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哈尔滨工业大学公共课 环境保护概论 第三章 大气污染与防治 第一节 概述 一、大气及大气污染物 1. 大气的组成 （1）恒定的组分：氮、氧、氩（这三项占99.96%）氖、氦、 氪、氙、氡等 （2）可变的组分：二氧化碳、水蒸气 通常占0.020.04%及 4%以下，仅含（1）（2）的认为是洁净大气 （3）不定的组分：a. 自然界灾害造成的 b. 人类社会发展造成的 2. 大气的作用 （1）维持生命 （2）合成有机物 （3）大气圈防辐射 （4）调节气候 （5）大气是某些环境物质运移的载体 空气 成分 恒 定 气 体可 变 气 体 氮 气 氧 气 稀有 气体 二氧 化碳 尘埃和 其它气体 水蒸气 含量 （%） 78210.90.030.03 大气组成 3. 大气圈的结构 大气圈：随地球引力而旋转的大气层。 （1）均质层 对流层 平流层 中间层 （2）非均质层（暖层） （3）外大气层（逸散层） 第三章 第一节 大气结构 逸散层 暖层 中间层 平流层 对流层 地球 对流层 平均厚度约为12km，集中了占大气总质量75的空气和 几乎全部的水蒸气量，是天气变化最复杂的层次。具有两个 特点。 (1)气温随高度增加而降低 高度每增加l00m，气温约下降 0.65。 (2)空气具有强烈的对流运动 对流层中气象条件复杂，既有形成污染物易于扩散的条件 ，又会出现污染物。 平流层 对流层层顶之上1255km处的大气为平流层。平流层内温 度垂直分布的特点是大气温度随高度的增加而升高。这一方 面是由于它受地面辐射影响小，另一方面也是由于该层含有 臭氧，存在着臭氧层。臭氧层可直接吸收太阳的紫外线辐射 ，造成了气温的增加。 中间层 平流层顶5585km高处的大气为中间层。无臭氧组分，气 温随高度的增加而迅速降低. 暖层 气温的分布是随高度的增加而增加 逸散层 第三章 第一节 二、大气污染与大气污染物 1. 大气污染 （1）定义：由于自然或人类活动使大气中某些物质浓度超 过一定数值，并持续足够时间，从而危害了人体健康和环境 ，称为大气污染。 （2）大气污染类型及主要特征 大气污染按影响范围可分为四类： 局部地区(个体行为） 区域性（区域行为） 广域性（大区域行为，如酸雨） 全球性（跨越国界，如温室效应） 按污染物类型可分为四类： 煤烟型污染、石油型污染、混合型污染、特殊型污染 （3）造成大气污染的主要因素 排放量、气象条件、地形条件、地物 2. 大气污染物 按状态可分为： （1）气溶胶状态污染物 按照气溶胶的来源和物理性质可将其分为： 粉尘、烟、飞灰、黑烟、雾 按大气中的粉尘(或烟尘)颗粒的大小分为： 飘尘、降尘、总悬浮微粒 沙尘可分为：浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴 （2）气体状态污染物 按形成过程可分为： （3）一次污染物 （4）二次污染物 第三章 第一节 PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的 颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直径还 不到人的头发丝粗细的1/20。虽然PM2.5只 是地球大气成分中含量很少的组分，但它对 空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗 的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大 量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间 长、输送距离远，因而对人体健康和大气环 境质量的影响更大。