大气污染及其防治 大气是人类和一切生物赖以生存的必需条件。大气质量的优 劣,对人体健康和整个生态系统都有着直接的影响。人类又通过各种 生产和生活活动影响和改变着大气环境,使其质量恶化,甚至造成严 重的大气污染事件。因此,大气污染已引起人们的极大关注,研究和 控制大气污染已成为当前十分迫切的环境问题 第一节大气污染概述 大气圈的结构和组成 覆盖于地球表面随地球引力而旋转的空气层叫大气圈。它的厚度 般认为有1400km,超出这一高度就成为空气极其稀薄的宇宙空间了 由于受地球引力的作用,大气质量在垂直方向上分布极不均匀,其质 量的50%集中在离地球表面5~6km以下,99%集中在30km以下,且离 地球表面愈近密度愈大。 (一)大气圈的结构 根据大气的成分、密度、温度等性质在垂直方向上的变化,可将 大气层分成5个层次。 1.对流层它的下界是地面,上界随纬度和季节而不同,低纬度 为16~18km,中纬度为10~12km,高纬度8~9km。对流层相对于整 个大气圈来说是很薄的,但它的质量却占整个大气圈的3/4,并几乎 占去了全部的水汽。其特点是: (1)气温随高度的升高而降低,大约每上升100m,气温平均下降 0.65℃。 (2)在该层中有大规模的垂直对流和水平对流运动,湍流混合强 烈 雾、雨、雪等天气现象都发生在此层 (3)该层对人类生产、生活影响最大,大气污染现象主要发生在 这里,特别是近地面1~2km范围内。 2.平流层对流层顶以上至50~55km左右为平流层,其特点是 (1)气温随高度上升而增加,这是因为臭氧层强烈吸收紫外线的 结果 (2)该层无垂直对流运动,多为平流运动,因此气流平稳。 (3)该层空气干燥、清洁、尘埃少,无天气变化,大气透明度好, 是超音速飞机理想的飞行场所
1 大气污染及其防治 大气是人类和一切生物赖以生存的必需条件。大气质量的优 劣，对人体健康和整个生态系统都有着直接的影响。人类又通过各种 生产和生活活动影响和改变着大气环境，使其质量恶化，甚至造成严 重的大气污染事件。因此，大气污染已引起人们的极大关注，研究和 控制大气污染已成为当前十分迫切的环境问题。 第一节 大气污染概述 一、大气圈的结构和组成 覆盖于地球表面随地球引力而旋转的空气层叫大气圈。它的厚度 一般认为有 1400km，超出这一高度就成为空气极其稀薄的宇宙空间了。 由于受地球引力的作用，大气质量在垂直方向上分布极不均匀，其质 量的 50%集中在离地球表面 5～6km 以下，99%集中在 30km 以下，且离 地球表面愈近密度愈大。 （一）大气圈的结构 根据大气的成分、密度、温度等性质在垂直方向上的变化，可将 大气层分成 5 个层次。 1.对流层 它的下界是地面，上界随纬度和季节而不同，低纬度 为 16～18 km，中纬度为 10～12 km，高纬度 8～9km。对流层相对于整 个大气圈来说是很薄的，但它的质量却占整个大气圈的 3／4，并几乎 占去了全部的水汽。其特点是： （1）气温随高度的升高而降低，大约每上升 100m，气温平均下降 0.65℃。 （2）在该层中有大规模的垂直对流和水平对流运动，湍流混合强 烈，云、雾、雨、雪等天气现象都发生在此层。 （3）该层对人类生产、生活影响最大，大气污染现象主要发生在 这里，特别是近地面 1～2km 范围内。 2.平流层 对流层顶以上至 50～55km 左右为平流层，其特点是： （1）气温随高度上升而增加，这是因为臭氧层强烈吸收紫外线的 结果。 （2）该层无垂直对流运动，多为平流运动，因此气流平稳。 （3）该层空气干燥、清洁、尘埃少，无天气变化，大气透明度好， 是超音速飞机理想的飞行场所
