煤炭燃燒對環(huán)境和健康的影響

王治國

(山西寧武大運(yùn)華盛南溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700)

引 言

煤是目前地球上最大的能源，在不同的國家廣泛用于發(fā)電，煤是死植物經(jīng)過多年的煤化過程而形成的[1-2]。碳、硫、氧、氫、少量氮和微量重金屬是煤的主要成分[3]，燃燒煤炭導(dǎo)致有毒氣體的排放，潛在的健康影響和環(huán)境問題，在煤的燃燒中，碳、硫和氮與氧反應(yīng)，產(chǎn)生各自的氧化物：二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)和三氧化二硫(SO3)和二氧化氮(NO2)和一氧化氮(NO)。這些氣體的排放直接或間接地與許多健康問題有關(guān)，包括皮膚、心血管、大腦、血液和肺部疾病，以及各種癌癥[4-5]。

1 空氣污染

1.1 煤的燃燒和COx對環(huán)境和健康的影響

煤炭是全球重要的能源來源，全球約41%的電力來自室外燃煤。然而，室內(nèi)煤炭燃燒僅用于家庭能源目的。即使在發(fā)達(dá)國家，室內(nèi)和室外的煤炭燃燒也會(huì)造成環(huán)境和健康問題。根據(jù)最近的一些研究，煤基化學(xué)處理釋放CO2是油基化學(xué)加工的2倍～4倍。在室外發(fā)電中，煤的可能受熱量主要取決于C、O2、H2以及部分SO2.然而，在不同的煤階中，這些成分的比例是不同的。不同等級的煤有著不同的含碳量：褐煤含碳量超過60%，無煙煤含碳量增加到80%。

在煤燃燒過程中，CO2、CO氣體主要是由于氧化而排放的，它們以全球變暖和溫室氣體的形式對環(huán)境造成有害影響。此外，這些氣體還直接和間接地與許多健康問題有關(guān)，包括瘧疾、心血管疾病和哮喘。CO2排放被認(rèn)為是全球約四分之三溫室氣體排放的主要原因?；剂霞s占全球二氧化碳總量的90%。由于持續(xù)CO2排放和潛在的氣候變化，全球變暖與洪水和颶風(fēng)活動(dòng)的總體發(fā)生率增加相關(guān)。因此，CO2的排放是煤炭造成空氣污染，并在全球變暖和溫室氣體中發(fā)揮關(guān)鍵作用，直接和間接影響人類健康和環(huán)境。在細(xì)胞水平上，CO與血紅蛋白結(jié)合，降低了血紅蛋白轉(zhuǎn)化O2的效率和能力。煤炭燃燒帶來的健康和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，如圖1所示。

圖1 煤炭燃燒帶來的健康和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

1.2 SOx對環(huán)境和健康的影響

硫以硫化物、單質(zhì)硫、有機(jī)硫和硫酸鹽的形式存在于煤中。在煤炭燃燒過程中，煤中的硫被釋放到大氣中，造成空氣、水和土地污染。在大多數(shù)發(fā)電廠中，硫磺出現(xiàn)是由于用于發(fā)電的燃煤。在不受控制的燃煤電廠的情況下，二氧化硫和PM排放到空氣中被發(fā)現(xiàn)比汽車、卡車和工廠每年的排放量增加一倍。通過從發(fā)電廠輸送到數(shù)百公里外產(chǎn)生硫酸(H2SO4)，是酸雨的主要成分。吸入這些SOx空氣污染物后，會(huì)破壞正常的心跳(節(jié)律)并導(dǎo)致心臟病發(fā)作。居住在發(fā)電廠附近的居民大量接觸二氧化硫，導(dǎo)致他們通常遭受窒息、氣喘、咳嗽和肺功能下降。SO2與氣溶膠、霧和煙霧結(jié)合，可能穿透肺黏膜導(dǎo)致一些嚴(yán)重的肺部疾病。SO2也涉及支氣管反應(yīng)并導(dǎo)致過早死亡。SO2從煙霧中釋放到大氣中，進(jìn)入肺部，與呼吸道黏膜發(fā)生反應(yīng)，形成SO3黏蛋白和表面聚糖的衍生物被釋放到血液中，可導(dǎo)致許多疾病，包括人類的肺癌和結(jié)腸癌。此外，硫酸糖表位有助于許多微生物病理，包括支氣管炎和囊性纖維化。SO2氣體也影響附近的植物和作物，因?yàn)樗嵊陮?dǎo)致葉片損傷，影響植物生長，減少植物物種的多樣性。它是一種強(qiáng)烈的植物毒性氣體，可引起植物急性葉面癥狀損傷。在最近的研究中，SO2已證實(shí)會(huì)破壞葉綠素，干擾光合作用和生產(chǎn)力。

