建筑廢棄物在污水處理領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

雷 銘，韓 運(yùn)，李文凱，王 雷，鄭天龍，李鵬宇，連依明

（1.陜西建工第十二建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西安康 725000；2.陜西建工（安康）新型建材有限公司，陜西安康 725000；3.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，工程建設(shè)行業(yè)發(fā)展迅速，在建造工程的同時(shí)產(chǎn)生了大量的建筑廢棄物。一般而言，建筑廢棄物是指在新建、擴(kuò)建、改建和拆除各類建筑物、構(gòu)筑物、管網(wǎng)等以及居民裝飾裝修房屋過程中所產(chǎn)生的棄土、棄料及其他廢棄物〔1〕。根據(jù)有關(guān)研究，目前全球建筑廢棄物的年產(chǎn)量已經(jīng)超過30 億t〔2〕，占社會(huì)全部固體廢物產(chǎn)量的30%以上〔3〕，亟需進(jìn)行有效處置。建筑廢棄物的處置一般可以分為兩類：填埋和資源化利用。填埋會(huì)占用大量的土地資源并且存在一定的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，而以制備再生骨料、生產(chǎn)再生建材和用于鋪筑路基等為主要利用方式的資源化利用一方面可以減少土地占用、避免環(huán)境污染，另一方面也可使廢棄物產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，是首選的處置方案〔4〕。但是，受限于成本、管理和技術(shù)等因素，全球范圍內(nèi)的建筑廢棄物資源化利用率并不高，包括中國在內(nèi)的許多發(fā)展中國家的建筑廢棄物資源化利用率更是不足10%〔2，5〕。

隨著污水處理技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)了一些建筑廢棄物能夠?qū)ξ鬯械哪承┪廴疚锲鸬饺コ饔?，在進(jìn)行污水低成本凈化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了建筑廢棄物的資源化利用〔6-7〕，拓寬了建筑廢棄物的資源化利用方式和渠道，也為污水處理技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路，具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步推動(dòng)建筑廢棄物在污水處理領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，筆者在梳理前人研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了建筑廢棄物在污水處理領(lǐng)域的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，并針對(duì)其存在的問題提出了相應(yīng)的發(fā)展方向，以支撐相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和工程的應(yīng)用。

1 建筑廢棄物的種類和性質(zhì)

建筑廢棄物成分復(fù)雜、類型多樣，常規(guī)建筑廢棄物中占比較高的是工程棄土、廢磚瓦和廢混凝土等〔8〕，其具體組分隨工程情況和產(chǎn)生部位的不同而有所波動(dòng)〔9〕。按廢棄物產(chǎn)生環(huán)節(jié)的不同，建筑廢棄物可以分為工程建設(shè)垃圾、工程拆除垃圾和建材生產(chǎn)、運(yùn)輸垃圾等。按廢棄物組成成分的不同，可以分為水泥基建筑廢棄物和非水泥基建筑廢棄物。其中水泥基建筑廢棄物是指以水泥作為主要膠凝材料的建筑廢棄物，主要包括廢混凝土、廢蒸壓加氣塊、廢砂漿、混凝土泥漿等，其密度一般在2 500 kg/m3以下，比表面積因處理方式的不同而有較大差異，一般不大于30 m2/g〔10-12〕；非水泥基建筑廢棄物是指除水泥基建筑廢棄物以外的建筑廢棄物，主要包括廢磚瓦、廢陶瓷、廢玻璃、工程棄土等，其密度一般在2 000 kg/m3以下，孔隙率一般在30%以上，比表面積一般不大于20 m2/g〔10，13-14〕。因水泥的水化反應(yīng)，水泥基建筑廢棄物一般有較高含量的水化硅酸鈣、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣和水化硫鋁酸鈣（鈣礬石），相比于非水泥基建筑廢棄物往往具有更高的化學(xué)反應(yīng)活性。

