第三节　能源消耗与环境保护

能源用做动力时，必须把化学能转化为机械能。使用汽油、柴油、航空煤油时，这些碳氢化合物燃烧时生成水和二氧化碳，后者是最重要的温室气体。燃料中所含微量杂质会以硫的氧化物和氮的氧化物形式排出，造成酸雨。痕量排出的重金属则属于永久性污染源。能源用做化工原料时，生产过程中排出的三废（废气、废液、废渣）都属于重要的环境污染源。

随着工业的发展、城市化程度的提高、人口的高度密集，出现了土地过度开垦、耕地过度利用、草原过度放牧、森林滥伐、海洋滥捕现象，造成了水土流失、地力衰退、土地荒漠、河流干枯、森林减少、渔业资源和海水资源萎缩、某些物种被消减的不争事实。水资源缺乏、水资源污染、工业污染、大气污染、生活垃圾污染、土壤污染、噪声污染等诸多污染造成的生态环境的破坏不仅损害了生物界也危害到了人类自身。正是因此，在利用能源造福人类的同时，必须注重生态环境保护，消除环境污染给人类造成的危害。只有治理与保护环境、人类与自然才能协调、经济社会才能可持续发展。

（1）健康、长寿的饮用水。水（H2O）是地球表面上最多的分子，占据了地面70%～75%。在人体中，水占60%；在人体的大脑中，水占70%。

饮用水是指可以不经处理、直接供给人体饮用的水。饮用水包括干净的天然泉水、井水、河水和湖水，也包括经过处理的矿泉水、纯净水等。加工过的饮用水有瓶装水、桶装水、管道直饮水等形式。市面上随处可见的弱碱性水、小分子水、活性水、富氧水、电解水、离子水都是商家臆造的或故作玄虚的伪科学概念。现以“小分子水”为例予以说明。水分子是由两个氢原子一个氧原子构成的。每个氢原子和氧原子之间通过分享一对电子形成共价键。水分子的三个原子形成104.5°角。使水分子成为一种有正极与负极的偶极子，就像小磁铁一样。水分子间除范德华力外，还因缔合作用由氢键结合为水分子团，普通水都是10个以上水分子结合在一起。5～8个水分子结合在一起形成的水分子团叫做小分子团水。小分子团水可直接通过人体细胞膜上的水离子通道进入细胞，吸收渗透力强。研究发现水分子团越大活性越小，水分子团越小活性越大。有不少报道认为常饮小分子团水有益于身体健康。其实，水分子团的宏观结构是一种动态结合，即不断有水分子加入某水分子团，又不断有水分子离开该水分子团。水分子团的大小与水的温度、离子浓度、pH值、外界施加的能量，如电场、磁场、声波、射线、红外线、压力等等有关。当前有一种说法认为是水分子因为磁场能而解离为小分子团水，但科学界支持这一观点的并不多，因为磁场能远小于氢键的键能，不足以将液态水维持在高势能的小分子水状态。小分子团水对人体保健的影响也缺乏令人信服的临床医学报告和科学鉴定。早在2005年，卫生部就发出《国家卫生部第10号公告》，称“涉水产品不得宣称任何保健功能”，2009年实施的《饮用天然矿泉水》新国标也显示，除非经国家有关部门审批认可，否则标签上不得声称有医疗作用等。

顺便指出，2014年3月17日，环保部发布的研究结果显示我国有1.1亿居民住宅周边1公里范围内有石化、炼焦、火力发电等重点关注的排污企业，2.8亿居民使用不安全饮用水，所以应加速实现生活用能清洁化和优质化，加快饮用水安全改造。

化学需氧量COD（chemical oxygen demand）是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。它是废水、废水处理厂出水和受污染的水中，能被强氧化剂氧化的物质（一般为有机物）的氧当量。它是一个重要的、能较快测定的有机物污染参数，常以符号COD表示。其测定方法有重铬酸盐法，高锰酸钾法，分光光度法，快速消解法，快速消解分光光度法。

CODcr是采用重铬酸钾（K2Cr2O7）作为氧化剂测定出的化学耗氧量，即重铬酸盐指数。CODcr法测出的COD值，会因部分因素的影响导致CODcr≠COD，理论上COD>CODcr，实际应用中则用CODcr表示COD。CODcr的测定方法如下：向水样中加入过量的重铬酸钾溶液和硫酸，加热并用硫酸银作催化剂促使氧化反应完善，过剩的重铬酸钾以亚铁灵为指示剂，用硫酸亚铁标准液回滴，然后将重铬酸钾消耗量折算为以每升水耗氧的毫克数表示。此法氧化程度高，可用于分析污染严重的工业废水，用以说明废水受有机物污染的情况。

