固体废弃物的使用对水泥生产中大气重金属污染物排放的影响

马依琳

(北京市第四中学 北京 100034)



固体废弃物的使用对水泥生产中大气重金属污染物排放的影响

马依琳

(北京市第四中学 北京 100034)

大气颗粒物污染是京津冀地区重要的环境问题之一，但有关大气颗粒物重金属污染及其来源等关注较少。本文围绕水泥生产中的重金属残留及来源之一——固体废弃物作为原料使用对重金属污染物的贡献进行了概述，以期为河北省水泥产业大气污染控制提供有益借鉴。

大气污染；重金属；水泥生产；河北省

0 引言

近年来，雾霾天气不断降临京津冀地区，三地多次拉响空气重污染预警甚至一级“红色”预警。期间，高速公路关闭、车辆限行、部分工厂、建筑工地停止作业、政府警告市民避免外出等等措施出台，对百姓的日常生活和身心健康造成很大影响，大气污染成为都市人关注和谈论的热点问题。其中，大气颗粒物所携带的重金属等污染物逐渐引起了科学界的关注。水泥生产被认为是最大的颗粒物排放行业，本文概述了水泥生产中大气重金属的污染排放，并探讨了固体废弃物作为原料对水泥生产过程中重金属污染物的贡献，以期为典型区域(河北省)水泥生产大气污染控制提供科学依据。

1 大气颗粒物重金属污染物的危害

颗粒物是影响我国城市空气质量的最主要污染物, 超过90%的省会城市首要空气污染物为可吸入颗粒物[1,2]。可吸入颗粒物就像一辆载满毒物的垃圾车，装载着大量的有机、无机和溶解性盐类污染物进入人体。可吸入颗粒物对重金属有很强的富集吸收能力，70%～90%的各种重金属和类金属污染物As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Sb、Zn等会存在于可吸入颗粒物PM10中[3]。

我国大气颗粒物中重金属污染较为严重，其含量远高于美欧发达国家城市水平[4]。大气颗粒物中的重金属污染物具有不可降解性、毒性和生物富集性，通过呼吸进入人体后，会造成各种人体机能障碍，甚至引发各种疾病。例如As、Cr、Ni、Pb和Cd具有致癌性，As 、Cd 、Pb对人体有潜在致畸作用，而Pb和Hg则对胎儿具有毒性作用[5-7]。

2 水泥生产中的重金属污染物

我国针对各行业大气重金属污染源排放的研究非常有限，有研究提出，中国大气重金属的主要来源包括: 燃煤、钢铁、水泥生产、机动车、陶瓷、垃圾焚烧和有色冶炼等行业[8,9]。我国是世界上最大的水泥生产和消费国，有关水泥生产过程中大气颗粒物及重金属污染源排放值得引起关注。

统计显示，中国2012年的水泥产量为22.1亿吨，大约为全球产量的63%[10,11]。水泥生产被认为是我国最大的颗粒物排放行业，占全国总排放量的20%～30%以及工业排放的40%[8,9,12]。中国建筑材料科学研究总院在制定《水泥和墙体材料中浸出重金属的测定方法》标准时，采集了全国46家企业的59个水泥样品并测定了水泥中残留的重金属[13]。虽然生料原料来源不同，但熟料和水泥中均含有重金属(表1)，样品中的Zn最高达17,371mg/kg，Pb也接近1,000mg/kg，某些样品中重金属含量甚至远高于工业废渣中的含量，说明含有较高浓度重金属的原料进入了水泥制造过程，不但会在水泥产品中残留，也会在生产过程中有一定程度的大气逸放。林少敏和黄利榆[14]对几个水泥生产企业周边农田土壤调查研究也证实，水泥生产过程中会向大气排放重金属污染物，其所调查的水泥厂上下风向1km到2km处的土壤均受到不同程度的重金属污染，距离工厂500 m 处土壤中重金属Pb、Cd 的含量均超过了国家标准的最大限量。

表1 水泥样品中的重金属含量(mg/kg)[13]

20世纪50年代，为了满足水泥产量的需求，解决当时的供需矛盾，工业废渣在水泥行业开始大量使用，80年代更是达到了高峰。除了冶金渣、燃煤灰渣、火山灰质等传统混合材料外，经研究证明对水泥和人体无害的其他工业废渣及城市污泥等均可用于水泥的生产[15,16]。肖忠明[16]以我国2013年水泥生产为例进行了估算，当年24亿吨的水泥产量所用各种工业废渣总计大约7.6亿吨。水泥工业利用各种低品位原燃料、工业废渣以及可燃废弃物和城市垃圾等做原材料的现象愈来愈广泛，虽然在一定程度上降低了生产成本[17]、处置了各种固体废弃物并增加了水泥的产量，但是随之将大量的金属元素引入到水泥生产过程中[16-18]。

用作水泥活性混合材料的工业废渣等大多为焙烧渣，如冶金渣(包括矿渣、钢渣、锰渣、铜渣、钛矿渣、铬铁渣和铅锌渣等)、燃煤灰渣(包括粉煤灰、炉渣和流化床煤灰等)以及人造火山灰(包括煤矸石和硫酸渣等)，这些废渣的形成特点是原材料的浓缩，有研究报道了某些工业废渣中重金属浓度(表2)，表中数据可以看出，虽然所报道样品来源不同，但普遍显示高浓度的重金属残留。

