建筑垃圾再生材料應(yīng)用于公路工程的環(huán)境影響

趙曉紅, 王文科, 陳宇云, 楊勝科, 王周峰, 楊銀科

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710064)

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建筑垃圾再生材料應(yīng)用于公路工程的環(huán)境影響

趙曉紅, 王文科, 陳宇云, 楊勝科, 王周峰, 楊銀科

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710064)

摘要：對西安市最主要的建筑垃圾分類加工廠進(jìn)行調(diào)查取樣，檢測其所含有的重金屬污染質(zhì)，甄別潛在的污染來源。結(jié)果表明：盡管混凝土、磚塊、瓷片中個(gè)別樣品Cd、As、Cr、Zn的全量超出國家土壤三級標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際使用中可能只有少量溶解態(tài)濾出，因此并不會對環(huán)境造成較大危害，將其大規(guī)模應(yīng)用于公路工程中可行。

關(guān)鍵詞:建筑垃圾； 公路工程； 重金屬； 環(huán)境影響

隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展速度的加快，舊城區(qū)改造、新城區(qū)開發(fā)和市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等活動導(dǎo)致大量建筑垃圾急劇產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年產(chǎn)生的建筑廢棄物總量為2.4億~3.6億t[1]，約占城市垃圾總量的30%~40%。

長期以來，我國的建筑垃圾再利用沒有引起很大重視，通常是未經(jīng)任何處理就被運(yùn)到郊外或農(nóng)村，采用露天堆放或填埋的方式進(jìn)行處理。隨著資源短缺問題的日益嚴(yán)重及對環(huán)境保護(hù)、資源再生利用的逐步重視，我國也開始了對建筑垃圾減量化和資源化的研究和實(shí)際應(yīng)用。北京、上海、河北等地將建筑垃圾分揀、粉碎成細(xì)骨料，用于高層建筑中及鋼筋混凝土短樁中，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效應(yīng)[2-3]。

2013年，陜西省交通廳開建省級高速公路西咸北環(huán)線項(xiàng)目，項(xiàng)目投資估算146億元。西咸北環(huán)線路線設(shè)計(jì)中大部分的路段為填方路段，路基總填方量為1 900多萬方，最高填土高度近18 m。在西咸北環(huán)線征地拆遷和沿線城市建設(shè)的過程中產(chǎn)生大量建筑垃圾，將建筑垃圾再生材料作為路基填料大規(guī)模應(yīng)用于道路建設(shè)中在我國尚屬首次。

把建筑廢棄物作為再生資源用于新的建設(shè)中是個(gè)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的做法，這不但解決了城市建設(shè)中大量建筑垃圾的處理問題，同時(shí)也降低了建設(shè)成本，降低了新能源的消耗，為節(jié)約型建設(shè)指明了一條合理的道路。但是，不能忽略其二次使用過程中對環(huán)境造成二次污染的可能性。現(xiàn)有的研究主要集中在建筑垃級再用于路基建設(shè)中某些物理機(jī)械性能的測試，而對于其可能存在的污染質(zhì)的分析鮮有報(bào)道。

基于建筑垃圾中主要的污染為重金屬污染，本研究針對陜西省省級高速公路西咸環(huán)線路基建設(shè)中所用的建筑垃圾再生材料，采用野外調(diào)查取樣，檢測其所含有的8種重金屬濃度(國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定)，甄別潛在的污染來源，評價(jià)其對周圍環(huán)境的影響，并對此次應(yīng)用的可行性進(jìn)行了研究分析。

1材料與方法

對西安市及周邊分別位于西吳村、黨家寨、百花村(大型加工場)及西安西南的北灃鎬村、周吳村、南河村和落水村(分散式，小型)最主要的幾個(gè)建筑垃圾分類加工廠進(jìn)行調(diào)查取樣，加工廠位置如圖1所示。

圖1　西安周邊主要的建筑垃圾分類

在處理廠中，首先對建筑垃圾進(jìn)行篩分，去除所含的玻璃、金屬、木材、碎布及塑料等之后，預(yù)用于路基建設(shè)的主要以混凝土塊、磚塊和瓷片為主。因此，本研究在不同的建筑垃圾處理廠總共取樣50個(gè)點(diǎn)，包括16個(gè)點(diǎn)的磚樣(Z1—Z16)、14個(gè)點(diǎn)的瓷片樣(C1—C14)、16個(gè)點(diǎn)的混凝土樣(H1—H16)、3個(gè)小顆粒混合樣(M1—M3)及1個(gè)西吳村的農(nóng)田土樣(Soil)。每個(gè)點(diǎn)位于不同加工廠的不同方位，每個(gè)點(diǎn)分散取樣若干，然后根據(jù)地質(zhì)調(diào)查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(DD2005-01)對樣品進(jìn)行混合粉碎預(yù)處理，再采用電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICP-OES)進(jìn)行重金屬鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、砷(As)、汞(Hg)總體含量的檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1樣方調(diào)查

