第七讲环境污染与控制大气环境保护

1、第七讲 大气环境保护,地球上的大气是自然环境的组成部分。人类一刻也离不开大气，没有大气就没有地球上的生命，就没有生机勃勃的世界。大气又是人类极其重要的自然资源。在环境保护中，对特定场所或区域，供人和动植物生存的气体称为“空气”；而以大区域或全球性的气流为研究对象时，则采用“大气”一词。,大气结构与组成 大气污染物及来源 大气污染的危害 污染物的扩散 大气污染综合防治 全球性大气污染及对策,1大气结构与组成 1.1大气结构,1、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

2、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。,2、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。 3、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. 4、暖层 气温的分布是随高度的增加而增加 5、散逸层,1.2大气的组成 大气是由多种气体和水蒸气组成的混合物，由恒定气体、可变气体和不定气体组

3、成。恒定气体在地球上任何地方的体积分数几乎是不变的；可变气体的含量往往随各地季节、天气变化和人类活动的状况而变化的；不定气体包括自然灾害和人为原因造成的大气污染物及有毒气体，后者是人类保护大气和防治大气污染的主要对象。 各种气体在整个大气中的组成列表1。,表1 大气组成,返回,2大气污染物及来源 2.1大气污染 按照国际标准化组织(1SO)作出的定义：大气污染通常是指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境的现象。 大气污染可分为四类： 1、局部地区(个体行为） 2、区域性（区域行为） 3、广域性（大区域行

4、为，如酸雨） 4、全球性（跨越国界，如温室效应）,2.2大气污染物 天然污染物和人为污染物，引起公害的往往是人为污染物。依照污染物存在的形态，分为颗粒污染物与气态污染物。 1、颗粒污染物 大气中危害最大、最严重的污染物，除固体颗粒外还包括液滴。 颗粒污染物按颗粒粒径可分为： 降尘 粒径大于10m，尘粒、粉尘(75,粗尘) 飘尘 粒径小于10m，粉尘、烟尘 液滴由蒸汽凝结、液体喷雾、雾化以及化学反应形成，粒径小于100m，如水雾、酸碱雾、油雾。,四川乐山:粉尘污染严重,乐山沙湾国宏电冶有限公司在沙湾区太平镇上空排放滚滚浓烟，过往行人低头走路不敢抬头；骑摩托车的人戴着防护镜；路边植物叶片上覆盖着白

5、色粉尘。放眼望去，本应是满眼苍翠的太平镇，却变成了灰白世界。该厂是2001年投资5000万兴建的，主要生产电石等化工产品，排放烟尘中含有大量细煤渣和石灰粉尘。几年来，该企业排放的烟尘使周围几平方公里范围内的费槽村、孙坝村等村庄，都受到不同程度地影响。在问题最严重的费槽村，1000多名村民深受其害，一些人已因此患上严重鼻炎。村民王秀兰说：“2002年以来，经常感到头昏、眼花、恶心，医院检查是鼻窦炎。去年以来，已经花了5000多元的医药费，现在仍未好转，每天都吃药”。目前，乐山市、区两级政府对此正在整治当中。 （新华社2004年11月9日）,2004年11月3日摄,河北唐县粉尘污染亟待治理,河北省

6、唐县迷城乡、白合镇一带有数十家生产工艺简陋、没有除尘设备的石灰窑和沙石厂,他们无度开山采料,使太行山山体遭到破坏。这是两名工人在唐县迷城乡境内的一个粉尘漫天飞的石灰窑工作 （新华社2005年5月10日）,2、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。 3、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

7、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。,大气主要污染物的生成机理,一、烟尘： 1. 烟尘的生成机理 （1）气态析出型。固体燃料的挥发气体、液体燃料蒸发气和气体燃料，高温缺氧热分解生成碳黑或积炭。0.010.2m。 气相脱氢聚合反应： 甲烷 CH4 2H2 + C 乙烷 C2H6 3H2+ 2C C2H6 H2 + C2H4（乙烯） 乙烯 C2H4 H2 + C2H2 C2H2 H2 + 2C,(

8、2) 液态剩余型。液体燃料不完全燃烧： 煤胞、油灰：油滴蒸发产生油蒸气燃烧时，一边膨胀发泡，一边聚缩固化，生成10300m、表面光滑致密、内部絮状、难以燃烧的空心焦粒； 石油焦：油雾滴与炽热固体壁面接触时高温裂解，形成颗粒较大的物质，结焦。 (3) 固态剩余型。固体燃料燃烧时形成，包括未燃尽固定碳和灰分（飞灰），3100m。,2. 烟尘的危害 10m能迅速沉降；10m飘尘长期悬浮，易进入呼吸系统，直接进入肺部。烟尘的化学组成很复杂，含有毒物、致癌物，引起肺癌或皮肤癌。,二、硫氧化合物,主要是SO2，SO3很少。缺氧时，还有H2S和元素S。 生成SO2的总放热反应 S + O2 SO2 火焰中的

