日本余泥渣土管理经验与启示＊

2020-11-05寇世聪赵玉龙李大望刘小勇锋1

环境卫生工程 2020年5期

黄桐，寇世聪，赵玉龙，李大望，刘小勇，邢锋1，

（1. 中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江哈尔滨150086；2.广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东深圳 518060；3.深圳大学土木与交通工程学院，广东深圳 518060；4.恒卓（深圳）绿色建材科技有限公司，广东深圳 518040）

1 引言

日本政府成功申办2020 年东京奥运会后，试图以奥运会为契机，促成日本国内新一轮的经济发展，进行了规模宏大的基础设施建设，包括磁悬浮中央新干线、城市BRT 系统、筑地水产市场拆除搬迁、虎门之丘建设、奥运村翻新、丰洲填海区体育场馆建设等一系列大型工程［1］，但是在拆除、更新及建设过程中无法避免地产生了大量的建筑废弃物。作为一种潜在的“城市矿产资源”［2］，建筑废弃物主要包括混凝土（普通混凝土和沥青混凝土）、木材、塑料、玻璃、废纸、橡胶、污泥等，其中混凝土约占建筑废弃物总量的78%，污泥约占10%，木材约占6%，其他约占6%［3］。目前日本国内除建设污泥再利用率68.8%以外，针对建筑废弃物的综合利用率整体达到90%以上，其中混凝土的再利用率基本已达到98%以上［4］。如果仅从以上各品类废弃物的综合利用率角度来看，目前，日本对建筑废弃物的管理与综合利用近乎完美。然而如果将日本国土交通省从建筑废弃物名录中剔除出的“建设残土”（以下按照我国称谓统称“余泥渣土”）考虑进来，那么日本在对建筑废弃物全盘综合利用方面的成绩还是有待商榷的。目前日本针对余泥渣土（不包括建设污泥）的综合利用途径还比较少，主要作为基础回填料、坝体或用来填海等，而对被列入建筑废弃物的建设污泥的研究则较多：如Miki 等［5］研究了液化土稳定方法，并研发出了一套使用管道搅拌机高速连续处理余泥渣土的技术；Kuno［6］研发了一套Liquefied Stabilized Soil（LSS）方法，使得被固化后的余泥渣土能像水泥砂浆一样流动，无需压实并且被固化后几乎不被地下水渗透与侵蚀；Katsumi 等［7］则更多关注余泥渣土的重金属问题，并提出再回收再利用余泥渣土需要注意其中重金属的问题；Hidetake［8］将建设污泥、水泥和飞灰拌和后研制出了一种新的回填材料，将其中的水泥用量降低至70 kg/m3，并成功将9 000 m3的液态渣土- 水泥混合物用于回填工程。我国对余泥渣土的科学管理与资源化利用研究起步比较晚［9-10］，目前对余泥渣土的处理方式主要采用填埋［11］，利用率不高。本研究就日本在工程拆除、翻新及建设中产生的余泥渣土的现状及问题进行介绍和分析，从而为我国在余泥渣土的减量化及综合利用上提供一定的借鉴。

2 日本余泥渣土的产生及其组成

余泥渣土一般是地基基础开挖、地铁修建、地下商场、地下停车场、工程泥浆、河道疏浚以及人防工程等建筑工程中对现有土地进行开挖后所产生的废弃物［12-14］。1995—2018 年，因为地产泡沫的破灭［15］，日本的余泥渣土排放量由1995 年的4.45×108m3下降至2008 年的1.40×108m3，因为大幅提升的施工现场场内利用率，在接下来的10 a（2008—2018 年），其排放量一直稳定在1.3×108～1.4×108m3（图1），其中约有60%被送往填埋场进行填埋、5%被用于土质改良、35%被用于其他工地的工程用土（图2）。

图1 1995—2018 年日本工地余泥渣土的排放量

图2 2008—2018 年日本工地余泥渣土的排放去向

余泥渣土主要由土壤、碎石和砂组成。其中碎石和砂主要由火山岩、变质岩和沉积岩等成分构成；而由于地质和气候的不同，不同地区所产生的土壤性质差异很大。土壤一般由固相（矿物质、有机质）、液相（土壤水和溶液）和气相（土壤空气） 3 个部分组成，构成土壤本体占量最大的是土壤固相中的矿物质。土壤矿物质化学组成75%以上为SiO2、Al2O3、Fe2O3［16］。

日本国土交通省于2006 年基于余泥渣土的土壤类型、强度（圆锥指数）、含水比等特性将开挖土分为5 类（一直沿用至今），同时在每个分类中依次按照土壤材料的不同分为碎石土、砂土、火山灰质黏性土、有机质土、高有机质土、人工材料、黏性土7 个大分类，进一步细化这7 个大分类后得到了碎石、碎石砂土、砂、碎石质砂土碎石、细砂、淤泥、黏土、火山灰质黏性土、有机质土、改良土等几个中分类［17］。同时可以发现从第1 类到第5 类余泥渣土含水比是在不断上升的（表1）。