2012年2月，国务院同 意发布新修订的环境空气质量标准增加 了PM2.5监测指标。 气态污染物 (1)含硫化合物 SO2、SO3和H2S等。 (2)含氮化合物 NO、NO2、NH3等。 (3)碳氧化合物 CO和CO2。 (4)碳氢化合物 有机废气。 (5)卤素化合物 含氯和含氟化合物。 二次污染物 污染源直接排入大气未发生性质改变的污染物称为一次污染物 ，一次污染物之间或一次污染物和大气原有组分发生化学反应后 生成的新的污染物称为二次污染物。 以石油为能源，排入大气的一次污染物，在太阳紫外线的作用 下发生光学反应，参与光化学反应的一次和二次污染物的混合物 ，所形成的烟雾污染称为光化学烟雾，也称洛杉矶型烟雾。 以煤为原料，大气中的烟尘、SO2，与水蒸气混合并发生化学 反应所生成的烟雾，称为硫酸烟雾，也称伦敦型烟雾。 三、大气的污染源 1. 大气污染源分类 （1） 按污染源存在形式分：固定污染源、移动污染源 （2） 按污染源排放形式分：点源、线源、面源 （3） 按污染物排放空间分：高架源、低架源 （4） 按污染物发生类型分：工业污染源、农业污染源、 生活污染源、 交通污染源 （5） 按主要来源分：燃料燃烧、工矿企业生产、交通运输 第三章 第一节 大气污染物的来源 燃料燃烧 火力发电厂、钢铁厂等工 矿企业的燃料燃烧，各种工业 窑炉的燃料燃烧以及各种民用 炉灶、取暖锅炉的燃料燃烧均 向大气排放出大量污染物。燃 烧排气中的污染物组分与能源 消费结构有密切关系。发达国 家能源以石油为主，大气污染 物主要是一氧化碳、二氧化硫 、氮氧化物和有机化合物。我 国以煤为主，主要大气污染物 是颗粒物和二氧化硫。 火力发电厂 水泥厂 工业生产过程 化工厂、石油炼制厂、 钢铁厂、焦化厂、水泥厂等 各种类型的工业企业，在原 材料制成成品的过程中，都 会有大量的污染物排入大气 中。这类污染物主要有粉尘 、碳氢化合物、含硫化合物 、含氮化合物以及卤素化合 物等多种污染物。 土法炼焦 农业生产过程 主要来自农药和化肥的使用。 交通运输 车辆行驶产生的扬尘和排放的汽车尾气，轮船、机车燃料 燃烧排放的烟尘。也是二次污染物的主要来源。 根据对烟尘、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳四种主要污染 物的统计，我国大气污染物主要来源于燃料燃烧，其次是工业 生产与交通运输，它们所占的比例分别为70、20和10； 燃料构成以燃煤为主，约占能源消费的75。煤的燃烧为我国 大气污染物的主要来源，同时也形成了我国煤烟型大气污染的 特点。因此，控制煤烟型的大气污染，将是我国近期大气污染 防治的主要任务。 2. 大气污染物的危害 世界卫生组织和联合国环 境组织发表的一份报告说： “空气污染已成为全世界城 市居民生活中一个无法逃避 的现实。” （1）伤害人体健康 （2）危害生物生存和 发育 （3）腐蚀物体 （4）影响全球大气环 境 三条途径： a. 人体表面接触后受到伤 害 b. 食用含有大气污染物的 食物和水中毒 c. 吸入污染的空气后患了 种种严重的疾病 三条途径： a. 使生物中毒或枯 竭死亡 b. 减缓生物的正常 发育 c. 是降低生物对病 虫害的抗御能力 第二节 大气污染物的扩散 一、影响大气污染物扩散的气象因子 1. 