西交大能源环境学讲义第3章 能源有关的环境问题

PAGEPAGE6第3章能源有关的环境问题3.1能源利用造成的污染与破坏人口增长迅速、能源消耗加快、工业排放增加，可能是全球变化的主因。地球上的生物，尤其是植物、微生物，利用太阳能进行代谢活动，吸收、排放CO2，并影响、控制水循环，保持地球最近亿万年来的生物地球化学圈的稳定，使气候等地球环境的自然变化保持在一定范围。对南极冰芯气泡中封闭的古大气的分析表明，CO2、CH4、N2O等的浓度，除了最近200年，此前的数千年来几乎保持不变。这些温室气体浓度一定，保证了地球处于大致稳定的自然温室状态。于是平均地面温度、气候等就能稳定在一定范围。同样地，CH4、N2O、CH3Cl等微量气体，在大气中寿命在数年以上；它们的浓度在大气中基本稳定，则保证了平流层光化学反应的稳定性。于是平流层中O3浓度得以稳定不变。另外，陆地植物、土壤微生物、海洋微生物等排放碳氢化合物、氮氧化物、硫化物等等，影响对流层中的反应性微量成分，造成了光化学反应产生O3、云凝结核等微小气溶胶生成；只要其先驱物——微量成分保持一定，则对流层中大气性质、云的生成量就保持稳定。南极冰芯气泡的研究数据表明，工业革命以来大气中CO2、CH4、N2O等微量气体浓度迅速上升。从近年来大气测定数据来看，上述三种气体大致分别以0.4%、0.9%、0.25%的年增长率在迅速增长。除了这些几种气体，来自人类工业活动的氯氟烃类(CFCs)有机化合物，大气中的二次生成物如NO3－、SO42－、CO、对流层中的O3等，也都明显增加。这些大气微量成分增加的原因，主要是人口增长迅速、能源消耗加快、工业排放增加。就是说，主要归咎于不适当的人类活动。从根本上说，人类也是地球生物的一种。人类在地球上活动，构成了生物圈的一部分，本来应该使地球系统调和融洽。但是，工业革命以来，人类活动的影响超过了自然恢复能力，导致了地球系统的变动，出现了地球变暖、O3层破坏、酸雨等各种现象。究其原因，是人类活动排放过量的污染物，使大气微量成分浓度发生变化，进而破坏了地球环境的稳定状态，于是引起了全球变化。全球变化(globalchange)可定义为全球环境在自然作用和人类活动影响下，可能改变地球生物承载能力的变化，包括气候、土地生产力、海洋等水资源、大气化学、生态系统等的变化。全球变化不仅是大气环境变化，还包括土地利用/土地覆被变化、海洋污染、生态破坏等等广泛的概念。从地球系统的观点来看，人类活动是地球生物活动的一个重要部分，但不是全球变化的唯一原因。人类活动和自然因素共同作用，导致了一系列互相关联的变动，发生全球规模的各种变化。因此，需要从地球系统的观点来看全球规模的环境问题；种种表现在本质上是相互联系、互为因果的。地球环境问题的相互关系如图2.1所示。比如，沙漠化、地球温暖化、酸雨都对土壤生态系统造成影响。通过土壤微生物变化，影响CO2及其它大气微量成分的吸收、排放量。同样地，海洋污染影响了海洋生态系统，进而影响海洋碳循环，有可能与当前的热点问题密切相关——CO2的海洋吸收量变化，导致大气CO2积累。另外，森林面积减少，CO2吸收量减少，直接促进地球温暖化；森林减少与沙漠化一起，使水分蒸发量、水循环变动，可能是间接引起气候变化的原因。总之，种种全球环境问题的根源、以及对全球变化的影响过程之间，有着强烈的复杂的相互关系。