第二章大氣環(huán)境

第一篇環(huán)境污染問題

第二章大氣環(huán)境第三章水體環(huán)境第四章土壤環(huán)境第五章固體廢物與環(huán)境第六章噪聲及其他物理性污染

第二章大氣環(huán)境大氣的結(jié)構(gòu)和組成大氣污染主要的大氣污染物大氣環(huán)境中污染物的化學轉(zhuǎn)化煙霧酸雨大氣中污染物擴散的高斯模式1大氣的結(jié)構(gòu)和組成1.1大氣的垂直結(jié)構(gòu)1.1.1根據(jù)大氣化學成分垂直分布：

均質(zhì)層（地表~90km，大氣中主要成分的組成比例幾乎不變）

非均質(zhì)層（90km以上）1.1.2按大氣電離狀態(tài)的垂直分層：

非電離層（60km以下）

電離層

1.1.3根據(jù)大氣在垂直方向上溫度的變化可分五層：對流層、平流層、中間層、熱層和逃逸層對流層最低層，其厚度隨緯度和季節(jié)而變化在赤道低緯度地區(qū)為17~18km；在中緯度地區(qū)為10~12km；兩極附近高緯度地區(qū)為8~9km。夏季較厚，冬季較薄。該層的特點：溫度隨高度升高而遞減，大約每上升100米，溫度降低0.6度。由于近地面熱空氣上升，上層冷空氣下降，所以在垂直方向上形成強烈對流；密度大，占大氣總質(zhì)量的3/4；由于大規(guī)模垂直對流運動，該層成分比例穩(wěn)定；主要的天氣現(xiàn)象均發(fā)生在該層。在對流層中，因受地表的影響不同，又可分為兩層：摩擦層或邊界層和自由大氣層

1大氣的結(jié)構(gòu)和組成平流層對流層頂?shù)郊s50km的大氣層在平流層下層，即30~35km以下，溫度隨高度降低變化較小，氣溫趨于穩(wěn)定，所以又稱同溫層；在30~35km以上，溫度隨高度升高而升高該層特點：大氣平流運動顯著；空氣比下層稀薄，水氣、塵埃少，大氣透明度好；在高約15~35km范圍內(nèi)，有厚約20km的臭氧層。3）中間層：

平流層頂?shù)?0km高度。溫度隨高度增加而下降。

4）熱層：

80km到500km。溫度隨高度升高而迅速上升。

5）逃逸層（逸散層）熱層以上——外大氣層1．2大氣的組成（停留時間）準永久性氣體O2N2惰性氣體停留時間（年）104106107可變化組分CO2CH4H2N2OO3年5~152.5~86~8>10~2強可變組分H2OCONOXNH3SO2H2S顆粒物天~1073~1858~10~5~2~0.510~302大氣污染大氣污染（atmosphericpollution）：是指大氣中污染物或由它轉(zhuǎn)化成的二次污染物的濃度達到了有害程度的現(xiàn)象。污染源（pollutionsources）可分為天然大氣污染源和人為大氣污染源兩類。人為污染源1）按污染源特性：A*固定源：如工廠源；B*流動源：如汽車源。2）按污染源排放方式：A*點源：如工廠的煙囪源；B*線源：如城市交通源；C*面源：如居民區(qū)源。3）按污染源產(chǎn)生類型：A*工業(yè)企業(yè)污染源；B*城市交通污染源；C*民用污染源。4）按污染源排放時間：A*連續(xù)源B*間斷源C*瞬時源我國大氣污染現(xiàn)狀以煤煙型為主，主要污染物是二氧化硫和煙塵城市、工礦區(qū)的污染較嚴重，城市仍以煤煙型污染為主，部分大中城市出現(xiàn)煤煙—機動車尾氣混合型污染從總體上，我國北方城市的大氣污染大于南方城市；冬季大于夏季；城市、工礦區(qū)大于農(nóng)村我國煙塵排放量逐年下降，二氧化硫排放量仍在緩慢上升。以宜賓、貴陽、重慶為代表的西南高硫煤地區(qū)的城市和北方能源消耗大的山西、山東、河北、遼寧、內(nèi)蒙古及河南、陜西部分地區(qū)的城市二氧化硫污染較為嚴重。（氮氧化物污染以廣州、北京和上海三市污染嚴重）。城市空氣污染綜合指數(shù)大氣污染物濃度遠遠超過國際標準3主要的大氣污染物大氣污染物是指由于人類活動或自然過程排入大氣，并對人體、生物或環(huán)境產(chǎn)生有害影響的物質(zhì)。氣溶膠狀態(tài)污染物氣體狀態(tài)污染物3．1氣溶膠狀態(tài)污染物粉塵（dust）：指懸浮于氣體介質(zhì)中的小固體顆粒，受重力作用可發(fā)生沉降，但在一定的時間內(nèi)能保持懸浮狀態(tài)。其直徑一般為1~100μm左右。煙塵（fume）：一般指冶金過程形成的固體粒子的氣溶膠，是熔融物質(zhì)揮發(fā)后生成的氣態(tài)物質(zhì)的冷凝物，生成過程總是伴隨著氧化過程的化學反應。其直徑一般在0.1~1μm左右。飛灰（flyash）：指隨燃燒過程產(chǎn)生的煙氣排出的分散得很細得無機灰分。黑煙（smoke）：通常指燃料燃燒產(chǎn)生得能見氣溶膠，是燃料不完全燃燒得產(chǎn)物，除碳顆粒外，還有碳、氫、氧、硫等組成得化合物。霧（flog）：是指氣體中液滴懸浮體的總稱。氣象學中指造成能見度小于1km的小水滴懸浮體。大氣污染控制中根據(jù)大氣中顆粒物的大小