（2）清洁空气与雾霾。空气属于混合物，它主要由 氮气、氧气、稀有气体、二氧化碳组合而成。其中氮气的体积分数约为78%，氧气的体积分数约为21%。一般说来，空气的成分是比较固定的。这对于人类和其他动植物的生存是非常重要的。但随着现代化工业的发展，排放到空气中的有害气体和烟尘，改变了空气的成分，造成了对空气的污染。被污染了的空气会严重地损害人体的健康，影响作物的生长，造成对自然资源以及建筑物等的破坏。

排放到空气里的有害物质，可以分为以下几类：粉尘类（如炭粒等），金属尘类（如铁、铝等），湿雾类（如油雾、酸雾等），有害气体类（如一氧化碳、硫化氢、氮的氧化物等）。从世界范围来看，排放量较多、危害较大的有害气体是二氧化硫和一氧化碳。二氧化硫是煤、石油在燃烧中产生的。一氧化碳主要是汽车开动时排出的。从全球估计，一氧化碳的排出量超过二氧化硫的排出量。

2012年2月新修订的《环境空气质量标准》增加了PM2.5监测指标。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

PM2.5的化学成分主要包括有机碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠盐（Na+）等。来源分自然源和人为源两种，但危害较大的是后者。自然源包括土壤扬尘（含有氧化物矿物和其他成分）海盐（颗粒物的第二大来源，其组成与海水的成分类似）、植物花粉、孢子、细菌等。自然界中的灾害事件，如火山爆发、森林大火及沙尘暴事件都会将大量细颗粒物输送到大气层中。人为源包括固定源和流动源。固定源包括各种燃料燃烧源，如发电、冶金、石油、化学、纺织印染等各种工业过程、供热、烹调过程中燃煤与燃气或燃油排放的烟尘。流动源主要是各类交通工具在运行过程中使用燃料时向大气中排放的尾气。

PM2.5气体污染物往往是人类对化石燃料（煤、石油等）和垃圾的燃烧造成的。在发展中国家，煤炭燃烧是家庭取暖和能源供应的主要方式。没有先进废气处理装置的柴油汽车也是颗粒物的来源。在室内，二手烟是颗粒物最主要的来源。除自然源和人为源之外，大气中的气态污染物还会通过化学反应生成二次颗粒物。研究表明，颗粒越小对人体健康的危害越大。因为直径越小，进入呼吸道的部位越深。PM2.5进入人体到肺泡后，直接影响肺的通气功能，使机体容易处在缺氧状态。

1952年12月5日的毒雾事件是伦敦历史上最惨痛的时刻之一，那场毒雾造成至少4000人死亡，使无数伦敦市民呼吸困难，交通瘫痪多日，数百万人受影响。2013年10月17日，世界卫生组织下属国际癌症研究机构发布报告，首次指认大气污染对人类致癌，并视其为普遍和主要的环境致癌物。对颗粒的长期暴露可引发心血管病和呼吸道疾病以及肺癌。当空气中PM2.5的浓度长期高于10μg/m3，就会带来死亡风险的上升。此外，PM2.5极易吸附多环芳烃等有机污染物和重金属，使致癌、致畸、致突变的概率明显升高。

目前防范PM2.5的方法有：过滤法，包括空调、加湿器、空气清新器等，优点是明显降低PM2.5的浓度，缺点是滤膜需要清洗或更换；水吸附法，超声雾化器、室内水帘、水池、鱼缸等，能够吸收空气中的亲水性PM2.5，缺点是增加湿度，憎水性PM2.5不能有效去除；植物吸收法，植物叶片具有较大的表面积，能够吸收有害气体和吸附PM2.5，优点是能产生有利气体，缺点是吸收效率低，有些植物还会产生有害气体。

生活应对措施包括：雾霾天气少开窗，最好不出门或晨练；外出戴专业防尘口罩；多喝能“清肺除尘”茶饮；少量补充维生素D；饮食清淡、多喝蜂蜜水；尽量减少吸烟甚至不吸烟；深层清洁人体表面的皮肤。由于建筑施工、汽车尾气、工业燃料燃烧、燃放烟花爆烛等原因造成悬浮颗粒物多，自我保护的首要措施就是深层清洁肌肤表层，清洁毛孔。

（3）城市垃圾处理。垃圾是人类日常生活和生产中产生的固体废弃物，由于排出量大，成分复杂多样，且具有污染性、资源性和社会性，所以需要进行无害化、资源化、减量化和社会化处理，如不能妥善处理，就会污染环境，影响环境卫生，浪费资源，破坏生产生活安全，破坏社会和谐。

目前世界解决城市垃圾问题的方法可分为两类：一类是消极方法，包括堆放、掩埋、场地积存；另一类则是积极方法，主要对城市垃圾进行热处理，使其产生化学结构变化，生产燃气、汽油和柴油等化学品。

