輕度重金屬污染土壤建材資源化及其環(huán)境影響

徐佳麗，黃國蕾，陳云嫩

（江西理工大學(xué)江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000）

2014年4月發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國土壤環(huán)境狀況總體上不容樂觀，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量令人擔(dān)憂。耕地土壤的點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，其中重度、中度、輕度和輕微點(diǎn)位超標(biāo)比例分別為1.1%、1.8%、2.8%和13.7%[1]。2015年6月發(fā)布的《中國耕地地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告（2015年）》的調(diào)查土地面積共計(jì)150.7萬km2，其中涉及耕地13.86億畝。調(diào)查顯示，重金屬中-重度污染的耕地面積為3 488萬畝，占調(diào)查點(diǎn)位的2.5%，輕微-輕度污染的耕地面積為7 899萬畝，占調(diào)查點(diǎn)位的5.7%[2]。人類活動(dòng)（采礦、冶金、污水灌溉、畜禽養(yǎng)殖）是造成并加劇土壤重金屬污染的最主要原因。

重金屬污染物毒性大，沿著食物鏈逐漸富集，極大地危害人民群眾的生命安全[3]。土壤重金屬污染問題不容忽視，簡單的固化/穩(wěn)定化、淋洗處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還易造成二次污染，浪費(fèi)寶貴的土壤資源[4]。熱處理法具有極高的重金屬固化/穩(wěn)定化效果，其產(chǎn)品還是重要的人造建材[5]，但污染土壤建材資源化過程重金屬的環(huán)境影響也不容忽視。

1 重金屬污染土壤評(píng)價(jià)

土壤中的重金屬污染物主要是指含汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鈷（Co）、錫（Sn）以及類金屬砷（As）等的污染物。目前廣泛使用地累積指數(shù)（Igeo）評(píng)價(jià)土壤重金屬污染程度，Igeo值計(jì)算公式為

式中：Cn為土壤中重金屬n的實(shí)測含量，mg/kg；Bn為重金屬n的土壤元素背景值，mg/kg。

地累積指數(shù)可分為7個(gè)級(jí)別。Igeo＜0，污染級(jí)別為0級(jí)，表示無污染；0≤Igeo＜1，污染級(jí)別為1級(jí)，表示輕度污染；1≤Igeo＜2，污染級(jí)別為2級(jí)，表示中度污染；2≤Igeo＜3，污染級(jí)別為3級(jí)，表示中度污染到強(qiáng)污染；3≤Igeo＜4，污染級(jí)別為4級(jí)，表示強(qiáng)污染；4≤Igeo＜5，污染級(jí)別為5級(jí)，表示強(qiáng)污染到極強(qiáng)度污染；Igeo≥5，污染級(jí)別為6級(jí)，表示極強(qiáng)污染[3]。本文的研究對(duì)象是輕度重金屬污染土壤，污染級(jí)別為1級(jí)。

2 重金屬污染土壤建材資源化研究現(xiàn)狀

將重金屬污染土壤變廢為寶，實(shí)現(xiàn)污染土壤建材資源化是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)之一。最常用的資源化方式是熱處理法，將大多數(shù)重金屬固定在產(chǎn)品中。目前，燒結(jié)磚是最常見的土壤燒結(jié)建材。

