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环境常识
 

全球大气环境问题(一)酸沉降与防治对策

酸沉降包括“湿沉降”和“干沉降”。湿沉降通常指pH值低于5.6的降水,包括雨、雪、雾、冰雹等各种降水形式。最常见的就是酸雨,这种降水过程称为湿沉降。干沉降是指大气中的酸性物质在气流的作用下直接迁移到地面的过程。目前,人们对酸雨的研究较多,已将酸沉降与酸雨的概念等同起来。

  70年代初,酸性沉降在世界上仍是局部性问题,但目前已发展成为全球面临的主要环境问题之一,与全球变暖和臭氧层破坏一样,受到人们的普遍关注。对于酸沉降问题的研究已取得了很多成果,但也有许多关键性问题还没有研究清楚,如大气中SO2、NOX转变为SO42-、NO3-的机理,SO2、NOX排放源与造成酸沉降的相关性,以及生态环境能够承受的界限等问题均有待研究。

  1、酸雨现象及其发展

  酸性降水的研究始于酸雨问题出现之后。50年代,英国的R.A.Smith最早观察到酸雨,并提出“酸雨”这个名词。之后发现降水酸性有增强的趋势,尤其当欧洲以及北美洲均发现酸雨对地表水、土壤、森林、植被等有严重的危害之后,酸雨问题受到普遍重视,进而成为目前全球性的环境问题。自人们发现这一问题之后,各国相继大力开展酸雨的研究工作,纷纷建立酸雨监测网站,制订长期研究计划,开展国际间合作,近年来这方面研究工作发展相当迅速。

  我国酸雨研究工作始于70年代末期,在北京、上海、南京、重庆和贵阳等城市开展了局部研究,发现这些地区不同程度上存在着酸雨污染,以西南地区最为严重。1982~1984年在国家环保局领导下开展了酸雨调查,为了弄清我国降水酸度及其化学组成的时空分布情况,1985~1986年在全国范围内布设了189个监测站,523个降水采样点,对降水数据进行了全面、系统的分析。结果表明,降水年平均pH小于5.6的地区主要分布在秦岭-淮河以南,而秦岭-淮河以北仅有个别地区。降水年平均pH小于5.0的地区主要在西南、华南以及东南沿海一带。我国酸雨的主要致酸物是硫化物,降水中SO42-的含量普遍都很高。因此,酸雨污染问题在我国是值得注意的。国家很重视我国的酸雨问题,在第七、第八个两个五年计划中均将酸雨列为攻关重点课题,其中酸沉降的化学过程也是重要研究内容。

   2、酸雨的来源与形成

   降水的酸度是由降水中酸性和碱性化学物质间的平衡决定的。大气中可能形成酸的物种是:含硫化合物-SO2、SO3、H2S、(CH3)2S(二甲基硫DMS)、(CH3)2S2(二甲基二硫DMDS),羰基硫COS、CS2、CH3SH硫酸盐和硫酸;含氮化合物-NO、NO2、N2O,硝酸盐,硝酸,以及氯化物和HCl等。这些物质有可能在降水过程中进入降水,使其呈酸性。通常认为主要的酸基质是SO2和NOX,其形成的酸雨中的总酸量因地而异。国外酸雨中硫酸与硝酸之比为2:1,我国酸雨以硫酸为主,硝酸量不足10%。

   1) 天然排放和硫化合物与氮化合物

  含硫化合物与含氮化合物的天然排放源可分为非生物源和生物源。非生物源排放包括海浪溅沫、地热排放气体与颗粒物、火山喷发等。海浪溅沫的微滴以气溶胶形式悬浮在大气中,海洋中的硫的气态化合物,如H2S、SO2、(CH3)S在大气中氧化,形成硫酸。火山活动也是主要的天然硫排放源,据估计,内陆火山爆发批发到大气中的硫约为3000千吨/年,生物源排放主要来自有机物腐败、细菌分解有机物的过程,以排放H2S、DMS、COS为主,它们可以氧化为SO2、NOX而进入大气。全球天然源硫排放估计为5000千吨/年,全球天然源氮的排放量,由于闪电造成的NOX很难测定而较难估计准确。

