輕度重金屬污染土壤的建材資源化及其環境影響

唐文欣，趙榮萱，陳云嫩

（江西理工大學江西省礦冶環境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000）

土壤在人類的生存和發展中都起著重要的作用，是人類賴以生存的重要自然資源。隨著經濟社會的發展，土壤重金屬污染問題日益凸顯。資料顯示，我國耕地受到中、重度污染的面積已超過33 300 km。富集因子（EF）法是評價環境污染的有效工具，EF是評價土壤中重金屬富集程度的參數。當EF為1～2時，土壤為輕度污染；當EF為2～5時，土壤為中度污染；當EF≥5時，土壤為重度污染?！度珖寥牢廴緺顩r調查公報》（2014年）顯示，土壤污染超標率為16.1%，其中，重度污染、中度污染、輕度污染和輕微污染的比例分別為1.1%、1.5%、2.3%和11.2%。人類活動（采礦、冶金、污水灌溉、畜禽養殖）是造成并加劇土壤重金屬污染的最主要原因。重金屬的隱蔽性、長期性和不可逆性等特點使其在土壤中難以消除，過量沉積重金屬的土壤具有肥力低、農產品重金屬含量超標等表現，通過食物鏈的傳遞作用，進一步危害人體健康。由于土壤污染問題的復雜性，國家對污染土壤修復進行了嚴格的把控。

1 國內外重金屬污染土壤修復手段及資源化途徑

縱觀國內外的重金屬污染土壤修復方法，其主要分為去除化和穩定化兩種形式。去除化是指將重金屬從土壤中脫離出來，以降低土壤中重金屬濃度；穩定化則是通過改變土壤中重金屬的存在形態，降低土壤中有效重金屬含量。固化穩定化、土壤淋洗、植物修復、熱脫附、電動修復等都是主流的重金屬污染土壤修復技術。不同程度的重金屬污染土壤會利用不同的方法進行修復?？屯练?、深耕翻土法等針對整體污染程度輕微且淺層重金屬含量高于深層的受污土壤；修復污染程度較高的局部土壤則常利用土壤淋洗等方法。由于各種修復方法的局限性，可以結合實際的土壤修復需求與受污情況，采用聯合修復技術，突破局限，實現優勢互補。

目前已有研究嘗試使用處理后的輕度重金屬污染土壤制作建材或將其應用于林地，并獲得了成功。輕度重金屬污染土壤修復后，常用的資源化利用途徑有水泥窯協同處置、回轉窯協同生產生態水泥、制作磚材、制作陶粒，其還可用作路基填料、綠化土壤等。但國內部分企業過度重視原有污染場地的凈化，而不重視遷移后的土壤是否會造成二次污染。

近年來，黏土制磚的明令禁止給輕度重金屬污染土壤的資源化利用提供了新思路。將輕度重金屬污染土壤作為原料制作磚材，不僅可有效地處置和利用輕度重金屬污染土壤，還可減少黏土的使用，更好地實現無廢城市建設所倡導的減污降耗目標。

2 材料與方法

贛州某錫業企業利用錫礦石作為原料，冶煉加工有色金屬礦產品（除混合氧化稀土、金、銀、鹽及放射性礦產品），制成精錫錠、焊錫粉，并進行單一稀土氧化物和稀土共沉氧化物及其衍生物的生產。贛州某冶金化工企業利用無機鹽制成系列產品，如工業用氯化鈷、硫酸鈷、草酸鈷，并利用金屬制作金屬材料、生鐵和爐料。兩家企業的土壤均受到不同程度的重金屬污染，其污染因子主要為砷（As）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、鎘（Cd）等。將輕度重金屬污染土壤與中、重度重金屬污染土壤分開后，運至與兩企業相鄰的贛州某新型墻材企業作為原料，進行資源化利用。

