环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (2): 389-396  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.82

引用本文  

李小月, 张慧, 雷国元, 等. 建筑废物填海处置过程重金属浸出特性及环境影响[J]. 环境科学研究, 2018, 31(2): 389-396.
LI Xiaoyue, ZHANG Hui, LEI Guoyuan, et al. Performance and Leaching Characteristics of Heavy Metals from Construction and Demolition Waste for Disposal of Sea Land Reclamation[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(2): 389-396.

基金项目

深圳市科创委基础研究项目(No.JCYJ20160520173631894);国家重点研发计划重点专项(No.SQ2017YFSF050116)
Supported by Shenzhen Science and Technology Plan,China (No.JCYJ20160520173631894); National Key Research and Development Program of China (No.SQ2017YFSF050116)

责任作者

雷国元(1964-), 男, 湖北广水人, 教授, 博士, 硕导, 主要从事固体废物处理处置研究, E-mail:leiguoyuanhit@126.com 段华波(1981-), 男, 湖北孝感人, 副教授, 博士, 硕导, 主要从事城市固体废物环境管理与污染特征研究, E-mail:huabo@szu.edu.cn

作者简介

李小月(1992-), 女, 湖北恩施人, 799309195@qq.com

文章历史

收稿日期:2017-07-19
修订日期:2017-10-30
建筑废物填海处置过程重金属浸出特性及环境影响
李小月1 , 张慧2 , 雷国元1 , 段华波2 , 郑丽娜2     
1. 武汉科技大学资源与环境工程学院, 湖北 武汉 430081;
2. 深圳大学土木工程学院, 广东 深圳 518060
摘要:填海处置已成为滨海城市建筑废物的重要消纳途径,而海水侵蚀导致重金属浸出可能加剧环境风险.为探究不同类型建筑废物中重金属受海水侵蚀的浸出特性及环境影响,于深圳市的城中村拆除作业现场、建筑装饰装修工程现场、建筑废物资源化利用厂、建筑垃圾堆填场开展不同来源建筑废物样品采集,分析样品中w(Zn)、w(Pb)、w(Cu)、w(Cd),评价其潜在环境风险并解析其产生源;在此基础上,参考固体废物毒性浸出方法开展海水浸出模拟试验.结果表明:①建筑废物中重金属的潜在环境风险程度依次表现为Zn > Pb > Cu > Cd,w(Zn)、w(Pb)、w(Cu)、w(Cd)的最大值依次为197.8、82.6、67.1、0.22 mg/kg,分别为广东省土壤环境背景值的3.8、2.2、3.7和2.2倍,且来源于砖块、瓷砖、砂浆块、墙面涂料和玻璃的重金属含量超过了围填海工程填充物质成分限值要求.②海水对废物中重金属浸出影响显著,在液固比为10:1、浸出时间为18 h条件下,Zn、Pb、Cu、Cd浸出率分别高达15.9%、82.0%、10.4%和57.4%.③随着液固比和浸出时间的增加,重金属浸出量呈明显的上升趋势,其中Pb的浸出量最高.鉴于此,一方面应完善海水侵蚀对建筑废物中重金属浸出给沿海环境带来的生态风险分析;另一方面在填海处置前应加强建筑废物的风险管理如分类收集和安全处置等,并建立相应的控污机制.
关键词建筑废物    填海处置    重金属    浸出    
Performance and Leaching Characteristics of Heavy Metals from Construction and Demolition Waste for Disposal of Sea Land Reclamation
LI Xiaoyue1 , ZHANG Hui2 , LEI Guoyuan1 , DUAN Huabo2 , ZHENG Lina2     
1. School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China;
2. School of Civil Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
Abstract: Sea land reclamation in many coastal cities has become an important way to dispose the construction and demolition (C & D) waste. However, heavy metal leaching may exacerbate the environmental risks of sea land reclamation activities. In order to investigate the leaching characteristics and environmental effects of heavy metals from C & D waste induced by seawater erosion, the concentrations of Zn, Pb, Cu and Cd were therefore determined to assess the potential environmental risk and the pollutant sources, samples were collected from urban village demolition site, building decoration project site, C & D waste recycling plant and C & D waste landfill site in Shenzhen City. Based on that, the simulation experiments of seawater leaching were further carried out with reference to the method of'solid waste-extraction procedure for leaching toxicity'. The results indicated that:(1) The potential environmental risks posed by the heavy metals in different C & D waste rank in the following sequence:Zn > Pb > Cu > Cd, the highest concentrations of Zn, Pb, Cu and Cd were 197.8, 82.6, 67.1 and 0.22 mg/kg respectively, which were 3.8, 2.2, 3.7 and 2.2 times higher than the values set in Guangdong Province Soil Background Standard. The sorting of brick, tile, mortar, coating and glass should be carried out before landfill according to the heavy metal concentrations exceeded the limitation on infilling components of sea reclamation and enclosure project; (2) Seawater had a significant effect on heavy metal leaching. The leaching rates of Zn, Pb, Cu and Cd reached 15.9%, 82.0%, 10.4% and 57.4% respectively when the liquid-solid ratio was 10:1 and the leaching time was 18 h. (3) With the increasing of liquid-solid ratio and leaching time, the leaching quantities of heavy metals showed an upward trend, Pb was the major contributing element which would affect the marine environment in the process of simulation. As a result, the ecological risk analysis of heavy metals leaching from C & D waste induced by seawater erosion should be improved. Meanwhile, the management of C & D waste such as waste sorting and safe disposal should be strengthened before reclamation, and pollution controlling should be well established.
Keywords: construction waste    reclamation    heavy metals    leaching    

