建筑垃圾骨料浸出重金属对环境影响研究

李丽华，刘佳蓓,2，肖衡林，裴尧尧，徐维生

(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068； 2.中铁十一局西安建设有限公司，西安 710000)

1 研究背景

由于大部分建筑垃圾材料被认为是惰性的，因此，运转良好的建筑垃圾填埋场对人类健康和环境的危害可能要比城市生活垃圾填埋场的小[1]。因此，许多国家对建筑垃圾的处理设施的环保要求与允许填埋生活垃圾的填埋场要求的保护程度不同。但是，确实存在因建筑垃圾材料对环境造成污染的可能。建筑垃圾包含各种不同的成分，其中一些成分可能是危险的(例如铅基油漆、经过处理的木材)[2]。目前已经认识到建筑垃圾材料可能造成的环境影响，污染物的浸出可能会影响土壤，甚至可能影响地下水，对生态系统产生毒性影响，并通过间接暴露对人类健康造成潜在影响，此外还可能破坏饮用水资源[3]。为了保护自然环境并最终保护人类健康，在某些国家/地区已经确定了有关污染物的总含量和可浸出性的限值(例如德国、荷兰、意大利)。在其他国家/地区(例如丹麦)，仅允许使用未受到污染的建筑垃圾，但未执行任何法规限制或限值测试，所需的控制程度和所造成的环境影响仍然是争论的话题[4]。部分原因是有关建筑垃圾填埋场产生的渗滤液的特性及其对地下水的影响的可用数据有限。

可从已规定限值的国家获得建筑垃圾相关数据：例如德国、比利时和芬兰。但是，大多数研究都集中在从试验室配制的水泥基材料中浸出重金属[5-8]，很少有研究从建筑垃圾材料的实际样本中提取的用于回收利用的浸出物。一些研究侧重于建筑垃圾实际样品的特征：Galvín等[9]分析了西班牙两个回收处理设施的残留物，Meza等[10-11]研究了美国一所大学建筑拆除所产生的碎混凝土和砖，王罗春等[12]研究了在不同降雨条件下把建筑垃圾进行填埋对环境造成的风险，结果表明建筑垃圾中重金属带来的风险不容忽视。但是，在大多数情况下，研究人员所提供的信息是零散且不完整的。例如，仅分析了很少的样品，污染物的覆盖范围有限。建筑垃圾材料是一种高度异质的材料，有关在建筑工程中实际回收的建筑垃圾的材料特性和潜在浸出特性的信息非常有限，为评估建筑垃圾材料利用的环境后果提供了较差的基础。

本研究将重点针对实际工地产出的建筑垃圾，测试分析试验样品中的重金属(Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、Ni)浓度含量及其污染水平，通过柱浸出试验分析研究建筑垃圾中重金属的释放特征及规律，改变建筑垃圾样品的配比、液固比、pH值等因素，根据相关国内外规范标准，对建筑垃圾再生骨料可否运用于透水路面填料进行风险评估，为以后建筑垃圾用于国内道路工程的环境影响提供数据支撑。

2 试验方案

2.1 柱浸出试验

试验前先将大粒径的建筑垃圾破碎并过4 mm的筛，取50 g材料作为浸出样品。以稀释后的醋酸溶液作为浸提剂，蠕动泵的速率设置为10 mL/h，见图1。 10 mL/h可换算成166.67 μL/min，再对样品进行浸出。改变建筑垃圾混合料的配比，再生混凝土(RCA)和砖块(CB)的质量配比分别为10∶0(纯混凝土)、8∶2、5∶5、2∶8、0∶10(纯砖块)，收集浸出的实时样品和瓶中的混合样品，实时样品可以计算实时的浸出速率，混合样品可以计算浸出率。浸出液通过浸出柱上端的收集口溢出并收集，见图2。而后使用岛津AA-6880原子吸收分光光度计分别对浸出液中重金属(Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、Ni)的含量进行测定。

