建筑垃圾骨料浸出重金屬對環(huán)境影響研究

李麗華，劉佳蓓,2，肖衡林，裴堯堯，徐維生

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068； 2.中鐵十一局西安建設(shè)有限公司，西安 710000)

1 研究背景

由于大部分建筑垃圾材料被認(rèn)為是惰性的，因此，運(yùn)轉(zhuǎn)良好的建筑垃圾填埋場對人類健康和環(huán)境的危害可能要比城市生活垃圾填埋場的小[1]。因此，許多國家對建筑垃圾的處理設(shè)施的環(huán)保要求與允許填埋生活垃圾的填埋場要求的保護(hù)程度不同。但是，確實(shí)存在因建筑垃圾材料對環(huán)境造成污染的可能。建筑垃圾包含各種不同的成分，其中一些成分可能是危險(xiǎn)的(例如鉛基油漆、經(jīng)過處理的木材)[2]。目前已經(jīng)認(rèn)識到建筑垃圾材料可能造成的環(huán)境影響，污染物的浸出可能會影響土壤，甚至可能影響地下水，對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生毒性影響，并通過間接暴露對人類健康造成潛在影響，此外還可能破壞飲用水資源[3]。為了保護(hù)自然環(huán)境并最終保護(hù)人類健康，在某些國家/地區(qū)已經(jīng)確定了有關(guān)污染物的總含量和可浸出性的限值(例如德國、荷蘭、意大利)。在其他國家/地區(qū)(例如丹麥)，僅允許使用未受到污染的建筑垃圾，但未執(zhí)行任何法規(guī)限制或限值測試，所需的控制程度和所造成的環(huán)境影響仍然是爭論的話題[4]。部分原因是有關(guān)建筑垃圾填埋場產(chǎn)生的滲濾液的特性及其對地下水的影響的可用數(shù)據(jù)有限。

可從已規(guī)定限值的國家獲得建筑垃圾相關(guān)數(shù)據(jù)：例如德國、比利時(shí)和芬蘭。但是，大多數(shù)研究都集中在從試驗(yàn)室配制的水泥基材料中浸出重金屬[5-8]，很少有研究從建筑垃圾材料的實(shí)際樣本中提取的用于回收利用的浸出物。一些研究側(cè)重于建筑垃圾實(shí)際樣品的特征：Galvín等[9]分析了西班牙兩個(gè)回收處理設(shè)施的殘留物，Meza等[10-11]研究了美國一所大學(xué)建筑拆除所產(chǎn)生的碎混凝土和磚，王羅春等[12]研究了在不同降雨條件下把建筑垃圾進(jìn)行填埋對環(huán)境造成的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明建筑垃圾中重金屬帶來的風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。但是，在大多數(shù)情況下，研究人員所提供的信息是零散且不完整的。例如，僅分析了很少的樣品，污染物的覆蓋范圍有限。建筑垃圾材料是一種高度異質(zhì)的材料，有關(guān)在建筑工程中實(shí)際回收的建筑垃圾的材料特性和潛在浸出特性的信息非常有限，為評估建筑垃圾材料利用的環(huán)境后果提供了較差的基礎(chǔ)。

本研究將重點(diǎn)針對實(shí)際工地產(chǎn)出的建筑垃圾，測試分析試驗(yàn)樣品中的重金屬(Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、Ni)濃度含量及其污染水平，通過柱浸出試驗(yàn)分析研究建筑垃圾中重金屬的釋放特征及規(guī)律，改變建筑垃圾樣品的配比、液固比、pH值等因素，根據(jù)相關(guān)國內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對建筑垃圾再生骨料可否運(yùn)用于透水路面填料進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，為以后建筑垃圾用于國內(nèi)道路工程的環(huán)境影響提供數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗(yàn)方案

2.1 柱浸出試驗(yàn)

試驗(yàn)前先將大粒徑的建筑垃圾破碎并過4 mm的篩，取50 g材料作為浸出樣品。以稀釋后的醋酸溶液作為浸提劑，蠕動泵的速率設(shè)置為10 mL/h，見圖1。 10 mL/h可換算成166.67 μL/min，再對樣品進(jìn)行浸出。改變建筑垃圾混合料的配比，再生混凝土(RCA)和磚塊(CB)的質(zhì)量配比分別為10∶0(純混凝土)、8∶2、5∶5、2∶8、0∶10(純磚塊)，收集浸出的實(shí)時(shí)樣品和瓶中的混合樣品，實(shí)時(shí)樣品可以計(jì)算實(shí)時(shí)的浸出速率，混合樣品可以計(jì)算浸出率。浸出液通過浸出柱上端的收集口溢出并收集，見圖2。而后使用島津AA-6880原子吸收分光光度計(jì)分別對浸出液中重金屬(Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、Ni)的含量進(jìn)行測定。

