（环境工程专业论文）水泥硫酸铝混凝法处理隧道施工废水研究.pdf

摘要 随着我国公路建设不断向山区延伸，隧道建设相应急剧增多。隧道工程大多位于山 区丘陵地带，有些甚至处于饮用水源地或水源涵养区。在其施工过程中会产生大量的施 工废水，倘若不对施工废水进行处理，任由其排放，将会造成山区水环境污染，因此对 隧道施工废水的性质和处理工艺进行研究是很有必要的。 本论文研究内容是陕西省交通厅课题“山区高速公路隧道施工废水处理技术研究 的子课题。论文在课题组前期对山区隧道施工生产废水的现场调查及利用水泥作为处理 药剂的基础上，通过对水泥添加其它混凝剂，研究药剂混合的比例和全流程中试，得出 如下研究结论： 1 、单一混凝实验表明，水泥所含矿物质是形成混凝沉淀的因素；水泥的不同标号 对水样的处理效果影响不大；水泥组分中硅酸三钙( c 3 s ) 的含量差异是影响其混凝沉 淀效果的主要因素。 2 、水泥与不同的混凝剂配合实验表明，水泥+ 混凝剂作为混合药剂处理优于单独药 剂，而其中以水泥+ 硫酸铝的去除率最高。 3 、水泥+ 硫酸铝配比实验表明，对山区隧道施工废水，水泥+ 硫酸铝在2 5 ：1 时对 c o d 的去除率在7 0 左右；对硝基苯的去除，在1 5 ：1 - - 3 0 ：1 时去除率在5 0 左右；对 石油类的去除，在2 5 ：1 - 4 5 ：1 时差距不大，基本在2 5 - - - 3 0 之间。选取水泥与硫酸铝 质量比为2 5 - l 时作为混合药剂，对于每l l 待处理水样，当反应条件为水泥投量为1 2 5 9 ， 硫酸铝为0 0 5 9 ，沉淀时间为l h ，转速为1 5 0 r r a i n ，p h = 8 时处理效果最佳。沉淀后增加 砂滤，石油类和硝基苯类的去除效果有所增加，而c o d 的去除率反而有所下降。 4 、中试经过无搅拌、机械搅拌和空气搅拌三种不同搅拌方式的全流程处理后，对 污染物指标基本都保持稳定的去除率。 5 、水泥的主要矿物质在水中可生成具有絮凝效果的沉淀。水泥在水化和硬化过程 中，水化产物可以通过吸附电中和、吸附架桥、捕网卷带等多种作用去除水中胶体杂质。 硫酸铝又会促进水泥矿物的溶解，对水泥的水化速率影响较大。 6 、石英砂作为过滤材料，对硝基苯具有吸附能力，且能将废水中的溶解油吸附在 表面，从而达到油水分离。由于石英砂的拦截作用和凝聚作用，对处理分散油也具有较 好的效果。 关键词：隧道施工废水水泥硫酸铝混凝，砂滤 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，m o r ea n dm o r eh i g h w a yh a db e e nc o n s t r u c t e di n m o u n t a i n o u sr e g i o no fc h i n a ，w h i c hr e s u l t e dt h a tal o to ft u n n e l sw e r ec o n s t r u c t e di nr e c en t y e a r h o w e v e r , t h et u n n e l sm o s t l yl o c a t e di ne c o e n v i r o n m e n t a l v u l n e r a b l ea r e a ，s u c ha s d r i n k i n gw a t e rs o u r c er e g i o n ，d r i n k i n gw a t e rc o n s e r v a t i o nr e g i o n a tt h es a m et i m e ， e c o - e n v i r o n m e n tc o u l db ec o n t a m i n a t e db yt h et u n n e lc o n s t r u c t i o nw a s t e w a t e rw h i c hd i dn o t t r e a t e d t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hf o rp r o p e r t i e sa n dt r e a t m e n tt e c h n i q u eo ft u n n e lc o n s t r u c t i o n w a s t e w a t e ri sv e r yn e c e s s a r y t h i st h e s i s sr e s e a r c hc o n t e n ti sas i n g l ep a r to fs h a n x ip r o v i n c ec o m m u n i c a t i o n s d e p a r t m e n tt a s kw h i c hi sm o u n t a i na r e ah i g h w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g yr e s e a r c h p a p e r sb a