我国持续的城镇化促使了大规模的城市更新改造活动,也产生了大量建筑废物,2003—2013年废物年产生量高达23.6×108 t[1-3],通常经过简单分选即被运至堆填场.此外,填海处置也是部分滨海城市建筑废物重要消纳途径之一,2016年,深圳市全市建筑废物产生量约为7×107 m3,其中约74%的建筑废物运往城市周边进行填海、土地整理等工程利用[4].填海的填料中有害物质的释放会损害沿海环境质量,造成生物多样性的损失[5-6],红树林大量消失[7-8],水体、空气、土壤的污染[9]等.建筑废物以砖石混凝土为主,但往往混入非惰性材料,如石棉(致癌物)、油漆、涂料、保温和隔热塑料、电线电缆和电子器件、木质建材等,这些材料可能含有重金属、铜铬砷防腐剂和溴化阻燃剂[10-11],可能受海水侵蚀的影响浸出,伴随潮汐与海流等海水运动的扩散,影响海洋生态环境质量.

近年来,由于建筑废物呈现爆发式增长、大量侵占宝贵土地资源以及再生利用等问题的出现,如何通过过程减量化与综合利用来解决建筑废物量大、占用土地资源和堆填场的安全问题是目前科学研究和城市环境管理关注的焦点[12-14],而关于建筑废物中污染物的环境污染特性以及堆填处置潜在的环境风险方面的研究相对较少. Somasundaram等[15-17]开展的关于石膏板、混凝土、水泥、木质建材类废物污染特性的研究,检测出废物含有Zn、Cr、Pb、Cu、As、Cd、Ba等多种重金属;国内王罗春等[18]基于建筑废物填埋处置模拟研究了降雨条件下渗滤液的产生特性,但是对于瓷砖、玻璃等其他类惰性废物和非惰性废物中重金属的来源、污染水平以及用于填海处置的建筑废物中污染物的浸出特性和风险评估的研究鲜见报道.

