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酸雨控制不可忽视氮氧化物

发布时间:2018-10-17 16:39:07  来源:互联网   阅读:0

酸雨控制不可忽视氮氧化物

酸雨通常是指pH值小于5.6的降水,因为未受污染的降水的pH值约为5.6,这是考虑到大气中CO2(浓度大约是350ppm)溶解在纯水中达到化学平衡时的pH值。但是,大气中由于酸性物质造成的环境影响并非只通过湿沉降(主要指酸雨,还包含酸雪和酸雾等)

酸雨控制不可忽视氮氧化物

,还通过干沉降(指气态物质和颗粒物),因此我们关注的此类问题确切地说是酸沉降,只是由于历史的原因(关注降水的组成)仍称酸雨。由于SO2的大量排放,目前我国一些区域出现酸雨且长期未能根治,已引起广泛关注。

我国酸雨区的分布

随着我国SO2减排工作的开展,酸雨分布区的总面积有所下降,但重酸雨区依然存在,总体上呈现北方一些城市酸雨污染加重和重酸雨区东移的趋势。前者主要体现在我国一些传统的非酸雨区,后者表现为华中和华东两个酸雨区有连片趋势。

由于SO2的大量排放,目前我国大面积区域出现酸雨并不断发展,已引起广泛关注。20世纪70年代,我国的一些地区发现了酸雨,其中年均降水pH值最低的地区分布在西南地区,尤其是在重庆和贵阳一带。到了20世纪90年代中期,酸雨已经成为区域性的环境问题,酸雨分布区包括四川盆地和长江以南、青藏高原以东的广大地区。城市及周边是我国开展酸雨监测的重点地区,近年来,在进行监测的500多个城市中,有40%左右的城市年均降水pH值低于5.6,而10%左右的城市年均降水pH值低于4.5。

随着我国SO2减排工作的开展,酸雨分布区的总面积有所下降,但重酸雨区依然存在,总体上呈现北方一些城市酸雨污染加重和重酸雨区东移的趋势。前者主要体现在我国一些传统的非酸雨区,后者表现为华中和华东两个酸雨区有连片趋势。我国酸雨区的发展同相关污染物排放格局的变化是一致的。

酸雨对环境造成多种影响,包括直接影响和间接影响。直接影响包括材料腐蚀、文物损坏和农作物减产等,降水pH值低是造成损失的原因。例如,通常降水pH值小于4.5就会对农作物造成伤害。间接影响则取决于酸沉降量,导致土壤和地表水酸化。土壤酸化表现为土壤pH值下降、营养元素流失和有毒金属元素的活化,最终导致森林的减产甚至衰亡;地表水酸化的表现则是水体pH值下降、酸根阴离子浓度升高和有毒金属元素浓度升高等,严重时会导致鱼类死亡。相对于直接影响,酸雨造成的间接影响可能更加严重。欧洲和北美曾经出现过大量湖泊酸化和大面积森林死亡的生态灾难,由此造成的损失是无法估量的。我国同样存在着土壤和地表水酸化的巨大风险。

尽管在我国一些地区遭受严重的酸沉降已近30年,但迄今为止仍未像欧洲和北美那样发生大面积的地表水酸化现象。但是一些证据表明,水体酸化现象在个别地区已经显现。以西南地区为例,在SO2排放量快速增长的“七五”和“八五”这10年间,长江上游各支流的pH值明显下降,尽管这些河流的pH值依然较高。在“九五”和“十五”这10年间,随着这一地区SO2排放量得到控制并开始下降,河流pH值不再降低。此外,在华南和华东等其他重酸雨区也发现了一些pH较低的水体。

在我国,土壤酸化通常是地表水酸化的前提,因为降水先经过土壤层的缓冲,然后才进入地表水。尽管目前只有少量观测工作获得了一些地区土壤酸化的证据,但如果整个长江上游河流酸化则意味着广大流域均存在土壤酸化的趋势。在我国的几个重酸雨区,土壤酸化已经出现,表现在土壤pH值的下降和有毒铝离子的活化等,但是其对森林的影响可能还局限在生产力的降低和营养元素的流失,尚未出现大面积树木死亡等显性表现。