1.3 NOx對環(huán)境和健康的影響

在煤燃燒過程中，NO2是另一種具有強(qiáng)腐蝕性和強(qiáng)氧化能力的主要污染物，在空氣中釋放和積累，不斷損害環(huán)境和健康。國內(nèi)煤炭的使用也增加了NO2的水平暴露。一氧化氮(NO)和其他一些氮氧化物也參與了次生酸性顆粒的形成。然而，NO2被發(fā)現(xiàn)容易受到較低數(shù)量的二氧化氮的影響，并且在直接接觸這種污染物時(shí)出現(xiàn)哮喘發(fā)作。在一些研究中，NO2即使在低濃度與異常肺功能相關(guān)。此外，吸入NO會(huì)導(dǎo)致缺氧性呼吸衰竭，這主要與新生兒持續(xù)性肺動(dòng)脈高壓(PPHN)有關(guān)。NO2提高細(xì)胞內(nèi)可溶性鳥苷環(huán)化酶的酶活性，增加細(xì)胞cGMP和毒性鉛的生產(chǎn)。此外，在分子水平上，NO2和過氧亞硝酸鹽共同增加了DNA的結(jié)構(gòu)變化，通過細(xì)胞應(yīng)激，造成的自由基氧物種作為NO2在陽光下與有機(jī)污染物的反應(yīng)。培養(yǎng)細(xì)胞暴露于NO2導(dǎo)致了核水平的變化(DNA鏈斷裂)，從而導(dǎo)致了癌癥的產(chǎn)生。酸雨中存在的這些酸會(huì)破壞植被和建筑，導(dǎo)致皮膚燒傷和皮膚癌。直接接觸有害氣體，如CO、NO2、SO2導(dǎo)致光合速率降低。因此，氮氧化物的排放(NO2，NO3)，造成許多健康和環(huán)境問題。燃煤排放污染物累積暴露影響的廣義模型，如圖2所示。

圖2 燃煤排放污染物累積暴露影響的廣義模型

2 煤加工和燃燒后廢棄物中的重金屬

重金屬是礦物燃料燃燒過程中產(chǎn)生的堅(jiān)不可摧的化學(xué)元素。這些重金屬(鉛(Pb)、汞(Hg)、砷(As)都存在于煤中。

2.1 鉛對環(huán)境健康的影響

鉛(Pb)是一種劇毒重金屬，通過CFA在煤炭燃燒過程中釋放。鉛在環(huán)境中很少以單質(zhì)態(tài)存在，而是以氧化形態(tài)存在，它貫穿于整個(gè)地殼。鉛在環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)具有極強(qiáng)的動(dòng)員性，通過在發(fā)電廠附近地區(qū)旅行污染空氣和水。在人體暴露時(shí)，它幾乎會(huì)損害所有器官和相關(guān)器官系統(tǒng)，特別是腎臟、心臟、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和人體的血液循環(huán)。因此，在低水平上，血紅素的合成和其他一些化學(xué)過程受到影響，神經(jīng)行為功能被嚴(yán)重削弱，行車、采礦和煤炭燃燒是鉛的主要來源。

