建筑垃圾中废石膏问题的研究现状及展望

(熊金磊, 王罗春, 王军建, 朱世杰

(上海电力学院 环境与化学工程学院, 上海 200090)



建筑垃圾中废石膏问题的研究现状及展望

(熊金磊, 王罗春, 王军建, 朱世杰

(上海电力学院 环境与化学工程学院, 上海 200090)

简述了建筑垃圾中废石膏的来源与危害,介绍了减少建筑垃圾中石膏含量的方法,描述了含废石膏建筑垃圾的处理及资源化的可能性与方法,对建筑垃圾中废石膏问题的研究进行了总结和展望.

建筑垃圾; 废石膏板; 硫化氢

石膏是一种单斜晶体矿物,其主要成分是硫酸钙水合物,化学式为CaSO4·2H2O.石膏的应用十分广泛,其中最常见的做成石膏板.石膏板又称纸面石膏板,通过用两张厚纸板挤压石膏灰泥形成,常用作墙体、天花板、屋顶和地板的隔板和衬垫.

作为一种建筑材料,石膏板有很多优异的特性,使其在建筑材料中有着不可替代的作用.石膏板作为内墙面,具有安装简单、透气性好、质地软、质量小的优点,并且还有防火功能[1-4].

建筑垃圾中常常会含有石膏板,在施工建筑垃圾中,废石膏含量约为4.7%,而在拆毁性建筑垃圾中所含比重往往超过10%[5-7].细小的石膏颗粒在遇到雨水或在建筑垃圾处理过程中遇到水就会变成糊状物,阻碍中间处理设备的正常运行,例如筛网、传送带、粉碎机等会因为粘上这种糊状物不能正常工作.

将含有废石膏的建筑垃圾进行填埋处理,或将其回收用于制备生产回填材料的再生骨料,在其填埋或回填后,其中的硫酸盐在适当的厌氧条件下,经硫酸盐还原菌降解,会产生硫化氢气体[8-9].硫化氢气体对生物体有害,当硫化氢浓度达到1.0×103mL/m3时可导致人畜立即死亡[10].

1　建筑垃圾中废石膏的来源

建筑物拆除现场的混合建筑垃圾一般需经压碎处理,得到级配连续性较好的颗粒物后,再进行回收利用[11-15].破碎前后又包括手工分选、磁选、风选和筛分等分离工艺,如图1所示.

造成石膏污染建筑垃圾原因较多,如未在建筑物拆除现场对建筑垃圾进行分类,无法识别或区分建筑垃圾中的石膏,或拆除过程中石膏清除不彻底,石膏板严重破损等.

图1　典型的建筑垃圾中间处理流程

2　减少建筑垃圾中石膏含量的方法

当含石膏的建筑垃圾以地下建筑材料形式回收利用或进行填埋处置时,会产生有毒的硫化氢气体,所以应尽量减少建筑垃圾中废石膏的含量.

在建筑物拆除施工现场进行石膏板的人工识别和手工分选是最简单的去除建筑垃圾中石膏的方法.经手工分选后的混合建筑垃圾在回收利用前的中间处理流程中,可采用筛分、重液分离[16]等方法进一步减少建筑垃圾中的石膏含量.

2.1筛分

在建筑垃圾的压碎过程中,由于石膏的易碎性,石膏往往被粉碎成较小颗粒,细颗粒建筑垃圾的石膏含量要明显高于粗颗粒建筑垃圾.根据建筑垃圾的水分含量,适当选择筛网的孔径,通过筛分可以有效减少建筑垃圾中的石膏含量.研究结果表明,用2 mm的滤网去除细小颗粒时,可将混合垃圾中的石膏含量减少61%.

2.2重液分离

由于混合建筑垃圾中的石膏主要为细小颗粒,密度较大[17],在混合建筑垃圾被送往垃圾填埋场之前,通过重液分离去除密度范围在1.59～2.28 g/cm3的细小颗粒(约占建筑垃圾总重量的24%),可以大大减少其中的石膏含量.使用CCl4(密度为1.59 g/cm3)和 CH3I(密度为2.28 g/cm3)[18-21]分步分离出密度范围在1.59～2.28 g/cm3的颗粒,通过电子电导率测定,确定石膏含量.实验结果表明,可去除93%的废石膏.

但重液分离法成本较高,处理负荷较小,且常用重液多为有机溶液,可能会对建筑垃圾造成二次污染,所以重液分离法有待进一步研究改进.

3　含废石膏建筑垃圾的处理及资源化

3.1作为生产硅酸盐水泥和混凝土骨料的原料

硅酸盐水泥中SO3的含量最高达2.53%[22],在适当控制用量的前提下,可以回收废石膏作为生产硅酸盐水泥和混凝土骨料的原料.

从建筑垃圾中分离的废石膏可代替天然石膏,用于制作普通硅酸盐水泥.当石膏(CaSO4·2H2O)被加热到150 ℃时会失去3/4的水分,形成半水合物(CaSO4·0.5H2O)[23].在废石膏中,半水合物的含量高达15.29%,而在天然石膏中其含量为1.61%,这将导致掺有废石膏的水泥的凝固速度快于含有天然石膏的水泥[24].掺有3%～5%废石膏制成的水泥,其抗折和抗压强度与普通水泥差别不大,其初始凝固时间和最终凝固时间要比普通水泥分别节省15.29%和13.76%,可大大缩短施工时间[25-27].

