大气污染物分析

1、2014届 分 类 号: 单位代码:10452毕业论文（设计）沈阳大连冬季主要污染物日变化规律研究姓 名 孙建美学 号 201007020227 年 级 2010 专 业 地理科学 系 （院） 资源环境学院 指导教师 张广娜 2014年3月30日临沂大学2013届本科毕业论文（设计）摘 要改革开放30多年来，随着经济的发展，城市化进程的加快，以资源消耗为主的经济增长方式带来的高强度的污染排放，PM10、PM2.5、SO2及NO2是主要的污染排放物，对人体健康、生态环境和社会经济产生了巨大的威胁与损害。本文以沈阳及大连市各监测点大气污染物实时监测数据为对象，分析了大气颗粒物PM10、PM2.5、

2、SO2及NO2的日变化规律。研究阶段涵盖中国传统节日小年、春节及元宵节，结果发现：浓度变化受鞭炮影响的污染物主要是SO2，受采暖期煤炭燃烧影响的污染物主要是PM2.5与PM10，PM2.5与PM10的浓度同时受春节期间燃放鞭炮的影响，而NO2的浓度变化的主要影响因子是机动车尾气排放，其次是鞭炮的影响。关键字：日变化规律；PM10；PM2.5；SO2；NO2Abstract30 years of reform and opening up, along with economic development, urbanization, pollution, resource depletion c

3、aused by emissions of economic growth based high strength, PM10, PM2.5, SO2 and NO2 emissions are the main substance on human health, ecological and socio-economic environment has had a huge threat and damage. In this paper, the real-time monitoring data for the city of Shenyang and Dalian object mo

4、nitoring points atmospheric pollutants analyzed PM10, PM2.5, SO2 and NO2 diurnal variation of atmospheric particles. Research phase covers a small traditional Chinese festivals, the Spring Festival and the Lantern Festival, and found: changes in the concentration of pollutants by firecrackers mainly

5、 affect SO2, pollutants affected by the burning of coal for heating is mainly PM2.5 and PM10, PM2.5 and affected by the concentration of PM10, while firecrackers during the Spring Festival, while changes in the concentration of NO2 is the main factor affecting vehicle exhaust emissions, followed by

6、the effects of firecrackers.Keywords: diurnal variation;PM10;PM2.5;SO2;NO2目 录摘 要I1 前 言11.1 大气污染物可吸入颗粒物的研究进展11.2 大气污染物SO2的研究进展21.3 大气污染物NO2的研究进展32 数据分析与作图53 结果与分析63.1 冬季大气物可吸入污染颗粒物的分布特63.2冬季大气污染物SO2的分布特征73.3冬季大气污染物NO2的分布特征84. 结论9参考文献10致谢141 前 言近年来，中国大气污染物引起的雾霾天气对人体健康的恶劣影响，已经引起了国内外科研人员及政府官员的关注。研究表明，大气

7、污染物对人体血淋巴细胞染色体断裂剂和基因毒性因子1、人体免疫球蛋白水平及呼吸道菌群的定植2、慢性阻塞性肺部疾病与心血管疾病3、血管皮细胞的氧化损伤4、儿童呼吸系统疾病和症状的阳性率增高5有显著影响。大气中的主要污染物分为大气可吸入颗粒物、SO2、NO2。1.1 大气污染物可吸入颗粒物的研究进展大气颗粒对人体的主要影响在于它被吸入人体后会加重一些已有呼吸系统疾病及心脏病患者的病情,同时对老人和儿童健康产生严重危害6。而长期工作于高悬浮颗粒浓度环境中的人则特别容易患上相关的职业病,如煤矿工人由于吸入煤矿尘埃导致的矽肺病,纺织工人因吸入棉屑导致的棉尘病等等6。除了引起人的健康问题外，悬浮颗粒还造成两

8、种环境问题：一是酸沉积，指一些次级颗粒随降水来到地面，对其落下位置的生物和非生物造成威胁；二是降低能见度,当空气中悬浮颗粒浓度增大时，空气的清晰度就会降低，给交通等带来不便甚至引起重大灾害7。大气可吸入颗粒物的来源分为天然来源和人为来源两大类。一是颗粒污染的天然来源：一次颗粒物的天然来源主要有地面的扬尘，火山爆发时的迸出物，森林火灾燃烧物，来源于宇宙的陨星尘土以及生物界生成的颗粒物，例如花粉、孢子等等。而二次颗粒物的天然来源主要有森林排出的碳氢化合物，进入大气中后经过光化学反应产生的细小颗粒，以及与自然界中硫、氮、碳循环有关的转化产物。再是颗粒污染的人为来源大气颗粒物的人为污染源可概括为四大方

