环境工艺方法论研究——替代法<br/>

环境工艺方法论研究——替代法

2010-01-29曾凡芸龙炳清陈建文孙彦君

四川环境 2010年1期

曾凡芸，龙炳清，陈建文，蒋舒，孙彦君

(1.四川师范大学化学与材料科学学院，成都 610066;2.四川省环境监测中心站，成都 610041)

1 前言

工业的高度发展、人口的过度增长以及环境利用的无序无度，使人类陷入前所未有的生存、发展困境。随着产业革命之后的经济快速发展，生态环境不断恶化:空气质量下降、水体污染、土壤沙漠化、盐碱化、植被退化、自然灾害等问题层出不穷。面对这一现状，大力发展能达到削减一次污染、杜绝二次污染、实现环境友好过程的环境友好型工艺是必然趋势。对不断更新换代的环境工艺进行总结，得出兼具理论支持和实践检验的环境工艺一般方法，并在此基础上进行哲学的思索和探讨，这是环保工作者的一贯责任。本文对环境工艺一般方法—替代法及其应用进行探讨。

2 替代法的定义

替代或代替在现代汉语中有代替、替身、以甲换乙达到乙的作用的含义，它应用于许多学科领域。我国老一辈语言学家陆志韦先生在《北京话单音词词汇》中提出“替代法”，即用已知的语言代为替代 (或替换)有待确定的语言单位的一种方法［1］。物理学的力学、电学等分析中常常应用等效替代法，又称试换法。毒理学替代法近年广泛应用于毒理学各个研究领域。

在环境工艺中，替代工艺能达到比被淘汰、被改进工艺相同的甚至更好的结果，同时付出更少环境代价，并更加符合当下社会、经济利益。它们可从源头上减少能源、原料等的消耗，削减污染;通过提高资源利用率，减少和避免生产、服务、产品使用过程中污染物的产生、排放，减轻或消除对人类健康和环境的危害［2］;将废弃物转用作生产原材料，或辅助材料循环利用，即减少了污染处理，又获得珍贵的资源。不难看出，替代者与被替代者之间具有作用目的上的共性。替代法即通过正确地认识事物本质，分析其内部、外部的矛盾联系，从源头、过程或作用阶段进行改变，达到目的的同时更合乎自然的优化方法。工艺是生产工具的具体作用过程，工艺更替始终与生产力的进步如影随形。随着生产力和环境科学发展，总结环境工艺中替代法的应用及哲学内涵，对推动社会的进步、环保事业的发展具有积极的意义。

3 替代法在环境工艺中的应用

从替代的角度，环境工艺大致可分为同理替代、类比替代、原料替代、强弱替代、功能替代、用途替代等几类。

3.1 同理替代

絮凝剂可去除水中的悬浮物和胶体污染物，多应用于水污染处理领域。传统絮凝剂包括无机型和有机型:无机低分子絮凝剂用量大、残渣多、效果差，已基本被高分子絮凝剂替代。以聚合氯化铝、聚合硫酸铁、活化硅酸等为代表的无机高分子絮凝剂，能很好地中和水中相反电荷，压缩双层电荷，但用量大，易产生二次污染，例如用铝盐处理的饮用水可能导致老年痴呆症。有机絮凝剂通过吸附、中和、吸附架桥作用使污染物质脱稳而去除 (城镇污水污泥处理过程中絮凝剂的选用)，用量少、絮凝快，但残留物不易被降解，单体具有强烈毒性和“三致”效应，使用范围受到限制，聚丙烯酰胺类物质就已被许多领域禁用。微生物絮凝剂，用量少、效率高、易于固液分离、易降解、适用范围广且不受pH条件影响，呈现出逐步取代传统絮凝剂的趋势［3］。有机、生物絮凝剂由于制备成本高、产量低，常常与无机絮凝剂混合使用［4］。

纵观絮凝剂从低分子到高分子，从单一型到复合型，虽然种类繁多，但总是向廉价、高效、无毒的方向发展。无论是无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂、天然改良有机絮凝剂还是微生物絮凝剂，都是以“聚并”理论为基础，用带正 (负)电荷的絮凝剂中和水中带负 (正)电荷的难分离颗粒，降低电势，消除表面电荷。微粒由相斥变为相吸，相互碰撞后形成絮状混凝沉淀。不同絮凝剂的相互替代属于“聚并”同理替代。

