王治国
(山西宁武大运华盛南沟煤业有限公司，山西 宁武 036700)
引 言
煤是目前地球上最大的能源，在不同的国家广泛用于发电，煤是死植物经过多年的煤化过程而形成的[1-2]。碳、硫、氧、氢、少量氮和微量重金属是煤的主要成分[3]，燃烧煤炭导致有毒气体的排放，潜在的健康影响和环境问题，在煤的燃烧中，碳、硫和氮与氧反应，产生各自的氧化物：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)。这些气体的排放直接或间接地与许多健康问题有关，包括皮肤、心血管、大脑、血液和肺部疾病，以及各种癌症[4-5]。
1 空气污染
1.1 煤的燃烧和COx对环境和健康的影响
煤炭是全球重要的能源来源，全球约41%的电力来自室外燃煤。然而，室内煤炭燃烧仅用于家庭能源目的。即使在发达国家，室内和室外的煤炭燃烧也会造成环境和健康问题。根据最近的一些研究，煤基化学处理释放CO2是油基化学加工的2倍～4倍。在室外发电中，煤的可能受热量主要取决于C、O2、H2以及部分SO2.然而，在不同的煤阶中，这些成分的比例是不同的。不同等级的煤有着不同的含碳量：褐煤含碳量超过60%，无烟煤含碳量增加到80%。
在煤燃烧过程中，CO2、CO气体主要是由于氧化而排放的，它们以全球变暖和温室气体的形式对环境造成有害影响。此外，这些气体还直接和间接地与许多健康问题有关，包括疟疾、心血管疾病和哮喘。CO2排放被认为是全球约四分之三温室气体排放的主要原因。化石燃料约占全球二氧化碳总量的90%。由于持续CO2排放和潜在的气候变化，全球变暖与洪水和飓风活动的总体发生率增加相关。因此，CO2的排放是煤炭造成空气污染，并在全球变暖和温室气体中发挥关键作用，直接和间接影响人类健康和环境。在细胞水平上，CO与血红蛋白结合，降低了血红蛋白转化O2的效率和能力。煤炭燃烧带来的健康和环境风险，如图1所示。
图1 煤炭燃烧带来的健康和环境风险
1.2 SOx对环境和健康的影响
硫以硫化物、单质硫、有机硫和硫酸盐的形式存在于煤中。在煤炭燃烧过程中，煤中的硫被释放到大气中，造成空气、水和土地污染。在大多数发电厂中，硫磺出现是由于用于发电的燃煤。在不受控制的燃煤电厂的情况下，二氧化硫和PM排放到空气中被发现比汽车、卡车和工厂每年的排放量增加一倍。通过从发电厂输送到数百公里外产生硫酸(H2SO4)，是酸雨的主要成分。吸入这些SOx空气污染物后，会破坏正常的心跳(节律)并导致心脏病发作。居住在发电厂附近的居民大量接触二氧化硫，导致他们通常遭受窒息、气喘、咳嗽和肺功能下降。SO2与气溶胶、雾和烟雾结合，可能穿透肺黏膜导致一些严重的肺部疾病。SO2也涉及支气管反应并导致过早死亡。SO2从烟雾中释放到大气中，进入肺部，与呼吸道黏膜发生反应，形成SO3黏蛋白和表面聚糖的衍生物被释放到血液中，可导致许多疾病，包括人类的肺癌和结肠癌。此外，硫酸糖表位有助于许多微生物病理，包括支气管炎和囊性纤维化。SO2气体也影响附近的植物和作物，因为酸雨导致叶片损伤，影响植物生长，减少植物物种的多样性。它是一种强烈的植物毒性气体，可引起植物急性叶面症状损伤。在最近的研究中，SO2已证实会破坏叶绿素，干扰光合作用和生产力。
1.3 NOx对环境和健康的影响
在煤燃烧过程中，NO2是另一种具有强腐蚀性和强氧化能力的主要污染物，在空气中释放和积累，不断损害环境和健康。国内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参与了次生酸性颗粒的形成。然而，NO2被发现容易受到较低数量的二氧化氮的影响，并且在直接接触这种污染物时出现哮喘发作。在一些研究中，NO2即使在低浓度与异常肺功能相关。此外，吸入NO会导致缺氧性呼吸衰竭，这主要与新生儿持续性肺动脉高压(PPHN)有关。NO2提高细胞内可溶性鸟苷环化酶的酶活性，增加细胞cGMP和毒性铅的生产。此外，在分子水平上，NO2和过氧亚硝酸盐共同增加了DNA的结构变化，通过细胞应激，造成的自由基氧物种作为NO2在阳光下与有机污染物的反应。培养细胞暴露于NO2导致了核水平的变化(DNA链断裂)，从而导致了癌症的产生。酸雨中存在的这些酸会破坏植被和建筑，导致皮肤烧伤和皮肤癌。直接接触有害气体，如CO、NO2、SO2导致光合速率降低。因此，氮氧化物的排放(NO2，NO3)，造成许多健康和环境问题。燃煤排放污染物累积暴露影响的广义模型，如图2所示。
