建筑垃圾再生材料应用于公路工程的环境影响

赵晓红, 王文科, 陈宇云, 杨胜科, 王周峰, 杨银科

(长安大学 环境科学与工程学院， 陕西 西安 710064)



建筑垃圾再生材料应用于公路工程的环境影响

赵晓红, 王文科, 陈宇云, 杨胜科, 王周峰, 杨银科

(长安大学 环境科学与工程学院， 陕西 西安 710064)

摘要：对西安市最主要的建筑垃圾分类加工厂进行调查取样，检测其所含有的重金属污染质，甄别潜在的污染来源。结果表明：尽管混凝土、砖块、瓷片中个别样品Cd、As、Cr、Zn的全量超出国家土壤三级标准，但实际使用中可能只有少量溶解态滤出，因此并不会对环境造成较大危害，将其大规模应用于公路工程中可行。

关键词:建筑垃圾； 公路工程； 重金属； 环境影响

随着我国城镇化、工业化发展速度的加快，旧城区改造、新城区开发和市政基础设施建设等活动导致大量建筑垃圾急剧产生。据统计，我国每年产生的建筑废弃物总量为2.4亿~3.6亿t[1]，约占城市垃圾总量的30%~40%。

长期以来，我国的建筑垃圾再利用没有引起很大重视，通常是未经任何处理就被运到郊外或农村，采用露天堆放或填埋的方式进行处理。随着资源短缺问题的日益严重及对环境保护、资源再生利用的逐步重视，我国也开始了对建筑垃圾减量化和资源化的研究和实际应用。北京、上海、河北等地将建筑垃圾分拣、粉碎成细骨料，用于高层建筑中及钢筋混凝土短桩中，取得了较好的经济效益和社会效应[2-3]。

2013年，陕西省交通厅开建省级高速公路西咸北环线项目，项目投资估算146亿元。西咸北环线路线设计中大部分的路段为填方路段，路基总填方量为1 900多万方，最高填土高度近18 m。在西咸北环线征地拆迁和沿线城市建设的过程中产生大量建筑垃圾，将建筑垃圾再生材料作为路基填料大规模应用于道路建设中在我国尚属首次。

把建筑废弃物作为再生资源用于新的建设中是个经济和环保的做法，这不但解决了城市建设中大量建筑垃圾的处理问题，同时也降低了建设成本，降低了新能源的消耗，为节约型建设指明了一条合理的道路。但是，不能忽略其二次使用过程中对环境造成二次污染的可能性。现有的研究主要集中在建筑垃级再用于路基建设中某些物理机械性能的测试，而对于其可能存在的污染质的分析鲜有报道。

基于建筑垃圾中主要的污染为重金属污染，本研究针对陕西省省级高速公路西咸环线路基建设中所用的建筑垃圾再生材料，采用野外调查取样，检测其所含有的8种重金属浓度(国家土壤环境质量标准中所规定)，甄别潜在的污染来源，评价其对周围环境的影响，并对此次应用的可行性进行了研究分析。

1材料与方法

对西安市及周边分别位于西吴村、党家寨、百花村(大型加工场)及西安西南的北沣镐村、周吴村、南河村和落水村(分散式，小型)最主要的几个建筑垃圾分类加工厂进行调查取样，加工厂位置如图1所示。

图1　西安周边主要的建筑垃圾分类

在处理厂中，首先对建筑垃圾进行筛分，去除所含的玻璃、金属、木材、碎布及塑料等之后，预用于路基建设的主要以混凝土块、砖块和瓷片为主。因此，本研究在不同的建筑垃圾处理厂总共取样50个点，包括16个点的砖样(Z1—Z16)、14个点的瓷片样(C1—C14)、16个点的混凝土样(H1—H16)、3个小颗粒混合样(M1—M3)及1个西吴村的农田土样(Soil)。每个点位于不同加工厂的不同方位，每个点分散取样若干，然后根据地质调查技术标准(DD2005-01)对样品进行混合粉碎预处理，再采用电感耦合等离子发射光谱(ICP-OES)进行重金属镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、铅(Pb)、砷(As)、汞(Hg)总体含量的检测。

