王惠騰,駱輝,掌文浩,蔡冰鑫,楊明宇,秦騰,楊菁,荊肇乾,何寶杰
(1.江蘇海洋大學(xué) 土木與港海工程學(xué)院,江蘇 連云港 222005;2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 210037;3.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院,重慶 400044)
據(jù)統(tǒng)計,在2012~2020年,我國建筑垃圾的排放量在不斷增加,約占城市垃圾總量的30%~40%[1],預(yù)計到2022年,建筑垃圾年產(chǎn)量將達(dá)35億t[2],而截止到2020年,建筑垃圾資源化利用率低于10%[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計,建筑垃圾超過垃圾總量的8成[4],而目前建筑垃圾處理過于簡單化,而且清運(yùn)和堆放過程中引起的粉塵對周圍環(huán)境造成一定的污染[5],加重了環(huán)境治理的難度[6-7]。
法國Roussat等[8]分析制定了可持續(xù)發(fā)展的建筑垃圾管理策略,Sun等[9]通過浸出實(shí)驗(yàn),在混凝土和水泥混合物中檢測到重金屬As、Cr、Hg、Zn,并指出建筑垃圾中重金屬的污染特征很大程度取決于建筑垃圾的來源,王羅春等[10]研究了在不同降雨條件下建筑垃圾填埋的環(huán)境風(fēng)險,表明建筑垃圾中的重金屬風(fēng)險不容忽視。因此建筑垃圾處理處置過程中重金屬污染研究迫在眉睫[11]。
本文將重點(diǎn)針對拆除中產(chǎn)生的建筑垃圾,梳理我國部分地區(qū)建筑垃圾中的重金屬濃度含量,總結(jié)影響建筑垃圾重金屬濃度主要因素,闡述了建筑垃圾在實(shí)際工程中應(yīng)用,并對部分地區(qū)的建筑垃圾重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險評價,皆在為建筑垃圾在實(shí)際工程應(yīng)用中可能存在環(huán)境污染風(fēng)險研究提供參考。
不同地區(qū)的建筑垃圾重金屬含量有所不同,趙曉紅等[12]測量西安市建筑垃圾中重金屬含量,研究發(fā)現(xiàn)建筑垃圾(磚塊)中Zn、Pb的含量變動較大,Zn、Pb的含量范圍分別為73~183,15~244 mg/kg,而Cr、Cu、Ni的含量分別為72~131,25~39,41~47 mg/kg,這3種重金屬含量穩(wěn)定;Cd的含量基本都在1 mg/kg以下。崔粲等[13]對商丘市某資源化廠建筑垃圾中重金屬進(jìn)行研究,研究發(fā)現(xiàn)Cr,Ni,Cu,Zn,Pb含量的平均值分別為28.62,21.26,11.69,49.43,16.61 mg/kg,以下整理了我國典型地區(qū)建筑垃圾重金屬含量,見表1。

表1 我國典型地區(qū)建筑垃圾中重金屬離子總含量(mg/kg)Table 1 Total content of heavy metal ions in construction waste in typical areas of China
影響建筑垃圾中重金屬污染釋放特征的因素較多,主要包括再生料的粒徑大小,浸提劑的液固比和pH值,以及實(shí)驗(yàn)時的溫度[14]。
1.2.1 pH值對建筑垃圾重金屬浸出性影響 一般,酸雨強(qiáng)度的劃分主要是基于酸雨的定義(一般降雨pH<5.6稱為酸雨,pH<4.5 稱為重酸雨)和大多數(shù)模擬實(shí)驗(yàn)酸雨pH的取值范圍[15]。建筑垃圾中的重金屬在酸雨的作用下會被溶出,會給生態(tài)環(huán)境帶來危害,間接或直接影響到人們的身體健康[16]。為了有效研究建筑垃圾用于“海綿體”建設(shè)等實(shí)際工程應(yīng)用是否會對土壤形成一定危害,研究時會選擇不同pH值的浸出液。
