第三章大气环境科学与污染控制

第三章大气污染及其防治

圣拉查尔火车站

地球上的大气是自然环境的组成部分。人类一刻也离不开大气，没有大气就没有地球上的生命，就没有生机勃勃的世界。大气又是人类极其重要的自然资源。在环境保护中，对特定场所或区域，供人和动植物生存的气体称为“空气”；而以大区域或全球性的气流为研究对象时，则采用“大气”一词。掌握要点大气结构与组成

大气污染物及来源

大气污染的危害污染物的扩散

大气污染治理技术（简要介绍）大气污染综合防治全球性大气污染及对策1大气结构与组成

重点掌握对流层和平流层大气特点，及其与大气污染的关联性；了解大气组成，明确引起大气污染的组分。2大气污染物及来源

掌握大气污染概念和分类，了解污染物的种类和来源。3污染物的扩散

重点掌握影响大气污染程度的三方面因素，了解三因素如何影响大气污染，掌握城市热岛效应概念。4大气污染治理技术（简要介绍）

了解颗粒污染物和大气污染物的治理技术。5大气污染综合防治

了解我国大气污染现状，明确大气污染的特征；了解大气污染防治的五大原则；了解城市大气污染的主要来源及其相应的防治措施；了解区域大气污染SO2和酸雨污染现状及其防治措施，掌握酸雨和“两控区”概念。6全球性大气污染及对策

了解全球性大气污染现状及趋势，掌握温室效应概念和对气候变化的影响；了解引起臭氧层破坏的原因和主要物质；了解全球对控制变暖和臭氧层保护采取的相应对策。返回1大气结构与组成1.1大气结构*

电离层

暖层

中间层

平流层

对流层地球

1、对流层

平均厚度约为12km，集中了占大气总质量75％的空气和几乎全部的水蒸气量，是天气变化最复杂的层次。具有两个特点。

(1)气温随高度增加而降低高度每增加l00m，气温约下降0.65℃。

(2)空气具有强烈的对流运动对流层中气象条件复杂，既有形成污染物易于扩散的条件，又会出现污染物。

2、平流层对流层层顶之上12~55km处的大气为平流层。平流层内温度垂直分布的特点是大气温度随高度的增加而升高。这一方面是由于它受地面辐射影响小，另一方面也是由于该层含有臭氧，存在着臭氧层。臭氧层可直接吸收太阳的紫外线辐射，造成了气温的增加。

3、中间层平流层顶55~85km高处的大气为中间层。无臭氧组分，气温随高度的增加而迅速降低.

4、暖层

气温的分布是随高度的增加而增加

5、散逸层

大气稀薄，气温高，分子运动速度快，部分粒子克服地球引力逃逸到太空。1.2大气的组成

＊大气是由多种气体和水蒸气组成的混合物，由恒定气体、可变气体和不定气体组成。

恒定气体在地球上任何地方的体积分数几乎是不变的；可变气体的含量往往随各地季节、天气变化和人类活动的状况而变化的；不定气体包括自然灾害和人为原因造成的大气污染物及有毒气体，后者是人类保护大气和防治大气污染的主要对象。

各种气体在整个大气中的组成列表1。空气成分恒

定

气

体可

变

气

体氮气氧

气稀有气体二氧化碳尘埃和其它气体水蒸气含量（%）78210.90.030.03～表1大气组成返回2大气污染物及来源2.1大气污染*按照国际标准化组织(1SO)作出的定义：大气污染通常是指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境的现象。

*污染范围上大气污染可分为四类：

1、局部地区(个体行为）

2、区域性（区域行为）

3、广域性（大区域行为，如酸雨）

4、全球性（跨越国界，如温室效应）2.2大气污染物

天然污染物和人为污染物，引起公害的往往是人为污染物。依照污染物存在的形态，分为颗粒污染物与气态污染物。

1、颗粒污染物大气中危害最大、最严重的污染物，除固体颗粒外还包括液滴。

颗粒污染物按颗粒粒径可分为：降尘粒径大于10μm，尘粒、粉尘飘尘粒径小于10μm，粉尘、烟尘液滴由蒸汽凝结、液体喷雾、雾化以及化学反应形成，粒径小于100μm，如水雾、酸碱雾、油雾。