以含废石膏的建筑垃圾生产的再生骨料作为建筑材料时,需考虑其对建筑物和环境的影响.含有硫酸盐的再生骨料不仅会污染地表或地下水,同时会危害到建筑结构的稳定性.若以含废石膏的建筑垃圾生产的再生骨料制备混凝土或路面材料,则需要测定和控制硫酸盐的溶出量.有研究表明,当再生骨料应用于非结构性民用时,只要再生骨料中石膏含量不超过4.4%,其对环境的影响可以忽略不计[28].

3.2作为回填材料的骨料

用含废石膏的建筑垃圾生产的骨料作为回填材料时,在被水淹没的情况下,有可能产生H2S气体,因此含废石膏建筑垃圾在这方面的应用受到了一定的限制.

回填材料生成的H2S浓度与回填材料中硫酸盐的含量关系不大,而与其中有机物的含量密切相关,有机物氧化消耗溶解氧,产生厌氧环境,从而影响H2S气体的生成量.有研究表明,当总有机碳TOC含量超过140 mg/L时,回填材料生成H2S的浓度超过300 mL/m3;当总有机碳TOC含量为30 mg/L时,H2S浓度低于60 mL/m3[29-30].因此,可以通过减少回填材料中有机物的含量,大大降低H2S气体的产生量.

3.3填埋处理

不能进行资源化的建筑垃圾需要进行填埋处理,填埋后,建筑垃圾中的废石膏可在厌氧环境下产生H2S气体.监测结果表明,建筑垃圾填埋场的H2S浓度变化范围非常大,土壤蒸汽中为<3.0×10-3～1.2×104mL/m3,环境空气中为<3.0×10-3～50 mL/m3[31].

pH值为中性时,有机物存在的厌氧环境有利于H2S气体的产生.通过调整填埋场结构破坏厌氧环境,减少填埋垃圾中的有机物含量都可以有效抑制H2S气体的产生[32].

此外,将垃圾焚烧残渣与含废石膏的建筑垃圾以一定的比例混合填埋,由于焚烧残渣中往往含有较多的铁等重金属,由硫酸盐还原形成的H2S与焚烧残渣中的铁发生反应生成难溶的硫化亚铁,可有效减少H2S气体的产生[33].实验结果表明,在厌氧条件下,纯建筑垃圾填埋1年后,释放到气相中的H2S约为801.3 mg,释放到沥出液中的H2S约为623.0 mg;而当焚烧残渣与建筑垃圾按7∶3的比例混合填埋时(铁的含量可高达12 300 g/t),释放到气相中的H2S约为0.02 mg,释放到沥出液中的H2S仅为4 mg.由此可见,H2S的释放被抑制了[34].

4　展　望

建筑垃圾中废石膏的含量确定及其去除方法越来越受到重视,但多数研究仍集中在手工分类、筛选等方法上,重液分离等先进的自动化分离方法将是未来的主要研究方向.另外,废石膏资源化再利用也是未来处理建筑垃圾中废石膏问题的重点研究方向之一.目前,废石膏生产建材制品主要有两种加工方法,一种是以日本为代表的烘烤法制取β-半水石膏,另一种方法是以德国为代表的高压釜法制取α-半水高强石膏.此外,用液相转化的蒸压釜法制取α-半水高强石膏以及用废石膏同时生产硫酸和水泥的方法都有一定的发展前景.

5　结　语

建筑垃圾中的废石膏含有大量的硫酸根离子,在厌氧环境下能够产生有毒气体H2S,对环境造成危害.通过手工分离、筛分等方法可减少建筑垃圾中废石膏的含量,分离出的废石膏可加工制成再生建筑材料和回填材料或进行填埋处理.目前,人工识别和手工分离仍是最简单有效的去除建筑垃圾中废石膏的方法,而重液分离等较为先进的分离手段还在研究验证阶段,自动化智能化的去除分离方法仍有待进一步探索.另外,为了更好地使含有废石膏板的建筑垃圾资源化,建筑垃圾中石膏的去除技术以及再生骨料中废石膏的最高允许及最佳含量还有待进一步研究.

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(编辑白林雪)

Status Quo and Future Prospect of Waste Gypsum Problems inConstruction and Demolition Waste

XIONG Jinlei, WANG Luochun, WANG Junjian, ZHU Shijie

(School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University ofElectric Power, Shanghai200090, China)

The source and harm of waste gypsum in construction and demolition waste (C& DW) are described briefly,and the methods to reduce the content of gypsum in the C& DW are introduced.Then,the possibility and methods of disposal and resource utilization of C& DW with waste gypsum are described,and finally the research on the problem of waste gypsum in the C& DW is summarized and prospected.

construction and demolition waste; waste gypsum board; hydrogen sulfide gas

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.04.018

2015-09-30

简介：王罗春(1968-),男,博士,教授,湖南株洲人.主要研究方向为固体废物处理与资源化,难降解有机废水处理及温室气体减排.E-mail:wangluochun@shiep.edu.cn.

TQ177.377;X799.1

A

1006-4729(2016)04-0393-04