   2) 人为排放的硫化合物与氮氧化物

  大气中大部分硫和氮的化合物是由人为活动产生的,而化石燃料造成的SO2与NOX排放,是产生酸雨的根本原因。这已从欧洲、北美历年排放SO2和NOX的递增量与出现酸雨的频率及降水酸度上升趋势得到证明。

  由于燃烧化石燃料及施放农田化肥,全球每年约有0.7-0.8亿吨氮进入自然界,同时向大气排放约1亿吨硫。这些污染物主要来自占全球面积不到5%的工业化地区-欧洲、北美东部、日本及中国部分区域。上述区域人为排硫量超过天然排放量的5-12倍。

  近一个多世纪以来,全球SO2排放一直在上升,然而近年来上升趋势有所减缓,主要是因为减少了对化石燃料的依赖,更广泛地采用了低硫燃料,及安装污染控制装置(如烟气脱硫装置)。

   3) 酸雨的形成

  人为源和天然源排放的硫化合物和氮化合物进入大气后,要经历扩散、转化、输运以及被雨水吸取、冲刷、清除等过程。气态的NOX、SO2在大气中可以催化氧化或光化学氧化成不易挥发的硝酸和硫酸,并溶于云滴或雨滴而成为降水成分。它们的转化速率收气温、辐射、相对湿度以及大气成分等因素的影响。

   3、酸雨的危害

  酸沉降以不同方式危害着水生生态系统、陆生生态系统、材料和人体健康。

   1) 酸雨对水生生态系统的影响

  酸雨会使湖泊变成酸性,水生生物死亡。在瑞典有9万个湖泊,其中2万个已遭到某种程度的酸雨损害(占20%),4000个生态系统已被破坏。挪威南部5000个湖泊中有1750个已经鱼虾绝迹。加拿大安大略省已有2000~4000个湖泊变成酸性,鳟鱼和鲈鱼已不能生存。美国对纽约东北部的阿几隆达克山区所进行调查表明,该地区214个湖泊中,pH值在5以下的已达半数之多,82个湖泊已无鱼类生存。

  研究表明,酸雨危害水生生态系统,一方面是通过湖水pH值降低导致鱼类死亡,另一方面是由于酸雨浸渍了土壤,侵蚀了矿物,使铝元素和重金属元素沿着基岩裂缝流入附近水体,影响水生生物生长或使其死亡。当水中铝含量达到0.2mm/L时,就会杀死鱼类。

  同时,对浮游植物和其它水生植物起营养作用的磷酸盐,由于附着在铝上,难于被生物吸取,其营养价值就会降低,并使赖以生存的水生生物的初级生产力降低。另外,瑞典、加拿大和美国的一些研究揭示,在酸性水域,鱼体内汞浓度很高。若这些含有高水平汞的水生生物进入人体,势必会对人类健康带来潜在的有害影响。

   2) 酸雨对陆生生态系统的影响

  近年来,人们普遍将大面积的森林死亡归因于酸雨的危害。在德国,横贯巴伐利亚州山区的12000公顷森林有1/4坏死,波兰已观察到针叶林大面积枯萎达24万公顷,捷克的受害森林占森林总面积的1/5。

  根据欧美科学工编辑对森林死亡原因的分析,认为它是:

  ① 各种污染物和酸雨共同作用的结构;

  ② 早期干旱所造成的影响;

  ③ 其它原因的影响。

  酸雨对森林的危害可分为四个阶段。第一阶段,酸雨增加了硫和氮,使树木生长呈现受益倾向。第二阶段,长年酸雨使土壤中和能力下降,以及K、Ca、Mg、Al等元素淋溶,使土壤贫瘠。第三阶段,土壤中的铝和重金属被活化,对树木生长生成毒害,当根部的Ca/Al比率小于0.15时,所溶出的铝具有毒性,抑制树木生长。而且酸性条件有利于病虫害的扩散,危害树木,这时生态系统已失去恢复力。第四阶段,如树木遇到持续干旱等诱发因素,土壤酸化程度加剧,就会引起根系严重枯萎,致使树木死亡。