2、气态污染物

(1)含硫化合物SO2、SO3和H2S等。

(2)含氮化合物NO、NO2、NH3等。

(3)碳氧化合物CO和CO2。

(4)碳氢化合物有机废气。

(5)卤素化合物含氯和含氟化合物。

3、一次污染物和二次污染物污染源直接排入大气未发生性质改变的污染物称为一次污染物，一次污染物之间或一次污染物和大气原有组分发生化学反应后生成的新的污染物称为二次污染物。以石油为能源，排入大气的一次污染物，在太阳紫外线的作用下发生光学反应，参与光化学反应的一次和二次污染物的混合物，所形成的烟雾污染称为光化学烟雾，也称洛杉矶型烟雾。以煤为原料，大气中的烟尘、SO2，与水蒸气混合并发生化学反应所生成的烟雾，称为硫酸烟雾，也称伦敦型烟雾。2.3大气污染物的来源

1、燃料燃烧

火力发电厂、钢铁厂等工矿企业的燃料燃烧，各种工业窑炉的燃料燃烧以及各种民用炉灶、取暖锅炉的燃料燃烧。燃烧排气中的污染物组分与能源消费结构有密切关系。发达国家能源以石油为主，大气污染物主要是一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和有机化合物。我国以煤为主，主要大气污染物是颗粒物和二氧化硫。

火力发电厂水泥厂

2、工业生产过程

化工厂、石油炼制厂、钢铁厂、焦化厂、水泥厂等各种类型的工业企业，在原材料制成成品的过程中，都会有大量的污染物排人大气中。污染物主要有粉尘、碳氢化合物、含硫化合物、含氮化合物以及卤素化合物等多种污染物。土法炼焦

3、农业生产过程主要来自农药和化肥的使用。

4、交通运输

车辆行驶产生的扬尘和排放的汽车尾气，轮船、机车燃料燃烧排放的烟尘。也是二次污染物的主要来源。

对烟尘、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳四种主要污染物的统计，我国大气污染物主要来源于燃料燃烧，其次是工业生产与交通运输，它们所占的比例分别为70％、20％和10％；燃料构成以燃煤为主，约占能源消费的75％。煤的燃烧为我国大气污染物的主要来源，同时也形成了我国煤烟型大气污染的特点。因此，控制煤烟型的大气污染，将是我国近期大气污染防治的主要任务。

返回3大气污染的危害*

世界卫生组织和联合国环境组织发表的一份报告说：“空气污染已成为全世界城市居民生活中一个无法逃避的现实。”

（图）

大气污染的危害主要包括以下五个方面：

1、对人的伤害

2、危害生物生存和发育（图）

3、物体腐蚀（图）

4、粉尘危害（图）

5、对全球大气环境的影响

酸雨、温室效应、臭氧层破坏（基本概念）

返回

烟尘、粉尘污染返回农田大气污染酸雨因pH小于5.6，造成土壤、岩石中的有毒金属元素溶解，流入河川或湖泊，严重時使得魚类大量死亡。返回

大气污染物对仪器、设备和建筑物等，都有腐蚀作用。如金属建筑物出现的锈斑、古代文物的严重风化等。美国纽约的自由女神像也饱受酸雨的侵蚀

返回11：30的王府井麦当劳路口由于本地或附近尘沙被风吹起而造成的扬沙、沙尘暴与浮尘,其共同特点是能见度明显下降，出现时天空混浊，一片黄色。扬沙天气风较大，影响的能见度在1公里到10公里之间；沙尘暴风很大，能见度小于１公里。而浮尘是由于远地或本地产生沙尘暴或扬沙后，尘沙等细粒浮游空中而形成，俗称“落黄沙”，出现时远方物体呈土黄色，太阳呈苍白色或淡黄色，能见度小于10公里。沙尘笼罩下的呼和浩特五塔寺(2001年6月14日)返回酸雨：pH值低于5.6的降水。*温室效应：地球大气中存在一些微量气体，如二氧化碳、甲烷等，它们能让太阳短波辐射通过，同时吸收地面和空气放出的长波辐射（红外线），从而造成近地层增温的现象。臭氧空洞：由于地面向大气排放氯氟烃化合物过多，导致平流层里局部臭氧层浓度降低，我们称此低浓度臭氧区为“臭氧空洞”。