s e di np r o p h a s ei n v e s t i g a t i o nd a t af r o mt a s kg r o u pt o p r o d u c t i o nw a s t e w a t e ro ft h et u n n e lc o n s t r u c t i o ni nm o u n t a i n o u sa r e aa n du s i n gc e m e n ta s d is p o s a lr e a g e n t s t h r o u g ha d d i n go t h e rc o a g u l a n tt oc e m e n t , w er e s e a r c h e dm i x e dr a t i oa n d t e s t e dt h ew h o l ef l o w , e d u c e dt h ec o n c l u s i o na sf o l l o w s ： 1 s i n g l ec o a g u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h em i n e r a l sc o n t a i n e di nc e m e n ta r ef a c t o r s o ff o r m i n gc o a g u l a t i o np r e c i p i t a t e ；t h ed i f f e r e n tl a b e lw a t e rc e m e n tt ot h et r e a t m e n te f f e c to f l i t t l ei m p a c t ；t h em a i ne f f e c tf a c t o r so fc o a g u l a t i o np r e c i p i t a t ei sc o m p o n e n to f t h ec o n t e n to f c 3 s 2 e x p e r i m e n t so fc e m e n ta n dd i f f e r e n tc o a g u l a n t sc o o p e r a t i n gs h o wt h a tt h ec e m e n t a d d i n gc o a g u l a n ti ss u p e r i o rc o m b i n a t i o n sp r o c e s s i n g ，a n dt h et i p t o pr e m o v a lr a t ei sc e m e n t a d d i n ga 1 2 ( s 0 4 ) 3 3 e x p e r i m e n t so fc e m e n ta d d i n ga 2 ( s 0 4 ) 3m i ) 【i n gr a t i os h o wt h a t , o nt h em o u n t a i n t u n n e lc o n s t r u c t i o nw a s t e w a t e r , w h e nc e m e n ta d d i n ga 1 2 ( s 0 4 ) 3m i x i n gr a t i oi sa t2 5 ：1 ，t h e r e m o v a lr a t eo fc o di sa ta b o u t7 0 ；a t1 5 ：1 - 3 0 ：1 ，t h er e m o v a lo fn i t r o b e n z e n ea ta b o u t 5 0 ；a t2 5 ：1 4 5 ：1 ，t h er e m o v a lo fp e t r o l e u ma t2 5p e r c e n tt o3 0p e r c e n t f o r1 l i t e r p r e p a r i n gt r e a t m e n tw a t e rs a m p l e ，s e l e c t i n gt h em a s sr a t i oo fc e m e n ta n dv i t r i o l i ca t2 5 ：1 嬲 c o m b i n a t i o n sm e d i c a m e n t , r e a c t i o nc o n d i t i o n sf o r1 2 5g r a m ，a 2 ( s 0 4 ) 3f o r0 0 5g r a m ， p r e c i p i t a t et i m ef o r1h o u ra n dr o t a t i n gs p e e df o r15 0 rp e rm i n u t ec a na c h i e v et h eb e s te f f e c t a d d i n gs a n df i l t e ra f t e rs e d i m e n t a t i o n , r e m o v a le f f i c i