该研究综合考虑建筑废物产生源的多样性及复杂性,检测分析典型建筑废物重金属浓度、模拟海水浸出试验,拟在揭示废物中重金属的污染特性、溶出规律,解析重金属产生源,确定优先控制污染物,进而探讨建筑废物分类管理途径;探索合理的建筑废物在围填海工程中的填埋准入条件,降低填海带来的环境风险,为海洋环境保护管理工作提供数据支持.

1 材料与方法 1.1 样品的采集

2015年5月—2017年6月课题组在深圳、武汉和郑州3个特大城市开展了关于建筑废物处理处置、产生特性及组成成分的问卷调查研究,建筑废物典型组成成分与比例的结果如图 1所示.根据不同的材料组成,筛选主要类型的建筑废物(混凝土块、砖块、砂浆块、玻璃、塑料、木块、瓷砖、墙面涂料等)作为研究对象,按照HJ/T 20—1998《工业固体废物采样制样技术规范》的采样要求,携带铲子、采样袋对深圳市城中村拆除作业现场、建筑装饰装修现场、建筑废物资源化利用厂和建筑垃圾堆填场实施样品的人工采集,共获得建筑废物样品19个,所有样品编号并带回实验室在室温通风处风干备用.

注: 其他成分包括玻璃、塑料、石膏、绝缘材料、沥青等类别. 图 1 建筑废物的组成成分 Fig.1 The composition of construction waste
1.2 样品的处理

塑料、纺织品等有机基质样品可直接采用剪、切等机械方式,粉碎成粒径小于2 mm的颗粒备用;含硅类土壤及玻璃样品采用机械方法初步敲碎样品,再采用研钵等方法将样品粉碎成细小粉末(粒径0.150 mm以下)备用.

样品的消解参考密封微波消解罐法(EPA METHOD 3052),准确称取0.2 g样品用少量水润湿后加入8 mL浓HNO3、2 mL H2O2,或8 mL浓HNO3,2 mL HF,置入微波消解仪(迈尔斯通ETOHS ONE),在120、160、210 ℃条件下分别消解10、10、20 min,消解完成后冷却,经0.45 μm滤膜过滤至50 mL容量瓶内,用去离子水定容至刻度线.

调节等离子体质谱仪(ICP-MS)(珀金埃尔默PE NexIONTM 300X)于真空状态下,待仪器点燃等离子稳定30 min后,建立目标元素工作线,依次分析消解样品中w(Zn)、w(Pb)、w(Cu)、w(Cd).

1.3 浸出规律试验设计 1.3.1 参照标准方法的浸出试验研究

考虑天然海水含有悬浮物、有机物和生物物质的复杂性与不稳定性,该试验参考ASTM D1141—1998(2003)中人工海水的成分制备海水代替天然海水,试验前用c(NaOH)为0.1 mol/L的NaOH溶液将pH调节至8.20备用,成分见表 1.

表 1 人工海水组成成分 Table 1 The composition of artificial seawater

按照HJ 557—2010《固体废物浸出毒性浸出方法—水平振荡法》规定的浸出程序开展浸出试验:准确称取破碎的样品100 g,置于2 L提取瓶中,根据样品的含水率,按照液固比为10:1(L/kg)计算所需人工海水体积,加入提取瓶中,盖紧瓶盖固定在水平振荡装置上,振荡频率设为(110±10)次/min,室温下振荡(18±2) h后,经压力过滤器过滤收集浸出液.按照各待测物分析方法的要求进行保存,Zn、Cu的浸出浓度采用火焰原子吸收分光光度计(安捷伦280FSAA)测定,Pb、Cd的浸出浓度采用石墨炉原子吸收分光光度计(安捷伦280ZAA)分析测定.