9、面：燃料燃烧、工业生产过程、交通运输和农业活动排放8。目前对大气颗粒物的研究主要集中在城市大气污染物的扩散输送特征、城市群空气质量预报技术及区域性空气质量调控技术、城市大气边界层特征以及污染物传输的主导控制因子与输送规律等方面9-17已有研究表明：辽宁城市群的主要大气污染物是PM10、PM2.5、SO2和NO2，且冬季是辽宁城市群大气污染最严重的季节18。故本文以冬季沈阳-大连两城市主要污染物PM10、PM2.5、SO2和NO2浓度的日变化规律为研究对象，以期为两市大气污染防治提供合理的数据支持及理论支撑。近年来对颗粒物的研究表明，颗粒物有明显的毒性作用，可以起机体呼吸系统、，免疫系统等的较为

10、广泛的损害。因此，我们必须要采取切实可行的方法来降低大气污染颗粒的浓度，使其达到正常值。一是减轻空气污染，应减少冬季燃煤的消耗量，节能减排，增加集中供暖面积；用风能、太阳能等新能源，从整体上改善空气污染现状19。二是控制汽车尾气的排放；实施机动车污染防治,有效控制尾气污染。三是更新公交车辆,斩断公交黑龙,提高公交尾气合格率；路检车辆,机动车尾气合格率达到80%以上。四是使用档环保型车辆,新型公交车上路行驶,市民乘车将更方便、舒适,同时也将改善城市的空气质量；五是增加城市绿化面积，城市大气环境容量明显增加，增强空气污染物吸附能力,增加碳汇，增加城市空气湿度，达到间接减排的效果20。1.2 大气污

11、染物SO2的研究进展二氧化硫对眼睛、呼吸系统及某些情况下对皮肤有刺激作用，会加重呼吸系统疾病患者症状和使老年人、少年儿童受害，产生呼吸道问题。长期工作于高二氧化硫环境的人会产生哮喘、慢性支气管炎、肺气肿等疾病。造成这一影响的主要原因是二氧化硫与水混合会形成硫酸这种对生物有强烈刺激的物质6。SO2是人体血淋巴细胞染色体断裂剂、基因毒性因子，因此长期接触会增加得癌症的机率1。SO2气体是大气污染和酸化的主要来源,氧化形成的硫酸盐气溶胶是城市大气细粒子的重要组成部分，不仅是造成区域大气复合型污染的重要因素，而且也严重影响大气环境质量21，降低能见度,损害人们身体健康,腐蚀建筑物表面，污染生活环境，给

12、人们的生命和财产带来不易察觉的巨大损失。二氧化硫产生主要有自然的和人为的两种来源。最重要的自然来源是火山喷发，另一些二氧化硫的自然来源有森林火灾和其他的自然燃烧、生物腐烂和有机生物体的代谢过程，特别是海洋浮游生物和细菌的新陈代谢产物。二氧化硫的人为来源主要是各种工业与制造业的生产以及汽车尾气排放等，生产过程中煤和石油的燃烧都会排放出二氧化硫6。近年来,随着国民经济迅速发展，大气环境质量的重要因素，而且大气环境质量呈现明显的区域性特征22。SO2浓度分布与变化除了与其源排放分布有直接关系外，还受天气过程即气象条件包括风速、风向、降水、大气稳定度等的控制23。天气过程决定了SO2等污染物的水平输送

13、状况24-25。城市布局也是影响SO2的一个重要因素26。因此，我们可以将影响SO2浓度变化的因子主要归为三类，包括：气象因子、污染源因子和其他影响因子27。对于SO2的防治措施，一方面我们应加强监测，另外还要提高脱硫技术。于监测技术而言，从20世纪70年代开始世界各地相继建立了大气痕量气体的连续自动监测系统,对痕量气体进行监测。传统大气SO2监测的方法主要有荧光光度法、化学发光法、甲醛-盐酸副玫瑰苯胺比色法和被动差分光学吸收光谱(Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS)等28-31。目前已有许多先进技术如遥感监测大气SO2等，与传

14、统大气SO2检测方法相比，可快速获取数据，受限制条件少。对于脱硫技术而言，烟气脱硫技术32主要利用各种碱性的吸收剂或吸附剂捕集烟气中的二氧化硫将之转化为较为稳定且易机械分离的硫化合物或单质硫，从而达到脱硫的目的。根据脱硫过程是否有水参与及脱硫产物的干湿状态可分为湿法、半干法和干法烟气脱硫33。在科学技术不断发展与进步的今天，随着研究者们的不断努力，一系列新型、实用性强的脱硫技术不断涌现，如乙醇胺(MEA)法、二异丙醇胺(DIPA)法、MDEA法、位阻胺法、金属氧化物和金属盐法、细菌脱硫法、微生物脱硫法、生物膜法、萃取脱硫法、离子液体脱硫法等34。1.3 大气污染物NO2的研究进展氮氧化物对健康