世界经验证明，在20世纪80年代前，在发达国家，处理固体生活废料，靠建设垃圾燃烧厂解决。但到90年代，在西欧和美国出现了逐渐减少修建这种工厂的趋势。因为它们一般都存在经济上不合理、处理废料效果不好的弊端。例如日本在采纳欧盟的二英排放标准（0.1ng/m3）后，至今已关闭了1900个小型垃圾燃烧厂中的900个。

目前，发达国家城市垃圾处理多采用高温空气燃烧技术HTAC（highly temperature air combustion）或HPAC（highly preheated air combustion）技术，亦称为无焰燃烧技术（flameless combustion）。其基本思想是让燃料在高温低氧浓度（体积）气氛中燃烧。它包含两项基本技术措施：一项是采用温度效率高达95%，热回收率达80%以上的蓄热式换热装置，极大限度回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气，获得温度为800～1000℃，甚至更高的高温助燃空气；另一项是采取燃料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓度为15%～3%（体积）的低氧气氛。燃料在这种高温低氧气氛中，首先进行诸如裂解等重组过程，造成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，在与贫氧气体作延缓状燃烧下释出热能，不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。这种燃烧是一种动态反应，不具有静态火焰。它具有高效节能和超低NO X排放等多种优点，又被称为环境协调型燃烧技术。高温空气燃烧技术自问世起，立刻受到了日本、美国、瑞典、荷兰、英国、德国、意大利等发达国家的高度重视，其在加热工业中的应用得到迅速推广，取得了举世瞩目的节能环保效益。

焚烧是世界各国曾经广泛采用的城市垃圾处理技术，目前，主要致力于改进原有的各种焚烧装置及开发新型焚烧炉，使之朝着高效、节能、低造价、低污染的方向发展，自动化程度也越来越高。中国垃圾处理行业虽起步较晚，但通过这些年的发展，垃圾处理产业已初具规模。《全国城镇生活垃圾无害化处理规划》《进一步加强城市生活垃圾处理的意见》《垃圾分类制度的实施方案》等文件，都明确提出到“十三五”末期，全国所有城市的垃圾焚烧比重要达到50%以上。

利用垃圾生产木炭、焦油和煤气，是将垃圾中的可燃物（含污泥）和非可燃物利用液选分离，其中对可燃物进行干馏可得到木炭、焦油和煤气。不可燃物可分离出玻璃、煤灰、砖、石头和废旧电池等，再分别加以利用。例如云维集团就有干馏、煤气化、煤分离装置。若每天处理4000t垃圾，可年产甲醇350t，煤气140万立方米，发电280万度。

不过，垃圾焚烧过程中产生的垃圾渗滤液是一种高浓度有机废水。它具有COD浓度高、氨氮浓度高、含盐量高等特点，会产生强烈恶臭味，且水体颜色发褐黑、黏稠。必须加以处理。洁绿公司以“厌氧技术”为核心的“低能耗垃圾渗滤液处理系统集成技术及装备”，就是一种效率高、调试时间短、产气量较大、气的甲烷含量较高的成套技术。不言而喻，厌氧技术的应用对实现餐厨、厨余垃圾的减量化意义重大。餐厨垃圾是居民日常生活以外的食品加工、饮食服务、单位餐饮等活动中产生的食物残渣和废料；厨余垃圾也是生活垃圾的重要组成部分，包括厨房食品加工过程中产生的废料和餐桌上吃剩的食品。其含水率高、易腐烂发臭。生活垃圾中餐厨、厨余及其他含可降解有机物的活性垃圾组分占比值最大可达40%～60%，若能分类收集后对其进行厌氧处理则是最佳选择。洁绿公司把生物工程技术、微生物工程技术和微生态技术应用于餐厨、厨余垃圾的“厌氧处理”，厌氧消化后产生的沼气是清洁能源；有机物转化成甲烷的过程中实现了“无害化、减量化及资源化”。其城市生活垃圾厌氧处理集成技术能够实现厨余垃圾80%以上的减量化。残渣再经焚烧可实现总量95%以上的减量化，最终的填埋量是垃圾处理量的5%左右。如国内洁绿公司设计以厌氧消化工艺为主的整体解决方案处理畜类养殖区粪污，产生的沼气可实现处理站内能源的自给自足，多余的能源可供养殖区综合利用。固体沼渣通过干燥后可生产优质有机肥料，最终实现畜禽粪污减量化、资源化、无害化、稳定化和生态化。洁绿公司始终专注于“厌氧”自主核心科技研发，并成功应用到垃圾渗滤液、厨余（餐厨）垃圾、市政污泥、畜禽粪污、病死畜禽五个细分领域。

当然，国外在城市垃圾处理方面的经验和技术同样值得我们学习和借鉴。