地球温暖化臭氧层破坏酸沉降平流层温度降低地表紫外线增加气候变动影响自然、农业生态系统海平面上升大气微量成分变化:CO2SO2CH4N2OO3CFCDMSH2O等土壤起源大气微量成分海洋起源大气微量成分植物起源大气微量成分吸收、排放变化排放变化排放变化影响土壤生态系统影响海洋生态系统水分蒸发量变化生物多样性减少土地荒漠化海洋污染森林面积减少图3.1地球环境问题的相互关系人类活动对全球变化产生很大作用。主要是人口增长和生产水平提高，其它如科技进步、战争等，都使得资源消耗量迅速增大。一方面人口剧增，需要粮食、住宅等；一方面要提高生活水平，要发展经济、文化、科技等；两方面作用叠加，加剧了地球资源消耗。资源，尤其是能源的过渡开发利用产生了环境问题。在能源开发过程中，破坏和污染环境；在能源利用过程中，产生气体、固体等废物，污染环境。能源开发利用最主要最直接的是大气环境问题人类活动直接向大气排放一些物质，增加了大气中某些微量成分，如CO2、CH4、SO2、NOx、CFCs等。然后，这些微量成分的全球规模背景浓度增加，给予地球系统以物理扰动。比如：CO2等长寿命的温室气体，使地表平均气温上升，随之引起气候变化、海平面上升等大气、水、土壤各圈层的物理变化。自然作用人类活动大气微量成分背景浓度变化地球温暖化、气候变化、海平面上升臭氧层破坏、酸沉降增加自然生态系统变化人类社会、经济变动图3.2大气环境问题影响与反馈另一方面，微量成分变化给予地球系统以化学扰动。微量气体中长寿命的如CH4、N2O、CFCs等参与平流层光化学反应，造成O3消减；短寿命气体如：SO2、CO、NOx、碳氢化合物等在对流层中引起酸性物质沉降、O3增加等。CH4的作用是在对流层及平流层下部，促使O3生成，而在平流层上部则使O3消解。这些物理、化学扰动与带来的结果之间存在强烈的相互作用及反馈过程。比如：温室气体增加，地球表面温暖化，反而造成平流层温度降低，这会抑制破坏O3层的反应；另一方面，极地平流层云量增加，反而可能促使极地区域O3层的破坏。就是说，CO2增加与O3层破坏之间同时存在着正的和负的相互关系。在对流层，O3是有效的温室气体。它有助于对流层温度上升；温升促进了对流层生成O3的光化学反应。就是说，对流层内O3的生成与地球温暖化之间存在正反馈机制。还有，平流层O3层破坏，导致到达对流层的紫外线增加，这会促进光化学反应，造成对流层中的O3及其它酸性物质（如H2O2）等浓度增加，即，与地球温暖化、酸沉降具有正的相关关系。气候变动、海平面上升、地表紫外线增加等物理环境变化，以及CO2浓度增加、对流层O3增加、酸性物质沉降增加等化学环境变化，都对地球生态系统产生很大影响。比如：CO2增加，植物光合作用加强，吸收CO2的能力增强；相反，酸性物质沉降使植物活力降低，甚至导致森林枯死。这些作用对地球CO2收支平衡、碳循环影响很大。还有地球变暖，使来源于冻土的CH4发生量增加，以及来源于土壤有机物的CO2发生量增加，对温暖化产生正的反馈作用。另一方面，海面紫外线增加、海水升温、海洋污染等影响海洋生态系统，使海洋生物的二甲基硫(DMS)等的发生量变化；由此产生的硫酸气溶胶发生变化，继而影响海洋上空的云凝结核、云量，即对气候、地球温暖化产生影响。最后，全球范围的大气环境变化，给与人类社会、经济产生直接影响。例如：气候变化影响农作物生产及自然植物生长；海平面上升淹没沿岸低地；紫外线增加，皮肤癌增加；酸沉降增加使农作物受害，森林枯死、江湖中鱼类死亡等等。因此，需要控制对大气的污染物的排放，需要调整人类多方面的不适当活动，以求对全球变化产生积极的反馈作用，保护人类赖以生存的地球系统。