e n c yo fp e t r o l e u ma n dn i t r o b e n z e n e i n c r e a s e d , w h i l et h er e m o v a lr a t eo fc o dd e c l i n e d 4 a f t e rt h ew h o l ef l o wt r e a t i n gw i t l lt h et h r e ed i f f e r e n tm i x i n gw a y so fn oa g i t a t i o n , m e c h a n i c a la g i t a t i o na n da i r a g i t a t i o n , t h er e m o v a lr a t e o fp o l l u t a n ti n d e x e ss t a y e d s t a b i l i z a t i o no nt h ew h o l e 5 c e m e n t sm a i nm i n e r a l si nt h ew a t e rc a nc r e a t et h es e d i m e n t a t i o nw i t hf l o c c u l a t i o n e f f e c t i nc e m e n th y d r a t i o na n dh a r d e n i n gp r o c e s s ，h y d r a t i o np r o d u c t sc a nr e m o v ec o l l o i d i m p u r i t i e sf r o mw a t e rt h r o u g ha d s o r p t i o ne l e c t r i c i t yn e u t r a l i z a t i o n , a d s o r p t i o nb r i d g e s ， c a p t u r i n gw i t hav a d e t yo fa c t i o ns u c ha sn e tv o l u m e a 1 2 ( s 0 4 ) 3c o u l dp r o m o t et h em i n e r a l s o fc e m e n tt od i s s o l v e ，h a v i n gg r e a t e ri n f l u e n c et oc e m e n t h y d r a t i o nr a t e 6 q u a r t zs a n ds e l e c t e da sf i l t e rm a t e r i a l ，h a v i n gt h ea d s o r p t i o na b i l i t yt on i t r o b e n z e n e ， c a na d s o r bd i s s o l v eo i lo fw a s t e w a t e ro nt h es u r f a c e 。s oi tc o u l da p a r tt h eo i lf r o mw a t e r d u e t oi t s i n t e r c e p t i n ga n da g g l o m e r a t i o nf u n c t i o n , q u a r t zs a n dh a sag o o di m p a c tt od i s p o s e s c a t t e r e do i lf l o r aw a t e r , t o o k e yw o r d s ：t u n n e lc o n s t r u c t i o n ；w a s t e w a t e r ；c e m e n t ；a i 2 ( s 0 4 ) 3 ；c o a g u l a t e ；s a n d 励t e r i i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 我国公路交通行业现状及发展 2 0 0 4 年1 2 月1 7 日国务院通过了国家高速公路网规划，提出我国高速公路网由7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线组成，简称为“7 9 1 8 网”，总规模约 8 5 万k m 。至u 2 0 0 9 年底，全国公路总里程达3 8 6 0 8 万公里，其中，高速公路6 5 1 万公里， 一级公路5 9 5 万公里，二级公路3 0 0 7 万公里，三级公路3 7 9 0 万公里，四级公路2 2 5 2 0 万 公里，等外公路8 0 4 6 万公里。2 0 0 9 年底，全国公路桥梁达6 2 1 9 万座、2 7 2 6 0 6 万米；公 路隧道为6 1 3 9 处、3 9 4 2 0 万米，其中特长隧道1 9 0 处、8 2 11 万米，长隧道9 0 5 处、1 5 0 0 7 万米。 “十一五”期间我国高速公路通车里程达到7 4 万公里，新增3 3 万公里，居世界第二 位。