大氣污染及其防治

第四章大氣污染及防治第一節(jié)大氣概述大氣圈是指包圍在地球周圍，距地球表面約1000多公里厚度的氣體構(gòu)成。對特定場所或區(qū)域，供人和動植物生存的氣體稱為“空氣”；而以大區(qū)域或全球性的氣流為研究對象時，則采用“大氣”一詞。

人類生活在大氣圈中，成年人每天需呼吸10-13m3的空氣，它相當ld食物量的10倍，飲水質(zhì)量的3倍。一個健康人在5周內(nèi)不吃食物，或5d內(nèi)不喝水都可能生存下來。但若5min不呼吸空氣，會窒息死亡。由于大氣直接參與人和其他生物的物質(zhì)和能量代謝，清潔的空氣是一切生物生存的保證。一、大氣結(jié)構(gòu)與組成1.大氣結(jié)構(gòu)1）對流層

平均厚度約為12km，集中了占大氣總質(zhì)量75％的空氣和幾乎全部的水蒸氣量，是天氣變化最復雜的層次。具有兩個特點。

(1)氣溫隨高度增加而降低高度每增加l00m，氣溫約下降0.65℃。

(2)空氣具有強烈的對流運動對流層中氣象條件復雜，既有形成污染物易于擴散的條件，又會出現(xiàn)污染物。

電離層

暖層

中間層

平流層

對流層地球

電離層

暖層

中間層

平流層

對流層地球2、平流層對流層層頂之上12~55km處的大氣。特點：(1)大氣穩(wěn)定，溫度垂直分布。（受地面輻射影響小臭氧層可直接吸收太陽的紫外線輻射，造成了氣溫的增加）

(2)平流層內(nèi)垂直對流運動很小。(3)大氣透明度高。3、中間層平流層頂55~85km高處的大氣為中間層。無臭氧組分，氣溫隨高度的增加而迅速降低.

4、暖層

氣溫的分布是隨高度的增加而增加

5、散逸層

2.大氣組成空氣成分恒定氣體可變氣體氮氣氧氣稀有氣體（氖、氦、氙、氡）二氧化碳塵埃和其它氣體水蒸氣含量（%）78210.90.030.03<4恒定組分在地球上任何地方的體積分數(shù)幾乎是不變的；可變組分的含量往往隨各地季節(jié)、天氣變化和人類活動的狀況而變化的；不定組分指煤煙、塵埃、NOX、SOX及CO等，包括自然災害和人為原因造成的大氣污染物及有毒氣體，后者是人類保護大氣和防治大氣污染的主要對象。

1、工業(yè)污染源

按人類社會活動功能劃分：鋼鐵廠排放的廢氣火力發(fā)電廠排煙污染大氣排入大氣中的煙塵隨風擴散煙塵彌漫整個地區(qū)大山深處的工廠小煉油2、農(nóng)業(yè)污染源主要是不當施用農(nóng)藥、化肥、有機糞肥等過程產(chǎn)生的有害物質(zhì)揮發(fā)擴散，以及施用后期NOX、CH4、揮發(fā)性農(nóng)藥成分從土壤中逸散進入大氣等形成的污染源。3、交通運輸污染源由汽車、飛機、火車和輪船等交通運輸工具運行時向大氣中排放的尾氣。這類污染源屬流動污染源，主要污染物是煙塵、碳氫化合物、NOX、金屬塵埃等，是城市大氣環(huán)境惡化的主要原因之一。尾氣污染，健康殺手4、生活污染源是指居民日常燒飯、取暖、沐浴等活動，燃燒化石燃料而向大氣排放煙塵、SO2、NOX等污染物。這類污染源屬固定源，具有分布廣、排量大、污染高度低等特點，是一些城市大氣污染不可忽視的污染源。但是，隨著城市電氣化的推進，城市生活污染源將從根本上得到遏制。市區(qū)垃圾焚燒（二）大氣污染物1、一次污染物與二次污染物

