轻度重金属污染土壤建材资源化及其环境影响

徐佳丽，黄国蕾，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）

2014年4月发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤环境状况总体上不容乐观，耕地土壤环境质量令人担忧。耕地土壤的点位超标率为19.4%，其中重度、中度、轻度和轻微点位超标比例分别为1.1%、1.8%、2.8%和13.7%[1]。2015年6月发布的《中国耕地地球化学调查报告（2015年）》的调查土地面积共计150.7万km2，其中涉及耕地13.86亿亩。调查显示，重金属中-重度污染的耕地面积为3 488万亩，占调查点位的2.5%，轻微-轻度污染的耕地面积为7 899万亩，占调查点位的5.7%[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。

重金属污染物毒性大，沿着食物链逐渐富集，极大地危害人民群众的生命安全[3]。土壤重金属污染问题不容忽视，简单的固化/稳定化、淋洗处理费时费力，还易造成二次污染，浪费宝贵的土壤资源[4]。热处理法具有极高的重金属固化/稳定化效果，其产品还是重要的人造建材[5]，但污染土壤建材资源化过程重金属的环境影响也不容忽视。

1 重金属污染土壤评价

土壤中的重金属污染物主要是指含汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、镍（Ni）、钴（Co）、锡（Sn）以及类金属砷（As）等的污染物。目前广泛使用地累积指数（Igeo）评价土壤重金属污染程度，Igeo值计算公式为

式中：Cn为土壤中重金属n的实测含量，mg/kg；Bn为重金属n的土壤元素背景值，mg/kg。

地累积指数可分为7个级别。Igeo＜0，污染级别为0级，表示无污染；0≤Igeo＜1，污染级别为1级，表示轻度污染；1≤Igeo＜2，污染级别为2级，表示中度污染；2≤Igeo＜3，污染级别为3级，表示中度污染到强污染；3≤Igeo＜4，污染级别为4级，表示强污染；4≤Igeo＜5，污染级别为5级，表示强污染到极强度污染；Igeo≥5，污染级别为6级，表示极强污染[3]。本文的研究对象是轻度重金属污染土壤，污染级别为1级。

2 重金属污染土壤建材资源化研究现状

将重金属污染土壤变废为宝，实现污染土壤建材资源化是当下的研究热点之一。最常用的资源化方式是热处理法，将大多数重金属固定在产品中。目前，烧结砖是最常见的土壤烧结建材。

陶亮等[6]在处理电镀厂搬迁场地的重金属污染土壤时，对重金属超标土壤采用基于矿物晶体结构的异位固化处置，以黏土为基质，使污染土壤与黏土充分混合后压制焙烧成砖。崔长颢等[7]发现，重金属污染土壤SiO2、Al2O3和Fe2O3含量与页岩原料相似，可以用作页岩原料的替代，制造出质量合格的烧结砖。不只是烧结砖，类似的资源化方式还有制作烧结陶粒。重金属污染土壤的大多数性质与原始土壤基本相同，多数土壤可以通过煅烧生产陶粒产品，故以其为原料制造陶粒是切实可行的。土壤中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO+MgO和K2O+Na2O在陶粒材料的生产中起重要作用[8]。通常以煅烧方式制作陶粒，烧结温度在1 200 ℃左右，土壤颗粒膨胀形成陶粒[9]。刘贤力等[10]在重金属污染土壤中添加土壤量4%的凹土，稳定化45 d后，通过回转窑生产得到合格的陶粒产品。FAN等[11]以铬污染土壤为原料，在1 180 ℃温度下通过煅烧成功制得陶粒。制造轻质骨料（LWA）的原材料的化学成分在很大程度上影响它们的膨胀[12]，而重金属污染土壤含有较多的Si、Al和Fe，是烧制LWA的理想材料。使用重金属污染土壤制备LWA具有显著的环境价值，重金属污染土壤的高效回收处置能够保护珍贵的土壤资源[13]。使用重金属污染土壤制造轻质骨料也是切实可行的。GAO等[14]以锌污染土壤作为原料，成功制作出符合标准的具有高抗压强度但低密度的LWA。蹇守卫等[15]在冶金厂搬迁场地重金属污染土壤中加入铜的氧化物，烧结后得到合格的LWA。

3 轻度重金属污染土壤制砖试验研究

烧结砖在中国已有3 500年的历史，但传统制砖工艺以黏土为原材料，毁坏大量的农田，消耗了大量的不可再生能源[16]。本文以江西省赣州市某矿业冶金企业场地污染土壤为研究对象，探讨轻度重金属污染土壤建材资源化的环境影响。本项目采用掺混制砖的方法处置污染土壤，在确定具体方案时，为了将掺混比例控制在合理范围，把掺混土壤对成品砖质量的影响降到最低，同时将重金属含量稀释至较低值，设置了4个工况。按不同污染土壤掺混比例制作砖坯，4个工况分别记为B1（轻度重金属污染土壤含量10%）、B2（轻度重金属污染土壤含量20%）、B3（轻度重金属污染土壤含量30%）和B4（轻度重金属污染土壤含量40%）。

