巴黎协定后中国绿色发展的若干问题思考:清华大学绿色经济与可持续发展研究中心政策研究报告2016
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第四节 跨介质环境污染控制与管理方法创新

污染物往往会在大气、水、土壤各环境介质之间发生迁移转化引起复合污染,多介质综合的环境污染控制是使环境获得全局性改善,实现生态系统健康的必要途径。本节介绍了典型污染物在环境介质间的迁移转化现象,并以关键元素跨介质代谢为着眼点,分析了污染控制技术的跨介质污染及其造成元素代谢紊乱可能引起的环境问题,提出2025“生态系统健康”环境管理目标和跨介质环境管理的新理念。

一、污染物跨介质迁移转化引起复合污染

(一)污染物跨介质迁移

在环境污染控制和环境风险评价的研究中,污染物在多介质环境中的迁移转化是不可忽视的重要部分。大气、水、土壤、生物可分别看作是单一介质,具有其中两个及以上的体系称为多介质环境。污染物会以各种形态存在于大气、水、土壤等环境中,并可通过物理、化学、生物等作用不断在介质间发生迁移转化,扩大污染范围,加剧污染程度,使得潜在的环境压力在不同环境属性内发生转移,引发更多次生的、潜在的环境影响,使我国环境问题处于空前复杂的局面。

作为一种全球性的环境污染物,多环芳烃(PAHs)因其分布广、稳定性强、生物富集率高、致癌性强的特性,对环境和人类健康构成了极大的威胁。已有大量研究表明,化石燃料的不完全燃烧是环境中PAHs的主要来源,绝大部分PAHs先以气体和颗粒物形态进入大气,然后通过迁移、沉降等作用进入水体、土壤等介质形成跨介质污染,直接危害人体健康。同样,对于河流中降解周期长的有机污染物,吸附于底泥系统是其迁移转化的主要机制,去除水体中污染物的同时为河湖水质的安全埋下了严重的隐患。

重金属在环境介质间的迁移同样会产生严重的环境与健康影响。研究发现,城市环境中汽车轮胎中的镉含量就可高达17.9mg/kg,这些高镉物质的磨损、工业废弃物堆放、垃圾焚烧等将直接导致镉粉尘与街道尘埃混合并形成高镉街尘,当雨水等地表径流淋滤地表污物或街道尘埃时,其中的镉等有害物质即会发生迁移,流经土壤并与土壤中的物质组分进行物理化学交换,最终在土壤中沉淀积累,或是直接流向河流并在水体中沉积,然后通过一系列介质的链式传导及相互影响,最终会有一部分镉通过手口等途径直接被人体吸收或通过食物链在人体体内积累富集,进而危害人体健康。生活垃圾焚烧过程中产生的飞灰常含有高浓度的易被水浸出的重金属,如汞、铅、镉、铜、铬等,如不经妥善处理处置,易通过污染土壤、水体进而危害动植物与人体健康。

(二)关键元素跨介质代谢引发环境问题

自工业革命以来,碳、氮、磷等关键元素代谢越来越多地参与到城市生态系统代谢过程中。物质代谢行为可以视为一个生物体,其代谢路径复杂、代谢产物种类丰富、化学价态多样,加上人类活动对元素迁移代谢的干扰,使原本复杂的代谢过程变得更加难以估测。输入的物质、元素经过各种生化反应和代谢过程,在大气、水体、土壤等环境介质之间进行迁移代谢,最终向环境排放各种代谢产物,这些代谢产物是大气、水体和土壤环境污染的主要原因。例如,输入氮元素以NOx等大气污染物形式进入大气圈,以渗滤液形式进入水体,以煤渣等固体形式进入填埋场或废物管理部门。不合理的代谢途径将降低氮元素的代谢效率,增加城市的整体氮污染负荷。