2 结果与讨论

2.1样方调查

在路基铺设中，不同组分所占的比例对环境的潜在影响不同，且基于西咸北环建设中铺设路基所用的建筑垃圾再生材料主要来自兴平市西吴村建筑垃圾分类加工厂(规模最大，加工最精细)，因此我们选取此处为典型代表进行样方调查。结果显示：无论质量分数还是体积分数，砖块和混凝土占绝大部分，瓷片的质量分数为5%、体积分数为3%。由于混凝土密度较大，所以在质量分数中占54%，而体积分数为48%。因此，混凝土和砖块对环境的潜在影响较大。

2.2重金属检测

图2为砖块中重金属质量分数的变化情况。可以看出，砖块中Cr、Cu、Ni的质量分数比较稳定，主要范围依次为72~131、25~39、41~47 mg/kg。

图2　砖块中重金属的质量分数

相对地，Zn、Pb、As的质量分数变化比较大，Zn的质量分数范围为73~183 mg/kg，但基本上都在100 mg/kg以下，只有3个样品超过了150 mg/kg；Pb的质量分数范围为15~244 mg/kg，但主要集中在50 mg/kg以下，超过190 mg/kg的砖样只有2个；As质量分数为12~229 mg/kg，大都在17 mg/kg以下，但有2个样品的质量分数为36.9、229 mg/kg。相对于其他元素，Cd的质量分数比较低，大都在1 mg/kg以下，但党家寨的2个砖样超过了3 mg/kg，西吴村的1个砖样高达5.6 mg/kg。

瓷片中重金属的质量分数如图3所示。可以看出，除了Ni在11.3~33.4 mg/kg相对变化较小的范围内，其他重金属质量分数的变化均相对较大。除1个样品中Cr高达428 mg/kg ，其余均在100 mg/kg以下。相对于砖块，瓷片中Cu质量分数变化范围较大，为5.8~31.3 mg/kg；Pb、As的质量分数主要集中在63 mg/kg、6.5 mg/kg以下，只有党家寨1个点的瓷片样中Pb、As质量分数高达207、113 mg/kg；相对于砖块中Zn质量分数为73~183 mg/kg，14个点的瓷片样中有6个点的样品超过了180 mg/kg，有2个超过500 mg/kg，最高达686 mg/kg。有5个点的瓷片样品中Cd的质量分数超过1 mg/kg，最高为3.18 mg/kg。

图3　瓷片中重金属的质量分数

如图4所示，混凝土中Cr的质量分数为61.3~95.2 mg/kg，Ni的质量分数为16.1~35.0 mg/kg ，均变化不大。Cu的最高质量分数为60.5 mg/kg，Zn、Pb、As大部分质量分数依次在100 、60、20 mg/kg以下。与砖块和瓷片类似，混凝土中的Cd质量分数变化也较大，3个点样品超过1 mg/kg，最高达到10.4 mg/kg。

图4　混凝土中重金属的质量分数

值得注意的是，来源于党家寨的4号点样品和西吴村的5号点样品中重金属的质量分数均相当高，除了Cr元素，其他元素均达到所有样品的最高值，说明此点的混凝土中重金属污染比较严重。

混合样M1、M2来自西吴村大型建筑垃圾加工厂，其粒径被筛分成3~7 cm和0~3 cm，农田土样来自加工厂旁边的小麦田中。M3来自西安西南郊某个小型建筑垃圾加工场的细颗粒混合样。从图5可以看出，混合样中的重金属质量分数基本低于100 mg/kg，粒径的变化对元素总体质量分数的变化影响不太大。应当指出，农田土壤中除了Pb、Zn的质量分数基本低于混合样，其他重金属的质量分数均高，尤其是Cd和As的质量分数分别达到1.6、39.6 mg/kg。

因Hg的质量分数都低于检出线1 mg/kg，均未列出。

图5　混合样(M1,M2,M3)及农田土样中重金属的质量分数

建筑垃圾中8种重金属的平均质量分数及标准偏差列于图6中。可以看出，相对于瓷片和混凝土，砖块中重金属质量分数偏差较小；Cr、Cu、Zn、Ni、Pb在所有样品中的平均值均低于土壤环境质量标准(GB15618-1995)中的二级标准(依次规定为150~250、50~100、200~300、40~60和250~300 mg/kg)，达到健康土壤的标准；As的标准偏差较大，混凝土中的As平均质量分数为78 mg/kg，大大超过土壤三级标准(40 mg/kg)；Cd超标最为严重，除混合样小于土壤三级标准(1 mg/kg)，其他样品中的Cd均高于1 mg/kg。尤其是土壤中的Cd已经超过1.5mg/kg，As的质量分数也已经接近三级阈值40 mg/kg。