3.1 工艺流程及安全性分析

本项目采用掺混制砖的方法处置轻度重金属污染土壤，其烧结工艺如图1所示。将轻度重金属污染土壤与页岩等原料按一定比例混合制作砖坯，经干燥、焙烧等工序，成砖出窑。窑炉废气采用钠碱法脱硫除尘除重金属工艺，进行尾气脱硫除尘、重金属处理，使粉尘、SO2、重金属废气达标排放。脱硫除尘和重金属处理后，废水中重金属采用石灰乳进行固化沉淀分离，沉淀后的废渣由具有危废处置资质的专业企业处理。

图1 烧结工艺流程

从烧结工艺流程分析，采用掺混制砖的方法处置污染土壤，其重金属最终去向主要有两种。一是进入砖体内；二是在窑烧过程中以气体形式排放，被废气处理设施部分截留，最终进入循环水、废渣以及大气。因此，烧结砖烧结和使用过程的环境安全性分析主要从3个方面进行探讨：通过对比不同工况下样品砖的重金属含量及浸出重金属浓度，确定污染土壤最佳掺混比例；对成品砖进行重金属毒性浸出试验，确定其使用时的浸出风险；进行重金属衡算，明确处理过程的重金属迁移情况。

3.2 土壤重金属固化效果

3.2.1 分析方法

4 种工况分别采集成品砖样品进行检测，采用电感耦合等离子体发射光谱仪（型号ICP-5000）检测铬、铅2种重金属含量，采用双道原子荧光光度计（型号AFS-2202E）检测砷含量。

3.2.2 样品砖重金属含量分析

本项目采用掺混制砖的方法处置污染土壤，污染土壤的重金属含量如表1所示，其标准限值参照《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 36600—2018）的二类筛选值。样品砖中重金属砷、铬、铅的含量分析结果如表2所示。随着原料中轻度重金属污染土壤掺混比例的提高（从B1到B4），烧结砖样品中，砷含量先上升后下降再上升，铬含量先下降后上升再下降，铅含量先升再降。从表2数据可知，B3样品砖对砷、铬、铅3种重金属的固定效果最好。

表1 土壤中重金属含量检测结果

表2 样品砖中重金属含量检测结果

3.2.3 烧结砖产品检测

综合表1、表2数据，拟采用B3工况，即以30%轻度重金属污染土壤配70%页岩制作砖坯，对烧制产品进行检测。烧制产品满足《烧结多孔砖和多孔砌块》（GB/T 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）和《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566—2010）的相关要求。

3.2.4 浸出重金属含量

由表3可见，随着原料中轻度重金属污染土壤掺混比例的提高（从B1到B4），样品砖浸出液中，砷和铬的浓度变化趋势类似，皆先升后降再升；铅含量呈上升趋势，从检出限（0.03 mg/L）以下上升到0.10 mg/L。B3工况下，污染土壤重金属处理量较高，同时重金属浸出毒性较低，其检测值远低于《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007）的标准限值，建材资源化对轻度重金属污染土壤的处置效果最好。

表3 样品砖浸出液检测结果

3.3 重金属迁移研究

以轻度重金属污染土壤（密度按2.5 g/cm3计）为原料进行掺混制砖，采用B3工况（30%轻度重金属污染土壤配70%页岩）制作砖坯。根据表1、表2及土壤配比，估算制砖过程的重金属有效固化率。砷固化率为22%，铬固化率为100%，铅固化率为61%。烧结过程中产生的烟气经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。烧结过程烟气中重金属排放情况如表4所示，排放浓度满足《危险废物焚烧污染控制标准》（GB 18484—2020）和《大气污染物综合排放标准》（GB 16297—1996）。以1 m3轻度重金属污染土壤为样品，重金属平衡分析如图2所示。

表4 烟气中重金属排放情况

图2 重金属平衡分析

4 结语

目前，土壤重金属污染问题备受关注，对轻度重金属污染土壤进行建材资源化具有重大意义。轻度重金属污染土壤本质上是部分重金属元素含量超过安全阈值的天然土壤，在代替黏土生产建筑材料方面具有天然的优越性。本文采用轻度重金属污染土壤，按一定比例进行掺混制砖，不仅使污染土壤资源化，还变废为宝，增加经济效益。烧结砖满足《烧结多孔砖和多孔砌块》（GB/T 13544—2011）的相关产品要求，其浸出重金属浓度显著低于标准限值。