建筑垃圾重金属浸出特性及环境污染风险研究进展

王惠腾,骆辉,掌文浩,蔡冰鑫,杨明宇,秦腾,杨菁,荆肇乾,何宝杰

(1.江苏海洋大学 土木与港海工程学院,江苏 连云港 222005;2.南京林业大学 土木工程学院,江苏 南京 210037;3.重庆大学 建筑城规学院,重庆 400044)

据统计,在2012～2020年,我国建筑垃圾的排放量在不断增加,约占城市垃圾总量的30%～40%[1],预计到2022年,建筑垃圾年产量将达35亿t[2],而截止到2020年,建筑垃圾资源化利用率低于10%[3]。据不完全统计,建筑垃圾超过垃圾总量的8成[4],而目前建筑垃圾处理过于简单化,而且清运和堆放过程中引起的粉尘对周围环境造成一定的污染[5],加重了环境治理的难度[6-7]。

法国Roussat等[8]分析制定了可持续发展的建筑垃圾管理策略,Sun等[9]通过浸出实验,在混凝土和水泥混合物中检测到重金属As、Cr、Hg、Zn,并指出建筑垃圾中重金属的污染特征很大程度取决于建筑垃圾的来源,王罗春等[10]研究了在不同降雨条件下建筑垃圾填埋的环境风险,表明建筑垃圾中的重金属风险不容忽视。因此建筑垃圾处理处置过程中重金属污染研究迫在眉睫[11]。

本文将重点针对拆除中产生的建筑垃圾,梳理我国部分地区建筑垃圾中的重金属浓度含量,总结影响建筑垃圾重金属浓度主要因素,阐述了建筑垃圾在实际工程中应用,并对部分地区的建筑垃圾重金属进行生态风险评价,皆在为建筑垃圾在实际工程应用中可能存在环境污染风险研究提供参考。

1 建筑垃圾固体废弃物

1.1 重金属含量

不同地区的建筑垃圾重金属含量有所不同,赵晓红等[12]测量西安市建筑垃圾中重金属含量,研究发现建筑垃圾(砖块)中Zn、Pb的含量变动较大,Zn、Pb的含量范围分别为73～183,15～244 mg/kg,而Cr、Cu、Ni的含量分别为72～131,25～39,41～47 mg/kg,这3种重金属含量稳定;Cd的含量基本都在1 mg/kg以下。崔粲等[13]对商丘市某资源化厂建筑垃圾中重金属进行研究,研究发现Cr,Ni,Cu,Zn,Pb含量的平均值分别为28.62,21.26,11.69,49.43,16.61 mg/kg,以下整理了我国典型地区建筑垃圾重金属含量,见表1。

表1 我国典型地区建筑垃圾中重金属离子总含量(mg/kg)Table 1 Total content of heavy metal ions in construction waste in typical areas of China

1.2 建筑垃圾再生骨料浸出特性

影响建筑垃圾中重金属污染释放特征的因素较多,主要包括再生料的粒径大小,浸提剂的液固比和pH值,以及实验时的温度[14]。

1.2.1 pH值对建筑垃圾重金属浸出性影响 一般,酸雨强度的划分主要是基于酸雨的定义(一般降雨pH<5.6称为酸雨,pH<4.5 称为重酸雨)和大多数模拟实验酸雨pH的取值范围[15]。建筑垃圾中的重金属在酸雨的作用下会被溶出,会给生态环境带来危害,间接或直接影响到人们的身体健康[16]。为了有效研究建筑垃圾用于“海绵体”建设等实际工程应用是否会对土壤形成一定危害,研究时会选择不同pH值的浸出液。

