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全球大氣環(huán)境問題（一）酸沉降與防治對策
酸沉降包括“濕沉降”和“干沉降”。濕沉降通常指pH值低于5.6的降水，包括雨、雪、霧、冰雹等各種降水形式。最常見的就是酸雨，這種降水過程稱為濕沉降。干沉降是指大氣中的酸性物質(zhì)在氣流的作用下直接遷移到地面的過程。目前，人們對酸雨的研究較多，已將酸沉降與酸雨的概念等同起來。
70年代初，酸性沉降在世界上仍是局部性問題，但目前已發(fā)展成為全球面臨的主要環(huán)境問題之一，與全球變暖和臭氧層破壞一樣，受到人們的普遍關(guān)注。對于酸沉降問題的研究已取得了很多成果，但也有許多關(guān)鍵性問題還沒有研究清楚，如大氣中SO2、NOX轉(zhuǎn)變?yōu)镾O42-、NO3-的機理，SO2、NOX排放源與造成酸沉降的相關(guān)性，以及生態(tài)環(huán)境能夠承受的界限等問題均有待研究。
1、酸雨現(xiàn)象及其發(fā)展
酸性降水的研究始于酸雨問題出現(xiàn)之后。50年代，英國的R.A.Smith最早觀察到酸雨，并提出“酸雨”這個名詞。之后發(fā)現(xiàn)降水酸性有增強的趨勢，尤其當歐洲以及北美洲均發(fā)現(xiàn)酸雨對地表水、土壤、森林、植被等有嚴重的危害之后，酸雨問題受到普遍重視，進而成為目前全球性的環(huán)境問題。自人們發(fā)現(xiàn)這一問題之后，各國相繼大力開展酸雨的研究工作，紛紛建立酸雨監(jiān)測網(wǎng)站，制訂長期研究計劃，開展國際間合作，近年來這方面研究工作發(fā)展相當迅速。
我國酸雨研究工作始于70年代末期，在北京、上海、南京、重慶和貴陽等城市開展了局部研究，發(fā)現(xiàn)這些地區(qū)不同程度上存在著酸雨污染，以西南地區(qū)最為嚴重。1982～1984年在國家環(huán)保局領(lǐng)導下開展了酸雨調(diào)查，為了弄清我國降水酸度及其化學組成的時空分布情況，1985～1986年在全國范圍內(nèi)布設(shè)了189個監(jiān)測站，523個降水采樣點，對降水數(shù)據(jù)進行了全面、系統(tǒng)的分析。結(jié)果表明，降水年平均pH小于5.6的地區(qū)主要分布在秦嶺－淮河以南，而秦嶺－淮河以北僅有個別地區(qū)。降水年平均pH小于5.0的地區(qū)主要在西南、華南以及東南沿海一帶。我國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，酸雨污染問題在我國是值得注意的。國家很重視我國的酸雨問題，在第七、第八個兩個五年計劃中均將酸雨列為攻關(guān)重點課題，其中酸沉降的化學過程也是重要研究內(nèi)容。
2、酸雨的來源與形成
降水的酸度是由降水中酸性和堿性化學物質(zhì)間的平衡決定的。大氣中可能形成酸的物種是：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硫酸鹽和硫酸；含氮化合物－NO、NO2、N2O，硝酸鹽，硝酸，以及氯化物和HCl等。這些物質(zhì)有可能在降水過程中進入降水，使其呈酸性。通常認為主要的酸基質(zhì)是SO2和NOX，其形成的酸雨中的總酸量因地而異。國外酸雨中硫酸與硝酸之比為2:1，我國酸雨以硫酸為主，硝酸量不足10%。
1) 天然排放和硫化合物與氮化合物
含硫化合物與含氮化合物的天然排放源可分為非生物源和生物源。非生物源排放包括海浪濺沫、地熱排放氣體與顆粒物、火山噴發(fā)等。海浪濺沫的微滴以氣溶膠形式懸浮在大氣中，海洋中的硫的氣態(tài)化合物，如H2S、SO2、(CH3)S在大氣中氧化，形成硫酸?；鹕交顒右彩侵饕奶烊涣蚺欧旁?，據(jù)估計，內(nèi)陸火山爆發(fā)批發(fā)到大氣中的硫約為3000千噸/年，生物源排放主要來自有機物腐敗、細菌分解有機物的過程，以排放H2S、DMS、COS為主，它們可以氧化為SO2、NOX而進入大氣。全球天然源硫排放估計為5000千噸/年，全球天然源氮的排放量，由于閃電造成的NOX很難測定而較難估計準確。