按照国务院公布的高速公路网发展规划，我国正在全力以赴地加快国家高速公路网 主骨架建设。新路网即“7 9 1 8 n ，预计“十二五 末能基本建成。届时，中国高速公 路通车总里程将有望达1 0 万公里，超过美国跃居世界第一【。 然而，公路建设常常表现为土地资源严重浪费；破坏森林植被，造成水土流失，影 响沿线动植物生长；穿越风景名胜区且未很好地结合自然，破坏景区景观：穿越或靠近 居民居住区，造成噪声、大气污染，影响居民生活，危及居民身体健康；侵占有价值水 体，改变天然水系的自然流态，造成局部区域水资源桔竭；深开挖和高填方路段单调的 边坡设计及雷同的防护工程设施使原本生动的自然风光黯然失色；为节省造价、方便施 工而依照标准图设计而成的桥涵缺乏艺术造型，从而失去一次景观再造的机会等【2 1 。 1 2 公路施工对环境的影响 公路施工对环境的影响主要有以下几个方面【3 】： l 、水环境的影响：主要是雨水冲刷地表和扬尘进入河水增加了水中的悬浮物浓度； 桥梁施工中物料、建筑垃圾、生活垃圾、机械漏油等直接进入水体，使水中的悬浮物、 耗氧物质、油类增加；隧道施工中钻孔和运输机械的漏油、炸药爆炸后的部分残留物混 合岩土微粒进入水体导致水体污染；在路面铺设阶段，各种含沥青废水和路面地表径流 进入水体影响水质。 2 、空气质量的影响：公路施工对环境空气的影响主要是施工期的粉尘污染。施工 期机械搅拌、装卸运输、土石方开挖、爆破、沥青等填料掺和铺晒、材料堆放及施工生 活过程环节中产生的烟气、扬尘。 第一章绪论 3 、声环境的影响：交通噪声是对公路沿线影响最直接的环境污染之一。推土机、 挖掘机、压路机、打桩机、摊铺机等，这些机械运行时，在距声源1 5 m 处的噪声值在7 5 1 0 5 d b ( a ) , y _ _ f a - jl 4 1 。声环境污染不仅影响操作工人的健康，而且对周围居民正常的工作， 学习和生活会产生干扰。 。4 、土地资源的影响：公路建设对沿线土地利用状况将产生一定影响，永久性占用 农田耕地、经济林地、森林植被等土地资源，尤其是高速公路自身的特点，造成征地范 围大，对周围环境的影响也大。 5 、水土流失的影响： 1 ) 水力作用造成的水土流失。 2 ) 重力作用造成的水土流失。 3 ) 水力和重力两者共同作用下的水土流失。 在公路施工过程中及施工完成后几年内，地表植被尚未完全恢复，地表裸露，加上 长期风吹日晒的作用，产生剥蚀等表土流失，极易造成滑坡、泥石流、山洪等危害，尤 其在山岭重丘区，地形险峻，沟壑纵横，修建高速公路必然破坏山区原有的植被和地形， 更易引发水土流失。 特别值得关注的是，公路施工过程中对水环境的影响较为突出。我国西部的山岭地 区是众多河流的发源地，水系发达，是很多水体的上游地区。保护好上游水环境对保证 下游用水安全有着重要的意义。现在公路设计中广泛使用的沿河谷布设的路线使得公路 极有可能穿过饮用水水源保护区，对于那些祖祖辈辈从河里打水饮用、在河中洗衣的居 民来说会带来不利影响。可见，非常有必要重视公路施工废水对水体造成污染的控制。 1 3 我国水环境现状 水是基础性的自然资源和战略性的经济资源，水资源在人类活动和社会经济发展中 具有中心作用和综合作用。当前，水被5 0 个国家的科学家列为本世纪最棘手的两大问题 之一。我国的水资源状况极不乐观，可以概括为“水资源稀缺、人均水资源占有量少、 利用率低、污染严重、水质恶化”。 作为世界上第一人口大国和最大的发展中国家，我们在水资源使用和管理上，面l 晦 着水资源短缺与水浪费并存、洪涝灾害与生态失衡并存、水环境污染与水管理不善并存 的突出矛盾。据有关资料显示：2 0 0 2 年，全国工业和城镇生活废水排放总量为4 3 9 5 亿 m 3 ，比上年增加1 5 ，其中工业废水排放量2 0 7 2 亿m 3 ，比上年增加2 3 ，城镇生活污 水排放量2 3 2 3 亿m 3 ，比上年增加0 9 。由于8 0 以上的污水未经处理就直接排入水域， 2 长安大学硕士学位论文 已造成9 0 以上的城市水域严重污染，近5 0 的重点城镇水源不符合饮用水标准，就连 城市地下水都有5 0 受到严重污染。水资源不合理的开发利用，尤其是水污染的不断加 重，引起了普遍缺水和严重的生态后果。 1 4 公路建设对水环境的影响分析 水环境是构成环境的基本要素之一，是人类社会赖以生存和发展的最重要物质，也 是受人类干扰和破坏最严重的要素。公路建设由于其自身的特点，对水环境的影响主要 表现在改变地表水流，改变地下径流，影响水质等方面【5 】。 l 、对地下径流的改变 公路建设会阻断路线两侧地下水和地表水的流动交换，造成在一侧或两侧产生积 水，长时间积水会导致水中盐分的析出沉淀，而使其公路沿线土地盐碱化。岩溶地区公 路建设的地下水环境破坏形式，主要破坏形式有以下几类 6 1 ：改变水流方向，阻断 地下水补给源，截断地下水的流通路径，封堵地下水的排泄口，工程扰动造成水 环境破坏，复合型的水环境破坏。 2 、对地表水流的改变 公路建设对原来的河流流态进行了调整，对地表水体的水文条件产生影响，影响河 流的过水断面、流量、流速等水文条件，引起冲刷动能增大，加速河岸侵蚀，引发洪水 等不良灾害。