透视大气汞排放——自然源与人为源

大气中汞的形态主要分为三类:气态元素汞(H　g0)、活性气态汞(H　g2＋)和颗粒态汞(H　gP)。气态元素汞是大气汞的主要存在形态，占大气中各种形态汞的95％以上，在大气中的停留时间较长，可远距离传输。活性气态汞和颗粒态汞在大气中的停留时间较短，易于通过干湿沉降去除，迁移距离相对较短。
　工业革命之前，大气汞主要来源于自然界，来源包括壳幔物质、土壤表面的释放、自然水体的释放、植物表面的蒸腾作用、火山排气作用、森林火灾和地热活动等。这些天然源向大气排放的汞主要以在大气中停留时间较长的气态元素汞为主。工业革命以来，随着人类活动的加强，人为源逐渐成为大气汞的一个主要来源，包括燃煤、垃圾焚烧、氯碱生产、金属冶炼与加工等等。人为活动不仅向大气排放气态元素汞，也排放相当数量的活性气态汞和颗粒态汞。
　　大气汞的自然来源
　　大气汞的自然来源多样，影响因素复杂，目前对于自然源汞释放总量的估算还存在较多困难，已有的地球化学循环模型对自然源的估算为1000～4000吨/年不等，偏差很大，并且主要以气态单质汞为主。
　　海洋水体向大气释放是大气汞一个重要来源，水体中其它形态的汞转化为易于挥发的气态元素汞是水体汞持续释放的途径，目前对海洋水体表面的汞释放量估算为600～1400吨/年。
　　土壤是大气汞的另一个重要来源，相对于海洋水体的释放，目前对土壤汞释放的精确估算还存在一定难度，这主要因为土壤的汞释放要取决于地表类型、地表土壤汞含量、气象条件等因素。此前的野外研究发现，土壤汞含量、光照强度、土壤温度和湿度是影响土壤汞释放最重要的几个因素，与土壤汞释放通量成正相关关系。然而，最近的研究发现，近地表的大气化学反应及土壤微生　物活动对土壤的汞释放通量也有很大影响，如近地表大气中臭氧等大气氧化物含量的升高能够明显增强地表的汞释放强度。
　　植被覆盖是影响土壤汞释放的另一个重要因素，植物冠层及落叶对土壤的覆盖能够降低到达土壤表面的光照强度，降低土壤温度，对土壤的汞释放有一定抑制作用。植物叶片和大气的汞交换是近年来提出的新的科学问题。研究指出，植被既可以从大气中吸收汞，又可以释放汞到大气中，形成一个双向的动态过程。植物叶片和大气的汞交换通量主要取决于地表土壤汞含量、大气汞浓度和植物类型。有研究指出，全球的森林和草地是大气汞的一个重要来源，每年可向大气排放超过1000吨的汞。当然，目前对植物的汞释放量下结论还为时尚早，对植物汞释放的来源以及不同类型植物存在的差异还需更多研究。
　　森林火灾和火山地热活动的发生也能向大气排放大量的汞。植物叶片可以吸收或吸附各种形态的大气汞，这些汞的绝大部分(大于90％)在植物叶片燃烧过程中能以气态汞或颗粒汞的形态释放到大气中。另外，森林火灾的发生可以使地表温度显著升高(达500摄氏度以上)，这能使此前沉降于地表的汞重新挥发进入大气。通过一些试验，研究人员认为，全球森林火灾所导致的汞释放在400～1300吨之间。火山和地热活动所释放的气体含汞量很高，在几百纳克/立方米到几十微克/立方米之间。目前对火山和地热活动的汞释放估算还比较困难，这主要是因为不同火山、不同演化阶段所释放的气体含汞量有很大差别，全球总释放量粗略估计为100吨到1000吨。
　　人为大气汞排放
　　据估算，目前每年全球人为因素向大气共排放汞近2000吨，其中燃料燃烧占40％以上，其它排放源按排放量排序为黄金冶炼、有色金属冶炼、水泥生产、垃圾处理等。从全球人为源汞排放的历史趋势来看，欧美发达国家在工业化初期向大气环境排放大量的汞，但近年来由于各类污染物控制设备(例如电除尘器和烟气脱硫设备)大规模地安装运行，而且民用和工业能源从煤炭转向油/气等更清洁的燃料，欧洲和北美洲的汞排放呈现出逐年递减的趋势。与之相反，发展中国家工业化起步较晚，近年来由于煤炭消费总量逐年增加，同时金属冶炼等汞排放量较高行业强劲发展，因此亚洲和非洲等地发展中国家的汞排放量呈现出增长的态势。
　　我国是煤炭消费大国，水泥、钢铁和金属冶炼等重工业在国民经济中占较大比重，因此我国的燃煤和工业过程汞排放已经引起国际社会的广泛关注。据初步估算，我国人为源大气汞排放约一半来自于煤炭燃烧，此外，金属冶炼、水泥生产、汞矿开采、电池/荧光灯生产、生物质燃烧、废弃物和垃圾焚烧也是重要的汞排放源。
　　在我国燃煤源中，工业燃煤是汞排放的最大来源，但从增长速度来看，电力燃煤的增长最为迅速。考虑到我国在未来很长一段时间内电力需求仍将持续增长，电厂燃煤总量也将保持增长趋势。同时，根据国家控制规划，到2010年大部分燃煤电厂都将安装烟气脱硫装置，由于烟气脱硫装置对汞有较高的协同去除效率，这也将有效地控制电厂汞排放量的增长。此外，其它控制氮氧化物和颗粒物排放的大气污染控制装置，如烟气除尘和脱硝装置，均对汞有一定的协同脱除作用。不过，从长远看，要真正控制燃煤的汞排放量，还需通过煤炭洗选、提高除尘/脱硫/脱硝装置的协同除汞效率等措施来减少汞排放。
　　必须说明的是，在现阶段，我国对许多排汞行业还缺乏权威性的统计数据。一些不在统计范围之内、但又对环境破坏严重的小冶炼作坊还在违法经营；同时，对于汞排放计算过程中的许多关键数据，如不同地区煤炭的含汞量，不同燃烧过程、冶炼过程的汞排放因子等，国内还缺乏系统的测试结果，只能暂时引用国外的测量和统计值，这均给汞排放统计增加了许多不确定因素，导致汞排放量的计算结果有可能同实际的排放有较大差异。因此，应尽快开展全面深入的调查研究和统计工作，建立详细准确的汞排放清单，这对于制定相关的汞污染控制政策、选择适用的汞污染控制技术具有十分重要的意义。
　　目前摆在人们面前的一个难题是，很难严格区分大气中的汞是来自自然源还是人为源。这主要涉及到汞的再释放问题，即通过干湿沉降进入地表的汞，经一些生物化学过程可以很快转化为易于挥发的气态单质汞，进而挥发到大气中。人为源和自然源释放到大气的汞均可以通过一些途径沉降到地表、水体、及植物叶面，这些沉降的汞又可以通过一些释放过程进入大气，从而形成一个完整的汞的生物地球化学循环。一些汞的生物地球化学模型研究指出，汞的再释放已经成为全球汞生物地球化学循环的一个重要环节，其年均释放量可达全球汞排放总量的50％。