图1 浸出蠕动泵Fig.1 Peristaltic pump for leaching

图2 柱浸出试验Fig.2 Column leaching test

2.2 不同液固比试验方案

通过前期的预试验发现，在液固比<3时重金属不易析出，所以需要调整液固比≥3再进行试验。取建筑垃圾混合样品50 g，加入用醋酸调pH值为4的浸取液，分别隔15、25、50、75、100 h后(每个时间点设3个平行样)，吸取建筑垃圾-水体系中的水，对应的液固比分别为3∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1，经0.45 μm滤膜过滤后，用岛津AA-6880原子吸收分光光度计测定其中6种重金属含量。

2.3 不同pH值试验方案

建筑垃圾用于公路建设时环境pH值范围在4～10之间，一般情况下pH值越小，重金属浸出量越高。所以试验调节浸取液在极端pH值的条件(pH值=4)下进行，是为了更加明显地观察到污染物的释放规律。取粉碎后过4 mm筛网的混合建筑垃圾，浸取液用醋酸调pH值为4，取液固比为10:1，隔50 h后(设3个平行样)吸取浸出液，经0.45 μm滤膜过滤后，用岛津AA-6880原子吸收分光光度计测定其中6种重金属含量，用醋酸调整浸取液pH值分别为6、8、10，其余步骤与以上相同，进行试验。

3 试验结果分析

3.1 建筑垃圾不同液固比下重金属的浸出特性

改变建筑垃圾混合料的配合比，如图3所示。

由图4可知，每种重金属含量的释放呈现不同的规律。其中随着砖块含量的增加，重金属Cd、Cu、Ni和Zn含量减小，重金属Cr和Pb含量增加。由X射线衍射仪器可以测试得到，混凝土中的Cr含量为0.052%，砖块中的Cr含量为0.021%，但是随着砖块含量的增加，Cr的浸出浓度增加，说明砖块的浸出效率高于混凝土。

图4 不同液固比下建筑垃圾混合料中重金属的释放规律Fig.4 Regularities of heavy metal release in C & DW mixture under different liquid-solid ratios

改变建筑垃圾浸出液的液固比，每种重金属含量的释放也呈现不同的规律。Cd和Zn的含量随着液固比的变化上下起伏不大，浸出浓度基本保持不变，可见Cd和Zn达到了溶解平衡，但是浸出总量仍在不断增加。当液固比为20时，纯混凝土骨料中Cd和Zn的浸出量最大，Cd的浸出量约为0.055 mg，Zn的浸出量约为1.395 mg。Cr和Pb的浸出率随着液固比的增加而增加，浸出量也在不断增加，当液固比为20时，纯砖块中Cr和Pb的浸出量最大，Cr的浸出量约为0.018 mg，Pb的浸出量约为0.030 mg。Cu和Ni的浸出率随着液固比的增加而减小，经计算得到，当液固比为10时，纯混凝土中Cu的浸出量达到最大，约为0.497 mg。当液固比为20时，纯混凝土中Ni的浸出量达到最大，约为0.071 mg。

Garrabrants等[13]研究了重金属在水泥砂浆浸出液中的浸出特性，得出当液固比≤2时，随着液固比的增加，重金属(Cd、As和Pb)的浸出浓度降低迅速，但当液固比继续增加，重金属的浸出浓度就基本保持不变；Galvín等[9]对建筑垃圾在不同液固比条件下重金属释放特性的试验结果表明，重金属的浸出量随着液固比的增加而增加，当液固比升高到某一值时，浸出量就基本保持不变。杨昱等[14]在研究混凝土材料在不同液固比下重金属的释放规律时得出结论，在液固比较小时，重金属的浸出浓度随着液固比的增加而下降的幅度很小，随后当液固比到一定程度后，浸出浓度基本保持不变。

本次试验是在酸性(pH值=4)条件下进行的，代表了在极端pH值条件下用于道路工程的建筑垃圾浸出液中重金属的最大释放量，除了Cu的浸出量增加放缓以外，其余重金属的释放量仍在持续增大或者保持不变。该试验结果与其他研究人员的研究结果相似，说明在较小的液固比时，建筑垃圾浸出液中重金属的释放规律和某些惰性材料相似，如混凝土和水泥砂浆等。