图2 燃煤排放污染物累积暴露影响的广义模型
2 煤加工和燃烧后废弃物中的重金属
重金属是矿物燃料燃烧过程中产生的坚不可摧的化学元素。这些重金属(铅(Pb)、汞(Hg)、砷(As)都存在于煤中。
2.1 铅对环境健康的影响
铅(Pb)是一种剧毒重金属，通过CFA在煤炭燃烧过程中释放。铅在环境中很少以单质态存在，而是以氧化形态存在，它贯穿于整个地壳。铅在环境中被发现具有极强的动员性，通过在发电厂附近地区旅行污染空气和水。在人体暴露时，它几乎会损害所有器官和相关器官系统，特别是肾脏、心脏、中枢神经系统和人体的血液循环。因此，在低水平上，血红素的合成和其他一些化学过程受到影响，神经行为功能被严重削弱，行车、采矿和煤炭燃烧是铅的主要来源。
2.2 汞对环境健康的影响
汞(Hg)是我们环境中存在的另一种有毒元素。煤和其他人为来源向大气中排放的汞，在氧化和沉积之前，可通过大气环流在全球范围内运输。在煤燃烧过程中，汞主要以三种形式存在：氧化汞，粒子束缚的Hg和元素形式的HgO。Hg的单质形式是高度不稳定的，可以通过均相或多相反应快速生成稳定的化合物。海产品将甲基汞转移给人类和哺乳动物，在孕妇的胎儿中积累，并作为一种神经毒素对大脑功能造成不良影响。研究发现，母乳喂养的婴儿中甲基汞和无机汞的迁移量高于胎儿。在发电过程中，燃煤是汞排放的主要来源。从1850年～2008年，全球累计汞排放量(21 500 t)中约有四分之一以上是由煤炭造成的。此外，甲基汞通过食物链生物积累，并对包括心脏组织、肝脏和肾脏在内的各种器官产生有害影响。此外，神经毒素影响中枢神经系统(CNS)并调节神经系统疾病的新生儿和青少年。在青少年发育的早期阶段，甲基汞引起一些关键的过程，包括神经元迁移和细胞分裂，造成不可逆转的脑损伤。在甲基汞神经毒性中，主要的关键事件是氧化应激和抗氧化保护的中断。甲基汞机制的结果与亲核基团有关，特别是在许多抗氧化剂分子中存在巯基和硒羟基。
2.3 砷对环境健康的影响
砷(As)是粉煤灰中存在的第三大有毒重金属。由于As以不同的氧化态存在，As可以参与多种化学反应，产生不同的产物。因此，As对健康的影响很大程度上取决于其化学形式。煤炭燃烧和冶炼是砷的两个主要来源。煤中痕量金属主要取决于煤的等级和品位。而世界范围内，低阶煤，如烟煤和褐煤的平均As含量分别为9.0 mg/kg和7.4 mg/kg，其他煤的最大As含量分别为50 mg/kg和49 mg/kg。在煤的燃烧过程中，As以挥发性和颗粒形式更集中。
3 结论
随着燃煤发电的迅速增加，COx的排放也随之增加，COx、SOx、NOx和一些重金属污染物已经引起了广泛的健康问题。由于煤炭加工，COx是导致全球变暖和一些危险疾病的主要因素，包括疟疾、慢性阻塞性肺病(COPD)和肺癌。二氧化硫的非受控排放不仅对植物、动物和建筑物有毒，如酸雨，还会引起一系列疾病，包括心跳不稳定、皮肤癌、哮喘和咳嗽、头痛、喉咙和鼻子刺激。NOx新生儿缺氧呼吸衰竭(PPHN)是能源生产燃煤电厂产生的另一种主要污染物。此外，细胞应激导致人类DNA水平变化，并表现出许多分子异常和潜在的细胞威胁。总的来说，COx、SOx、NOx不仅对健康产生直接影响，而且还由于酸雨破坏了全球粮食网。除此之外CO、SOx、NOx正在大规模地破坏环境和人类健康。重金属残留在燃煤发电厂生产也造成严重的疾病，如皮肤和肺癌、心血管疾病、腹痛、基因突变、白血病和昏迷导致死亡。进一步的研究将有助于资料的严重性累积这些污染物对人类健康和环境的影响(图2)。此外，HNO2的结合，HNO3和H2SO4酸雨淋出的金属通过水污染在食物中积累。人类和动物暴露在酸雨中，最终可能通过硫酸盐和水合作用导致皮肤烧伤和癌症反应。通过HNO2使皮肤细胞酸化，HNO3和H2SO4可能通过吸收皮肤细胞的水分而产生水合热，从而产生各种皮肤病，并可能导致皮肤癌。