李瑞琴等[17]采用浸出擴(kuò)散實(shí)驗(yàn),研究西安居民小區(qū)拆遷產(chǎn)生的建筑垃圾中典型重金屬污染物浸出擴(kuò)散行為。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)擴(kuò)散浸提溶液pH=3時,Cr擴(kuò)散釋放濃度為0.012 mg/L,當(dāng)擴(kuò)散浸提溶液pH=5,7時,Cr擴(kuò)散濃度快速下降。杜鑫[18]采用水槽實(shí)驗(yàn)法研究某地廢棄混凝土中重金屬浸出性,當(dāng)鹽酸溶液pH=1時,Cr浸出量為0.03 mg/L、Cu的浸出量為0.065 mg/L、Pb浸出量為1.7 mg/L、Cd浸出量為0.06 mg/L,Ni浸出量低于檢限值(0.001 mg/L)、Zn最大浸出量0.37 mg/L,當(dāng)鹽酸溶液pH=3時,Cr浸出量低于檢限值(0.005 mg/L)、Cu的浸出量為0.027 mg/L、Pb的浸出量0.004 mg/L、Cd浸出量為0.01 mg/L,Ni浸出量低于檢限值(0.001 mg/L)、Zn浸出量低于檢限值(0.001)mg/L。李麗華等[19]對實(shí)際工地產(chǎn)生建筑垃圾中重金屬進(jìn)行柱浸出實(shí)驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)Cd、Ni和Pb隨著pH值的升高,它們的平衡濃度降低;Cr的浸出濃度隨著pH值的增高而上升;Cu和Zn的浸出濃度隨著pH值的增大先是降低然后上升,呈開口向上拋物線。Galvin等[20]研究表明再生料中重金屬的釋放量和pH值呈負(fù)相關(guān),并且對環(huán)境的影響很小。
可以發(fā)現(xiàn),建筑垃圾中大部分重金屬浸出量與pH值呈正相關(guān),一些重金屬離子浸出性在酸性較強(qiáng)的情況下將會增大[21]。
1.2.2 液固比對含有重金屬的建筑垃圾浸出影響 浸提劑的體積對組分的浸出是有作用的,關(guān)系到浸出組分總量,影響浸出液中的最終濃度。這種關(guān)系通過液固比(US)來控制。李麗華等[19]通過柱浸出實(shí)驗(yàn),研究建筑垃圾不同液固比下重金屬浸出特性,研究發(fā)現(xiàn)隨著液固比的變化,當(dāng)液固比增大時,Cr和Pb的含量也隨之增大,Cd和Zn的含量變化范圍不大,在混凝土骨料中濃度變化范圍分別為0.058~0.064,1.35~1.50 mg/kg;Cu和Ni的浸出率與液固比呈負(fù)相關(guān)。
Garrabrants等[22]研究表明液固比≤2時,再生水泥砂漿中重金屬的浸出濃度與液固比呈負(fù)相關(guān),并且下降較快。楊昱等[23]研究不同液固比條件下的重金屬釋放特征,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)液固比在較低范圍內(nèi)時,此時提高液固比,重金屬的浸出濃度下降較慢,Cr的浸出濃度較大,基本保持在2 500 μg/L左右,而As較小為5~6 μg/L。譚中欣等[24]的研究結(jié)果表明,隨著液固比增加(10∶1升至20∶1),大部分重金屬浸出率提高,其中Cd浸出率提升最多,由23%增至36%。
1.2.3 粒徑大小以及溫度對含有重金屬的建筑垃圾浸出影響 崔素萍等[25]通過模擬德國水槽實(shí)驗(yàn)法,分析了不同粒徑對重金屬離子浸出性的影響,見表2。結(jié)果表明,當(dāng)粒徑小于0.15 mm時,重金屬的浸出性無明顯變化,當(dāng)粒徑大于1 mm時,重金屬的浸出性減少,其中Zn的浸出量最大。

表2 不同粒徑建筑垃圾中重金屬的浸出性(mg/kg)Table 2 Leaching ability of heavy metals in construction waste with different particle sizes
尚小娟等[26]采用淋洗法,研究了建筑垃圾再生料中重金屬在不同溫度與模擬酸雨條件下的淋溶特征,測定了5種重金屬(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb)在不同溫度和pH值條件下淋洗液的淋出率,研究表明,重金屬淋出率在pH值為4,溫度為30 ℃時最大,淋出率分別為51.95%,223.63%,30.37%,299.61%,0.79%。