3.2生物地化循环Biogeochemicalcycle3.3大气成分变化大气中一些气体成分和气溶胶，虽然含量微小，但作用重要。如：CO2、水汽等等对辐射能的选择性吸收，形成温室效应，维持了地球表面处于某一适合生物生存的温度范围。然而，大气中这些微量成分变动，温室效应加剧，使原来的辐射平衡移动，地表温度发生变化。目前的研究表明，虽然大气中微量气体和气溶胶来源于自然作用和人类活动，但主要是人类活动排放某些物质，使大气中微量成分，特别是温室气体，发生了明显变化。研究表明，工业革命以来，尤其是近年来，大气中温室气体浓度迅速增长，如表2.1所示。表3.1大气中一些温室气体的增长CO2CH4CFC-11CFC-12N2O在大气中的浓度单位*ppmppbpptpptppb工业革命前(1750~1800)28071500270现在(2005)3791774（280484）319估计平均寿命(年)~200~1065~75130~150150~170浓度单位ppm、ppb、ppt此指体积浓度，即单位体积内含有10—6、10—9、10—12的该种气体。大气中CO2浓度近几十年的年增长率约为0.4%。图3.4是南极冰芯气泡分析得出的此前200年来的大气中的CO2浓度。图3.5是美国夏威夷马纳洛亚(MaunaLoa)站1959~1998年实测值的月波动及年变化。CO2浓度增加的主要原因，一方面是常规能源消耗量剧增，化石燃料大量燃烧，CO2排放量剧增；另一方面是森林等植被减少，陆地植物对CO2吸收减少，从而使大气中CO2浓度积累。大气中CH4的浓度以每年0.8%~10%的速度增加。CH4主要来自人为源的稻田、家畜排泄物、燃煤，和自然源的沼泽、生物质燃烧。据估计，目前，甲烷的自然源排放量不到其总排放量的25%。图2.6是格陵兰与南极的冰芯气泡分析得出的大气中CH4浓度的长期变化。17世纪以前，其浓度大约在0.7ppm。Dluyqkencly等根据全球23个陆地定点监测站和太平洋上14个不同纬度的船舶观测站观测记录，估算出1983~1993年间全球CH4在大气中的混合比的逐年变化值，如图2.7。由图可见，CH4浓度有季节波动规律，夏季为极小值，秋末为极大值。亚洲的8个国家，印度、中国、孟加拉、印尼、泰国、越南、缅甸和日本，水稻田面积占全世界总量的87%，因此，这里是稻田CH4的主要排放源。工业革命前，大气中没有氯氟烃（CFCS）。CFCS完全是人工合成物质，即散入大气中的CFCS全部是人为源，且主要来源于工业发达国家。应用最多的是氟利昂—11、氟利昂—12(CFC—11、CFC—12)。3.4气候变化ClimateChange地球环境的温度、湿度虽然目前存在着地球变暖、变冷、气温波动等不同假说，但多数学者对全球气候变暖的趋势是肯定的。全球地面附近平均气温15℃。地球接受太阳辐射而被加热，同时向宇宙空间发射红外长波辐射而冷却，从而使地球周围维持这一平衡温度范围。这一平衡主要是由大气中的水蒸汽、CO2等对红外线吸收的气体，即温室效应作用造成的。如果没有温室效应，地球气温会比现在低30℃；如果CO2过多，就象金星那样，则会因温室效应太强，而使地球成为火热世界。CO2等成分对于长波辐射的吸收，如图2.11所示。与300K、200K黑体的辐射相比，受到各种吸收后的到达高空的长波辐射谱，变得很不规则，CO2和O3的吸收十分显著。各种温室气体的温室效果不同。温室气体、大气气溶胶等大气成分变化，引起从对流层顶向下的辐射通量(w/m2)发生变化，称为辐射强迫(radiativeforcing)。