煤炭燃燒對環境和健康的影響

王治國

(山西寧武大運華盛南溝煤業有限公司，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電，煤是死植物經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]，燃燒煤炭導致有毒氣體的排放，潛在的健康影響和環境問題，在煤的燃燒中，碳、硫和氮與氧反應，產生各自的氧化物：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，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，室內煤炭燃燒僅用于家庭能源目的。即使在發達國家，室內和室外的煤炭燃燒也會造成環境和健康問題。根據最近的一些研究，煤基化學處理釋放CO2是油基化學加工的2倍～4倍。在室外發電中，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，包括瘧疾、心血管疾病和哮喘。CO2排放被認為是全球約四分之三溫室氣體排放的主要原因。化石燃料約占全球二氧化碳總量的90%。由于持續CO2排放和潛在的氣候變化，全球變暖與洪水和颶風活動的總體發生率增加相關。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揮關鍵作用，直接和間接影響人類健康和環境。在細胞水平上，CO與血紅蛋白結合，降低了血紅蛋白轉化O2的效率和能力。煤炭燃燒帶來的健康和環境風險，如圖1所示。

圖1 煤炭燃燒帶來的健康和環境風險

1.2 SOx對環境和健康的影響

硫以硫化物、單質硫、有機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。在大多數發電廠中，硫磺出現是由于用于發電的燃煤。在不受控制的燃煤電廠的情況下，二氧化硫和PM排放到空氣中被發現比汽車、卡車和工廠每年的排放量增加一倍。通過從發電廠輸送到數百公里外產生硫酸(H2SO4)，是酸雨的主要成分。吸入這些SOx空氣污染物后，會破壞正常的心跳(節律)并導致心臟病發作。居住在發電廠附近的居民大量接觸二氧化硫，導致他們通常遭受窒息、氣喘、咳嗽和肺功能下降。SO2與氣溶膠、霧和煙霧結合，可能穿透肺黏膜導致一些嚴重的肺部疾病。SO2也涉及支氣管反應并導致過早死亡。SO2從煙霧中釋放到大氣中，進入肺部，與呼吸道黏膜發生反應，形成SO3黏蛋白和表面聚糖的衍生物被釋放到血液中，可導致許多疾病，包括人類的肺癌和結腸癌。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，因為酸雨導致葉片損傷，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已證實會破壞葉綠素，干擾光合作用和生產力。

1.3 NOx對環境和健康的影響

在煤燃燒過程中，NO2是另一種具有強腐蝕性和強氧化能力的主要污染物，在空氣中釋放和積累，不斷損害環境和健康。國內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被發現容易受到較低數量的二氧化氮的影響，并且在直接接觸這種污染物時出現哮喘發作。在一些研究中，NO2即使在低濃度與異常肺功能相關。此外，吸入NO會導致缺氧性呼吸衰竭，這主要與新生兒持續性肺動脈高壓(PPHN)有關。NO2提高細胞內可溶性鳥苷環化酶的酶活性，增加細胞cGMP和毒性鉛的生產。此外，在分子水平上，NO2和過氧亞硝酸鹽共同增加了DNA的結構變化，通過細胞應激，造成的自由基氧物種作為NO2在陽光下與有機污染物的反應。培養細胞暴露于NO2導致了核水平的變化(DNA鏈斷裂)，從而導致了癌癥的產生。酸雨中存在的這些酸會破壞植被和建筑，導致皮膚燒傷和皮膚癌。直接接觸有害氣體，如CO、NO2、SO2導致光合速率降低。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生的堅不可摧的化學元素。這些重金屬(鉛(Pb)、汞(Hg)、砷(As)都存在于煤中。

2.1 鉛對環境健康的影響

鉛(Pb)是一種劇毒重金屬，通過CFA在煤炭燃燒過程中釋放。鉛在環境中很少以單質態存在，而是以氧化形態存在，它貫穿于整個地殼。鉛在環境中被發現具有極強的動員性，通過在發電廠附近地區旅行污染空氣和水。在人體暴露時，它幾乎會損害所有器官和相關器官系統，特別是腎臟、心臟、中樞神經系統和人體的血液循環。因此，在低水平上，血紅素的合成和其他一些化學過程受到影響，神經行為功能被嚴重削弱，行車、采礦和煤炭燃燒是鉛的主要來源。

2.2 汞對環境健康的影響

汞(Hg)是我們環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，可通過大氣環流在全球范圍內運輸。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的單質形式是高度不穩定的，可以通過均相或多相反應快速生成穩定的化合物。海產品將甲基汞轉移給人類和哺乳動物，在孕婦的胎兒中積累，并作為一種神經毒素對大腦功能造成不良影響。研究發現，母乳喂養的嬰兒中甲基汞和無機汞的遷移量高于胎兒。在發電過程中，燃煤是汞排放的主要來源。從1850年～2008年，全球累計汞排放量(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、肝臟和腎臟在內的各種器官產生有害影響。此外，神經毒素影響中樞神經系統(CNS)并調節神經系統疾病的新生兒和青少年。在青少年發育的早期階段，甲基汞引起一些關鍵的過程，包括神經元遷移和細胞分裂，造成不可逆轉的腦損傷。在甲基汞神經毒性中，主要的關鍵事件是氧化應激和抗氧化保護的中斷。甲基汞機制的結果與親核基團有關，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以不同的氧化態存在，As可以參與多種化學反應，產生不同的產物。因此，As對健康的影響很大程度上取決于其化學形式。煤炭燃燒和冶煉是砷的兩個主要來源。煤中痕量金屬主要取決于煤的等級和品位。而世界范圍內，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以揮發性和顆粒形式更集中。

3 結論

隨著燃煤發電的迅速增加，COx的排放也隨之增加，COx、SOx、NOx和一些重金屬污染物已經引起了廣泛的健康問題。由于煤炭加工，COx是導致全球變暖和一些危險疾病的主要因素，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、動物和建筑物有毒，如酸雨，還會引起一系列疾病，包括心跳不穩定、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)是能源生產燃煤電廠產生的另一種主要污染物。此外，細胞應激導致人類DNA水平變化，并表現出許多分子異常和潛在的細胞威脅。總的來說，COx、SOx、NOx不僅對健康產生直接影響，而且還由于酸雨破壞了全球糧食網。除此之外CO、SOx、NOx正在大規模地破壞環境和人類健康。重金屬殘留在燃煤發電廠生產也造成嚴重的疾病，如皮膚和肺癌、心血管疾病、腹痛、基因突變、白血病和昏迷導致死亡。進一步的研究將有助于資料的嚴重性累積這些污染物對人類健康和環境的影響(圖2)。此外，HNO2的結合，HNO3和H2SO4酸雨淋出的金屬通過水污染在食物中積累。人類和動物暴露在酸雨中，最終可能通過硫酸鹽和水合作用導致皮膚燒傷和癌癥反應。通過HNO2使皮膚細胞酸化，HNO3和H2SO4可能通過吸收皮膚細胞的水分而產生水合熱，從而產生各種皮膚病，并可能導致皮膚癌。