飄塵：指大氣中粒徑小于10μm的固體顆粒物，能長期漂浮在大氣中，有時也稱浮游粒子或可吸入顆粒物?？晌肓Ｗ樱↖P）：粒徑≤15μm的粒子。國際標準化組織將IP定為粒徑≤10μm的粒子。降塵：指大氣中粒徑大于30μm的固體顆粒物，因重力作用，在短時間內(nèi)可沉降到地面。總懸浮顆粒（TSP）：指懸浮于大氣中粒徑小于100μm的所有固體顆粒物，包括飄塵和部分降塵。3．2氣體狀態(tài)污染物以分子狀態(tài)存在的污染物，簡稱氣態(tài)污染物主要有5類：含硫化合物、碳氧化合物、碳氫化合物、含氮化合物及含鹵素化合物氣態(tài)污染物還可以分為一次污染物和二次污染物一次污染物也稱原發(fā)性污染物，是污染源直接排入大氣中的原始污染物二次污染物也稱繼發(fā)性污染物，是一次污染物進入大氣后經(jīng)過一系列大氣化學或光化學反應生成的與一次污染物性質(zhì)不同的新污染物，主要有硫酸霧（sulfuroussmog）和光化學煙霧（photochemicalsmog）表氣體狀態(tài)污染物種類