以CO2产生的温室效果，即一定时间内累积的辐射强迫为基准，某种与CO2等量的大气微量成分的辐射强迫作用，与CO2的效果相比的倍数，称为这种成分的地球温暖化潜势(GWP——globalwarmingpotential)。即，在一定时间范围内，一些气体成分的GWP值如表2.2所示。表3.2一些气体的地球温暖化潜势气体种类GWP①气体种类GWP②CO21CO21CH421.1CH456N2O206N2O280①山本，大气污染学会志(日)，Vol.26(4)，A85，1991②钱易，环境保护与可持续发展，北京，高等教育出版社，2000图4.27表示自从1860~1993年间全球年平均气温相对于平均值的变化，由图可见，从1900年到1940年，全球年平均气温增加了0.5℃；1940~1965年，气温下降了0.2℃；然后气温逐渐增加，到1993年增加了0.5℃。1994年科学家通过对南极冰芯气泡中的CO2的测量，得出近1000年来大气中CO2的演变概况，如图2.12所示(参见图4.5、图4.6)，图中放大图是测量数据与1950年以来美国MaunaLoa站的大气观测数据相比较，结果非常一致；另外，放大图中还绘出了使用化石燃料产生的CO2排放量，可见全球大气CO2浓度变化，与人类燃烧化石燃料存在显著的相关关系。从1906~2005年间全球平均平均地表温度上升了0.74（0.56~0.92）℃。（IPCC第四次评估报告2007）3.5酸沉降酸沉降（aciddeposition）指地面排向大气中的酸性物质，主要是硫酸和硝酸，通过各种方式，回落地面；有湿沉降和干沉降两种方式。例如SO2，排向大气后，随大气流动扩散，向远方传输，经历物理的、化学的变化，同时，SO2及其转变后的生成物——主要是硫酸盐气溶胶(SO42－)，通过干湿两种方式，不断地向地面沉降。湿沉降是通过各种方式的降水，如雨、雪、霜、雹、雾等，将酸性物质从大气中清除，回落地面。正常的雨雪由于溶解CO2而呈弱酸性，一般pH为5.6，受大气中酸性物质污染的降水，pH小于5.6则称之为酸雨。多数国家和地区都以pH=5.6为标准，但在某些地区会有不同。在美国的密西西比河以东，广大的温带森林地带，1500年来的统计值表明，降雨的pH年平均值为5.0。因此，该地区的酸雨定义为pH<5.0的降水。数十年来，公众和媒体习惯使用酸雨一词。干沉降则主要是由于大气与地表物体如树林、草原、建筑物等表面接触，靠碰撞、拦截、吸附作用，将酸性气体或气溶胶粒子（SO2、NOx、SO42—、NO3—）捕获，从大气中清除。大气中可能形成酸雨的酸性物质有：硫化物：SO2、SO3、H2S、DMS(CH3SCH3二甲基硫)、COS（碳酰硫），CS2（二硫化碳）、硫酸盐气溶胶SO42—）；氮化物：NO、NO2、N2O、N2O4、N2O5、硝酸盐气溶胶等，从大气中浓度及其对环境的影响来看，其中最重要的是NO、N2O，通常合称为NOx，即NOx=NO+NO2；氯化物，如HCl等。1．硫排放研究者们定量估计了全球各种硫化合物来源向大气的排放。一些估计结果如表3.3所示。人类活动排放的硫主要形式是SO2，排放量如表2.3最下一行所示。各组研究者的估计数据比较接近。目前全球认为排放硫化物的估计数字约为100TgS/a（1×108tS/a）。人类活动向大气排放的SO2是全球硫排放的主要部分。如果没有人为排放过多的SO2，只有自然的硫排放，那么自然界依靠自身的平衡能力进行硫循环，能够使大气环境处于良好状态。