酸性工业废水和废气可以用石灰石、石灰、Na2(CO3)2、Na(OH)、电石渣等处理，甚至可以用废碱液、碱性废水(如印染废水、造纸废水等)处理，具体采用哪一种碱性物质或碱性废液取决于当地资源条件和处理成本。这些碱性物质或 (和)碱性废液的相互替代属于“中和”同理替代。同样，碱性工业废水可以用硫酸、硝酸、盐酸等酸或它们的酸性废液进行处理，这些酸或酸性废液的相互替代也属于“中和”同理替代。

废水脱色和废气除臭广泛使用活性炭、硅藻土、沸石、高分子材料等吸附材料。它们的相互替代属于物理吸附和化学吸附的同理替代。

环境工艺中的同理替代的事例还有很多，如氧化替代、还原替代、沉降替代等。

3.2 类比替代

环境对污染物具有自净能力，许多环境工艺都是模仿或类比环境自净污染物的过程而创造出来的，换言之许多环境工艺都是天然过程的类比替代。举凡废气治理的沉降除尘、旋风除尘、吸附、吸收等工艺;噪声废水处理中隔声、吸声，特别是植物隔声吸声工艺;废水处理的沉降、吸附、生化工艺，特别是人工湿地处理工艺无不是如此。事实上，环境过程设计时，只要处理对象的成分大体相同，一般情况下均可选择处理类比对象的同类工艺。

国内外普遍采用的硝酸银制备法会产生大量NOx，尾气处理的效果差;形成酸雾造成硝酸和硝酸银的损失。一项新工艺能很好的解决上述问题。该工艺将金属银、硝酸溶液、氧气在耐压密闭容器内反应，并控制压力。反应总方程式为:

由反应式可知，该工艺不产生NOx，是一种清洁工艺。

类似地，用金属铜、钴、镍分别制备硝酸铜溶液，硝酸钴溶液，镍硝酸盐溶液等的传统工艺与传统的硝酸银溶液制备工艺存在的环境问题相同，过程的化学反应基本相同，也可进行类似改造［6］。

3.3 原料替代

煤是人类发展的主要能源之一，各种煤均含硫，在燃烧过程中会产生SO2，污染环境。采用洗煤替代原煤作燃料可大量减轻SO2污染。采用油、天然气等清洁矿物能源可进一步减轻SO2污染。采用生物质能源、太阳能、风能、水力能等可再生能源可在很大程度上减轻甚至消除环境危害。

原料替代在环境工艺开发中还有很多应用，比如用秸秆纤维替代木材纤维作造纸、生产建材等原料可避免大量砍伐树木带来的生态问题;泰安百川纸业有限公司还利用污泥造纸，不但不用砍木造纸，还能免去污泥处理，降低成本和环境污染;用秸秆作家畜饲料、燃料，生产沼气、制造工业酒精、一次性餐具等可在一定程度上解决许多环境问题［7］。推广、使用镍氢蓄电池、锂离子蓄电池，无汞碱性锌锰原电池，燃料电池、太阳能电池(光伏电池)等，能够避免传统电池的重金属危害;发展混合动力、燃气、醇类燃料、太阳能作为汽车能源，可大大减轻汽车尾气的排放;用废铁屑替代硫酸亚铁还原含铬废水中的六价铬，可降低废水处理成本，并减少污泥量;将粉煤灰作水泥生产材料，可减少了铁矿粉、硅酸盐、石英等矿物资源的耗用;回收发酵生产中产生的二氧化碳用作饮料生产原料可降低温室气体排放等等。

随着矿物资源日趋紧张和清洁生产要求的不断提高，采用低毒 (无毒)无害原料替代有毒有害原料，采用二次原料、废弃物替代一次原料是大势所趋。

3.4 强弱替代

在环境工艺中，通过强化或弱化过程的某一(类)化学或生化反应往往会取得更好的效果。

城市污水和工业污水处理的SBR工艺及其变型工艺是在传统的活性污泥工艺基础上发展起来的。该工艺把活性污泥工艺的好氧反应池和二沉池合而为一，将二沉池的流动沉泥替代为静止沉泥［8］，弱化好氧生化反应，强化厌氧生化反应—反硝化反应，从而到底提高脱氮效果。

一步炼铜工艺将传统的反射炉和转炉合而为一，一步炼铅工艺将传统的烧结机和鼓风炉合而为一，强化了硫化物的氧化过程，把烟气中二氧化硫的浓度提高到满足制酸要求，彻底解决了传统炼铜工艺的反射炉烟气和炼铅工艺的烧结机烟气中二氧化硫不能制酸，污染环境的问题，并使硫化铜矿和硫化铅矿中的硫资源充分利用［9］。

