建筑垃圾中典型污染物擴散浸出行為研究

李瑞琴, 楊雄兵,陳 磊

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

近年來，隨著中國經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程加快，城市基礎設施建設、維修、拆除中產(chǎn)生的建筑垃圾產(chǎn)生量與日俱增。受經(jīng)濟和技術條件的限制，我國建筑垃圾的“資源化”利用率僅5%～10%左右，大量未能利用的建筑垃圾只能露天堆放，導致占用大量土地資源，引發(fā)各類環(huán)境污染問題。因此，如何對建筑垃圾進行“資源化”利用，已成為城市管理部門亟需解決的問題。

目前，建筑垃圾“資源化”主要是把建筑垃圾中的磚石和混凝土等制作成再生骨料。已有研究表明[4-7]，建筑垃圾再生集料的力學性質與天然集料相近，已經(jīng)成功用于路基填筑、軟弱地基處理等土建工程中。因其具有良好的滲透性和孔隙率，是海綿城市建設中一種潛在的“海綿體”建設材料。其中底部建筑垃圾再生集料作為蓄水層，上部級配建筑垃圾再生料輔以特殊草類植物作為“過濾層”。

當建筑垃圾在用于地下儲水池或者雨水花園底部填料時，其將長期淹沒于雨水中[8-12]。由于建筑垃圾試樣內部存在一定的裂隙或孔隙，雨水將通過建筑垃圾的裂隙和孔隙進入到建筑垃圾內部。此時，建筑垃圾集料內部的污染物將從固相溶解進入液相，并通過分子擴散的方式從建筑垃圾的內部逐漸向外部遷移。一旦建筑垃圾內部污染物進入到外部水體，將增加“海綿體”儲存的雨水中污染物的濃度，導致儲存雨水污染加重。為評價建筑垃圾在“海綿體”建設中可能存在的環(huán)境風險問題，本文采用浸出擴散試驗，分析了建筑垃圾中典型重金屬污染物擴散浸出行為。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

根據(jù)HJ/T 20-1998《工業(yè)固體廢物采樣制樣技術規(guī)范》選擇有代表性的建筑拆除場地進行采樣。根據(jù)調查，發(fā)現(xiàn)建筑垃圾中可用作“海綿體”填料的

主要成分為廢磚塊和廢混凝土，所以在取樣時主要收集這2種材料。試驗所用建筑垃圾取自3個采樣點：西安市環(huán)城路附近老舊建筑某拆遷現(xiàn)場(20世紀后期建筑)、西安市近郊村鎮(zhèn)近期建筑某拆遷現(xiàn)場(近30a內建筑)以及長期受污染建筑某拆遷現(xiàn)場(隴海鐵路與星火路交叉處長期與粉塵和有害氣體接觸建筑)，上述采樣均為居民小區(qū)建筑拆遷產(chǎn)生的建筑垃圾，除鐵路附近建筑長期受鐵路運輸過程中產(chǎn)生的粉塵和機車排放氣體污染較多外，其他兩處周邊均無明顯污染源，采樣地區(qū)、現(xiàn)場采樣照片和采樣數(shù)量見圖1、圖2和表1。

圖1 建筑垃圾采樣點位置(西安市)

圖2 建筑垃圾現(xiàn)場取樣照片

表1 各采樣點采樣數(shù)量表

采樣后，將樣品運送到實驗室。使用不銹鋼油灰刀將建筑垃圾表面的抹灰等浮土去掉，隨后使用破碎機將樣品破碎、分揀及篩分處理，選取顆粒粒徑2～10 mm集料待用。

使用巖石切割機將廢磚塊和廢混凝土塊切割成5.0 cm×5.0 cm×5.0 cm(長×寬×高)的立方體，切割完成后的試樣如圖3(a)和圖3(b)所示。使用蒸餾水將試樣表面浮土清洗干凈，然后將試樣放置在實驗室內自然晾干，待用。

圖3 切割完成后試樣

1.2 試驗方法

試驗中擴散溶液使用濃硫酸和濃硝酸混合溶液配制，質量比為2∶1。設置pH=3.0、pH=5.0和pH=7.0三個不同梯度的擴散浸提溶液。

擴散試驗參考ASTM C1308-08和EANEN7371進行。試驗中將擴散浸提溶液的體積與建筑垃圾試樣的表面積之比設定為10∶1(mL/cm2)；因為建筑垃圾的表面積為150 cm2，所以本研究中使用的擴散溶液的體積設定為1 500 mL。試驗步驟如下：

