一、污水厂“碳中和”的意义

我们有个同事，有句话曾经深深击中了我。她说，每件事都是成就感与挫败感并存，每当完成一件事，就很有成就感，但又感觉还有一些可以改进的地方，有一些挫败感。

 

最近成就感与挫败感的密集交织，让我深感可以引这句话为座右铭了。每次把文章写完，都觉得好有成就感，而后又突然发现这个忘了说，那个漏了写，瞬间充满了挫败感。

 

上篇文章我们讨论了污水厂“碳中和”的经济意义，写完以后，正在洋洋自得，感觉论据充足，论点也拔得高高的，有点厉害的说。然后还没得意完，又发现经济意义说得不够完整，默默地批评了自己三遍。

 

话说，今年初，生态环境部公布了《碳排放权交易管理办法（试行）》，并印发配套的配额分配方案和重点排放单位名单。从今年1月1日起，全国碳市场首个履约周期正式启动，涉及2225家发电行业的重点排放单位。

近年来，我国已在北京、天津、上海、重庆、湖北、广东、深圳7个地方开展了碳排放权交易试点工作。下一步，生态环境部将加快推进全国碳排放权注册登记系统和交易系统建设。

 

因此，污水厂“碳中和”还有什么经济意义呢？还可以卖碳排放权赚点小钱啊。

 

近来名气越来越大的特斯拉（某拼上还有维权女车主同款T恤大卖），2019财年碳排放权卖了1亿美元，2020年又飙升至16亿。换句话说，目前特斯拉卖车不如卖碳指标赚得多。

关于这个主题，下周我们可以专门讨论一下碳交易、碳核算以及绿色金融啥的（好吧，又给下周挖了个坑）。人生总在“补上次的缺、填本次的坑、挖下次的坑”中度过。唉，也是蛮难的。

 

本次我们还是讨论污水厂“碳中和”的环保意义。

 

唉，深感本次的坑尤其难填啊，环保意义嘛，就是大自然要循环啊，一句话就说完了，还要写一篇文章，好难啊。只好把光和作用、能量循环、核裂变&核聚变全部看了一遍，差点就要学习质能方程E=MC²了，不过这么高难度的东西对我这个程度还是有点超纲，还是罢了。


二、“碳”循环往复的一生

我们都知道，“碳”这个东西，排放多了到空气中，会变成温室气体，引起气候变化。但是碳在生物构造与生命活动中又不可或缺。多不得，少不得，那么，我们对待它的正确方式，就是要使其形成一种永续循环，以维持一种生态自然平衡的状态。

 

还记得以前听E20的薛涛老师讲课，他提到，农村的农产品送入城市供人们消费，而城市垃圾和污水中的碳源大多被焚烧或填埋了，没有回到农村，没有形成循环，这个问题要如何解决？

 

碳在元素周期表中排第6位，我们可以将物质区分为两类，有机物和无机物，含碳的是有机物（碳氧化物及碳酸化合物除外），不含碳的是无机物。人类需要的七种营养物质，除了水和无机盐是无机物不需要碳原子作为骨架以外，其他五种，蛋白质、糖类、脂质、维生素和膳食纤维，都是有机物。

 

我们的生命活动过程，就是摄取营养物质，然后分解营养物质，让有机物变成无机物，同时释放能量供生命活动使用的过程。比如，我们摄入食物，消化并汲取营养，而运动的时候，储存在肌肉中的糖类有机物会经过一系列化学变化分解，变成二氧化碳和水，并将能量传递给肌肉细胞进行运动。

 

人类自己不能产生有机物，只能靠外部摄取。像人这样只能通过从外界摄取有机物作为能量来源的生物，我们称为“异养生物”。而会利用光能将低能量无机物转化为高能量有机物的绿色植物等，是“自养生物”。

 

碳的旅行就是这样一个过程，自养生物吸收能量，制造有机碳；异养生物吃进有机碳，产生无机碳，循环往复。

如果这个循环断了，就会出现问题。就像空气中的碳氧化物越来越多，就会造成温室效应和气候变化，导致气候变暖，冰川融化，海平面上升等一系列问题。同时，二氧化碳是可以溶于水的，如果海水中的二氧化碳越来越多，海水的酸碱度就会改变，将影响水生生物的正常活动。

 