崔粲等[13]采用富集因子法和浸出毒性實(shí)驗(yàn)來確定商丘市再生產(chǎn)品重金屬污染程度,再生產(chǎn)品中,Cr,Ni,Cu,Zn,As,Pb,Hg含量的平均值分別為43.34,29.58,17.01,63.65,4.59,25.74,0.059 mg/kg,其中,Ni和Pb的平均含量高于背景值;Cr,Cu,Zn,As和Hg的平均含量均低于背景值。再生產(chǎn)品中,所有元素富集程度均在顯著富集及以下,再重金屬Hg是主要污染因子,其次是Ni。再生產(chǎn)品原材料中重金屬存在顯著及以上富集程度的概率為5.19%,再生產(chǎn)品為3.17%,較前者有所下降,說明建筑垃圾作為再生產(chǎn)品資源化利用時有利于環(huán)境安全。
當(dāng)建筑垃圾在用于地下儲水池或者雨水花園底部填料時,其將長期淹沒于雨水中[27-30],一旦建筑垃圾內(nèi)部污染物進(jìn)入到外部水體,可能會導(dǎo)致儲存雨水污染加重。
李瑞琴等[17]研究西安建筑垃圾中重金屬污染擴(kuò)散行為,發(fā)現(xiàn)除了鐵路沿線所取樣本中Cu和Cr的擴(kuò)散釋放濃度(0.08,0.19 mg/L)高于初期雨水中重金屬的濃度以外,其他建筑垃圾中重金屬(Pb、Cd)的擴(kuò)散濃度都是滿足要求,不會對雨水造成污染。
傅妍榕等[31]研究發(fā)現(xiàn),對土壤重金屬含量的影響方面,建筑顆粒廢棄物、松樹皮顆粒、白色鵝卵石、陶粒均能夠作為覆蓋材料在城市建設(shè)中安全使用,其中效果最好的是建筑顆粒廢棄物,建筑垃圾顆粒相較于其他覆蓋材料有利于保持表層土壤溫濕度平衡且季節(jié)差異影響不大,還能節(jié)約綠化成本減少垃圾污染;施用建筑垃圾顆粒對土壤理化性質(zhì)整體影響不大,不會產(chǎn)生重金屬污染,并且基于人工模擬上海地區(qū)降雨特征,運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)分析不同結(jié)構(gòu)的雨水花園對降雨徑流水文特征的影響結(jié)果表明建筑垃圾顆粒相較于沸石填料有利于極端暴雨天氣時加速城市下墊面排水速率,增加雨水花園蓄水率,降低徑流重金屬含量;將建筑垃圾顆粒應(yīng)用于雨水花園中不會使徑流富營養(yǎng)化或產(chǎn)生重金屬污染。
建筑垃圾是指建設(shè)單位或者施工單位在改建、擴(kuò)建以及拆除各類城市公用與民用建筑物等以及在房屋裝飾裝修過程中所產(chǎn)生的各種廢棄材料和其它多種廢棄物[32],如果能合理利用于道路工程的建設(shè),不僅節(jié)省資金[33],也可以緩解建筑垃圾亂堆亂放帶來環(huán)境問題的現(xiàn)狀。
陳宇云等[34]對西安建筑垃圾中的重金屬進(jìn)行污染風(fēng)險評估,研究發(fā)現(xiàn)建筑廢棄物(混合樣、磚樣)中部分重金屬(Cd、Zn)有超標(biāo)現(xiàn)象,超標(biāo)率在12.5%~14.3%,混凝土樣品無超標(biāo)現(xiàn)象,對比土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),超標(biāo)不多,用于公路路基建設(shè)環(huán)境風(fēng)險不大。趙曉紅等[12]分析西安建筑垃圾中重金屬含量進(jìn)行污染評價,發(fā)現(xiàn)盡管個別樣品Cd、As、Cr、Zn的全量超出標(biāo)準(zhǔn)、其中混凝土中As的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78 mg/kg,除混合樣中Cd小于土壤三級標(biāo)準(zhǔn)(1 mg/kg),其他樣品中的Cd均高于1 mg/kg,但實(shí)際使用中可能只有少量溶解態(tài)濾出,并不會對環(huán)境造成較大危害。
劉佳蓓等[35]為了探究建筑垃圾骨料作為滲透性路面底基層替代材料的適用性,對建筑垃圾中重金屬進(jìn)行污染評價,研究測得建筑垃圾中重金屬(Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、Ni)浸出濃度分別為0.062 5,0.774,0.021,0.017 5,1.396,0.075 mg/kg,都滿足土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
