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环境挑战与策略

 论文栏目:环境研究论文     更新时间:2014-4-30 8:25:00   

一、人类活动对生态环境的影响 

纵观人类的文明进程,人类大致经历了狩猎文明、农业文明、工业文明和智力文明。从中可见的基本特点是人类从自然界获取资源,并加工和利用资源来满足自身发展的需求。工业革命以后,随着科技的进步、生产方式的变革,人们获得石油煤炭天然气及各种自然物质资源等的能力大大增加,大量自然资源被开采、加工成人类生活的消费品,满足了人类精神和生理等各方面的需求。但是,自工业革命以来的200多年里,不可持续的生产和消费方式带来了大量污染物排放,严重影响了生态环境和人类健康;同时也使现代社会面临着不可再生资源严重短缺的严峻挑战。研究发现,细颗粒物主要来源于化石燃料燃烧等人为活动,如能源工业部门煤炭的燃烧、机动车尾气的排放、金属冶炼过程中金属蒸汽的冷凝聚结、居民生活炉灶的燃烧等。另外,排入大气中的二氧化硫、氮氧化合物等气态污染物经化学反应后也可以形成粒径较小的二次粒子。PM2.5的化学组成因地区及污染源的不同而差异较大,目前所知的主要成分为硫酸盐、硝酸盐、铵盐、含碳颗粒(包括元素碳和有机碳,元素碳主要产生于高温燃烧过程,有机碳主要来自相对低温的燃烧过程)、金属颗粒、矿物质等。不同粒径大小的颗粒物上吸附的有害物质不相同,粗颗粒物主要由锶、铁、铝、钠、钙和镁等30余种元素组成,而细颗粒物主要是硫酸盐、硝酸盐、痕量金属和炭黑等,目前己经检测到的有机物主要包括烷烃、烯烃、芳烃和多环芳烃等烃类,还有少量的亚硝胺、酚类和有机酸等,其中具有致癌作用的多环芳烃和亚硝胺类化合物对人体危害较大。有分析认为,PM2.5的毒性大于PM10(粒径≤10μm的颗粒物),部分原因可能是PM2.5含有更多的炭粒,这些炭粒可以吸附更多的无机和有机的有害物质。据有关报道,全国有监测的1200多条河流中,850多条受到污染,符合国家一级和二级水质标准的河流仅占32.2%。污染正由地表浅层向深层发展,地下水和近海海水也正在受到污染,我们能够饮用和使用的水正在减少。一些新型污染物质如抗生素、内分泌干扰物、藻类毒素和杀虫剂氧化副产物等对生态系统、食品安全和人体健康等存在着难以预料的潜在影响,如致癌、致畸、致突变性等。一些有毒污染物在环境中难以消解,会通过蒸发-冷凝、大气和水的输送来影响区域和全球的环境。垃圾污染包括工业废渣污染和生活垃圾污染两类。工业废渣主要包括煤矸石、粉煤灰、钢渣、高炉渣、赤泥、塑料和石油废渣等;生活垃圾主要是厨房垃圾、废塑料、废纸张、碎玻璃、金属制品等。在城市,由于人口不断增长,生活垃圾正以每年10%的速度增加,构成一大公害。垃圾不但含有病原微生物,在堆放腐败过程中还会产生大量的酸性和碱性有机污染物,并且会将垃圾中的重金属溶解出来,形成有机物质、重金属和病原微生物三位一体的污染源;同时,雨水淋入垃圾产生的渗滤液会造成地表水和地下水的严重污染。此外,垃圾中有许多致病微生物,往往是蚊、蝇、蟑螂和老鼠的孳生地,导致生物性污染。据报道,2012年,上海城市生活垃圾的产出总量达716万吨,约日均2万吨。目前,通过焚烧、填埋、生化3种方式处理的生活垃圾,各自分别占比约为50%、30%和20%。据预测,到“十二五”末期,上海的生活垃圾日均产出量将达到2.2万吨。目前,生活垃圾处理面临的问题是:①不同的垃圾混杂,导致大部分垃圾无法实现资源化,只能以填埋方式处理。②采用填埋法处理,面临着土地资源紧缺和影响周边环境的困境。③采用简单的焚烧技术,可能会产生二噁英等有毒物质排放,招致焚烧设施选址与周边民众的对立情绪甚至是冲突。国际气候变化专门委员会的《第四次评估报告》通过数据和有关分析指出:发达国家与发展中国家的含碳能源使用均呈稳定或略微增长的趋势,在人口数量与人均国内生产总值增长的同时,尚无一个地区采用脱碳能源;碳排放增长速度最高的是处于快速工业化进程的发展中国家,包括中国。该报告指出:自1750年工业革命以来,人类活动对气候变暖产生重大影响的可能性达到了95%,这类活动包括工业加工、发电厂、交通运输、农业生产,即造成地球大气温室气体成份增加并最终导致气候变化的货物与服务的全球市场拓展活动;由于全球人口数量增长了约10倍,人们追求更高生活水平的愿望需要通过更多的全球市场的产品才能满足;经济发展的动力来自于森林的砍伐与树木的燃烧,以及后来煤炭、石油与天然气的利用。因此得出结论,人类活动导致碳排放的增加。

二、应对环境挑战的主要措施与趋势 

气候变化是环境问题,也是经济问题,更是发展模式问题;环境污染问题实质上是不可持续发展的问题,解决环境问题的关键在于将不可持续的生产与消费转变为可持续的生产与消费。为此,本文从科技创新与产业化应用的视角简述应对环境挑战的一些措施和趋势。