公路建设，将使硬化不透水地面增加，从而增加地表径流，减少水分下渗 和地下水补给，使工程区及其影响区域的河川基流量减小、洪峰峰值和频率增大、河川 枯水期和洪水期流量变幅增大。 3 、对水质的影响 公路建设过程中，建筑材料的运输和堆放、施工废料的处置、桥梁施工、隧道施工、 预制厂、拌和站以及施工营地等都会对路面径流、附近河流、地下水水源、农田等水质 造成较大影响。 1 ) 建筑材料运输与堆放对水体环境的影响 路基的填筑以及各种筑路材料的运输等均会引起扬尘，这些尘埃会随风飘落到路两 侧的水体中，将会对水体产生一定的影响。此外，如沥青、油料、化学品物质等施工材 料如保管不善，被雨水冲刷而进入水体也会对水环境造成污染。在临河路段施工期时， 路基施工泥土被雨水冲入河流或路面因没有及时压实被雨水冲入河流，引起河水悬浮物 偏高和沥青质污染。 3 第一章绪论 2 ) 工程废渣对水环境的影响 公路工程施工废渣主要包括工程路基和隧道弃渣以及施工作业过程造成的废弃沥 青渣。路基和隧道弃渣如果不及时挡护处理，经雨水冲刷进入水体将造成严重水土流失， 使地表水中s s 浓度明显增加。而沥青废渣如处理不当，则可能造成对水体质量的污染。 3 ) 桥梁施工对水环境的影响 桥梁施工期对地表水的污染主要来自施工作业的生产污水和施工人员的生活污水 两个方面。施工作业引起的生产污水包括大桥建设过程中的钻孔污染水和含油污水。桥 梁的下部结构施工目前一般采用钻孔桩机械作业法。钻孔桩在施工时多采用电动机为动 力，而且钻孔桩在围堰内进行施工时，与流动的河水相隔，钻孔过程产生的废弃物，用 管道直接输送到岸边经沉淀后排放，不直接放在河滩上。另外，在桥梁上部结构现场浇 注工艺过程中，要使用大量模板和机械油料，如机械油料泄漏或将使用后的废油直接弃 入水体，会使水环境中石油类等水质指标增加，造成水体质量下降。 4 ) 隧道施工对水环境的影响 公路隧道施工的施工废水主要是受到支护时喷浆的水泥污染、爆破时炸药经过反应 后的部分生成物、地下水渗漏时携带的大量泥沙。公路隧道施工目前主要采用钻爆法， 爆破后会有少量的物质从气相进入液相。随着隧洞深度的增加，进入液相的物质的量也 会不断增加。爆破后的支护要使用大量的水泥砂浆，其中一部分会和渗出的地下水混合， 成为施工废水的一部分流出。 5 ) 施工营地生活污水对水环境的影响 公路施工过程中生活污水主要来自施工人员就餐和洗涤产生的生活废水及粪便污 水，主要含动、植物油脂、洗涤剂等各种有机物其污染物浓度严重超过排放标准。 6 ) 预制厂、拌和站对水环境的影响 预制厂、拌和站对水环境的影响主要是在生产过程中用于调和水泥、水泥保养以及 洒水降尘所产生的少量废水，其所含污染物质主要是悬浮物和碱性物质，这部分污染物 通过收集可以避免排入附近水体。 其中，隧道施工区水环境一般较好，施工废水进入水体后水质变化突出，对环境影 响更加敏感。 1 5 公路施工废水研究现状 由于隧道施工对水环境的影响越来越引起人们重视，近年来对施工期废水进行了研 4 长安大学硕士学位论文 究。目前我国在公路施工废水多采用沉淀的方法进行处理，但对沉淀效果及其相关处理 参数的研究鲜有报导，多是采用经验方法。我国目前仅在水利水电工程建设过程中对施 工废水做过一些处理研究和尝试。刘兰芬等【7 】分析了在北京十三陵抽水蓄能电厂施工期 间，施工废水中主要污染物为固体悬浮物、石油类、三硝基甲苯，施工期间在工地建设 了污水处理站专门对施工废水进行二级处理。陕西省秦岭山区铁路隧道施工期监测时， 也发现有硝基苯超标的现象。硝基苯类物质属毒性物质，会对下游水生生物造成致死影 响，其来源于施工期的爆破残余物。殷彤等【8 】分析了水利水电工程建设过程中废水的来 源及其主要污染物质，指出施工废水的主要污染是悬浮物浓度高、p h 值较高以及含有 油性物质，其中悬浮物浓度是重点污染因子，同时介绍了此类工程施工废水处理的常用 方法。王红梅【9 l 在对溪洛渡水电站施工废水进行的研究中对混凝拌和系统废水采用了重 力滤池处理，对砂石骨料废水进行絮凝沉砂处理，对修理系统含油废水采用小型隔油池 处理。 国外公路水环境保护主要集中在公路营运期路面水收集和服务区污水处理的研究， 施工期主要体现在对生态环境的保护方面，对施工期公路施工废水处理的研究鲜有报 道。 1 6 研究必要性 根据交通部制定的国家高速公路网规划，到2 0 2 0 年我国高速公路网将要达8 2 万公里，可以覆盖1 0 多亿人口。随着公路建设的不断发展，延伸到山岭重丘区的公路 项目越来越多，途径水源保护区和河流源头区的公路越来越多，因此对于水体的保护也 就越来越重要。为了减少公路建设对生态环境影响，根据交通部“安全、环保、舒适、 和谐”的公路设计新理念及( 交公路发 2 0 0 5 1 4 4 1 号) 2 0 0 0n t u ，单独投加聚合氯化铝1 6 0 k g k t 后，浊度降为1 5 4n t u ；投加混凝剂 十聚丙烯酞胺( 7 0 s 后加入) ，当投加量为1 6 0 k g 十0 4 m l ( 0 1 ) t 时，水样浊度更是降低 到5 1 3 n t u 。 终南山隧道施工污水经铁路i i 线侧沟排出洞外后，通过改造后的现有洞外排水系统 排入铁路隧道施工中已建成的沉淀池，除砂后进入气浮池内，除去悬浮物、油类物并进 行中和处理，检测达到排放标准后排入河流【2 0 1 。 