2) 人為排放的硫化合物與氮氧化物
大氣中大部分硫和氮的化合物是由人為活動產(chǎn)生的，而化石燃料造成的SO2與NOX排放，是產(chǎn)生酸雨的根本原因。這已從歐洲、北美歷年排放SO2和NOX的遞增量與出現(xiàn)酸雨的頻率及降水酸度上升趨勢得到證明。
由于燃燒化石燃料及施放農(nóng)田化肥，全球每年約有0.7－0.8億噸氮進入自然界，同時向大氣排放約1億噸硫。這些污染物主要來自占全球面積不到5%的工業(yè)化地區(qū)－歐洲、北美東部、日本及中國部分區(qū)域。上述區(qū)域人為排硫量超過天然排放量的5－12倍。
近一個多世紀以來，全球SO2排放一直在上升，然而近年來上升趨勢有所減緩，主要是因為減少了對化石燃料的依賴，更廣泛地采用了低硫燃料，及安裝污染控制裝置（如煙氣脫硫裝置）。
3) 酸雨的形成
人為源和天然源排放的硫化合物和氮化合物進入大氣后，要經(jīng)歷擴散、轉(zhuǎn)化、輸運以及被雨水吸收、沖刷、清除等過程。氣態(tài)的NOX、SO2在大氣中可以催化氧化或光化學氧化成不易揮發(fā)的硝酸和硫酸，并溶于云滴或雨滴而成為降水成分。它們的轉(zhuǎn)化速率收氣溫、輻射、相對濕度以及大氣成分等因素的影響。
3、酸雨的危害
酸沉降以不同方式危害著水生生態(tài)系統(tǒng)、陸生生態(tài)系統(tǒng)、材料和人體健康。
1) 酸雨對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響
酸雨會使湖泊變成酸性，水生生物死亡。在瑞典有9萬個湖泊，其中2萬個已遭到某種程度的酸雨損害（占20%），4000個生態(tài)系統(tǒng)已被破壞。挪威南部5000個湖泊中有1750個已經(jīng)魚蝦絕跡。加拿大安大略省已有2000~4000個湖泊變成酸性，鱒魚和鱸魚已不能生存。美國對紐約東北部的阿幾隆達克山區(qū)所進行調(diào)查表明，該地區(qū)214個湖泊中，pH值在5以下的已達半數(shù)之多，82個湖泊已無魚類生存。
研究表明，酸雨危害水生生態(tài)系統(tǒng)，一方面是通過湖水pH值降低導致魚類死亡，另一方面是由于酸雨浸漬了土壤，侵蝕了礦物，使鋁元素和重金屬元素沿著基巖裂縫流入附近水體，影響水生生物生長或使其死亡。當水中鋁含量達到0.2mm/L時，就會殺死魚類。
同時，對浮游植物和其它水生植物起營養(yǎng)作用的磷酸鹽，由于附著在鋁上，難于被生物吸收，其營養(yǎng)價值就會降低，并使賴以生存的水生生物的初級生產(chǎn)力降低。另外，瑞典、加拿大和美國的一些研究揭示，在酸性水域，魚體內(nèi)汞濃度很高。若這些含有高水平汞的水生生物進入人體，勢必會對人類健康帶來潛在的有害影響。
2) 酸雨對陸生生態(tài)系統(tǒng)的影響
近年來，人們普遍將大面積的森林死亡歸因于酸雨的危害。在德國，橫貫巴伐利亞州山區(qū)的12000公頃森林有1/4壞死，波蘭已觀察到針葉林大面積枯萎達24萬公頃，捷克的受害森林占森林總面積的1/5。
根據(jù)歐美科學工作者對森林死亡原因的分析，認為它是：
?、? 各種污染物和酸雨共同作用的結(jié)構(gòu)；
?、? 早期干旱所造成的影響；
?、?其它原因的影響。
酸雨對森林的危害可分為四個階段。第一階段，酸雨增加了硫和氮，使樹木生長呈現(xiàn)受益傾向。第二階段，長年酸雨使土壤中和能力下降，以及K、Ca、Mg、Al等元素淋溶，使土壤貧瘠。第三階段，土壤中的鋁和重金屬被活化，對樹木生長生成毒害，當根部的Ca/Al比率小于0.15時，所溶出的鋁具有毒性，抑制樹木生長。而且酸性條件有利于病蟲害的擴散，危害樹木，這時生態(tài)系統(tǒng)已失去恢復力。第四階段，如樹木遇到持續(xù)干旱等誘發(fā)因素，土壤酸化程度加劇，就會引起根系嚴重枯萎，致使樹木死亡。
