建筑垃圾中典型污染物扩散浸出行为研究

李瑞琴, 杨雄兵,陈 磊

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

近年来，随着中国经济发展和城市化进程加快，城市基础设施建设、维修、拆除中产生的建筑垃圾产生量与日俱增。受经济和技术条件的限制，我国建筑垃圾的“资源化”利用率仅5%～10%左右，大量未能利用的建筑垃圾只能露天堆放，导致占用大量土地资源，引发各类环境污染问题。因此，如何对建筑垃圾进行“资源化”利用，已成为城市管理部门亟需解决的问题。

目前，建筑垃圾“资源化”主要是把建筑垃圾中的砖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学性质与天然集料相近，已经成功用于路基填筑、软弱地基处理等土建工程中。因其具有良好的渗透性和孔隙率，是海绵城市建设中一种潜在的“海绵体”建设材料。其中底部建筑垃圾再生集料作为蓄水层，上部级配建筑垃圾再生料辅以特殊草类植物作为“过滤层”。

当建筑垃圾在用于地下储水池或者雨水花园底部填料时，其将长期淹没于雨水中[8-12]。由于建筑垃圾试样内部存在一定的裂隙或孔隙，雨水将通过建筑垃圾的裂隙和孔隙进入到建筑垃圾内部。此时，建筑垃圾集料内部的污染物将从固相溶解进入液相，并通过分子扩散的方式从建筑垃圾的内部逐渐向外部迁移。一旦建筑垃圾内部污染物进入到外部水体，将增加“海绵体”储存的雨水中污染物的浓度，导致储存雨水污染加重。为评价建筑垃圾在“海绵体”建设中可能存在的环境风险问题，本文采用浸出扩散试验，分析了建筑垃圾中典型重金属污染物扩散浸出行为。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

根据HJ/T 20-1998《工业固体废物采样制样技术规范》选择有代表性的建筑拆除场地进行采样。根据调查，发现建筑垃圾中可用作“海绵体”填料的

主要成分为废砖块和废混凝土，所以在取样时主要收集这2种材料。试验所用建筑垃圾取自3个采样点：西安市环城路附近老旧建筑某拆迁现场(20世纪后期建筑)、西安市近郊村镇近期建筑某拆迁现场(近30a内建筑)以及长期受污染建筑某拆迁现场(陇海铁路与星火路交叉处长期与粉尘和有害气体接触建筑)，上述采样均为居民小区建筑拆迁产生的建筑垃圾，除铁路附近建筑长期受铁路运输过程中产生的粉尘和机车排放气体污染较多外，其他两处周边均无明显污染源，采样地区、现场采样照片和采样数量见图1、图2和表1。

图1 建筑垃圾采样点位置(西安市)

图2 建筑垃圾现场取样照片

表1 各采样点采样数量表

采样后，将样品运送到实验室。使用不锈钢油灰刀将建筑垃圾表面的抹灰等浮土去掉，随后使用破碎机将样品破碎、分拣及筛分处理，选取颗粒粒径2～10 mm集料待用。

使用岩石切割机将废砖块和废混凝土块切割成5.0 cm×5.0 cm×5.0 cm(长×宽×高)的立方体，切割完成后的试样如图3(a)和图3(b)所示。使用蒸馏水将试样表面浮土清洗干净，然后将试样放置在实验室内自然晾干，待用。

图3 切割完成后试样

1.2 试验方法

试验中扩散溶液使用浓硫酸和浓硝酸混合溶液配制，质量比为2∶1。设置pH=3.0、pH=5.0和pH=7.0三个不同梯度的扩散浸提溶液。

扩散试验参考ASTM C1308-08和EANEN7371进行。试验中将扩散浸提溶液的体积与建筑垃圾试样的表面积之比设定为10∶1(mL/cm2)；因为建筑垃圾的表面积为150 cm2，所以本研究中使用的扩散溶液的体积设定为1 500 mL。试验步骤如下：

(1) 将配制好的扩散浸提溶液注入体积为2 L的烧杯中。

(2) 使用尼龙聚乙烯线将建筑垃圾试样缠裹好，然后将其转移到烧杯中，使建筑垃圾完全浸没在扩散溶液中，其底部距离烧杯底部5 cm左右。2 h后，将建筑垃圾试样从扩散浸提液中取出，分析烧杯溶液中重金属的浓度。

(3) 将建筑垃圾试样置入另一个含有相同扩散

浸提液的烧杯中，5 h后取出，测定烧杯溶液中重金属的浓度。

(4) 将建筑垃圾试样置入另一个含有相同扩散浸提液的烧杯中，17 h以后取出，测定烧杯中溶液中重金属的浓度。

(5) 将建筑垃圾置入另一个含有相同浸提液的烧杯中，24 h以后取出，测定烧杯中溶液中重金属的浓度。

(6) 重复步骤5，整个试验持续11 d，总共取样13次。

整个试验的示意图和试验过程照片分别如图4和图5所示。

图4 试验操作过程图

图5 试验过程照片图

重金属污染物浓度使用原子吸收分光光度法测定。试验中扩散浸提液的pH使用pH计测定。

试验结束后，使用公式(1)计算从建筑垃圾中扩散出的污染物的累积质量：

图6 老旧建筑废砖中重金属在不同pH条件下的浸出情况图

Amax=∑Ci×VL,i

(1)

式中:Amax为累积污染物的质量,mg;Ci为第i次扩散溶液中污染物的浓度,mg/L;VL,i为扩散溶液的体积,L;本次研究取1 500 mL。

2 试验结果分析

表2是老城区某老旧小区所取建筑垃圾所含的重金属总量，从表中可以看出，重金属Cr的浓度要显著高于其他3种重金属。至于建筑垃圾中Cr的高含量，可能与建筑垃圾(建筑物建设时为建筑材料)所用材料中Cr的含量有关。