表3.4全球硫排放估计(TgS/a)数据来源1234567海洋(非海盐硫)DMS,H2S,COS,CS212~4019.515.419~58121636火山SO2,H2S,COS3~209.29.37.4~9.398.57陆地H2S,DMS,COS,CH3SH0.1~51.20.33.8~4.3117生物燃烧SO2,COS1~43.02.22.822.5自然排放总和16~69332733~75242850人类活动SO270~8592.476.87870103资料来源：R.J.CharlsonandJ.Heintzenberg,AerosolForcingClimate,JohnWiley&SonsLtd.1995全球自然排放硫化物估计为52TgS/a。各种硫化物如表3.5所示。有四种排放源(表3.4)，海洋生物、陆地植物和土壤、生物燃烧和火山。除火山外，其余三种来源主要排放形式是DMS，占自然排放量的50~80%；DMS主要来自海洋生物。表3.5自然硫排放物种排放量TgS/aDMS35SO212H2S3CS21COS1海洋硫排放中不包括海盐硫。海水飞溅蒸发产生的海盐硫集中在近海面约1000m空气中，其影响在海上及近海地区。因为海盐颗粒较大，因而对大气中的辐射平衡、云过程、酸化等影响不大。所以对于大气污染研究只注重讨论非海盐硫，主要是海洋生物硫排放。海洋排放DMS在不同季节不同经纬度都有所不同，且无明显的规律性。全球海洋向大气排放的DMS量难以准确测定。Andreac（1990，1992）给出的数据是19~51TgS/a；Moller综合几组研究者的数据，给出一个估计数字为36（±20）TgS/a。陆地植物和土壤排入大气的硫化物为1~4TgS/a。生物燃烧如森林、灌木丛燃烧的硫排放，主要形式是SO2，估计为2~3TgS/a，值得指出的是生物燃烧的大部分是人为的，所以也可以将其归入人类活动硫排放值之中。全球海洋向大气排放的DMS量难以准确测定。Andreac（1990，1992）给出的数据是19~51TgS/a；Moller综合几组研究者的数据，给出一个估计数字为36（±20）TgS/a。陆地植物和土壤排入大气的硫化物为1~4TgS/a。生物燃烧如森林、灌木丛燃烧的硫排放，主要形式是SO2，估计为2~3TgS/a，值得指出的是生物燃烧的大部分是人为的，所以也可以将其归入人类活动硫排放值之中。火山排放的硫的形式绝大部分为SO2。含硫气体从喷发的和非喷发的活火山口释放出来，排放高度为1~2.5km。每年全球的火山SO2排放量估计为2~20TgS/a。Stoiber等（1987）估计为9.35TgS/a。Andreac等（1989）估计为10~13TgS/a；Moller(1995)估计为10(±5)TgS/a。2．氮氧化物排放大气中的氮氧化物主要来源有四种，①通过燃烧煤炭、石油等化石燃料，生成NOx；②生物质燃烧生成；③土壤中的微生物活动，产生NOx，排入大气；④雷电生成氮氧化物。对来自各产生源的氮量如表2.6所示，估计范围是综合各个研究者的估计数据。由表3.6可见，人类燃烧化石燃料排放氮氧化物的氮量，约占地球上氮排放总量的一半。燃烧过程直接产生的是NO，从燃烧装置排出过程中，随温度变低，部分NO氧化成NO2。所以排向大气的NOx是二者混合物。由化石燃料燃烧排放的NOx，集中在北纬30°~60°N的中纬地区。美国、俄罗斯排放的NOx约占全球排放量的一半。