另外，如果我们简单的将含碳废弃物进行处理，比如，埋入地下，虽说有可能千百万年后形成一点化石能源啥的，但是目前阶段，土壤中的含碳量会越来越低。而且，每天都产生这么多废弃物，地球很快不够埋了。

 

刚才说到，我们是异养生物，异养生物就是靠从肥沃的土壤里种出粮食、蔬菜等各种作物，直接或间接养活我们。

 

而肥沃的土壤需要养分贮量、强度和容量等因素，这些主要取决于土壤矿物质及有机质的数量和组成。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，是植物营养的主要来源之一，它与土壤的结构性、通气性、渗透性和吸附性、缓冲性有密切的关系，通常在其他条件相同或相近的情况下，在一定含量范围内，有机质的含量与土壤肥力水平呈正相关。

 

据统计，我国东北黑土的有机质含量正在下降。另外，我国果园土壤有机质偏低是目前存在的普遍问题，制约了我国水果产业可持续发展。研究表明，丰产稳产果园的土壤有机质含量应在2%以上，国家无公害苹果技术规程要求果园土壤有机质含量应在 1.5%以上，最好达到 5%~8%，但我国多数果园土壤有机质含量平均不到１%。

 

同时，土壤中还需配比合适的氮、磷、钾等矿物质。如果这些营养元素全靠人工增加（即施化肥），会破坏土壤结构，影响土壤生态圈。所以现在我们都讲究有机，有机菜，有机水果，有机肥……

 

但有机从哪里来？就是要设法使废弃物中的碳形成循环，再弄回去嘛。就像我们干工作要讲究闭环一样。

 

但是有机质长到植物里以后，被异养生物摄取，形成的废弃物又被简单的埋到了地下（垃圾和污泥填埋），或是与水泥厂、电厂的燃料一起烧成灰然后制到砖里面去了。于是，土壤中的有机质就越来越少。当然，其他矿物质也越来越少。

 

所以，污水厂的“碳中和”，不只是能量自给那么简单，而是要促进物质循环，生态平衡，这个更重要。所以您说，污水厂的能耗，虽然只占社会总能耗的1-2%，但污水厂的“碳中和”，意义不重大吗？

三、能量的来源与转化

从碳的旅行中我们看到，自养生物吸收二氧化碳和能量，形成碳水化合物；异养生物分解碳水合化物，释放和使用能量。说到底都是能量的事儿，能量是驱动世界运行的核心因素。就像《流浪地球》中，地球远离了太阳，世界堕入了黑暗与寒冷。

 

那么能量又是如何转化的？

 

我们常见的能量态包括化学能、机械能、热能、太阳能、核能和电能等几种。

 

储存在碳水化和物和化石能源中的能量都是化学能，它只有在通过燃烧或生物分解等化学反应时才能释放出来。我理解是：化学能实现了能量的储存。物体的机械运动产生机械能，风力、水力发电就是将机械能转化为电能，我们小时候还学过摩擦生电。太阳能是太阳内部氢原子发生氢氦聚变所释放和辐射的能量，我理解其实也是一种核能。电能则主要来自于其他形式能量的转换，电能也可转化为其他所需能量形式。我理解是：电能实现了能量的传输和不同能量形式的同化。

 

化学能均靠燃烧含富能有机物和化石能源产生，燃烧过程会释放大量二氧化碳。富能有机物释放能量有限，无法满足人们工业化的大量需求，而化石是不可再生能源。风能、水能和太阳能虽属于可再生能源，但不能稳定产生，也产能有限。

 

据统计，2020年化石能源发电量仍占我国总发电量的60.8%，这还没包括大量直接使用石油和天然气的机械，如汽车等，所以目前，人类还绝对依赖化石能源。

 

那么我们再来看一下核能。

 

核能来自于核裂变和核聚变。

 

核裂变（Nuclear fission）是指由质量非常重的原子核（主要是铀核或钚核），在吸引一个中子以后，分裂成两个或多个质量较小的原子核的反应形式。其中铀裂变最常见，热中子轰击铀-235原子后会放出2到4个中子，中子再去撞击其它铀-235原子，从而形成链式反应。如果链式反应不受控制，就会形成核爆炸，也就是原子弹的反应形式。核电厂一般会放控制棒（中子吸收体）去吸收中子以降低裂变速度，使核裂变处于控制之下。受控制的核裂变就是目前核电厂的形式。