李瑞琴等[17]采用浸出扩散实验,研究西安居民小区拆迁产生的建筑垃圾中典型重金属污染物浸出扩散行为。研究发现当扩散浸提溶液pH=3时,Cr扩散释放浓度为0.012 mg/L,当扩散浸提溶液pH=5,7时,Cr扩散浓度快速下降。杜鑫[18]采用水槽实验法研究某地废弃混凝土中重金属浸出性,当盐酸溶液pH=1时,Cr浸出量为0.03 mg/L、Cu的浸出量为0.065 mg/L、Pb浸出量为1.7 mg/L、Cd浸出量为0.06 mg/L,Ni浸出量低于检限值(0.001 mg/L)、Zn最大浸出量0.37 mg/L,当盐酸溶液pH=3时,Cr浸出量低于检限值(0.005 mg/L)、Cu的浸出量为0.027 mg/L、Pb的浸出量0.004 mg/L、Cd浸出量为0.01 mg/L,Ni浸出量低于检限值(0.001 mg/L)、Zn浸出量低于检限值(0.001)mg/L。李丽华等[19]对实际工地产生建筑垃圾中重金属进行柱浸出实验,研究发现Cd、Ni和Pb随着pH值的升高,它们的平衡浓度降低;Cr的浸出浓度随着pH值的增高而上升;Cu和Zn的浸出浓度随着pH值的增大先是降低然后上升,呈开口向上抛物线。Galvin等[20]研究表明再生料中重金属的释放量和pH值呈负相关,并且对环境的影响很小。

可以发现,建筑垃圾中大部分重金属浸出量与pH值呈正相关,一些重金属离子浸出性在酸性较强的情况下将会增大[21]。

1.2.2 液固比对含有重金属的建筑垃圾浸出影响 浸提剂的体积对组分的浸出是有作用的,关系到浸出组分总量,影响浸出液中的最终浓度。这种关系通过液固比(US)来控制。李丽华等[19]通过柱浸出实验,研究建筑垃圾不同液固比下重金属浸出特性,研究发现随着液固比的变化,当液固比增大时,Cr和Pb的含量也随之增大,Cd和Zn的含量变化范围不大,在混凝土骨料中浓度变化范围分别为0.058～0.064,1.35～1.50 mg/kg;Cu和Ni的浸出率与液固比呈负相关。

Garrabrants等[22]研究表明液固比≤2时,再生水泥砂浆中重金属的浸出浓度与液固比呈负相关,并且下降较快。杨昱等[23]研究不同液固比条件下的重金属释放特征,研究发现当液固比在较低范围内时,此时提高液固比,重金属的浸出浓度下降较慢,Cr的浸出浓度较大,基本保持在2 500 μg/L左右,而As较小为5～6 μg/L。谭中欣等[24]的研究结果表明,随着液固比增加(10∶1升至20∶1),大部分重金属浸出率提高,其中Cd浸出率提升最多,由23%增至36%。

1.2.3 粒径大小以及温度对含有重金属的建筑垃圾浸出影响 崔素萍等[25]通过模拟德国水槽实验法,分析了不同粒径对重金属离子浸出性的影响,见表2。结果表明,当粒径小于0.15 mm时,重金属的浸出性无明显变化,当粒径大于1 mm时,重金属的浸出性减少,其中Zn的浸出量最大。

表2 不同粒径建筑垃圾中重金属的浸出性(mg/kg)Table 2 Leaching ability of heavy metals in construction waste with different particle sizes

尚小娟等[26]采用淋洗法,研究了建筑垃圾再生料中重金属在不同温度与模拟酸雨条件下的淋溶特征,测定了5种重金属(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb)在不同温度和pH值条件下淋洗液的淋出率,研究表明,重金属淋出率在pH值为4,温度为30 ℃时最大,淋出率分别为51.95%,223.63%,30.37%,299.61%,0.79%。

2 建筑垃圾资源化利用环境安全性研究

2.1 建筑垃圾用于再生产品

崔粲等[13]采用富集因子法和浸出毒性实验来确定商丘市再生产品重金属污染程度,再生产品中,Cr,Ni,Cu,Zn,As,Pb,Hg含量的平均值分别为43.34,29.58,17.01,63.65,4.59,25.74,0.059 mg/kg,其中,Ni和Pb的平均含量高于背景值;Cr,Cu,Zn,As和Hg的平均含量均低于背景值。再生产品中,所有元素富集程度均在显著富集及以下,再重金属Hg是主要污染因子,其次是Ni。再生产品原材料中重金属存在显著及以上富集程度的概率为5.19%,再生产品为3.17%,较前者有所下降,说明建筑垃圾作为再生产品资源化利用时有利于环境安全。