1.3.2 不同参数条件下的浸出试验研究

模拟试验用样品为来自采样现场的实际混合样与配制的人工混合样两类,分批开展在不同液固比与浸出时间条件下的浸出规律试验研究.

a) 不同液固比条件下的海水浸出试验

以人工海水为浸提剂,称取多份相同质量的建筑废物混合样置于提取瓶中,并加入按设定的5种不同液固比条件:2:1、5:1、10:1、20:1、50:1(L/kg)计算所需的浸提剂,盖紧瓶盖固定在水平振荡装置上,振荡(18±2) h后经过滤收集后采用火焰原子吸收分光光度计、石墨炉原子吸收分光光度计分析.

b) 不同浸出时间条件下的海水浸出试验

试验设定5种不同的浸出时间条件:12、18、24、36、72 h,参考水平振荡法,称取多份相同质量的建筑废物混合样品置于提取瓶中,按液固比10:1(L/kg)盛装人工海水,按设定的浸出时间振荡后压力过滤收集浸出液,采用火焰原子吸收分光光度计、石墨炉原子吸收分光光度计分析.

2 结果与讨论 2.1 不同建筑废物中w(重金属)

建筑废物样品中w(重金属)见表 2.由表 2可知,重金属潜在环境风险整体上表现为Zn>Pb>Cu>Cd,w(Zn)、w(Pb)、w(Cu)、w(Cd)的最大值依次为197.8、82.6、67.1、0.22 mg/kg,分别是广东省土壤背景值[19](相应含量限值分别为51.4、37.5、18.0、0.10 mg/kg)的3.8、2.2、3.7和2.2倍,存在一定的环境风险.

表 2 不同建筑废物中w(重金属) Table 2 The complete analysis of heavy metals in construction waste

取自堆填场的废物中w(Zn)、w(Pb)、w(Cd)均符合GB 30736—2014《围填海工程填充物质成分限值》规定,可作为第Ⅰ类围填海填充物质;取自建筑拆除现场、资源化利用厂的废物仅砂浆块中w(Zn)、玻璃中w(Cu)高于围填海成分限值,整体环境风险较小;装修现场采集的砖块、混凝土块和墙面涂料中w(重金属)高于其他采样点同类型建筑废物,这与建筑装饰装修材料来源的复杂多样性有关,特别是砖块中w(重金属)均超过广东省土壤背景值.

瓷砖和墙面涂料中w(Zn)、w(Cu)最大值分别是广东省土壤背景值的3.8和1.6倍,可能是装饰装修所用的瓷砖、涂料加入了氧化锌、氧化铜等无机抗菌剂所致[20-21];玻璃中w(Cu)是广东省土壤背景值的3.7倍,Cu在玻璃行业可用于着色与涂层[22],玻璃中w(Pb)也较高,可能与掺入含Pb热稳定剂[23]或添加Pb用于制造有色玻璃,增强玻璃的防射线性能有关[24];木块、塑料中w(重金属)均低于广东省土壤背景值,环境影响较小.

围填海工程填充物质不能含有危险废物等可能损害海洋环境质量的成分,但该研究中砖块、瓷砖、砂浆块、墙面涂料和玻璃w(重金属)超过了围填海工程填充物质成分限值要求,在填埋前应进行分拣处理,特别是装修材料,需进行无害化处理,其中瓷砖中w(Zn)、w(Cu)较高,砖块中w(Pb)、w(Cd)较高,可能成为海洋环境的重金属污染源,具有一定的环境风险.

2.2 不同建筑废物中重金属的浸出情况

浸出试验是在实验室环境下对重金属浸出开展的一种模拟过程,是为了评估固体废物在不同环境及处置方式下的环境风险,重金属的浸出浓度决定了相应的环境污染水平.参考HJ 557—2010分别对单一建筑废物及混合物进行了浸出毒性试验,重金属的浸出情况如图 2图 3所示.

图 2 建筑废物中重金属在海水环境中的浸出量 Fig.2 The leaching quantity of heavy metals of construction waste in marine environment

图 3 建筑废物中重金属在海水环境中的浸出率 Fig.3 The leaching rate of heavy metals of construction waste in marine environment

重金属浸出量和浸出率计算方法分别如式(1)(2)所示:

$ {w_0} = {\rho _0} \times (\text{L}/\text{S}) $ (1)

式中:w0为重金属浸出量,mg/kg;ρ0为重金属浸出浓度,mg/L;L/S为液固比,L/kg.