重金屬在土壤中具有潛在的、長期的、累積的及不可逆的特點(diǎn)[36],因此,在了解不同地區(qū)土壤重金屬含量的基礎(chǔ)上,必須對建筑垃圾中重金屬污染進(jìn)行評價分析[37]。
Hakanson[38]提出潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法(RI)用于評價重金屬對環(huán)境的潛在危害,能夠較好地評估土壤中重金屬的潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險[39]。
以商丘市建筑垃圾為研究對象,通過潛在生態(tài)指數(shù)法分析了7種重金屬Cr,Ni,Cu,Zn,As,Pb,Hg的污染特征,研究發(fā)現(xiàn)建筑垃圾中,7種重金屬元素潛在風(fēng)險指數(shù)平均值大小為Hg>Ni>Pb>As>Cu>Cr>Zn,單項潛在生態(tài)危險指數(shù)平均值分別為73.35,3.93,3.32,3.12,2.34,0.82,0.62,參照潛在生態(tài)危害指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn),見表3,Hg存在中度生態(tài)風(fēng)險,其他重金屬均為輕微生態(tài)風(fēng)險,研究區(qū)域所有樣品的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)平均值為84.99,屬于輕度生態(tài)危害水平。

表3 重金屬潛在生態(tài)危害指標(biāo)Table 3 Potential ecological hazards of heavy metals
以成都市建筑垃圾中重金屬為研究對象,通過潛在生態(tài)指數(shù)法分析Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6種重金屬元素潛在風(fēng)險指數(shù)大小為Cd>Cu>Pb>Ni>Zn>Cr,單項潛在生態(tài)危險指數(shù)分別為90.91,6.67,4.58,2.64,1.17,1.06,Cd存在較強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險,其他重金屬均為輕微生態(tài)風(fēng)險,研究區(qū)域樣品的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)值為107.03,屬于輕度生態(tài)危害水平[40]。
以北京市建筑垃圾中重金屬為研究對象,通過潛在生態(tài)指數(shù)法分析Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6種重金屬元素潛在風(fēng)險指數(shù)大小為Cd>Cu>Pb>Cr>Ni>Zn,單項潛在生態(tài)危險指數(shù)分別為100.84,5.62,3.65,2.15,1.87,0.80,Cd存在較強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險,其他重金屬均為輕微生態(tài)風(fēng)險,研究區(qū)域樣品的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)值為114.93,屬于輕度生態(tài)危害水平。
計算并整理我國部分地區(qū)建筑垃圾重金屬潛在風(fēng)險指數(shù),見表4。

表4 我國部分地區(qū)重金屬潛在生態(tài)污染指數(shù)Table 4 Potential ecological pollution indices of heavy metals in some regions of China
