汞管理

中国汞污染现状及应对方案

2017-09-30 11:10:38 东方早报 作者:冯新斌

汞污染为何引起全球性高度关注

与汞相比,其他重金属元素如镉、砷、铅、砷等污染问题同样不容忽视。但为何唯独汞污染问题会引起国际社会如此强烈的关注?这一问题除了与汞具有极强的生物毒性有关以外,还与其独特的“生物蓄积性”、“持久性”及“全球迁移性”等一系列环境化学行为及迁移特征有关。

汞暴露对健康的危害

汞是一种剧毒非必需元素,广泛存在于各类环境介质和食物链(尤其是鱼类)中,其踪迹遍布全球各个角落。所有的汞化合物对人类和动物都具有极强的毒性,其中以有机汞化合物(尤其是甲基汞和二甲基汞)的毒性为最。汞暴露对人体产生的危害程度取决于汞的暴露形式、暴露程度和暴露时间。

人体暴露于甲基汞的最主要途径是食用含有甲基汞的鱼。大部分人食用鱼类并不会引起健康问题,对甲基汞暴露最为敏感的人群主要是孕妇和婴幼儿。研究表明,甲基汞容易穿过血脑屏障,对中枢神经系统造成不可逆的损伤。虽然胎盘屏障可以阻止许多有毒元素,但甲基汞是一个例外,它可以通过胎盘屏障进入胎儿体内,在胎儿大脑和其他组织中蓄积到超过母体的浓度。此外,甲基汞还可以通过乳汁被传输到婴儿体内。由于婴幼儿的神经系统处在发育阶段,因此极容易受到甲基汞的损害,导致学习和处理信息能力的下降。此外,成年人暴露于甲基汞可能会导致遗传性毒性和免疫性毒性后果,并对生殖、肾、心血管和血液系统等产生不利影响。上世纪60年代举世震惊的日本“水俣病”导致了大量畸形婴儿的出生,就是因孕期妇女长期食用含有高含量甲基汞的鱼所造成的,这也是即将正式颁布的《水俣汞公约》命名的深刻寓意所在,旨在提醒人们牢记 “水俣病”公害事件造成的惨痛经验和历史教训。

虽然人体暴露于甲基汞的最主要途径是食用含有甲基汞的鱼或其他食物,但人们还可能暴露于工作场所或家庭危险浓度的汞蒸气。元素汞一旦暴露于空气就会蒸发并被人体吸入。很少量的元素汞(甚至一小滴)都可以使室内空气汞浓度提高到有害水平。人们呼吸受污染的空气时间越长,人体健康受到危害的可能性越大。高度暴露于汞蒸气中会引起严重的肺部、肠胃和神经系统损害。不过通过这种途径暴露于汞危害的人数一般非常少。

汞的长距离迁移、持久性及生物蓄积性

汞被公认为是通过大气进行跨国境传输的全球性有毒污染物。由于特殊的物理化学性质,汞是唯一主要以气态形式赋存于大气中的金属元素。零价态的汞具有较高的蒸气压 (0.18Pa),很容易通过挥发、扩散进入大气。由于汞具有较弱的水溶性和稳定的化学性质,很难进入水相(编注:指的是相似相溶原理,易溶于水的属于水相)或转化成其他易水溶的形态,因此,一旦进入大气,零价态汞就能长时间 (0.5-2年)居留在大气中,完成数万公里的长距离迁移,然后通过各种化学反应转为二价态的汞,并最终通过干湿沉降进入地表生态系统。汞的这一特殊性质导致其可以被传输到距排放源非常遥远的区域,甚至能迁移到远离任何排放源的北极地区发生沉降。

在一定的环境条件下,无机形态的汞可以被微生物活动或非生物作用转化为毒性更强的甲基汞。尽管在水环境中甲基汞含量很低,但在水生食物链中甲基汞容易被生物浓缩放大,其生物蓄积倍数可高达成千上万倍,从而达到对水生生物及人体极具危害性的含量。以上应该就是汞为什么被公认为全球性污染物并受到各国政府高度关注的重要原因。