2.2 建筑垃圾用于海绵体建设

当建筑垃圾在用于地下储水池或者雨水花园底部填料时,其将长期淹没于雨水中[27-30],一旦建筑垃圾内部污染物进入到外部水体,可能会导致储存雨水污染加重。

李瑞琴等[17]研究西安建筑垃圾中重金属污染扩散行为,发现除了铁路沿线所取样本中Cu和Cr的扩散释放浓度(0.08,0.19 mg/L)高于初期雨水中重金属的浓度以外,其他建筑垃圾中重金属(Pb、Cd)的扩散浓度都是满足要求,不会对雨水造成污染。

傅妍榕等[31]研究发现,对土壤重金属含量的影响方面,建筑颗粒废弃物、松树皮颗粒、白色鹅卵石、陶粒均能够作为覆盖材料在城市建设中安全使用,其中效果最好的是建筑颗粒废弃物,建筑垃圾颗粒相较于其他覆盖材料有利于保持表层土壤温湿度平衡且季节差异影响不大,还能节约绿化成本减少垃圾污染;施用建筑垃圾颗粒对土壤理化性质整体影响不大,不会产生重金属污染,并且基于人工模拟上海地区降雨特征,运用正交实验分析不同结构的雨水花园对降雨径流水文特征的影响结果表明建筑垃圾颗粒相较于沸石填料有利于极端暴雨天气时加速城市下垫面排水速率,增加雨水花园蓄水率,降低径流重金属含量;将建筑垃圾颗粒应用于雨水花园中不会使径流富营养化或产生重金属污染。

2.3 建筑垃圾用于公路建设

建筑垃圾是指建设单位或者施工单位在改建、扩建以及拆除各类城市公用与民用建筑物等以及在房屋装饰装修过程中所产生的各种废弃材料和其它多种废弃物[32],如果能合理利用于道路工程的建设,不仅节省资金[33],也可以缓解建筑垃圾乱堆乱放带来环境问题的现状。

陈宇云等[34]对西安建筑垃圾中的重金属进行污染风险评估,研究发现建筑废弃物(混合样、砖样)中部分重金属(Cd、Zn)有超标现象,超标率在12.5%～14.3%,混凝土样品无超标现象,对比土壤环境质量标准,超标不多,用于公路路基建设环境风险不大。赵晓红等[12]分析西安建筑垃圾中重金属含量进行污染评价,发现尽管个别样品Cd、As、Cr、Zn的全量超出标准、其中混凝土中As的平均质量分数为78 mg/kg,除混合样中Cd小于土壤三级标准(1 mg/kg),其他样品中的Cd均高于1 mg/kg,但实际使用中可能只有少量溶解态滤出,并不会对环境造成较大危害。

刘佳蓓等[35]为了探究建筑垃圾骨料作为渗透性路面底基层替代材料的适用性,对建筑垃圾中重金属进行污染评价,研究测得建筑垃圾中重金属(Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、Ni)浸出浓度分别为0.062 5,0.774,0.021,0.017 5,1.396,0.075 mg/kg,都满足土壤环境质量标准。

3 建筑垃圾浸出重金属潜在风险评价

重金属在土壤中具有潜在的、长期的、累积的及不可逆的特点[36],因此,在了解不同地区土壤重金属含量的基础上,必须对建筑垃圾中重金属污染进行评价分析[37]。

3.1 潜在生态指数法

Hakanson[38]提出潜在生态风险指数法(RI)用于评价重金属对环境的潜在危害,能够较好地评估土壤中重金属的潜在生态环境风险[39]。

以商丘市建筑垃圾为研究对象,通过潜在生态指数法分析了7种重金属Cr,Ni,Cu,Zn,As,Pb,Hg的污染特征,研究发现建筑垃圾中,7种重金属元素潜在风险指数平均值大小为Hg>Ni>Pb>As>Cu>Cr>Zn,单项潜在生态危险指数平均值分别为73.35,3.93,3.32,3.12,2.34,0.82,0.62,参照潜在生态危害指数评价标准,见表3,Hg存在中度生态风险,其他重金属均为轻微生态风险,研究区域所有样品的综合潜在生态风险指数(RI)平均值为84.99,属于轻度生态危害水平。