表3.6氮的排放源估计排放量TgN/a估计范围主要排放源区域化石燃料燃烧2.213~31北半球中纬大陆生物质燃烧7.93~15热带大陆土壤微生物产生7.04~12各大陆（除了极地）闪电5.02~20热带大陆、对流层平流层中N2O分解0.640.4~1平流层氨氧化0.90.6热带大陆飞机0.85北半球30~60°N10km高度总计4.423~81资料来源：D.s.leeet,AtmosphericEnvironment,31（12），1997由于微生物的活动，土壤每年排放7TgN/a的NOx，排放源区遍及南极以外的各大陆。据估计，其中约80%的NO来自热带森林土壤，约20%来自草地土壤。在富氧土壤的好氧条件下，由铵(NH4+)转变成亚硝酸(NO2—)和硝酸(NO3—)的硝化过程，会释放出NO；在缺氧土壤的厌氧条件下，由硝酸转变为氧化亚氮和氮气的脱氮过程，也能释放NO。雷电生成的NOx，约有一半是云和云之间放电产生，一半是云和地面之间放电生成。在平流层，由N2O分解产生NO的过程，受控于空气中的N2O和激发态氧原子O1（D），反应如下：O3+hγO1（D）+O2N2O+O1（D）2NO上述反应生成的NO，估计占20km以上平流层中NOx的90%。平流层中由N2O分解生成的NO，Kasibhatla等（1991）计算的是0.64TgN/a，众多研究者有不同的估计，范围是0.4~1TgN/a。酸雨中酸性物质主要是硫酸（SO42—）和硝酸（NOx—）；二者的比例随地区、季节而异。欧洲酸雨中的硫酸/硝酸之比大致为2﹕1；北美东部大致为1.8﹕1；日本大致为2.75﹕1；我国酸雨中以硫酸为主；硫酸/硝酸之比大于6﹕1，原因是我国酸雨区酸性物质排放以燃烧高硫煤为主；而国外车辆多，排放NOx严重。比例随季节有所变化，因为冬季燃烧煤炭增多，硫酸份额会随之增大。3．酸雨状况酸雨一词最早出现于1872年；但是被列为地球环境问题之一，是在1972年斯德哥尔摩的第一次人类环境会议上，瑞典的Bertbolin等提出了“跨国境的空气污染，大气和降水中的硫对环境的影响”的报告。之后，酸雨受到世界关注。现在，酸沉降与全球气候变化、臭氧层破坏一起，成为三个突出的全球大气环境问题。酸沉降严重的有三个地区：欧洲、北美东部、东亚。最早是北欧的科学家们注意到酸雨及其对水体、生物的危害，最初是北欧的挪威、瑞典等国，而后中欧、再东欧，蔓延到整个欧洲。斯堪的纳维亚半岛南部、丹麦、波兰、德国等地的酸雨pH值多为4.0~4.5。酸性沉降物对森林和湖泊水生生物危害最明显。酸性湖水降低水中含钙量，致鱼畸形；酸性水会使水底沉积物释放出有毒物质，如铅、镉、镍等。铅会使鱼窒息；降低产卵率，杀死鱼苗。当水的pH＜5.5时，大部分鱼类难以生存；当pH＜4.5时，各种鱼类、两栖动物、大部分昆虫消失，水草死亡。酸雨使森林叶丛受损；淋析土壤，使养分减少，破坏营养平衡，影响树木生长。森林受害机理复杂，除酸雨外还有其他污染、破坏因素。在20世纪80年代，斯堪的纳维亚半岛已有2万多个湖泊遭受酸雨损害。挪威南部的5000个湖泊中有1750个鱼虾绝迹，另外900个受害严重。当时，挪威受酸雨严重危害的面积达3.4万平方公里，约相当于国土面积的1/10。瑞典的9万个湖泊中有2万个遭受酸雨的危害，其中4000个完全无鱼，2200个几乎无生物生存。在德国，森林遭受不同程度的危害。1984年的受害面积是52%。在瑞士，森林受害面积达50%以上。瑞典南部云杉早枯被认为是酸雨危害的结果。美国五大湖区作为酸雨污染的来源，使美国东部、加拿大南部的森林及野生生物受害严重，并成为美、加双边关系的难题。加拿大声称其酸沉降物有50%来自美