历史和辩证地看待中国和全球的汞排放

汞的开采、使用及排放是一个历史的累积过程,目前全球环境中分布的汞有很大一部分来自历史因素。因此,在谈及各个国家和地区对全球汞排放贡献率的问题时,理应用历史的眼光辩证地区别对待。遗憾的是,目前大部分国外(包括我们国内部分)媒体的报道总是简单片面地冠以“中国汞的生产、使用和排放量全球第一”或“中国是世界上汞的生产、使用和排放大国”等等,却很少强调西方发达国家才是历史上对全球汞排放扮演主要角色的这一重要却极容易被忽略的信息,从而可能对公众产生误导,并对中国的环境外交造成不利的国际舆论。

西方等发达国家是全球汞排放的主要贡献者

和工业革命前相比,工业革命后人为活动汞释放强度的不断增加已经导致大气汞浓度显著升高。目前全球大气汞的含量水平较工业革命前平均增加了约3倍左右。需要指出的是,正是经历了工业革命的西方发达国家和地区才是这一变化的直接贡献者。据估算,西方国家和地区在过去的前100多年中累积的排汞量就高达20多万吨,而中国则几乎为零。在上世纪80年代,美国等西方发达国家随着环境意识的觉醒普遍开始采取措施减少汞的排放。在此背景下,尽管中国已经在限制汞使用和排放方面做出了巨大努力,但由于煤电和有色金属冶炼等工业活动对汞需求量的持续增长,在发达国家排放量下降的背景下,中国近几年的人为排汞量在全球排放中的比重持续增大,每年达到600吨左右,被认为是全球第一。然而,这一数值和和西方的20多万吨相比仍然存在很大差距。

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降低环境中汞含量是一项长期艰巨的任务

全球环境中的汞主要有三个来源:包括火山运动和岩石风化等因素的自然释放、在工业生产中的人为排放以及之前沉积下来的历史人为汞排放的再释放。近些年来,人们对全球人为源的汞排放清单进行了大量的研究,目前普遍认为,全球人为源每年约向大气排放2100吨汞。自然源汞释放的精确估算还存在一定难度,普遍接受的一个释放量范围是1000-4000吨。一些模型的估算指出,大气汞的再释放每年可向大气排放约2000吨的汞,约占沉降总量的50%左右。在上述三种因素中,人为排放仅占据1/3的份额。因此,即使最大限度地降低人为活动排放,短期之内要想显著地降低环境中汞的含量仍然不容乐观。

发达国家应为中国及其他发展中国家无偿提供技术和资金援助

国际汞公约的谈判和签署,除了环保的因素,更关系到中国政治经济的发展。由于汞的长距离迁移性,需要清醒地认识到实现“降低和恢复全球环境中的汞含量水平,让人类远离汞污染危害”这一目标注定是一项长期而艰巨的任务。由于中国在汞污染减排技术方面的研究才刚刚起步,而西方发达国家在相关领域已经积累了一二十年的发展经验,因此我们应该最大限度地争取让西方发达国家主动承担起他们的历史责任,对包括中国在内的发展中国家和地区的汞减排技术提供免费的技术和资金援助,真正达到“共同但有区别的责任”这一谈判原则。

中国环境汞污染状况不容乐观

背景汞含量偏高

中国大部分区域(包括西南和东南地区)坐落在环太平洋汞矿化带上,因此土壤环境中汞的地质背景含量本身就偏高,再加上各种矿产开发和冶炼活动,导致大量的汞被释放到周围地表环境中。这些释放的汞还会通过大气排放和迁移的方式在其他一些偏远区域通过干湿沉降再次输入地表。此外,挥发性的汞极容易在一些偏远的对大气沉降极为敏感的高海拔山地形成富集和放大,最终对当地脆弱的生态系统造成威胁。有数据表明中国广义的山地共占全国陆地总面积的三分之二,其中,海拔高于1000米的山地和高原就超过了全国土地总面积的50%。因此,地形的截留效应可能使得中国境内排放的相当一部分汞仅在有限的区域内就完成了沉降。研究数据证实,中国一些偏远高海拔山地森林地区的地表土壤汞含量甚至超过了全国土壤汞平均值的3-5倍。

