建筑废弃物在污水处理领域的研究与应用

雷 铭，韩 运，李文凯，王 雷，郑天龙，李鹏宇，连依明

（1.陕西建工第十二建设集团有限公司，陕西安康 725000；2.陕西建工（安康）新型建材有限公司，陕西安康 725000；3.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085）

随着社会经济的快速发展和城市化进程的推进，工程建设行业发展迅速，在建造工程的同时产生了大量的建筑废弃物。一般而言，建筑废弃物是指在新建、扩建、改建和拆除各类建筑物、构筑物、管网等以及居民装饰装修房屋过程中所产生的弃土、弃料及其他废弃物〔1〕。根据有关研究，目前全球建筑废弃物的年产量已经超过30 亿t〔2〕，占社会全部固体废物产量的30%以上〔3〕，亟需进行有效处置。建筑废弃物的处置一般可以分为两类：填埋和资源化利用。填埋会占用大量的土地资源并且存在一定的环境污染风险，而以制备再生骨料、生产再生建材和用于铺筑路基等为主要利用方式的资源化利用一方面可以减少土地占用、避免环境污染，另一方面也可使废弃物产生一定的经济效益，是首选的处置方案〔4〕。但是，受限于成本、管理和技术等因素，全球范围内的建筑废弃物资源化利用率并不高，包括中国在内的许多发展中国家的建筑废弃物资源化利用率更是不足10%〔2，5〕。

随着污水处理技术的发展，有关研究发现了一些建筑废弃物能够对污水中的某些污染物起到去除作用，在进行污水低成本净化的同时实现了建筑废弃物的资源化利用〔6-7〕，拓宽了建筑废弃物的资源化利用方式和渠道，也为污水处理技术的发展提供了新的思路，具有广阔的研究和应用前景。为了进一步推动建筑废弃物在污水处理领域的研究与应用，笔者在梳理前人研究成果的基础上，总结了建筑废弃物在污水处理领域的研究与应用现状，并针对其存在的问题提出了相应的发展方向，以支撑相关技术的发展和工程的应用。

1 建筑废弃物的种类和性质

建筑废弃物成分复杂、类型多样，常规建筑废弃物中占比较高的是工程弃土、废砖瓦和废混凝土等〔8〕，其具体组分随工程情况和产生部位的不同而有所波动〔9〕。按废弃物产生环节的不同，建筑废弃物可以分为工程建设垃圾、工程拆除垃圾和建材生产、运输垃圾等。按废弃物组成成分的不同，可以分为水泥基建筑废弃物和非水泥基建筑废弃物。其中水泥基建筑废弃物是指以水泥作为主要胶凝材料的建筑废弃物，主要包括废混凝土、废蒸压加气块、废砂浆、混凝土泥浆等，其密度一般在2 500 kg/m3以下，比表面积因处理方式的不同而有较大差异，一般不大于30 m2/g〔10-12〕；非水泥基建筑废弃物是指除水泥基建筑废弃物以外的建筑废弃物，主要包括废砖瓦、废陶瓷、废玻璃、工程弃土等，其密度一般在2 000 kg/m3以下，孔隙率一般在30%以上，比表面积一般不大于20 m2/g〔10，13-14〕。因水泥的水化反应，水泥基建筑废弃物一般有较高含量的水化硅酸钙、氢氧化钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙和水化硫铝酸钙（钙矾石），相比于非水泥基建筑废弃物往往具有更高的化学反应活性。

2 建筑废弃物用于污水处理的基本原理

污水处理可以分为物理处理、化学处理和生物处理3 大工艺，其中，物理处理一般通过沉降、过滤、吸附等物理作用去除污染物〔15〕，化学处理一般通过氧化还原、表面络合、化学沉淀等化学反应去除污染物〔16〕，生物处理主要依靠微生物和植物等生物的代谢过程去除污染物〔17〕。建筑废弃物作为一种具有较大比表面积、相对发达孔隙结构和具有一定强度的固体物质，可以在经过适当处理后在上述3 类工艺中实现对污水的有效处理。在物理处理方面，破碎后的建筑废弃物可以作为滤料，通过颗粒间的孔隙和颗粒的多孔结构实现对水中污染物的过滤和吸附〔18〕。在化学处理方面，以废混凝土为代表的水泥基建筑废弃物可以与污水中的磷元素发生化学沉淀或表面络合反应，实现对污水磷元素的去除〔7，19〕。在生物处理方面，以废砖为代表的许多建筑废弃物具有粗糙多孔的结构特征，可以为微生物提供附着和生长表面，也可以为植物根系提供良好的生长环境，与生物协同作用去除污染物〔20-21〕。