3.5 功能替代

环境工艺中有相当部分是通过功能替代来实现的。土地本身的功能是种植、养殖 (包括天然和人工)和土木建筑，将土地的这些功能替代为净化工业和生活污染源便产生了污水灌溉技术。塘本用于养鱼、养鸭等，将其功能替代便产生了氧化塘技术。沟本用于输水，为水生动植物提供生存敷衍场所，将其功能替代便产生了氧化沟技术。天然湿地的功能本为涵养水源，将其功能替代便产生了人工湿地技术。TiO2本用于颜料、植物制品的添加剂和提钛原料等，发现具有光催化性能后便用于特种难降解工业废水的处理。海水盐卤本无使用价值，发现其絮凝作用后，便用于污 (废水)处理。石灰石、软锰矿等均通过功能替代用于环境工艺的原料。总之，功能替代法在环境工艺中的应用实例举不胜举。应用功能替代的基础是发掘对象物质或系统的潜在环境工艺功能。

3.6 用途替代

海水占地球水资源的97%，海水中含有大量溶解盐，并成碱性。利用溶解盐具有天然酸碱缓冲和吸收酸性气体的能力发展海水脱硫技术，成功地在沿海火力发电厂烟气脱硫中应用。与湿式石灰石－石膏法、旋转喷雾法、烟气循环流化床法等脱硫技术相比，海水脱硫只需要海水和空气，不存在固体废弃物堆存问题，海水低廉易得，脱硫工艺运行成本低［10］。许多环境废弃物都是“负用途”物质，如何将“负用途”转换为“正用途”是环境工作者的责任，也为开发环境新工艺开辟新途径。NOx被软锰矿吸收以制备高纯MnO2和硝酸，不仅不消耗硝酸，而且还把污染物NOx变成硝酸，同时提高软锰矿中锰的回收率。生态养殖中利用牲畜粪便建造沼气池，提供农村生活能源;垃圾通过堆肥生产农用和林用肥料;粉煤灰被用作混凝土添加材料，生产水泥、粉煤灰砖等环保建筑材料、农业肥料和土壤改良剂等从某种角度也可看成是用途替代。

4 替代法的哲学内涵

替代是一条古老而重要的自然法则:地球的地貌在陆地与海洋之间、沙漠与绿洲之间变迁;物种不断的产生和消失维系着生态平衡;动物的一生经历出生、成长、繁殖、衰亡不同阶段的交替;植物从萌芽、开花到结果逐一替代;而中华民族从夏朝到清朝共经历了16次主要朝代的更替。斗转星移，沧海桑田，万物在时间长河中更替繁衍，生生不息。

马克思主义哲学认为本质是事物的根本性质，人类的发展史又被称为认识世界本质的过程。认识事物的本质并不容易，人们习惯主观地去感知世界，而只捕捉到事物的外在的、具体的表象，正如我们看不见微生物的生活、听不到超声波的喧嚣，但它们始终客观存在［11］。从表象上看:污染物排入水体带来水污染，水体生态失衡，影响人类或生物对水资源的使用功能;二氧化硫、粉尘、氮氧化物等污染物排入大气，导致空气质量下降，危害生物生存;这些并不是环境问题的本质［12］。新旧认识的交替往往具有积极的意义:在中国古代，从“天圆如张盖、地方如棋局”的盖天说到“浑天如鸡子”的浑天说转变;欧洲关于地球是混圆体还是椭圆体的争论持续多年，直到20世纪50年代，人们才得出明确的结论:地球是一个两极稍扁，赤道略鼓的不规则球体。“日心说”经过三个世纪的争斗战胜了“地心说”，“太阳系”、“银河系”等概念随之出现，近半个世纪来人们认识到星系团、超星系团等更高层次的天体系统。人们不断地重新认识世界，那些绝对的、相对的与本质相驳的认识终将被取代。

盲目崇拜前人的经验、权威的理论，造成错误的思想和偏见，我们会看到“剧场假相”;交往、沟通的问题则会造成“市场假象”;理想化的安于现状，缺乏对理论成立之初的假设质疑，那么社会就会在僵化的教条下固步自封，在僵化的教条下腐朽崩塌［13］，以上可称为认识中的绝对错误。任何一门学科理论的发展，都经历了对非曲直和真善美的重新审定，对经验世界的反省和思考，与陈旧的、错误的理论斗争的过程，辩证唯物主义便是马克思和恩格斯批判了黑格尔和费尔巴哈的辩证法和唯物主义而确立的，环境工艺的发展自然也不例外。工业革命后，人类疯狂追逐利益，建立起庞大的工业王国，能源危机、人口压力、生态失衡、物种消失等严峻的环境问题随之而来。透过现象，找出环境问题的本质是:在传统生产方式只重视短期利益，忽视长期利益。以环境友好型新工艺、新设备淘汰高消耗、高污染的旧工艺、旧设备是解决环境问题的有效途径之一［12］。