圖1 浸出蠕動泵Fig.1 Peristaltic pump for leaching

圖2 柱浸出試驗(yàn)Fig.2 Column leaching test

2.2 不同液固比試驗(yàn)方案

通過前期的預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在液固比<3時(shí)重金屬不易析出，所以需要調(diào)整液固比≥3再進(jìn)行試驗(yàn)。取建筑垃圾混合樣品50 g，加入用醋酸調(diào)pH值為4的浸取液，分別隔15、25、50、75、100 h后(每個(gè)時(shí)間點(diǎn)設(shè)3個(gè)平行樣)，吸取建筑垃圾-水體系中的水，對應(yīng)的液固比分別為3∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，用島津AA-6880原子吸收分光光度計(jì)測定其中6種重金屬含量。

2.3 不同pH值試驗(yàn)方案

建筑垃圾用于公路建設(shè)時(shí)環(huán)境pH值范圍在4～10之間，一般情況下pH值越小，重金屬浸出量越高。所以試驗(yàn)調(diào)節(jié)浸取液在極端pH值的條件(pH值=4)下進(jìn)行，是為了更加明顯地觀察到污染物的釋放規(guī)律。取粉碎后過4 mm篩網(wǎng)的混合建筑垃圾，浸取液用醋酸調(diào)pH值為4，取液固比為10:1，隔50 h后(設(shè)3個(gè)平行樣)吸取浸出液，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，用島津AA-6880原子吸收分光光度計(jì)測定其中6種重金屬含量，用醋酸調(diào)整浸取液pH值分別為6、8、10，其余步驟與以上相同，進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 建筑垃圾不同液固比下重金屬的浸出特性

改變建筑垃圾混合料的配合比，如圖3所示。

由圖4可知，每種重金屬含量的釋放呈現(xiàn)不同的規(guī)律。其中隨著磚塊含量的增加，重金屬Cd、Cu、Ni和Zn含量減小，重金屬Cr和Pb含量增加。由X射線衍射儀器可以測試得到，混凝土中的Cr含量為0.052%，磚塊中的Cr含量為0.021%，但是隨著磚塊含量的增加，Cr的浸出濃度增加，說明磚塊的浸出效率高于混凝土。

圖4 不同液固比下建筑垃圾混合料中重金屬的釋放規(guī)律Fig.4 Regularities of heavy metal release in C & DW mixture under different liquid-solid ratios

改變建筑垃圾浸出液的液固比，每種重金屬含量的釋放也呈現(xiàn)不同的規(guī)律。Cd和Zn的含量隨著液固比的變化上下起伏不大，浸出濃度基本保持不變，可見Cd和Zn達(dá)到了溶解平衡，但是浸出總量仍在不斷增加。當(dāng)液固比為20時(shí)，純混凝土骨料中Cd和Zn的浸出量最大，Cd的浸出量約為0.055 mg，Zn的浸出量約為1.395 mg。Cr和Pb的浸出率隨著液固比的增加而增加，浸出量也在不斷增加，當(dāng)液固比為20時(shí)，純磚塊中Cr和Pb的浸出量最大，Cr的浸出量約為0.018 mg，Pb的浸出量約為0.030 mg。Cu和Ni的浸出率隨著液固比的增加而減小，經(jīng)計(jì)算得到，當(dāng)液固比為10時(shí)，純混凝土中Cu的浸出量達(dá)到最大，約為0.497 mg。當(dāng)液固比為20時(shí)，純混凝土中Ni的浸出量達(dá)到最大，約為0.071 mg。

Garrabrants等[13]研究了重金屬在水泥砂漿浸出液中的浸出特性，得出當(dāng)液固比≤2時(shí)，隨著液固比的增加，重金屬(Cd、As和Pb)的浸出濃度降低迅速，但當(dāng)液固比繼續(xù)增加，重金屬的浸出濃度就基本保持不變；Galvín等[9]對建筑垃圾在不同液固比條件下重金屬釋放特性的試驗(yàn)結(jié)果表明，重金屬的浸出量隨著液固比的增加而增加，當(dāng)液固比升高到某一值時(shí)，浸出量就基本保持不變。楊昱等[14]在研究混凝土材料在不同液固比下重金屬的釋放規(guī)律時(shí)得出結(jié)論，在液固比較小時(shí)，重金屬的浸出濃度隨著液固比的增加而下降的幅度很小，隨后當(dāng)液固比到一定程度后，浸出濃度基本保持不變。

本次試驗(yàn)是在酸性(pH值=4)條件下進(jìn)行的，代表了在極端pH值條件下用于道路工程的建筑垃圾浸出液中重金屬的最大釋放量，除了Cu的浸出量增加放緩以外，其余重金屬的釋放量仍在持續(xù)增大或者保持不變。該試驗(yàn)結(jié)果與其他研究人員的研究結(jié)果相似，說明在較小的液固比時(shí)，建筑垃圾浸出液中重金屬的釋放規(guī)律和某些惰性材料相似，如混凝土和水泥砂漿等。

