CN110540275A - 洞渣材料在隧道污水处理的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种洞渣材料在隧道污水处理中的应用，属于洞渣资源化及污水处理技术领域。本发明将洞渣材料破碎筛分成直径为30‑150μm的微粒，干燥，煅烧成多孔材料，以此作为隧道施工污水处理中的外加介质。本发明以微粒洞渣材料为介质的隧道污水处理后的出水，处理后的隧道施工污水SS含量降至30mg/L以下，SS去除率≥95%，COD和氨氮的去除率达到88%，重金属镉（Cd）和重金属铬（Cr)的去除率达到95%以上，满足《污水综合排放标准》（GB8978‑1996）一级标准。对隧道洞渣进行了资源化利用，降低了隧道洞渣对周边环境的污染，节约了隧道洞渣的处置成本。

Description

洞渣材料在隧道污水处理的应用

技术领域

本发明涉及一种洞渣材料在隧道污水处理的应用，属于洞渣资源化及污水处理技术领域。

背景技术

随着环保意识的增强，建设项目的生态环境保护意识也不断增加。交通项目建设过程中，也在资源、经济、环境、社会各方面的矛盾中找到平衡点，做到了可持续发展。根据《国家中长期铁路网规划》和《国家高速公路网规划》，仅在2020年之前,我国需要完成建设的铁路客运专线就有1.2万公里,高速公路有5万余公里。在铁路和公路项目中，隧道工程占有相当大的比例。众多的隧道工程都位于山区丘陵地带,有些甚至饮用水源地或饮用水水源涵养地带,且多属我国水土流失的重灾区,生态环境非常脆弱，隧道开挖造成水从隧道大量流失,施工污水对地表水质造成严重的污染。

隧道施工污水最主要的污染特征是颗粒物和悬浮物污染，部分隧道段由于掘进时的岩体、渣石和粉尘的原因，会导致污水中的重金属含量超标，调查研究显示，重金属超标指标主要为镉（Cd）、铬（Cr）、锌（Zn）砷（As）和铅( Pb)等。

常规混凝技术沉淀时间长、药耗高、设备占地面积大，并且对重金属的处理效果较差。由于隧道建设跨越不同的地理、地质区域，施工污水水质、水量和水温的区别大，所以常常采用介质加载的方式利用介质的重力沉降性或磁性及载体的吸附作用加快絮体形成及其沉淀，现市场上应用的较多的介质主要为微砂、磁粉、澄清污泥等。

同时在隧道施工中不可避免的要产生大量的洞渣，处理这些洞渣，需要大量征用永久用地，弃渣过程中将产生大量的运输费用。隧道洞渣的资源化再利用主要是用于道路建设中，将隧道洞渣破碎筛分为不同的粒径，应用在不同的施工阶段和使用场合。但由于施工工艺、建设管理条件等各方面的限制，在隧道弃渣利用上不够完善，利用较单一，并未将隧道弃渣作为优质筑路材料全面、综合的利用，利用率一般也较低，仅为20-35％左右。大量的弃渣堆积在隧道施工周边场地，占地面积大并且对周边的环境造成较大的影响。隧道洞渣多为软石、次坚石、坚石，其大量堆积于地表，取代了原有的植被环境，使土地丧失耕种和植被恢复能力，即使后期采取一定复垦措施，短时间也很难达到占用前的效果。随着人们对环境要求的不断提高，以及当前对隧道弃渣环保认识的日渐深入，隧道弃渣的综合利用及优化是山区公路建设中亟待解决的问题。

鉴于隧道施工产生的洞渣主要为砂石料，与隧道污水处理所使用的某些介质属于同一物理性质产品，以此为切入点，研究一种微粒洞渣材料在隧道污水处理的应用。

发明内容

针对现有技术中隧道洞渣利用不完善，利用率较低的问题，本发明目的是提供一种洞渣材料在隧道污水处理的应用，将隧道施工产生的弃渣资源化利用的同时，对隧道施工污水的处理效果等同于同类型介质材料的处理效果，并且利用了洞渣本身的化学特质，通过烧结改性的方式，使其对重金属有一定去除效果。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种洞渣材料在隧道污水处理的应用，是将洞渣材料破碎筛分成直径为30-150μm的微粒，干燥，煅烧成多孔材料，以此作为隧道施工污水处理中的外加介质。

所述多孔材料在隧道污水处理时投加位置为混凝沉淀工艺的混凝反应池，在搅拌机的作用下，介质与污水充分接触，吸附污水中的重金属。随后进入絮凝池，增加絮体的凝结速度与体积，加快污染物在沉淀池中的沉淀速度。