3.2 不同pH值下重金属的浸出特性

由图5可知，建筑垃圾混合物在不同pH值时，每种重金属的浸出浓度随时间变化趋势也会有所不同，Cd、Ni和Pb在不同pH值时的浸出浓度随时间变化趋势基本相似，Cd、Ni和Pb随着pH值的升高，平衡浓度降低。其中纯砖块中Pb的平衡浓度最大，纯混凝土中Cd和Ni的平衡浓度最大。就总体样本而言，Pb的浸出浓度远低于Cd和Ni的浸出浓度，Cd、Ni和Pb的最大浸出浓度均在pH值=4时出现，由此可见，建筑垃圾各体系pH值越小，Cd、Ni和Pb浸出浓度均越大。有研究认为在酸性条件下，浸取液的酸度会破坏建筑垃圾内部的化学结构，会浸出本来固定于水化产物中的某些有害化学物，因而重金属离子的浸出受pH值的影响很大，从理论上来看在酸性较强的情况下，某些重金属离子浸出性将会增大。

图5 不同pH值下建筑垃圾混合料中重金属的释放 规律Fig.5 Regularities of heavy mental release in C & DW mixtures at different pH values

Cr的浸出浓度随pH值的变化规律与Cd、Ni和Pb不同，Cr的浸出浓度与pH值呈正相关，纯砖块时Cr的浸出浓度最大。在碱性条件(pH值>7)时，Cr一般以含氧阴离子CrO42-形式存在，而Cr6+在pH>7的条件下不易生成氢氧化物沉淀，容易被浸出，从而使得Cr的释放量在pH值增大时增大。

Cu和Zn具有两性浸出，形成U形曲线，在极端的酸性和碱性pH值时浓度升高，且最低浓度介于两者极限之间，总体看来纯混凝土时Cu和Zn的浸出浓度最大。从图5可以看出，酸性和碱性条件导致了Cu和Zn的最大释放。正常的室外作业环境一般具有中性的pH值条件，因此浸出重金属不太可能引起任何污染问题。

3.3 背景值比较

对建筑垃圾中铬(Cr)、铜(Cu)、镍(Ni)、镉(Cd)、锌(Zn)和铅(Pb)这6种重金属元素进行了分析，每种元素取得上述试验的最大值与当地土体背景值作对比，如图6所示，并依照土体三级质量标准(表1)加以分析[15]。

图6 建筑垃圾混合样与土体背景值中重金属浓度比较Fig.6 Comparison between heavy metal concentrations in C & DW mixed samples and background value of soil

表1 我国土体质量标准(三级)Table 1 China’s soil quality standards (level III)

取土体环境背景值进行浸出实验与建筑垃圾中重金属浸出率对比，背景值结果见图6。可以看出背景值中Cr、Ni、Cd、Pb的重金属含量远远大于建筑垃圾混合样品，属于污染风险较低的材料；因此可以选取建筑垃圾作路基的再生材料，运用于公路路基并不会对周边环境(土体、地下水)带来影响。对比分析建筑垃圾混合样与土体背景值中的重金属含量，混合样中Zn元素含量略高于背景值，但是低于土体质量三级标准，其余重金属含量均低于背景值和土体质量三级标准，因此，建筑垃圾用于路面底基层填料不会污染周边土体。

4 结 论

(1)建筑垃圾中重金属浸出浓度基本低于土壤背景值中重金属浸出浓度，Zn的浓度略高，但是都小于我国土壤环境质量标准(三级)，所以将建筑垃圾用于路面基层/底基层不会对生态环境造成污染。

(2)建筑垃圾混合样配比对重金属浸出含量的影响：在纯砖块条件下时，重金属Cd、Cu、Ni和Zn含量最小；在纯混凝土条件下时，重金属Cr和Pb含量最小。

(3)建筑垃圾浸出液固比对重金属浸出含量的影响：Cd和Zn的含量随着液固比的变化上下起伏不大，浸出浓度基本保持不变，可见Cd和Zn达到了溶解平衡；Cr和Pb的浸出率随着液固比的增加而增加，浸出量也在不断增加；Cu和Ni的浸出率随着液固比的增加而减小。

(4)Cd、Ni和Pb在不同pH值时的浸出浓度随时间变化趋势也基本相似，随着pH值的升高，Cd、Ni和Pb的平衡浓度降低；Cr的浸出浓度与pH值的增高呈正相关；Cu和Zn具有两性浸出，形成U形曲线，在极端的酸性和碱性pH值时浓度升高。