气象的动力学因子 （1）风 主要影响包括风向和风速的大小两个方面 风向频率：指某方向的风占全年各风向总和的百 分率（风向玫瑰） 风向影响着污染物的扩散方向（污染源设置位置 ） 风速的大小决定着污染物的扩散和稀释状况 （2）湍流 随高度变化、风向、风速的大小，湍流都可能有 变化 2气象的热力因子 （1）温度层结与逆温 温度层结指随垂直地球表面方向上的气温分布，决定着大 气的稳定度，进而影响湍流强度，与大气污染关系密切。 若随高度增高，温度也增高，就出现了逆温。 据不同原因逆温可分为：辐射性逆温、沉降性逆温、湍流 性逆温、锋面逆温、地形逆温 减少污染的途径：横向扩散、垂直方向稀释 （2）大气稳定度 指垂直方向上大气的稳定程度，即大气是否易于发生对流 ，与气温减低率有关，分为六个级别。 3辐射和云的作用 4气压分布 第三章 第二节 二、地理因素 1地形地物的影响 通过对气流的阻挡，使得气流的速度与方向复杂化，且 造成小尺度的涡流，阻碍烟气的扩散。与建筑物的形状、大 小、高矮及烟囱高度有关，烟囱越矮，影响越大。 2局部气流的影响 （1）城市热岛效应 由于城市人的活动和工业生产，使其温度比周围郊区温 度高的现象成为城市热岛效应。城市热高，城市地区热空气 上升，并在高空向四周辐散，而四周郊区较冷的空气流来补 充，形成了城市特有的热力环流热岛环流。 （2）山谷风 气流过山时，在山坡、山脚形成的上升、回旋或下沉气 流，称之为过山气流。 坡风和谷风 坡风：夜间冷空气滑向谷底或白天从谷底吹向山坡。 谷风：白天，风从平原吹向山谷。 第三章 第二节 （3）海陆风 在水陆交界处(沿海、沿湖地带)，海陆风的环状气流不能 把污染物完全输送、扩散出去，当海陆风转换时，原来被陆 风带走的污染物会被海风带回原地，形成重复污染。 3降水和雾的影响 三、其他因素 1污染源污染物的成分和性质 成分及物理、化学性质 2污染源的几何形状和排放方式 点源、线源、面源 3源强、源高的影响 四、有害物质的联合作用 协同作用，抵抗作用 五、二次污染 第三章 第二节 第三节 全球性大气污染及其控制对策 一、全球气候变暖 1影响全球气候变暖的主要因素 （1）温室效应 （2）温室气体：二氧化碳、臭氧、甲烷、氟里昂 、一氧化二氮等。 （3）温室气体的浓度变化与地球变暖趋势 a. 二氧化碳 b. 甲烷 c. 氟氯烃（氟里昂） 2全球气候变暖对人类及环境的影响 （1）沿海地区的海岸线变化 （2）气候带移动 （3）物种变化 （4）对中国的影响 3. 温室效应的防治对策 a 温度带的移动 b 降水带的移动 c对农业影响有利有弊 （1）调整能源结构 （2）加强绿化，限制毁林 （3）控制人口增长，提高粮 食产量 （4）加强环保教育，促进全 球合作 第三章 第三节 发达国家负有减少温室气体的主要责任 占世界人口不到24的发达国家，消费了世界能源 的75。1997年12月在日本京都召开联合国气候 变化框架公约第三次缔约方会议，通过一项议定- -京都议定书，要求38个国家以1990年排放的温室气 体为基数，2008至2012年间，实现平均减排5.2。 【“后京都”问题】 年至年第二承诺期发达国家如何进 一步降低温室气体的排放，即所谓“后京都”问题是 年月在丹麦哥本哈根举行的联合国气候变化大 会的主要议题。年月日，联合国气候 变化大会产生了“巴厘路线图”，“路线图”为年 前应对气候变化谈判的关键议题确立了明确议程。 值得指出的是，一些媒体在报道中称，议定书 年到期，需要新的协议取代它，这是曲解。 年到期的只是议定书第一承诺期，而并非议定书本身， 议定书作为一种模式将长期存在，长期有效。不过，的 确有一些发达国家对议定书遵循公约制定的“共同 但有区别的责任”原则不满，最近几年试图抛开议定书 ，另起炉灶，让发展中国家也参与强制减排。 年月，在印度尼西亚巴厘岛举行的联合国气候变化大会通过了“ 巴厘路线图”，为应对气候变化谈判的关键议题确立了明确议程。