一次污染物是從污染源直接排出的大氣污染物，如顆粒物、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、碳氫化合物等；二次污染物則是由污染源排出的一次污染物與大氣正常組分，或幾種一次污染物之間，發(fā)生了一系列的化學或光化學反應而形成了與原污染物性質(zhì)不同的新污染物。其毒性一般較一次污染物強。

2、常見主要大氣污染物

塵粒指粒徑大于75

m的顆粒物。粉塵粒徑大于10

m的稱為降塵，小于10

m的為飄塵。

煙（塵）一般粒徑小于1

m（0.01－1

m）

霧小液滴粒子（粒徑小于100

m）顆粒污染物氣態(tài)污染物有機污染物

揮發(fā)性有機污染物（Volatileorganiccompounds,VOC)

常壓下沸點低于260度的有機化合物，碳原子數(shù)小于12，易揮發(fā)，許多有毒。是室內(nèi)空氣污染的主要物質(zhì)（苯類，醛類，酮類）。主要來自機動車和燃料排氣、石油煉制和有機化工生產(chǎn)，有機溶劑的使用，建筑材料的揮發(fā)。多環(huán)芳烴（PAH）有毒有害的污染物（三致物質(zhì)），其中苯并（α）芘是強致癌物質(zhì)三、主要的大氣污染

“空中的死神”---酸雨光化學煙霧迅速擴大的“臭氧空洞”“溫室效應”下的地球硫酸煙霧（酸沉降、酸雨）以煤為原料，大氣中的煙塵、SO2，與水蒸氣混合并發(fā)生化學反應所生成的煙霧，稱為硫酸煙霧，也稱倫敦型煙霧。pH小于5.6的雨雪或降水。光化學煙霧（二次污染物）以石油為能源，排入大氣的一次污染物，在太陽紫外線的作用下發(fā)生光學反應，參與光化學反應的一次和二次污染物的混合物，所形成煙霧污染稱為光化學煙霧，也稱洛杉磯型煙霧。項目倫敦型洛杉磯型概況污染物燃料氣象條件季節(jié)氣溫濕度日光臭氧濃度出現(xiàn)時間毒性發(fā)生較早(1873)，至今已多次出現(xiàn)。顆粒物、SO2、硫酸霧等煤

冬季低(4℃以下)高弱低白天夜間連續(xù)對呼吸道有刺激作用，嚴重時導致死亡發(fā)生較晚(1946)，發(fā)生光化學反應碳氫化合物、NOx、O3、PAN、醛類等汽油、煤氣、石油

夏秋高(24℃以上)低強高白天對眼和呼吸道有強刺激作用。O3、PAN等氧化劑有強氧化破壞作用，嚴重可導致死亡倫敦型煙霧與洛杉磯煙霧的比較

臭氧層是地球的“保護傘”。太陽輻射到地球的波長等于200-300nm紫外線99%吸收。1985年南極地區(qū)發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞以后，1988年發(fā)現(xiàn)北極上空也出現(xiàn)了一個臭氧層空洞。臭氧層的破壞主要是氟氯烴和氮氧化物引起的?？茖W家認為，臭氧層中的臭氧濃度減少10%，則地面紫外線的輻射將增加20%，導致皮膚癌的發(fā)病率增加15-25%，若臭氧層破壞，地球上2/3的生物將失去繁殖能力，最終危害人體免疫系統(tǒng)功能。迅速擴大的“臭氧空洞”“溫室效應”下的地球1.地球的熱平衡