2 建筑廢棄物用于污水處理的基本原理

污水處理可以分為物理處理、化學(xué)處理和生物處理3 大工藝，其中，物理處理一般通過沉降、過濾、吸附等物理作用去除污染物〔15〕，化學(xué)處理一般通過氧化還原、表面絡(luò)合、化學(xué)沉淀等化學(xué)反應(yīng)去除污染物〔16〕，生物處理主要依靠微生物和植物等生物的代謝過程去除污染物〔17〕。建筑廢棄物作為一種具有較大比表面積、相對(duì)發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)和具有一定強(qiáng)度的固體物質(zhì)，可以在經(jīng)過適當(dāng)處理后在上述3 類工藝中實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的有效處理。在物理處理方面，破碎后的建筑廢棄物可以作為濾料，通過顆粒間的孔隙和顆粒的多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)水中污染物的過濾和吸附〔18〕。在化學(xué)處理方面，以廢混凝土為代表的水泥基建筑廢棄物可以與污水中的磷元素發(fā)生化學(xué)沉淀或表面絡(luò)合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水磷元素的去除〔7，19〕。在生物處理方面，以廢磚為代表的許多建筑廢棄物具有粗糙多孔的結(jié)構(gòu)特征，可以為微生物提供附著和生長(zhǎng)表面，也可以為植物根系提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，與生物協(xié)同作用去除污染物〔20-21〕。

3 水泥基廢棄物的研究與應(yīng)用

水泥基建筑廢棄物在污水處理領(lǐng)域的研究和應(yīng)用主要集中在作為吸附劑除磷、氟、含氧酸鹽和重金屬，其中起關(guān)鍵作用的物質(zhì)是水泥水化形成的氫氧化鈣和鈣礬石（圖1）。Xiao LIU 等〔19〕利用混凝土對(duì)廢水中的磷酸根進(jìn)行處理，在進(jìn)水中磷質(zhì)量濃度為50～1 600 mg/L，混凝土用量為10 g/L 時(shí)，對(duì)磷酸鹽的去除率達(dá)到45%～99%，主要是因?yàn)闅溲趸}在污水中會(huì)形成游離態(tài)Ca2+和OH-，其中Ca2+和OH-可與磷酸鹽形成羥基磷灰石沉淀，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中磷的去除。J. Y. PARK 等〔22〕利用水泥漿對(duì)水體中氟、磷和硝酸鹽進(jìn)行去除，發(fā)現(xiàn)Ca2+可與F-形成氟化鈣沉淀，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中氟的去除。J. YOO 等〔11〕利用混凝土泥漿對(duì)水體中的銅、鉛、鋅進(jìn)行去除，發(fā)現(xiàn)OH-可與重金屬離子形成金屬氫氧化物沉淀，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中重金屬的去除。鈣礬石晶體結(jié)構(gòu)中SO42-可與含氧酸離子發(fā)生離子交換反應(yīng)〔23〕，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中含氧酸鹽的去除。此外，水泥基建筑廢棄物表面的金屬活性位點(diǎn)亦可與磷酸鹽發(fā)生表面絡(luò)合作用〔19〕，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中磷的去除。

圖1 水泥基建筑廢棄物去除污染物示意Fig. 1 Schematic diagram of the removal of pollutants by cement-based construction wastes

水泥基建筑廢棄物可以實(shí)現(xiàn)較好的除磷效果，在相對(duì)寬泛的反應(yīng)條件（粒徑＜50 mm、投加質(zhì)量濃度1～50 g/L、停留時(shí)間1～24 h 等）下，一般可以實(shí)現(xiàn)80%以上的磷去除率，常見的水泥基建筑廢棄物（混凝土、混凝土泥漿、水泥漿、砂漿等）均有良好的除磷效果，并且生成的羥基磷灰石等含磷產(chǎn)物具有作為土壤改良劑或緩釋肥料還田的潛力〔12〕，具有較好的應(yīng)用前景；水泥基建筑廢棄物除氟主要采用混凝土泥漿或水泥漿作為吸附劑，吸附劑粒徑一般小于2 mm，在投加質(zhì)量濃度30 g/L、停留4 h 的條件下，可以獲得超過95%的除氟率；水泥基建筑廢棄物除硼主要采用混凝土及其泥漿作為吸附劑，吸附劑粒徑一般小于0.2 mm，在投加質(zhì)量濃度30～67 g/L、停留時(shí)間4～25 h 的條件下，可以獲得超過75%的除硼率，其主要除硼原理是離子交換反應(yīng)〔23〕。同時(shí)，水泥基建筑廢棄物對(duì)銅、鉛、鋅、鉻等重金屬也有較好的去除作用，是一種能夠去除多種污染物的材料〔7〕。對(duì)水泥基建筑廢棄物的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)，見表1。