袁勇 1 2 j 介绍了歌乐山隧道对悬浮物质的净化采用修筑污水处理池投加药品凝聚和 自然沉淀相结合的处理方法。药品主要采用污染小、取材广泛的硫酸铝( a 1 2 s 0 3 ) ，必要 时添加高分子凝聚剂以促进凝聚作用。絮凝物沉淀分离后定期清除，已被除去悬浮物质 的澄清水在池内上部溢流，采用无二次污染的碳酸调整p n 值后排放。对水中的油分， 在隧道洞口附近的排水沟或者在p h 值调整槽内设置悬浮式油吸附材料进行吸收处理。 p ar u c had a mm 等【2 1 2 2 1 使用有机吸附材料对隧道洗水进行了实验研究。使用两 种有机吸附材料处理后，水中非极性油，多环芳烃以及有毒金属的含量大幅度的降低。 2 3 2 2 处理方法选择 施工过程中产生的隧道排水为暂时性的，可采用简单、经济的处理方法。隧道施工 废水处理方法不仅要方便、经济、环保，还要适合公路隧道建设多位于偏远山区，线长 点多，缺乏环保技术人员等特点。 从隧道施工废水特性来看，应该选择物理化学处理方法，即混凝沉淀法。 本课题前期选用水泥处理施工废水，取得了一定的效果，但存在水泥药剂用户量大 和易固化问题。而本次研究将水泥作为主要处理药剂，同时加入一些污染小而取材广泛 的混凝剂，力求减少水泥的用量。采用水泥加混凝剂作处理剂时，絮体颗粒大，沉降速 1 2 长安大学硕士学位论文 度快，生成的沉淀物体积小，水泥的加入还可以降低胶体颗粒表面的电负性，吸附在胶 体颗粒上可以降低悬浮粒子与絮凝剂大分子之间的斥力，而水泥和混凝剂的混合作用会 相互左右，提高处理的效果。经过混凝沉淀处理后的隧道施工废水，用石英砂作为过滤 材料，对其进一步的处理，更好的去除废水中的石油类和硝基苯类物质。 采用“混凝沉淀吸附过滤 方法，不仅处理设施简单，药剂也便于获得，且处理费 用低，是一种“资源化”的处理方式。 2 3 2 4 国内外对水泥作为处理剂的研究 a m i t b h a t u a g a r 等【2 3 2 4 】研究发现水泥能够固化和稳定废水中的重金属。 宋玉等1 2 5 ，2 6 1 利用水泥处理渗滤液取得较好的效果，对c o d 可去除率达6 9 5 左右。 渗滤液生物处理出水中除有机物外，还可能有大量有还原性的无机盐类对c o d 有贡献。 水泥处理渗滤液生物处理出水的机理包括表面吸附和水化反应过程，对t o c 的去除主 要是表面吸附作用，而水化反应过程则对非t o c 贡献的c o d 有很好的去除效果。 2 3 处理原理 2 3 1 混凝沉淀原理 2 3 1 1 混凝 微粒凝结现象嵌聚和絮凝总称为混凝。絮凝是指由高分子物质吸附架桥作用而 使微粒相互黏结的过程；脱稳的胶粒相互聚结，称为凝聚。水中胶体污染物由于毛电位 的作用，不能用自由沉降方法将其去除，必须向水中投加一些药剂，使分散的胶体物质 聚集成为较大的颗粒后去除。这一过程通过胶体的脱稳和脱稳胶体的聚结两项工艺来实 现。 2 3 1 2 混凝剂 把能起凝聚与絮凝作用的药剂统称为混凝剂。 混凝剂分无机型和有机型两大类。通常无机混凝剂主要依靠电中和、压缩双电层 机理使胶体凝聚，故被称做凝聚剂；而有机混凝剂主要依靠架桥作用而使颗粒沉降，故 被称为絮凝剂。 有机高分子絮凝剂以聚丙烯酰胺类产品为代表，生物絮凝剂是一类由微生物产生 的具有絮凝能力的高分子有机物，主要有蛋白质、黏多糖、纤维素和核酸【2 7 1 。 1 3 第二章隧道施工废水研究 表2 5 常用混凝剂汇总表 无 无机盐类硫酸铝、氯化铝、明矾、氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁、碳酸镁 机 金属氢氧化物类氢氧化铝、氢氧化铁、氧化钙 类 聚合无机盐类 聚合氯化铝( p a c ) 、聚合氯化铁、聚硅酸 阳离子型聚乙烯亚胺、水溶性苯胺树脂、聚硫腮 有 阴离子型羧甲基纤维素盐、藻肮酸铀 人工合 机 非离子型淀粉、水溶性尿素树脂 成类 类两性聚合物明胶 天然类淀粉、动物胶、纤维素的衍生物、腐殖酸钠 在废水的混凝处理中，有时仅使用混凝剂难于达到预期的效果，往往需添加一些助 凝剂，其主要作用是创造适宜工艺条件，以提高混凝操作的效果。根据助凝剂的功能， 可将其划分为3 类：p h 值调整剂；絮体结构改良剂；氧化剂。 2 - 3 1 3 混凝机理 混凝可以有效的去除水中0 0 0 1 i _ t m 以上粒径的溶质，这一范围内，包括了病毒、 细菌、腐殖酸、蛋白质、粘土等等水中的污染杂质。混凝的作用机理于这些物质在水中 的存在状态有关。 胶体脱稳凝聚的混凝作用机理主要有以下几方面【2 8 】： ( 1 ) 压缩双电层 在胶体溶液中投加反电荷的电解质，如对水中负电荷胶粒而言，投入n a + 、c a 2 + 、 a 1 3 + 等，可以使胶体滑动面上的电位降低。当( 电位降至一定程度时就可以使v 位降 至小于0 ，从而范德华力占优势而达到彼此吸引，胶粒便发生聚集作用。 ( 2 ) 电性中和 这种现象在水处理中出现得较多。它是指加入电不同电荷的固体微粒，胶核表面直 接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低c 电位，最后达到凝聚。 