建筑垃圾重金屬浸出特性及環境污染風險研究進展

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 土木與港海工程學院,江蘇 連云港 222005;2.南京林業大學 土木工程學院,江蘇 南京 210037;3.重慶大學 建筑城規學院,重慶 400044)

據統計,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],預計到2022年,建筑垃圾年產量將達35億t[2],而截止到2020年,建筑垃圾資源化利用率低于10%[3]。據不完全統計,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,而且清運和堆放過程中引起的粉塵對周圍環境造成一定的污染[5],加重了環境治理的難度[6-7]。

法國Roussat等[8]分析制定了可持續發展的建筑垃圾管理策略,Sun等[9]通過浸出實驗,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境風險,表明建筑垃圾中的重金屬風險不容忽視。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]。

本文將重點針對拆除中產生的建筑垃圾,梳理我國部分地區建筑垃圾中的重金屬濃度含量,總結影響建筑垃圾重金屬濃度主要因素,闡述了建筑垃圾在實際工程中應用,并對部分地區的建筑垃圾重金屬進行生態風險評價,皆在為建筑垃圾在實際工程應用中可能存在環境污染風險研究提供參考。

1 建筑垃圾固體廢棄物

1.1 重金屬含量

不同地區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,研究發現建筑垃圾(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行研究,研究發現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建筑垃圾重金屬含量,見表1。

表1 我國典型地區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

1.2 建筑垃圾再生骨料浸出特性

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,以及實驗時的溫度[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)和大多數模擬實驗酸雨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,會給生態環境帶來危害,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”建設等實際工程應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]采用浸出擴散實驗,研究西安居民小區拆遷產生的建筑垃圾中典型重金屬污染物浸出擴散行為。研究發現當擴散浸提溶液pH=3時,Cr擴散釋放濃度為0.012 mg/L,當擴散浸提溶液pH=5,7時,Cr擴散濃度快速下降。杜鑫[18]采用水槽實驗法研究某地廢棄混凝土中重金屬浸出性,當鹽酸溶液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]對實際工地產生建筑垃圾中重金屬進行柱浸出實驗,研究發現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值呈負相關,并且對環境的影響很小。

可以發現,建筑垃圾中大部分重金屬浸出量與pH值呈正相關,一些重金屬離子浸出性在酸性較強的情況下將會增大[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,關系到浸出組分總量,影響浸出液中的最終濃度。這種關系通過液固比(US)來控制。李麗華等[19]通過柱浸出實驗,研究建筑垃圾不同液固比下重金屬浸出特性,研究發現隨著液固比的變化,當液固比增大時,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相關。

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相關,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,研究發現當液固比在較低范圍內時,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驗法,分析了不同粒徑對重金屬離子浸出性的影響,見表2。結果表明,當粒徑小于0.15 mm時,重金屬的浸出性無明顯變化,當粒徑大于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%。

2 建筑垃圾資源化利用環境安全性研究

2.1 建筑垃圾用于再生產品

崔粲等[13]采用富集因子法和浸出毒性實驗來確定商丘市再生產品重金屬污染程度,再生產品中,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%,再生產品為3.17%,較前者有所下降,說明建筑垃圾作為再生產品資源化利用時有利于環境安全。

2.2 建筑垃圾用于海綿體建設

當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],一旦建筑垃圾內部污染物進入到外部水體,可能會導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散行為,發現除了鐵路沿線所取樣本中Cu和Cr的擴散釋放濃度(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]研究發現,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差異影響不大,還能節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整體影響不大,不會產生重金屬污染,并且基于人工模擬上海地區降雨特征,運用正交實驗分析不同結構的雨水花園對降雨徑流水文特征的影響結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;將建筑垃圾顆粒應用于雨水花園中不會使徑流富營養化或產生重金屬污染。