進入大氣的太陽輻射約50%以直接方式或被云、顆粒物和氣體散射的方式到達地球表面；另外的50%被直接反射回去或被大氣吸收。

地球表面能量返回大氣由傳導、對流和輻射三種能量傳輸機制來完成。2.溫室效應和溫室氣體

溫室效應是指太陽的短波輻射透過大氣到達地面使地面升溫,而地面所發(fā)射的長波又能被大氣中的CO2等氣體吸收，從而使地球保持適當?shù)臏囟取?/p>

溫室氣體包括兩類：一類在對流層混合均勻，如CO2（55%的作用），CH4（20%的作用），CFCs（20%的作用）和N2O（俗稱笑氣）。另一類在對流層混合不均勻，如O3。“溫室效應”的可怕后果：農(nóng)業(yè)減產(chǎn)物種變遷疾病流行海平面上升計算機模擬實驗表明，當?shù)厍驓鉁厣?攝氏度，局部地區(qū)會明顯變暖。增加4攝氏度以上時，萬年冰山融化，極地冰層融解，地球的沿海地區(qū)將被淹沒。在20世紀，地球升溫了整整0.7攝氏度。四、大氣污染的危害

（一）對人體的影感覺上不舒服生理上可逆性反應急性危害癥狀

1、急性中毒

污染物濃度較低時，通常不會造成人體急性中毒，但在某些特殊條件下，如工廠在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)特殊事故，大量有害氣體泄露外排，外界氣象條件突變等，便會引起起人群的急性中毒。如印度帕博爾農(nóng)藥廠甲基異氰酸酯泄露，直接危害人體，發(fā)生了2500人喪生，十多萬人受害的慘劇。2、慢性中毒

主要表現(xiàn)為污染物質(zhì)在低濃度、長時間連續(xù)作用于人體后，出現(xiàn)的患病率升高等現(xiàn)象。近年來我國城市居民肺癌發(fā)病率很高，其中最高的是上海市，城市居民呼吸系統(tǒng)疾病明顯高于郊區(qū)。3、致癌作用

這是長期影響的結(jié)果，是由于污染物長時間作用于肌體，損害體內(nèi)遺傳物質(zhì)，引起突變，如果生殖細胞發(fā)生突變，使后代機體出現(xiàn)各種異常，稱致畸作用；如果引起生物體細胞遺傳物質(zhì)和遺傳信息發(fā)生突然改變作用，又稱致突變作用；如果誘發(fā)成腫瘤的作用稱致癌作用。（二）對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害★大氣中的酸性污染物和二氧化硫、二氧化氮等，對工業(yè)材料、設(shè)備和建筑設(shè)施的腐蝕；★飄塵增多給精密儀器、設(shè)備的生產(chǎn)、安裝調(diào)試和使用帶來的不利影響?！飳又参锖退锂a(chǎn)生毒害。嚴重的酸雨會使森林衰亡和魚類絕跡。（三）對大氣和氣候的影響★顆粒物使大氣能見度降低，減少到達地面的太陽光輻射量。在大工業(yè)城市中，煙霧不散時，日光比正常情況減少40%?！锏趸?、碳氫化合物和氟氯烴類等污染物使臭氧大量分解，引發(fā)的“臭氧洞”問題?！餁夂虍惓?。SO2熏48h后黑豆的生長情況實驗前黑豆的生長情況受HF污染的劍麻癥狀①大氣污染以煤煙型為主，主要污染物是煙塵和二氧化硫；②汽車尾氣污染明顯增加，并逐漸上升為城市大氣主要污染源，總懸浮顆粒物或可吸入顆粒是影響城市空氣質(zhì)量的主要污染物；五、中國大氣污染的特征及現(xiàn)狀③酸雨分布區(qū)域性、季節(jié)性明顯，污染物成分特點突出，多以硫酸酸雨為主；④工業(yè)“三廢”任意排放是目前大氣污染的罪魁禍首，但農(nóng)業(yè)引發(fā)的大氣污染仍不容忽視。全國重點城市主要大氣污染物分布