2.1 制磚原料及組成

制磚原料主要由輕度重金屬污染土壤和頁巖土組成，其重金屬含量如表1所示。原料所含礦物類別和化學組成對燒結磚的性能及壽命有極大的影響。研究表明，蒙脫石含量過高的燒結磚將會產生較多裂紋；石灰石含量較高的產品易出現爆裂；硫化鎂等含硫物含量過高則會造成制品泛白霜等。因此，使用原料前應確保原料組分含量合適。經試驗，最終確定將輕度重金屬污染土壤與頁巖土（或煤矸石、基坑土）以3∶7的質量比混合制得磚坯后，燒制燒結頁巖多孔磚產品。

表1 輕度重金屬污染土壤中重金屬含量

2.2 制磚工藝流程及產污節點

燒制多孔磚過程中排出的廢氣暫時使用企業原有環保設施進行處理。為了減小制造建材產品產生的二次污染，該新型墻材企業正在升級廢氣處理裝備，采用鈉堿法脫硫除塵除重金屬工藝。具體工藝流程及產污節點如圖1所示，預處理房+噴淋塔+管束除塵器進行尾氣脫硫除塵、重金屬處理，使SO、煙塵、重金屬廢氣達標排放。經廢氣處理設備升級改造設計單位預測，焙燒過程中產生的含重金屬廢氣經煙氣脫硫除塵除重金屬設施處理后（處理效率為90%），通過30 m高排氣筒排放。

圖1 輕度重金屬污染土壤制磚工藝流程及產污節點

輕度重金屬污染土壤制磚過程中，重金屬、廢氣的排放濃度及排放速率均滿足《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297—1996）、《磚瓦工業大氣污染物排放標準》（GB 29620—2013）的相關要求；處理廢氣時噴淋循環水，不外排。

2.3 建材產品的浸出毒性

根據資質單位出具的檢測報告，樣品按照《燒結多孔磚和多孔砌塊》（GB 13544—2011）、《絕熱 穩態傳熱性質的測定 標定和防護熱箱法》（GB/T 13475—2008）、《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566—2010）來檢測都滿足建材產品的要求。同時，該建材產品滿足《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）的標準限值等環保要求，如表2所示。

表2 建材產品的浸出毒性

2.4 重金屬元素平衡分析

為了明確輕度重金屬污染土壤在建材資源化過程中的重金屬去向，對其中重金屬進行元素平衡分析，結果如表3所示。投入量和產出量均是指重金屬元素，投入物料為重金屬污染土壤，產出有成品磚（100 kg）、噴淋后的廢氣、噴淋廢水，分別編號為1、2、3。除塵脫硫后廢水采用石灰乳將重金屬固化沉淀，沉淀后的廢渣交由有危廢處置資質的專業企業處理。

表3 元素平衡分析結果

2.5 重金屬元素固化原理剖析

燒結就是指粉末或粉末壓坯在適當溫度（低于其主要成分熔點）、氣氛下受熱，借助原子遷移實現顆粒連接，從而獲得具有一定組織和性能的材料或制品。重金屬污染土壤經高溫焙燒后，有機質揮發，其含有的重金屬將轉變為化學性質不活潑的形態，經過物理吸附于顆粒表面、與其他離子通過配位作用形成沉淀或絡合物、被新形成的晶體或聚合物包裹等過程，減小重金屬在環境中遷移和轉換的能力，同時阻擋重金屬元素與周圍環境的接觸和交換，將重金屬元素固化于結構中，從而降低重金屬毒害。

3 結論

燒結頁巖多孔磚產品等的制備對污染土壤中重金屬的資源化效果十分可觀。對于制磚過程產生的廢氣、廢渣等，企業不斷改進處理裝置，避免生產資源時產生二次污染，環境污染小。利用輕度重金屬污染土壤作為原料制磚，其成功實踐可以推進我國重金屬污染土壤再利用研究，具有重要的社會效益。如今，我國環境治理的“三大戰役”（水、大氣和土壤污染防治）全面啟動，而土壤修復治理難度大，成本也高，將修復過的土壤進行資源化利用，可以減少修復成本，同時符合要求的資源化產品能夠產生極大的經濟效益。