(1) 將配制好的擴散浸提溶液注入體積為2 L的燒杯中。

(2) 使用尼龍聚乙烯線將建筑垃圾試樣纏裹好，然后將其轉移到燒杯中，使建筑垃圾完全浸沒在擴散溶液中，其底部距離燒杯底部5 cm左右。2 h后，將建筑垃圾試樣從擴散浸提液中取出，分析燒杯溶液中重金屬的濃度。

(3) 將建筑垃圾試樣置入另一個含有相同擴散

浸提液的燒杯中，5 h后取出，測定燒杯溶液中重金屬的濃度。

(4) 將建筑垃圾試樣置入另一個含有相同擴散浸提液的燒杯中，17 h以后取出，測定燒杯中溶液中重金屬的濃度。

(5) 將建筑垃圾置入另一個含有相同浸提液的燒杯中，24 h以后取出，測定燒杯中溶液中重金屬的濃度。

(6) 重復步驟5，整個試驗持續(xù)11 d，總共取樣13次。

整個試驗的示意圖和試驗過程照片分別如圖4和圖5所示。

圖4 試驗操作過程圖

圖5 試驗過程照片圖

重金屬污染物濃度使用原子吸收分光光度法測定。試驗中擴散浸提液的pH使用pH計測定。

試驗結束后，使用公式(1)計算從建筑垃圾中擴散出的污染物的累積質量：

圖6 老舊建筑廢磚中重金屬在不同pH條件下的浸出情況圖

Amax=∑Ci×VL,i

(1)

式中:Amax為累積污染物的質量,mg;Ci為第i次擴散溶液中污染物的濃度,mg/L;VL,i為擴散溶液的體積,L;本次研究取1 500 mL。

2 試驗結果分析

表2是老城區(qū)某老舊小區(qū)所取建筑垃圾所含的重金屬總量，從表中可以看出，重金屬Cr的濃度要顯著高于其他3種重金屬。至于建筑垃圾中Cr的高含量，可能與建筑垃圾(建筑物建設時為建筑材料)所用材料中Cr的含量有關。

圖6為老城區(qū)某老舊小區(qū)所取廢磚中重金屬污染物擴散浸出濃度隨時間的變化關系。從圖中可以看出，在pH為3.0的第一批次浸提時，擴散溶液中Cr的濃度為0.008 mg/L；在這之后，擴散浸提溶液中Cr的濃度快速下降；在第三次浸提時，Cr的濃度低于檢測限(0.005 mg/L)。而重金屬Cu、Pb和Cd的濃度在3個不同pH擴散浸提液中所有擴散浸提批次中都低于檢測限(Cu檢測限為0.005 mg/L、Pb檢測限為0.013 mg/L、Cd的檢測檢測限為0.003 mg/L)。在所分析的4種重金屬中，Cr的浸出濃度高于其他3種重金屬，主要原因可能是建筑材料本身含有大量的Cr。

老城區(qū)某老舊小區(qū)廢混凝土中重金屬在不同pH條件下的擴散浸提情況見圖7。與廢磚中重金屬擴散浸提情況類似，在廢混凝土中，除了在pH=3.0的第一和第二批次擴散浸提中檢測到極少量的Cr以外，在pH=5.0和pH=7.0，以及pH=3.0的其他批次浸提液中，都未能檢測到重金屬。

圖7 老舊建筑廢混凝土中重金屬在不同pH條件下的浸出情況圖

表2 建筑垃圾中重金屬全量表

近郊村鎮(zhèn)拆遷現(xiàn)場所取的建筑垃圾，其重金屬的浸出情況與在老城區(qū)某老舊小區(qū)所取建筑垃圾的重金屬浸出情況基本相同，具體擴散浸提情況見圖8和9。2個采樣點建筑垃圾重金屬擴散浸提情況之所以相似，主要是因為這2個小區(qū)均屬于一般居民小區(qū)，周圍不存污染源，所以建筑垃圾中的污染物主要來自于建筑原料。2個小區(qū)都屬于老舊小區(qū)，建筑材料本身所含的污染物差別不大，所以2個取樣點的建筑垃圾的重金屬擴散浸出情況沒有顯著差別。