$ \mu = {w_0}/w \times 100 $ (2)

式中:μ为重金属浸出率,%;w0为重金属浸出量,mg/kg;w为重金属含量,mg/kg.

图 23可知,海水环境条件下重金属均有浸出,浸出效果随重金属的不同存在较大的差异:Zn、Pb较易浸出,Cd浸出量较低但浸出性能较强,Zn、Pb、Cu、Cd的浸出量分别达到7.33、6.60、0.78和0.08 mg/kg,相应的浸出率分别为15.9%、82.0%、10.4%、57.4%.

Pb的浸出量和浸出率最高,这可能和Pb本身总量较高且迁移性较大有关,材料中Pb多以铅盐形态存在,易被浸出[25],塑料和墙面涂料类非惰性材料中Pb的浸出量高于其他材料,玻璃和墙面涂料中Pb的浸出率较高,因此需特别注意塑料、墙面涂料、玻璃在填海处置中的管理;图 2中显示Zn的浸出量<Pb的浸出量,Cu的浸出量较低,这是因为材料中Zn、Cu都多以其氧化物的难溶态存在,迁移性低于其他重金属,但是在海水较高的离子强度环境条件下促进了部分Zn、Cu的浸出,瓷砖中Zn的浸出量、塑料中Zn的浸出率分别达到最大值,混凝土块Cu的浸出能力高于其他材料;在海水中,Cd的浸出率高于Zn、Cu,这是由于Cd主要是以酸溶态、可交换离子态、碳酸盐结合态存在[26-28],但是废物w(Cd)低,浸出量较低,环境影响较小,但仍需注意渣土、混合样与砖块Cd的风险控制.试验结果表明重金属的浸出能力不仅与重金属本身含量有关,还与重金属的迁移性能有关.

2.3 不同参数条件对海水环境建筑废物重金属浸出的影响 2.3.1 液固比对浸出量的影响

伴随海浪、潮汐、海流运动引起潮位变化的影响,用作围填海填充物质的建筑废物受海水侵蚀的程度也在不断变化,因此液固比是模拟浸出试验过程中重点考察的影响因子.

液固比对浸出浓度与浸出量的影响如图 4所示,随着液固比的增大,3种重金属的浸出浓度和浸出量关系均表现为Pb>Zn>Cu,浸出浓度呈下降趋势,特别是Pb,但3种重金属的浸出量均呈上升趋势,Cu的浸出量不断增加,Zn、Pb的浸出量在增加到一定程度后趋于平衡状态.

注:实际混合样取自资源化利用厂—“混合样2”(见表 2)—用于考察海水环境对重金属浸出规律的影响,人工混合样用于考察建筑材料对重金属浸出的影响,组分如下:混凝土块2、砂浆块、砖块3、瓷砖1、木块、玻璃2〔组成配比见图 1w(重金属)见表 2〕;w(重金属)结果显示“混合样2”的Cd未检出(见表 2),因此该试验仅开展对Zn、Pb、Cu的浸出研究. 图 4 不同液固比对重金属的浸出浓度和浸出量的影响 Fig.4 The effect of liquid-solid ratios on leaching concentration and quantity of heavy metals

液固比 < 10:1时,体系可能处于过饱和状态[29],浸出浓度较高,但由于吸附或者共离子效应而限制浸出总量,浸出量较小;液固比增加到50:1,体系趋于不饱和状态,浸出浓度呈下降趋势.随着液固比增加,实际混合样中Zn和Cu的浸出浓度逐渐低于GB 3097—1997《海水水质标准》中规定的Ⅱ、Ⅲ类相应限值,虽然Pb的浸出浓度不断下降但仍高于GB 3097—1997 Ⅳ类限值;人工混合样中Zn、Cu和Pb的浸出浓度分别低于GB 3097—1997 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类相应限值.试验结果表明人工配制的混合样本浸出浓度远远低于实际混合样,环境影响小,说明实际用于填埋的建筑废物更易受到周围环境物质影响引入重金属的污染,需在填海处置前进行无害化管理;同时,随着海域的延伸,重金属对海水质量的影响甚微,但是在沿海海域由于重金属浸出富集[30],不可忽视含量较高的重金属元素对海岸环境带来的生态风险.