汞的生产、使用及排放量大

据中国有色金属工业协会公布的数据显示,中国汞产量在过去十年来基本处于上升趋势,平均年产量为700吨左右,年产量从2000年的200吨增加到2010年的1600吨左右,年均增长接近150吨。早期汞使用量70%主要靠进口,2001年后随着进口受到限制以及目前在产的陕西旬阳汞矿资源趋于枯竭,导致原生汞产量供不应求。中国的汞大部分主要用于氯化汞触媒(占70%以上)。值得一提的是,与西方多采用石油为燃料不同,中国煤多油少的资源现状决定了中国PVC行业多采用电石法生产工艺。考虑到包括废汞触媒回收循环再利用等环节,中国每年汞的使用量估计超过1000吨。近期的全球人为源汞排放清单的计算结果表明,亚洲是全球人为向大气排汞最多的地区,每年约向大气排放了超过1000吨汞,约占全球排放总量的50%以上。尽管目前对中国的人为活动排汞清单的研究工作还很欠缺,但中国已被认为是全球大气汞排放最多的国家之一。目前学术界初步估算认为,中国人为源的大气汞排放量在500-700吨,其中对能源的较大需求及较为落后的污染排放控制能力是造成中国汞释放较多的主要原因。在各种排放行业中,燃煤和有色金属冶炼是中国两个最大的人为汞释放源,年均释放量约占总释放量的80%。

大气、土壤和水体等环境介质汞污染严重

长期大规模矿产开采/冶炼、部分行业对汞使用量的大量需求以及燃煤发电等行业的持续排放,导致了中国大部分地区大气、土壤和水体环境中的汞含量普遍偏高。监测数据表明,中国城市地区的气态总汞浓度(5.4-18.4 ng m-3)明显高于偏远地区(2.7-7.5 ng m-3),且二者均远高于欧美同类型地区的大气汞浓度。对于城镇而言,工业污染源(火电厂、水泥厂、垃圾焚烧等)和家庭居民活动(如家用燃煤、机动车辆排放等)的汞释放是造成大气汞浓度偏高的重要原因;而偏远地区的大气汞主要受区域性汞排放的影响。

各个地区由于当地地质背景差异土壤汞含量会有不同的浓度范围。就目前比较有限的数据而言,中国城镇土壤总汞平均浓度(0.2-0.7 mg/kg)和各地农业土壤汞平均含量(0.1-0.5mg/kg)显著高于偏远地区背景浓度(0.02-0.2mg/kg),但整体普遍低于中国土壤环境标准II类土壤标准限值(1mg/kg,即对农业用地的最大汞含量限制值)。土壤汞污染比较严重的现象主要还是发生在矿产(尤其汞矿)开采冶炼区域,这些区域土壤总汞含量不仅普遍超标,而且影响区域面积较广。如万山汞矿(编注:位于贵州省万山特区万山镇土坪村。万山素有中国“汞都”之称。)区域在距离汞矿冶炼点位近20公里后,仍有相当比率的土壤总汞含量超过相关限值。最值得注意的是,矿区附近的农田由于淹水环境会促起总汞的甲基化过程,从而导致稻田土壤中的甲基汞含量普遍升高,从而对当地居民构成潜在汞暴露健康风险。此外,矿区土壤污染除了汞的问题以外,其它重金属污染元素超标的现象同样值得关注,这也正是中国推出《重金属污染综合防治“十二五””规划》的重要原因。

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相比大气和土壤,水体汞污染状况似乎比较乐观。大多数淡水(河流和湖泊)汞含量均远远低于国家饮用水质标准限值。即使是汞矿污染区域,由于颗粒汞的沉降自净化作用,在远离排放源10公里后也能恢复到较低的水平。然而,需要指出的是,同大气、土壤情况类似,中国目前尚缺乏系统性的水体汞污染状况调查数据,包括长江、黄河等重要流域在内的水体汞污染状况及水生生态系统均没有开展过系统的汞污染研究和调查。