3.中间层从平流层顶向上至80~85km的高度为中间层。该层随 高度上升气温下降很快,故有强烈的垂直对流运动,又称高空对流层。 4.热层中间层顶部至800km左右为热层。该层有两大特点: (1)温度随高度上升而迅速升高 (2)在太阳和其它星体射来的各类射线作用下,空气中大部分 分子发生电离而具有较高密度的带电粒子,故又称为电离层。 5.逸散层是大气圈的最外层,位于800km以外 (二)大气的组成 大气是一个由多种气体组成的复杂的混合物,除去水汽和杂质的 大气称为干洁空气。按其组成成分的状态,可分为恒定组分、可变组 分和不定组分 恒定组分是指氧、氮、稀有气体 可变组分是指O2和水蒸汽。它们在大气中的含量随季节、气象、 纬度及人类活动的影响而变化。 不定组分除自然界的一些污染物(如尘暴、火山灰、硫化氢) 以外,主要是人类生产生活活动排放的 大气污染 (一)大气污染的概念 大气污染是指由于人类的生产生活活动,向大气中排放的各种污 染物质超过了环境所能允许的极限,使大气质量恶化,对人体、动物、 物品产生不良影响或受到破坏时的大气状况。大气污染是由污染源、 大气圈和受影响者三部分组成的统一整体,被称做大气污染系统 (二)主要的大气污染源与污染物 1、大气污染源大气污染源包括自然源和人工源两大类。像火山 爆发、森林火灾、尘暴等释放的灰尘和污染气体也能引起大气污染, 这种污染源称为自然源。人类所面临的大气污染主要是由人为活动造 成的,称为人工源,可归纳为三方面:即工业企业排气、家庭炉灶及 取暖设备排气和交通运输排气等。 (1)工业企业污染源工业企业是大气的主要污染源,排放量大 且集中,排放物质组成复杂,主要包括燃料燃烧排放的废物,生产过 程排放的废气以及各类矿物和金属粉尘等,其中以煤、石油和天然气 燃烧过程排放出来的烟尘、二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物、氟化物 以及各种有机化合物气体为主
2 3.中间层 从平流层顶向上至 80～85km 的高度为中间层。该层随 高度上升气温下降很快，故有强烈的垂直对流运动，又称高空对流层。 4.热层 中间层顶部至 800km 左右为热层。该层有两大特点： （1）温度随高度上升而迅速升高。 （2）在太阳和其它星体射来的各类射线作用下，空气中大部分 分子发生电离而具有较高密度的带电粒子，故又称为电离层。 5.逸散层 是大气圈的最外层，位于 800km 以外。 （二）大气的组成 大气是一个由多种气体组成的复杂的混合物，除去水汽和杂质的 大气称为干洁空气。按其组成成分的状态，可分为恒定组分、可变组 分和不定组分。 恒定组分 是指氧、氮、稀有气体。 可变组分 是指 CO2和水蒸汽。它们在大气中的含量随季节、气象、 纬度及人类活动的影响而变化。 不定组分 除自然界的一些污染物（如尘暴、火山灰、硫化氢） 以外，主要是人类生产生活活动排放的。 二、大气污染 （一）大气污染的概念 大气污染是指由于人类的生产生活活动，向大气中排放的各种污 染物质超过了环境所能允许的极限，使大气质量恶化，对人体、动物、 物品产生不良影响或受到破坏时的大气状况。大气污染是由污染源、 大气圈和受影响者三部分组成的统一整体，被称做大气污染系统。 （二）主要的大气污染源与污染物 1、大气污染源 大气污染源包括自然源和人工源两大类。像火山 爆发、森林火灾、尘暴等释放的灰尘和污染气体也能引起大气污染， 这种污染源称为自然源。人类所面临的大气污染主要是由人为活动造 成的，称为人工源，可归纳为三方面：即工业企业排气、家庭炉灶及 取暖设备排气和交通运输排气等。 （1）工业企业污染源 工业企业是大气的主要污染源，排放量大 且集中，排放物质组成复杂，主要包括燃料燃烧排放的废物，生产过 程排放的废气以及各类矿物和金属粉尘等，其中以煤、石油和天然气 燃烧过程排放出来的烟尘、二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物、氟化物 以及各种有机化合物气体为主