图6为老城区某老旧小区所取废砖中重金属污染物扩散浸出浓度随时间的变化关系。从图中可以看出，在pH为3.0的第一批次浸提时，扩散溶液中Cr的浓度为0.008 mg/L；在这之后，扩散浸提溶液中Cr的浓度快速下降；在第三次浸提时，Cr的浓度低于检测限(0.005 mg/L)。而重金属Cu、Pb和Cd的浓度在3个不同pH扩散浸提液中所有扩散浸提批次中都低于检测限(Cu检测限为0.005 mg/L、Pb检测限为0.013 mg/L、Cd的检测检测限为0.003 mg/L)。在所分析的4种重金属中，Cr的浸出浓度高于其他3种重金属，主要原因可能是建筑材料本身含有大量的Cr。

老城区某老旧小区废混凝土中重金属在不同pH条件下的扩散浸提情况见图7。与废砖中重金属扩散浸提情况类似，在废混凝土中，除了在pH=3.0的第一和第二批次扩散浸提中检测到极少量的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，都未能检测到重金属。

图7 老旧建筑废混凝土中重金属在不同pH条件下的浸出情况图

表2 建筑垃圾中重金属全量表

近郊村镇拆迁现场所取的建筑垃圾，其重金属的浸出情况与在老城区某老旧小区所取建筑垃圾的重金属浸出情况基本相同，具体扩散浸提情况见图8和9。2个采样点建筑垃圾重金属扩散浸提情况之所以相似，主要是因为这2个小区均属于一般居民小区，周围不存污染源，所以建筑垃圾中的污染物主要来自于建筑原料。2个小区都属于老旧小区，建筑材料本身所含的污染物差别不大，所以2个取样点的建筑垃圾的重金属扩散浸出情况没有显著差别。

图10和图11分别是某铁路沿线废砖和废混凝土建筑垃圾中重金属扩散浸提情况。与老旧建筑和近期建筑垃圾不同，铁路附近的建筑垃圾在pH=3.0的扩散浸提溶液中检测到了一定量Cr和Cu。这可能是因为此处拆迁场地位于铁路旁边，由于铁路运输过程中产生的粉尘(运输的工业原料或矿石)和机车排放气体落入或接触到建筑物表面，这部分污染物进入到建筑材料内部。当建筑垃圾置于扩散浸提溶液中时，污染物便会溶解并以扩散的方式释放出来。

图8 近期建筑废砖中重金属在不同pH条件下的浸出情况图

图9 近期建筑废混凝土中重金属在不同pH条件下的浸出情况图

图10 长期受污染建筑废砖中重金属在不同pH条件下的浸出情况图

图11 长期受污染建筑废混凝土中重金属在不同pH条件下的浸出情况图

长期受污染建筑，建筑垃圾中重金属在pH=5.0和pH=7.0两种扩散浸提溶液中的浓度都低于检测限。主要是因为当浸提扩散溶液的pH相对较高时，重金属污染物在溶液中并不能以自由离子的形式存在，而更多是以羟基配合形式存在水体中，而羟基配合物主要吸附在建筑垃圾固体表面，而无法进入到液相中，所以也就不能进行扩散迁移。图12是重金属Cu2+及其羟基配合物在不同pH条件下的分布情况。从图2中可以看出，当pH大于5.0以后，溶液中自由Cu2+所占比例急剧下降，而其他羟基配合物的数量不断增多。重金属羟基配合物无论是从建筑垃圾表面解析进入到溶液中，还是在溶液中的扩散速度都要低于自由离子。

图12 Cu2+及其羟基配合物在不同pH条件下的分布图

表3是建筑垃圾在pH=3.0时，第一批次扩散浸提液中重金属浓度与西安市二环某立交桥初期雨水中污染物浓度的对比。从表中可以看出，除了铁路沿线所取废砖浸提溶液中Cu和Cr的浓度高于初

期雨水中重金属的浓度以外，其他建筑垃圾中重金属的浓度都是低于初期雨水中重金属污染物浓度的。可见，一般民用建筑垃圾用作“海绵体”时(见图13)，即使是长时间的浸泡，其污染物的释放量也不会超过地表初期雨水中污染物的浓度，不会给地表雨水带来额外的污染。

图13 基于建筑垃圾再生材料填筑额“海绵体”、反滤层与净水层示意图

表3 pH=3.0时扩散溶液中污染物浓度表

3 结 论

(1) 根据浸出毒性试验结果分析，其浸出溶液中Cu、Pb和Cd在的含量很低，达不到检测值,研究所用建筑垃圾不属于危险废物。

(2) 标准浸提条件下，不同地区采样点建筑垃圾浸出毒性差别不大,在强化浸提作用下，铁路线周围采样点建筑垃圾中Cr的浸出浓度超标。

(3) 以黏土砖和水泥等传统无机矿物质材料为原材料的建筑垃圾对酸性环境具有一定的缓冲能力，在初期浸水过程中表现出一定的耐久性。

(4) 在对建筑垃圾作为储水“海绵体”的资源化利用时，应充分考虑可能对环境造成的负面影响。建筑垃圾选用时，应对来自不同环境建筑垃圾的浸出污染物含量进行检测，判定是否满足建筑材料要求。

(5) 民用建筑垃圾在长时间淹水时，通过扩散作用释放进入水体中的重金属污染物量是有限的，不会造成海绵体中所储存的水体水质恶化。在雨水

花园或地下储水空间建设中，建筑垃圾再生骨料满足对材料环境指标要求。