按照“巴厘路 线图”的要求，一方面，签署京都议定书的发达国家要履行京都议定书 的规定，承诺年以后的大幅度量化减排指标；另一方面，发展中 国家和未签署京都议定书的发达国家（主要指美国）则要在联合国气 候变化框架公约下采取进一步应对气候变化的措施。这就是所谓“双轨”谈判 。 “巴厘路线图”设定了两年的谈判时间，即年年底的哥本哈根大会完 成年后全球应对气候变化新安排的谈判。哥本哈根大会最终形成的 哥本哈根协议延长了“巴厘路线图”的授权，从而保证了“双轨”谈判继续工 作，以最终达成具有法律约束力的协议。 年举行了五轮谈判，为哥本哈根新协议铺路。年 月日，联合国气候变化大会分别以联合国气候变化框架公约及京 都议定书缔约方大会决定的形式发表了不具法律约束力的哥本哈根协议 。哥本哈根协议决定延续“巴厘路线图”的谈判进程，授权联合国气候 变化框架公约及京都议定书两个工作组继续进行谈判，并在 年底完成工作。 遗憾的是，由于发达国家与发展中国家在减排责任和义务上的巨大分歧， 气候谈判进展十分缓慢，成果不大。 二、臭氧层受损 1臭氧层的破坏 （1）臭氧层作用 （2）臭氧空洞出现 （3）臭氧层受损原因 a. 亚马逊河不断出现的水灾 b. 极地低温 c. 随着太阳黑子活动的自然周期变化 d. 人类过多使用氟氯烃（CFCS）类物质 第三章 第三节 2臭氧层破坏对地球环境危害和影响 (1) 对人类和动物健康影响 (2) 对植物和农作物的影响 (3) 对水生生态影响 (4) 对空气质量影响 (5) 对材料影响 (6) 改变大气辐射平衡 3控制对策 （1）针对CFCS a.提高利用效率，降低操作损失 b.回收与再循环 c.改进CFCS产品 d.生产CFCS非产品的替代品，停止生产 （2）绿色环保标志的推行 第三章 第三节 三、酸雨 酸沉降：a. 湿沉降 pH值低于5.6的降水 b. 干沉降 大气中所有酸性物质转移到大地的过程 1. 酸雨的形成 +NO2 太阳光 +H2O +SO2 HNO3 O3 O HO H2SO4 2. 酸雨的危害 （1）酸雨对对水生生态态系统统的影响 （2）酸雨对陆对陆 生生态态系统统的影响 （3）对对各种材料的影响 （4）酸雨对对人体健康的影响 3. 酸雨的防治措施 第三章 第三节 去除二氧化硫及氮氧化物 的技术： a. 原煤脱硫 b. 优先使用低硫燃料 c. 改进燃煤技术，减少二 者排放量 d. 通过净化回收装置回收 利用，控制排放 干式沉降 湿式沉降 酸雨形成机理 一、大气污染现状和根源 以煤烟型为主，主要污染物是SO2和烟尘。 第四节 大气污染治理技术与综合防治 烟尘、粉尘污染 农田大气污染 酸雨因pH小于5.6，造成土壤、岩石中的有毒金 属元素溶解，流入河川或湖泊，严重時使得魚类大 量死亡。 根源 （1）环境意识薄弱，对可持续发展战略 认识不足。 （2）能源、利用不合理，能源浪费严重 。 （3）大气污染防治的资金投入不足。 （4）执法不严，监督管理力度不够。 （5）缺乏实用的治理技术。 从区域环境的整体出发，充分考虑该地区的环境特征(如我国 应减少直接燃煤作为能源，改用清洁能源，控制汽车排气等)，对 所有能够影响大气质量的各项因素作全面、系统的分析，充分利 用环境的自净能力，对多种大气污染控制技术的可行性、经济合 理性、设施可能性和区域适应性等作出最优化的选择和评价，从 中得到最优的控制技术方案和工程措施，达到整个区域的大气环 境质量控制目标。 