3 水泥基废弃物的研究与应用

水泥基建筑废弃物在污水处理领域的研究和应用主要集中在作为吸附剂除磷、氟、含氧酸盐和重金属，其中起关键作用的物质是水泥水化形成的氢氧化钙和钙矾石（图1）。Xiao LIU 等〔19〕利用混凝土对废水中的磷酸根进行处理，在进水中磷质量浓度为50～1 600 mg/L，混凝土用量为10 g/L 时，对磷酸盐的去除率达到45%～99%，主要是因为氢氧化钙在污水中会形成游离态Ca2+和OH-，其中Ca2+和OH-可与磷酸盐形成羟基磷灰石沉淀，实现对污水中磷的去除。J. Y. PARK 等〔22〕利用水泥浆对水体中氟、磷和硝酸盐进行去除，发现Ca2+可与F-形成氟化钙沉淀，实现对污水中氟的去除。J. YOO 等〔11〕利用混凝土泥浆对水体中的铜、铅、锌进行去除，发现OH-可与重金属离子形成金属氢氧化物沉淀，实现对污水中重金属的去除。钙矾石晶体结构中SO42-可与含氧酸离子发生离子交换反应〔23〕，实现对污水中含氧酸盐的去除。此外，水泥基建筑废弃物表面的金属活性位点亦可与磷酸盐发生表面络合作用〔19〕，实现对污水中磷的去除。

图1 水泥基建筑废弃物去除污染物示意Fig. 1 Schematic diagram of the removal of pollutants by cement-based construction wastes

水泥基建筑废弃物可以实现较好的除磷效果，在相对宽泛的反应条件（粒径＜50 mm、投加质量浓度1～50 g/L、停留时间1～24 h 等）下，一般可以实现80%以上的磷去除率，常见的水泥基建筑废弃物（混凝土、混凝土泥浆、水泥浆、砂浆等）均有良好的除磷效果，并且生成的羟基磷灰石等含磷产物具有作为土壤改良剂或缓释肥料还田的潜力〔12〕，具有较好的应用前景；水泥基建筑废弃物除氟主要采用混凝土泥浆或水泥浆作为吸附剂，吸附剂粒径一般小于2 mm，在投加质量浓度30 g/L、停留4 h 的条件下，可以获得超过95%的除氟率；水泥基建筑废弃物除硼主要采用混凝土及其泥浆作为吸附剂，吸附剂粒径一般小于0.2 mm，在投加质量浓度30～67 g/L、停留时间4～25 h 的条件下，可以获得超过75%的除硼率，其主要除硼原理是离子交换反应〔23〕。同时，水泥基建筑废弃物对铜、铅、锌、铬等重金属也有较好的去除作用，是一种能够去除多种污染物的材料〔7〕。对水泥基建筑废弃物的相关研究进行了总结，见表1。

表1 水泥基建筑废弃物去除污染物情况Table 1 Removal of pollutants by cement-based construction wastes

此外，为进一步提高水泥基建筑废弃物对污染物去除效果，有关研究探索了相关材料的改性方法，重点研究了加热、酸浸、炭化和添加化学药剂等方式对水泥基建筑废弃物污染物控制能力的影响，发现105、175 ℃甚至800 ℃加热或酸浸可以提高水泥基建筑废弃物对污染物的去除性能〔12，27，30，32〕，炭化过程则弱化了其对污染物的去除性能〔33〕，而添加硫酸铝可以促进钙矾石的生成，强化基于离子交换反应的污染物去除性能〔29〕。

整体而言，水泥基建筑废弃物除硼、氟和重金属的研究主要停留在实验室小试阶段，中试研究或实际工程应用相对较少，实际污水中的有机物、氮磷等污染物对反应过程的影响尚不十分明确，其工程应用的经济适用性有待继续探索。水泥基建筑废弃物除磷已经得到了实际工程的检验，对常规污水具有良好的总磷去除效果，相比于药剂除磷、电化学除磷工艺，水泥基建筑废弃物除磷成本低廉、维护便利、对运维人员技术水平的依赖性较低，在出水水质要求相对较低、经济欠发达的地区具有较好的应用前景。