返回4大气污染物的扩散

一个地区的大气污染程度与下列因素有关。

1、源参数源参数是指污染源排放污染物的数量、组成、排放方式、排放源的密集程度及位置等。决定了进人大气的污染物的量和所涉及的范围。

2、气象条件气象条件将决定大气对污染物的稀释扩散速率和迁移转化的途径。（具体）

3、下垫面状况下垫面的状况不同会影响到气流的运动，同时也直接影响当地的气象条件。（具体）

返回

4.1气象条件

1、风与湍流

大气运动包括了有规则的平直的水平运动和不规则的、紊乱的湍流运动。大气运动是两种运动的叠加。（1）风即空气的水平运动。描述风的两个要素为风向和风速。风对污染物的扩散有两个作用：一是整体的输送作用，风向决定了污染物迁移运动的方向；二是对污染物的冲淡稀释作用，对污染物的稀释程度主要取决于风速。

（2）大气湍流

即大气中不同于主流方向的各种不同尺度的旋涡运动。与大气的垂直稳定度有关，又与近地面的风速和下垫面等因素有关。前者称为热力湍流，后者称为机械湍流，大气湍流就是这两种湍流综合作用的结果。由于湍流混合，排入大气中污染物，不断被空气渗入，又无规则地分散到其他方向去，如此不断被稀释、冲淡。

风和湍流是决定污染物在大气中扩散状况的最直接的因子，也是最本质的因子，是决定污染物扩散快慢的决定性因素。风速愈大，湍流愈强，污染物扩散稀释的速率就愈快。

2、温度层结和逆温

大气的温度层结是指大气的气温在垂直方向上的分布。直接影响着大气的稳定程度。常用作大气湍流状况的指标，从而判断污染物的扩散情况。近地层实际大气的情况复杂，温度层结有下述三种情况：

(1)气温随高度的增加而降低；

(2)高度增加，气温保持不变；

(3)气温随高度的增加而增加，其温度垂直分布与标准大气的相反。这种现象称为温度逆增，简称逆温。出现逆温的气层叫逆温层。逆温层的出现将阻止气团的上升运动，使逆温层以下的污染物不能穿过逆温层，只能在其下方扩散，因此可能造成高浓度污染。如伦敦烟雾事件、洛山矶烟雾事件等

3、大气稳定度即空气团在铅直方向稳定程度。与污染物扩散的关系密切。通过大气稳定度对烟流扩散的影响，可以直观地看出大气稳定度与污染物扩散的关系。不同温度层结情况下烟流的典型形状。

(1)波浪型又称蛇形型，大气不稳定。

(2)锥型大气处于中性或弱稳定状态。

(3)扇型又称平展型，大气稳定。

(4)屋脊型又称爬升型，排放口上层不稳。

(5)漫烟型又称熏蒸型，排放口下层不稳。

返回4.2下垫面地形或地面状况。影响该地区的气象条件，进而影响着污染物的扩散；另外，本身的机械作用也影响着污染物的扩散。

1、城市下垫面的影响

＊（1）城市的热力效应。由于城市人的活动和工业生产，使其温度比周围郊区温度高的现象成为城市热岛效应。城市热高，城市地区热空气上升，并在高空向四周辐散，而四周郊区较冷的空气流来补充，形成了城市特有的热力环流——热岛环流。（2）动力效应。通过对气流的阻挡，使得气流的速度与方向复杂化，且造成小尺度的涡流，阻碍烟气的扩散。与建筑物的形状、大小、高矮及烟囱高度有关，烟囱越矮，影响越大。