优选的，所述洞渣材料的干燥温度为100-150℃，持续时间为1-4h。

进一步优选的，所述洞渣材料的干燥温度为120℃，持续时间2h。

优选的，所述洞渣材料的煅烧为分级煅烧，煅烧温度为300-800℃。

进一步优选的，所述洞渣材料的分级煅烧为二级煅烧。

进一步优选的，所述洞渣材料的分级煅烧为，第一级煅烧温度500℃，持续时间1h；第二级煅烧温度为650℃，持续时间1h。

洞渣材料中含有石灰石和珍珠等，含有丰富的Ca²⁺，是很好的致孔剂，但在煅烧过程分解生成的CaO和MgO具有助熔作用，如果在煅烧温度过高、时间过长，会与原料中的部分物质形成玻璃相，填充部分已形成的气孔，降低气孔率。

所述多孔材料能去除废水中的重金属离子，首先重金属离子进入多孔材料固液边界层，然后再进入多孔材料表面，其次进入多孔材料的微孔里面，最后与多孔材料所含的活性位点结合而从而被去除。

优选的，所述多孔材料的孔隙率为75%-85%。

当选用多孔材料作为吸附剂来去除废水中的重金属离子时，多孔材料的表面会迅速被废水中的重金属离子所占据，在多孔材料的外表面有很大一部分重金属离子将会被直接去除，使其在短时间内达到饱和；而多孔材料的内表面仍有活性位点来吸附剩下的极小部分。所以，孔隙率越大，表面积越大，吸附量越多。也就是，多孔材料量越大，吸附量越大。

优选的，所述洞渣材料含有花岗岩、页岩、砂岩、石灰岩、珍珠岩、凝灰岩中任意一种或几种的任意比例的混合物。

优选的，所述洞渣材料为花岗岩和石灰岩，易破碎，性能好，拥有制孔性，属于中性偏酸性的材料。

优选的，所述多孔材料直径为50-100μm。使用时形成的絮体最好，太小的材料絮体太松散，过大的材料不易形成絮体。

优选的，所述隧洞洞渣的破碎筛分步骤为：将洞渣材料进行粗碎、中碎、细碎后进行两次筛分。

优选的，所述粗碎采用颚式破碎机。

所述颚式破碎机粗碎后的洞渣粒径为60-150mm。

优选的，所述中碎采用圆锥破碎机。

所述圆锥破碎机中碎后的洞渣粒径为10-40mm。

优选的，所述细碎采用立轴冲击破碎机。

所述立轴冲击破碎机细碎后的洞渣粒径为＜3mm。

优选的，所述两次筛分采用机制振动筛。

所述机制振动筛第一次筛分的筛分粒度为100-150目，筛后的剩余洞渣粒径＜150μm，第二次筛分的筛分粒度为200-400目，筛除粒径30μm以下的隧道洞渣。

优选的，所述隧道污水处理工艺为：进水→调节池→混凝反应池→絮凝反应池→高密度沉淀池→调节池。

优选的，所述隧道污水处理工艺具体步骤包括：

（1）原水先经过两级格栅后进入调节池，一级格栅为手动格栅，二级格栅为自动格栅；

（2）调节池出水进入混凝反应池，投加混凝剂；

（3）混凝反应池出水进入絮凝反应池，投加多孔材料和高分子絮凝剂，随后，絮凝反应池出水进入高密度沉淀池；

（4）高密度沉淀池包括斜板区、沉淀区和出水收集区等，处理水在高密度沉淀池的斜板澄清部分实现了高速沉淀，澄清水通过溢流堰被集水槽收集，流入出水池，出水池入口处设有pH值自动监测系统和药剂投加系统，维持出水pH值为6-9。

含有多孔材料的污泥沉淀于池底，由高密度沉淀池内置刮泥机收集至沉淀池底部中央的区域，一定比例被污泥回流泵抽出回流至絮凝反应池，一定比例被多孔材料循环泵抽出，经循环管路至水力旋流器。由于多孔材料与污泥的比重差异在水力旋流器内离心力的作用下，污泥与多孔材料分离。水力旋流器设置于絮凝反应池的顶部，下溢的多孔材料可以直接回用于絮凝反应池，而轻的污泥和大部分水一起向上移动以溢流形式排出水力旋流器外，收集后统一处理。

优选的，洞渣材料破碎筛分过程中产生的微粒废料，经干燥、煅烧后成为多孔材料，也能作为隧道施工污水处理中混凝沉淀工艺的外加介质。

所述微粒废料为洞渣在破碎过程中产生的粉尘，包括花岗岩、页岩、砂岩、石灰岩、珍珠岩、凝灰岩等。隧道洞渣经过多次破碎，在破碎过程中会产生较多的粒径＜85μm的洞渣粉末，无需额外的粉碎操作。所述洞渣粉末大约能占原材料的10%-25%。

