有害痕量元素排放趨勢研究獲進展

2005年中國6大行政區燃煤大氣砷排放分布

　　痕量元素（trace element） ，在常見的地球化學文獻中，人們常將地殼中除氧（O）、氫（H）、硅（Si）、鋁（Al）、鐵（Fe）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、鈉（Na）、鉀（K）、鉈 （Ti）這10種元素（它們的總重量豐度共占99％左右）以外的其他元素統稱微量元素，或痕量元素、雜質元素、副元素、稀有元素、次要元素等。

　　它們在巖石或礦物中的含量一般在1％或0.1％以下，含量單位常以10exp-6或10exp-9表示。1974年，O’Nions等將含量等于或小于1000×10exp-6的任何一種元素稱為痕量元素。

　　10月8日，國際煙草控制政策評估項目（ITC）組織公布的科研報告顯示，我國13個卷煙品牌被檢測出含有重金屬（砷、鎘、鉛等），其含量與加拿大產香煙相比，最高超出三倍以上。

　　據《重慶商報》報道：香煙中的重金屬可能來自煙草產區土壤中。相關研究表明：生物從環境中攝取重金屬，可以經過食物鏈的生物放大作用逐級富集，并通過食物等形式進入人體，引發人體某些器官和組織產生病變。

　　有害痕量元素及其化合物排放已成為大氣污染控制的一個新興而前沿的研究領域。在國家自然科學基金的資助下，北京師范大學副教授田賀忠帶領的研究小組對我國2005～2020年能源利用及有害痕量元素排放發展趨勢進行了研究，為我國掌握典型有害痕量元素污染排放現狀及空間、行業分布特征提供了基礎數據，并為國家和地方政府制定相關痕量元素污染排放法規、標準及技術與經濟政策等提供了科學依據。

　　上世紀50年代，日本熊本縣水俁灣附近發現了一種奇怪的病，這種病最初出現在貓身上，被稱為“貓舞蹈癥”。病貓步態不穩，抽搐、麻痹，甚至跳海死去，被稱為“自殺貓”。隨后不久，發現也有人患有這種病。患者由于腦中樞神經和末梢神經被侵害，口齒不清、步履蹣跚、面部癡呆、手足麻痹或變形、視覺喪失，嚴重者精神失常，或酣睡，或興奮，身體彎弓高叫直至死亡。這種怪病就是日后轟動世界的“水俁病”。

　　“日本發生的水俁病（汞污染）和骨痛病（鎘污染）等都和有害痕量元素污染有關。”田賀忠說，“盡管痕量元素在空氣中含量很小，但它的濃度超過一定范圍就會顯示出極大的毒性。許多痕量元素毒性極大，而且化學穩定性好，具有遷徙性、沉積性。它們不僅會引發人體呼吸系統的嚴重疾病，而且會污染水資源、土壤，造成生態環境的破壞。”

　　1990年，美國在《清潔空氣法（修正案）》中列出了189種有害空氣污染物，其中包括11種痕量元素（空氣中含量很少的元素，如銻、砷、鈹、鉻、鉛、錳、汞、鎳、硒等）。在這11種痕量元素中，汞、砷、硒三種揮發性有害痕量元素的排放污染尤其引人關注。

　　有研究者發現，近10年來北歐、北美內陸偏遠地區無明顯工業污染源的湖泊中，魚體內汞濃度的升高是由于大氣汞沉降造成的。

　　美國環境保護署的報告稱：燃燒裝置排放的大氣污染物中主要是有害的有機成分如苯并芘（BaP）、硫化物、氮氧化物、未燃燼可燃物以及重金屬元素，它們幾乎是造成所有癌癥的原因，其中尤其以亞微米級顆粒形式存在的重金屬排放物具有最大的威脅性。

　　汞、砷、硒等屬于揮發性有害痕量元素，在高溫燃燒或熱解過程中不會被分解，而是揮發成蒸氣，進而在煙道下游溫度降低時通過結核、凝結、冷凝等過程形成許多亞微米顆粒。研究表明，盡管亞微米顆粒僅占燃煤總飛灰質量的5%左右，卻富集了總痕量元素質量的13%～61%。汞、砷、硒等痕量元素主要富集在這些亞微米顆粒表面，這些亞微米顆粒很難被各種常規的污染控制裝置有效捕獲。它們大部分會隨同亞微米顆粒排放到大氣中，而這些亞微米粒子在大氣中主要以氣溶膠形式存在，不易沉降，而且上面富集的大部分有毒痕量元素也難于被微生物降解，可長時間停留在大氣中，不僅影響大氣能見度，而且通過呼吸系統進入動植物和人體內并不斷蓄積，并可轉化為毒性很強的金屬有機化合物，還會通過干濕沉降過程進入水體和土壤，從而對水和土壤生態環境產生污染危害。

　　因此，大氣汞、砷、硒等揮發性有毒痕量元素污染排放、遷移、沉降及控制等，也成為國際學術界關心的大氣污染防治新興研究熱點之一。

　　美國環保局（USEPA）科學家Linak曾指出：元素周期表中幾乎沒有什么元素不存在于煤中，它們都是煤的重要組分，根據其含量不同，通常可將煤的元素組分劃分為主量元素、次量元素和痕量元素三大類。其中，包括多種有毒痕量元素，如硼、鈹、鍺、鎘、鈷、銅、錳、鉛、鎳、汞、鉻等。其中，汞、砷、硒、鉛、鎘、鉻等元素對環境的危害最大。