地累積指數(shù)[41-42](Igeo)通常稱為Muller指數(shù),不僅考慮了自然地質(zhì)過程造成的背景值的影響,而且也充分注意了人為活動對重金屬污染的影響。
通過地累積指數(shù)法分析商丘市建筑垃圾中重金屬Cr,Ni,Cu,Zn,As,Pb,Hg的污染特征,7種重金屬元素地累積指數(shù)大小為Hg>Ni>Pb>Zn>Cu>Cr>As。Cr,Ni,Cu,Zn,As,Pb的地累積指數(shù)都在0~1之間,分別為0.27,0.52,0.31,0.41,0.21,0.44,參照地累積指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn),見表5,屬于輕度污染,Hg的地累積指數(shù)在1~2之間,其值為1.23,屬于中度污染,整體屬于輕度污染[43]。

表5 地累積指數(shù)與污染水平Table 5 Accumulation index and pollution level
通過地累積指數(shù)法分析成都市建筑垃圾中重金屬Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6種重金屬元素地累積指數(shù)大小為Cd>Cu>Zn>Pb>Cr>Ni。Cr,Cu,Ni,Pb,Zn地累積指數(shù)都在0~1之間,分別為0.35,0.89,0.35,0.61,0.78,屬于輕度污染,Cd的地累積指數(shù)在2~3之間,其值為2.02,屬于重度污染,整體屬于輕度污染。
通過地累積指數(shù)法分析北京市建筑垃圾中重金屬Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6種重金屬元素地累積指數(shù)大小為Cd>Cu>Cr>Pb>Zn>Ni。Cr,Cu,Ni,Pb,Zn地累積指數(shù)都在0~1之間,分別為0.72,0.75,0.25,0.49,0.53,屬于輕度污染,Cd的地累積指數(shù)在2~3之間,其值為2.24,屬于重度污染,整體屬于輕度污染。
計算并整理我國部分地區(qū)建筑垃圾重金屬地累積指數(shù),見表6。

表6 我國部分地區(qū)重金屬地累積污染指數(shù)Table 6 Cumulative pollution indices of heavy metals in some parts of China
為了全面評價建筑垃圾重金屬污染狀況,在單因子污染指數(shù)分析的基礎(chǔ)上引入內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法,同時突出了高濃度污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響[44-45]。
通過內(nèi)梅羅指數(shù)法分析商丘市建筑垃圾中重金屬Cr,Ni,Cu,Zn,As,Pb,Hg的污染特征,7種重金屬元素單因子污染指數(shù)大小為Hg>Ni>Pb>Zn>Cu>Cr>As。Cr,Cu,Zn,As,Pb的單項指數(shù)都在0~0.7之間,分別為0.66,0.61,0.46,0.41,0.31,參照內(nèi)梅羅指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn),見表7,說明重金屬Cr,Cu,Zn,As,Pb含量符合標(biāo)準(zhǔn),污染等級處于安全狀態(tài),土壤較為清潔,Ni的單項指數(shù)在0.7~1之間,其值為0.78,處于尚清潔狀態(tài),接近安全警戒線值,Hg的單項指數(shù)在1~2之間,其值為1.84,污染水平屬于輕度污染,內(nèi)梅羅綜合指數(shù)為1.40,在1~2之間,整體屬于輕度生態(tài)危害水平[46]。

表7 土壤污染分級標(biāo)準(zhǔn)Table 7 Classification standards of soil pollution