3.2 不同pH值下重金屬的浸出特性

由圖5可知，建筑垃圾混合物在不同pH值時(shí)，每種重金屬的浸出濃度隨時(shí)間變化趨勢也會有所不同，Cd、Ni和Pb在不同pH值時(shí)的浸出濃度隨時(shí)間變化趨勢基本相似，Cd、Ni和Pb隨著pH值的升高，平衡濃度降低。其中純磚塊中Pb的平衡濃度最大，純混凝土中Cd和Ni的平衡濃度最大。就總體樣本而言，Pb的浸出濃度遠(yuǎn)低于Cd和Ni的浸出濃度，Cd、Ni和Pb的最大浸出濃度均在pH值=4時(shí)出現(xiàn)，由此可見，建筑垃圾各體系pH值越小，Cd、Ni和Pb浸出濃度均越大。有研究認(rèn)為在酸性條件下，浸取液的酸度會破壞建筑垃圾內(nèi)部的化學(xué)結(jié)構(gòu)，會浸出本來固定于水化產(chǎn)物中的某些有害化學(xué)物，因而重金屬離子的浸出受pH值的影響很大，從理論上來看在酸性較強(qiáng)的情況下，某些重金屬離子浸出性將會增大。

圖5 不同pH值下建筑垃圾混合料中重金屬的釋放 規(guī)律Fig.5 Regularities of heavy mental release in C & DW mixtures at different pH values

Cr的浸出濃度隨pH值的變化規(guī)律與Cd、Ni和Pb不同，Cr的浸出濃度與pH值呈正相關(guān)，純磚塊時(shí)Cr的浸出濃度最大。在堿性條件(pH值>7)時(shí)，Cr一般以含氧陰離子CrO42-形式存在，而Cr6+在pH>7的條件下不易生成氫氧化物沉淀，容易被浸出，從而使得Cr的釋放量在pH值增大時(shí)增大。

Cu和Zn具有兩性浸出，形成U形曲線，在極端的酸性和堿性pH值時(shí)濃度升高，且最低濃度介于兩者極限之間，總體看來純混凝土?xí)rCu和Zn的浸出濃度最大。從圖5可以看出，酸性和堿性條件導(dǎo)致了Cu和Zn的最大釋放。正常的室外作業(yè)環(huán)境一般具有中性的pH值條件，因此浸出重金屬不太可能引起任何污染問題。

3.3 背景值比較

對建筑垃圾中鉻(Cr)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鎘(Cd)、鋅(Zn)和鉛(Pb)這6種重金屬元素進(jìn)行了分析，每種元素取得上述試驗(yàn)的最大值與當(dāng)?shù)赝馏w背景值作對比，如圖6所示，并依照土體三級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(表1)加以分析[15]。

圖6 建筑垃圾混合樣與土體背景值中重金屬濃度比較Fig.6 Comparison between heavy metal concentrations in C & DW mixed samples and background value of soil

表1 我國土體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(三級)Table 1 China’s soil quality standards (level III)

取土體環(huán)境背景值進(jìn)行浸出實(shí)驗(yàn)與建筑垃圾中重金屬浸出率對比，背景值結(jié)果見圖6。可以看出背景值中Cr、Ni、Cd、Pb的重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑垃圾混合樣品，屬于污染風(fēng)險(xiǎn)較低的材料；因此可以選取建筑垃圾作路基的再生材料，運(yùn)用于公路路基并不會對周邊環(huán)境(土體、地下水)帶來影響。對比分析建筑垃圾混合樣與土體背景值中的重金屬含量，混合樣中Zn元素含量略高于背景值，但是低于土體質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)，其余重金屬含量均低于背景值和土體質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)，因此，建筑垃圾用于路面底基層填料不會污染周邊土體。

4 結(jié) 論

(1)建筑垃圾中重金屬浸出濃度基本低于土壤背景值中重金屬浸出濃度，Zn的濃度略高，但是都小于我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(三級)，所以將建筑垃圾用于路面基層/底基層不會對生態(tài)環(huán)境造成污染。

(2)建筑垃圾混合樣配比對重金屬浸出含量的影響：在純磚塊條件下時(shí)，重金屬Cd、Cu、Ni和Zn含量最??；在純混凝土條件下時(shí)，重金屬Cr和Pb含量最小。

(3)建筑垃圾浸出液固比對重金屬浸出含量的影響：Cd和Zn的含量隨著液固比的變化上下起伏不大，浸出濃度基本保持不變，可見Cd和Zn達(dá)到了溶解平衡；Cr和Pb的浸出率隨著液固比的增加而增加，浸出量也在不斷增加；Cu和Ni的浸出率隨著液固比的增加而減小。

(4)Cd、Ni和Pb在不同pH值時(shí)的浸出濃度隨時(shí)間變化趨勢也基本相似，隨著pH值的升高，Cd、Ni和Pb的平衡濃度降低；Cr的浸出濃度與pH值的增高呈正相關(guān)；Cu和Zn具有兩性浸出，形成U形曲線，在極端的酸性和堿性pH值時(shí)濃度升高。