雄安建筑固废堆中CO₂含量及其成因机理

CO₂ Content and the Forming Mechanism of the Burial Mound of Building Garbage in Xiong’an New Area, China

摘要: 建筑固废是近年我国固废材料主要类型之一，其中CO₂含量变化及其形成机理对研究建筑固废的再利用具有重要意义。本文针对雄安新区建筑固废堆，开展了CO₂等相关气体测量，研究了CO₂等含量及其变化特征，发现建筑固废堆自边部向中心CO₂含量具有明显增加的趋势，而H₂S和SO₂气体则相对稳定，论文分析了CO₂含量变化影响因素，特别是有机质的作用，进而探讨了其形成机理，发现建造固废的堆积是一个缓慢的排碳过程，该研究为建筑固废处理和再利用及其相关措施制定等提供了参考依据。

Abstract: Building garbage is one of the main solid wastes recently in China. It is significant to study the CO₂ content variation and forming mechanism for the waste reutilization. This paper has measured the CO₂ content and studied its variation of the building garbage mound in Xiong’an new area. It is found that the CO₂ content is increasing from boundary to center in the burial mound of building construction garbage, while the contents of H₂S and SO₂ are relatively stable. The effect factor was analyzed especially the organism materials. The forming mechanism of CO₂ is explored. It is considered that the CO₂ is slowly released in the burial mound of building garbage, which serves as referring evidence for the waste processing, reutilization and related planning.

1. 引言

建筑固废指各类建筑物在拆迁、修缮及装饰过程中所产生的固体废物[1] [2]。随着城市化进程和居住条件改善，产生了大批建筑固废，这些固废中通常含有丰富的有机碳。据统计，我国“十四五”期间每年产生建筑垃圾20多亿吨[2]，如此海量的建筑垃圾需要处理和再利用，提高其资源化利用程度。

碳作为自然界主要元素之一，以不同形式赋存在于矿物、岩石或者其他各类材料(包括固废材料)中，已有的研究主要集中在建筑固废的分类、建筑材料应用方法等方面[2] [3]，而对其中碳含量及生成机制关注不够[4]。

建筑固废是固体废物类的建筑相关部分，在城市改造中大量产生[5] [6]，其中的碳循环是一个复杂而重要的过程，同时对环境和气候变化有着重要影响。雄安绿色新材料是科技部科技专项研究内容，是利用雄安近邻尾矿和城市固废开发出的新型建材。本文针对该项新材料制作过程，探讨新材料有关建筑固废中CO₂含量及其转换机理，以促进固废材料的合理利用。

2. 自然环境与背景

雄安新区地处太行山东麓第四纪冲积平原前缘，平原地貌，地势平坦，河渠纵横，湖泊广布(图1)，地热丰富，油气蕴藏，温润气候，四季分明，是华北平原的璀璨明珠之一。

Figure 1. Topography and landscape image of Xiong’an New Area

图1. 雄安新区地势及风貌影像

随着社会发展，雄安新区已经高楼林立，街道平整，民居成排，园林环绕；正以千年大计布局，长远规划，合理配置，造就了一幅欣欣向荣的新型城市风貌。

实地调研表明，雄安新区建设过程中的固废材料多数已合理地利用或者处理，包括修建了河流堤坝、公园绿地或者假山等，还有部分固废堆积到城外进行绿化封存，本文对该绿化封存固废进行了碳过程研究。

3. 固废堆特征

本文所涉及的固废材料位于雄安新区东侧城外，呈梯形堆积，不同堆体规则堆放，错落有致，实地调研显示，这些梯形堆长350~450 m，宽300 m左右，堆体高度5~10 m。初期堆体绿膜覆盖(图2)，随着时间增长，草本植物逐渐生长，特别是夏秋时节绿植连片，堆体四坡及堆顶长满植物，远远望去，疑似平原丘陵。

Figure 2. Image of building solid waste pile on the east side of Xiong’an New Area

图2. 雄安新区东侧建筑固废堆影像图

固废堆由建筑废料和砂/泥土组成，中间为碎砖、瓦块和水泥废渣，局部可见水泥断柱，长30~40 cm；顶部和四坡覆盖有砂泥土。一般情况下，顶层覆土不少于1 m，四面坡上超过半米。

4. CO₂等地气测试及结果

利用上海赛弗生物科技有限公司研发的多组分气体分析仪，可以测量固废堆内部20~35 cm深度的气体含量。本文针对雄安新区东侧代表性的固废堆，由边部向中心进行定点测量，测点间距大于10米，获得CO₂等气体数据(表1)。

Table 1. Measurement results of solid waste CO₂ and related gases in Xiong’an New Area

表1. 雄安新区固废CO₂及相关气体测量结果

点号	尾矿类型	尾矿特征	测量位置	CO2	H2S	SO2	备注
D0	空气	气体	地表上1 m处	662	0	0	大气含量
D16	沙土固废	细粉状	固废坝处	766	0	0.056	新近堆
D17	沙土固废	细粉状	库边北缘	654	0	0.010	东北移20 m
D18	沙土固废	细粉状	向中心过渡带	654	0.305	0.256	东移20 m
D19	沙土固废	细粉状	尾矿中心	1199	0.025	0.123	移动30 m
D20	沙土固废	细粉状	尾矿南部	2000+	0	0.035	南移20 m
D20-1	沙土固废	细粉状	北部堆顶	1522	0	0	坡顶较低处
D21	沙土固废	细粉状	南部高地	974	0.136	0.250	坡顶北边
D22	沙土固废	细粉状	南移20 m	1089	0	0.250	坡顶中心
D23	沙土固废	细粉状	西移20 m	981	0.022	0.139	西移30 m
D24	粗粒固废	碎块状	固废堆西坡	766	0	0	半坡上
D28	粗粒固废	碎块状	固废堆西坡底	890	0	0.022	堆底路边