相比水体而言,沉积物和底泥的汞含量状况更应该值得关注。底泥或者沉积物中的汞容易在微生物活动促使下持续不断地转化为甲基汞,并通过食物链逐级传递和放大,这种动力学效应尤其在中国内陆湖泊水体普遍趋于富营养化情况下变得更为严重和复杂。早期因湖泊富营养化导致了水体厌氧分层进而中断了汞的食物链动态循环和放大机制,这种延迟响应的机制很可能在水生生态系统治理恢复之后被重新激活,导致湖底底泥和沉积物中高含量的生物可利用态汞或者其他有机污染物沿着重新贯通的食物链在顶端捕食者体内发生富集和放大。这种甲基汞在水生食物链富集和超标的现象在北美和欧洲一些偏远湖泊中早就被发现,是一个非常普遍的问题。在中国,这种食物链富集响应机制由于富营养化的发生而延迟响应,因此有必要在富营养化治理的大趋势下考虑到这一潜在的新的风险因素。

必须强调指出的一点是,由于目前大多数研究报道的数据主要是针对汞污染特别严重的汞矿开采冶炼或其他工业区域(尤其距离污染较近的范围内),相对而言针对背景区域或者较大范围的区域性报道和数据却非常有限。因此导致很多评估报告在提及中国的汞污染状况时,容易以偏概全,导致全国性的污染评估问题被夸大。因此本部分的讨论仅是针对大部分普通区域概括而言,其目的并不是(也不可能)就全国的污染状况做逐一的点评。类似工作比较稳妥的方式是将汞污染区域与全国性的情况划分出来,单独进行分析和讨论,这样才能对中国的环境污染状况作出客观评价。

居民不存在甲基汞暴露健康风险

汞暴露途径及风险水平

由于特殊的地理位置和饮食文化特征,在日本、北美和欧洲等区域,鱼类及其他海产品成为当地居民重要主食之一。较高的日均食鱼量加上鱼类普遍较高的甲基汞含量,导致了鱼类及其他海产品一直以来都被认为是人体甲基汞暴露的主要途径。因此,这些国家和地区颁布了专门指导当地人群,尤其是妇女和儿童对鱼类和海产品的食用指南。

与这些国家完全相反的是,中国的居民食鱼量普遍较低,尤其是内陆农村区域,食鱼量贡献的甲基汞暴露量几乎可以忽略不计。中国市面上供应的鱼大部分是人工养殖类(70%以上),且大多属于草食性或杂食性鱼类。这些鱼具有生长速度快、食物链短等特点,因此水体中的汞来不及达到富集就已上了老百姓的餐桌。而且,研究结果表明,即使是采集自乌江及长江流域甚至西藏地区湖泊等水体的野生淡水鱼,其汞含量也几乎全部低于相关的汞含量限制值。健康风险评估结果表明,中国居民的甲基汞暴露水平远远低于美国环保署建议的0.1微克/千克/天的建议限值。有趣的是,由于稻米作为中国内陆居民日常主食且摄入量大,而鱼类汞含量低摄入量小,使得食用稻米,相对食用鱼类而言,成为甲基汞暴露的“主要途径”。但是由于稻米的甲基汞暴露量远远低于相关限值标准,一般不会对人体健康构成威胁。即使在汞污染极其严重的汞矿污染区域如万山,也仅有小部分人群(约30%)通过食用稻米而导致甲基汞暴露量超过美国环保署相关限值。然而值得指出的是,由于饮食中伴随着硒的摄入,而硒普遍被认为对汞的暴露毒性具有保护作用,因此受万山汞矿区域受甲基汞暴露健康影响的人群比率可能更低。

因此,中国的普通居民不必要过分担心甲基汞暴露的问题,而应该更多地关注如何通过膳食提高硒及其他营养素的摄入量。部分海鱼虽然汞含量可能相对较高,但同时这些鱼类含有丰富的w-3不饱和脂肪酸、维生素D及碘等对人体健康、尤其对胎儿和儿童发育极其重要的营养元素,因此在目前食鱼量极低情况下可适当增加对鱼类的摄入率。

