环境学概论 2大气污染

1、,第二章 大气污染与防治,第一节 大气污染概述,一、大气污染及其发生 大气污染是指大气中一些物质的含量达到有害的程度，以致影响到生态系统的平衡，威胁着人类健康和经济发展的现象。 大气污染人类活动造成的,二、大气污染源,向大气环境排放有害物质或对大气环境产生有害影响的设备、装置和场所 1、按污染物产生的类型 生活污染源 工业污染源 交通运输污染源 农业污染源,2、按排放高度： 高架源、地面源 3、按排放形态： 点源、线源、面源 4、按排放时间： 连续源、间断源、瞬时源,三、大气污染物,（一）大气污染物的概念与分类 大气污染物是指由于人类活动或自然过程排入大气的并对人体、生物或环境产生有害影响的那

2、些物质。 按存在方式可分为： 气溶胶状态污染物（颗粒物）和气态污染物,按形成过程可分为： 一次污染物:一次污染物是指直接由污染源排放的污染物 二次污染物:进入大气的一次污染物在物理、化学、生物等因素的作用下发生变化，或与环境中的其他物质发生反应所形成的物理、化学性状与一次污染物不同的新的污染物，它常比对环境和人体的危害更为严重。,（二）主要大气污染物,1、颗粒物（PM, Particle Matter ） 悬浮在大气中的固态和液态粒子 几个重要的指标 （a）总悬浮颗粒物（TSP，Total Suspended Particle ）：用标准大容量颗粒采集器在滤膜上收集到的颗粒物的总质量；,（b）

3、可吸入颗粒物（PM10）：悬浮于空中，空气动力学当量粒径小于等于10微米的颗粒物； （c）细颗粒物（PM2.5）：悬浮于空中，空气动力学当量粒径小于等于2.5微米的颗粒物； （d）降尘：用降尘罐采集部分的颗粒物； （e）飘尘：颗粒粒径小于10微米的颗粒物。,2、硫氧化物（SOx）,（1）主要污染物：SO2、SO3 （2）主要来源：燃料的燃烧、含硫矿石冶炼 形成硫酸烟雾,3、氮氧化物（NOX）,（1）主要污染物：NO、NO2，燃烧产生的NOX中，NO占90%以上 （2）主要来源：燃料燃烧、石油冶炼 城市大气中，固定源排放占1/3 、流动源（汽车尾气）排放占2/3 燃料燃烧生产的NOX有燃料型和热

4、力型 燃料型： 热力型： 参与光化学烟雾形成,4、碳氧化物,CO：无色、无味、无臭的气体,主要来自燃料的不完全燃烧，尤其是汽车尾气。 CO2:无色、无味、无毒的气体，主要来自燃料燃烧，导致温室效应加剧。,5、碳氢化合物（HC）,以碳元素和氢元素形成的化合物总称为碳氢化合物。 主要来自燃料的不完全燃烧（尤其是汽车尾气）、石油冶炼和有机物的挥发 参与光化学烟雾的形成,（三）大气污染物浓度表示方法,1）体积浓度：单位体积大气所含污染物的体积数。ppm、ppb、ppt 2）质量浓度：单位体积大气所含污染物的质量数。mg/m3、ug/m3,式中：M摩尔质量,第二节 几种典型的大气污染,一、煤碳型污染 这

5、种类型的污染物主要是SO2、PM和CO、NOX等，它们遇上低温、高湿的阴天，且风速很小并伴有逆温存在的情况时，一次污染物扩散受阻，易在低空聚积，生成硫酸烟雾。 燃煤是煤烟型污染的主要污染源。,1、燃煤排放SO2、PM 煤中含有四种形态的硫：黄铁矿硫（FeS2）、有机硫（CXHYSZ）、元素硫和硫酸盐硫。在燃烧过程中，前三种硫都能燃烧放出热量，并排放出SO2。 灰分是煤中的不可燃的无机成份，在燃烧过程中随烟气排入大气（PM）。 此外，燃煤还排放 NOx、CO和HC,2、SO2向SO3转化 1）气相氧化 直接光化学氧化 间接光化学氧化,2）液相氧化 3、硫酸气溶胶的形成 水合作用 气溶胶核的形成