陶亮等[6]在處理電鍍廠搬遷場地的重金屬污染土壤時(shí)，對(duì)重金屬超標(biāo)土壤采用基于礦物晶體結(jié)構(gòu)的異位固化處置，以黏土為基質(zhì)，使污染土壤與黏土充分混合后壓制焙燒成磚。崔長顥等[7]發(fā)現(xiàn)，重金屬污染土壤SiO2、Al2O3和Fe2O3含量與頁巖原料相似，可以用作頁巖原料的替代，制造出質(zhì)量合格的燒結(jié)磚。不只是燒結(jié)磚，類似的資源化方式還有制作燒結(jié)陶粒。重金屬污染土壤的大多數(shù)性質(zhì)與原始土壤基本相同，多數(shù)土壤可以通過煅燒生產(chǎn)陶粒產(chǎn)品，故以其為原料制造陶粒是切實(shí)可行的。土壤中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO+MgO和K2O+Na2O在陶粒材料的生產(chǎn)中起重要作用[8]。通常以煅燒方式制作陶粒，燒結(jié)溫度在1 200 ℃左右，土壤顆粒膨脹形成陶粒[9]。劉賢力等[10]在重金屬污染土壤中添加土壤量4%的凹土，穩(wěn)定化45 d后，通過回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)得到合格的陶粒產(chǎn)品。FAN等[11]以鉻污染土壤為原料，在1 180 ℃溫度下通過煅燒成功制得陶粒。制造輕質(zhì)骨料（LWA）的原材料的化學(xué)成分在很大程度上影響它們的膨脹[12]，而重金屬污染土壤含有較多的Si、Al和Fe，是燒制LWA的理想材料。使用重金屬污染土壤制備LWA具有顯著的環(huán)境價(jià)值，重金屬污染土壤的高效回收處置能夠保護(hù)珍貴的土壤資源[13]。使用重金屬污染土壤制造輕質(zhì)骨料也是切實(shí)可行的。GAO等[14]以鋅污染土壤作為原料，成功制作出符合標(biāo)準(zhǔn)的具有高抗壓強(qiáng)度但低密度的LWA。蹇守衛(wèi)等[15]在冶金廠搬遷場地重金屬污染土壤中加入銅的氧化物，燒結(jié)后得到合格的LWA。

3 輕度重金屬污染土壤制磚試驗(yàn)研究

燒結(jié)磚在中國已有3 500年的歷史，但傳統(tǒng)制磚工藝以黏土為原材料，毀壞大量的農(nóng)田，消耗了大量的不可再生能源[16]。本文以江西省贛州市某礦業(yè)冶金企業(yè)場地污染土壤為研究對(duì)象，探討輕度重金屬污染土壤建材資源化的環(huán)境影響。本項(xiàng)目采用摻混制磚的方法處置污染土壤，在確定具體方案時(shí)，為了將摻混比例控制在合理范圍，把摻混土壤對(duì)成品磚質(zhì)量的影響降到最低，同時(shí)將重金屬含量稀釋至較低值，設(shè)置了4個(gè)工況。按不同污染土壤摻混比例制作磚坯，4個(gè)工況分別記為B1（輕度重金屬污染土壤含量10%）、B2（輕度重金屬污染土壤含量20%）、B3（輕度重金屬污染土壤含量30%）和B4（輕度重金屬污染土壤含量40%）。

3.1 工藝流程及安全性分析

本項(xiàng)目采用摻混制磚的方法處置輕度重金屬污染土壤，其燒結(jié)工藝如圖1所示。將輕度重金屬污染土壤與頁巖等原料按一定比例混合制作磚坯，經(jīng)干燥、焙燒等工序，成磚出窯。窯爐廢氣采用鈉堿法脫硫除塵除重金屬工藝，進(jìn)行尾氣脫硫除塵、重金屬處理，使粉塵、SO2、重金屬廢氣達(dá)標(biāo)排放。脫硫除塵和重金屬處理后，廢水中重金屬采用石灰乳進(jìn)行固化沉淀分離，沉淀后的廢渣由具有危廢處置資質(zhì)的專業(yè)企業(yè)處理。

圖1 燒結(jié)工藝流程

從燒結(jié)工藝流程分析，采用摻混制磚的方法處置污染土壤，其重金屬最終去向主要有兩種。一是進(jìn)入磚體內(nèi)；二是在窯燒過程中以氣體形式排放，被廢氣處理設(shè)施部分截留，最終進(jìn)入循環(huán)水、廢渣以及大氣。因此，燒結(jié)磚燒結(jié)和使用過程的環(huán)境安全性分析主要從3個(gè)方面進(jìn)行探討：通過對(duì)比不同工況下樣品磚的重金屬含量及浸出重金屬濃度，確定污染土壤最佳摻混比例；對(duì)成品磚進(jìn)行重金屬毒性浸出試驗(yàn)，確定其使用時(shí)的浸出風(fēng)險(xiǎn)；進(jìn)行重金屬衡算，明確處理過程的重金屬遷移情況。