注：使用仪器为多组分气体分析仪，数据单位为ppm。

从气体测量结果(表1)可以看出，固废堆内CO₂含量变化范围介于654~2000 ppm之间，主体集中在654~1000 ppm之间，峰值为850 ppm (图3)。

Figure 3. Change in CO₂ measurement results of solid waste pile in Xiong’an New Area

图3. 雄安新区固废堆CO₂测量结果变化图

固废堆中SO₂含量分散，变化在0.01~0.256 ppm之间，集中在0.2 ppm左右；H₂S含量较低，12个测点中，只有两个测点显示出偏高的含量，分别为0.136 ppm和0.305 ppm，其他均低于或者接近检出限。

5. 讨论

5.1. 固废堆中CO₂含量变化及其碳循环特点

地气测试显示，固废堆中的CO₂含量变化较大，为654~2000 ppm，这些测量结果中，除了两个测点外，均明显高于固废堆附近的空气CO₂含量的662 ppm值(图4)，说明固废堆可能缓慢形成CO₂，增加了地气中的C含量；而将固废堆附近空气与标准大气中CO₂含量向400 ppm相比，当地空气明显高于标准大气262 ppm；据此分析，很可能固废堆中的固废物质在堆放过程中缓慢地向空气中释放CO₂气体，并可能达到一定程度时，达到局部平衡。

Figure 4. Characteristics of CO₂ content changes in solid waste piles in Xiong’an New Area

图4. 雄安新区固废堆CO₂含量变化特征

从固废堆的不同部位的含量来看，北固废堆从边部向中心，由650~750 ppm变成970 ppm以上，局部1500~2000 ppm；南堆虽不明显，也显示出相同的趋势；而堆体半坡和坡底测点的含量也相对较低(图4)。由此可见，不论从北固废堆还是南固废堆，均表现出由边部向中部CO₂含量增高的趋势，可能意味着中部的粗粒块状固废材料是CO₂排放的主体。

5.2. CO₂影响因素及成生机理

固废堆中CO₂含量变化较大，最低654 ppm，最高2000 ppm有余，相差三倍以上。从堆体特点分析，这些固废堆可能是近年堆积的，年限很短，其主要成分中砖、瓦、水泥等成分在常温常压下短期内不会有什么化学反应，而且堆体高出地面，氧气含量较高，地下水含量不会充沛[7]，因此，其CO₂影响因素应该主要为有机质含量。

Figure 5. Relationship between CO₂ and SO₂ content in solid waste piles in Xiong’an New Area

图5. 雄安新区固废堆CO₂与SO₂含量关系

这些有机质主要为人类活动残留物，因为堆积时间不长，而且覆盖掩埋厚度不大，尚处在氧化带，氧气近于饱和环境。而有机质在这种环境下，常被较强烈地氧化，部分转换成二氧化碳、水和矿种元素如氮、磷、硫的离子形态。

从测量结果中(表1，图3)中可以看出，固废堆中基本不含H₂S，或者其含量很低；而SO₂含量与CO₂含量没有明显的相关性(图5)，也进一步显示出固废堆积过程中处在氧气较充沛的氧化状态。

另外，如果部分有机质废物易腐烂，则易经过微生物分解，转化为肥料使土壤肥沃，同时也释放出CO₂和其他温室气体。

总体上，固废物质堆放过程是一个缓慢的CO₂排放过程。

5.3. 意义

了解建筑固废堆中C含量及其循环过程具有重要的实用意义。首先能够掌握固废存放过程中对环境和生态的影响，有利于采用合理的措施，如适当撒水，让水份溶解部分CO₂，并促进碳酸物质的沉积[8]；或者种植草本和木本植物，吸收固废堆内的C物质，从而适当控制或减少CO₂等温室气体的直接排放，缓解气候变化；其次是能够定量地评估分析固废再利用过程中CO₂的排放及其对环境的影响；还可以为海量固废处理和再利用积累实际经验并提供参考资料。

总之，建筑固废堆放过程中的碳循环具有自然资源利用的可持续性特点[9]-[11]，对于应对气候变化和发展循环经济具有重要意义。

6. 结论

雄安新区东侧固废堆的研究表明，固废物质的堆放是一个缓慢的CO₂排放过程，至少在堆积初期以CO₂直接排放为主，了解这一碳循环过程有利于采取适当措施，减少固废物质处理过程CO₂直接排放，促进生态系统的可持续发展，同时对改善自然环境，制定应对气候变化的重要策略也有积极的促进作用。

致 谢

论文野外测量时得到了地科院物化探研究所庞庆恒研究员的指导和帮助，匿名审稿人提出了许多宝贵意见和建议，在此一并表示衷心感谢。

基金项目

雄安新区科技创新专项(2023XAGG0068)及深时数字地球项目(2652023001)。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。