表3 重金属潜在生态危害指标Table 3 Potential ecological hazards of heavy metals

以成都市建筑垃圾中重金属为研究对象,通过潜在生态指数法分析Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6种重金属元素潜在风险指数大小为Cd>Cu>Pb>Ni>Zn>Cr,单项潜在生态危险指数分别为90.91,6.67,4.58,2.64,1.17,1.06,Cd存在较强生态风险,其他重金属均为轻微生态风险,研究区域样品的综合潜在生态风险指数(RI)值为107.03,属于轻度生态危害水平[40]。

以北京市建筑垃圾中重金属为研究对象,通过潜在生态指数法分析Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6种重金属元素潜在风险指数大小为Cd>Cu>Pb>Cr>Ni>Zn,单项潜在生态危险指数分别为100.84,5.62,3.65,2.15,1.87,0.80,Cd存在较强生态风险,其他重金属均为轻微生态风险,研究区域样品的综合潜在生态风险指数(RI)值为114.93,属于轻度生态危害水平。

计算并整理我国部分地区建筑垃圾重金属潜在风险指数,见表4。

表4 我国部分地区重金属潜在生态污染指数Table 4 Potential ecological pollution indices of heavy metals in some regions of China

3.2 地累积指数法

地累积指数[41-42](Igeo)通常称为Muller指数,不仅考虑了自然地质过程造成的背景值的影响,而且也充分注意了人为活动对重金属污染的影响。

通过地累积指数法分析商丘市建筑垃圾中重金属Cr,Ni,Cu,Zn,As,Pb,Hg的污染特征,7种重金属元素地累积指数大小为Hg>Ni>Pb>Zn>Cu>Cr>As。Cr,Ni,Cu,Zn,As,Pb的地累积指数都在0～1之间,分别为0.27,0.52,0.31,0.41,0.21,0.44,参照地累积指数评价标准,见表5,属于轻度污染,Hg的地累积指数在1～2之间,其值为1.23,属于中度污染,整体属于轻度污染[43]。

表5 地累积指数与污染水平Table 5 Accumulation index and pollution level

通过地累积指数法分析成都市建筑垃圾中重金属Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6种重金属元素地累积指数大小为Cd>Cu>Zn>Pb>Cr>Ni。Cr,Cu,Ni,Pb,Zn地累积指数都在0～1之间,分别为0.35,0.89,0.35,0.61,0.78,属于轻度污染,Cd的地累积指数在2～3之间,其值为2.02,属于重度污染,整体属于轻度污染。

通过地累积指数法分析北京市建筑垃圾中重金属Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6种重金属元素地累积指数大小为Cd>Cu>Cr>Pb>Zn>Ni。Cr,Cu,Ni,Pb,Zn地累积指数都在0～1之间,分别为0.72,0.75,0.25,0.49,0.53,属于轻度污染,Cd的地累积指数在2～3之间,其值为2.24,属于重度污染,整体属于轻度污染。

计算并整理我国部分地区建筑垃圾重金属地累积指数,见表6。

表6 我国部分地区重金属地累积污染指数Table 6 Cumulative pollution indices of heavy metals in some parts of China

3.3 内梅罗指数法

为了全面评价建筑垃圾重金属污染状况,在单因子污染指数分析的基础上引入内梅罗综合污染指数法,同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响[44-45]。