优选的，所述微粒洞渣材料或微粒废料含泥量不高于1.2%，含泥量过高会影响絮凝效果。

优选的，所述多孔材料在隧道污水处理时的投加量为0.5-2kg/m³，此时污水处理既能满足处理标准，同时符合经济可行性。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）本发明将隧道洞渣经过破碎筛分、干燥、煅烧成一种多孔材料，成为一种可用于隧道污水处理的优良介质材料，减少了隧道污水处理时的成本投入，同时由于隧道施工地处偏远，使用微粒洞渣材料作为介质相较于其他介质而言，更具有物料便捷性。

（2）以多孔材料为介质的隧道污水处理后的出水，悬浮物去除率和浊度降低率可达到95%以上，COD和氨氮的处理效果可以达到85%以上，重金属去除率达到95%以上，满足《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级标准。针对生态敏感地带的隧道污水处理，通过调整药剂/介质的投加量，可以达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）I类标准，排放可满足环境容量要求。

（3）多孔材料在隧道污水处理时的损失率＜10g/m³。

（4）对隧道洞渣进行了资源化利用，降低了隧道洞渣对周边环境的污染，节约了隧道洞渣的处置成本。

附图说明

图1是隧道洞渣破碎筛分流程

图2是本发明隧道污水处理工艺流程图

具体实施方式

以下将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

以云南高黎贡山隧道某施工段为例，该隧道在掘进过程中产生了大量的污水和洞渣，现阶段中，污水日处理量约为160m³/h，悬浮物浓度为200-1000mg/L，COD浓度为20-40mg/L，氨氮为2-6mg/L，重金属镉（cd）含量1.1mg/L，洞渣以花岗岩和凝灰岩为主，含有部分砂岩和少量泥渣。

将隧道洞渣粉碎筛分成直径为50-100μm的微粒洞渣材料，隧洞洞渣的破碎筛分步骤为：

S1、采用颚式破碎机进行粗碎，粗碎后的洞渣粒径为60-150mm。

S2、采用圆锥破碎机进行中碎，中碎后的洞渣粒径为10-40mm。

S3、采用立轴冲击破碎机进行重复细碎，细碎后的洞渣粒径为＜3mm。

S4、采用机制振动筛进行筛分，机制振动筛的筛分粒度为150目，筛分后的洞渣粒径＜100μm。

S5、采用机制振动筛进行二次筛分，机制振动筛的筛分粒度为300目，筛除粒径＜50μm的隧道洞渣。

具体工艺图如图1所示。

将破碎筛分后的微粒隧道洞渣进行煅烧改性，具体步骤为：

S1、将洞渣烘干，烘箱温度120℃，持续时间2h。

S2、烘干后的洞渣进行煅烧，煅烧采取分级煅烧，第一级煅烧500℃，持续时间1h；第二级煅烧为650℃，持续时间1h。

S3、微粒隧道洞渣冷却备用。

选取直径50-100μm的多孔材料用于隧道污水处理絮凝沉淀工艺，作为外加介质，加快污染物在沉淀池中的沉淀速度同时吸附污水中的重金属含量。剩余洞渣可根据粒径大小和性能应用于道路建设的不同阶段，对隧道洞渣进行充分资源化应用。

隧道污水处理絮凝沉淀工艺中，原水首先经过两级格栅，一级格栅为手动格栅，二级格栅为自动格栅，用以截留污水中的较大颗粒物以及漂浮物，之后进入调节池均衡水质水量，并缓解冲击力。

调节池出水进入混凝反应池，投加混凝剂，所述混凝剂为聚合氯化铝，添加量为8mg/L，投加在混凝池入口或进水管路上。同时在混凝反应池中投加180kg直径为50-100μm的多孔材料，混凝反应池设有机械搅拌装置，通过控制搅拌机转速实现污水、药剂和多孔材料充分混合反应，重金属在此过程中逐渐被吸附，悬浮物及胶体颗粒脱稳。

随后污水进入絮凝反应池，投加高分子絮凝剂，絮凝剂为聚丙烯酰胺；添加量为2mg/L。絮凝反应池也设有机械搅拌装置，搅拌器的轴流泵叶轮设计，提供大循环流量，搅拌器的动态混合提高了混凝固体、高分子聚合物和多孔材料之间相互接触的可能性。同时控制高密度沉淀池污泥回流，与多孔材料之间相结合，提升絮体的絮凝效果，使絮体凝实成块状，并成为新形成的絮体的核心，经过多孔材料加重絮凝后的絮体直径可达200μm以上。随后，含砂的絮体进入高密度沉淀池。

高密度沉淀池包括斜板区、沉淀区和出水收集区等。处理水在斜板澄清部分实现了高速沉淀，澄清水通过溢流堰被集水槽收集，流入调节池，调节池入口处设有pH值自动监测系统和药剂投加系统，维持出水pH值为6-9。