表1 日本余泥渣土的分类基准

3 余泥渣土在日本引发的问题

因为建筑工地上挖出外运的余泥渣土数量远远大于土质改良和回收再利用的量，无处可去的余泥渣土最终只能选择填埋。21 世纪以来，日本各地发生余泥渣土滑坡事件16 次（表2），造成人员伤亡、森林毁坏、阻塞河道、侵占农地、切断道路、损坏居民房屋以及侵入水库等一系列问题［18］。随着日本奥运场馆建设的加快，最近几年在日本因余泥渣土引发的问题也越来越严峻。

表2 2001—2014 年日本余泥渣土滑坡地点及产生问题统计

为进一步明确余泥渣土问题的地域相关性，根据表2 绘制了2001—2014 年日本余泥渣土滑坡地点分布图，见图3。从图中可以看到，日本余泥渣土发生滑坡地点主要集中在环东京都（埼玉县、神奈川县、千叶县、山梨县）和环大阪府（奈良县、滋贺县、丰能町、和泉市）。根据GPCI—2018所公布的世界城市群综合（经济、环境、交通、研发、文化等）排名，东京都和大阪府正好排在日本前两位［15］，可见城市发展程度和余泥渣土问题呈正相关。由于申办2020 年东京奥运会所产生的大量余泥渣土，使整个东京都陷入渣土围城的尴尬境地，于是一些不法的承建商将东京产生的上百万吨余泥渣土运往400 km 以外的没有颁布余泥渣土相关管理条例的三重县进行倾倒，造成当地大片森林被毁［19］。可见余泥渣土已成为日本东京、大阪两个都市圈无法忽视且急需解决的问题。

图3 2001—2014 年日本余泥渣土滑坡地点分布

4 日本处理余泥渣土的相关政策及法规

余泥渣土是建筑施工过程中产生的副产品之一。根据日本国土交通省规定，建筑副产品分为建筑废弃物、金属、余泥渣土［20］。其中，建筑废弃物受2002 年颁布并实施的《废物处置和公共清洁法》（以下简称“废物处置法”）的约束，得到很好的回收和处理。但除了第5 类土被认为是建筑废弃物以外（表1），余泥渣土被认为是天然的，无需进行特殊的处理，因此余泥渣土在日本成为“废物处置法”规定的免于当作废弃物的废弃物［21］。从而导致余泥渣土排放者不需要承担责任，其排放的数量也不受控制。但是余泥渣土大多取自城市或城市周边，往往表现出明显的与人类相关的特征：①因为长年累月使用农药化肥以及工厂生产等导致的土壤污染；②开挖导致的土壤结构丧失及其伴随减少的通气、排水、持水、渗透等诸多能力［22］；③因施工需要往渣土里面添加各种药剂［23］。

这些特征的存在使得余泥渣土并不适合作为一种天然材料直接排放或者填埋。因此，在2009年日本政府针对受污染（如铬、砷、汞等重金属污染）的余泥渣土颁布了《土壤污染对策法案》，法案规定受到污染的余泥渣土必须进行处理［8］。然而对剩下的90%未被污染的余泥渣土的使用和处置却仍然没有具体的法律或制度进行相应的规定或约束［7］。

为了解决和克服现存法律不能适当地处理余泥渣土的问题，日本地方政府相继通过颁布各自的余泥渣土管理条例来对本辖区内的余泥渣土进行管理。藤仓发现从1997 年千叶县公布第1 条余泥渣土管理条例开始，共有18 个都府县颁布了各自的余泥渣土管理条例（见图4）［24］。但是这些管理条例更多的只是禁止外地的余泥渣土进入本地区和余泥渣土在本地区的随意堆放，于是发生了很多以邻为壑的非法倾倒余泥渣土事件［19］。

图4 日本已颁布余泥渣土相关管理条例的各地方政府

5 日本余泥渣土的管理与综合利用

5.1 颁布相关技术准则

为了使余泥渣土综合利用遵循相关的技术指南与准则，日本国土交通省在1994 年、1999 年先后起草《余泥渣土利用基准》［25］与《建设污泥再生利用技术基准（适用范围建筑物回填，铁路路基，机场路基加建）》；并最终于2004 年、2006 年分别颁布实施［21］。目前，日本余泥渣土主要用作工程回填材料、公共以及民用工程基础基底材料、路基材料、河堤材料和填海材料等。根据上述工程，《余泥渣土利用基准》结合余泥渣土分类基准对土的工程性能要求，建议第1 类到第4 类余泥渣土综合利用途径见表3［17］。