研究显示,我国农田化肥氮通过各种途径所损失的总氮量约占施用总量的52%,对环境质量有影响的各种形态的氮素总量约为其施用量的19.1%。这些氮素向地表水、地下水和大气迁移的过程中,成为地表水体富营养化、地下水硝酸盐富集和大气N2O的重要来源。早期观点认为,大气氮沉降通常是一种有利且有限的养分来源;然而在许多地区,随着大气污染而不断增加的大气氮沉降量超过了森林生态系统的氮需求,过剩的氮沉降将增加NH+4的硝化和NO3的淋失,加速土壤酸化,进而危害森林生态系统。

磷矿石开采和加工过程中伴随着巨大的资源环境问题,磷矿开采后在矿场留下的“浮土”以及“尾矿”对当地的生物和水体都造成严重影响。磷元素被广泛运用于饲料、肥料、洗涤剂的生产和消费中,其过量排放导致磷元素大量向水体、土壤迁移,经一系列生化反应,成为我国很多地区水体富营养化、土壤酸化板结等现象的重要根源。由粪便堆积、牲畜养殖等排放的氮磷污染物迁移到湖泊和水流,导致藻类疯长、水质恶化,严重时甚至导致水生生物的死亡,使区域内生态系统紊乱和崩溃。而自然界中的磷循环主要由生物驱动完成,通过微生物有机磷的降解、无机磷的离子交换以及解析作用,促进了磷素的释放。土地通过微生物过程释放的有机磷,将加重水体富营养化程度。

(三)农村跨介质污染严重

跨介质污染现象在农村表现得尤为严重,主要体现在:

(1)工业生产方面,农村小企业布局分散、经营粗放、监管不力,相当一部分属于效益较差、能耗较大、环境污染严重的企业,有大量生产垃圾和工业污水未经处理直接排入河流或沟渠,严重污染周边地区的水环境。无序堆放的固体废物会对地表水和地下水产生二次污染。

(2)农业生产方面,肥料广泛施用且利用率低,一部分在灌水和降水等淋溶作用下进入地下,污染地下水,另一部分则通过径流污染地表水,产生土壤板结、土质下降、地表水体富营养化程度加剧、地下水硝酸盐含量超标等问题。残留在土壤中的农用薄膜在降解过程中,一些有害物质随土壤中地下水的渗透也会对水体造成一定的影响。

(3)生活废弃物和污水污染方面,不少农村垃圾收集基础设施建设严重滞后,生活垃圾填埋场尚未建设或不符合相关卫生规范。垃圾简单露天堆放在土地、沟渠、池塘中,成为二次污染源。经发酵、雨水淋浴、冲刷以及地表水的浸泡,其中的有机污染物与重金属会对周围的土壤和水体产生严重污染。一些地区垃圾露天焚烧现象屡禁不止,焚烧过程中会向大气排放二英、多环芳烃、苯等多种污染物,对周边居民健康构成了严重的威胁。农村生活污水处理率很低,居民的生活污水大都是直接倒在房前屋后,污水渗入地下,造成农村地下水水质恶化。许多农村使用手压机井直接取用不经任何处理的地下水作为生活用水,水体的健康风险进一步升高。

(4)畜禽养殖污染方面,畜禽养殖场污水的主要来源为牲畜粪尿及其淋溶液和场地的清洗废水,含有大量悬浮物和氨氮,是造成水体富营养化的重要原因之一。若排泄物长期堆放于土壤,其中含氮化合物会在微生物的作用下通过氨化、硝化、反硝化等生物化学反应过程转变为硝酸盐,大量施用可能造成土壤盐渍化、土壤孔隙堵塞、透气和透水性下降,土壤板结甚至直接危及土壤功能。畜禽饲料中60%左右的氨会转移到粪便中,畜禽粪尿在微生物作用下发生降解,向大气排放大量恶臭气体,包括NH3、H2S等。故未经处理的畜禽养殖污水易产生严重的跨介质污染。然而畜禽养殖污水排泄量大,污染物含量高,欲达到排放标准,常常需要高昂的处理费用,在一些农村地区难以实现妥善处理。