二、大气污染的综合防治定义与原则 污染综合防治原则 1、以源头控制为主，实施全过程控制 2、合理利用大气自净能力与人为措施相结合 3、分散治理与综合防治相结合 4、按功能区实行总量控制与浓度控制相结合 5、技术措施与管理措施相结合 1、全面规划、合理布局 2、严格环境管理 3、清洁生产，将源头的污染物减到最低点 4、植树造林、绿化环境 三、大气污染的综合防治策略 四、区域大气污染综合防治 区域大气污染，目前最突出的问题是SO2的大量排放 所造成的污染以及由此而导致的大面积酸雨的发展 1、我国酸雨和SO2的污染现状 监测的494 个市（县）中，出现 酸雨的市（县）249个，占50.4%； 酸雨发生频率在25%以上的160 个 ，占32.4%；酸雨发生频率在75% 以上的54 个，占11.0%。全国酸雨 分布区域主要集中在长江沿线及以 南青藏高原以东地区。主要包括浙 江、江西、湖南、福建的大部分地 区，长江三角洲、安徽南部、湖北 西部、重庆南部、四川东南部、贵 州东北部、广西东北部及广东中部 地区。 2、划分“两控区”，控制酸雨和SO2污染 治理酸雨污染，即控制住SO2排放总量。 根据1995年新修订的中华人民共和国大气污染防治 法，决定在全国划定酸南控制区和SO2污染控制区(“ 两控区”)，强化对酸雨和SO2的污染控制。 依此划定，“两控区”总面积约占国土面积11.4，“ 两控区”内SO2排放量约占全国的60。 控制目标：到2000年，遏制酸雨和SO2污染恶化的趋 势，区内排放SO2的工业污染源要达标排放；SO2排放 量控制在1995年水平；重点城市环境空气S02浓度达到 国家环境质量标准；酸雨恶化的趋势得到缓解。 2010年，酸雨和SO2污染状况明显好转；SO2排放量 控制在2000年排放水平之内；控制区内所有城市环境空 气SO2浓度都达到国家环境质量标准；酸雨控制区降水 pH4.5地区面积明显减少。 3、控制措施 禁止、限产和关停煤层含硫份大于3%的矿井； 含硫份大于1.5%的煤矿，应设煤炭洗选设施； 禁止在大中城市城区及近效区新建燃煤火电厂； 燃煤含硫量大于1%的电厂要在2010年前完成二氧化硫减排的 措施； 从环境管理角度，提出具体计划实现控制目标。 4、综合防治 防治重点：“两控区”二氧化硫；城市烟尘、粉尘；机 动车排气污染。 控制目标：工业污染源和机动车限期达标排放，实现 烟尘、粉尘和二氧化硫总量控制指标，全面推动机动车 车用汽油无铅化；重点城市大气环境质量按功能区达到 国家标准，控制酸雨污染。 主要采取对策： 地方政府对环境质量负责，走可持续发展的道路 发展清洁能源，改善能源消费结构 推行煤炭洗选加工，控制高硫份、高灰份煤炭污染 淘汰落后生产工艺 加强大气污染防治实用技术的推广。 完善环境监督管理制度 认真履行保护全球大气环境的国际公约 天蓝云白、绿草如茵，由于对大气污染的控制 ，环境质量越来越好 2010 年，二氧化硫排放量为2185.1 万吨，烟尘排 放量为829.1万吨，工业粉尘排放量为448.7 万吨， 分别比上年下降1.3%、2.2%、14.3%。 汽车是机动车污染物总量的主要贡献者，其排放的 一氧化碳和碳氢化合物超过70%，氮氧化物和颗粒 物超过90%。经过近30 年的发展，中国机动车环境 管理工作取得了较大进展。2009 年，新生产轻型汽 车的单车污染物排放量比2000 年下降了90%以上。 通过排放标准的快速升级，机动车排放总量没有随 着保有量的快速增长而同比增长。与1980 年相比， 中国机动车保有量增加了25 倍，排放总量仅增加了 12 倍，有效减缓了机动车日益增长给环境带来的巨 大压力。 2010 年5 月11 日，国务院办公厅转发环境保护部等九部门 关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量指导意 见，明确了中国今后一段时间内大气污染防治的指导思想 、工作目标和重点措施，是中国第一个综合性大气污染防治 政策。