城市空氣統(tǒng)計的338個城市中，36.5%的城市達到國家空氣質(zhì)量二級標準，63.5%的城市超過國家空氣質(zhì)量二級標準，其中超過三級標準的有112個城市，占監(jiān)測城市的33.1%?？倯腋☆w粒物（TSP）或可吸入顆粒物（PM10）年均值超過國家二級標準限值的城市占統(tǒng)計城市的61.6%。20.7%的城市二氧化硫濃度年均值超過國家二級標準限值。47個環(huán)境保護重點城市中，27個城市空氣質(zhì)量達到國家二級標準，7個城市空氣質(zhì)量為三級，13個城市超過三級標準。全球322個大氣污染嚴重的城市前十名SO2排放量SO2排放量遠超過環(huán)境容量六、大氣污染治理技術(shù)(一)顆粒污染物控制技術(shù)從廢氣中回收顆粒污染物的過程稱為除塵。實現(xiàn)的設(shè)備裝置稱為除塵器。機械式除塵器過濾式除塵器濕式除塵器靜電除塵器1.機械式除塵器通過重力、慣性力和離心力等質(zhì)量力的作用使顆粒物與氣體分離的裝置。重力除塵器慣性除塵器旋風除塵器重力除塵器是使含塵氣體中的塵粒借助重力作用沉降，并將其分離捕集的裝置。捕集50微米以上的大粒子。只要氣流通過沉降室的時間大于或等于塵粒由沉降室頂部沉到底部時間，就能被去除。特點：結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，投資少，壓力損失小。缺點：體積龐大，占地多效率低，僅作為高效除塵器的預處理裝置，去除較大和較重的粒子?；覊m當高速運動的含塵氣流遇到擋板1時，氣流改變方向繞過，塵粒由于慣性大，沖擊到擋板1上被捕集，被氣流帶走的塵粒遇到擋板2時，借助慣性力也被捕集。氣流速度越高，氣流方向轉(zhuǎn)變角度越大，轉(zhuǎn)變次數(shù)越多，除塵去除效率就越高。慣性除塵器是使含塵氣流沖擊擋板或使氣流急劇的改變流動方向，然后借助粒子的慣性力將塵粒從氣流中分離的裝置。去除10-30微米的微粒。結(jié)構(gòu)形式?jīng)_擊式-氣流沖擊擋板捕集較粗粒子反轉(zhuǎn)式-改變氣流方向捕集較細粒子旋風除塵器是含塵氣體進入裝置后，氣流做旋轉(zhuǎn)，塵粒在離心力作用下逐漸向器壁移動，到達器壁后，在旋流推力和塵粒自身作用下，煙器壁面落到灰斗，氣體從排氣管排出，將塵粒從氣體中分離出來的裝置。特點：結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，設(shè)備費用低，缺點：除塵效率不高，用作高濃度含塵氣體預處理。2.過濾式除塵器使含塵氣流通過過濾材料將粉塵分離捕集的裝置。高效除塵器，效率大于99%，性能穩(wěn)定，操作簡單對細粉具有強捕集作用。采用纖維織物作濾料的袋式除塵器應用于各種工業(yè)廢氣除塵中。3.濕式除塵器又稱洗滌除塵。利用液體(水)與含塵氣體接觸，利用水滴和塵粒的慣性碰撞及其它作用捕集塵粒或使粒徑增大的裝置。優(yōu)點能夠處理高溫，高濕氣流，高比電阻粉塵及易燃易爆的含塵氣體。在去除粉塵粒子同時，還可去除氣體中的水蒸汽及某些氣態(tài)污染物。既能除塵又能冷卻凈化。相同能耗下，去除效率比干式機械除塵器高。缺點排出的污水污泥需要處理。凈化含有腐蝕性的氣態(tài)污染物時，洗滌水有一定的腐蝕性，要注意設(shè)備和管道的腐蝕問題。不適用于含有憎水性和水硬性粉塵的氣體。寒冷地區(qū)使用，易結(jié)凍，應采取防凍措施。4.電除塵器利用靜電力實現(xiàn)粒子和氣流分離。在高壓電場作用下，使含塵氣流中的粒子荷電并被吸引、抽集到集塵極上的除塵器。特點：除塵效率高，可達99.9%能捕集0.1微米或更小的煙霧，損失小，維護簡單，操作節(jié)省費用，處理不同煙霧適用溫度可達773K,濕度可達100%，可處理易曝炸氣體。4.電除塵器的工作原理（二）顆粒污染物控制技術(shù)