   3) 对各种材料的影响

   酸雨加速了许多用于建筑结构、桥梁、水坝、工业装备、供水管网、地下贮罐、水轮发电机。动力和通讯电缆等材料的腐蚀。

   酸雨能严重损害古迹。我国故宫的汉白玉雕刻、雅典巴特农神殿和罗马的图拉真凯旋柱,都正在受到酸性沉积物的侵蚀。

   4) 酸雨对人体健康的影响

  酸雨对人体健康产生间接的影响。酸雨使地面水变成酸性,地下水中金属量也增高,饮用这种水或食用酸性河水中的鱼类会对人体健康产生危害。据报道,很多国家由于酸雨的影响,地下水中铝、铜、锌、镉的浓度已上升到正常值的10~100倍。

   4、防治酸雨的综合对策

  酸沉降问题早已引起了各国的注意。1979年,欧洲和北美35个国家签定了《长程越界空气污染公约》,于1983年3月起生效。公约中关于“至少减少30%硫排放或跨国境流动”的议定书于1987年9月生效,有17个欧洲国家和加拿大批准了议定书,这批国家的成员被称为“30%俱乐部”。在1985年,欧共体颁布了旨在将硫和一氧化氮减少60%的汽车尾气排放标准实行指令,建议其成员国在1989年之前改用无铅汽油,到1995年完全使用催化转化器。在北美,美国早在1970年就开始实施“清洁空气法”,于1990年又进行了修订,确定了总量控制的行动纲领,即在1990年全美SO2排放量2000万吨的基础上,今后每5年削减500万吨,到2000年总排放量减少一半,控制在1000万吨,以后不再超过这个数量。加拿大在1985年宣布,到1994年国内SO2排放量将削减一半,从460万吨降到230万吨。

   防治酸雨的一般措施有:

   1) 使用低硫燃料和改进燃烧装置

  减少SO2污染最简单的方法是改用含硫低的燃料。据有关资料先容,原煤经过洗选之后,SO2排放量可减少30~50%,灰分去除约20%。另外,改烧固硫型煤、低硫油,或以煤气、天然气代替原煤,也是减少硫排放的有效途径。

  改进燃烧方式也可以达到控制SO2和NOX排放的目的。使用低NOX的燃烧器来改进锅炉,可以减少氮氧化物排放。流化床燃烧技术近来已得到应用,新型的流化床锅炉有极高的燃烧效率,几乎达到99%,而且能去除80~95%的SO2和氮氧化物,还能去除相当数量的重金属。这种技术是通过向燃烧床喷射石灰或石灰石完成脱硫脱氮的。

   2) 烟道气脱硫脱氮

  这是一种燃烧后的过程。在烟道气排出烟囱前,喷以石灰或石灰石,其中的碳酸钙与SO2反应,生成CaSO3,然后由空气氧化为CaSO4,可作为路基填充物或制造建筑板材或水泥。

   3) 控制汽车尾气排放

  一般柴油车用的含硫量达0.4%,为工厂所用燃料含硫量的3倍。美国已规定柴油车用油的含硫量应低于0.2%。另外,汽车尾气中含有氮氧化物,可以通过改良发动机和使用催化剂,控制氮氧化物排放量,日本要求控制在0.25g/km以下。

  各国根据自己的具体情况,都制定了一些适合本国国情的酸雨控制措施。我国针对出现的酸雨问题,采取了以下对策:

  一是降低煤炭中的含硫量,二是减少SO2的排放。我国洗煤能力应当优先安排洗选高硫煤,回收精硫矿。专家建议,全国含硫2%以上的高硫煤,除有烟气脱硫能力的工厂可不洗外,其余都应进行洗选。对于无法洗选的有机硫,可在煤炭燃烧过程中采用回收技术,制取硫酸。在生产和生活用煤中,要尽量采用热电联产,集中供热,实行燃煤气化和成型化,在有条件的工厂,应装有消除烟尘和脱硫设备。
 
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