这些因素相互叠加耦合,使我国农村环境问题更加严峻,生态风险升高,亟须建立跨介质污染控制的管理思想。

二、污染控制技术中的跨介质污染转移

当前,各种环境污染控制手段大多没有从根本上控制和削减污染物,只是将其从一种形态迁移到另一种形态。仅着眼于单介质环境质量的改变不能实现整个生态系统的健康发展。多数污染物防治技术一是只关注某种形态的污染物,在治理污染的过程中缺少环境介质、部门或环节中的整体性和协同性,污染物容易发生转移;二是仍以污染物防治为主,忽视资源回收利用环节。例如,烟气脱硝技术虽然实现了含氮污染物向大气圈的达标排放,但大量氮元素通过废烟气脱硝催化剂转移、再生和利用过程,以液态和固态形式转移到废酸、废水、污泥和废渣中,若不经处理直接排入环境水体和土壤,将会造成严重的二次污染。

因此,污染控制目标需要从单一介质的污染物去除转向多介质综合环境污染控制,从整体性、系统性的角度出发,考虑污染控制技术应用全过程中发生的物质跨介质迁移转化。下文将重点介绍生活垃圾处理和生活污水处理中发生的污染物跨介质迁移转化过程。

(一)生活垃圾处理技术

人类生产生活中对碳、氮等元素的消费,会产生大量垃圾,一部分排入环境进行代谢过程,另一部分则进入城市生活垃圾处理系统,通过填埋、堆肥、焚烧和厌氧发酵等工艺进行处理处置,从而改变了元素原本的代谢途径。在垃圾分解和处理的不同阶段,会产生各种形态、多种介质的代谢产物。人为对这些物质进行后续处理,又可能通过硝化、反硝化、氧化还原等物化过程产生新的污染物。

生活垃圾处理系统作为城市生态系统中不可或缺的一部分,对碳、氮等元素迁移代谢的优化和污染控制具有重要作用。目前,国内外对生活垃圾的处理工艺包括填埋、堆肥、焚烧和厌氧发酵,这四类工艺对垃圾进行处理处置,通过有机物的分解而产生各类代谢产物,例如,垃圾填埋产生填埋气和渗滤液,垃圾焚烧产生烟气等。因此,四类垃圾处理工艺常与污染物处理技术搭配使用,例如,垃圾填埋气发电、渗滤液处理、焚烧烟气处理等。这些工艺、技术是构成城市生活垃圾处理系统的主要元素,是垃圾处理产生的含碳、含氮污染物进行跨介质迁移代谢的重要环节。

图3-15描述了生活垃圾处理系统中含碳、含氮污染物的跨介质迁移代谢过程。

图3-15 生活垃圾处理系统跨介质迁移代谢过程

(1)垃圾填埋过程。垃圾会逐年产生填埋气,此环节产生CO2、CH4、CO、NOx、NH3等污染物。同时由于降水和地下水的渗流作用,还会产生含有COD、NH+4的渗滤液。渗滤液是一种高浓度的有机废水,流动缓慢,渗漏持续时间长。如缺乏有效隔离收集装置,渗滤液中的氮素化合物和重金属会通过长时间的渗沥进入垃圾填埋场坑部和侧部土壤,然后经过土层下渗,污染地下水。在渗滤液处理环节,一部分COD、NH+4通过生化作用而被氧化成环境毒性较小的物质,另一部分COD、NH+4则进入污水处理剩余污泥中,可能发生液-固界面之间的跨介质迁移。研究表明,利用污水处理设施对渗滤液进行处理,在去除的污染物中,有50%以上随污泥又再次进入环境中。对于渗滤液处理产生的污泥,目前已有一些减量化处理技术,包括污泥干化焚烧技术、污泥填埋、水泥窑制水泥等。在污泥处理环节,污泥得到减量化,但又会产生CO2、CH4、N2O、NOx、CO、HC等气态污染物和COD、NH+4等液态污染物,继续发生固—气、固—液等界面之间的跨介质迁移。