表1 水泥基建筑廢棄物去除污染物情況Table 1 Removal of pollutants by cement-based construction wastes

此外，為進(jìn)一步提高水泥基建筑廢棄物對(duì)污染物去除效果，有關(guān)研究探索了相關(guān)材料的改性方法，重點(diǎn)研究了加熱、酸浸、炭化和添加化學(xué)藥劑等方式對(duì)水泥基建筑廢棄物污染物控制能力的影響，發(fā)現(xiàn)105、175 ℃甚至800 ℃加熱或酸浸可以提高水泥基建筑廢棄物對(duì)污染物的去除性能〔12，27，30，32〕，炭化過程則弱化了其對(duì)污染物的去除性能〔33〕，而添加硫酸鋁可以促進(jìn)鈣礬石的生成，強(qiáng)化基于離子交換反應(yīng)的污染物去除性能〔29〕。

整體而言，水泥基建筑廢棄物除硼、氟和重金屬的研究主要停留在實(shí)驗(yàn)室小試階段，中試研究或?qū)嶋H工程應(yīng)用相對(duì)較少，實(shí)際污水中的有機(jī)物、氮磷等污染物對(duì)反應(yīng)過程的影響尚不十分明確，其工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)適用性有待繼續(xù)探索。水泥基建筑廢棄物除磷已經(jīng)得到了實(shí)際工程的檢驗(yàn)，對(duì)常規(guī)污水具有良好的總磷去除效果，相比于藥劑除磷、電化學(xué)除磷工藝，水泥基建筑廢棄物除磷成本低廉、維護(hù)便利、對(duì)運(yùn)維人員技術(shù)水平的依賴性較低，在出水水質(zhì)要求相對(duì)較低、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)具有較好的應(yīng)用前景。

4 非水泥基廢棄物的研究與應(yīng)用

非水泥基建筑廢棄物在污水處理領(lǐng)域的研究與應(yīng)用主要是將廢磚、廢砌塊等破碎后作為人工濕地填料，處理對(duì)象有生活污水〔18〕、工業(yè)廢水〔20〕、受污染河水〔6〕等，主要污染控制指標(biāo)為懸浮物（SS）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、總氮（TN）和總磷（TP），相關(guān)研究成果見表2。與水泥基建筑廢棄物作為吸附劑進(jìn)行應(yīng)用不同的是，非水泥基廢棄物主要作為填料使用，其粒徑往往控制在1 mm 以上，大于水泥基建筑廢棄物的應(yīng)用粒徑，非水泥基建筑廢棄物的加工和處理相對(duì)簡(jiǎn)單。另外，與水泥基建筑廢棄物相比，非水泥基建筑廢棄物在化學(xué)反應(yīng)上相對(duì)惰性，單獨(dú)使用對(duì)污染物去除效果往往有限，常與微生物、濕地植物等協(xié)同發(fā)揮對(duì)污染物的去除作用〔20-21〕。

表2 非水泥基建筑廢棄物去除污染物情況Table 2 Removal of pollutants by non-cement-based construction wastes

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，廢棄的紅磚、粉煤灰磚、陶片等作為人工濕地填料能夠有效去除污水中的SS、COD、TN 和TP。T. SAEED 等〔20〕通過采用廢磚顆粒作為人工濕地的填料對(duì)工業(yè)廢水中有機(jī)物、SS、氮、磷進(jìn)行去除，對(duì)COD、SS、NH4+-N、TN 和TP 的去除率分別為83%、95%、81%、80%和89%，其中對(duì)SS 的去除主要依靠物理截留作用，對(duì)COD 的去除主要依靠物理截留和微生物代謝作用，對(duì)TN 的去除主要依靠氮循環(huán)相關(guān)微生物（包括氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌）的脫氮作用〔32〕，對(duì)TP 的去除則主要依靠建筑廢棄物中豐富的Ca、Fe 和Al 等金屬離子與磷酸鹽形成的沉淀和化學(xué)吸附作用〔14〕。