9、淡蓝色是O原子和SO反应形成SO2时所发射的光谱。SO是一种中间产物。 1. 生成机理 （1）有机硫和H2S的氧化 H2S主要在油中。煤中有机硫500分解H2S。 H2S、S元素首先SO(H2S+O2SO+H2O ； S+O2SO+O) 再 SO+O2SO2+O ； SO+OHSO2+H,（2）无机硫的氧化 无机FeS2分解速度慢。 1)缺氧时，500，分解成S、H2S和FeS，FeS必须1400才能分解出S，再氧化成SO2。 2)富氧下，FeS2直接氧化SO2: 4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2 S含量，空气量，SO2。,（3）SO2在大气中的转化 SO2在大气中的转化速

10、度非常小。 （若存在金属氧化物、颗粒物、NOX等可作催化剂的物质，可增大SO2SO3的速度，或直接氧化为硫酸盐气溶胶，如MgO2SO2MgSO4 ，SO2和SO3与水蒸气反应都会形成硫酸蒸汽。）,2。硫化合物的危害 SO2：有强烈的辛辣、刺激性气味。浓度超过一定值，支气管收缩，鼻腔出血，呼吸困难，诱发支气管炎、肺水肿。SO2形成的硫酸烟雾，毒性作用增大34倍。 对植物造成伤害，其生长受阻，叶片出现黄褐色坏死斑、脱水、焦枯。 H2S：有毒气体，易溶于水。刺激性引起眼结膜炎；侵入血液中与血红蛋白结合，生成硫化血红蛋白而使人缺氧，窒息死亡。,三、氮氧化合物,燃烧过程中NOx的热力学平衡 N2 + O

11、2 2NO NO + O2 NO2 + O NO与NO2的生成反应的特点 燃烧中NO95，NO25； 任何温度时生成的NO都NO2； t，NO，1500 K，反应速率很小；800K，NOx数量忽略不计； 室温时只有极少量NO与NO2生成。排入大气NO，在充足的反应平衡时间下氧化成NO2。,四、其他污染物,1. CO CO是燃烧过程的中间产物，不完全燃烧产物。 RH R RO2 RCHO RCO CO R碳氢自由基团。RCO主要通过热分解生成CO。 CO的生成速率很快，氧化成CO2的速率，在火焰区CO浓度迅速上升到最大值。控制CO的排放是使之完全燃烧。 危害：毒性很大。与血红蛋白有较强亲合力，比

12、氧与血红蛋白的亲和力大200多倍。生成碳氧血红蛋白，降低血液输送氧气的功能。中枢神经受影响，降低人对各种意识的分辨能力，出现昏迷、呼吸困难，甚至导致窒息死亡。,2. 碳氢化物（HC） 来源：不完全燃烧、石油类物质蒸发。燃烧室内温度过低的区域，或者油气混合不均匀导致燃烧室内局部混气过富。 HC的热分解和氧化非常复杂，许多中间产物的反应过程和反应机理至今尚不清楚。大部分HC是700时发现。 危害：主要致癌物质,一般是多环芳烃类物质.,3. 碳烟 汽车排放的不完全燃烧产物，柴油机碳烟浓度约为汽油机的3080倍。柴油机采用扩散燃烧，燃料和空气混合不均匀。 白烟：寒冷气候起动、怠速运转，燃烧时温度过低，

13、燃料未经燃烧排出，1m以上白色液珠。 蓝烟：柴油机低负荷工作、低温运转，排出的直径在0.4m的淡蓝色液珠。 黑烟（碳烟）：柴油机高负荷运行，混合气高温缺氧，产生脱氢聚碳反应，以碳为主0.05m的固态微小颗粒。,4. 光化学烟雾 NOX、HC，在阳光的强烈照射下，发生光化学反应后形成二次污染物（臭氧、醛类、过氧乙酰硝酸酯(PAN)）等氧化剂 ，形成光化学烟雾。 NO2光解NOO OHCOH， OO2O3 O、O3、OHHCHC自由基。 HC自由基O2过氧化自由基。 各种自由基NONO2,影响光化学烟雾形成的因素,（1）污染物质及浓度。存在NO2和HC，浓度越高，各种氧化剂的浓度也必然增高。大气中