　　化石燃料和礦物中的痕量元素在高溫燃燒或熔煉過程中因各痕量元素的濃度、賦存狀態以及操作工況的差異所表現的熱行為不同，其揮發性也表現不一。但在所有條件下，汞、砷、硒都具有揮發性。

　　“由于汞極易揮發, 在燃燒過程中極難控制，燃煤排放被認為是最大的人為大氣汞污染源。大氣中顆粒汞主要結合在細顆粒物上, 對人體的危害更大。特別是環境中任何形式的汞均可在一定條件下轉化為劇毒的甲基汞。進入環境中的汞會產生長期的危害, 所以汞是煤中最主要的有害微量元素之一。”田賀忠說。

　　砷是一種蓄積性元素，是當前環境中使人致癌的最普遍、危害性最大的物質之一。砷可通過呼吸道、消化道和皮膚接觸等進入人體，隨血流分布于肝、腎、肺、脾、骨骼、肌肉等部位，特別易于在毛發、指甲中蓄積，從而引起慢性中毒。盡管砷在煤中的含量很低，但由于煤消耗量巨大，煤中砷長期排放的積累不僅對燃煤電廠附近產生污染，而且可通過遠距離的傳輸對比較遙遠的生物產生負面影響。

　　“我們的研究發現，撫順、沈陽、蘭州、貴陽、成都、重慶等城市的大氣中砷含量高于其他地方就和燃煤有關。西南地區由于高砷煤的使用，曾造成3000多例砷中毒事件。”田賀忠說。

　　燃煤是大氣中硒的主要來源。據估算，全球發電用煤所排放的硒量占人為硒排放量的50%以上。燃煤也是造成一些地區土壤、水、植物中硒含量過高的原因。硒對于動植物和人類來說是一種必需的微量元素，但硒含量過高同樣會危害人體健康。在我國陜西安康、湖北恩施等地發生的人、畜硒中毒事件，就是由于開采和使用當地的富硒石煤所造成的。

　　目前，我國正處于工業化社會的初期階段，國民經濟的快速發展和大規模基礎設施建設，需要大量的電力、鋼鐵、水泥以及有色金屬等材料，這就需要消耗大量的化石能源和礦物資源。

　　2008年我國用于直接燃燒的煤炭約27.4億噸。另外，鋼鐵冶煉、有色金屬冶煉、水泥生產、化工等行業對金屬和非金屬礦物的燒結熔煉過程也會使礦物中的有害痕量元素揮發，并富集在微細顆粒物上釋放到大氣中，從而對人體健康和生態環境產生危害。

　　“國外曾有學者指責中國燃煤對大氣的影響。然而，由于種種原因，目前我國還缺乏對這些典型有害元素污染現狀的全面認識，燃燒和工藝生產設施上缺少專門的污染控制措施，使得國家制定相關的法規、標準及污染控制對策缺乏有效依據。另外，有害痕量元素在大氣中的傳輸擴散不僅與物理過程有關，還涉及更復雜的化學反應和二次污染，對有害痕量元素污染排放清單的研究是進一步開展有害痕量元素污染物傳輸、沉降、污染源排放標準、控制技術研究開發重點，也是制訂控制對策的基礎。因此，非常有必要開展我國有害痕量元素污染排放清單的研究。”田賀忠說。

　　據介紹，排放清單研究能定量得到各種源排放總量及其時空分布，是描述污染物排放特征的有效方法。田賀忠等人針對目前我國缺乏對汞、砷、硒等典型有害元素大氣污染排放狀況認識的現狀，采用排放因子法，通過現場測試調查、文獻調研、專家咨詢等手段，進而根據國民經濟活動水平、能源生產消費狀況、有色冶金等各部門生產活動水平等，以及各種裝置或工藝過程污染控制水平等因素，在國內首次比較全面系統地建立了1980～2007年我國典型有害痕量元素汞、砷、硒大氣排放清單及歷史趨勢。

　　該小組以2005 年為基準年，利用部門分析法對2005年至2020年能源利用及有害元素排放發展趨勢開展了情景分析。重點研究了各省區燃煤大氣典型有害痕量元素（汞、砷、硒等）排放量。按經濟部門、燃料類型、燃燒方式和污染控制技術對排放源進行分類，確定各類排放源的排放因子和能源消費量。研究各省區生產原煤、洗精煤、焦炭和型煤的痕量元素含量，建立各省區間原煤、洗精煤、焦炭和型煤的傳輸矩陣，從而確定各省區消費原煤、洗精煤、焦炭和型煤的有害元素含量。研究人員結合各省區內各類排放源的排放因子、燃料消費量和燃料中痕量元素含量，計算出其排放量，進而給出各省區和全國燃煤大氣典型有害痕量元素污染排放清單。

　　此外，該小組還將對各地區的有色金屬冶煉、鋼鐵、水泥生產、廢物處置、生物質燃燒等非燃煤源導致的典型有害痕量元素排放情況進行估算，進而與燃煤源排放清單相加，即可獲得中國人為源導致的大氣典型有害痕量元素污染物排放清單，并進一步通過網格化處理，利用GIS技術得到中國有害痕量元素的空間分布特征。

　　該研究有助于了解和掌握我國典型有害元素排放現狀、趨勢、時空分布特征等，可作為進一步開展有害元素的環境空氣質量模擬和生態環境及人體健康影響的基礎，并可為國家和地方政府制定相關法律、法規及技術經濟政策提供科學依據。