氣體吸收法氣體吸附琺氣體催化法氣體燃燒法氣體冷凝法不同氣體在液體中溶解度不同，含有多種成分的混合氣體，當與液體接觸時，氣體中溶解度大的成分就源源不斷的溶解于氣體中，它在氣體中濃度顯著降低，溶解組分和原分開。選擇合適的吸收劑。

1.氣體吸收法吸收設(shè)備噴淋塔吸收設(shè)備填料塔

2.氣體吸附法固體吸附劑通過分子力或化學鍵力來吸附不同類型的有害氣體分子，使氣體凈化。吸附質(zhì)-被吸附的物質(zhì)吸附劑-附著吸附質(zhì)的物質(zhì)吸附劑需具有的特點內(nèi)表面積大具有選擇吸附性高機械強度、化學和熱穩(wěn)定性吸附容量大來源廣泛，廉價常用吸附劑的特點吸附的工藝固定床流化床

3.氣體催化法氣態(tài)污染物在催化劑作用下，通過氧化或還原反應，轉(zhuǎn)化成無害氣體的方法。應用工業(yè)尾氣和煙氣去除SO2，NOX有機揮發(fā)性氣體VOCs和臭氣的催化燃燒凈化汽車尾氣的催化凈化

車用催化轉(zhuǎn)化器4.燃燒法通過氧化燃燒（直接燃燒）或高溫分解（催化劑）將其態(tài)污染物轉(zhuǎn)化為無害，如CO2和H2O。有機廢氣燃燒系統(tǒng)5.冷凝法利用物質(zhì)在不同溫度下具有不同的飽和蒸汽壓的性質(zhì)，降低系統(tǒng)溫度或提高系統(tǒng)。

煙氣中SO2的治理技術(shù)濕法煙氣脫硫

用水或水溶液做吸收劑，吸收煙氣中SO2的方法。

主要設(shè)備是指脫硫塔（或洗滌塔、洗滌器）和脫硫除塵器。脫硫塔主要有噴淋空塔、填料塔、雙回路塔及噴射鼓炮塔等四種。

根據(jù)吸收劑的不同分

氨法：氨水做吸收劑，中間產(chǎn)物是亞硫酸銨和亞硫酸氫銨，用不同方法處理中間產(chǎn)物可回收硫酸銨、石膏和單體硫等副產(chǎn)物。

鈉法：用氫氧化鈉、碳酸鈉或亞硫酸鈉水溶液，吸收煙氣中SO2，對之吸收速度快，管路和設(shè)備不易堵塞，吸收液中生成的亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉，經(jīng)過適當處理可回收。

鈣法：稱石灰或石膏法。用石灰石、生石灰和熟石灰的乳濁液作為吸收劑，吸收過程產(chǎn)生的亞硫酸鈣經(jīng)空氣氧化后可得到石膏。成本低廉易得，回收的大量石膏可做建筑材料，廣泛采用。鎂法：代表性工藝是德國的基里洛法和美國的凱米克法。基里洛法是利用吸收性能好、容易再生的作MgxMnxOx吸收劑，吸收煙氣中SO2，所得副產(chǎn)物硫酸濃度可達98%。凱米克法是用串聯(lián)兩個文丘里洗滌器去除煙氣中細小的粉塵，并用氧化鎂溶液吸收煙氣中的SO2，所得含結(jié)晶水的硫酸鎂和亞硫酸鎂晶體和焦炭一起放在1000℃下加熱，分解得SO2和氧化鎂。再生氧化鎂可重新作吸收劑。大約可回收13-17%SO2，用來制備硫酸或單體硫。利用固體吸收劑或吸附劑，吸收或吸附煙氣中二氧化硫的方法。主要有活性炭法、接觸氧化法、活性氧化錳吸收法、還原法等。干法煙氣脫硫汽車尾氣治理技術(shù)城市機動車污染現(xiàn)狀世界機動車增長趨勢近10年來，全國激動車保有量迅速增加，平均增長速度約15%，重點大城市保有量增長更快，北京市自92年以來平均增長速度超過20%。已達2100萬輛。如果汽車單車排放因子高，機動車污染物排放總量大，城市機動車污染分擔率高，嚴重影響城市大氣環(huán)境質(zhì)量。中國機動車保有量增長狀況中美機動車排放因子比較汽車污染物產(chǎn)生來源CO：燃料的不完全燃燒產(chǎn)生CH：燃料的未燃或燃燒不完全產(chǎn)生NOX：汽車發(fā)動機燃燒室的高溫、富氧顆粒物：鉛化合物、硫酸鹽，低分子物質(zhì)。