(2)垃圾焚烧过程。垃圾通过氧化反应产生大量烟气和热量,其中的NOx、CH4、CO等气体是全球变暖或光化学臭氧生成的主要物质。为净化烟气、回收能源,通常将垃圾焚烧与余热发电、SCR(选择性催化还原法)、SNCR(选择性非催化还原法)等技术相结合,将气态污染物固定于液态吸收剂中,减少了排放到大气中的含碳、含氮污染物。然而,液态吸收剂的使用以及余热发电运作需要耗水,导致大量含COD、NH+4污水的产生,若不进行后续处理,将会造成水体富营养化。这部分污水的处理与上文垃圾填埋渗滤液处理相似,污染物在污水处理、污泥处理等环节中多次发生介质之间的迁移。

(3)垃圾堆肥过程。堆肥过程中会产生CO2、CH4、NH3、NOx等污染气体,同时也会产生含有COD、NH+4的渗滤液,发生固—气、固—液等界面之间的跨介质迁移。渗滤液处理过程中的跨介质污染迁移过程与上文填埋过程产生的渗滤液相似。

(4)垃圾厌氧消化过程。在我国厌氧发酵示范工程中,生活垃圾经过筛选、破碎、淋滤等过程后,固渣进行焚烧或填埋,沼气进行再利用,而渗滤液和淋滤液含有大量NH+4、COD,需要利用污水处理设施进行净化后才能排放。涉及的污染物跨介质迁移过程与上文类似。

随着环保标准的提高,我国城市对生活垃圾的处理要求也越来越高。然而,目前城市生活垃圾处理却存在“顾此失彼”的做法,“重水轻泥”“忽视垃圾渗滤液收集”等现象时常发生,并未系统地考虑系统内与环境之间污染物跨介质迁移问题,使得整体环境质量的改善更加困难。在城市生活垃圾处理系统中,如何通过工程技术手段,优化污染物跨介质迁移路径,实现多介质的环境污染控制,改善整体城市环境,成为目前城市生活垃圾处理研究中尤为关注的问题。

(二)污水处理技术

污水处理是关系到水环境优劣的重要影响因素。污泥作为污水的副产物也严重制约着污水处理效果和效率。同时,污泥也是一种潜在的环境二次污染源。活性污泥法实现了污染物向水体的达标排放,但大量污染物从水体转移到固体介质污泥中。污泥中含二英和多氯联苯等难降解的有机物、多种致病菌和重金属,如果不能得到妥善的处理,污染物质将会通过渗滤液进入土壤环境,扩大污染范围并造成严重影响。因此,对污泥进行合理处置是控制多介质环境污染的必要手段。

污泥干化焚烧、水泥窑掺烧等处理技术还会产生气态、液态污染物,发生固—气、固—液界面间的污染迁移。选择污泥处置技术时要统筹考虑各介质中的污染变化量,还应注意针对污泥中的污染物质组成和技术条件进行综合考虑,因地制宜,达到较好的处置效果。

