鋼渣及其瀝青混凝土中重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

宋貴才,胡 銳,謝 君,牛昌昌,候 偉,劉華琦

(1.內(nèi)蒙古高等級(jí)公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司,呼和浩特010050；2.武漢理工大學(xué),武漢430070)

隨著中國(guó)公路建設(shè)的發(fā)展,天然原料已經(jīng)被大量的消耗,面臨著枯竭。根據(jù)國(guó)家十三五節(jié)能減排、廢物利用規(guī)劃,大量的固體廢棄物被作為原料應(yīng)用到了建筑行業(yè)中。鋼渣是煉鋼過程中的副產(chǎn)品,已經(jīng)被廣泛用于道路建設(shè)[1]。鋼渣堿性高,力學(xué)性能優(yōu)異和棱角豐富等特點(diǎn)使其可以替代混凝土中的集料[1,2]；鋼渣中存在的活性物質(zhì)(如C2S、C3S),可以生產(chǎn)鋼渣水泥[3,4]；此外還有鋼渣砂可替代天然河砂,制備建筑材料[5]。

但鋼渣中存在大量的重金屬元素(如Cu、Zn、Pb等),存在著潛在環(huán)境安全問題。鋼渣需要經(jīng)歷陳化堆積,以降低鋼渣中的游離氧化鈣(f-CaO)。在自然風(fēng)化作用和雨水浸泡作用下,鋼渣中的重金屬可能釋放到環(huán)境中,污染土壤和水資源,最終可能釋放到環(huán)境中威脅人類生存安全和生態(tài)平衡[6,7]。此外使用鋼渣作為原料所形成的瀝青路面,由于交通荷載,動(dòng)水損害等作用,路面中的重金屬可能也會(huì)釋放到環(huán)境中。

該文對(duì)不同粒徑鋼渣原料中重金屬的浸出能力進(jìn)行了評(píng)價(jià),以評(píng)估它在堆放時(shí)的污染風(fēng)險(xiǎn)。此外,還對(duì)鋼渣瀝青混凝土進(jìn)行了浸提,來評(píng)估其在道路應(yīng)用時(shí)的污染風(fēng)險(xiǎn)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

鋼渣:內(nèi)蒙古包鋼有限責(zé)任公司提供的轉(zhuǎn)爐鋼渣(簡(jiǎn)稱內(nèi)蒙鋼渣)。瀝青:湖北鄂州70號(hào)基質(zhì)瀝青。

1.2 方法

1.2.1 鋼渣瀝青混凝土的制備

實(shí)驗(yàn)利用鋼渣全組分替代天然集料制備鋼渣瀝青混合料。設(shè)計(jì)合理級(jí)配,確定最佳油石比為6.0%。在瀝青與鋼渣充分拌合后,取粒徑在9.5以下的松散的瀝青混合料,將其分散開來,降低至室溫,進(jìn)行浸出實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 全量試驗(yàn)

將樣品烘干后研磨并稱取0.2 g,0.075 mm 篩下樣品置于聚四氟乙烯消解罐中；滴加2～3滴去離子水潤(rùn)濕,再依次加入6 m L硝酸、6 m L氫氟酸和2 m L 鹽酸；在電熱板上加熱1～1.5 h左右；至罐內(nèi)溶液蒸發(fā)至近干,冷卻至室溫；加入1%的硝酸定容至50 m L,裝入4 m L試樣管后在5 ℃下保存待測(cè)；采用原子吸收光譜中的石墨爐單元素測(cè)試方法定量測(cè)量樣品中的重金屬濃度。

1.2.3 浸出實(shí)驗(yàn)

浸提液的制備:將5.7 m L醋酸加入去離子水中,定容至1 L,保持溶液p H 值在2.88±0.05范圍；將待測(cè)樣品烘干至恒重,稱取50 g樣品置于提取瓶中,加入1 L 的浸提劑,蓋緊瓶蓋后固定在翻轉(zhuǎn)式振蕩裝置上,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為(30±2)r/min,于(23±2)℃下震蕩(18±2)h；震蕩結(jié)束后將瓶?jī)?nèi)溶液過濾后裝入4 m L試樣管中,采用原子吸收光譜中的石墨爐單元素定量測(cè)試法進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 全量實(shí)驗(yàn)