图6　建筑垃圾重金属的平均质量分数及标准偏差

由于本次取样来自西安周边不同的区域，为了分析建筑废弃物来源地对重金属超标的影响，我们将测试结果按区域进行了分析，结果如表1所示。可以看出，党家寨建筑废弃物中的Cd超标最为严重，超标率为50%；其次为As，超标率为16.7%；其他金属指标均未超过土壤三级标准。西吴村样品中Cd、As也超标，超标率分别为37.3%和23.1%。百花村样品中Cr、Cd和Zn均有少量超标现象，超标率均为11.1%。西安西南几个村庄的样品相对比较安全，只有Zn超标，超标率7.7%。从结果也可看出，不同区域建筑废弃物中重金属的超标情况并不一致，也无明显的规律性。

表1　不同地点重金属质量分数超标情况

总体上，建筑垃圾中可用于路基铺设的砖块、混凝土、瓷片中重金属Cd和As均有超标现象，个别样品超标严重。Cr和Zn只在瓷片的个别样中超过土壤三级标准。

2.3污染源分析

研究中所检测的8种重金属均来源于“土壤环境质量标准”中所指出的、对土壤有较大危害的重金属种类。Cr很不活泼，但六价铬易被人体吸收并在体内积蓄，刺激皮肤，过多会致病，被确定为致癌物；Cd毒性很大，可通过食物链进入动物和人体，影响体内酶的功能，还能影响植物生长、发育和繁殖，Cd的污染主要来源于电镀、采矿、冶炼、燃料、电池和化学工业废弃物等。Pb可导致贫血症、神经机能失调和肾损伤，也会影响植物的光合和蒸腾作用。Hg及其化合物属于剧毒物质，可在体内蓄积，转化为毒性更大的有机汞，引起全身中毒。Ni容易引起过敏性皮炎。Cu、Zn主要对生物毒性较大，并影响植物的生长发育。过量As可破坏神经系统，刺激造血器官，还可能诱发恶性肿瘤。因此，我国对土壤中的重金属含量都有严格限制。

土壤重金属元素的来源途径多样，在自然条件下，许多重金属矿床和富含重金属的岩石会成为地表生态系统中某些重金属的来源，尤其是成土母质和成土过程[4]；其次是人为来源，如农田利用污水进行浇灌，工业固体废弃物和城市生活垃圾的不当堆放，矿业活动、农药化肥的不当使用及交通运输排放的尾气等过程引起的重金属的蓄积并在大气、水和土壤三种介质中不断迁移转化[5]。近年来，我国重金属污染事件频发，据中科院生态研究所研究报道，目前我国受Cd、As、Cr、Pb等重金属污染的耕地面积近2 000万hm2，约占耕地总面积的1/5[6]，全国每年因重金属污染的粮食达1 200万t，造成的直接经济损失超过200亿元，给人民健康和环境带来极大危害。

渭河是黄河的最大支流，也是陕西省的主要河流，在陕西境内河长502 km，流域面积为6.76×104km2。关中地区包括宝鸡、杨凌、咸阳、西安、渭南、铜川等6个市(区)，工业集中，人口密集，农业发达，是陕西省经济最发达的地区。然而，渭河横贯关中地区，已经成为关中地区的排污河，大量未经处理的工业废水和生活污水的直接排放，使渭河已经不能作为饮用水源，而成为一条污水河，除了氮、磷、有机质等严重超标外，重金属的污染也比较严重。根据汪新生等[7]的研究，2007年陕西省工业中重金属排放中六价Cr、Pb、Cd主要排放到渭河流域；杨学福等虽然报道2012年渭河西安段中的Pb、Cd未检出，但Hg和As存在较大的健康风险[8]。

关中地区年降雨量不足，农业大都采用河渠漫灌。由于河流已经受到污染，加之工农业和城市发展加快，很多土壤也遭受重金属的污染。蒋秋萍[9]研究了渭河西安段沿岸土壤中Pb、Cr、Cd、As、Ni、Cu、Mn的平均质量分数，其中前3种已经超过了陕西背景值，Cd元素含量最突出，是背景值的4.2倍。本研究所取的农田土壤来自兴平建筑垃圾处理厂旁边的农田，而兴平地区工业发达，化工厂众多，这可能就是土壤中Cd、As超标的重要因素。