对酸雨的控制分析

我国政府高度重视酸雨的控制。1992年经国务院批准,贵州省、广东省两省和广西壮族自治区柳州市、南宁市、桂林市,浙江省杭州市,山东省青岛市,重庆市,长沙市,湖北省宜昌市和宜宾市等9市进行征收工业燃煤SO2排污费试点工作。在我国工业污染物排放标准中,也逐步制定了SO2排放限值。这些措施的实施,对推动酸雨和SO2污染治理起到了积极作用。

为了进一步遏制酸雨和SO2污染的发展,1995年8月,全国人大常委会修订了《大气污染防治法》,专门规定在全国范围内划定酸雨控制区和二氧化硫污染控制区,简称“两控区“。划定”两控区“体现了从实际出发、抓重点的指导思想。“两控区”划分及相关政策实施以来,在煤耗持续增长的情况下,我国SO2的增长趋势有所减缓。特别是随着总量控制的开展和“十一五”环境保护目标的逐步实现,SO2的排放量历史性地实现了降低。由此,我国的酸雨控制取得了实效,不仅体现在环境大气SO2浓度的下降以及颗粒物和降水中硫酸根含量的下降,同时也表现在长江上游各主要支流酸化趋势的遏制。

但是,在目前的控制政策下,随着我国经济增长,另一种致酸气体——NOx不但没有得到控制,反而快速上升。对我国NOx排放发展趋势的情景分析表明,随着国民经济继续发展、人口增长和城市化进程的加快,未来我国NOx排放量将继续增长。燃煤是我国NOx的最大来源,其次是燃油,而火力发电、工业和交通运输部门对NOx的排放贡献最大。另外,超过80%的NOx排放量来自人口密集、工业集中和经济发展较快的中东部地区。

近年来,NOx排放对我国酸雨的贡献逐年增加,表现在降水中NO3-浓度的增加和NO3-/SO42-比值的升高。上世纪90年代初,这一比值的全国平均水平为0.11,目前已经上升到0.20以上。NOx相对于SO2排放量的显著增加使得酸性降水由硫酸型向硫酸和硝酸复合型转变。

目前,我国部分地区的氮沉降量已经接近欧洲和北美的最高水平,而由于大气沉降的氮在生态系统中的迁移转化导致的酸度输入甚至大于当地酸雨的酸度输入。以重庆为例,其氮沉降量达到3.0keq/ha/a,氮沉降导致的酸度输入为1.6keq/ha/a,远远高于降水的酸度输入(0.8keq/ha/a)。

我国近年来酸雨区分布发生变化的另一个重要原因是大气中有中和能力的碱性物质(主要是颗粒物)排放的变化。降水的pH值实际上取决于主要阴阳离子的相对含量。大气颗粒物特别是粗颗粒,是降水中Ca2+和Mg2+等阳离子的主要来源,对降水酸度具有很强的缓冲能力。我国自1996年以来,大气颗粒物(包括其中的Ca2+)排放量总体上呈逐年下降趋势,这导致大气的酸中和能力下降,这可能是我国一些地区(特别是华北和东北地区)SO2排放量总体削减但酸雨分布区依然存在的重要原因。因此,以改善城市空气质量为目标的颗粒物控制有可能加剧酸沉降污染,从而需要进一步加大酸性气体的减排力度。

建立基于临界负荷的对策

酸雨的控制归根结底需要区域联防联控,但如何确定区域排放总量控制目标以及进行科学的分配至关重要。从降低环境影响的角度出发,必须建立以临界负荷为基础的新的控制指标体系。

