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循天则用力寡而功立 道法自然是大气污染治理的最高原则

发布时间:2020-04-06 10:38:00   来源:徐俊伟    浏览次数:306

◎徐俊伟(中国电子工程设计院环境工程技术研究所技术总监)

近年来,我国最严格的环保监管降低了大气污染物总量,使空气质量不断改善,大气污染治理已经取得明显成效,但是距离人民的幸福感和满意程度,仍然存在差距。笔者认为,我们必须从中国传统文化里汲取智慧,重新审视人与自然的关系,将传统文化精髓结合现代科学技术,才能做到既解决大气污染问题又促进文化自信的提高。


大气生态系统,以海平面为标准来划分,生物圈向上可到达约10千米的高度,向下可深入10千米左右的深处,厚度为20千米左右的圈层,包括大气圈的底部、水圈的大部和岩石圈的表面;大气圈不仅影响了整个自然生态系统和农业生态系统,同时自身也构建了一个独特生态系统。


大气生态系统的污染从何而来


自然和人类活动排出的污染物扩散到大气中,改变了自然空气的理化性质,并直接对人体、动植物和微生物产生影响,或者间接改变气候,影响生命生长和发育。进入大气中的有害成分统称为大气污染物,其中自然污染如火山喷发、森林大火、土壤风化等产生的沙尘、二氧化硫、一氧化碳、沼气、VOC等;人为污染如工业排放、交通工具排放、农业排放、畜牧业排放、生活排放等。


道法自然的准则在工业革命以后不再被重视,尤其是近百年来人为活动排放了大量的污染物,打破了大气圈、水圈、地圈、生物圈以及人类圈之间固有的生物地球化学平衡。2013年,我国的大气污染发展到极致,发生了同时覆盖数百万平方公里地区的大范围、高强度、持续性雾霾,成为中国乃至世界大气环境变迁史上的重大污染事件,也是大自然对人类污染环境的惩罚。


污染物可分为气体状态和气溶胶状态,明显看到的是气溶胶,由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中,从粒径纳米级的超细颗粒物到小于100微米的沙尘颗粒物,都属于大气气溶胶的范畴,包括粉尘、烟、飞灰、黑烟、雾、雾霾等。


气溶胶的特点是,小到肉眼不见径直入侵五脏六腑,大到成霾至雾茫茫一片遮天盖地。


要关注大气生态系统中的污染转化


大气生态系统非常复杂,其研究需要数学、物理学、化学、地理学、大气科学、生物学、生态学、环境科学与工程、公共卫生与预防医学等十多个一级学科的知识。


分析大气生态系统的污染,必须首先研究相应的物质与能量变化:包括物质进入与能量变化、物质转化与能量变化、物质转移与能量变化、物质移出与能量变化。其次需要重点研究空气中物质的变化,具体包括:


  1. 物理变化:颗粒物碰撞团聚漂浮、水汽液化成液滴、无机盐溶解于液滴、颗粒物与液滴的碰撞。雾就是典型的物理变化。


  2. 空气化学转化:气态或气溶胶污染物发生化学反应(主要是紫外光、臭氧、OH自由基等引起的光化学反应)形成新的固态或液态颗粒物。


  3. 液滴后化学转化:在液滴大量形成后才发生化学反应而形成的气溶胶,其中影响比较大的是氨气与液滴中物质的化学反应,其产物吸收水分后很容易膨胀,直径涨到接近可见光的波段,消光作用极强。


  4. 生物转化:空气中有病毒、细菌、立克次氏体、衣原体、支原体、真菌孢子、苔藓孢子、蕨类孢子、藻和植物的细胞(含花粉)、昆虫(包括螨)及其碎片和分泌物、动植物源性蛋白、酶、抗生素和生物工程产物及各种菌类毒素等。权威研究表明,空气中含有1000多种微生物,氨类物质和硝酸盐很容易溶解成有水有肥的液滴,微生物在经过一段时间的适应期后会大量繁殖。学界公认当前我国的空气处于富氨状态,所以微生物繁殖是现阶段雾霾的主要特征之一。


