鋼渣及其瀝青混凝土中重金屬污染風險評估

宋貴才,胡 銳,謝 君,牛昌昌,候 偉,劉華琦

(1.內蒙古高等級公路建設開發有限責任公司,呼和浩特010050；2.武漢理工大學,武漢430070)

隨著中國公路建設的發展,天然原料已經被大量的消耗,面臨著枯竭。根據國家十三五節能減排、廢物利用規劃,大量的固體廢棄物被作為原料應用到了建筑行業中。鋼渣是煉鋼過程中的副產品,已經被廣泛用于道路建設[1]。鋼渣堿性高,力學性能優異和棱角豐富等特點使其可以替代混凝土中的集料[1,2]；鋼渣中存在的活性物質(如C2S、C3S),可以生產鋼渣水泥[3,4]；此外還有鋼渣砂可替代天然河砂,制備建筑材料[5]。

但鋼渣中存在大量的重金屬元素(如Cu、Zn、Pb等),存在著潛在環境安全問題。鋼渣需要經歷陳化堆積,以降低鋼渣中的游離氧化鈣(f-CaO)。在自然風化作用和雨水浸泡作用下,鋼渣中的重金屬可能釋放到環境中,污染土壤和水資源,最終可能釋放到環境中威脅人類生存安全和生態平衡[6,7]。此外使用鋼渣作為原料所形成的瀝青路面,由于交通荷載,動水損害等作用,路面中的重金屬可能也會釋放到環境中。

該文對不同粒徑鋼渣原料中重金屬的浸出能力進行了評價,以評估它在堆放時的污染風險。此外,還對鋼渣瀝青混凝土進行了浸提,來評估其在道路應用時的污染風險。

1 實 驗

1.1 原材料

鋼渣:內蒙古包鋼有限責任公司提供的轉爐鋼渣(簡稱內蒙鋼渣)。瀝青:湖北鄂州70號基質瀝青。

1.2 方法

1.2.1 鋼渣瀝青混凝土的制備

實驗利用鋼渣全組分替代天然集料制備鋼渣瀝青混合料。設計合理級配,確定最佳油石比為6.0%。在瀝青與鋼渣充分拌合后,取粒徑在9.5以下的松散的瀝青混合料,將其分散開來,降低至室溫,進行浸出實驗。

1.2.2 全量試驗

將樣品烘干后研磨并稱取0.2 g,0.075 mm 篩下樣品置于聚四氟乙烯消解罐中；滴加2～3滴去離子水潤濕,再依次加入6 m L硝酸、6 m L氫氟酸和2 m L 鹽酸；在電熱板上加熱1～1.5 h左右；至罐內溶液蒸發至近干,冷卻至室溫；加入1%的硝酸定容至50 m L,裝入4 m L試樣管后在5 ℃下保存待測；采用原子吸收光譜中的石墨爐單元素測試方法定量測量樣品中的重金屬濃度。

1.2.3 浸出實驗

浸提液的制備:將5.7 m L醋酸加入去離子水中,定容至1 L,保持溶液p H 值在2.88±0.05范圍；將待測樣品烘干至恒重,稱取50 g樣品置于提取瓶中,加入1 L 的浸提劑,蓋緊瓶蓋后固定在翻轉式振蕩裝置上,調節轉速為(30±2)r/min,于(23±2)℃下震蕩(18±2)h；震蕩結束后將瓶內溶液過濾后裝入4 m L試樣管中,采用原子吸收光譜中的石墨爐單元素定量測試法進行測試。

2 結果與分析

2.1 全量實驗

表1顯示了內蒙鋼渣和渣堆處土壤中各重金屬的總量。內蒙鋼渣中含有較豐富的重金屬種類,其含量也較多。Pb和Cr6+的含量最多,其次是Zn,Cd和Cu,最后是As和Ni。由于長期堆存鋼渣,鋼渣廠區內的土壤中各種金屬的總量都超過了環境標準,造成了嚴重的污染。其中Cd的污染最為嚴重,超過了土壤二級環境標準48倍,As、Cu、Pb、Cr6+、Zn和Ni是二級土壤環境標準的1～3倍。說明鋼渣在堆放陳化時,在經過表面風化和雨水淋濾下鋼渣中的重金屬會釋放到環境中。

表1 原料的重金屬總量 /(mg·kg-1)

2.2 浸出實驗結果

2.2.1 不同鋼渣粒徑的重金屬浸出量

圖1表示不同鋼渣粒徑中重金屬釋放的浸出結果。鋼渣中重金屬的浸出量與粒徑呈現明顯的負相關關系,即隨著鋼渣粒徑的增加,鋼渣中浸出的重金屬離子濃度減少。這可能是因為隨著鋼渣粒徑的增加,鋼渣與浸提液的接觸面積減少,導致鋼渣中重金屬釋放量降低。此外,鋼渣浸出液中的重金屬都滿足Ⅴ類水環境標準。這說明鋼渣中雖然含有大量的重金屬,但其浸出能力很低。這也說明鋼渣中重金屬的釋放是一個長期的過程,會持續對環境產生影響。在浸出的元素中,Cu的浸出量是最大的,其次是As、Pb和Zn,最后是Cd、Cr6+和Ni。這可能與元素在鋼渣中的總含量和浸出能力有關。

2.2.2 鋼渣瀝青混合料的重金屬浸出量

表2顯示不同鋼渣試樣的浸出實驗結果。數據表明了瀝青混凝土中的各重金屬浸出量較于鋼渣都有減少。表1 中說明了瀝青中基本不含重金屬元素,浸提液中的重金屬均來源于鋼渣。表2的結果說明瀝青膠粘劑包裹在鋼渣集料的表面對鋼渣有一定的固封作用,降低了鋼渣與提取液接觸的機會,使得浸出的重金屬的含量降低了。此外瀝青對鋼渣中各重金屬的固封能力也不同。Cd和Ni浸出量降低最多,分別是75%和63%；其次是As(58%),Cr6+(50%)和Zn(59%)；最后是Cu(24%)和Pb(35%)。同時也說明了將鋼渣作為集料應用到路面建設中是可以降低鋼渣的重金屬污染風險的,也避免了因鋼渣堆積而帶來的更多的經濟和資源浪費問題。

表2 不同鋼渣試件的重金屬浸出量 /(mg·L-1)

3 結 論

內蒙鋼渣含有大量不同種類的重金屬離子。在渣廠堆積陳化時受到風化和雨水浸蝕作用,鋼渣中的重金屬會釋放到環境中對周圍的土壤和水資源造成影響。利用浸出實驗對鋼渣的浸出能力進行了檢測,結果表明鋼渣中的重金屬的浸出能力都十分有限,且隨著粒徑的增大而減小。將鋼渣作為原料應用到瀝青路面建設中,可以有效的緩解對天然集料的依賴,同時瀝青包裹在鋼渣表面會對重金屬有一定的固封作用,能夠有效的減少鋼渣中重金屬的釋放,降低對環境的污染。