汞暴露敏感人群

沿海居民食鱼量远远高出内陆区域。这部分人群应该减少鲨鱼、带鱼和金枪鱼等处于食物链顶端的肉食性鱼类的摄入量,因为这类鱼由于生物富集放大作用甲基汞含量一般容易超过限制标准,尤其应该避免食用鲸类,因为鲸类处于海洋食物链的最顶端且生长周期长,甲基汞经过各级食物链逐层放大后远远高于一般的食肉性鱼类。更重要的是,与其他海洋鱼类相比,鲸肉的硒含量普遍较低并同时富集多氯联苯(PCBs)和其他的毒性物质,增加联合暴露的风险。

除了沿海渔民及居民外,其他可能暴露的人群还包括在汞矿周边地区主要以当地农作物为生的部分居民,以及从事汞矿开采、冶炼和电石法PVC生产等行业的工人。与欧洲、北美、日本等国家和地区相比,中国的普通居民对汞污染的危害和风险的认识和防范意识明显不足,迫切需要政府部门的指导性建议和媒体对更多的常识性知识进行宣传普及。

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措施与建议

整体而言,中国的汞污染防治形势不容乐观,目前存在基础研究薄弱、基本底数不清、缺乏经济可行的替代和减排技术、末端处理不当及管理对策不完善等诸多问题。但整体而言,中国的环境污染状况,尤其居民的甲基汞暴露健康风险等方面并没有想象中严重。在《水俣汞公约》已经签署的背景下,只要我们能化挑战为机遇,以“史”为鉴,未雨绸缪,完全能够顺利实现“让我们的国民及其子孙后代生活在一个远离汞污染危害的世界”的目标。

汞污染的防治工作包括汞的减排、污染场地修复及其他工作,涉及到技术、经济、管理等一系列要素和环境、经济、企业等不同部门,是一项系统工程,其目标是尽量避免汞污染对环境和人类健康造成直接和间接影响。国际经验表明,汞污染防治和管理工作的不断推进离不开法律法规和标准体系的完善、执法力度的加强、减排技术的研发、融资渠道多元化和健全、国际和区域协作的加强、监测信息系统的完善、科研力度的支撑以及公众知识信息的普及等等一系列措施。对此本文不过多赘述,仅就部分具体的问题提一些看法和建议。

整合资源,统筹规划

汞污染的防治工作包括减少汞的生产、使用和排放、污染场地修复及其他诸多环节,涉及技术、经济、管理等一系列要素和环境、经济、企业等不同部门,是一项系统工程,其目标是尽量避免汞污染对环境和人类健康造成直接和间接影响。中国目前的行政管理体系存在的问题之一就是各部门职能范围交叉重叠,彼此之间缺乏良好的沟通和协调。就汞或重金属污染防治工作而言,涉及到的部门就有发展改革委、财政、环保、国土、安全、卫生、科技等多个部门。出于各种因素,各个系统中只要沾点边的部门在国家匹配专项资金时均会积极争取,但到了出现事故该承担责任时却又互相推诿,而且在工作开展过程中各行其道,缺乏统一的协调性,造成国家资金和人力的重复投入和浪费。针对这种特殊国情和体制,最好的办法就是由国务院成立专门的协调联络小组或办公室,对各部门之间的资源进行整合,统一规划部署,使各部门形成合力,才能有效推进中国包括汞在内的重金属污染各项防治工作的开展。除了行业资源的整合,还要注重汞污染与其他污染物的协调防治,如燃煤电厂的脱汞与脱硫、脱硝可以同步实现协调减排。其次,中国的汞污染防治工作还要充分借鉴国外的技术和智力资源,争取让发达国家向我们免费提供相应的技术和资金支持。

预防优先,防治结合

中国的汞污染问题有其特殊的国情背景和特定的历史因素,然而,如果不采取相关措施,对环境和国民健康影响所带来的经济损失将是无法估量的。有研究者估算,美国由于甲基汞暴露导致45万儿童出现轻微的IQ损失(0.1个点),每年仅由此所带来的经济损失就超过了80亿美元。而1991年有关日本水俣湾周边地区“水俣病”损失金额和防治污染对策费用的对比研究表明,每年因“水俣病”公害支付的金额超过130多亿日元,而防治污染对策费用仅需要损失金额的1%不到。通过这些例子不难看出,在前期发展过程中,只要投入1%的经费用于环境污染的预防,就可以避免未来因“先污染后治理”发展模式所可能导致的100倍的经济损失。目前,美国、加拿大、欧盟和日本等国家和地区均发布了国家层面的针对汞污染减排防治或风险管理的国家行动计划,相信中国近期内在完成全国性的汞污染状况普查基础上也将开展类似的工作。需要指出的是,在预防和治理两项任务推进过程中,不能顾此失彼,尤其应该优先保障预防性的资金的投入和使用。

