排放，將對排放口附近水域環(huán)境造成局部污染。

1.2 公路路面徑流

公路路面徑流中的污染物主要來自于降雨對路面的沖洗，所以，路面沉積物是路面徑流中污染物的主要來源。路面沉積物的組成決定著路面徑流污染的性質(zhì)。影響公路路面徑流污染物成分的因素很多，包括機(jī)動車輛的通行、雨水本身的污染(成云雨核污染物及近地表大氣污染狀況有關(guān))和大氣降塵等。

美國加州交通部門在1997～1998年與1998～1999年期間對加州境內(nèi)5條高速公路的路面雨水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，用于研究路面雨水的污染問題[3]。監(jiān)測結(jié)果顯示：加州地區(qū)高速公路路面徑流水質(zhì)特征中SS的范圍在203.8～748.8 mg/L，COD濃度為112.08～180.6 mg/L，石油類濃度小于5 mg/L?？梢娐访鎻搅饔晁械闹饕廴疚餅镾S，COD的污染情況次之。

1.3 服務(wù)區(qū)污水

高速公路服務(wù)區(qū)主要由沖廁廢水、餐飲廢水和車輛清潔維修廢水三類組成，與其它污水相比，服務(wù)區(qū)污水有其獨(dú)有的特點(diǎn)。沖廁廢水氨氮及色度高，餐飲廢水含動植物油較高，而車輛清潔維護(hù)廢水所含泥沙顆粒物、石油類等較多。由于高速公路服務(wù)區(qū)主要以常住工作人員和過往旅客產(chǎn)生的生活污水為主，占比在40%以上，因此服務(wù)區(qū)污水中COD、BOD5、NH3-N、SS等的濃度較高。

高速公路服務(wù)區(qū)污水具有直接性、隨意性、分散性、無規(guī)律性。服務(wù)區(qū)污水量直接受客流量、就餐人數(shù)和入廁比例等影響，天氣、季節(jié)、時段以及其他一些特殊狀況等因素也會造成車輛來往隨機(jī)性增大，進(jìn)而導(dǎo)致污水量具有較大的波動性，每季、每月甚至每天可能都不同，污水量的變化系數(shù)較大。

2 施工期廢水處理技術(shù)研究

我國在水利水電工程建設(shè)中對高濃度懸浮物施工廢水的處理做過一些研究和嘗試。殷彤和殷萍[4]分析了水利水電工程施工期施工廢水來源和主要的污染物質(zhì)的特性，指出施工廢水主要污染問題是懸浮物濃度高、pH值較高以及含有油性物質(zhì)，其中懸浮物濃度是重點(diǎn)處理因子；同時，介紹了水利水電工程施工廢水處理的常用方法等，并結(jié)合內(nèi)江兩河口水庫工程實(shí)例對水利水電工程施工廢水處理工藝進(jìn)行了研究。

中國電建集團(tuán)成都院與韓國曉林公司合作，開發(fā)出一套針對高濃度懸浮物去除的改進(jìn)型一體高速凝集斜板沉淀池(Modified Packaged Inclined Clarifier with Accelerating Flocculation，簡稱“PICAF”)，是絮凝和沉淀一體型高濃度懸浮顆粒物廢水處理設(shè)備。該設(shè)備與常規(guī)的沉淀池相比，其優(yōu)勢之一是采用了傾斜板的沉淀方式，其二是該設(shè)備集絮凝和沉淀于一體，具有處理效率高、占地面積小，且能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化生產(chǎn)，產(chǎn)品具有加工和安裝靈活、方便等特點(diǎn)。PICAF系統(tǒng)的工藝流程見圖1。

圖1 PICAF廢水處理工藝流程

原水由取水口抽入曝氣調(diào)節(jié)池(曝氣的作用是防止泥渣在池中沉淀)，然后經(jīng)潛水泵從曝氣調(diào)節(jié)池抽至PICAF頂部加藥，藥劑和原水通過攪拌電機(jī)混合后流入到系統(tǒng)的核心設(shè)備PICAF反應(yīng)池，反應(yīng)池中心滑動錐板和緩沖板為原水和絮凝劑進(jìn)一步自然碰撞、混合提供條件，以達(dá)到更好的絮凝反應(yīng)效果。反應(yīng)池尾水從沉淀區(qū)下部開始向上移動，在上升過程中，泥水混合液遇到傾斜檔板，清水通過擋板邊的縫隙繼續(xù)上升，沉淀物被擋板擋住下沉。沉淀分離的清水經(jīng)過PICAF頂部出水區(qū)溢流堰流至清水池，沉淀泥渣聚在濃縮區(qū)進(jìn)行濃縮后排至污泥濃縮池，并定時抽至壓縮脫水機(jī)壓濾脫水外運(yùn)。

總體來說，PICAF系統(tǒng)集絮凝反應(yīng)和沉淀于一體，與常規(guī)沉淀池相比，現(xiàn)場施工簡便，土建工程量小，初期投資少。將絮凝和沉淀工藝合為一體，占地面積小，所需用地僅為常規(guī)沉淀池的1/6～1/4左右，適用于土地資源緊張的高速公路項(xiàng)目。而且，PICAF處理系統(tǒng)具有配套設(shè)施完善、技術(shù)成熟、動力成本低等特點(diǎn)，且能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化生產(chǎn)，產(chǎn)品的加工與安裝靈活，操作方便，能有效避免污泥板結(jié)等問題，在國內(nèi)高速公路建設(shè)工程的高濃度懸浮物廢水處理領(lǐng)域有較好的推廣價(jià)值。