在路基鋪設(shè)中，不同組分所占的比例對環(huán)境的潛在影響不同，且基于西咸北環(huán)建設(shè)中鋪設(shè)路基所用的建筑垃圾再生材料主要來自興平市西吳村建筑垃圾分類加工廠(規(guī)模最大，加工最精細(xì))，因此我們選取此處為典型代表進(jìn)行樣方調(diào)查。結(jié)果顯示：無論質(zhì)量分?jǐn)?shù)還是體積分?jǐn)?shù)，磚塊和混凝土占絕大部分，瓷片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、體積分?jǐn)?shù)為3%。由于混凝土密度較大，所以在質(zhì)量分?jǐn)?shù)中占54%，而體積分?jǐn)?shù)為48%。因此，混凝土和磚塊對環(huán)境的潛在影響較大。

2.2重金屬檢測

圖2為磚塊中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況?？梢钥闯?，磚塊中Cr、Cu、Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較穩(wěn)定，主要范圍依次為72~131、25~39、41~47 mg/kg。

圖2　磚塊中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

相對地，Zn、Pb、As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化比較大，Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為73~183 mg/kg，但基本上都在100 mg/kg以下，只有3個(gè)樣品超過了150 mg/kg；Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為15~244 mg/kg，但主要集中在50 mg/kg以下，超過190 mg/kg的磚樣只有2個(gè)；As質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12~229 mg/kg，大都在17 mg/kg以下，但有2個(gè)樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.9、229 mg/kg。相對于其他元素，Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較低，大都在1 mg/kg以下，但黨家寨的2個(gè)磚樣超過了3 mg/kg，西吳村的1個(gè)磚樣高達(dá)5.6 mg/kg。

瓷片中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖3所示?？梢钥闯?，除了Ni在11.3~33.4 mg/kg相對變化較小的范圍內(nèi)，其他重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化均相對較大。除1個(gè)樣品中Cr高達(dá)428 mg/kg ，其余均在100 mg/kg以下。相對于磚塊，瓷片中Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍較大，為5.8~31.3 mg/kg；Pb、As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在63 mg/kg、6.5 mg/kg以下，只有黨家寨1個(gè)點(diǎn)的瓷片樣中Pb、As質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)207、113 mg/kg；相對于磚塊中Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73~183 mg/kg，14個(gè)點(diǎn)的瓷片樣中有6個(gè)點(diǎn)的樣品超過了180 mg/kg，有2個(gè)超過500 mg/kg，最高達(dá)686 mg/kg。有5個(gè)點(diǎn)的瓷片樣品中Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1 mg/kg，最高為3.18 mg/kg。

圖3　瓷片中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

如圖4所示，混凝土中Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.3~95.2 mg/kg，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.1~35.0 mg/kg ，均變化不大。Cu的最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.5 mg/kg，Zn、Pb、As大部分質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次在100 、60、20 mg/kg以下。與磚塊和瓷片類似，混凝土中的Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化也較大，3個(gè)點(diǎn)樣品超過1 mg/kg，最高達(dá)到10.4 mg/kg。

圖4　混凝土中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

值得注意的是，來源于黨家寨的4號點(diǎn)樣品和西吳村的5號點(diǎn)樣品中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均相當(dāng)高，除了Cr元素，其他元素均達(dá)到所有樣品的最高值，說明此點(diǎn)的混凝土中重金屬污染比較嚴(yán)重。

混合樣M1、M2來自西吳村大型建筑垃圾加工廠，其粒徑被篩分成3~7 cm和0~3 cm，農(nóng)田土樣來自加工廠旁邊的小麥田中。M3來自西安西南郊某個(gè)小型建筑垃圾加工場的細(xì)顆粒混合樣。從圖5可以看出，混合樣中的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本低于100 mg/kg，粒徑的變化對元素總體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化影響不太大。應(yīng)當(dāng)指出，農(nóng)田土壤中除了Pb、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本低于混合樣，其他重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高，尤其是Cd和As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到1.6、39.6 mg/kg。

因Hg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都低于檢出線1 mg/kg，均未列出。

圖5　混合樣(M1,M2,M3)及農(nóng)田土樣中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