此外，為提高污染物的去除能力，時(shí)霞〔13〕采用間歇曝氣技術(shù)對(duì)建筑廢棄物人工濕地進(jìn)行了改良，有效提高了對(duì)COD 和TN 的去除效果，其技術(shù)原理是利用氧氣濃度變化優(yōu)化了非水泥基建筑廢棄物上的微生物群落結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)了相應(yīng)的生物代謝作用。

非水泥基建筑廢棄物在污水處理領(lǐng)域的研究得到了相對(duì)充分的實(shí)際工程或中試研究驗(yàn)證，作為填料時(shí)對(duì)進(jìn)水類型、進(jìn)水水質(zhì)以及應(yīng)用規(guī)模都有較好的適應(yīng)性，能夠發(fā)揮一定控制常規(guī)污染物的作用，其綜合成本一般略低于常規(guī)碎石、石英砂或火山巖填料，應(yīng)用前景較為廣闊。

5 結(jié)論與展望

目前，建筑廢棄物在污水處理領(lǐng)域的研究與應(yīng)用取得了一定進(jìn)展，特別是在污染物控制效果、控制機(jī)理、材料改良和技術(shù)改進(jìn)方面涌現(xiàn)了一批研究與應(yīng)用成果，為相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步改良和工程應(yīng)用提供了有效支撐。但是，相關(guān)研究與應(yīng)用仍然存在一些問題。

對(duì)于水泥基建筑廢棄物，大部分研究停留在實(shí)驗(yàn)室層面的模擬污水試驗(yàn)，雖然取得了很好的污染物控制效果，但忽視了真實(shí)污水中大量的有機(jī)物和競(jìng)爭(zhēng)離子的作用，相關(guān)技術(shù)能否在實(shí)際工程應(yīng)用中取得良好的污染物去除效果尚需驗(yàn)證。同時(shí)，水泥基建筑廢棄物在應(yīng)用中往往需要破碎磨細(xì)以獲得更大的比表面積和更多的活性位點(diǎn)，這在實(shí)際工程應(yīng)用中將增大成本和能耗，應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)優(yōu)化。

對(duì)于非水泥基建筑廢棄物，研究與應(yīng)用主要集中在破碎后作為人工濕地填料這一方向上，對(duì)于在曝氣生物濾池和厭氧生物濾池技術(shù)中的探索有限。其次，現(xiàn)有基于非水泥基建筑廢棄物對(duì)污染物去除的研究相對(duì)不足，其組成成分、微觀形貌、級(jí)配特點(diǎn)對(duì)于污染物去除效果的影響及其作用機(jī)制尚不十分明確，限制了相關(guān)理論的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)一步突破。

鑒于上述研究和應(yīng)用的不足，未來建筑廢棄物在污水處理領(lǐng)域的研究與應(yīng)用可關(guān)注以下幾個(gè)發(fā)展方向：1）盡快將實(shí)驗(yàn)室成熟技術(shù)在實(shí)際工程中進(jìn)行驗(yàn)證，篩選并優(yōu)化形成一批工程可行技術(shù)進(jìn)行推廣；2）研發(fā)低成本、低能耗的建筑廢棄物處理和改良技術(shù)，減少破碎和磨細(xì)過程的資金、能源消耗；3）拓寬技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，探索將建筑廢棄物應(yīng)用于其他需要填料或載體的污水處理技術(shù)中；4）深化微觀機(jī)理研究，明晰不同建筑廢棄物對(duì)不同水污染物質(zhì)的去除機(jī)理，構(gòu)建量化的機(jī)理模型；5）結(jié)合上述4 個(gè)方向的研究成果，利用全生命周期評(píng)價(jià)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建應(yīng)用決策模型及適用技術(shù)方案，為相關(guān)技術(shù)的大范圍推廣應(yīng)用提供決策支撐。