3 公路路面徑流處理技術(shù)研究

雨水徑流污染控制措施可以分為工程(技術(shù))措施和非工程(技術(shù))措施。前者主要針對不同情況的污染采用滯留池、入滲設(shè)施、植物性處理設(shè)施等，并借助物理、化學(xué)、生物等技術(shù)減少污染總量；后者主要采取一些路面維護(hù)措施、管理辦法、經(jīng)濟(jì)手段、政策法規(guī)等來達(dá)到綜合污染控制的目的。國內(nèi)外減小地表及公路路面徑流污染比較有效和實(shí)用的措施主要包括路面清掃、植物控制、滯留池、滲濾系統(tǒng)和人工濕地系統(tǒng)等。

高速公路路面徑流污染物主要為SS和COD，無需考慮深度處理工藝；路面徑流雨水是依附高速公路而產(chǎn)生的，要求處理工藝流程簡單，建設(shè)投資少，維護(hù)方便，成本低廉，無需人力管理。結(jié)合以上因素，人工濕地工藝是相對理想的路面徑流雨水處理工藝。公路路面徑流的水質(zhì)水量變化較大，因此在設(shè)計(jì)路面徑流人工濕地時，應(yīng)選擇具有較強(qiáng)適應(yīng)能力的生物群，通過項(xiàng)目所在區(qū)域水生植被進(jìn)行調(diào)查，篩選出去除率好、生命力旺盛的原生水生植被，并對這些植物進(jìn)行分析，根據(jù)植被在遺傳特性、生長習(xí)性等方面的差異，選擇最優(yōu)搭配物種，使多元群體組合缺點(diǎn)得以避免，優(yōu)勢得以互補(bǔ)。

4 服務(wù)區(qū)污水處理技術(shù)研究

目前，高速公路服務(wù)區(qū)污水處理工藝可分為好氧處理工藝、厭氧處理工藝、好氧-厭氧聯(lián)合處理工藝和生態(tài)處理工藝等。好氧處理工藝主要包括傳統(tǒng)的生物接觸氧化工藝、SBR法、MBR法、MBBR法等；厭氧處理工藝主要有厭氧濾池(AP)、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)、厭氧接觸膜膨脹床反應(yīng)器(AAFEB)和厭氧流化床(FB)等；好氧-厭氧聯(lián)合處理工藝主要有A/O工藝、A2/O工藝等；生態(tài)處理工藝主要包括人工快滲、人工濕地和阿科蔓生態(tài)基等。

從技術(shù)成熟度、穩(wěn)定性、處理效果、建設(shè)成本、運(yùn)行成本、可操作性等方面對四類處理工藝進(jìn)行比選。具體工藝比較分析如表2所示。

表2 高速公路服務(wù)區(qū)污水處理工藝比較分析[5]

總體來看，四類處理工藝均較成熟，具有較好的穩(wěn)定性，但好氧處理工藝抗水量沖擊能力較差，不適用于高速公路服務(wù)區(qū)這種水質(zhì)水量變幅較大的污水。從建設(shè)成本和運(yùn)行成本來分析，好氧處理和好氧-厭氧處理工藝成本較高。根據(jù)近年來國內(nèi)外專家的論證與實(shí)際工程的運(yùn)行情況，活性污泥法、生物膜法、A/A/O法等污水處理工藝在一次性投資、能耗和運(yùn)行費(fèi)用等方面的要求均較高，可能造成高速公路服務(wù)區(qū)污水處理系統(tǒng)“建得起、運(yùn)行不起”的局面。另外，從可操作性來分析，好氧處理和好氧-厭氧處理工藝需要聘請專業(yè)人員操作和維護(hù)，而厭氧處理和生態(tài)處理工藝的運(yùn)行管理相對簡單。

綜上所述，生態(tài)處理和厭氧處理工藝能耗低、抗水質(zhì)水量沖擊性能力強(qiáng)、處理效果較好、便于管理維護(hù)，是優(yōu)先考慮用于高速公路服務(wù)區(qū)污水處理的工藝。對于沿線水源地保護(hù)區(qū)等敏感點(diǎn)較多的高速公路，為提高服務(wù)區(qū)污水處理效果，更好地保證公路沿線水環(huán)境，推動高速公路沿線污水“零排放技術(shù)”，推薦采用組合工藝，如“UASB+人工濕地+阿科蔓深度處理系統(tǒng)+消毒回用系統(tǒng)”的組合處理工藝對服務(wù)區(qū)污水進(jìn)行處理。

5 結(jié) 論

(1)本文從高速公路水處理理論和實(shí)踐出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)了一套包括施工期廢水處理技術(shù)、公路路面徑流處理技術(shù)、服務(wù)區(qū)污水處理技術(shù)等內(nèi)容的高速公路水污染控制措施體系，為新建高速公路的水污染控制提供借鑒。

(2)該水污染措施體系僅從工程措施方面提出水質(zhì)保障體系，未完全考慮源頭減少污染輸入、非工程措施等的協(xié)同作用，仍存在一定的局限性。要提高該領(lǐng)域的整體技術(shù)能力，相關(guān)研究工作還任重而道遠(yuǎn)。

(3)我國高速公路建設(shè)和運(yùn)營期水污染控制技術(shù)研究尚處于起步階段，很多處理工藝是在其他廢水處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造并逐漸完善的，有些工藝甚至并沒有真正結(jié)合高速公路的項(xiàng)目特點(diǎn)，在今后的工作中應(yīng)根據(jù)高速公路的實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和改造。國內(nèi)路橋面徑流廢水的研究和應(yīng)用資料較少，應(yīng)逐步開展不同地區(qū)橋路面徑流廢水水質(zhì)成分、遷移途徑和收集處理措施的研究。