表1顯示了內(nèi)蒙鋼渣和渣堆處土壤中各重金屬的總量。內(nèi)蒙鋼渣中含有較豐富的重金屬種類,其含量也較多。Pb和Cr6+的含量最多,其次是Zn,Cd和Cu,最后是As和Ni。由于長(zhǎng)期堆存鋼渣,鋼渣廠區(qū)內(nèi)的土壤中各種金屬的總量都超過了環(huán)境標(biāo)準(zhǔn),造成了嚴(yán)重的污染。其中Cd的污染最為嚴(yán)重,超過了土壤二級(jí)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)48倍,As、Cu、Pb、Cr6+、Zn和Ni是二級(jí)土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的1～3倍。說明鋼渣在堆放陳化時(shí),在經(jīng)過表面風(fēng)化和雨水淋濾下鋼渣中的重金屬會(huì)釋放到環(huán)境中。

表1 原料的重金屬總量 /(mg·kg-1)

2.2 浸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 不同鋼渣粒徑的重金屬浸出量

圖1表示不同鋼渣粒徑中重金屬釋放的浸出結(jié)果。鋼渣中重金屬的浸出量與粒徑呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即隨著鋼渣粒徑的增加,鋼渣中浸出的重金屬離子濃度減少。這可能是因?yàn)殡S著鋼渣粒徑的增加,鋼渣與浸提液的接觸面積減少,導(dǎo)致鋼渣中重金屬釋放量降低。此外,鋼渣浸出液中的重金屬都滿足Ⅴ類水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。這說明鋼渣中雖然含有大量的重金屬,但其浸出能力很低。這也說明鋼渣中重金屬的釋放是一個(gè)長(zhǎng)期的過程,會(huì)持續(xù)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。在浸出的元素中,Cu的浸出量是最大的,其次是As、Pb和Zn,最后是Cd、Cr6+和Ni。這可能與元素在鋼渣中的總含量和浸出能力有關(guān)。

2.2.2 鋼渣瀝青混合料的重金屬浸出量

表2顯示不同鋼渣試樣的浸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。數(shù)據(jù)表明了瀝青混凝土中的各重金屬浸出量較于鋼渣都有減少。表1 中說明了瀝青中基本不含重金屬元素,浸提液中的重金屬均來源于鋼渣。表2的結(jié)果說明瀝青膠粘劑包裹在鋼渣集料的表面對(duì)鋼渣有一定的固封作用,降低了鋼渣與提取液接觸的機(jī)會(huì),使得浸出的重金屬的含量降低了。此外瀝青對(duì)鋼渣中各重金屬的固封能力也不同。Cd和Ni浸出量降低最多,分別是75%和63%；其次是As(58%),Cr6+(50%)和Zn(59%)；最后是Cu(24%)和Pb(35%)。同時(shí)也說明了將鋼渣作為集料應(yīng)用到路面建設(shè)中是可以降低鋼渣的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的,也避免了因鋼渣堆積而帶來的更多的經(jīng)濟(jì)和資源浪費(fèi)問題。

表2 不同鋼渣試件的重金屬浸出量 /(mg·L-1)

3 結(jié) 論

內(nèi)蒙鋼渣含有大量不同種類的重金屬離子。在渣廠堆積陳化時(shí)受到風(fēng)化和雨水浸蝕作用,鋼渣中的重金屬會(huì)釋放到環(huán)境中對(duì)周圍的土壤和水資源造成影響。利用浸出實(shí)驗(yàn)對(duì)鋼渣的浸出能力進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果表明鋼渣中的重金屬的浸出能力都十分有限,且隨著粒徑的增大而減小。將鋼渣作為原料應(yīng)用到瀝青路面建設(shè)中,可以有效的緩解對(duì)天然集料的依賴,同時(shí)瀝青包裹在鋼渣表面會(huì)對(duì)重金屬有一定的固封作用,能夠有效的減少鋼渣中重金屬的釋放,降低對(duì)環(huán)境的污染。