污染物一次污染物二次污染物含硫化合物SO2、H2SSO3、H2SO4、M*SO4含氮化合物NO、NH3NO2、HNO3、MNO3碳氧化合物CO、CO2碳氫化合物CH醛、酮、過氧乙酰硝酸酯、O3鹵素化合物HF、HCl硫氧化物二氧化硫是主要的硫氧化物來源：含硫燃料的燃燒過程硫化物礦石的焙燒、冶煉過程危害：參與了硫酸煙霧和酸沉降的形成碳氧化物CO、CO2主要來自燃料燃燒和機動車船尾氣CO是一種窒息性氣體，主要來源于內(nèi)燃機CO2屬無毒氣體，溫室氣體碳氫化合物生物體的自然分解石油開采及冶煉、天然氣和沼氣泄露等除甲烷等鏈烴化合物外，還有多環(huán)芳烴（PAHs）等復雜化合物，多數(shù)對人和其他生物有毒有害，有的甚至致畸、致癌可以促進光化學煙霧的形成氮氧化物（NOx）NO和NO2NO進入大氣后可緩慢氧化成NO2NO2的毒性約是NO的5倍NO2參與光化學反應形成光化學煙霧后，毒性更大氮氧化物的主要源是機動車、煤和天然氣的燃燒以及化肥廠和炸藥廠含鹵素化合物鹵代烴、氟化物和其他含氯化合物主要關注的是鹵代烴中的氟氯烴類和含溴的鹵代烷*A氟氯烴類或稱氟利昂類（CFCs）化合物，其中最重要的是一氟三氯甲烷（CFC-11）和二氟二氯甲烷（CFC-12）（命名）無自然源，用于致冷劑、氣溶膠噴霧劑、電子工業(yè)的溶劑、制造塑料的泡沫發(fā)生劑和消防滅火劑等破壞臭氧層物質(zhì)；也是溫室氣體*B含溴的鹵代烷烴，商業(yè)名稱為Halon（哈龍）特種消防滅火劑，破壞臭氧層物質(zhì)CFCs命名原則第一種方法：CFC-113，第一個數(shù)字表示（碳原子數(shù)減1），第二個數(shù)字表示（氫原子數(shù)加1）第三個數(shù)字表示氟原子數(shù)，則CFC-113就是分子中含有2個C，0個H和3個氟，因分子中無H有3個氟，也就必然有3個Cl對于CFC-11和CFC-12命名相同，因為分子中只含1個C，第一個數(shù)字（碳原子數(shù)-1）為0，因而省略。第二種方法：“RuleOf90”：數(shù)字加90，如CFC-11，11+90=101，即碳原子數(shù)為1，氫為零，氟為1。（返回）4大氣環(huán)境中污染物的化學轉(zhuǎn)化污染物進入大氣，擴散、輸送過程中，在污染物之間以及污染物與空氣原有組分之間進行化學反應，形成新的二次污染物——大氣污染的化學轉(zhuǎn)化光化學反應過程和熱化學反應過程大氣光化學特性：太陽光的輻射強度，能量E=hν=hC/λ（ν光波頻率，λ波長，h普朗克恒量6.63*10-34）按照波長可以把太陽光輻射分為：波長λ=380~760nm為可見光區(qū)；波長λ=760~2000nm為近紅外區(qū)；波長λ大于2000nm為遠紅外區(qū)；波長λ小于380nm為紫外光區(qū)大氣中的吸光物質(zhì)一個原子、分子、自由基或離子吸收一個光子所引發(fā)的反應，稱為光化學反應。硫氧化物在大氣中的化學轉(zhuǎn)化：主要是二氧化硫在大氣中的光化學氧化和催化氧化。SO2→SO3→H2SO4。氮氧化物在大氣中的化學轉(zhuǎn)化：主要是NO和NO2與O3之間的化學循環(huán)，以及轉(zhuǎn)化為硝酸和亞硝酸的反應

5煙霧

倫敦型煙霧光化學煙霧5．1倫敦型煙霧

還原型污染物大氣污染主要污染物：二氧化硫、一氧化碳和顆粒物質(zhì)在低溫、靜風、高濕并伴有逆溫的氣象條件下，污染物擴散受阻，在低空聚集形成還原型煙霧。成因：除氣象和地理條件之外，由三種大氣污染物——煙塵、霧和二氧化硫相互疊加而成。在煤粉塵顆粒表面，SO2氧化形成SO3，隨即與水蒸氣結(jié)合成硫酸，進而形成硫酸氣溶膠。同時，SO2也可溶解在小水滴中再氧化為硫酸。當大氣中SO2、霧（微小水滴）、煤粉塵三種成分的濃度足夠時，很快能形成硫酸霧。倫敦型煙霧的實質(zhì)是硫酸霧。5．2光化學煙霧