2.3 建筑垃圾用于公路建設

建筑垃圾是指建設單位或者施工單位在改建、擴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,不僅節省資金[33],也可以緩解建筑垃圾亂堆亂放帶來環境問題的現狀。

陳宇云等[34]對西安建筑垃圾中的重金屬進行污染風險評估,研究發現建筑廢棄物(混合樣、磚樣)中部分重金屬(Cd、Zn)有超標現象,超標率在12.5%～14.3%,混凝土樣品無超標現象,對比土壤環境質量標準,超標不多,用于公路路基建設環境風險不大。趙曉紅等[12]分析西安建筑垃圾中重金屬含量進行污染評價,發現盡管個別樣品Cd、As、Cr、Zn的全量超出標準、其中混凝土中As的平均質量分數為78 mg/kg,除混合樣中Cd小于土壤三級標準(1 mg/kg),其他樣品中的Cd均高于1 mg/kg,但實際使用中可能只有少量溶解態濾出,并不會對環境造成較大危害。

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,都滿足土壤環境質量標準。

3 建筑垃圾浸出重金屬潛在風險評價

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[36],因此,在了解不同地區土壤重金屬含量的基礎上,必須對建筑垃圾中重金屬污染進行評價分析[37]。

3.1 潛在生態指數法

Hakanson[38]提出潛在生態風險指數法(RI)用于評價重金屬對環境的潛在危害,能夠較好地評估土壤中重金屬的潛在生態環境風險[39]。

以商丘市建筑垃圾為研究對象,通過潛在生態指數法分析了7種重金屬Cr,Ni,Cu,Zn,As,Pb,Hg的污染特征,研究發現建筑垃圾中,7種重金屬元素潛在風險指數平均值大小為Hg>Ni>Pb>As>Cu>Cr>Zn,單項潛在生態危險指數平均值分別為73.35,3.93,3.32,3.12,2.34,0.82,0.62,參照潛在生態危害指數評價標準,見表3,Hg存在中度生態風險,其他重金屬均為輕微生態風險,研究區域所有樣品的綜合潛在生態風險指數(RI)平均值為84.99,屬于輕度生態危害水平。

表3 重金屬潛在生態危害指標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,通過潛在生態指數法分析Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6種重金屬元素潛在風險指數大小為Cd>Cu>Pb>Ni>Zn>Cr,單項潛在生態危險指數分別為90.91,6.67,4.58,2.64,1.17,1.06,Cd存在較強生態風險,其他重金屬均為輕微生態風險,研究區域樣品的綜合潛在生態風險指數(RI)值為107.03,屬于輕度生態危害水平[40]。

以北京市建筑垃圾中重金屬為研究對象,通過潛在生態指數法分析Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6種重金屬元素潛在風險指數大小為Cd>Cu>Pb>Cr>Ni>Zn,單項潛在生態危險指數分別為100.84,5.62,3.65,2.15,1.87,0.80,Cd存在較強生態風險,其他重金屬均為輕微生態風險,研究區域樣品的綜合潛在生態風險指數(RI)值為114.93,屬于輕度生態危害水平。

計算并整理我國部分地區建筑垃圾重金屬潛在風險指數,見表4。

表4 我國部分地區重金屬潛在生態污染指數Table 4 Potential ecological pollution indices of heavy metals in some regions of China

3.2 地累積指數法

地累積指數[41-42](Igeo)通常稱為Muller指數,不僅考慮了自然地質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大小為Hg>Ni>Pb>Zn>Cu>Cr>As。Cr,Ni,Cu,Zn,As,Pb的地累積指數都在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評價標準,見表5,屬于輕度污染,Hg的地累積指數在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 地累積指數與污染水平Table 5 Accumulation index and pollution level

通過地累積指數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大小為Cd>Cu>Zn>Pb>Cr>Ni。Cr,Cu,Ni,Pb,Zn地累積指數都在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大小為Cd>Cu>Cr>Pb>Zn>Ni。Cr,Cu,Ni,Pb,Zn地累積指數都在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建筑垃圾重金屬地累積指數,見表6。