15、的主要影响在很大程度上与一氧化碳十分相似，也是与血红蛋白之间会产生反应。但是在正常环境下氮氧化物的浓度是十分低的，所以相对于吸入一氧化碳来说，吸入氮氧化物的影响要小得多。氮氧化物中一氧化氮和二氧化氮的毒性最高，对呼吸系统有十分严重的毒害作用，能造成呼吸道疾病和肺部功能变化6。大气中NO2浓度的不断升高对生态环境和人体健康具有很大的危害，而且NO2是臭氧及其它光化学二次污染物(如PAN和二次气溶胶等)最重要的前体物，它不仅仅是参与臭氧产生的反应，而且激活氯化合物和臭氧之间的反应，在强太阳辐射条件下，NO2可通过光化学反应产生高浓度臭氧，甚至形成光化学烟雾T在平流层臭氧的光化学过程中，氮氧化物(N

16、Ox)起着重要的作用，含氮化合物引起臭氧层耗损36。NO2也是形成硝酸性酸雨、酸雾的主要污染物。大气中NOx主要以NO2和NO形式存在，在高温燃烧过程中如汽车发动机中和工业生产中的高温燃烧过程，还有燃气炉和家用火炉等居民生活用火燃烧过程等等，由大气中的氮和化石燃料中的氮氧化而产生的。近一半的NOx来源人为排放，其最主要的人为源是汽车尾气、飞机排放、工业和生物燃烧35其中又以汽车尾气排放的NOx为最多。天然源排放主要包括由土壤的微生物排放37，大气闪电过程和生物质自然燃烧等等38对流层的主要来自大陆，其余是来自海洋和闪电39。大气污染物NO2是一种高度活性的气体,其浓度主要受局地源排放、大气扩散

17、、太阳辐射影响，同时与其特有的地形特征、气候特征也密切相关。东北地区冬春季节易发生逆温，当强逆温生成时，湍流运动受到抑制，大气扩散能力弱，污染物难以扩散40。由于NO2的产生主要是人为活动，如化石燃烧、交通尾气，而且在大气中滞留的时间与温度有显著的关系，所以通常对流层高浓度的NO2应该出现在冬季41。这个结果与其他学者的研究相一致，Beierle与Petritoli等研究发现NO2的排放在冬季达到最大值。随着环境问题的加剧，国内外学者对NO2的防治措施进行了各方面研究。在监测技术方面，用太阳光谱遥测42、OMI遥感数据研究43大气污染气体NO2的含量，用中国区域大气NO2。在NO2的治理方面，

18、主要是通过还原反应与吸附作用，通过HZSM-5分子筛基催化剂上乙炔、丙烯和甲烷选择催化还原NOx来消除贫燃尾气中NOx44以及在无氧条件下，以H2为还原剂，研究了催化剂在选择催化还原氮氧化物的反应活性45，在常压下研究了多种分子筛上NO和NO2的吸附和脱附情况46，利用茶叶非可溶性膳食纤维(IDF)吸附NO2等各种方法展开了研究47。2 数据分析与作图选取腊月22至正月十九的主要污染物监测数据利用EXCEL进行分析作图(图1、2、3)，以及查阅天气状况做统计表格(表1、2)，其中涵盖主要时间节点：小年(XN，腊月23)、除夕(NYE)、春节(SF)、元宵节(LF)。3 结果与分析3.1 冬季大

19、气物可吸入污染颗粒物的分布特如图1a、1b所示，春节以及正月19 PM2.5及PM10浓度最高，春节前和元宵节污染物浓度也较高，污染较重，远远超过了国家环境空气二级标准，（PM2.5、PM10的浓度分别是75g/m3、150g/m3）。由于受传统节日春节和元宵节的影响人们出行减少，燃放大量鞭炮，投入到新年的氛围中，而爆竹的主要成分是黑火药，含有硫磺、木炭粉、硝酸钾，有的还含有氯酸钾。制作闪光雷、电光炮、烟花炮、彩色焰火时,还要加入镁粉、铁粉、铝粉、锑粉及无机盐1。当烟花爆竹点燃，木炭粉、硫磺粉、金属粉末等在氧化剂的作用下，迅速燃烧，产生的主要污染物是污染气体及金属氧化物的粉尘。因此春节和元宵节