表2 某些工业废渣中重金属浓度(mg/kg)(数据来源时间2003-2015)

在水泥生产系统中，各种原料中的重金属流向主要包括三部分：被熟料固化、随窑灰排出、随烟气、粉尘带出。窑灰如再次入窑回收利用，则不会对环境造成影响。对大气环境存在污染风险的是由烟气、粉尘带出的重金属污染物[23]。目前有关水泥生产中重金属污染风险的评价，多集中于水泥熟料对重金属的固化方面，而针对重金属污染物随烟气、粉尘对大气的排放研究较少。苏达根等[24]采用室内模拟煅烧的方法，研究了水泥熟料煅烧过程中重金属Hg、Pb、Cd、Zn和Cu的逸放。其结果显示，Hg及其化合物在300℃时绝大部分已挥发，水泥窑中Hg 的逸放率高达90%～96%。结果充分证明，作为高挥发性、低沸点元素， Hg及其化合物在窑中高温下主要以气态形式存在，非常易于挥发，对大气的污染风险高[18,25]。在1400℃实验条件下，Pb、Cd、Zn、Cu的逸放率分别达到94.5%、96.6%、43.6%和36.0%，因此，水泥生产高温条件下，金属污染物存在着较高程度的大气逸放污染风险。

3 河北省水泥生产及大气重金属排放

河北省是我国水泥生产大省，2011年水泥产量1.4亿吨达到顶峰(图1)，占全国水泥产量的6.8%。虽然近5年来由于大气污染治理关停并转了部分水泥生产线，但是年产量依然在9千万吨左右。研究认为[26]，京津冀地区雾霾强度和频率不断增加的根本原因是区域污染物的大量排放，其中，水泥行业对环境造成的污染十分严重，仅次于火电和钢铁。

Hua等[27]依据相关统计数据，采用模型计算了我国水泥生产过程中8种重金属污染物(Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Cr、Hg、As)的大气排放，2012年全国水泥生产大气排放重金属达到2585.1t，河北省贡献了151.3t，位居全国第六位，其中Hg排放量近4t，具有致癌及致畸毒性的Pb、Cd的排放量多达52.6t和1.57t。以上数据显示，河北省水泥生产向大气排放的重金属污染物不容忽视。

图1 河北省近年来水泥产量(亿吨/年)

有研究发现，水泥生产中重金属污染物的逸放差异与金属类别和水泥窑类型有明显关系[24]。立窑生产中重金属Pb、Cd 的逸放率最高，可达84 %～90 %；湿法回转窑次之；新型干法窑生产中Pb、Cd 的逸放率较低，大约在39 %～57 %范围内[17]，但是研究没有指出重金属逸放与水泥原料的关系。目前，河北省的水泥生产主要有立窑、湿法回转窑和新型干法窑等窑型，其中新型干法窑占比87.4%，但同时还有12%左右的立窑工艺[26]。其每年近150余吨的大气重金属排放与生产工艺和生产原料有何种关系，目前河北省水泥生产过程中固体废弃物的使用类型是什么、使用量有多少，能否通过合理控制固体废弃物的使用减少大气重金属污染物的排放等，都缺乏科学的数据支持，急需开展系统研究。

4 对策与建议

随着京津冀地区对大气污染控制要求的提高，水泥工业发展需要更为严格的管理与控制。特别是各种工业废渣以及可燃废弃物和城市垃圾等用作原材料愈来愈广泛的情况下，如何减少重金属污染物在水泥生产过程中的输入，减少其在大气颗粒物中的排放成为急需关注的问题。因此，(1)应尽快开展水泥生产原料中重金属等污染物残留及污染贡献调查研究，厘清不同类型固体废弃物对大气重金属排放特征的影响，为进一步掌握大气重金属传输机制、建立重金属污染控制技术及出台污染控制标准提供科学依据；(2)完善控制水泥生产排放污染的相关法规，增列重金属等有害组分的排放限量，制定水泥生料中重金属限量等规定，从源头防止水泥生产中重金属的排放污染；(3)改变生产工艺，淘汰立窑，大力发展新型干法窑工艺，加强对水泥厂所排放废气、粉尘的处理。总之，应从多个层面有效控制，减少水泥生产过程中重金属等有害组分随烟气排放的风险，为京津冀地区大气污染控制提供有力保障。

5 结语

水泥制造业为我国经济发展及城市建设发挥了重要作用，但是作为大气污染重点排放行业，其重金属等污染物的排放及控制值得引起关注。固体废弃物在水泥生产过程中的使用，无疑是重金属的重要来源，系统开展工业废渣等固体废弃物重金属的污染及其在水泥生产过程逸放规律的研究，不但关系到水泥行业的可持续发展，也同时对区域大气环境污染风险控制具有重要意义。

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The effect of solid waste to the emission of atmospheric heavy metals in cement production

MA Yi-lin

(BeijingNo. 4HighSchool,Beijing100034,China)

Atmospheric particle pollution is the key environmental issue in Beijing-Tianjin-Hebei Region. However, atmospheric emission of heavy metal pollutants has been paid less attention than other pollutants.This paper reviews the contribution of solid wastes, as one of the raw materials in cement production, to cement residue and atmospheric emission of HMs, in order to provide useful suggestions to the pollution control of cement industry in Hebei Province.

Air pollution; Heavy metals; Cement production; Hebei Province

2016-08-12

1001-9383(2016)03-0049-05

X513

A