2、山区下垫面的影响

（1）过山气流气流过山时，在山坡、山脚形成的上升、回旋或下沉气流，称之为过山气流。（2）坡风和谷风坡风：夜间冷空气滑向谷底或白天从谷底吹向山坡。谷风：白天，风从平原吹向山谷。

3、水陆交界区对大气污染的影响在水陆交界处(沿海、沿湖地带)，海陆风的环状气流不能把污染物完全输送、扩散出去，当海陆风转换时，原来被陆风带走的污染物会被海风带回原地，形成重复污染。

返回5大气污染治理技术简介5.1颗粒污染物从废气中回收颗粒污染物的过程称为除尘。实现上述过程的设备装置称为除尘器。

1、除尘装置的技术性能指标技术指标常以气体处理量、净化效率、压力损失等参数表示。

2、除尘装置的分类

依照除尘器除尘的主要机制可将其分为机械式除尘器、过滤式除尘器、湿式除尘器、静电除尘器等四类。

（1）机械式除尘器通过重力、惯性力和离心力等质量力的作用达到除尘目的。主要形式有重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器等。

①重力沉降室利用粉尘与气体的密度不同，使含尘气体中的尘粒依靠自身的重力从气流中自然沉降下来，达到净化目的。对50µm以上的尘粒具有较好的捕集作用。

②惯性除尘器利用粉尘与气体在运动中的惯性力不同，使粉尘从气流中分离出来，如折板式。适于非黏性、非纤维性粉尘的去除，设备结构简单，阻力较小，但其分离效率较低，约为50％～70％，只能捕集10～20µm以上的粗尘粒，故只能用于多级除尘中的第一级除尘。

③离心式除尘器旋转运动的含尘气流中的粒子借助离心力，从气流中分离出来的装置，也称为旋风除尘器。适用于非黏性及非纤维性粉尘的去除，对大于5µm以上的颗粒具有较高的去除效率，属中效除尘器。多应用于锅炉烟气除尘、多级除尘及预除尘。主要缺点是对细小尘粒(<5µm)的去除效率较低。过滤式除尘器结构图（2）过滤式除尘器含尘气体通过多孔滤料，截留气流中的尘粒，净化气体。应用于各种工业废气除尘中，属高效除尘器，效率大于99%，对细粉具有强捕集作用。

钢铁厂焚烧厂水泥厂（3）湿式除尘又称洗涤除尘。即用液体洗涤含尘气体，使尘粒与液膜、液滴或雾沫碰撞而被吸收，并随液体排出，气体得到净化。既能净化颗粒污染物，也能同时脱除气体中的气态污染物质。

利用高压电场产生的静电力的作用实现固体颗粒或液体粒子与气流的分离。一种高效除尘器，对细微粉尘及雾状液滴捕集性能优异，效率达99％以上，对于<0.1µm的粉尘粒子，仍有较高的去除效率。能耗低、处理气量大，可应用于高温、高压场合，广泛用于工业除尘。缺点是设备庞大，一次性投资费用高。

（4）静电除尘电厂水泥厂玻璃厂水泥厂5.2气态污染物

依据物质的化学和物理性质，采用不同的治理。

1、吸收法

2、吸附法

3、催化法

4、燃烧法

5、冷凝法5.3低浓度SO2废气治理

SO2是量大、影响面广的污染物。常用的脱除SO2的方法有抛弃法和回收法。抛弃法是将脱硫的生成物作为固体废物抛掉，美国、德国等一些国家多采用此法。回收法是将SO2转变成有用的物质加以回收，成本高，所得副产品存在着应用及销路问题。我国应以回收法为主。低浓度SO2治理，目前还缺少完善的方法。已应用的脱除SO2的方法有湿法（即用液体吸收剂洗涤烟气，吸收所含的SO2）、干法（即用吸附剂或催化剂脱除废气中的SO2）。

1、湿法

氨法钠碱法钙碱法

2、干法

活性炭吸附法催化氧化法烟气脱硫处理设备

处理工序图

1.电除尘器

2.CONTROLDAMPER

3.ByPassDamper

4.石灰石储罐

5.甲酸罐

6.混合罐

7.循环泵

8.脱水离心分离器

9.副产品(石膏)