表3 日本余泥渣土（除第5 类土建设污泥外）综合利用途径

因为含水量、有机质含量、黏性土量等较高，建设污泥（第5 类余泥渣土）被认为是建筑废弃物。根据2002 年的建筑废弃物现状调查报告，建设污泥年排出量为8.46×106t，约占建筑废弃物总量的10%。其中有45%的建设污泥按照表4 所示的方法进行综合利用，加上利用脱水法进行减量化1.97×106t，被资源综合利用和减量化处理的建设污泥占68.3%。但是同时有2.65×106t（约占脱水后干基质量的40%）的建设污泥被送往填埋场进行填埋［26］。

表4 日本建设污泥（第5 类余泥渣土）综合利用途径

由于表3～4 中“余泥渣土利用途径”只是一个指导性文件，对具体做成什么材料并没有限定。因此近14 年日本国土交通省在指导综合利用途径方面变化并不大，其主要在收集、运输和利用这3个层面进行更加详尽的管理和登记。

5.2 制定综合利用技术路线

考虑到余泥渣土综合利用需要进行系统化管理才能减少其带来的诸多问题，日本政府鼓励从工程设计阶段就采取措施，抑制和减少余泥渣土的产生。在施工前必须对本工地余泥渣土的利用和外运制定计划，其中包括在进行施工时，要积极收集和提供信息来促进本工地产生的余泥渣土在其他建筑工程项目中的使用，为此日本政府建立了一个“余泥渣土公私有効利用匹配系统（建設発生土の官民有効利用マッチングシステム，以下简称‘匹配系统’）”，对余泥渣土进行管理，具体操作流程见图5［25］。

施工方通过登录匹配系统将自己的工程信息，包括匹配系统编号、施工单位名称、邮编号码、工程项目所属地、工程属性（新建、更新、拆除等）、是需要土还是外运土情况说明、余泥渣土数量信息精确度（估计数量、计划数量、实际数量）、余泥渣土挖掘施工与结束日期、土质区分（第1、2、3、4 类土和污泥）、余泥渣土数量、施工单位电话号码、项目所属施工单位具体管理部门、管理人员职务、姓名和电子邮箱、余泥渣土挖掘项目名称、是否有临时堆场情况说明、余泥渣土数量最新情报日期、土质情报、是否进行过土壤调查、搬入土预期用途、需求开始期、需求结束期、土壤分析试验结果（重金属污染报告等）。在以上信息被上报后，系统依次按国家、县、市的公共资源、私人公司的次序进行供需方匹配，从而最终实现余泥渣土在施工项目之间的合理利用。同时施工单位必须在施工完成后将计划和实施记录等各项信息至少保存1 a 以上。余泥渣土在经过匹配系统管理后能够在工地之间被合理利用，未被利用的余泥渣土将被运往公众填埋场或余泥渣土回收厂。

图5 余泥渣土公私有效利用匹配系统示意

6 分析与探讨

日本对余泥渣土的管理非常细致，但是由于一些认知体系和实操层面的原因，使得这些管理措施并没有得到很好的实施，从而阻碍了余泥渣土的综合利用，并引发了系列问题，其主要原因如下。

1）余泥渣土按照土壤圆锥指数（Cone Index）进行分类不够合理，土壤圆锥指数是由圆锥指数仪测量得到的参数，有时也称为土壤穿透阻力（Penetration Resistance，PR），是表征土壤紧实度质量性状的一个重要参数，主要作为反映土壤松紧程度的指标。因为土壤类型的多样性，可能出现圆锥指数相同的渣土其成分完全不同的情况，例如土壤圆锥指数同样是400 kN/m2的高岭土和黄褐土，高岭土的经济价值远高于黄褐土。此外土壤中砂石含量的不同也会改变其圆锥指数值。但是如果将以上这两种情况用土壤圆锥指数认定为同类土或非同类土，最后可能将人为地减少回收利用这些渣土本应该带来的更高收益，从而最终降低了施工方或回收利用工厂处理这些渣土的积极性。圆锥指数仅仅是用来计量土壤松紧强度的一个指标，如果路基工程、河堤工程或填海工程等能将所挖出的余泥渣土都消耗掉，那么以上分类方法是可行的。然而，事实上每年仍有超过60%的余泥渣土被送往填埋场进行填埋。虽然一个地区的土壤会因为外力作用、环境因素发生结构或成分的局部改变，但是其土壤的整体成分是大体相同的，如果能从资源的角度按照土壤类型（砂质土、黏质土和壤土）或组成成分（花岗岩、石英砂、黏土等）进行划分，让综合利用方可以通过余泥渣土组成成分对其进行价值估算，综合利用方将更加积极地争取“有利可图”的余泥渣土运往其所在的回收工厂，最终促进余泥渣土的综合利用。