(2)家庭炉灶与取暖设备排放源我国目前家庭炉灶和取暖的燃 料仍以煤为主,特别是人口密集的大城市,炉灶数量多,分布面广 排烟高度低,烟气弥散在低空,扩散很慢,污染严重,是不可忽视的 大气污染源 (3)交通污染源包括汽车、火车、飞机、轮船等现代化交通工 具和农机具。污染的原因主要是汽油、柴油等燃料燃烧排出的尾气。 2.大气污染物 (1)大气污染物的分类大气污染物种类很多,对人类危害大并 已被人们注意的就有100多种,其中对人类环境威胁较大的主要有颗 粒物质、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、硫化氢、氟 化物及光化学氧化剂等。按其形成过程不同,可分为一次污染物和二 次污染物。 次污染物是指从污染源直接排放来的物质。一次污染物又可分 为反应性和非反应性污染物两类。前者不稳定,在大气中常与某些物 质起反应,或者作为催化剂促进其它污染物产生化学反应;后者性质 稳定,不发生化学反应或反应速度很慢;当反应性一次污染物进入大 气中相互混合、相互发生化学反应,形成一系列新的污染物,称为二 次污染物。 (2)主要大气污染物 ①颗粒物质颗粒物质是除气体之外存在于大气中的所有物质 包括各种各样的固体颗粒和液体气溶胶。粒径一般为0.1~200um固 体颗粒物根据其粒径大小可分为降尘和飘尘两类。粒径>10um的称为 降尘,它可在重力作用下很快在污染源附近沉降下来;粒径<10um的 细小颗粒,可以长时间飘浮于大气中,称作飘尘,具有很大的危害性。 ②二氧化硫7∞%来源于煤炭燃烧,16%来源于重油燃烧,其余部 分来自矿石冶炼和硫酸制备等。特别是火电厂的排放量最大,约占总 排放量的一半左右。 二氧化硫在干洁空气中比较稳定,在潮湿的空气中易被氧化成三氧 化硫,再与雨、雪、雾、露等水汽结合生成毒性更大的硫酸烟雾,形 成酸雨,从而对环境造成更大的危害 ③氮氧化物大气中的氮氧化物包括NO、NO2、NO、NO3、N2O3等。 人为活动排放到大气中的主要是NO和NO2。 ④碳氧化合物大气中的碳氧化合物主要包括一氧化碳和二氧化
3 （2）家庭炉灶与取暖设备排放源 我国目前家庭炉灶和取暖的燃 料仍以煤为主，特别是人口密集的大城市，炉灶数量多，分布面广， 排烟高度低，烟气弥散在低空，扩散很慢，污染严重，是不可忽视的 大气污染源。 （3）交通污染源 包括汽车、火车、飞机、轮船等现代化交通工 具和农机具。污染的原因主要是汽油、柴油等燃料燃烧排出的尾气。 2.大气污染物 （1）大气污染物的分类 大气污染物种类很多，对人类危害大并 已被人们注意的就有 100 多种，其中对人类环境威胁较大的主要有颗 粒物质、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、硫化氢、氟 化物及光化学氧化剂等。按其形成过程不同，可分为一次污染物和二 次污染物。 一次污染物是指从污染源直接排放来的物质。一次污染物又可分 为反应性和非反应性污染物两类。前者不稳定，在大气中常与某些物 质起反应，或者作为催化剂促进其它污染物产生化学反应；后者性质 稳定，不发生化学反应或反应速度很慢；当反应性一次污染物进入大 气中相互混合、相互发生化学反应，形成一系列新的污染物，称为二 次污染物。 （2）主要大气污染物 ①颗粒物质 颗粒物质是除气体之外存在于大气中的所有物质。 包括各种各样的固体颗粒和液体气溶胶。粒径一般为 0.1～ 200um。固 体颗粒物根据其粒径大小可分为降尘和飘尘两类。粒径＞10um 的称为 降尘，它可在重力作用下很快在污染源附近沉降下来；粒径＜10um 的 细小颗粒，可以长时间飘浮于大气中，称作飘尘，具有很大的危害性。 ②二氧化硫 70%来源于煤炭燃烧，16%来源于重油燃烧，其余部 分来自矿石冶炼和硫酸制备等。特别是火电厂的排放量最大，约占总 排放量的一半左右。 二氧化硫在干洁空气中比较稳定，在潮湿的空气中易被氧化成三氧 化硫，再与雨、雪、雾、露等水汽结合生成毒性更大的硫酸烟雾，形 成酸雨，从而对环境造成更大的危害。 ③氮氧化物 大气中的氮氧化物包括 NO、NO2、N2O、N2O3、N2O5等。 人为活动排放到大气中的主要是 NO 和 NO2。 ④碳氧化合物 大气中的碳氧化合物主要包括一氧化碳和二氧化