20、期间，污染颗粒物的主要来源是烟花爆竹的燃放，节期间最明显特别是除夕夜燃放鞭炮明显增多，在短时间内造成了空气质量的急剧下降。正月19 可吸入颗粒物的浓度最高，这与天气系统有关，见表1、2。在此时间段为降雪天气，天气寒冷，冬季主要消耗煤炭实现供暖12，化石燃料的不充分燃烧这一过程向空气排放出大量未燃烧的碳颗粒，导致可吸入污染颗粒物的浓度大幅增加,这是冬季污染严重的主要原因。在元宵节以后，由于人们开始投入生产活动，出行正常，因此工业污染排放以及机动车辆的尾气排放也是污染来源之一。如图1c、1d所示，春节前后沈阳和大连PM2.5、PM10的变化规律相似，但是沈阳PM2.5、PM10的浓度要高于大连，污

21、染更严重。一方面是受人口因素的影响，沈阳人口多于大连人口，消耗的煤炭资源多，另一方面与气象、地形条件有密切的联系。持续小风、静风情况容易造成污染物的局地累积。当污染源所在地近地面水平风速小、稳定度大、混合层高度低、无上升运动时,污染物首先在局地堆积,之后缓慢向外扩散,近地面污染物浓度大、范围小。反之,当污染源所在地近地面水平风速大、稳定度小、混合层高度高、上升运动明显时,有利于污染物的水平和垂直扩散,不会出现污染物高浓度分布区。大连靠海风速比较大，有利于污染物的扩散。另外,污染物浓度的分布范围受地形的影响也是很大，沈阳位于内陆，位于地势平坦的平原，两侧地势高，不利于污染物的排放，加重了沈阳冬季

22、城市污染。而大连位于沿海，昼夜温差不大，相比较而言更利于污染物的扩散。这是沈阳比大连污染重的原因之一。3.2冬季大气污染物SO2的分布特征从图2可知SO2浓度最高值出现在除夕前后，除夕前一般按照中国的传统要上年坟放鞭炮以此怀念逝去的亲人，除夕夜放鞭炮承袭传统以求来年顺利，初二有吉车的传统，为车辆放鞭炮以求出入平安，因此鞭炮的成为SO2的主要因素。而在正月19，SO2的浓度低于可吸入颗粒物的浓度，主要是天气的原因，由于这几天有雨雪天气，而SO2溶于水，形成酸性物质降至地表，减少了空气中SO2的含量，说明春节燃放鞭炮对SO2的影响是显著的。SO2的日均值国家二级标准150g/m3，大连的日均值都不

23、超过二级标准，但是沈阳的日均值有12天超过二级标准，在一定程度上已经影响到人们的正常生活，威胁到人体的健康。沈阳SO2的浓度要远远大于大连，其原因可见沈阳PM2.5、PM10的浓度要高于大连的原因。3.3冬季大气污染物NO2的分布特征NO2的日均值国家二级标准80g/m3，从图3可知：沈阳、大连的日均值都不超过二级标准，所以NO2的浓度比较低，属于正常的范围，但是却超过年均值国家二级标准，说明冬季NO2的浓度高于其他季节。NO2的污染还是很重的。而且元宵节之后明显升高达到最高值，在此段时间人们已经正常上班，机动车辆已经开始正常上路，而正月18为降雪天气，可能是交通出现慢行或堵塞，研究表明车辆处

24、于低速或发动但停滞不前是排放的NO2浓度最大48，因此机动车辆的排放成为NO2浓度高的首要因素。春节前后成为次高峰值说明鞭炮对NO2影响也是比较大的，但是其贡献值要低于机动车辆的排放。元宵节之前，沈阳的浓度高于大连，人口因素起了一定作用。元宵节之后，大连的浓度与沈阳的基本一致。这源于其经济结构、产业结构的基本一致。4. 结论PM10与PM2.5：正月19PM2.5及PM10的浓度最高，春节前后和元宵节污染物浓度率低于正月19，此段时间的浓度主要受采暖期大量使用煤炭资源的影响，其次为鞭炮烟花的影响。SO2：其主高峰值出现在除夕前后，鞭炮成为SO2浓度大的主要贡献因子。SO2可溶于水，因此雨雪天气

25、可以降低SO2浓度。NO2：正月18其浓度明显升高达到最高，归因于机动车辆的排放。此段时间车辆可以正常出行，正月18为降雪天气，可能是交通出现慢行或堵塞，NO2排放量增加，因此机动车辆的排放成为NO2浓度高的首要因素。春节前后成为次高峰值说明鞭炮对NO2影响也是比较大的，但是其贡献值要低于机动车辆的排放。参考文献1 孟紫强. 二氧化硫对人体血淋巴细胞的遗传毒理效应J. 城市环境与城市生态, 1994,7(4):356-363.2 肖纯凌, 韩秀珍, 魏德洲, 等. 大气污染对人体免疫功能及微生态的影响J. 中国微生态学杂志, 2002,14(1):25-31.3 周晓铁, 何兴舟. 室内空气污

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