6、气溶胶粒子的成长,硫酸烟雾是强氧化剂，其毒性比SO2更大。对人的主要影响是刺激其上呼吸道，附在细微颗粒上时也会影响下呼吸道,形成烟雾事件。,二、石油型污染(光化学烟雾),光化学烟雾是在一定的条件下，氮氧化物和碳氢化合物发生化学转化形成的高氧化性的混合气团。,（一）光化学烟雾的特征1污染物浓度变化曲线：,2光化学烟雾的形成条件 （1）“烟雾”形成的地理条件 纬度小于60 夏季，中午 天气晴朗、高温低湿和有逆温风力不大 （2）污染源条件 汽车排气 以石油为原料的工厂排气,（二）光化学烟雾的形成机理 1NO2光解是产生“烟雾”的关键 2碳氢化合物是产生“光化学烟雾”的主要成分：形成自由基 3、自由基

7、的作用 形成新的自由基 氧化作用：臭氧积累 与氧反应：形成醛类物质 与二氧化氮反应：形成过氧乙酰硝酸脂（PAN, peroxyacetyl nitrate ）,光化学烟雾的形成过程是由一系列复杂的链式反应组成的，是以NO2光解生成O的反应为引发，导致了臭氧的生成。由于碳氢化合物的存在，促使NO向NO2的快速转化，在此转化中自由基（特别是HO基）起了重要的作用。致使不需要消耗臭氧而能使大气中的NO转化成NO2，NO2又继续光解产生臭氧。同时转化过程中产生的自由基又继续与碳氢化合物反应生成更多的自由基，如此继续不断地进行链式反应，直到NO或碳氢化合物消失为止。所产生的醛类、O3、PAN等二次污染物

8、是最终产物。,三、酸沉降,酸沉降是指大气中的酸通过降水（如雨、雾、雪）迁移到地表，或在含酸气团气流的作用下直接迁移到地表。前者为湿沉降，后者即是干沉降。 酸沉降的研究始于酸雨研究。酸雨是指pH小于5.6的大气降水 “酸雨”一词最早是由英国化学家史密斯于1872年在他的著作空气和降雨：化 学气候学的开端中提出“酸雨”这一专有名词,酸雨为何界定为pH5.6 ？ 在清洁的大气中，可溶于水且含量比较大的酸性气体是CO2。如果只把CO2作为影响天然降水pH的因素，与纯水的平衡如下：,各组分在溶液中的浓度为：,按电中性原理有： H+=OH-+HCO3-+2CO32- 将OH-、HCO3-、和CO32-代入

9、上式，得：,式中：PCO2CO2在大气中的分压 （3.0410-4大气压） Kw水的离子积（110-14） KHCO2水合平衡常数，即亨利系数 （3.2810-2摩升-1大气压-1） K1、K2分别为碳酸的一级、二级电离常数 （4.3010-7、5.6110-11）,计算结果得pH=5.6。若大气受到酸性物质的污染，降水的pH值就会进一步降低，因此一般将pH5.6的降水称为酸雨。,降水污染指标,pH:-lgH+ 酸雨频率：酸雨次数/降水次数,电导率： 化学组成：,（一）世界酸雨发展状况,1、欧洲 1972年，瑞典政府给联合国人类环境会议提出报告穿过国界的大气污染：大气和降水中硫的影响,引起各国

10、政府关注，1973至1975年欧洲经济合作与发展组织开展了专项研究，证实酸雨地区几乎覆盖了整个西北欧。 北欧瑞典和挪威酸雨比较突出，在70年代，降水pH值已经低至4.04.5。英国则是欧洲SO2和NOx排放量最大的国家之一，酸雨也比较严重。,2、北美 1974年和以后北美证实在美国东北部和与加拿大交界地区亦发现大面积酸雨区域，几乎北美有三分之二陆地面积受到酸雨威胁，降水pH值为4.04.5，最低值出现过3.2。美国的酸雨自西向东逐渐加重。,3、亚洲 70年代首先在东亚日本、韩国发现大面积酸雨 中国是燃煤大国，随着燃煤量的增加，SO2的排放量也不断增长。1995年我国SO2排放量达到2370万t

11、，已超过美国，成为世界最大的SO2排放国。我国的酸雨污染十分严重.,80 年代，年降水pH平均值最低的地区在重庆(3.6)、贵阳(3.7)和柳州等地(82年) 90年代，最强酸雨区东移到了长沙3.53、南昌4.68和杭州3.91(95年)。,（二）酸雨的形成过程及影响因素,1、污染物的化学转化 1）SO2在大气中的化学转化,2）NOX在大气中的化学转化,光化学氧化 催化氧化,2、雨水酸化 1）云内成雨： 2）云下冲刷： 3、影响酸雨形成的主要因素 1）酸性污染物的排放及转化条件 2）大气中的氨 3）颗粒物浓度及其缓冲能力 4）天气形势的影响,（三）酸雨的危害,1、对水生生态系统的危害 湖泊酸化