2.2 汞對環(huán)境健康的影響

汞(Hg)是我們環(huán)境中存在的另一種有毒元素。煤和其他人為來源向大氣中排放的汞，在氧化和沉積之前，可通過大氣環(huán)流在全球范圍內(nèi)運(yùn)輸。在煤燃燒過程中，汞主要以三種形式存在：氧化汞，粒子束縛的Hg和元素形式的HgO。Hg的單質(zhì)形式是高度不穩(wěn)定的，可以通過均相或多相反應(yīng)快速生成穩(wěn)定的化合物。海產(chǎn)品將甲基汞轉(zhuǎn)移給人類和哺乳動(dòng)物，在孕婦的胎兒中積累，并作為一種神經(jīng)毒素對大腦功能造成不良影響。研究發(fā)現(xiàn)，母乳喂養(yǎng)的嬰兒中甲基汞和無機(jī)汞的遷移量高于胎兒。在發(fā)電過程中，燃煤是汞排放的主要來源。從1850年～2008年，全球累計(jì)汞排放量(21 500 t)中約有四分之一以上是由煤炭造成的。此外，甲基汞通過食物鏈生物積累，并對包括心臟組織、肝臟和腎臟在內(nèi)的各種器官產(chǎn)生有害影響。此外，神經(jīng)毒素影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)并調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的新生兒和青少年。在青少年發(fā)育的早期階段，甲基汞引起一些關(guān)鍵的過程，包括神經(jīng)元遷移和細(xì)胞分裂，造成不可逆轉(zhuǎn)的腦損傷。在甲基汞神經(jīng)毒性中，主要的關(guān)鍵事件是氧化應(yīng)激和抗氧化保護(hù)的中斷。甲基汞機(jī)制的結(jié)果與親核基團(tuán)有關(guān)，特別是在許多抗氧化劑分子中存在巰基和硒羥基。

2.3 砷對環(huán)境健康的影響

砷(As)是粉煤灰中存在的第三大有毒重金屬。由于As以不同的氧化態(tài)存在，As可以參與多種化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不同的產(chǎn)物。因此，As對健康的影響很大程度上取決于其化學(xué)形式。煤炭燃燒和冶煉是砷的兩個(gè)主要來源。煤中痕量金屬主要取決于煤的等級和品位。而世界范圍內(nèi)，低階煤，如煙煤和褐煤的平均As含量分別為9.0 mg/kg和7.4 mg/kg，其他煤的最大As含量分別為50 mg/kg和49 mg/kg。在煤的燃燒過程中，As以揮發(fā)性和顆粒形式更集中。

3 結(jié)論

隨著燃煤發(fā)電的迅速增加，COx的排放也隨之增加，COx、SOx、NOx和一些重金屬污染物已經(jīng)引起了廣泛的健康問題。由于煤炭加工，COx是導(dǎo)致全球變暖和一些危險(xiǎn)疾病的主要因素，包括瘧疾、慢性阻塞性肺病(COPD)和肺癌。二氧化硫的非受控排放不僅對植物、動(dòng)物和建筑物有毒，如酸雨，還會(huì)引起一系列疾病，包括心跳不穩(wěn)定、皮膚癌、哮喘和咳嗽、頭痛、喉嚨和鼻子刺激。NOx新生兒缺氧呼吸衰竭(PPHN)是能源生產(chǎn)燃煤電廠產(chǎn)生的另一種主要污染物。此外，細(xì)胞應(yīng)激導(dǎo)致人類DNA水平變化，并表現(xiàn)出許多分子異常和潛在的細(xì)胞威脅。總的來說，COx、SOx、NOx不僅對健康產(chǎn)生直接影響，而且還由于酸雨破壞了全球糧食網(wǎng)。除此之外CO、SOx、NOx正在大規(guī)模地破壞環(huán)境和人類健康。重金屬殘留在燃煤發(fā)電廠生產(chǎn)也造成嚴(yán)重的疾病，如皮膚和肺癌、心血管疾病、腹痛、基因突變、白血病和昏迷導(dǎo)致死亡。進(jìn)一步的研究將有助于資料的嚴(yán)重性累積這些污染物對人類健康和環(huán)境的影響(圖2)。此外，HNO2的結(jié)合，HNO3和H2SO4酸雨淋出的金屬通過水污染在食物中積累。人類和動(dòng)物暴露在酸雨中，最終可能通過硫酸鹽和水合作用導(dǎo)致皮膚燒傷和癌癥反應(yīng)。通過HNO2使皮膚細(xì)胞酸化，HNO3和H2SO4可能通過吸收皮膚細(xì)胞的水分而產(chǎn)生水合熱，從而產(chǎn)生各種皮膚病，并可能導(dǎo)致皮膚癌。