重点整治,因地制宜

中国的汞污染问题涉及采矿、发电、钢铁、有色、水泥、化工等众多行业,其中燃煤和有色金属冶炼是使用和排放的两大重点行业。一些行业如PVC/VCM生产行业的无汞触媒技术研发和应用尚不成熟。对于燃煤行业汞排放,中国“缺油、贫气、富煤”的能源结构决定了中国彻底实现能源结构的调整将是一个长期的过程。因此,在现阶段只能采取分步骤、有计划地逐步推进的减排方针,最终达到以燃煤电力行业和有色金属冶炼行业为重点控制领域,全面推进石化、钢铁、水泥等行业汞污染排放的大力削减。此外,中国的环境汞污染具有自身的规律和特征,不能简单照搬国际经验。而应该在现有研究基础上,因地制宜,综合平衡好投入与效益之间的矛盾。

目前,汞矿是重点需要开展汞污染场地修复的区域。中国急需针对汞及其他重金属污染问题,编制全国性的污染场地名录和制定目标值。虽然具体的土壤污染面积不得而知,但涉及数量应该不容乐观。单就汞矿区域而言,作为产汞大省的贵州就有12座。而其中万山汞矿区受影响的污染范围如果以土壤标准最大限制值1.5mg/kg作为标准,估计至少也有数百平方公里范围。

就汞矿区域的治理而言,按照“源头控制”的原则和思想,重点应该对早期直接暴露于空气的尾矿废渣堆进行处置。根据最新的调研情况,目前万山汞矿区的绝大部分尾矿废渣堆均采取了相关工程措施进行了覆盖,但是具体施工和监管部门应该重视“覆盖膜技术”的应用,涉及场地坡度陡峭而影响覆盖膜的固定等施工难度因素完全可以通过顶端反扣后固定或其他工程措施予以改进和弥补。汞矿废渣堆向当地环境汞的释放除了地下渗流和地表径流等途径外,还能通过地表直接向大气进行排放,而当地农作物(如蔬菜)中的汞含量除了部分来自根部吸收以外,更多的汞是通过叶面直接从空气中吸收的。因此,通过“覆盖膜技术”降低尾矿废渣堆的大气汞释放相当重要。

对于尾矿废渣堆中的汞通过水体向下游迁移和排放的问题,可以通过在接近排放源附近拦筑河坝等简易的工程措施来解决。研究结果表明,汞矿区域河流水体中的总汞主要以颗粒态形式为主进行迁移,因此通过拦筑河坝后水体沉降自净化效应增强,能显著降低尾矿废渣堆向下游排放的汞含量。

而矿区居民的甲基汞暴露风险水平则可以通过改变农业耕种方式等经济可行的办法来达到。中挪合作的“减少中国汞污染能力建设”项目的研究结果表明,汞矿区水稻属于甲基汞富集植物,汞矿部分区域的水稻果实中的甲基汞含量甚至超过了总汞的限值标准。然而,玉米果实不属于甲基汞的富集植物。因此,通过改变传统的水稻种植方式,可以有效降低当地居民的甲基汞暴露风险。

至于汞矿区汞污染土壤的修复,由于涉及面积广和修复后利用价值较低,因此选择治理技术方案时必须优先考虑成本效益。此外,还要考虑污染转移问题,如焚烧方法就需要考虑到包括汞及其他有毒物质的污染转移问题(如二噁英的排放)等。对于汞矿区域的土壤汞污染修复的最佳可行技术最可能的备选方案可能还是植物修复技术、植物固定技术(或与其他技术的联用)相对比较适宜,虽然这种方法修复效率较低和周期较长但成本相对低廉适合大面积推广应用。

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