含有多孔材料的污泥沉淀于池底，由沉淀池内置刮泥机收集至沉淀池底部中央的区域，一定比例被污泥回流泵抽出回流至絮凝反应池，一定比例被多孔材料循环泵抽出，经循环管路至水力旋流器。由于多孔材料与污泥的比重差异在水力旋流器内离心力的作用下，污泥与多孔材料材料分离。

水力旋流器设置于絮凝反应池的顶部，下溢的多孔材料可以直接回用于絮凝反应池，而轻的污泥和大部分水一起向上移动以溢流形式排出水力旋流器外，收集后统一处理。具体工艺图如图2所示。

处理后的隧道施工污水SS含量降至30mg/L以下，SS去除率≥95%，COD和氨氮的去除率达到88%，重金属镉（Cd）和重金属铬（Cr)的去除率达到95%以上，完全满足《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级标准为出水要求的隧道污水处理要求。同时针对生态敏感地带的隧道污水处理，通过控制药剂和介质投加量及工艺参数，可以达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类标准，排放可满足环境容量要求。多孔材料在隧道污水处理时的损失率＜10g/m³。

实施例2

选择投加同类型介质材料微砂开展隧道污水处理试验，比较微砂和微粒洞渣材料的处理效果。

选取市场上常规的用于絮凝沉淀工艺的微砂材料，用于隧道污水处理絮凝沉淀工艺。

保持与上述实施例1同等的工艺流程、水力条件和絮凝药剂投加量，投加180kg微砂至絮凝反应池，用以提升絮体的絮凝效果，经过微砂加重絮凝后的絮体直径为170μm以上。随后，含砂的絮体进入高密度沉淀池。

污水在高密度沉淀池实现了絮体和澄清水的高速分离，澄清水通过溢流堰被集水槽收集，流入调节池，含有微砂的污泥沉淀于池底，由沉淀池内置刮泥机收集至沉淀池底部中央的区域，一定比例被污泥回流泵抽出回流至絮凝反应池，一定比例被微粒洞渣材料循环泵抽出，经循环管路至水力旋流器。水力旋流器设置于絮凝反应池的顶部，下溢的微砂可以直接回用于絮凝反应池，而轻的污泥和大部分水一起向上移动以溢流形式排出水力旋流器外，收集后统一处理。

处理后的隧道施工污水SS含量降至40mg/L以下，SS去除率≥93%，COD和氨氮的去除率达到86%，满足《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级标准为出水要求的隧道污水处理要求，但其重金属镉的去除率仅为85%，铬（Cr)的去除率不到60%，难以达到处理要求。隧道污水处理时微砂的损失率＜8g/m³。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种洞渣材料在隧道污水处理的应用，其特征在于，将洞渣材料破碎筛分成直径为30-150μm的微粒，干燥、煅烧成多孔材料，作为隧道施工污水处理中的外加介质。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述洞渣材料含有花岗岩、页岩、砂岩、石灰岩、玄武岩、凝灰岩中任意一种或几种的任意比例的混合物。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述微粒直径为50-100μm，所述微粒含泥量不高于1.2%。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述洞渣材料的破碎筛分步骤为：将洞渣材料进行粗碎、中碎、细碎后进行两次筛分；所述粗碎后的洞渣粒径为60-150mm；所述中碎后的洞渣粒径为10-40mm；所述细碎后的洞渣粒径为＜3mm。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述第一次筛分的筛分粒度为100-150目，筛后的剩余洞渣粒径＜150μm，所述第二次筛分的筛分粒度为200-400目，筛除粒径50μm以下的隧道洞渣。

6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述洞渣材料的干燥温度为100-150℃，持续时间为1-4h；所述洞渣材料的煅烧为分级煅烧，煅烧温度为300-800℃；优选的，所述洞渣材料的分级煅烧为二级煅烧；进一步优选的，所述洞渣材料的分级煅烧为，第一级煅烧温度500℃，持续时间1h；第二级煅烧温度为650℃，持续时间1h。

7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述多孔材料在隧道污水处理时的投加量为0.5-2kg/m³污水处理量。

8.根据权利要求1-7任一项所述的应用，其特征在于，所述隧道污水处理工艺的具体步骤包括：

（1）原水先经过两级格栅后进入调节池，一级格栅为手动格栅，二级格栅为自动格栅；

（2）调节池出水进入混凝反应池，投加混凝剂；

（3）混凝反应池出水进入絮凝反应池，投加多孔材料和高分子絮凝剂，随后，絮凝反应池出水进入高密度沉淀池；

（4）高密度沉淀池出水流入调节池；含有多孔材料的污泥部分回流至絮凝反应池。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述混凝剂为聚合氯化铝，添加量为8mg/L；所述高分子絮凝剂为聚丙烯酰胺，添加量为2mg/L。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述调节池入口处设有pH值自动监测系统和药剂投加系统，维持出水pH值为6-9。