圖10和圖11分別是某鐵路沿線廢磚和廢混凝土建筑垃圾中重金屬擴散浸提情況。與老舊建筑和近期建筑垃圾不同，鐵路附近的建筑垃圾在pH=3.0的擴散浸提溶液中檢測到了一定量Cr和Cu。這可能是因為此處拆遷場地位于鐵路旁邊，由于鐵路運輸過程中產(chǎn)生的粉塵(運輸?shù)墓I(yè)原料或礦石)和機車排放氣體落入或接觸到建筑物表面，這部分污染物進入到建筑材料內部。當建筑垃圾置于擴散浸提溶液中時，污染物便會溶解并以擴散的方式釋放出來。

圖8 近期建筑廢磚中重金屬在不同pH條件下的浸出情況圖

圖9 近期建筑廢混凝土中重金屬在不同pH條件下的浸出情況圖

圖10 長期受污染建筑廢磚中重金屬在不同pH條件下的浸出情況圖

圖11 長期受污染建筑廢混凝土中重金屬在不同pH條件下的浸出情況圖

長期受污染建筑，建筑垃圾中重金屬在pH=5.0和pH=7.0兩種擴散浸提溶液中的濃度都低于檢測限。主要是因為當浸提擴散溶液的pH相對較高時，重金屬污染物在溶液中并不能以自由離子的形式存在，而更多是以羥基配合形式存在水體中，而羥基配合物主要吸附在建筑垃圾固體表面，而無法進入到液相中，所以也就不能進行擴散遷移。圖12是重金屬Cu2+及其羥基配合物在不同pH條件下的分布情況。從圖2中可以看出，當pH大于5.0以后，溶液中自由Cu2+所占比例急劇下降，而其他羥基配合物的數(shù)量不斷增多。重金屬羥基配合物無論是從建筑垃圾表面解析進入到溶液中，還是在溶液中的擴散速度都要低于自由離子。

圖12 Cu2+及其羥基配合物在不同pH條件下的分布圖

表3是建筑垃圾在pH=3.0時，第一批次擴散浸提液中重金屬濃度與西安市二環(huán)某立交橋初期雨水中污染物濃度的對比。從表中可以看出，除了鐵路沿線所取廢磚浸提溶液中Cu和Cr的濃度高于初

期雨水中重金屬的濃度以外，其他建筑垃圾中重金屬的濃度都是低于初期雨水中重金屬污染物濃度的?？梢姡话忝裼媒ㄖ米鳌昂＞d體”時(見圖13)，即使是長時間的浸泡，其污染物的釋放量也不會超過地表初期雨水中污染物的濃度，不會給地表雨水帶來額外的污染。

圖13 基于建筑垃圾再生材料填筑額“海綿體”、反濾層與凈水層示意圖

表3 pH=3.0時擴散溶液中污染物濃度表

3 結 論

(1) 根據(jù)浸出毒性試驗結果分析，其浸出溶液中Cu、Pb和Cd在的含量很低，達不到檢測值,研究所用建筑垃圾不屬于危險廢物。

(2) 標準浸提條件下，不同地區(qū)采樣點建筑垃圾浸出毒性差別不大,在強化浸提作用下，鐵路線周圍采樣點建筑垃圾中Cr的浸出濃度超標。

(3) 以黏土磚和水泥等傳統(tǒng)無機礦物質材料為原材料的建筑垃圾對酸性環(huán)境具有一定的緩沖能力，在初期浸水過程中表現(xiàn)出一定的耐久性。

(4) 在對建筑垃圾作為儲水“海綿體”的資源化利用時，應充分考慮可能對環(huán)境造成的負面影響。建筑垃圾選用時，應對來自不同環(huán)境建筑垃圾的浸出污染物含量進行檢測，判定是否滿足建筑材料要求。

(5) 民用建筑垃圾在長時間淹水時，通過擴散作用釋放進入水體中的重金屬污染物量是有限的，不會造成海綿體中所儲存的水體水質惡化。在雨水

花園或地下儲水空間建設中，建筑垃圾再生骨料滿足對材料環(huán)境指標要求。