  5. 气象转化:上一次雾霾或降水作为划分的时间基准,继续存留在空气中的气溶胶的多少决定了可排放的实际环境容量。


不利气象条件也受人为影响


最后,分析上述物质与能量变化带来的万物并育后果,可以看出外因通过内因形成了大气污染:主要内因是高湿度水汽、高数量的气溶胶、超量的氨气;外因是不利气象条件,一般表现为边界层下降、静风和湿度升高,静风不利于大气水平扩散,边界层下降使近地空气的污染物浓度变高和湿度升高,而湿度升高更会加速液滴后化学转化和生物转化,加速气溶胶增长的速度,同时又在空中阻挡阳光并使上层温度升高,容易形成逆温层。


以低风速和逆温为特征的不利气象条件既有自然界的原因,更有人为影响:在空气垂直对流强的情况下,水蒸气会正常上升成为雨云并最终形成降水。由于数量庞大的气溶胶起到凝结核作用,水蒸气在超细甚至纳米凝结核表面发生浸润包裹而使水汽整体比重加大,导致大量的水汽不能上升到能形成雨云的高度。


现阶段的大气污染物以气溶胶形态为主,空气干燥时视觉效果尚好,但一旦遇到不利气象条件就会发生重污染,降水可以大规模将气溶胶移出大气生态系统,从而净化空气。所以,缺少降水的地区更容易受不利气象条件影响形成重污染。这次疫情期间重污染天气的主要原因就在于此,不能简单地只看当时排了多少,更重要的是空气中的存量有多少。


要改变目前大气污染的万物并育状态,必须从物质和能量角度尽量回归或者接近大规模人为污染前的状态。


治理路径应是复杂问题简单化


“循天则用力寡而功立”,这句话出自《韩非子》,遵循自然规律办事,花少量的工夫就可以取得成功。简单地说,用合理技术消除或减少影响大气生态系统的物质和能量,大气污染问题就迎刃而解。


从现实看,我们的环保政策最严,执法人员的执行力度很强,在线监测仪器和相关监测系统已经初步完善,污染企业的重视力度也很高,最大的短板就是技术,因为目前的技术未能消除影响大气生态系统的物质和能量。这些年的大气污染治理经验教训告诉我们,没有可借鉴的国外经验,必须走新路,自主创新之路。


现在的治理措施是对每一个指标进行分析、研究、制定相应的技术措施,如最早的除尘,再上脱硫,再上脱硝,再超低排放,还有部分实施的除二恶英,酝酿过的除汞,只强调几个特定指标,缺乏整体全过程的通盘考虑。这样的治理思路往往是解决了一个指标的同时,却带来了其他意想不到的影响,有时指标越高越有可能适得其反。


从方法论角度看,大气污染和二氧化硫、氮氧化物、粉尘、PM2.5有关联,但不能划等号,更不能只用其中的某些指标完全替代,应该统筹考虑所有进入大气生态系统的物质和能量。将大气生态系统看成一个有机生命体,既然原有的平衡已经受到破坏,那我们要怎么去恢复?


笔者的愚见是,应该将复杂问题简单化,凡是影响大气污染问题的物质和能量一起考虑,以洁净排放为目标。相关的具体做法是:


  1. 源头控制:包括转变经济发展方式,优化产业结构、调整能源结构等减少污染物排放;在生产环节实施过程控制,减少污染物的产生;采用部分循环利用方式实施烟气量减排。


  2. 末端治理:指在生产过程的末端进行治理,用创新技术将烟气中的几乎所有污染物转移到水中,再从水中转变为固体。


  3. 大气修复:指利用物理、化学和生物等方法转移、吸收、降解和转化开放空间中的污染物,一般是通过设置一定面积的修复区以降低地表大气污染物浓度。


大气污染治理也是个哲学问题


污染,是对固有平衡的破坏。大气污染控制,需要重新实现人与大气生态系统的平衡,这不仅是科学问题,也是个哲学问题。道法自然不仅是一种传统文化理念,也是解决具体问题的最高原则。依照道法自然的智慧,具体做法可分为势、道、术三个层次:


势:必须转变理念,摒弃“人定胜天、改天换地、征服自然、发展经济污染不可避免”的惯性思维。


道:从大自然中感悟解决之道,一是减少排放量,相应也减少了对不利气象条件的负面影响;二是恢复空气垂直对流强度,将水蒸气变成高空的雨云,通过降水将空气中的污染物从大气生态系统移出去,恢复原来的平衡。


术:从降水的空气净化作用中寻求技术思路,采用特定技术使很短时间内即可实现较长时间自然降水的效果。


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责编:郑挺颖


网编:刘畅