2010 年11 月9 日，环境保护部下发关于编制的通知，决定在长 三角、珠三角、京津冀三大区域和成渝、辽宁中部、山东半 岛、武汉、长株潭、海峡西岸六个城市群（简称“三区六群” ）启动“十二五”重点区域大气污染联防联控规划编制工作。 五、大气污染防治法和空气质量日报 空气质量公报是根据国家确定的空气质量控制网络在城市 的固定站位监测，得出各种污染物质日平均浓度，经计算后公 布的空气污染指数（简称API）。 API指数 空气质量 级别 空气质量 描述 对人体影响 050优人群正常活动 51100良人群可正常活动 101200轻度污染长期接触，易感人群出现刺激症状 201300中度污染 一定时间接触后，心、肺病患者症 状显著加剧，运动耐受力降低，健 康人群普遍出现症状 300以上重度污染 健康人群出现明显强烈症状，降低 运动耐受力，提前出现某些疾病 1、除尘技术 从废气中回收颗粒污染物的过程称为除尘。实现 上述过程的设备装置称为除尘器。 除尘装置的技术性能指标 技术指标常以气体处理量、净化效率、压力损失等 参数表示。 除尘装置的分类 依照除尘器除尘的主要机制可将其分为机械式除尘 器、过滤式除尘器、湿式除尘器、静电除尘器等四类 。 六、大气污染控制技术 第三章 第四节 （1）机械式除尘器 a. 重力沉降室 处理含尘粒子密度大，粒径40m，压压力损损失 50100Pa，除尘尘效率40%60% b. 惯惯性除尘尘器 处理含尘粒子密度大，粒径15m，压压力损损失 1001000Pa，除尘尘效率大于重力沉降室 c. 旋风风除尘尘器 处理含尘粒子密度大，粒径5m，压压力损损失 8001500Pa，除尘尘效率好于重力沉降室和惯惯性除尘尘 器，可达80% 第三章 第四节 （2）电除尘器 常用于处理室内空气（电晕极为正极）工业除烟气（电晕极为负 极） ，0.1m烟尘尘，压压力损损失（干）100200（湿）Pa，除尘尘 效率99.9% （3）湿式除尘尘器（主要利用惯性、扩散作用） 去除气、固、液粒子，粒径0.120 m，除尘尘效率比干式的高 。 水气尘接触有三种方式：水滴、水膜、气泡 （4）过滤式除尘器（空气过滤器） 采用滤纸或玻璃纤维等填充层作滤料通风及空气调节 采用纤维织物作滤料（袋式除尘器）工业废气除尘方面应 用，除尘效率一般可达99%以上，是最古老的除尘方法之一。 采用廉价的砂、砾、焦炭等颗粒物作为滤料（颗粒层除尘器） 工业锅炉的除尘 第三章 第四节 2.吸收法净化气态污染物 减少、消除，转化为有用产品 化学吸收：用碱液吸收烟气中的SO2，NOx。 物理吸收：用水吸收醇类和酮类物质。 还需对吸收液进一步处理，以免造成二次污染。 3吸附法净化气态污染物 吸附质 吸附剂 物理吸附：分子之间引力 化学吸附：化学键力 工业上广泛应用的吸附剂主要有四种：活性炭、活性氧化 铝、硅胶和沸石分子筛。 用于净化气态污染物的吸附设备，有固定床、移动床和流 化床三种。 4其他方法 冷凝法、催化转化法、直接燃烧法、膜分离法，以及生物 法等 第三章 第四节 低浓度SO2废气治理 SO2是量大、影响面广的污染物。常用的脱除SO2 的方法有抛弃法和回收法。抛弃法是将脱硫的生成物 作为固体废物抛掉，美国、德国等一些国家多采用此 法。回收法是将SO2转变成有用的物质加以回收，成本 高，所得副产品存在着应用及销路问题。我国应以回 收法为主。低浓度SO2治理，目前还缺少完善的方法。 已应用的脱除SO2的方法有湿法（即用液体吸收剂洗 涤烟气，吸收所含的SO2）、干法（即用吸附剂或催化 剂脱除废气中的SO2）。 （1）湿法 氨法 钠碱法 钙碱法 （2）干法 活性炭吸附法 催化氧化法 烟气脱硫处理设备 处理工序图 1.