2）余泥渣土一般都取自城市或城市周边，由于农药化肥的使用以及工厂排污对相关土地的污染和扰动，余泥渣土并不适合直接作为天然材料排放，应该将其（除建设污泥外）列入建筑废弃物中，并享受同建筑废弃物一样的补贴和税收优惠。因为不考虑余泥渣土，导致人为缩小了日本建筑废弃物的实际产生量，并放大了建筑废弃物的实际综合利用率，从而对学界进行相关研究、政府制定相关环保政策和资本对综合利用行业进行投资造成误导。从表3～4 可以发现，第1～4 类土的综合利用途径明显不如被列入建筑废弃物的建设污泥（第5 类土）多。

3）余泥渣土的管理条例应提升至日本国家级法律层面，因为都、府、县各自的立法仅是各地方政府对本地产生余泥渣土的限制和对外地余泥渣土的禁入。从而形成了有管理条例地方向无管理条例地方倾倒的不妥做法，一旦被倾倒地的地方政府因为本辖区的余泥渣土发生滑坡或居民投诉，而制定本地区的余泥渣土管理条例，大家就要寻找另一个没有余泥渣土管理条例的地方进行所谓的“内陸受入”。例如东京都和大阪府两个都市圈，应该对余泥渣土的产生和排放做出更严格的限制与管理，鼓励社会资本进入余泥渣土综合利用行业，并禁止余泥渣土运输企业将本地的渣土运往其他地方倾倒的“以邻为壑”的做法。

4） “余泥渣土公私有效利用匹配系统”在细化余泥渣土管理方面做得非常好，但是每一个工地因为余泥渣土土质、数量、运输距离和施工工期的不同，而具有一个自身的“特殊性”，匹配系统并没有将这些“特殊性”抹除掉。因此，在2014 年日本有9.04×106m3余泥渣土被送到填埋场进行填埋的同时，又有2.63×106m3的天然土被挖掘出来用于工程建设［21］。如果能将每一个工地所产生的余泥渣土自身的“特殊性”变为“一般性”，即通过匹配系统参照市场需求先对余泥渣土进行“一般性”的回收，然后利用市场的力量将这些被综合利用的余泥渣土消耗，那么就可以避免一边开采、一边丢弃的矛盾局面。

7 对我国余泥渣土管理与综合利用的启示

随着我国经济的快速发展及城镇化的稳步推进，一些大中城市相继展开了城市轨道交通和地下空间的营造与开发，余泥渣土数量每年以16.2%的速度快速增长［27］，同日本一样我国也遇到了余泥渣土“围城”的问题。2015 年深圳由于余泥渣土滑坡导致79 人死亡的事件［28］影响深远。Zhang等对我国2004—2030 年修建地铁产生的渣土总量进行了预估，推算出按照目前处置方式，仅处理这些余泥渣土就需要消耗（212±25） km2的土地［29］，因此对余泥渣土进行管理与综合利用在我国也显得越来越迫切。但是在余泥渣土综合利用的具体落地上，目前却还没有较详细的指导性文件和措施。

总结日本的经验和教训，得到如下启示：①制定我国自己的余泥渣土分类标准，按照土质类型与组成成分进行分类，各地方政府针对自己辖区的土质类型与余泥渣土产生量确定余泥渣土回收工厂的种类与数量，然后建立相应的标准，并进行规划与投资，同时制定指导性文件时不要限定具体的余泥渣土综合利用后的产品，但要结合材料特性给出一定的方向，强调信息化管理在收集、运输和利用三者间的连贯性、及时性和目的性；②将余泥渣土归纳为建筑废弃物的一种，建立激励机制，对余泥渣土的综合利用采取补贴和税收减免政策，鼓励资本进入余泥渣土综合利用领域；建立环境监测体系，余泥渣土进行填埋检测，避免有害的余泥渣土污染环境；③通过国家立法的方式要求建设方、设计方、施工方从源头开始减量化和资源化处理余泥渣土，最终避免余泥渣土运输企业将本地的渣土运往其他地方倾倒的“以邻为壑”做法；④建立区域性的甚至跨区域性的余泥渣土匹配系统来更好地进行资源的调配，出土方必须在出土前就将可能产出的余泥渣土土质类型、组成成分、数量、出土时间和地点进行登记上报，收土方根据自身需求对余泥渣土收纳进行报价，出土方根据最符合自己利益的情况选择收土方，从而促进全国范围内余泥渣土的利用；⑤鼓励高等院校和科研机构针对余泥渣土的综合利用进行深入的探索和研究，开发关键的通用技术与设备，做到不同特性的余泥渣土能在同一套设备上得到良好的综合利用。