碳两种。二氧化碳是大气的正常组分,一氧化碳则是很普遍的排放量 很大的污染气体,它即通常所说的“煤气”,产生于含碳物质的不完全 燃烧。 ⑤碳氢化合物碳氢化合物包括烷烃、烯烃和芳香烃等复杂多样 的有机化合物。 ⑥氟化物排放到大气中的氟化物有氟化氢、氟化硅、氟硅酸及 氟化钙颗粒物等。其中氟化氢占主要部分,是一种累积性中毒的大气污 染物,可通过植物吸收累积进入食物链,在人和动物体内蓄积达到中 毒浓度,从而使人畜受害。 ⑦光化学氧化剂光化学氧化剂又叫光化学烟雾,是氮氧化物和 碳氢化合物等一次污染物在紫外线的照射下发生各种光化学反应而生 成的以臭氧为主,醛、酮、酸、过氧乙酸硝酸酯等一系列二次污染物 与一次污染物的特殊混合物 ⑧其它污染物除了上述主要大气污染物外,较为常见的污染物 有硫化氢、氯化氢、氨、氯气等。其次,还有一些有机化合物气体如 苯、酚、酮、醛、苯并(a)芘、过氧硝基酸、芳香胺、氯化烃等。这 些污染物一般具有恶臭气味,对人体感官有刺激作用,有些有致癌、 致畸和致突变作用, 、影响大气污染的因素 )影响大气污染的气象因素 在自然条件下,气象要素对大气污染都有一定影响,其中风和温 度层结是影响污染物扩散的主要气象因素 1.风和湍流大气污染物在风的作用下被输送、冲淡、稀释、扩 散。随着风速的增大,污染物的稀释扩散速度加快。风向决定着大气 污染物的移动方向,所以污染区总是在污染源的下风向。 湍流,是指大气以不同尺度作无规则运动的流动状态。由于湍流 运动的结果,使流场的各个部分得到均匀混合,污染物也随之稀释, 我们把这种现象叫大气扩散。湍流的强弱主要决定于下垫面的自然特 性及粗糙程度和大气垂直方向上温度层结状况。当气流以一定速度流 过粗糙的地表时,它将随地面的起伏而抬升、下沉或涡动,于是就产 生了垂直方向上的湍流。这种湍流是一种机械力作用的结果,所以称 为机械湍流。由于大气温度的垂直分布和大气稳定度不同所产生的湍 流运动称为热力湍流
4 碳两种。二氧化碳是大气的正常组分，一氧化碳则是很普遍的排放量 很大的污染气体，它即通常所说的“煤气”，产生于含碳物质的不完全 燃烧。 ⑤碳氢化合物 碳氢化合物包括烷烃、烯烃和芳香烃等复杂多样 的有机化合物。 ⑥氟化物 排放到大气中的氟化物有氟化氢、氟化硅、氟硅酸及 氟化钙颗粒物等。其中氟化氢占主要部分,是一种累积性中毒的大气污 染物，可通过植物吸收累积进入食物链，在人和动物体内蓄积达到中 毒浓度，从而使人畜受害。 ⑦光化学氧化剂 光化学氧化剂又叫光化学烟雾，是氮氧化物和 碳氢化合物等一次污染物在紫外线的照射下发生各种光化学反应而生 成的以臭氧为主，醛、酮、酸、过氧乙酸硝酸酯等一系列二次污染物 与一次污染物的特殊混合物。 ⑧其它污染物 除了上述主要大气污染物外，较为常见的污染物 有硫化氢、氯化氢、氨、氯气等。其次，还有一些有机化合物气体如 苯、酚、酮、醛、苯并（a）芘、过氧硝基酸、芳香胺、氯化烃等。这 些污染物一般具有恶臭气味，对人体感官有刺激作用，有些有致癌、 致畸和致突变作用。 三、影响大气污染的因素 （－）影响大气污染的气象因素 在自然条件下，气象要素对大气污染都有一定影响，其中风和温 度层结是影响污染物扩散的主要气象因素。 1.风和湍流 大气污染物在风的作用下被输送、冲淡、稀释、扩 散。随着风速的增大，污染物的稀释扩散速度加快。风向决定着大气 污染物的移动方向，所以污染区总是在污染源的下风向。 湍流，是指大气以不同尺度作无规则运动的流动状态。由于湍流 运动的结果，使流场的各个部分得到均匀混合，污染物也随之稀释， 我们把这种现象叫大气扩散。湍流的强弱主要决定于下垫面的自然特 性及粗糙程度和大气垂直方向上温度层结状况。当气流以一定速度流 过粗糙的地表时，它将随地面的起伏而抬升、下沉或涡动，于是就产 生了垂直方向上的湍流。这种湍流是一种机械力作用的结果，所以称 为机械湍流。由于大气温度的垂直分布和大气稳定度不同所产生的湍 流运动称为热力湍流
