第二章大气环境

第一篇环境污染问题

第二章大气环境第三章水体环境第四章土壤环境第五章固体废物与环境第六章噪声及其他物理性污染

第二章大气环境大气的结构和组成大气污染主要的大气污染物大气环境中污染物的化学转化烟雾酸雨大气中污染物扩散的高斯模式1大气的结构和组成1.1大气的垂直结构1.1.1根据大气化学成分垂直分布：

均质层（地表~90km，大气中主要成分的组成比例几乎不变）

非均质层（90km以上）1.1.2按大气电离状态的垂直分层：

非电离层（60km以下）

电离层

1.1.3根据大气在垂直方向上温度的变化可分五层：对流层、平流层、中间层、热层和逃逸层对流层最低层，其厚度随纬度和季节而变化在赤道低纬度地区为17~18km；在中纬度地区为10~12km；两极附近高纬度地区为8~9km。夏季较厚，冬季较薄。该层的特点：温度随高度升高而递减，大约每上升100米，温度降低0.6度。由于近地面热空气上升，上层冷空气下降，所以在垂直方向上形成强烈对流；密度大，占大气总质量的3/4；由于大规模垂直对流运动，该层成分比例稳定；主要的天气现象均发生在该层。在对流层中，因受地表的影响不同，又可分为两层：摩擦层或边界层和自由大气层

1大气的结构和组成平流层对流层顶到约50km的大气层在平流层下层，即30~35km以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称同温层；在30~35km以上，温度随高度升高而升高该层特点：大气平流运动显著；空气比下层稀薄，水气、尘埃少，大气透明度好；在高约15~35km范围内，有厚约20km的臭氧层。3）中间层：

平流层顶到80km高度。温度随高度增加而下降。

4）热层：

80km到500km。温度随高度升高而迅速上升。

5）逃逸层（逸散层）热层以上——外大气层1．2大气的组成（停留时间）准永久性气体O2N2惰性气体停留时间（年）104106107可变化组分CO2CH4H2N2OO3年5~152.5~86~8>10~2强可变组分H2OCONOXNH3SO2H2S颗粒物天~1073~1858~10~5~2~0.510~302大气污染大气污染（atmosphericpollution）：是指大气中污染物或由它转化成的二次污染物的浓度达到了有害程度的现象。污染源（pollutionsources）可分为天然大气污染源和人为大气污染源两类。人为污染源1）按污染源特性：A*固定源：如工厂源；B*流动源：如汽车源。2）按污染源排放方式：A*点源：如工厂的烟囱源；B*线源：如城市交通源；C*面源：如居民区源。3）按污染源产生类型：A*工业企业污染源；B*城市交通污染源；C*民用污染源。4）按污染源排放时间：A*连续源B*间断源C*瞬时源我国大气污染现状以煤烟型为主，主要污染物是二氧化硫和烟尘城市、工矿区的污染较严重，城市仍以煤烟型污染为主，部分大中城市出现煤烟—机动车尾气混合型污染从总体上，我国北方城市的大气污染大于南方城市；冬季大于夏季；城市、工矿区大于农村我国烟尘排放量逐年下降，二氧化硫排放量仍在缓慢上升。以宜宾、贵阳、重庆为代表的西南高硫煤地区的城市和北方能源消耗大的山西、山东、河北、辽宁、内蒙古及河南、陕西部分地区的城市二氧化硫污染较为严重。（氮氧化物污染以广州、北京和上海三市污染严重）。城市空气污染综合指数大气污染物浓度远远超过国际标准3主要的大气污染物大气污染物是指由于人类活动或自然过程排入大气，并对人体、生物或环境产生有害影响的物质。气溶胶状态污染物气体状态污染物3．1气溶胶状态污染物粉尘（dust）：指悬浮于气体介质中的小固体颗粒，受重力作用可发生沉降，但在一定的时间内能保持悬浮状态。其直径一般为1~100μm左右。烟尘（fume）：一般指冶金过程形成的固体粒子的气溶胶，是熔融物质挥发后生成的气态物质的冷凝物，生成过程总是伴随着氧化过程的化学反应。其直径一般在0.1~1μm左右。飞灰（flyash）：指随燃烧过程产生的烟气排出的分散得很细得无机灰分。黑烟（smoke）：通常指燃料燃烧产生得能见气溶胶，是燃料不完全燃烧得产物，除碳颗粒外，还有碳、氢、氧、硫等组成得化合物。雾（flog）：是指气体中液滴悬浮体的总称。气象学中指造成能见度小于1km的小水滴悬浮体。大气污染控制中根据大气中颗粒物的大小