(一)新能源和可再生能源利用

有研究认为,经济增长与碳消耗相分离是完全可能实现的,其关键的途径是提高能源的利用效率,在降低能源消耗的同时刺激经济增长。随着可持续能源所占比例的不断增加,能源利用与温室气体排放相分离可能成为现实。最近数十年来在光电、地热、微水电、风电及其他可再生能源领域所取得的创新成果已表明,污染将不再是发展过程中不可避免的副效应。在新能源和可再生能源技术与产业的发展方面,从终端上看确实可以实现与碳排放相分离,同时可以解决能源转化利用的污染排放问题;但就目前的科技发展水平而言,新能源和可再生能源存在着生命周期环节上的碳排放转移、能量密度低、核心技术待突破、产业链待建立和完善等一系列问题。例如,太阳能光伏材料的制备是高耗能的生产过程、电动汽车的电池是目前的技术瓶颈等。从能源利用结构上看,世界目前的主要能源来源是化石能源,中国的能源结构中最主要的是煤炭。因此,应对环境挑战的出路还在于进一步推进“节能减排”。

(二)系统角度的能源和资源节约

现代社会涉及自然、社会、产业经济、居住和文化艺术五大系统,而在能源和资源利用方面又涉及全球、区域、城市、社区和建筑五大层次。工业生产涉及的能源、化工、冶金等行业,往往需要消耗大量的能源和水,并有大量废水、废气和废渣排放的问题。因此,技术创新的方向是节能降耗的新技术研发与应用,如研发和应用大功率超临界锅炉、超临界机组和超超临界发电机组与成套装备、煤炭高效清洁转化工艺和设备以及煤气化多联产等。工艺过程的水循环利用、工艺装置间的水串接利用、工厂和工业园区供排水网络的优化也为节水减排提供了重要的途径。在城市建设方面,环境保护与资源利用涉及规划、建筑设计、建造技术和材料利用等方面,空间开发与利用、绿色建筑与低碳社区建设成为重要的方向,其中包括城市建筑群资源共享生态模式、区域供能系统、各种建筑节能技术和水资源综合利用等。城市交通的节能减排涉及:①交通工具本身的技术进步,控制汽车尾气的污染排放。②提高交通通行效率,包括道路基础设施和智能交通的引导体系。③倡导绿色出行,以公交为导向,建设快速公交系统。④建立城区自行车慢行道路系统,倡导利用自行车作为短途交通工具。⑤从产业布局、住宅小区和商业配套建设等多因素优化人们的出行需求。

(三)全生命周期的资源循环利用

随着社会经济的发展,废弃物不断增加,资源不断减少,废弃物的资源化已受到关注。在发达国家,这方面的研究和生产取得了明显的经济和环境效益。以美国为例,其垃圾炼制产业的产值为200亿美元/年、1/3的钢产量由废钢回炼产出、约60%的金属和合金由再生资源制成。再生资源炼制,可减少资源消耗,降低排放。据有关测算:每利用1吨废铜,可以少开采100吨~200吨矿石,少产生100多吨工业废渣、2吨二氧化硫、10吨二氧化碳,节约3吨多标准煤;每利用1吨废纸,可节约木材4立方米、节水250吨、节电512度。目前,在美国从事废弃电子电器设备(WEEE)资源化的企业达400多家,从业人员7000多人;早在2002年就已经实现利润7亿美元,收集处理的WEEE总量达68万吨,从中回收各种物质41万吨。瑞典现有WEEE回收处理企业40多家,德国则有300多家相关企业。日本的WEEE资源化研究处于世界领先地位,现设有190个回收站和14个处理厂。目前,从“能源作物”如生长迅速、纤维含量高、专门种植用作生物燃油原料的草本和木本植物的第一代生物质燃料,到木材废料(锯木屑、木质建筑残片)、农业废弃物(玉米秸秆、小麦茎秆)和废弃食用油脂的第二代生物质燃料,再到藻类物质的第三代生物质燃料,生物质转变成发动机燃料正在从技术研发走向产业化应用。城市生活垃圾的源头分类可以为资源化回收利用和处理处置过程中的减量奠定良好的基础。工业产品已从设计、制造开始,到消费和废弃的全生命周期中充分考虑到资源循环利用和最少污染物排放。

(四)高新技术的应用

随着能源和资源环境问题的日益凸显,以能源、环境技术(ET)为特征的新一轮技术革命呼之欲出。而第三次工业革命的实质正是将IT与ET相结合的创新技术体系与经济发展模式。人类可以利用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)的集成技术开展全球环境变化监测,监测城市大气中主要污染物及其空间区域的分布,观测大气中气溶胶类型及其含量分布、大气微量气体的铅垂分布;快速监测出水体污染源的类型、位置及其分布范围;监视赤潮和石油泄漏等海洋污染;推测滑坡、泥石流发育环境因素及产生条件,进行区域危险性分区及预测,可为防治地质灾害提供依据;利用物联网、GPS和云计算技术可以实现城市废弃物收运、处理处置的全过程管理。由智能变电站、智能配电网、智能交互终端、智能城市用电网、智能发电系统和新型储能系统等构成的智能电网将为城市电力安全高效供应、各种接入和输出提供保障。工业互联网和3维打印技术的发展将使工业制造过程中能源、资源损耗更低、废弃物排放更少、生产效率更高。

作者:李光明 单位:同济大学环境科学与工程学院

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