14、飘尘易吸附气态分子发生反应。 （2）太阳辐射强度。只有波长为290430nm能量较大紫外辐射，才能使NO2光解。 （3）地理位置。太阳高度越大，紫外辐射越强。大气层愈厚，到达地面的辐射能愈少。晴朗、夏季中午出现光化学烟雾的可能性最大。 （4）气象条件。晴天、阳光明媚、高气温、低湿度、低风速、有逆温层存在，易产生光化学烟雾。 此时污染物质不易稀释扩散。,2.3大气污染物的来源 1、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

15、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,2、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人大气中。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,3、农业生产过程 主要来自农药和化肥的使用。 4、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，

16、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。 返回,3大气污染的危害 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。” 大气污染的危害主要包括以下五个方面： 1、对人的伤害 2、危害生物生存和发育 3、物体腐蚀 4、粉尘危害 5、对全球大气环境的影响:酸雨、温室效应、臭氧层破坏,烟尘、粉尘污染,农田大气污染,这张拍摄于1996年11月的资料照片

17、显示清晨的美国洛杉矶城区笼罩在烟雾之中，一名晨练的人不得不戴上防毒面具。,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。,大气污染物对仪器、设备和建筑物等，都有腐蚀作用。如金属建筑物出现的锈斑、古代文物的严重风化等。,美国纽约的自由女神像也饱受酸雨的侵蚀,11：30的王府井麦当劳路口,由于本地或附近尘沙被风吹起而造成的扬沙、沙尘暴与浮尘,其共同特点是能见度明显下降，出现时天空混浊，一片黄色。扬沙天气风较大，影响的能见度在1公里到10公里之间；沙尘暴风很大，能见度小于公里。而浮尘是由于远地或本地产生沙尘暴或扬沙后，尘沙等细粒浮游空中而形成，俗称

18、“落黄沙”，出现时远方物体呈土黄色，太阳呈苍白色或淡黄色，能见度小于10公里。,酸雨：pH值低于5.6的降水。 温室效应：地球大气中存在一些微量气体，如二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、甲烷、氟利昂等，它们能让太阳短波辐射通过，同时吸收地面和空气放出的长波辐射（红外线），从而造成近地层增温。我们称这些微量气体为温室气体，它们的增温作用为温室效应。 臭氧空洞：由于地面向大气排放氯氟烃化合物过多，导致平流层里局部臭氧层浓度降低，我们称此低浓度臭氧区为“臭氧空洞” 。,返回,4大气污染物的扩散 一个地区的大气污染程度与下列因素有关。 1、源参数 源参数是指污染源排放污染物的数量、组成、排放方式、排放源的密

19、集程度及位置等。决定了进入大气的污染物的量和所涉及的范围。 2、气象条件 气象条件将决定大气对污染物的稀释扩散速率和迁移转化的途径。（具体） 3、下垫面状况 下垫面的状况不同会影响到气流的运动，同时也直接影响当地的气象条件。（具体） 返回,4.1气象条件 1、风与湍流 大气运动包括了有规则的平直的水平运动和不规则的、紊乱的湍流运动，实际的大气运动就是这两种运动的叠加。 （1）风 即空气的水平运动。描述风的两个要素为风向和风速。风对污染物的扩散有两个作用：一是整体的输送作用，风向决定了污染物迁移运动的方向；二是对污染物的冲淡稀释作用，对污染物的稀释程度主要取决于风速。,（2）大气湍流 即大气中不

20、同于主流方向的各种不同尺度的旋涡运动。与大气的垂直稳定度有关，又与近地面的风速和下垫面等因素有关。前者称为热力湍流，后者称为机械湍流，大气湍流就是这两种湍流综合作用的结果。 由于湍流混合，排人大气中污染物，不断被空气渗入，又无规则地分散到其他方向去，如此不断被稀释、冲淡。 风和湍流是决定污染物在大气中扩散状况的最直接的因子，也是最本质的因子，是决定污染物扩散快慢的决定性因素。风速愈大，湍流愈强，污染物扩散稀释的速率就愈快。,2、温度层结和逆温 大气的温度层结是指大气的气温在垂直方向上的分布。直接影响着大气的稳定程度。常用作大气湍流状况的指标，从而判断污染物的扩散情况。 近地层实际大气的情况复杂