建筑垃圾中8種重金屬的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)及標(biāo)準(zhǔn)偏差列于圖6中?？梢钥闯觯鄬τ诖善突炷?，磚塊中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏差較?。籆r、Cu、Zn、Ni、Pb在所有樣品中的平均值均低于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)中的二級標(biāo)準(zhǔn)(依次規(guī)定為150~250、50~100、200~300、40~60和250~300 mg/kg)，達(dá)到健康土壤的標(biāo)準(zhǔn)；As的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，混凝土中的As平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78 mg/kg，大大超過土壤三級標(biāo)準(zhǔn)(40 mg/kg)；Cd超標(biāo)最為嚴(yán)重，除混合樣小于土壤三級標(biāo)準(zhǔn)(1 mg/kg)，其他樣品中的Cd均高于1 mg/kg。尤其是土壤中的Cd已經(jīng)超過1.5mg/kg，As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也已經(jīng)接近三級閾值40 mg/kg。

圖6　建筑垃圾重金屬的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)及標(biāo)準(zhǔn)偏差

由于本次取樣來自西安周邊不同的區(qū)域，為了分析建筑廢棄物來源地對重金屬超標(biāo)的影響，我們將測試結(jié)果按區(qū)域進(jìn)行了分析，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，黨家寨建筑廢棄物中的Cd超標(biāo)最為嚴(yán)重，超標(biāo)率為50%；其次為As，超標(biāo)率為16.7%；其他金屬指標(biāo)均未超過土壤三級標(biāo)準(zhǔn)。西吳村樣品中Cd、As也超標(biāo)，超標(biāo)率分別為37.3%和23.1%。百花村樣品中Cr、Cd和Zn均有少量超標(biāo)現(xiàn)象，超標(biāo)率均為11.1%。西安西南幾個(gè)村莊的樣品相對比較安全，只有Zn超標(biāo)，超標(biāo)率7.7%。從結(jié)果也可看出，不同區(qū)域建筑廢棄物中重金屬的超標(biāo)情況并不一致，也無明顯的規(guī)律性。

表1　不同地點(diǎn)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)情況

總體上，建筑垃圾中可用于路基鋪設(shè)的磚塊、混凝土、瓷片中重金屬Cd和As均有超標(biāo)現(xiàn)象，個(gè)別樣品超標(biāo)嚴(yán)重。Cr和Zn只在瓷片的個(gè)別樣中超過土壤三級標(biāo)準(zhǔn)。

2.3污染源分析

研究中所檢測的8種重金屬均來源于“土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”中所指出的、對土壤有較大危害的重金屬種類。Cr很不活潑，但六價(jià)鉻易被人體吸收并在體內(nèi)積蓄，刺激皮膚，過多會致病，被確定為致癌物；Cd毒性很大，可通過食物鏈進(jìn)入動物和人體，影響體內(nèi)酶的功能，還能影響植物生長、發(fā)育和繁殖，Cd的污染主要來源于電鍍、采礦、冶煉、燃料、電池和化學(xué)工業(yè)廢棄物等。Pb可導(dǎo)致貧血癥、神經(jīng)機(jī)能失調(diào)和腎損傷，也會影響植物的光合和蒸騰作用。Hg及其化合物屬于劇毒物質(zhì)，可在體內(nèi)蓄積，轉(zhuǎn)化為毒性更大的有機(jī)汞，引起全身中毒。Ni容易引起過敏性皮炎。Cu、Zn主要對生物毒性較大，并影響植物的生長發(fā)育。過量As可破壞神經(jīng)系統(tǒng)，刺激造血器官，還可能誘發(fā)惡性腫瘤。因此，我國對土壤中的重金屬含量都有嚴(yán)格限制。

土壤重金屬元素的來源途徑多樣，在自然條件下，許多重金屬礦床和富含重金屬的巖石會成為地表生態(tài)系統(tǒng)中某些重金屬的來源，尤其是成土母質(zhì)和成土過程[4]；其次是人為來源，如農(nóng)田利用污水進(jìn)行澆灌，工業(yè)固體廢棄物和城市生活垃圾的不當(dāng)堆放，礦業(yè)活動、農(nóng)藥化肥的不當(dāng)使用及交通運(yùn)輸排放的尾氣等過程引起的重金屬的蓄積并在大氣、水和土壤三種介質(zhì)中不斷遷移轉(zhuǎn)化[5]。近年來，我國重金屬污染事件頻發(fā)，據(jù)中科院生態(tài)研究所研究報(bào)道，目前我國受Cd、As、Cr、Pb等重金屬污染的耕地面積近2 000萬hm2，約占耕地總面積的1/5[6]，全國每年因重金屬污染的糧食達(dá)1 200萬t，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過200億元，給人民健康和環(huán)境帶來極大危害。