我们所在的世界除了泾渭分明的对与错，还隐含着已知与未知、不确定与变数［11］。在特定的时间和状况下，得到暂时的正确、部分的接近真相的理论和方法，却能达到期望程度的结果，它们即是“此刻的真理”。例如:20世纪以来西医发展迅速，逐渐替代我国传统医术成为主流医疗技术，而如今针灸、中药、推拿等中国传统医学得到越来越多的科学证据支持，被西方推崇作为补充替代医学。从时空上来看，废物是放错位置的资源，环境问题的产生不仅仅是绝对错误，也是相对的:曾经广泛使用的环境工艺技术，渐渐与现下的社会、经济不协调，或被新工艺淘汰，或得以继承改进;在某一方面，某一时间被认定无价值的废弃物，在不同的时间、地点可能是珍贵的资源;社会、经济环境条件的不同，工艺的优劣认识、取舍也会不同。一个环境问题的凸显，并非一蹴而就，我们对其的认识、解决的方法也就需要随之发展。认识只能无限地接近真理，不能等于真理，此时的“真理”也可能成为日后的“谬论”。我国在文革前后由于工业不发达，环境问题不凸显，认为“环境污染就一定是资本主义特有的，社会主义社会不存在这个问题”。随着改革开放以来经济快速发展，资源环境问题逐渐暴露，《中国21世纪议程》 (1994年3月)首次把经济、社会、资源与环境视为必不可分的整体。如今，我国大力发展低碳经济，将降低碳排放强度的具体指标写入“十二五”发展规划，提倡发展风能、太阳能、地热、潮汐、生物能等清洁新能源［14］。国际环境保护机构、国家环保部门不断出台、修订法律法规，便是改变认识来适应变化，以求将“废物”放对位置的很好体现。1979年《中国环保法 (试行)》的颁布，标志着的环保工作进入法制轨道，至今该法已经过了多次修订。几十年间，我国制定、修改了《可再生能源法》、《循环经济促进法》、《工业三废排放试行标准》、《生活饮用水卫生标准》、《食品卫生标准》等一系列相关法律法规。

伏羲认为阴阳交替构成了世间万事万物，“独阴不生，独阳不长，阴阳互动，生生不息”，天、地、人、物、我之间，心物之间，身心之间，神形之间，能质之间是相互联系依存、不可分割的整体［15］，“阳极为阴，阴极为阳”，为维持这种动态平衡与和谐，强调动与静，易与不易的统一，虚实之间，对错之间亦是如此。孔子说: “天何言哉?四时行焉，百物生焉。天何言哉?” (《论语·阳货》)老子说: “大曰逝，逝曰远，远曰反。”(《老子》二十五章)庄子云:“万化而未始有极也。”(《庄子·太宗师》)“‘维天之命，於穆不已’，盖曰天之所以为天也。”(《礼记·中庸》引《诗》)“天地之道，恒久不已也。”(《周易·彖传》)他们认为万物是生生不已的生命发展过程，变易是世界的根本［15］。“福兮祸之所依祸兮福之所伏”，“有无相生，难易相成，长短相形，高下相盈，音声相和，前后相随”，生物到不能生存的时刻，要么消失，要么进化，除旧布新，是中国哲学的主调。庄子哲学要求从根本上剔除已经成为个人活动和社会进步的桎梏的旧的文化要素和体制障碍，从而解放、束缚人的自由和创造力，为社会提供前所未有的发展空间［13］。而变化、发展并不都是偶发的，革新的动力来源于世界或事物自身内部的矛盾。相似地，环境工艺的发展过程表现为渐进替代与跃进替代、连续替代与间断替代的辩证统一，工艺的淘汰、变化、传承都只为合乎自然，即与当下的经济、社会等环境相协调。荀子说“天地合而万物生，阳阴接而变化起” (《荀子·礼论》)，则说明了新旧交替只有在“旧”束缚了“新”这一适当的时机发生，才是有利的，即所谓的“时也，命也”、“守时待命”。