5.4NOx废气治理

1、吸收法吸收剂有碱液、稀硝酸和浓硫酸等。

2、吸附法

吸附剂为活性炭与沸石分子筛等。

3、催化还原法在催化剂的作用下，用还原剂将废气中的NOX还原为无害的N2和H2O的方法称为催化还原法。清除氮氧化物设备

处理工序图

1.气体分配器

2.气体蒸馏器

3.STATICMIXER

4.反应器

5.ID扇

6.烟囱

7.SCR板

8.喷嘴阀箱

9.喷嘴

10.反应剂储罐

5.5汽车尾气治理汽车尾气含有CO、碳氢化合物、NO、醛、有机铅化合物、无机铅、苯并[a]芘等多种有害物。控制方法有两种：机内净化（改进发动机的燃烧方式）和机外净化（利用装置在发动机外部的净化设备，对排出的废气进行净化治理），主要方法是催化净化法。

1、一段净化法去除碳氢化合物

2、二段净化法利用二个催化反应器或在一个反应器中装入两段性能不同的催化剂，完成净化反应。先利用废气中的CO将NOx还原为N2，再在引入空气的作用下，将CO和碳氢化合物氧化为CO2和H2O。

3、三元催化法利用能同时完成CO、碳氢化合物的氧化和NOX还原反应的催化剂，将三种有害物一起净化的方法。需对空燃比进行严格控制以及对催化剂性能的高要求，不十分成熟。返回

吸收法

以液体作吸收剂，废气与之接触后被吸收，使气体得到净化。具有设备简单、捕集效率高、应用范围广、一次性投资低等特点，易引起二次污染。

吸收系统工艺流程图返回

吸附法

大表面多孔性固体物质（吸附剂）与废气接触，吸附其中有害组分，达到净化目的。适宜于低浓度场合，吸附剂需再生。

吸附处理系统处理工序图

1.余热锅炉

2.热交换机

3.干式反应器

4.ConditioningRotor

5.滤尘器

6.ID扇

7.烟囱

8.熟石灰定量投入装置

9.活性炭定量投入装置

10.反应剂再循环系统

11.ASH输送/贮藏返回催化法

利用催化剂的催化作用，转化有害组分为无害物或易于去除物质的一种方法。效率较高，无二次污染。

返回

燃烧法

对混合气体进行氧化燃烧或高温分解，使有害组分转化为无害物质的方法。

有机废气燃烧系统返回冷凝法

采用降低废气温度或提高废气压力的方法，使一些易于凝结的有害气体或蒸气态的污染物冷凝成液体并从废气中分离出来的方法。

返回6大气污染综合防治6.1大气污染现状及根源

1、大气污染现状以煤烟型为主，主要污染物是SO2和烟尘。2000年，我国二氧化硫排放1995万吨，其中工业1612万吨，生活383万吨；烟尘排放1165万吨，其中工业953万吨，生活212万吨；工业粉尘1092万吨。表22000年与1995年废气中主要污染物排放状况对比

单位（万吨）项目年度二氧化硫烟尘工业粉尘2000年1995.11165.41092.01995年2369.61743.61731.2增减率(%)-15.8-33.2-36.9

城市空气统计的338个城市中，36.5%的城市达到国家空气质量二级标准，63.5%的城市超过国家空气质量二级标准，其中超过三级标准的有112个城市，占监测城市的33.1%。总悬浮颗粒物（TSP）或可吸入颗粒物（PM10）年均值超过国家二级标准限值的城市占统计城市的61.6%。20.7%的城市二氧化硫浓度年均值超过国家二级标准限值。47个环境保护重点城市中，27个城市空气质量达到国家二级标准，7个城市空气质量为三级，13个城市超过三级标准。

2、根源（1）环境意识薄弱，对可持续发展战略认识不足。（2）能源、利用不合理，能源浪费严重。（3）大气污染防治的资金投入不足。（4）执法不严，监督管理力度不够。（5）缺乏实用的治理技术。6.2污染综合防治原则