通过内梅罗指数法分析商丘市建筑垃圾中重金属Cr,Ni,Cu,Zn,As,Pb,Hg的污染特征,7种重金属元素单因子污染指数大小为Hg>Ni>Pb>Zn>Cu>Cr>As。Cr,Cu,Zn,As,Pb的单项指数都在0～0.7之间,分别为0.66,0.61,0.46,0.41,0.31,参照内梅罗指数评价标准,见表7,说明重金属Cr,Cu,Zn,As,Pb含量符合标准,污染等级处于安全状态,土壤较为清洁,Ni的单项指数在0.7～1之间,其值为0.78,处于尚清洁状态,接近安全警戒线值,Hg的单项指数在1～2之间,其值为1.84,污染水平属于轻度污染,内梅罗综合指数为1.40,在1～2之间,整体属于轻度生态危害水平[46]。

表7 土壤污染分级标准Table 7 Classification standards of soil pollution

通过内梅罗指数法分析成都市建筑垃圾中重金属Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6种重金属元素单因子污染指数大小为Cd>Cu>Zn>Pb>Cr>Ni。不同重金属污染程度存在明显的差异,Cr,Ni的单项指数都在0～0.7之间,分别为0.528,0.527,参照内罗梅指数评价标准,见表8,说明重金属Cr,Cu,Zn,As,Pb含量符合标准,污染等级处于安全状态,土壤较为清洁,Pb的单项指数在0.7～1之间,其值为0.92,处于尚清洁状态,接近安全警戒线值,Cu、Zn的单项指数在1～2之间,值分别为1.33,1.17,污染水平属于轻度污染,Cd的单项指数大于3,其值为3.03,属于重污染,内梅罗综合指数为2.32,在2～3之间,属于中度生态危害水平。

表8 我国部分地区重金属内梅罗综合指数Table 8 Nemerow composite index of heavy metals in some regions of China

通过内梅罗指数法分析北京市建筑垃圾中重金属Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的污染特征,6种重金属元素单因子污染指数大小为Cd>Cu>Cr>Zn>Pb>Ni。Ni的单项指数在0～0.7之间,其值为0.37,参照内罗梅指数评价标准,见表8,说明重金属Ni含量符合标准,污染等级处于安全状态,土壤较为清洁,Zn、Pb的单项指数在0.7～1之间,分别为0.73,0.80,处于尚清洁状态,接近安全警戒线值,Cr、Cu的单项指数在1～2之间,分别为1.07,1.12,Cd的单项指数大于3,其值为3.36,属于重污染,内梅罗综合指数为2.23,在2～3之间,属于中度生态危害水平。

计算并整理我国部分地区建筑垃圾重金属单项指数以及内梅罗综合指数,见表8。

4 总结和展望

(1)建筑垃圾中重金属离子的浸出受浸出液pH值的影响较大,实验结果表明在酸性较强的情况下,大部分重金属离子浸出性会增大;另有研究证明有些重金属离子浸出浓度与pH值的增高呈正相关(如Cr),也有些重金属离子具有两性浸出,在极端的酸性和碱性pH值时浓度升高(如Cu和Zn)。实验过程中原材料的粒径大小、液固比、温度都会影响实验结果,故关于pH值对建筑垃圾重金属的影响还有待继续研究。

(2)建筑垃圾作为再生产品资源化利用时生态风险水平低,重金属释放量低于土壤环境值标准,不会对土壤产生危害;建筑垃圾再生骨料在“海绵城市”建设中,其重金属含量满足对材料环境指标要求,不会产生重金属污染,并且建筑垃圾颗粒相较于其他覆盖材料有利于保持表层土壤温湿度平衡;在路基填筑方面,建筑垃圾再生骨料有着良好的应用,但针对可能存在的污染物迁移,现有工程中很少有采取防范措施。

(3)通过地累积指数法、潜在生态风险指数法,综合分析评价部分城市建筑垃圾重金属污染状况,发现除部分重金属(Cd、Hg、Pb)在个别地区存在生态风险,其他重金属含量都属于轻度污染。建筑垃圾重金属环境污染风险在不同地区有所不同,但整体都满足要求。关于建筑垃圾重金属生态风险评价的研究较少,应加大相关研究,为建筑垃圾资源化利用提供更好的依据。