2.温度层结与逆温 温度层结气象学上把大气温度随高度的垂直变化称为温度层 结。把大气温度随髙度上升而递增的现象称为逆温。逆温严重影响大 气的垂直运动,对污染物扩散极为不利。 (二)影响大气污染的下垫面因素 在同样的天气条件下,由于地形起伏和水陆界面及植被等的差异, 使地表受力或受热不均而影响或改变大气的热力学特性和流场与风 向,进而影响大气对污染物的扩散作用 1、山区地形的影响在不受大的天气形势控制的情况下,山区大 气条件往往受到山谷风的控制。一天自清晨开始山风逐渐转变为谷风; 黄昏时,又由谷风转变为山风,在山谷形成局地闭合大气环流,使污 染物在山谷中往复累积,常常会达到很高的浓度。尤其在傍晚或夜间 还会形成逆温层,严重影响谷中污染物的扩散。 2、海陆风在海陆交界处,白天海风自海面吹向陆地,夜间则相 反,陆风从陆地吹向海面。海陆风交替出现形成局地环流,影响污染 物的扩散,造成海岸区往复污染 3、城市“热岛”效应由于城市建筑物密集,使城区地面粗糙度 大,一方面使风速减小,从而降低了污染物扩散速率,加重了大气污 染;另一方面在风速较大时,更易产生机械湍流,从而又加快了污染 物的稀释扩散 其次,因为城市能源消耗量大,水分蒸发蒸腾作用比农村小;城 市污染源和污染物多,空气吸收长波辐射较强,有效辐射小;城市风 速比农村小。因此就形成了城市气温比周围农村高的现象称为城市“热 岛效应”。城市“热岛效应”的强弱与城市的规模、性质、建筑物布局、 绿地及水域面积、气候及地理位置等因素有关。目前我国城乡间年平 均气温差约为0.6~1.3℃。 由于城市“热岛效应”使城市的温度经常比农村高,市区上空暖 而轻的空气上升形成一个低压区,市郊的冷空气就会从四周吹向市区 形成“城市风”。在市区上升的气流流至郊区又在周围农村下沉,这样 就形成了“城市热岛环流”。由于城乡间温差最大值,出现在夜间到早 晨,所以城市大气污染夜间至早晨最为严重 (三)影响大气污染的其它因素
5 2.温度层结与逆温 温度层结 气象学上把大气温度随高度的垂直变化称为温度层 结。把大气温度随高度上升而递增的现象称为逆温。逆温严重影响大 气的垂直运动，对污染物扩散极为不利。 （二）影响大气污染的下垫面因素 在同样的天气条件下，由于地形起伏和水陆界面及植被等的差异， 使地表受力或受热不均而影响或改变大气的热力学特性和流场与风 向，进而影响大气对污染物的扩散作用。 1、山区地形的影响 在不受大的天气形势控制的情况下，山区大 气条件往往受到山谷风的控制。一天自清晨开始山风逐渐转变为谷风； 黄昏时，又由谷风转变为山风，在山谷形成局地闭合大气环流，使污 染物在山谷中往复累积，常常会达到很高的浓度。尤其在傍晚或夜间 还会形成逆温层，严重影响谷中污染物的扩散。 2、海陆风 在海陆交界处，白天海风自海面吹向陆地，夜间则相 反，陆风从陆地吹向海面。海陆风交替出现形成局地环流，影响污染 物的扩散，造成海岸区往复污染。 3、城市“热岛”效应 由于城市建筑物密集，使城区地面粗糙度 大，一方面使风速减小，从而降低了污染物扩散速率，加重了大气污 染；另一方面在风速较大时，更易产生机械湍流，从而又加快了污染 物的稀释扩散。 其次，因为城市能源消耗量大，水分蒸发蒸腾作用比农村小；城 市污染源和污染物多，空气吸收长波辐射较强，有效辐射小；城市风 速比农村小。因此就形成了城市气温比周围农村高的现象称为城市“热 岛效应”。城市“热岛效应”的强弱与城市的规模、性质、建筑物布局、 绿地及水域面积、气候及地理位置等因素有关。目前我国城乡间年平 均气温差约为 0.6～1.3℃。 由于城市“热岛效应”使城市的温度经常比农村高，市区上空暖 而轻的空气上升形成一个低压区，市郊的冷空气就会从四周吹向市区 形成“城市风”。在市区上升的气流流至郊区又在周围农村下沉，这样 就形成了“城市热岛环流”。由于城乡间温差最大值，出现在夜间到早 晨，所以城市大气污染夜间至早晨最为严重。 （三）影响大气污染的其它因素