 

1千克铀-235的核裂变可产生20,000兆瓦小时的能量，相当于燃烧2000吨煤所产生的能量。看起来很美好，不过，核裂变有两个巨大的限制。

 

一个限制是核裂变的主要材料是铀，地壳中铀的平均含量约为百万分之2.5，即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀。虽然铀元素的分布也算广了，但铀矿床的分布却很有限。除澳大利亚、加拿大有一些较大的富铀矿床（含铀1%～10%）外，大多数铀矿的含铀品位为0.1%～0.2%。

 

二个限制是前面我们提到过，如果链式反应不受控制，就会形成核爆炸。同时，核反应中的放射性物质极易泄露。历史上曾发生三次大的核泄露事故。1986年切尔诺贝利核事故使8吨多辐射物质泄漏，对自然环境带来的影响至少是100年（也有说完全消除影响要800年），辐射物质将持续10万年。1979年美国三英里岛的放射物质泄露，使周围80公里受到污染。

 

还有这阵子朋友圈传得沸沸扬扬的日本福岛核电站计划排放的核废水。这些核废水是2011年福岛地震后，核电站为了避免反应堆芯熔毁，引入海水冷却而产生的。

 

最近，东京电力公司计划将100万吨经过处理的核废水倒入海里，那么这100万吨水是个什么情况？据东京电力公司批露的资料显示，东电采用了反渗透系统除盐，两级过滤系统（Kurion提供的AREVA去污装置和TOSHIBA提供的LARRY系统）去铯和锶，然后再用ALPS系统去除62种核素，ALPS全称叫高级液体处理系统(Advanced Liquid Processing System)，又叫多核素去除装置(Multi-nuclide Removal Facility)。

 

但是，这套高级系统也搞不定一种叫氚的东西。

 

什么是氚[chuān] ？

 

哎，最近密集式学习，不但认识了铀[yóu]、钍[tǔ]和钚[bù]，还知道了氕[piē]、氘[dāo]、氚[chuān]，感觉自己又厉害了好多，哈哈哈~~

 

氕氘氚都是氢的同位素，氕(P)原子核内有1个质子，没有中子，就是氢；氘(D)又叫重氢，原子核内有1个质子，1个中子，氧化氘叫重水，重水也是水，不过比水重一丢丢；氚(T)又叫超重氢，原子核内有1个质子，2个中子。总之，“气”字头下面有几画，就是原子核内有几个“子”。

氕和氘不具放射性，但是氚有。网上查询资料说，由于氚的β衰变只会放出高速移动的电子，不会穿透人体，因此只有大量吸入氚才会对人体有害。不过福岛核心电站的废水含有多少氚，以及倒入海里后会稀释到什么程度，就不知道了。

 

但是总之，核裂变的放射性与危险性大，且原料铀的储量不多，政治干涉很大，核裂变的优势无法完全利用。

 

核聚变（Nuclear fusion）是核裂变相反的核反应形式，又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。

 

这里又要提到氕氘氚了。核聚变就是由质量小的原子，主要是指氘，在一定条件下（如超高温和高压），让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核聚合，生成新的质量更重的原子核（如氦），过程中伴随着巨大的能量释放（每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油）。

 

人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。也可短暂的实现可控核聚变，2020年12月4日，新一代“人造太阳”装置--中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建设并实现首次发电。目前，中国在此领域的进展居于世界前列。

 

核聚变释放的能量比核裂变更大，且无高端核废料，可不对环境构成大的污染，更重要的是，核聚变的燃料供应充足，地球上重氢有10万亿吨。

 

从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。

 

总结：污水厂“碳中和”要自力更生

虽然前景如此美好，不过，据科学家们估计，到2025年以后，核聚变发电厂才有可能投入商业运营。2050年前后，受控核聚变发电将广泛造福人类（难道国家提出2060年实现碳中和的目标，是比照这个进度提的？)

 

所以，咱们在污水厂“碳中和”的途径中提到的“坐着顺风车哼着歌愉快的实现”的碳中和路线估计还要等蛮长时间哈。况且前面论及，作为环境产业的排头兵，咱们更重要的是承担着资源循环利用、促进生态平衡的责任。

 

所以，咱们还是别等了，赶紧自力更生“碳中和”吧。