12、和鱼类死亡,1982年瑞典斯德哥尔摩环境酸化国际会议上，把湖泊酸化分为3个阶段： 第一阶段是碱性下降，湖水pH值下降到6.5以前。由于水体中碳酸根和重碳酸根的中和作用，湖泊中生物组成明显变化。 第二阶段是经一段时间后， HCO3-的缓冲能力下降，pH值急剧变化,当 HCO3- 浓度低0.01mol/L时，对酸中和的能力更弱，鱼类繁殖停止，最终引起鱼类死亡。 第三阶段是湖水pH值降至4.5以下时，pH值较稳定，水中的腐殖质和铝对进一步酸化起缓冲作用。湖水清澈透明，浮游生物减少，种类单一化。,2、对陆生生态系统的危害,土壤酸化与森林死亡,3、对建筑物的危害,腐蚀金属和非金属建筑材料,4、人体健康的

13、危害 直接危害：二氧化硫、氮氧化物、酸雾直接刺激皮肤, 眼角膜和呼吸道 间接危害：铝和重金属活化,酸沉降临界负荷研究,酸沉降临界负荷是指不致使生态系统发生有长期危害影响的最高酸沉降量 我国西北地区的硫沉降临界负荷普遍超过6.4gm-2a-1(硫沉降以SO2计)，东北地区酸沉降临界负荷通常低于1.6gm-2a-1。东南部地区普遍能够接受1.63.2gm-2a-1的硫沉降。,酸沉降超临界负荷,（四）酸雨的控制,控制致酸前体物（SO2和NOX）的排放 加强区域合作 1979年11月，在日内瓦举行的联合国欧洲经济委员会的环境部长会议上，通过了“控制长距离越境空气污染公约”； 1985年，联合国欧洲经济

14、委员会的21个国家签署了赫尔辛基议定书，规定到1993年底，各国需要将硫氧化物排放量削减到1980年的70%,中国“酸雨污染控制区”和“SO2排放控制区”,一、“两控区”划分基本条件和划定范围 1 “两控区”划分基本条件 1）酸雨控制区的划分基本条件 （1）现状监测降水pH4.5； （2）硫沉降超过临界负荷； （3）二氧化硫排放量较大的区域。,2）二氧化硫污染控制区划分基本条件 （1）近年来环境空气二氧化硫年平均浓度超过国家二级标准； （2）日平均浓度超过国家三级标准； （3）二氧化硫排放量较大； （4）以城市为基本控制单元。,2、划定范围 根据上述“两控区”划分基本条件，划定“两控区”的总面

15、积约为109万平方公里，占国土面积11.4%，其中酸雨控制区面积约为80万平方公里，占国土面积8.4%，二氧化硫污染控制区面积约为29万平方公里，占国土面积3%。共涉及27个省、自治区、直辖市的175个地市 1995年，全国二氧化硫排放量为2370万吨，“两控区”范围内的排放量1400万吨，约为全国排放量的60%。因此，重点控制占国土面积11.4%的“两控区”，可以基本控制全国酸雨和二氧化硫污染恶化的趋势。,二、 政策与措施 (一)制定“两控区”综合防治规划 (二)限制高硫煤的开采和使用 (三)重点治理火电厂污染，削减二氧化硫排放总量 (四)防治化工、冶金、有色、建材等行业生产过程排放的二氧化

16、硫污染 (五)大力研究开发二氧化硫污染防治技术和设备 (六)做好二氧化硫排污收费工作，运用经济手段促进治理 (七)强化“两控区”环境监督管理,第四节大气中污染物的扩散,一、影响空气污染的气象因素 1、风和湍流 （1）风 水平方向的空气运动称为风，风是一个矢量，具有大小和方向。 风速用来表示风的大小，风向是指风的来向。 风速：u3.02F 3/2 （km/h） 式中F为风力等级，012级,风对空气污染的影响 风速的大小决定着污染物的稀释扩散程度，通常污染物在大气中的浓度与平均风速成反比； 风向影响污染物的扩散方向，使污染区总是处在污染源的下风向地区 污染系数风向频率该风向的平均风速 风向频率是指

17、吹某一方向的风的次数与总观测次数的比值。,（2）湍流湍流：大气的无规则运动称为大气湍流。引起大气中污染物的扩散,2、温度层结与大气稳定度,温度层结：大气的温度和密度在垂直 方向上的分布 大气稳定度：垂直方向大气的稳定程度 逆温：气温随高度增加而上升的现象,不同温度层结下的烟型 翻卷型 锥型 平展型 上升型 熏烟型,二、影响大气污染的地理因素,1、山区地形 山风和谷风,2、海陆交界面海风和陆风,白天,晚上,3、城市热岛环流城市热岛环流：由城乡温度差引起的局地风。 污染物向市中心输送 低层大气不稳定,三、大气中污染物扩散模型,（一）高架连续点源高斯扩散模式 1、建立坐标系： 坐标系取排放点在地面的