砖块、混凝土的主要原料为土壤。关中地区砖厂、水泥厂众多，若采用受污染的当地土壤为原料，不可避免地会导致成品砖和水泥中的重金属含量较高。瓷砖主要来源于广东发达地区，其加工工艺中某些深色染料可能含有重金属，样方调查表明瓷片只占总体比重的5%，因此由它带来的风险也是微弱的。若要消除原材料潜在的污染，必须保证土壤的安全，因此要充分重视土壤的使用安全以及对已污染土壤的环境修复，这将是一个长期而艰巨的任务。

当然，建筑材料在加工、运输、使用过程中可能受到外界不可预知的“二次污染”，从而导致某些重金属指标严重超标。因此，应严格遵守国家规定的相关环境标准，规范操作，尽可能减少二次污染。

另外，在自然状态下，只有可溶态的重金属可能会沥出，才会造成环境风险。因此，尽管砖块、混凝土、瓷片中个别样个别指标超过我国土壤三级标准，可能存在一定的污染风险，但若采取相关防护措施如添加石灰固化、采用合适配比等，再将其利用于建筑路基的铺设是完全可行的，也满足我国可持续发展要求。

3 结论

通过对西安周边主要建筑垃圾处理厂的调查取样分析，对比我国的土壤三级标准，可以看出：砖块、混凝土中重金属Cd、As全量有超标现象，主要原因可能来自当地污水灌溉及土壤重金属污染；瓷砖中的个别样出现Cd、As、Cr、Zn超标，可能来源于生产过程中染料的添加。因此，必须注重原材料安全及建筑垃圾生产使用过程中的规范操作。总体上，建筑垃圾中的砖块、混凝土、瓷砖虽具有一定的环境风险，但将其应用于路基建设中，仍不失为一种有效利用资源、减少环境压力、利国利民的举措。为确保环境安全，建筑垃圾在自然状况下可能存在的其他污染质以及相关的预防措施需要进一步深入研究。

参考文献:

[1] 李跃矩,林志伟,孙可伟,等. 建筑废弃物在道路结构层材料中的应用研究[J].环境科学与技术,2010,33(12F):352-354.

[2] 周增华. 建筑垃圾在道路建设中回收利用的可行性分析[J].工程与建设,2009, 23(5):624-626.

[3] 陆凯安. 建筑垃圾综合利用势在必行[J].再生资源研究,1999(2):33-34.

[4] 王丽平,章明奎.不同来源重金属污染土壤中重金属的释放行为[J].环境科学研究， 2007,20(4):134-138.

[5] 杨斐. 东岭冶炼厂周边土壤重金属积累和重金属污染评价分析[D].西安：陕西师范大学旅游与环境学院,2011.

[6] 杨科壁.中国农田土壤重金属污染与其职务修复研究[J].世界农业,2007(8):58-61.

[7] 汪新生,郭琦. 陕西省重金属污染特征分析[J].中国环境监测,2011,27(4):22-27.

[8] 杨雪福,关建玲,段晋明,等. 渭河西安段水体重金属污染现状及健康风险评价[J].水土保持通报,2014,34(2):152-157.

[9] 蒋秋萍.渭河西安段沿岸土壤重金属污染特征及镉化学调控研究[D]. 西安：西安建筑科技大学环境与市政工程学院,2013.

〔责任编辑程琴娟〕

Environmental impact of construction waste used as recycled material in highway construction

ZHAO Xiaohong, WANG Wenke, CHEN Yuyun,YANG Shengke, WANG Zhoufeng, YANG Yinke

(School of Environmental Science and Engineering, Chang′an University, Xi′an 710064, Shaanxi, China)

Abstract:Investigation and sampling were conducted in main plants of construction waste management of Xi′an city, and heavy metal concentrations of samples were determined to analyze and evaluate the potential environmental risk. The results showed that, compared with national standard of soil at third level, the whole concentrations of Cd, As, Cr and Zn in some bricks, concretes and ceramic chips are higher.In practice, only solvable part of heavy metal will possibly be leached which can′t induce environment risk. So， it is feasible that constructed waste is used in highway construction. not inducing environmental risk.

Keywords：construction waste; highway construction; heavy metal; environmental impact

中图分类号：TP391.42

文献标志码：A

基金项目：陕西省交通厅基金 (2013H0290375)

收稿日期：2015-03-17

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2016.02.425

文章编号：1672-4291(2016)02-0111-05

第一作者：赵晓红，女，副教授，主要研究方向为水土污染与环境化学。E-mail:xiaohongzh95@126.com