2.3.2 浸出时间对浸出的影响

浸出时间对重金属浸出的影响如图 5所示.随着浸出时间的增加,浸出浓度逐渐上升,说明建筑废物的填海处理处置长期受海水侵蚀会变成海洋环境不可忽视的污染源.

图 5 不同浸出时间对重金属的浸出浓度的影响 Fig.5 The effect of leaching time on leaching concentration of heavy metals

图 5中Zn、Pb、Cu的浸出浓度在增加达到一定程度后趋于平缓增长,说明浸出浓度不随浸出时间的增加而无限增长[31-32],而是遵循“浸出$\rightleftharpoons $ 吸附”动态平衡原理,这是重金属在海水中的一个重要的物理化学过程.浸出时间为12 h时,实际混合样中Zn和Cu的浸出浓度低于GB 3097—1997 Ⅳ类标准限值;人工混合样中Zn、Cu和Pb的浸出浓度远低于实际混合样,分别低于GB 3097—1997 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类标准限值,但随着海水浸出时间的增加,重金属的浸出浓度不断增加,沿海海域水质可能受到重金属污染,对海水环境造成危害.

2.3.3 建筑废物材料对浸出的影响

人工混合样的浸出模拟试验在已知建筑废物类型、比例、重金属含量的基础上开展,结果显示Zn、Pb、Cu均有浸出,浸出规律与实际混合样一致,由于人工配制的混合样中掺入了有害组分含量较高的材料,相应有害组分的浸出浓度较高,表明重金属浸出与材料类型密切相关:人工混合样浸出试验Pb的浸出浓度可能来源于砖块、玻璃中Pb的浸出,Zn的浸出浓度可能来源于瓷砖、砂浆块中Zn的浸出;逐渐增加的Cu的浸出浓度可能来源于瓷砖中Cu的浸出.不同浸出时间条件下,人工混合样中重金属浸出量较小,但仍须关注重金属的潜在风险.因此该研究提倡在建设项目中选用绿色建材,建筑废物的处置需要在前期分拣出危险废物进行无害化处理,实现后期建筑废物的可持续管理与安全填海处置.

3 结论

a) 建筑废物重金属潜在的环境风险表现为Zn>Pb>Cu>Cd.从环境安全的角度,应该优先管理与安全处置瓷砖中的Zn、Cu与砖块中的Pb、Cd污染,以期达到围填海准入条件.

b) 不同建筑废物的浸出情况揭示Pb、Zn较易被浸出,Cu不易被浸出,w(Cd)较小但浸出性能较强,重金属的浸出不仅与自身总含量有关,还与其迁移性有关.在环境风险控制中,优先控制瓷砖、玻璃和非惰性材料塑料、涂料中的重金属特别是Pb的浸出污染,其次是Cd的风险控制.

c) 液固比和浸出时间是海岸环境(特别是潮间带)重金属浸出的主要影响因子.随着液固比的增大,浸提环境可能从过饱和状态过渡到不饱和状态,重金属的浸出总量不断增加;随着浸出时间的延长,重金属浸出量呈上升趋势,并在一定程度时趋于平缓达到浸出与吸附的动态平衡.

d) 重金属浸出量与建筑材料的类型有密切关系,提倡在建筑项目中选用绿色建材,有利于建筑废物的无害化处理与填埋处置.

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