事实上,目前广泛采用的酸雨指标主要基于降水pH值,包括年均降水pH值和酸雨频率等。暂且不论以pH值5.6作为区分酸雨或者非酸雨的阈值是否合适,严格说来,将pH值作为酸雨的基本指标,无论从研究还是控制的角度看,均缺乏科学性。酸雨问题不仅涉及湿沉降,还涉及干沉降。酸雨的危害程度不仅与pH值相关,还取决于降水量。尽管pH值是反映酸雨直接危害的最好的指标,但酸雨的间接影响需要别的指标(比如沉降量)来定量。尤其是排放量的削减并不能总是带来降水pH值的升高。关于最后一点,不仅国际上已有教训,国内近年的酸雨区变化也同样说明问题。因此,酸性物质(硫和氮)的沉降量应当取代pH值,成为考核的指标,因为它们同酸性气体的排放量之间具有直接的关联。

对酸性物质的沉降量,应该基于临界负荷制定类似于环境空气质量标准的阈值。临界负荷定义为不致使生态系统发生有长期危害影响的化学变化的最高酸沉降量。临界负荷代表环境得到保护或者遭到破坏的临界状态。换句话说,只要酸沉降量不高于临界负荷,环境就不致受到显著影响;相反,当酸沉降量超过临界负荷时,环境就会遭到破坏,因此必须控制排放,使酸沉降量减少。从保护环境的角度,也就是从酸沉降控制的最终目标出发,显然应该将酸沉降控制在低于临界负荷的水平。但是,在实际控制酸沉降时,考虑到社会、经济或技术因素,在确定某一阶段的控制目标时也可以考虑低于或高于临界负荷,这就是所谓目标负荷的概念。比较临界负荷与实际沉降量可以确定哪些地区酸沉降超过了临界负荷,由此可以确定哪些地区需要削减排放,以及需要削减多少才能使沉降低于临界负荷。

临界负荷概念产生于上世纪80年代,目前它已经成为国际酸雨控制决策的一种科学手段,并且为许多国家政府所接受,作为制定酸沉降控制方案的指导方针。欧洲和北美是世界上最早发现酸沉降危害并采取实际行动进行酸沉降控制的地区。

然而,最早的排放控制方案主要是基于等比例的削减或绝对量的削减,这种控制对策不能确定削减到某种程度后是否能够实现保护环境的目标,同时也未充分考虑实施控制的费用效益。于是,在1994年《长距离越境大气污染公约》制定第二个硫议定书时提出了2005年前将硫沉降超过临界负荷的量比1990年降低60%的SO2减排目标。这是历史上首次在削减排放的协商中,除了考虑技术和经济因素之外,还考虑了对环境的影响(通过临界负荷的概念得以体现)。1999年,31个国家在瑞典哥德堡进一步签署了关于控制酸化、富营养化和地面臭氧的议定书,临界负荷又一次作为确定二氧化硫和氮氧化物控制目标的基础。

欧洲酸沉降控制的成功经验告诉我们,基于临界负荷的削减对策能够在保证生态系统得到充分保护的前提下,极大地降低削减的投入。临界负荷也已经在中国的酸沉降控制中得以应用,其中最重要的应用就是“两控区”的划分,临界负荷是划定酸雨控制区的最重要的科学依据之一。

由于酸雨是SO2和NOx排放共同作用的结果,因此控制酸雨需考虑SO2和NOx的协同削减。利用临界负荷,可以对我国未来的减排方案(及相应的大气污染控制对策)进行探讨。作为例子,可以评估我国“十一五”期间二氧化硫10%削减在缓解环境酸化方面的效果。“十一五”末期,全国以燃煤电厂脱硫为主要措施的大气污染控制政策得到有效落实,SO2排放量较2005年有明显下降,但由于缺乏有效的NOx排放控制措施与严格的法规标准,NOx排放与氮沉降持续上升。比较2005和2010年在考虑与不考虑氮沉降影响时硫的超临界负荷情况可以看出,2010年因SO2

排放削减导致的硫沉降超临界负荷的改善效果被显著抵消,这充分说明我国NOx减排对酸雨控制的重要性。

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