1、以源头控制为主，实施全过程控制

2、合理利用大气自净能力与人为措施相结合

3、分散治理与综合防治相结合

4、按功能区实行总量控制与浓度控制相结合

5、技术措施与管理措施相结合6.3城市大气污染综合防治

1、制定综合防治规划，实现“一控双达标”

2、调整工业结构，推行清洁生产

3、改善能源结构，大力节约能源

集中供热城市煤气化普及民用型煤积极开发清洁能源

4、综合防治及扬尘污染

汽车尾气扬尘污染的防治

5、完善城市绿化系统

6、实施城市空气质量的周报或日报

7、大气污染气象预报及大气污染预报6.4区域大气污染综合防治区域大气污染，目前最突出的问题是SO2的大量排放所造成的污染以及由此而导致的大面积酸雨的发展

1、我国酸雨和SO2的污染现状

据对全国2177个城市13年环境监测数据分析，62.3％城市SO2年平均浓度超过国家二级标准，酸雨为硫酸型。254个城市中，降水pH值范围4.10～7.70，61.8%出现过酸雨，36.2%城市年均pH值小于5.6，华中、华南、西南及华东地区是酸雨污染严重的区域。

2、划分“两控区”，控制酸雨和SO2污染治理酸雨污染，即控制住SO2排放总量。根据1995年新修订的《中华人民共和国大气污染防治法》，决定在全国划定酸南控制区和SO2污染控制区(“两控区”)，强化对酸雨和SO2的污染控制。依此划定，“两控区”总面积约占国土面积11.4％，“两控区”内SO2排放量约占全国的60％。控制目标：到2000年，遏制酸雨和SO2污染恶化的趋势，区内排放SO2的工业污染源要达标排放；SO2排放量控制在1995年水平；重点城市环境空气S02浓度达到国家环境质量标准；酸雨恶化的趋势得到缓解。

2010年，酸雨和SO2污染状况明显好转；SO2排放量控制在2000年排放水平之内；控制区内所有城市环境空气SO2浓度都达到国家环境质量标准；酸雨控制区降水pH≤4.5地区面积明显减少。

3、控制措施禁止、限产和关停煤层含硫份大于3%的矿井；含硫份大于1.5%的煤矿，应设煤炭洗选设施；禁止在大中城市城区及近效区新建燃煤火电厂；燃煤含硫量大于1%的电厂要在2010年前完成二氧化硫减排的措施；从环境管理角度，提出具体计划实现控制目标。

4、综合防治九五”期间，防治重点：“两控区”二氧化硫；城市烟尘、粉尘；机动车排气污染。控制目标：工业污染源和机动车限期达标排放，实现烟尘、粉尘和二氧化硫总量控制指标，全面推动机动车车用汽油无铅化；重点城市大气环境质量按功能区达到国家标准，控制酸雨污染。主要采取对策：地方政府对环境质量负责，走可持续发展的道路发展清洁能源，改善能源消费结构推行煤炭洗选加工，控制高硫份、高灰份煤炭污染淘汰落后生产工艺加强大气污染防治实用技术的推广。完善环境监督管理制度认真履行保护全球大气环境的国际公约

截止到2000年9月，两控区内4894个二氧化硫排放100吨/年以上的重点工业污染企业，有3735家实现达标排放，达标率为76.3%。已关停一批高硫煤矿、小火电机组、小水泥、小玻璃生产线和小钢铁生产线。天蓝云白、绿草如茵，由于对大气污染的控制，环境质量越来越好返回

大气污染综合防治规划是指从区域(或城市)大气环境整体出发，针对该地域内的大气污染问题(如污染类型、程度、范围等)广根据对大气环境质量的要求，以改善大气环境质量为目标，抓住主要问题，综合运用各种措施，组合、—优化确定大气污染防治方案。

“一控双达标”，“一控”即实施污染物排放总量控制。“双达标”是指所有工业污染源都要达标排放；直辖市、省会城市、经济特区城市、沿海开放城市和重点旅游城市的环境空气和地面水环境质量，按功能分区分别达到国家标准。所谓清洁生产*，可以概括为采用清洁的能源和原材料，