3) 對各種材料的影響
酸雨加速了許多用于建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、水壩、工業(yè)裝備、供水管網(wǎng)、地下貯罐、水輪發(fā)電機。動力和通訊電纜等材料的腐蝕。
酸雨能嚴重損害古跡。我國故宮的漢白玉雕刻、雅典巴特農(nóng)神殿和羅馬的圖拉真凱旋柱，都正在受到酸性沉積物的侵蝕。
4) 酸雨對人體健康的影響
酸雨對人體健康產(chǎn)生間接的影響。酸雨使地面水變成酸性，地下水中金屬量也增高，飲用這種水或食用酸性河水中的魚類會對人體健康產(chǎn)生危害。據(jù)報道，很多國家由于酸雨的影響，地下水中鋁、銅、鋅、鎘的濃度已上升到正常值的10～100倍。
4、防治酸雨的綜合對策
酸沉降問題早已引起了各國的注意。1979年，歐洲和北美35個國家簽定了《長程越界空氣污染公約》，于1983年3月起生效。公約中關(guān)于“至少減少30%硫排放或跨國境流動”的議定書于1987年9月生效，有17個歐洲國家和加拿大批準了議定書，這批國家的成員被稱為“30%俱樂部”。在1985年，歐共體頒布了旨在將硫和一氧化氮減少60%的汽車尾氣排放標準執(zhí)行指令，建議其成員國在1989年之前改用無鉛汽油，到1995年完全使用催化轉(zhuǎn)化器。在北美，美國早在1970年就開始實施“清潔空氣法”，于1990年又進行了修訂，確定了總量控制的行動綱領(lǐng)，即在1990年全美SO2排放量2000萬噸的基礎(chǔ)上，今后每5年削減500萬噸，到2000年總排放量減少一半，控制在1000萬噸，以后不再超過這個數(shù)量。加拿大在1985年宣布，到1994年國內(nèi)SO2排放量將削減一半，從460萬噸降到230萬噸。
防治酸雨的一般措施有：
1) 使用低硫燃料和改進燃燒裝置
減少SO2污染最簡單的方法是改用含硫低的燃料。據(jù)有關(guān)資料介紹，原煤經(jīng)過洗選之后，SO2排放量可減少30～50%，灰分去除約20%。另外，改燒固硫型煤、低硫油，或以煤氣、天然氣代替原煤，也是減少硫排放的有效途徑。
改進燃燒方式也可以達到控制SO2和NOX排放的目的。使用低NOX的燃燒器來改進鍋爐，可以減少氮氧化物排放。流化床燃燒技術(shù)近來已得到應(yīng)用，新型的流化床鍋爐有極高的燃燒效率，幾乎達到99%，而且能去除80～95%的SO2和氮氧化物，還能去除相當數(shù)量的重金屬。這種技術(shù)是通過向燃燒床噴射石灰或石灰石完成脫硫脫氮的。
2) 煙道氣脫硫脫氮
這是一種燃燒后的過程。在煙道氣排出煙囪前，噴以石灰或石灰石，其中的碳酸鈣與SO2反應(yīng)，生成CaSO3，然后由空氣氧化為CaSO4，可作為路基填充物或制造建筑板材或水泥。
3) 控制汽車尾氣排放
一般柴油車用的含硫量達0.4%，為工廠所用燃料含硫量的3倍。美國已規(guī)定柴油車用油的含硫量應(yīng)低于0.2%。另外，汽車尾氣中含有氮氧化物，可以通過改良發(fā)動機和使用催化劑，控制氮氧化物排放量，日本要求控制在0.25g/km以下。
各國根據(jù)自己的具體情況，都制定了一些適合本國國情的酸雨控制措施。我國針對出現(xiàn)的酸雨問題，采取了以下對策：
一是降低煤炭中的含硫量，二是減少SO2的排放。我國洗煤能力應(yīng)當優(yōu)先安排洗選高硫煤，回收精硫礦。專家建議，全國含硫2%以上的高硫煤，除有煙氣脫硫能力的工廠可不洗外，其余都應(yīng)進行洗選。對于無法洗選的有機硫，可在煤炭燃燒過程中采用回收技術(shù)，制取硫酸。在生產(chǎn)和生活用煤中，要盡量采用熱電聯(lián)產(chǎn)，集中供熱，實行燃煤氣化和成型化，在有條件的工廠，應(yīng)裝有消除煙塵和脫硫設(shè)備。
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