通過內(nèi)梅羅指數(shù)法分析成都市建筑垃圾中重金屬Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6種重金屬元素單因子污染指數(shù)大小為Cd>Cu>Zn>Pb>Cr>Ni。不同重金屬污染程度存在明顯的差異,Cr,Ni的單項指數(shù)都在0~0.7之間,分別為0.528,0.527,參照內(nèi)羅梅指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn),見表8,說明重金屬Cr,Cu,Zn,As,Pb含量符合標(biāo)準(zhǔn),污染等級處于安全狀態(tài),土壤較為清潔,Pb的單項指數(shù)在0.7~1之間,其值為0.92,處于尚清潔狀態(tài),接近安全警戒線值,Cu、Zn的單項指數(shù)在1~2之間,值分別為1.33,1.17,污染水平屬于輕度污染,Cd的單項指數(shù)大于3,其值為3.03,屬于重污染,內(nèi)梅羅綜合指數(shù)為2.32,在2~3之間,屬于中度生態(tài)危害水平。

表8 我國部分地區(qū)重金屬內(nèi)梅羅綜合指數(shù)Table 8 Nemerow composite index of heavy metals in some regions of China
通過內(nèi)梅羅指數(shù)法分析北京市建筑垃圾中重金屬Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6種重金屬元素單因子污染指數(shù)大小為Cd>Cu>Cr>Zn>Pb>Ni。Ni的單項指數(shù)在0~0.7之間,其值為0.37,參照內(nèi)羅梅指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn),見表8,說明重金屬Ni含量符合標(biāo)準(zhǔn),污染等級處于安全狀態(tài),土壤較為清潔,Zn、Pb的單項指數(shù)在0.7~1之間,分別為0.73,0.80,處于尚清潔狀態(tài),接近安全警戒線值,Cr、Cu的單項指數(shù)在1~2之間,分別為1.07,1.12,Cd的單項指數(shù)大于3,其值為3.36,屬于重污染,內(nèi)梅羅綜合指數(shù)為2.23,在2~3之間,屬于中度生態(tài)危害水平。
計算并整理我國部分地區(qū)建筑垃圾重金屬單項指數(shù)以及內(nèi)梅羅綜合指數(shù),見表8。
(1)建筑垃圾中重金屬離子的浸出受浸出液pH值的影響較大,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在酸性較強(qiáng)的情況下,大部分重金屬離子浸出性會增大;另有研究證明有些重金屬離子浸出濃度與pH值的增高呈正相關(guān)(如Cr),也有些重金屬離子具有兩性浸出,在極端的酸性和堿性pH值時濃度升高(如Cu和Zn)。實(shí)驗(yàn)過程中原材料的粒徑大小、液固比、溫度都會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,故關(guān)于pH值對建筑垃圾重金屬的影響還有待繼續(xù)研究。
(2)建筑垃圾作為再生產(chǎn)品資源化利用時生態(tài)風(fēng)險水平低,重金屬釋放量低于土壤環(huán)境值標(biāo)準(zhǔn),不會對土壤產(chǎn)生危害;建筑垃圾再生骨料在“海綿城市”建設(shè)中,其重金屬含量滿足對材料環(huán)境指標(biāo)要求,不會產(chǎn)生重金屬污染,并且建筑垃圾顆粒相較于其他覆蓋材料有利于保持表層土壤溫濕度平衡;在路基填筑方面,建筑垃圾再生骨料有著良好的應(yīng)用,但針對可能存在的污染物遷移,現(xiàn)有工程中很少有采取防范措施。
(3)通過地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法,綜合分析評價部分城市建筑垃圾重金屬污染狀況,發(fā)現(xiàn)除部分重金屬(Cd、Hg、Pb)在個別地區(qū)存在生態(tài)風(fēng)險,其他重金屬含量都屬于輕度污染。建筑垃圾重金屬環(huán)境污染風(fēng)險在不同地區(qū)有所不同,但整體都滿足要求。關(guān)于建筑垃圾重金屬生態(tài)風(fēng)險評價的研究較少,應(yīng)加大相關(guān)研究,為建筑垃圾資源化利用提供更好的依據(jù)。