又稱石油煙霧，是汽車、工廠等污染源排入大氣的烴類化合物（HC）和氮氧化物等一次污染物，在陽光的作用下發(fā)生光化學反應，生成臭氧、醛、酮、過氧乙酰硝酸酯（PAN）等二次污染物，參與光化學反應過程的一次污染物和二次污染物的混合物所形成的煙霧污染現(xiàn)象稱為光化學煙霧。形成機制：大氣中的烴類化合物和NOx在光照條件下形成光化學煙霧。烴類化合物和氮氧化物的相互作用主要包括以下過程：1）NO2的光解是光化學煙霧形成的起始反應；2）烴類化合物被HO、O等自由基和O3氧化，導致醛、酮、醇、酸等產(chǎn)物以及重要中間產(chǎn)物——RO2、HO2、RCO等自由基的生成；3）過氧自由基引起NO向NO2和PAN等生成。整個過程叫鏈反應。其中的O3、醛、酮、醇、PAN等統(tǒng)稱為光化學氧化劑。光化學煙霧污染的標志是O3濃度的升高。項目還原型煙霧（倫敦型煙霧）氧化型煙霧（光化學煙霧）概況首次發(fā)生于1873年首次發(fā)生于1946年，發(fā)生光化學反應污染物顆粒物、SO2、硫酸霧等碳氫化合物、NOX、O3、PAN、醛類等燃料礦物燃料汽油、煤、煤氣等氣象條件逆溫季節(jié)冬夏、秋氣溫低（4℃以下）高（24℃以上）濕度高低日光弱強臭氧濃度低高出現(xiàn)時間白天夜間連續(xù)白天生態(tài)效應對城市居民的呼吸道有刺激這樣，嚴重時導致死亡；城市交通事故多發(fā)，正常生活受到影響對城市居民眼和呼吸道有強刺激作用，嚴重時可導致人死亡。O3等氧化劑對城市的生態(tài)環(huán)境有強氧化破壞作用6酸雨是指PH小于5.6的酸性大氣降水，包括雨、雪、冰雹、露、霜和霧等（美國采用PH值小于5）廣義的酸雨（酸沉降）包括干沉降和濕沉降干沉降包括各種酸性氣體、酸性氣溶膠和酸性顆粒物濕沉降即通常所說的酸雨形成機理：形成酸雨的主要污染物是SO2和NOx等，二者在雨水中分別轉(zhuǎn)化為硫酸和硝酸，酸雨中90%以上是硫酸和硝酸的成分。1）SO2氧化SO2通過催化氧化和光化學氧化兩種途徑生成硫酸**清潔大氣中SO2氧化的速度很慢，但在含有金屬鹽（鐵、錳）的氣溶膠霧滴中發(fā)生催化氧化反應，速度將大大提高。

SO2光化學氧化反應2）NOx的氧化NOx在空氣濕度大并存在金屬雜質(zhì)和NH3的條件下，生成硝酸和硝酸鹽，并最終形成氣溶膠7大氣中污染物的擴散模式

1）源參數(shù)：包括排放污染物的數(shù)量、組成、排放方式、源的幾何形狀、相對位置、密集程度及源高等2）氣象條件3）近地層下墊面的狀況氣象條件和下墊面狀況決定了大氣對污染物的稀釋擴散速率和遷移轉(zhuǎn)化途徑。7．1幾個與大氣中污染物擴散有關的概念

1）溫度層結(jié)2）大氣穩(wěn)定度3）逆溫1）溫度層結(jié)在對流層內(nèi)，氣溫垂直變化的總趨勢是：隨著高度的增加氣溫逐漸降低氣溫隨高度的變化通常以氣溫垂直遞減率γ來表示。干空氣塊或未飽和的濕空氣塊在絕熱條件下每升高單位高度(通常取用單位高度為100m)所造成的溫度下降數(shù)值稱為干絕熱遞減率，以γd表示，其表達式為：Ti表示干空氣塊的溫度g——重力加速度＝9．81(m／s2)；Cp——干空氣定壓比熱＝1004J／(kg·K)。氣溫沿垂直高度的分布曲線稱為氣溫沿高度分布曲線或溫度層結(jié)曲線，簡稱溫度層結(jié)。

溫度層結(jié)類型(1)氣溫隨高度增加而遞減，即r>0，稱為正常分布層結(jié)或遞減層結(jié)；(2)氣溫直減率等于或近似等于干絕熱直減率，即γ＝γd，稱為中性層結(jié)；(3)氣溫不隨高度變化，即γ＝0，稱為等溫層結(jié)；(4)氣溫隨高度增加而增加，即γ<0，稱為逆溫。2）大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度是指在垂直方向上大氣穩(wěn)定的程度假如一空氣塊由于某種原因受到外力的作用，產(chǎn)生了上升或下降運動后，可能發(fā)生三種情況：(1)當外力去除后，氣塊就減速并有返回原