渭河是黃河的最大支流，也是陜西省的主要河流，在陜西境內(nèi)河長502 km，流域面積為6.76×104km2。關(guān)中地區(qū)包括寶雞、楊凌、咸陽、西安、渭南、銅川等6個(gè)市(區(qū))，工業(yè)集中，人口密集，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，是陜西省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)。然而，渭河橫貫關(guān)中地區(qū)，已經(jīng)成為關(guān)中地區(qū)的排污河，大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢水和生活污水的直接排放，使渭河已經(jīng)不能作為飲用水源，而成為一條污水河，除了氮、磷、有機(jī)質(zhì)等嚴(yán)重超標(biāo)外，重金屬的污染也比較嚴(yán)重。根據(jù)汪新生等[7]的研究，2007年陜西省工業(yè)中重金屬排放中六價(jià)Cr、Pb、Cd主要排放到渭河流域；楊學(xué)福等雖然報(bào)道2012年渭河西安段中的Pb、Cd未檢出，但Hg和As存在較大的健康風(fēng)險(xiǎn)[8]。

關(guān)中地區(qū)年降雨量不足，農(nóng)業(yè)大都采用河渠漫灌。由于河流已經(jīng)受到污染，加之工農(nóng)業(yè)和城市發(fā)展加快，很多土壤也遭受重金屬的污染。蔣秋萍[9]研究了渭河西安段沿岸土壤中Pb、Cr、Cd、As、Ni、Cu、Mn的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中前3種已經(jīng)超過了陜西背景值，Cd元素含量最突出，是背景值的4.2倍。本研究所取的農(nóng)田土壤來自興平建筑垃圾處理廠旁邊的農(nóng)田，而興平地區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)，化工廠眾多，這可能就是土壤中Cd、As超標(biāo)的重要因素。

磚塊、混凝土的主要原料為土壤。關(guān)中地區(qū)磚廠、水泥廠眾多，若采用受污染的當(dāng)?shù)赝寥罏樵?，不可避免地會?dǎo)致成品磚和水泥中的重金屬含量較高。瓷磚主要來源于廣東發(fā)達(dá)地區(qū)，其加工工藝中某些深色染料可能含有重金屬，樣方調(diào)查表明瓷片只占總體比重的5%，因此由它帶來的風(fēng)險(xiǎn)也是微弱的。若要消除原材料潛在的污染，必須保證土壤的安全，因此要充分重視土壤的使用安全以及對已污染土壤的環(huán)境修復(fù)，這將是一個(gè)長期而艱巨的任務(wù)。

當(dāng)然，建筑材料在加工、運(yùn)輸、使用過程中可能受到外界不可預(yù)知的“二次污染”，從而導(dǎo)致某些重金屬指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)。因此，應(yīng)嚴(yán)格遵守國家規(guī)定的相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范操作，盡可能減少二次污染。

另外，在自然狀態(tài)下，只有可溶態(tài)的重金屬可能會瀝出，才會造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此，盡管磚塊、混凝土、瓷片中個(gè)別樣個(gè)別指標(biāo)超過我國土壤三級標(biāo)準(zhǔn)，可能存在一定的污染風(fēng)險(xiǎn)，但若采取相關(guān)防護(hù)措施如添加石灰固化、采用合適配比等，再將其利用于建筑路基的鋪設(shè)是完全可行的，也滿足我國可持續(xù)發(fā)展要求。

3 結(jié)論

通過對西安周邊主要建筑垃圾處理廠的調(diào)查取樣分析，對比我國的土壤三級標(biāo)準(zhǔn)，可以看出：磚塊、混凝土中重金屬Cd、As全量有超標(biāo)現(xiàn)象，主要原因可能來自當(dāng)?shù)匚鬯喔燃巴寥乐亟饘傥廴?；瓷磚中的個(gè)別樣出現(xiàn)Cd、As、Cr、Zn超標(biāo)，可能來源于生產(chǎn)過程中染料的添加。因此，必須注重原材料安全及建筑垃圾生產(chǎn)使用過程中的規(guī)范操作?？傮w上，建筑垃圾中的磚塊、混凝土、瓷磚雖具有一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，但將其應(yīng)用于路基建設(shè)中，仍不失為一種有效利用資源、減少環(huán)境壓力、利國利民的舉措。為確保環(huán)境安全，建筑垃圾在自然狀況下可能存在的其他污染質(zhì)以及相關(guān)的預(yù)防措施需要進(jìn)一步深入研究。

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〔責(zé)任編輯程琴娟〕

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

中圖分類號：TP391.42

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：陜西省交通廳基金 (2013H0290375)

收稿日期：2015-03-17

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2016.02.425

文章編號：1672-4291(2016)02-0111-05

第一作者：趙曉紅，女，副教授，主要研究方向?yàn)樗廖廴九c環(huán)境化學(xué)。E-mail:xiaohongzh95@126.com