21、，温度层结有下述三种情况： (1)气温随高度的增加而降低； (2)高度增加，气温保持不变； (3)气温随高度的增加而增加，其温度垂直分布与标准大气的相反。这种现象称为温度逆增，简称逆温。出现逆温的气层叫逆温层。 逆温层的出现将阻止气团的上升运动，使逆温层以下的污染物不能穿过逆温层，只能在其下方扩散，因此可能造成高浓度污染。如伦敦烟雾事件、洛山矶烟雾事件等,3、大气稳定度 即空气团在铅直方向稳定程度。与污染物扩散的关系密切。 一块空气做垂直运动，在上升或下降过程中可能出现三种情况： 垂直运动的气块受外力作用而离开原来的位置，当外力消失后则又继续上升，而且加速前进，这种情况称为大气不稳定。 运动的

22、气块受外力作用离开原来的位置（高度），当外力消失后即减速，最后回到原来位置，称这时的大气是稳定的。 如果气块受外力离开原来的位置，被推到另一高度，但外力消失后，就停止在这一高度，既不加速也不减速，随遇而安，此时大气是处于中性平衡状态。,物理学上把与外界没有热量交换的系统状态变化称为绝热变化。在绝热过程中系统的状态变化及向外做功靠系统的内能来完成。当气块绝热上升时，外界压力减少，必然要对膨胀做功而消耗能量，因而气块降温，反之，当气块下降时，由于外界压力加大，四周空气对气块压缩做功，气块的内能储量增加，引起温度上升，发生绝热增温。 干空气或未饱和的湿空气在绝热上升（或下降）过程中，垂直距离每改变1

23、00米，其本身温度约降低（升高）1度，此数值被称为干绝热递减率（d）。是个常数，它总是为/100m。,大气稳定度的判断,大气是否稳定，垂直运动是加大还是减小，取决于气温垂直递减率与绝热递减率的对比。 d时，上升的气块到任一高度都比周围的空气温度高，密度较小，而要加速上升。大气的这种状态是不稳定的。 =d时，则上升的气块到任一高度，其温度与四周的空气温度相同，那么气块的加速度为零，此时大气处于中性平衡状态。 结论： 气温垂直递减率越小，大气越稳定，如果很小甚至等于零（=0，等温）或为负值（0,逆温）时，大气便非常稳定。,通过大气稳定度对烟流扩散的影响，可以直观地看出大气稳定度与污染物扩散的关系。

24、不同温度层结情况下烟流的典型形状。 (1)波浪型 又称蛇形型，大气不稳定。 (2)锥型 大气处于中性或弱稳定状态。 (3)扇型 又称平展型，大气稳定。 (4)屋脊型 又称爬升型，排放口上层不稳。 (5)重烟型 又称熏蒸型，排放口下层不稳。 返回,4.2下垫面 地形或地面状况。影响该地区的气象条件，进而影响着污染物的扩散；另外，本身的机械作用也影响着污染物的扩散。 1、城市下垫面的影响 （1）城市的热力效应。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。

25、 （2）动力效应 。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、山区下垫面的影响 （1）过山气流 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。 （2）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。 3、水陆交界区对大气污染的影响 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。 返回,5大气污染综合防治 5.1大气污染根源

26、,城市空气 统计的338个城市中，36.5%的城市达到国家空气质量二级标准，63.5%的城市超过国家空气质量二级标准，其中超过三级标准的有112个城市，占监测城市的33.1%。总悬浮颗粒物（TSP）或可吸入颗粒物（PM10）年均值超过国家二级标准限值的城市占,统计城市的61.6%。20.7%的城市二氧化硫浓度年均值超过国家二级标准限值。47个环境保护重点城市中，27个城市空气质量达到国家二级标准，7个城市空气质量为三级，13个城市超过三级标准。,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

27、管理力度不够。 （5）缺乏实用的治理技术。,5.2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,5.3城市大气污染综合防治 1、制定综合防治规划，实现“一控双达标” 2、调整工业结构，推行清洁生产 3、改善能源结构，大力节约能源 集中供热 城市煤气化 普及民用型煤 积极开发清洁能源 4、综合防治及扬尘污染 汽车尾气 扬尘污染的防治 5、完善城市绿化系统 6、实施城市空气质量的周报或日报 7、大气污染气象及污染预报,返回,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,大气污染综合防治规划是指从区域(或城市)大气环境整体出发，针对该地域内的大气污染问题(如污染类型、程度、范围等)及根据对大气环境质量的要求，以改善大气环境质量为目标，抓住主要问题，综合运用各种措施，组合、优化确定大气污染防治方案。 “一控双达标” “一控”即实施污染物排放总量控制。“双达标”是指所有工业污染源都要达标排放；直辖市、省会城市、经济特区城市、沿海开放城市和重点旅游城市的环境空气和地面水环境质量，按功能分区分别达到国家标准。 所谓清洁生产，可以概括为采用清洁的能源和原材料，通过清洁的生产过