三、环境管理目标与思想的转变

(一)2025“生态健康改善”管理目标

当前,在我国严峻的环境保护形势下,完善环境管理的思路,建立与经济社会发展、环境形势需求相协调的环境管理模式是十分必要的。从环境管理的目标导向来看,随着新修订的《环境空气质量标准》以及“大气十条”“水十条”的发布,我国环境管理正在由以环境污染控制为目标导向,向以环境质量改善为目标导向转变。这一转变以更严格的环境质量目标“倒逼”经济结构调整,紧紧抓住影响环境质量的关键污染因素,从而有针对性地采取控制措施,改善突出环境问题。然而,气、水、土各个环境介质是紧密联系的,污染物在介质之间会发生迁移和转化,某项污染控制措施也可能仅仅改善了单一介质中的污染状况,却给另一介质带来更加严重甚至不可逆的有害影响。为了确保整体环境获得高水平保护,把环境保护与提高人民群众生活质量和身心健康有机联系起来,建立以整体生态系统健康为目标的环境管理模式,可为我国的环境管理工作提供有益参考。据此,本书提出2025“生态健康改善”环境管理目标,即我国环境管理的目标实现由“达标排放”到“总量控制”到“环境质量改善”到“生态健康改善”的转变。这一转变表明我国对经济发展与环境保护之间的协调性有了更充分的认识,更加强调以人为本,环境管理由被动应对、先污染后治理转为主动防控、源头减排,体现了人类可持续发展的核心理念。

生态系统健康理论为环境管理提供了新的手段、技术支撑和管理方式。健康的生态系统是稳定的和可持续的,在时间和空间上能够维持其组织结构和系统内部的调节。以生态健康改善为目标的环境管理强调各个子系统间的和谐性、互促互利性,追求整个系统最佳的综合效益(包括生态效益、经济效益、社会效益和有机耦合的综合效益),追求环境资源、环境效益的可持续性等。

(二)跨介质环境管理理念

大气、水、土壤介质之间存在污染物的迁移与转化,导致环境控制目标的转移。目前的控制手段大多没有从根本上控制和削减污染物,只是将其从一种形态迁移到另一种形态。仅仅着眼于单一介质中某种污染物的削减难以实现环境保护整体质量的提高,甚至污染迁移到另一介质后对生态环境和人体健康有更大的不利影响,即发生了环境目标的“隐性”转移。为了真正实现污染全局控制,追求资源和社会经济的可持续发展,实现自然与人类的和谐,必须将环境作为一个整体来保护,实现从“单一目标、单介质控制”向“多污染物、跨介质控制”的环境管理理念变革。这也是使环境获得全局性改善,实现生态系统健康的有效途径。

(三)跨介质污染防治建议

1.完善环境污染跨介质研究

完善对不同条件下污染物跨介质传输、迁移、转化的模型和机理研究,明确元素跨介质污染迁移转化机制。元素跨介质代谢过程的模拟和优化为综合提高各介质环境质量提供了有力支持,是建立以生态健康改善为目标的环境管理模式的有效手段。

2.对污染物控制技术进行跨介质迁移转化分析,避免仅考虑其在单一介质中的去除率

研究不同技术路径对环境的影响及污染物跨介质迁移规律,进行污染综合防治技术的经济效益与跨介质影响评估。逐渐淘汰跨介质风险较高、易产生二次污染的技术,并在技术应用过程中对污染转移状况进行严格监测。针对特定的污染问题,应选择合适的优化技术组合对其进行处理,从政策、资金、技术创新、管理体系建设等多个方面出发,对涉及多介质环境污染的区域实行长周期、大范围的监测、治理,并在实际运行的过程中不断发现问题、解决问题。不仅要考虑技术原理的可行性,更要结合实际情况进行选择和改进,不可“千污一治”。

3.规范污染治理,提高污染物处理率

完善农村污染物的收集、处理处置基础设施建设,减少污水直排和固体废弃物露天堆积。农村污水处理技术的选择要量力而行,选择运行操作简便、日常维护管理简单、运行成本低廉、利用当地技术和管理力量能够满足正常运行需要的污水处理方式。加强危险废物管理,严防污泥、焚烧飞灰等危险废物未经妥善处理便流入环境。加强环境执法监督,严厉打击违法行为。

4.从源头减少污染

对于一些可能在环境中发生迁移的污染物质提前做好限制处理,减少其流入环境的量,尤其是持久性有机物和重金属类物质。对于可能发生跨介质污染的污染源应积极削弱其迁移过程,如通过在垃圾填埋场铺设防渗层或覆盖膜等方式削弱渗滤液向土壤介质的迁移过程。