18、投影点为原点; z轴垂直于水平面，向上为正;主风向为x轴;y轴在水平面内垂直于x轴，,2、假设条件：(1)污染物浓度在y、z轴方向上的分布符合高斯分布(正态分布);,(2)在全部空间中风速是均匀的、稳定的； (3)源强是连续均匀的； (4)在扩散过程中污染物质量是守恒的。,上式中： 平均风速,m/s； Q源强是指单位时间内污染源污染物排放污染物的数量，mg/s。 y侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离x的函数，m； z竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离x的函数，m； 未知量浓度c、待定函数A(x)、待定系数a、b； 式、组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程

19、式可解。,4、高架连续点源扩散模式 高架源既考虑到地面的影响，又考虑到高出地面一定高度的排放源。按全反射原理，可用：“像源法”处理这类问题。 可以把P点污染物浓度看成为两部分作用之和，一部分实源作用，一部分是虚源作用。见下页图：相当于位置在（0，0，H）的实源和位置在（0，0，-H）的像源，当不存在地面时在P点产生的浓度之和。,（1）实源作用： 由于坐标原点原选在地面上，现移到源高为H处，相当于原点上移H，即原式中的Z在新坐标系中为（Z-H）,不考虑地面的影响，则：,在烟气下风向有害物质的分布： 1、在烟气下风向，有害物质的平均浓度与有害物质的排放量成正比。 2、在烟气下风向，有害物质的平均浓

20、度与烟囱的有效高度的平方成正比。 3、对于同一烟囱高度，下风向有害物质的平均浓度与平均风速呈反比,4、下风向，地面有害气体的浓度分布不是直线形的，最大浓度出现的地点随大气的稳定状况而定。 在大气不稳定的情况下，最大浓度往往出现在靠近烟囱处。 在大气状况稳定时，最大浓度出现在离烟囱较远的下风向。,（二）污染物浓度的估算,q 源强 计算或实测 平均风速 多年的风速资料 H 有效烟囱高度 、 扩散参数,1.烟气抬升高度的计算,Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加1020）,Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下,提高烟气抬升高度措施： 一是提高排烟

21、温度，以减少烟道和烟囱的热损失；提高排烟温度Ts就会增加烟气的浮力； 二是增加烟气的喷出速度，可以增加烟气上升的惯性力作用，但出口速度过大，会促进烟气与空气的混合，反而减少了浮升力作用。 三是增加排出的烟气量，即使喷出速度和排烟温度不变，如果增加烟气的排出量，对惯性力和浮升力作用均有帮助。因此，实际应用中可将分散的烟囱集合起来排放，以增加排出的烟气量。,2、扩散参数的确定,1）PG曲线法,根据常规资料确定稳定度级别,利用扩散曲线确定 和,2）数学模型法,制定地方大气污染物排放标准的技术方法 ( GB/T 3840-91 ),某电厂烟囱高度30米，出口内径1.2米，烟气出口速度5米/秒，烟气温度

22、327度，二氧化硫排放量为270克/秒。大气温度27度，平均风速4米/秒，大气稳定度为D。试估算下风向地区二氧化硫地面最大浓度。 解： 1. H=30+4.68=34.68 2.,3. 4.,5.,第五节大气污染综合防治与管理,一、主要大气污染物控制技术,(一)颗粒物净化技术,除尘器分类: 机械式除尘装置 袋式除尘装置 湿式除尘装置 静电除尘装置,重力沉降室,其原理是使含尘气体中的尘埃借助重力作用使之沉降而达到除尘的目的。 对粒径较大的尘埃具有较好的作用，而对较小的尘粒的去除率低，除尘效率约为5060，因此只能作为初级除尘手段。,惯性力除尘装置,利用粉尘与气体在运动时的惯性力不同，通过使含尘气

23、体冲击挡板或使气流急剧改变流向，然后借助尘粒的惯性力将尘粒从气流中分离而达到分离除尘的目的。,离心力除尘装置,通过使含尘气体在装置中进行高速旋转而使气体中的尘粒产生较大的离心力，从而与气体分离。 除尘效果也较前两种高（8090）。但对细小的尘粒（5um）去除效果较低。,袋式除尘装置,使含尘气体通过多孔滤料，把气体中的尘粒截留下来而达到除尘的目的。 除尘率高（99以上），且对细粉有很强的逋集作用。不适用于处理含水、含油及粘结性粉尘，不适合处理高温气体。,湿式除尘装置,利用液体所形成的液滴、液膜、雾膜等洗涤含尘气体而达到除尘的目的。 除尘效果好而且能除去气流中一些有害气体；但是用水量大，易产生腐蚀