柴油機排放比汽油機多30-60倍，成分復雜，特別是碳煙。汽車尾氣的主要污染物主要控制技術(shù)◆燃料改進與替代

無鉛汽油（0.013g/L），低硫汽油或柴油；乙醇與汽油的合成燃料；天然氣和液化石油氣?！魴C內(nèi)控制（提高發(fā)動機的燃燒效率）

1）控制空燃比（化油器發(fā)動機）：電控汽油噴射系統(tǒng)（EFI）利用氧傳感器反饋控制適宜的空燃比，提高效率，降低油耗，控制有害氣體排放。2）廢氣在循環(huán)（EGR）：20%循環(huán)，降低NOX約60%，但油耗增加3%。◆機外控制技術(shù)

利用在發(fā)動機外部的催化轉(zhuǎn)化器將產(chǎn)生的有害氣體轉(zhuǎn)化為無害氣體，主要方法是催化凈化法。1）一段凈化法去除碳氫化合物2）二段凈化法利用二個催化反應器或在一個反應器中裝入兩段性能不同的催化劑，完成凈化反應。先利用廢氣中的CO將NOx還原為N2，再在引入空氣的作用下，將CO和碳氫化合物氧化為CO2和H2O。主要控制技術(shù)3）三元催化凈化技術(shù)（ThreeWayCatalyst,TWC）同時凈化3種污染物：CO，NOX，HC。同時降低90%。主要使用貴金屬+陶瓷載體，Pt,Rd,Pd稀土金屬。催化劑壽命要求80000-160000Km，防中毒很關(guān)鍵（鉛和磷）TWC+EFI成為國內(nèi)外汽油車排放控制技術(shù)的主流。未來汽車技術(shù)◆混合動力技術(shù)（電動馬達與汽油發(fā)動機）

啟動和低負荷--電動馬達系統(tǒng)驅(qū)動高負荷—汽油發(fā)動機驅(qū)動減速和發(fā)動機運行—能量儲存電池，循環(huán)使用◆電動汽車

車載蓄電池，關(guān)鍵是高性能電池，電池效率和充電問題是其商業(yè)化的關(guān)鍵，為此開發(fā)了燃料電池系統(tǒng)◆燃料電池汽車技術(shù)

美國通用公司提出的由氫燃料經(jīng)化學反應產(chǎn)生電源將是清潔高效的電動汽車，直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能，不需充電。室內(nèi)空氣污染七、大氣污染綜合防治加強城鎮(zhèn)規(guī)劃，搞好功能分區(qū)采取各種措施減少污染物產(chǎn)生1）區(qū)域采暖和集中供熱2）改善燃料構(gòu)成3）進行技術(shù)更新，改善燃燒過程4）改革生產(chǎn)工藝，綜合利用“廢氣”

開發(fā)清潔和可再生新能源

開發(fā)太陽能、水能、風能、地熱能、潮汐能、生物能和核聚變能等清潔能源，以減少煤碳、石油的用量。

利用綠色植物凈化空氣治理排放的