这一点与压缩双电层机理不同。例如：在铝盐混凝剂的过程中，水解的多核羟基络合物 主要起吸附电性中和作用。在水处理中由水合的舢3 + 产生的单纯的压缩双电层作用甚 微。 ( 3 ) 高分子絮凝剂的吸附架桥作用。 高分子絮凝剂的碳碳单键一般情况下是可以旋转的，再加上聚合度较大，即主链较 长，在水介质中主链是弯曲的。在主链的各个部位吸附了很多固体颗粒，就象是为固体 1 4 长安大学硕士学位论文 颗粒架了许多桥梁，让这些固体颗粒相对地聚集起来形成大的颗粒。 ( 4 ) 絮体的网捕作用。 有些混凝剂( 如铝盐或铁盐) 有水中形成高聚合度的多羟基化合物的絮体，在沉淀 过程中可以吸附卷带水中胶体颗粒共同沉淀，此过程称为絮凝剂的网捕作用。 2 3 2 吸附过滤原理 2 3 2 1 吸附原理 当流体与多孔固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄， 此现象称为吸附。吸附也指物质( 主要是固体物质) 表面吸住周围介质( 液体或气体) 中的分子或离子现象。吸附属于一种传质过程，物质内部的分子和周围分子有互相吸 引的引力，但物质表面的分子，其中相对物质外部的作用力没有充分发挥，所以液体或 固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体，尤其是表面面积很大的情况下，这种吸附 力能产生很大的作用。 当液体或气体混合物与吸附剂长时间充分接触后，系统达到平衡，吸附质的平衡吸 附量( 单位质量吸附剂在达到吸附平衡时所吸附的吸附质量) ，首先取决于吸附剂的化 学组成和物理结构，同时与系统的温度和压力以及该组分和其他组分的浓度或分压有 关。对于只含一种吸附质的混合物，在一定温度下吸附质的平衡吸附量与其浓度或分压 间的函数关系的图线，称为吸附等温线。对于压力不太高的气体混合物，惰性组分对吸 附等温线基本无影响；而液体混合物的溶剂通常对吸附等温线有影响。同一体系的吸附 等温线随温度而改变。温度愈高，平衡吸附量愈小。 2 3 2 2 过滤原理 废水通过一定厚度的粒状滤料( 如石英砂、无烟煤等) 底层时，由于滤料颗粒之间 存在孔隙，水中的悬浮颗粒和胶体会被截留在滤料表面和内部空隙中，这一过程称为粒 状介质过滤，简称过滤。 过滤主要是悬浮物质与滤料颗粒之间的粘附作用的结果，其机理可概括为以下三哥 方面。 ( 1 ) 筛滤作用 过滤过程中的原水由上而下流经滤料层时，粒径大于滤层空隙的悬浮颗粒首先被截 留在表层滤料中，使得表层滤料的空隙越来越小，逐渐形成一层由被截留的悬浮颗粒构 成的滤膜，并起到所谓“表层截留 的过滤作用，并称该作用为筛滤或阻力截留。 ( 2 ) 重力沉降 1 s 第二章隧道施工废水研究 由众多粒状颗粒组成的滤料层拥有巨大的沉降面积，形成了无数微型的沉淀池，当 原水通过滤料层时，其中的悬浮颗粒沿着水流流线运动，根据斯托克斯定律，当沉速适 宜时，颗粒就会在重力作用下脱离流线而沉淀在滤料表面上。 ( 3 ) 粘附作用 滤料层砂砾的巨大比表面积，使之对悬浮颗粒具有明显的粘附作用。在范德华力、 静电力的相互作用以及某些化学键和特殊的化学吸附作用下，与滤料表面接近或接触的 颗粒就会被粘附于滤料表面上。粘附过程同时还存在着絮凝颗粒的架桥作用。 由于以上三种作用往往同时存在于滤料过程之中，只是条件不同时其主导作用不同 而己。通常，大颗粒的悬浮颗粒通常以筛滤形式的表面过滤作用为主；细粒径的悬浮颗 粒则主要以重力沉降和粘附作用的深层过滤为主【2 9 1 。 长安大学硕士学位论文 第三章实验研究及分析 3 1 水样配置 实验所用水样是根据第二章中所述于2 0 0 6 年9 月至1 0 月对包家山隧道及洲河北隧 道现场采样检测结果，自行配制而成。每次实验时，使用粘土、油类物质、硝基苯等进 行混合配水。由于本课题旨在研究不同类型水泥、水泥加不同混凝剂以及中试全流程实 验各流程对混合水样的处理效果及简要分析其作用机理，因此，在实验时为便于检测以 及分析，将水样的各项指标幅度范围扩大，将c o d 值范围放大至7 0 2 6 0m g l 内，将 石油类含量放大至l o l o o m g l ；而毒性指标硝基苯也选定在5 - - 4 0 m g l ，便于更好的分 析实验方法对水样的处理效果。 3 2 实验试剂及仪器 3 2 1 实验试剂 实验药剂均为分析纯( a r ) ，主要药剂如下： 硫酸( s u l f u r i ca c i d )盐酸( h y d r o c h l o r i ca e i d )氢氧化钠( s o d i u mh y d r a t e ) 亚硝酸钠( s o d i u mn i t r a t e ) 硫酸亚铁( f e r r o u ss u l f a t e )硫酸铝( a l u m i n u ms u l f a t e ) 三氯化 铁( f e r r i ct r i c h l o r i d e ) 硫酸氢胺( a m i n eb i s u l p h a t e ) p a m 石油醚( p e t r o l e u me t h e r ) 锌粉( z i n cd u s t ) 硫酸铜( c u p r i cs u l f