24、性液体及废水。,静电除尘装置,利用高压直流电源（40000V）产生的不均匀电场，使尘粒带电而向电极迁移，尘埃聚集在电极上而达到除尘的效果。 适用范围广，除尘效率高（可达99），且能耗低，但设备投资大，设备庞大，占地面积大。,（二）二氧化硫净化技术,目前控制燃烧生成的SO2，主要方法有：燃料脱硫、燃烧过程脱硫和烟气脱硫。 1. 燃料脱硫 1）煤炭的洗选：煤炭中的硫主要以无机的硫化铁（黄铁矿）和有机硫化物两种形式存在，前者占2/3。黄铁矿比重比煤大，且具有磁性，因此可用重力分离或磁分离法将黄铁矿去除，分选后原煤含硫量降低60%左右。净化效率取决于煤中无机和有机硫的含量。,2）煤炭的转化：主要是煤的

25、气化或液化，即对煤进行脱碳或加氢改变其原有的碳氢比，将煤料变成清洁的二次燃料。煤气中的硫主要以H2S形式存在，可用湿法脱除大部分H2S，再用干法除去其余部分。 3）重油脱硫：常用脱硫方法是在钼、钴和镍等的金属氧化物催化剂作用下，通过高压加氢反应、切断碳硫的化合键。以氢置换出碳，同时与硫作用形成硫化氢，从重油中分离出来而除去。,2. 燃烧脱硫：常用的脱硫剂是石灰石或白云石。 3.排气脱硫：烟气中SO2浓度一般低于0.5%，给脱硫技术带来不少困难，合理地选择烟气脱硫工艺必须考虑环境、经济、社会等多种因素。烟气脱硫方法一般可分为湿法（石灰石洗涤法、氨法）和干法（喷雾干燥吸收法）两大类。,（三）汽车尾

26、气的催化净化,由于燃油在气缸中燃烧不充分，氧气不足，汽车排放污染物中含有大量的CO和HC,同时还排放大量的NOx。 三元催化净化法:,催化还原NOx：利用尾气中的O2、NOx为氧化剂，CO、CnHm为还原剂，在理论空燃比附近可发生如下反应： 2CO+2NO=N2+2CO2 CnHm +NO N2+CO2+H2O 催化氧化CO和CnHm： 2CO+O2=2CO2 CnHm(n+0.25m)O2=nCO2+0.5mH2O,二、大气污染综合防治,所谓大气污染综合防治，即从区域环境整体出发，综合运用各种防治大气污染的技术措施和对策，充分考虑区域的环境特征，对影响大气质量的多种因素进行综合系统分析，提出

27、最优化对策和控制技术方案，以期达到区域大气环境质量控制目标。 (一) 合理利用环境自净作用 合理布局工业 选择有利的污染物排放方式 发展绿色植物,(二)控制或减少污染物排放 调整工业结构 改变燃料构成和能源结构 改革工艺设备、改善燃烧过程 集中供热,（三）加强大气环境质量管理,编制大气污染防治规划 环境质量监测与污染源监督管理 （四）加强环境意识教育，促进全球合作,三、大气环境标准,1、环境质量标准 环境质量标准是为了保护人群健康、社会物质财富和维持生态平衡，对一定空间和时间范围内的环境中的有害物质或因素的容许浓度所做的规定。 它是环境政策的目标，是制定污染物排放标准的依据，是评价环境质量的标

28、尺和准绳。,2、污染物排放标准,是为实现环境质量标准，结合技术经济条件和环境特点，对污染源排入环境的污染物浓度和数量所做的限量的规定。 污染物排放标准是实现环境质量标准的手段，其作用在于直接控制污染源,环境空气质量标准Ambient air quality standardGB 30952012,主题内容与适用范围 本标准规定了环境空气质量功能区划分、标准分级、污染物项目、取值时间及浓度限值，采样与分析方法及数据统计的有效性规定。 引用标准 3 定义,4 环境空气质量功能区的分类和质量要求 4.1 环境空气质量功能区分类 一类区为自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区 二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、工业区和农村地区 4.2 环境空气功能区质量要求 一类功能区适用一级浓度限值 二类功能区适用二级浓度限值,基本监测项目： SO2 、 NO2、CO、O3、 PM10、 PM2.5