4 非水泥基废弃物的研究与应用

非水泥基建筑废弃物在污水处理领域的研究与应用主要是将废砖、废砌块等破碎后作为人工湿地填料，处理对象有生活污水〔18〕、工业废水〔20〕、受污染河水〔6〕等，主要污染控制指标为悬浮物（SS）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、总氮（TN）和总磷（TP），相关研究成果见表2。与水泥基建筑废弃物作为吸附剂进行应用不同的是，非水泥基废弃物主要作为填料使用，其粒径往往控制在1 mm 以上，大于水泥基建筑废弃物的应用粒径，非水泥基建筑废弃物的加工和处理相对简单。另外，与水泥基建筑废弃物相比，非水泥基建筑废弃物在化学反应上相对惰性，单独使用对污染物去除效果往往有限，常与微生物、湿地植物等协同发挥对污染物的去除作用〔20-21〕。

表2 非水泥基建筑废弃物去除污染物情况Table 2 Removal of pollutants by non-cement-based construction wastes

相关研究发现，废弃的红砖、粉煤灰砖、陶片等作为人工湿地填料能够有效去除污水中的SS、COD、TN 和TP。T. SAEED 等〔20〕通过采用废砖颗粒作为人工湿地的填料对工业废水中有机物、SS、氮、磷进行去除，对COD、SS、NH4+-N、TN 和TP 的去除率分别为83%、95%、81%、80%和89%，其中对SS 的去除主要依靠物理截留作用，对COD 的去除主要依靠物理截留和微生物代谢作用，对TN 的去除主要依靠氮循环相关微生物（包括氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌）的脱氮作用〔32〕，对TP 的去除则主要依靠建筑废弃物中丰富的Ca、Fe 和Al 等金属离子与磷酸盐形成的沉淀和化学吸附作用〔14〕。

此外，为提高污染物的去除能力，时霞〔13〕采用间歇曝气技术对建筑废弃物人工湿地进行了改良，有效提高了对COD 和TN 的去除效果，其技术原理是利用氧气浓度变化优化了非水泥基建筑废弃物上的微生物群落结构并增强了相应的生物代谢作用。

非水泥基建筑废弃物在污水处理领域的研究得到了相对充分的实际工程或中试研究验证，作为填料时对进水类型、进水水质以及应用规模都有较好的适应性，能够发挥一定控制常规污染物的作用，其综合成本一般略低于常规碎石、石英砂或火山岩填料，应用前景较为广阔。

5 结论与展望

目前，建筑废弃物在污水处理领域的研究与应用取得了一定进展，特别是在污染物控制效果、控制机理、材料改良和技术改进方面涌现了一批研究与应用成果，为相关技术的进一步改良和工程应用提供了有效支撑。但是，相关研究与应用仍然存在一些问题。

对于水泥基建筑废弃物，大部分研究停留在实验室层面的模拟污水试验，虽然取得了很好的污染物控制效果，但忽视了真实污水中大量的有机物和竞争离子的作用，相关技术能否在实际工程应用中取得良好的污染物去除效果尚需验证。同时，水泥基建筑废弃物在应用中往往需要破碎磨细以获得更大的比表面积和更多的活性位点，这在实际工程应用中将增大成本和能耗，应该进行进一步的技术优化。

对于非水泥基建筑废弃物，研究与应用主要集中在破碎后作为人工湿地填料这一方向上，对于在曝气生物滤池和厌氧生物滤池技术中的探索有限。其次，现有基于非水泥基建筑废弃物对污染物去除的研究相对不足，其组成成分、微观形貌、级配特点对于污染物去除效果的影响及其作用机制尚不十分明确，限制了相关理论的发展和技术的进一步突破。

鉴于上述研究和应用的不足，未来建筑废弃物在污水处理领域的研究与应用可关注以下几个发展方向：1）尽快将实验室成熟技术在实际工程中进行验证，筛选并优化形成一批工程可行技术进行推广；2）研发低成本、低能耗的建筑废弃物处理和改良技术，减少破碎和磨细过程的资金、能源消耗；3）拓宽技术应用领域，探索将建筑废弃物应用于其他需要填料或载体的污水处理技术中；4）深化微观机理研究，明晰不同建筑废弃物对不同水污染物质的去除机理，构建量化的机理模型；5）结合上述4 个方向的研究成果，利用全生命周期评价方法和机器学习算法构建应用决策模型及适用技术方案，为相关技术的大范围推广应用提供决策支撑。