表6 我國部分地區重金屬地累積污染指數Table 6 Cumulative pollution indices of heavy metals in some parts of China

3.3 內梅羅指數法

為了全面評價建筑垃圾重金屬污染狀況,在單因子污染指數分析的基礎上引入內梅羅綜合污染指數法,同時突出了高濃度污染物對土壤環境質量的影響[44-45]。

通過內梅羅指數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大小為Hg>Ni>Pb>Zn>Cu>Cr>As。Cr,Cu,Zn,As,Pb的單項指數都在0～0.7之間,分別為0.66,0.61,0.46,0.41,0.31,參照內梅羅指數評價標準,見表7,說明重金屬Cr,Cu,Zn,As,Pb含量符合標準,污染等級處于安全狀態,土壤較為清潔,Ni的單項指數在0.7～1之間,其值為0.78,處于尚清潔狀態,接近安全警戒線值,Hg的單項指數在1～2之間,其值為1.84,污染水平屬于輕度污染,內梅羅綜合指數為1.40,在1～2之間,整體屬于輕度生態危害水平[46]。

表7 土壤污染分級標準Table 7 Classification standards of soil pollution

通過內梅羅指數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的單項指數都在0～0.7之間,分別為0.528,0.527,參照內羅梅指數評價標準,見表8,說明重金屬Cr,Cu,Zn,As,Pb含量符合標準,污染等級處于安全狀態,土壤較為清潔,Pb的單項指數在0.7～1之間,其值為0.92,處于尚清潔狀態,接近安全警戒線值,Cu、Zn的單項指數在1～2之間,值分別為1.33,1.17,污染水平屬于輕度污染,Cd的單項指數大于3,其值為3.03,屬于重污染,內梅羅綜合指數為2.32,在2～3之間,屬于中度生態危害水平。

表8 我國部分地區重金屬內梅羅綜合指數Table 8 Nemerow composite index of heavy metals in some regions of China

通過內梅羅指數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大小為Cd>Cu>Cr>Zn>Pb>Ni。Ni的單項指數在0～0.7之間,其值為0.37,參照內羅梅指數評價標準,見表8,說明重金屬Ni含量符合標準,污染等級處于安全狀態,土壤較為清潔,Zn、Pb的單項指數在0.7～1之間,分別為0.73,0.80,處于尚清潔狀態,接近安全警戒線值,Cr、Cu的單項指數在1～2之間,分別為1.07,1.12,Cd的單項指數大于3,其值為3.36,屬于重污染,內梅羅綜合指數為2.23,在2～3之間,屬于中度生態危害水平。

計算并整理我國部分地區建筑垃圾重金屬單項指數以及內梅羅綜合指數,見表8。

4 總結和展望

(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,實驗結果表明在酸性較強的情況下,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(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)。實驗過程中原材料的粒徑大小、液固比、溫度都會影響實驗結果,故關于pH值對建筑垃圾重金屬的影響還有待繼續研究。

(2)建筑垃圾作為再生產品資源化利用時生態風險水平低,重金屬釋放量低于土壤環境值標準,不會對土壤產生危害;建筑垃圾再生骨料在“海綿城市”建設中,其重金屬含量滿足對材料環境指標要求,不會產生重金屬污染,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用,但針對可能存在的污染物遷移,現有工程中很少有采取防范措施。

(3)通過地累積指數法、潛在生態風險指數法,綜合分析評價部分城市建筑垃圾重金屬污染狀況,發現除部分重金屬(Cd、Hg、Pb)在個別地區存在生態風險,其他重金屬含量都屬于輕度污染。建筑垃圾重金屬環境污染風險在不同地區有所不同,但整體都滿足要求。關于建筑垃圾重金屬生態風險評價的研究較少,應加大相關研究,為建筑垃圾資源化利用提供更好的依據。