3.2 土壤重金屬固化效果

3.2.1 分析方法

4 種工況分別采集成品磚樣品進(jìn)行檢測，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（型號(hào)ICP-5000）檢測鉻、鉛2種重金屬含量，采用雙道原子熒光光度計(jì)（型號(hào)AFS-2202E）檢測砷含量。

3.2.2 樣品磚重金屬含量分析

本項(xiàng)目采用摻混制磚的方法處置污染土壤，污染土壤的重金屬含量如表1所示，其標(biāo)準(zhǔn)限值參照《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 36600—2018）的二類篩選值。樣品磚中重金屬砷、鉻、鉛的含量分析結(jié)果如表2所示。隨著原料中輕度重金屬污染土壤摻混比例的提高（從B1到B4），燒結(jié)磚樣品中，砷含量先上升后下降再上升，鉻含量先下降后上升再下降，鉛含量先升再降。從表2數(shù)據(jù)可知，B3樣品磚對(duì)砷、鉻、鉛3種重金屬的固定效果最好。

表1 土壤中重金屬含量檢測結(jié)果

表2 樣品磚中重金屬含量檢測結(jié)果

3.2.3 燒結(jié)磚產(chǎn)品檢測

綜合表1、表2數(shù)據(jù)，擬采用B3工況，即以30%輕度重金屬污染土壤配70%頁巖制作磚坯，對(duì)燒制產(chǎn)品進(jìn)行檢測。燒制產(chǎn)品滿足《燒結(jié)多孔磚和多孔砌塊》（GB/T 13544—2011）、《絕熱 穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定 標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》（GB/T 13475—2008）和《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566—2010）的相關(guān)要求。

3.2.4 浸出重金屬含量

由表3可見，隨著原料中輕度重金屬污染土壤摻混比例的提高（從B1到B4），樣品磚浸出液中，砷和鉻的濃度變化趨勢類似，皆先升后降再升；鉛含量呈上升趨勢，從檢出限（0.03 mg/L）以下上升到0.10 mg/L。B3工況下，污染土壤重金屬處理量較高，同時(shí)重金屬浸出毒性較低，其檢測值遠(yuǎn)低于《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）的標(biāo)準(zhǔn)限值，建材資源化對(duì)輕度重金屬污染土壤的處置效果最好。

表3 樣品磚浸出液檢測結(jié)果

3.3 重金屬遷移研究

以輕度重金屬污染土壤（密度按2.5 g/cm3計(jì)）為原料進(jìn)行摻混制磚，采用B3工況（30%輕度重金屬污染土壤配70%頁巖）制作磚坯。根據(jù)表1、表2及土壤配比，估算制磚過程的重金屬有效固化率。砷固化率為22%，鉻固化率為100%，鉛固化率為61%。燒結(jié)過程中產(chǎn)生的煙氣經(jīng)脫硫除塵除重金屬設(shè)施處理后（處理效率為90%），通過30 m高排氣筒排放。燒結(jié)過程煙氣中重金屬排放情況如表4所示，排放濃度滿足《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18484—2020）和《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16297—1996）。以1 m3輕度重金屬污染土壤為樣品，重金屬平衡分析如圖2所示。

表4 煙氣中重金屬排放情況

圖2 重金屬平衡分析

4 結(jié)語

目前，土壤重金屬污染問題備受關(guān)注，對(duì)輕度重金屬污染土壤進(jìn)行建材資源化具有重大意義。輕度重金屬污染土壤本質(zhì)上是部分重金屬元素含量超過安全閾值的天然土壤，在代替黏土生產(chǎn)建筑材料方面具有天然的優(yōu)越性。本文采用輕度重金屬污染土壤，按一定比例進(jìn)行摻混制磚，不僅使污染土壤資源化，還變廢為寶，增加經(jīng)濟(jì)效益。燒結(jié)磚滿足《燒結(jié)多孔磚和多孔砌塊》（GB/T 13544—2011）的相關(guān)產(chǎn)品要求，其浸出重金屬濃度顯著低于標(biāo)準(zhǔn)限值。