轻度重金属污染土壤的建材资源化及其环境影响

唐文欣，赵荣萱，陈云嫩

（江西理工大学江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西 赣州 341000）

土壤在人类的生存和发展中都起着重要的作用，是人类赖以生存的重要自然资源。随着经济社会的发展，土壤重金属污染问题日益凸显。资料显示，我国耕地受到中、重度污染的面积已超过33 300 km。富集因子（EF）法是评价环境污染的有效工具，EF是评价土壤中重金属富集程度的参数。当EF为1～2时，土壤为轻度污染；当EF为2～5时，土壤为中度污染；当EF≥5时，土壤为重度污染。《全国土壤污染状况调查公报》（2014年）显示，土壤污染超标率为16.1%，其中，重度污染、中度污染、轻度污染和轻微污染的比例分别为1.1%、1.5%、2.3%和11.2%。人类活动（采矿、冶金、污水灌溉、畜禽养殖）是造成并加剧土壤重金属污染的最主要原因。重金属的隐蔽性、长期性和不可逆性等特点使其在土壤中难以消除，过量沉积重金属的土壤具有肥力低、农产品重金属含量超标等表现，通过食物链的传递作用，进一步危害人体健康。由于土壤污染问题的复杂性，国家对污染土壤修复进行了严格的把控。

1 国内外重金属污染土壤修复手段及资源化途径

纵观国内外的重金属污染土壤修复方法，其主要分为去除化和稳定化两种形式。去除化是指将重金属从土壤中脱离出来，以降低土壤中重金属浓度；稳定化则是通过改变土壤中重金属的存在形态，降低土壤中有效重金属含量。固化稳定化、土壤淋洗、植物修复、热脱附、电动修复等都是主流的重金属污染土壤修复技术。不同程度的重金属污染土壤会利用不同的方法进行修复。客土法、深耕翻土法等针对整体污染程度轻微且浅层重金属含量高于深层的受污土壤；修复污染程度较高的局部土壤则常利用土壤淋洗等方法。由于各种修复方法的局限性，可以结合实际的土壤修复需求与受污情况，采用联合修复技术，突破局限，实现优势互补。

目前已有研究尝试使用处理后的轻度重金属污染土壤制作建材或将其应用于林地，并获得了成功。轻度重金属污染土壤修复后，常用的资源化利用途径有水泥窑协同处置、回转窑协同生产生态水泥、制作砖材、制作陶粒，其还可用作路基填料、绿化土壤等。但国内部分企业过度重视原有污染场地的净化，而不重视迁移后的土壤是否会造成二次污染。

近年来，黏土制砖的明令禁止给轻度重金属污染土壤的资源化利用提供了新思路。将轻度重金属污染土壤作为原料制作砖材，不仅可有效地处置和利用轻度重金属污染土壤，还可减少黏土的使用，更好地实现无废城市建设所倡导的减污降耗目标。

2 材料与方法

赣州某锡业企业利用锡矿石作为原料，冶炼加工有色金属矿产品（除混合氧化稀土、金、银、盐及放射性矿产品），制成精锡锭、焊锡粉，并进行单一稀土氧化物和稀土共沉氧化物及其衍生物的生产。赣州某冶金化工企业利用无机盐制成系列产品，如工业用氯化钴、硫酸钴、草酸钴，并利用金属制作金属材料、生铁和炉料。两家企业的土壤均受到不同程度的重金属污染，其污染因子主要为砷（As）、铬（Cr）、铅（Pb）、镉（Cd）等。将轻度重金属污染土壤与中、重度重金属污染土壤分开后，运至与两企业相邻的赣州某新型墙材企业作为原料，进行资源化利用。

2.1 制砖原料及组成

制砖原料主要由轻度重金属污染土壤和页岩土组成，其重金属含量如表1所示。原料所含矿物类别和化学组成对烧结砖的性能及寿命有极大的影响。研究表明，蒙脱石含量过高的烧结砖将会产生较多裂纹；石灰石含量较高的产品易出现爆裂；硫化镁等含硫物含量过高则会造成制品泛白霜等。因此，使用原料前应确保原料组分含量合适。经试验，最终确定将轻度重金属污染土壤与页岩土（或煤矸石、基坑土）以3∶7的质量比混合制得砖坯后，烧制烧结页岩多孔砖产品。

表1 轻度重金属污染土壤中重金属含量

2.2 制砖工艺流程及产污节点

烧制多孔砖过程中排出的废气暂时使用企业原有环保设施进行处理。为了减小制造建材产品产生的二次污染，该新型墙材企业正在升级废气处理装备，采用钠碱法脱硫除尘除重金属工艺。具体工艺流程及产污节点如图1所示，预处理房+喷淋塔+管束除尘器进行尾气脱硫除尘、重金属处理，使SO、烟尘、重金属废气达标排放。经废气处理设备升级改造设计单位预测，焙烧过程中产生的含重金属废气经烟气脱硫除尘除重金属设施处理后（处理效率为90%），通过30 m高排气筒排放。

图1 轻度重金属污染土壤制砖工艺流程及产污节点

轻度重金属污染土壤制砖过程中，重金属、废气的排放浓度及排放速率均满足《大气污染物综合排放标准》（GB 16297—1996）、《砖瓦工业大气污染物排放标准》（GB 29620—2013）的相关要求；处理废气时喷淋循环水，不外排。

2.3 建材产品的浸出毒性

根据资质单位出具的检测报告，样品按照《烧结多孔砖和多孔砌块》（GB 13544—2011）、《绝热 稳态传热性质的测定 标定和防护热箱法》（GB/T 13475—2008）、《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566—2010）来检测都满足建材产品的要求。同时，该建材产品满足《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007）的标准限值等环保要求，如表2所示。

表2 建材产品的浸出毒性

2.4 重金属元素平衡分析

为了明确轻度重金属污染土壤在建材资源化过程中的重金属去向，对其中重金属进行元素平衡分析，结果如表3所示。投入量和产出量均是指重金属元素，投入物料为重金属污染土壤，产出有成品砖（100 kg）、喷淋后的废气、喷淋废水，分别编号为1、2、3。除尘脱硫后废水采用石灰乳将重金属固化沉淀，沉淀后的废渣交由有危废处置资质的专业企业处理。

表3 元素平衡分析结果

2.5 重金属元素固化原理剖析

烧结就是指粉末或粉末压坯在适当温度（低于其主要成分熔点）、气氛下受热，借助原子迁移实现颗粒连接，从而获得具有一定组织和性能的材料或制品。重金属污染土壤经高温焙烧后，有机质挥发，其含有的重金属将转变为化学性质不活泼的形态，经过物理吸附于颗粒表面、与其他离子通过配位作用形成沉淀或络合物、被新形成的晶体或聚合物包裹等过程，减小重金属在环境中迁移和转换的能力，同时阻挡重金属元素与周围环境的接触和交换，将重金属元素固化于结构中，从而降低重金属毒害。

3 结论

烧结页岩多孔砖产品等的制备对污染土壤中重金属的资源化效果十分可观。对于制砖过程产生的废气、废渣等，企业不断改进处理装置，避免生产资源时产生二次污染，环境污染小。利用轻度重金属污染土壤作为原料制砖，其成功实践可以推进我国重金属污染土壤再利用研究，具有重要的社会效益。如今，我国环境治理的“三大战役”（水、大气和土壤污染防治）全面启动，而土壤修复治理难度大，成本也高，将修复过的土壤进行资源化利用，可以减少修复成本，同时符合要求的资源化产品能够产生极大的经济效益。