a t e ) 重铬酸钾( p o t a s s i u mb i c h r o m a t e ) 硫酸银( s i l v e rs u l f a t e ) n l - 奈基乙二胺盐酸盐 无水硫酸钠( a n h y d r o u ss o d i u ms u l f a t e ) 蒸馏水硝基苯( n i t r o b e n z n e ) 氨基磺酸胺 3 2 2 实验仪器 a g 2 0 4 电子天平( 0 0 0 0 1 )瑞士m e t t l e r t o l e d o 公司 7 21 分光光度计上海第三分析仪器厂 l g l 0 0 8 电子干燥箱上海市实验仪器厂 混凝试验搅拌器深圳市中国水工业技术发展有限公司 万用电炉、烧杯、量简、比色管、移液管、吸耳球、容量瓶、玻棒等。 3 2 3 分析方法 分析方法【3 0 】如表3 1 所示： 1 7 第三章实验研究及分析 表3 1 分析方法 指标名称分析方法检出限 c o d 重铬酸钾标准法 5 r a g l 7 0 0 m l 石油类红外分光光度法 o 1 m g l p h 值 p h 试纸法 l 1 4 硝基苯紫外分光光度法 o 2 m g l 3 3 混凝剂实验研究 3 3 1 混凝剂对比试验 比较不同种类混凝剂处理隧道施工废水的差异。 称取硫酸铝、硫酸亚铁、p a m 、p a c 、p f c 各0 0 2 9 ，分别加入2 0 0 m l 配水水样中， 充分搅拌约l m i n ，后静置2 h 。取上清液检测。实验结果如表3 2 所示： 表3 2 不同混凝剂的对比试验结果 漾 不同种类混凝剂投加量( 0 0 2 9 ) 监测项目 硫酸铝硫酸亚铁p a mp a cp f c c o d 7 2 3 58 1 2 07 9 5 l5 2 5 57 7 4 7 硝基苯 3 6 9 61 5 6 75 4 3 03 2 8 61 7 2 8 石油类 1 4 1 41 3 9 01 4 3 l 2 1 5 49 8 0 可以看出，各类混凝剂对隧道施工废水污染因子都有一定的去除效果，但相互存在 差异。对c o d 的去除率都较高，p a c 去除率最低，为5 2 5 5 ，最高的硫酸亚铁可达到 8 1 2 ；对硝基苯类的去除，其中p a m 去除率最高，可达到5 4 3 ，硫酸铝和p a c 也 可达到3 0 以上；对石油类的去除效果均较低，最高的p a c 去除率仅为2 1 5 4 ，混凝 沉淀对石油类的去除效果不佳。综合来看，对c o d 的去除率较高，对硝基苯和石油类 的去除率相对较低。 3 3 2 水泥与混凝剂的对比试验 根据课题组前期试验研究，比较水泥与混凝剂作为隧道施工废水处理药剂的差异。 前期实验的最佳水泥投加量为3 9 。称取冀东牌水泥、硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁、 p a m 各3 9 ，分另t 1 3 n 入2 0 0 m l 配水水样中，充分搅拌约l m i n ，后静置2 h 。取上清液检测。 实验结果如表3 3 所示： 长安大学硕士学位论文 表3 3 水泥与混凝剂的对比试验结果 c o d 硝基苯石油类 项目 剩余值去除率剩余值去除率剩余值 去除率 水泥 6 3 6 4 83 8 5 8 2 3 2 51 2 5 4 5 2 5 81 0 8 0 硫酸铝4 7 3 2 85 4 3 3 1 9 o l2 8 5 0 4 9 7 5 1 5 6 0 投加量 硫酸亚铁 9 0 5 7 6 1 2 6 0 2 0 2 2 1 3 9 4 5 3 4 8 9 2 5 ( 3 9 ) 三氯化铁 9 2 2 0 81 1 0 2 2 1 0 32 0 9 0 5 2 3 71 1 1 4 p a m 8 3 2 3 21 9 6 9 1 8 4 03 0 7 8 5 1 2 6 1 3 0 2 原水含量( m g l ) 1 0 3 6 3 2 6 5 95 8 9 4 可以看出，在投加量3 9 的条件下，水泥对c o d 的去除仅次于硫酸铝，而明显高于 其他混凝剂，在处理硝基苯上水泥又低于其它混凝剂，对石油类的处理效果略微高于硫 酸铝，和其它混凝剂对石油类的去除效果基本一致，无明显优劣区别；硫酸铝在c o d 和石油类的去除率上比其余混凝剂较高；而p a m 对硝基苯类和石油类的去处效果也较 好；三氯化铁对c o d 和硝基苯的去处效果和硫酸铝及p a m 基本相当，但三氯化铁溶于 水时显黄色，影响处理后水样的色度；硫酸亚铁对石油类的去除效果最差。同时可以看 出，各混凝药剂对石油类的处理效果均较低，最高的硫酸铝去除率仅为1 5 ，混凝沉淀 对石油类的去除效果不佳。 通过表3 2 和表3 3 的对比发现，3 9 时各混凝剂的处理效果反而不如投加0 0 2 9 时 的处理效果，这是由于加入了过量的混凝剂，造成胶体吸附电解质，表面电荷重新分布 造成的，凝聚效果在一定程度上反而下降，使得沉淀效果变差。 可见，水泥作为混凝药剂对隧道施工废水也有一定的去除效果，可以进一步研究单 一的水泥和混凝剂与混合药剂的处理效果，选择更优的混合药剂和处理量。 3 4 单一水泥混凝剂实验研究 鉴于前期探索性阶