飘尘：指大气中粒径小于10μm的固体颗粒物，能长期漂浮在大气中，有时也称浮游粒子或可吸入颗粒物。可吸入粒子（IP）：粒径≤15μm的粒子。国际标准化组织将IP定为粒径≤10μm的粒子。降尘：指大气中粒径大于30μm的固体颗粒物，因重力作用，在短时间内可沉降到地面。总悬浮颗粒（TSP）：指悬浮于大气中粒径小于100μm的所有固体颗粒物，包括飘尘和部分降尘。3．2气体状态污染物以分子状态存在的污染物，简称气态污染物主要有5类：含硫化合物、碳氧化合物、碳氢化合物、含氮化合物及含卤素化合物气态污染物还可以分为一次污染物和二次污染物一次污染物也称原发性污染物，是污染源直接排入大气中的原始污染物二次污染物也称继发性污染物，是一次污染物进入大气后经过一系列大气化学或光化学反应生成的与一次污染物性质不同的新污染物，主要有硫酸雾（sulfuroussmog）和光化学烟雾（photochemicalsmog）表气体状态污染物种类

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碳氢化合物CH醛、酮、过氧乙酰硝酸酯、O3卤素化合物HF、HCl硫氧化物二氧化硫是主要的硫氧化物来源：含硫燃料的燃烧过程硫化物矿石的焙烧、冶炼过程危害：参与了硫酸烟雾和酸沉降的形成碳氧化物CO、CO2主要来自燃料燃烧和机动车船尾气CO是一种窒息性气体，主要来源于内燃机CO2属无毒气体，温室气体碳氢化合物生物体的自然分解石油开采及冶炼、天然气和沼气泄露等除甲烷等链烃化合物外，还有多环芳烃（PAHs）等复杂化合物，多数对人和其他生物有毒有害，有的甚至致畸、致癌可以促进光化学烟雾的形成氮氧化物（NOx）NO和NO2NO进入大气后可缓慢氧化成NO2NO2的毒性约是NO的5倍NO2参与光化学反应形成光化学烟雾后，毒性更大氮氧化物的主要源是机动车、煤和天然气的燃烧以及化肥厂和炸药厂含卤素化合物卤代烃、氟化物和其他含氯化合物主要关注的是卤代烃中的氟氯烃类和含溴的卤代烷*A氟氯烃类或称氟利昂类（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）无自然源，用于致冷剂、气溶胶喷雾剂、电子工业的溶剂、制造塑料的泡沫发生剂和消防灭火剂等破坏臭氧层物质；也是温室气体*B含溴的卤代烷烃，商业名称为Halon（哈龙）特种消防灭火剂，破坏臭氧层物质CFCs命名原则第一种方法：CFC-113，第一个数字表示（碳原子数减1），第二个数字表示（氢原子数加1）第三个数字表示氟原子数，则CFC-113就是分子中含有2个C，0个H和3个氟，因分子中无H有3个氟，也就必然有3个Cl对于CFC-11和CFC-12命名相同，因为分子中只含1个C，第一个数字（碳原子数-1）为0，因而省略。第二种方法：“RuleOf90”：数字加90，如CFC-11，11+90=101，即碳原子数为1，氢为零，氟为1。（返回）4大气环境中污染物的化学转化污染物进入大气，扩散、输送过程中，在污染物之间以及污染物与空气原有组分之间进行化学反应，形成新的二次污染物——大气污染的化学转化光化学反应过程和热化学反应过程大气光化学特性：太阳光的辐射强度，能量E=hν=hC/λ（ν光波频率，λ波长，h普朗克恒量6.63*10-34）按照波长可以把太阳光辐射分为：波长λ=380~760nm为可见光区；波长λ=760~2000nm为近红外区；波长λ大于2000nm为远红外区；波长λ小于380nm为紫外光区大气中的吸光物质一个原子、分子、自由基或离子吸收一个光子所引发的反应，称为光化学反应。硫氧化物在大气中的化学转化：主要是二氧化硫在大气中的光化学氧化和催化氧化。SO2→SO3→H2SO4。氮氧化物在大气中的化学转化：主要是NO和NO2与O3之间的化学循环，以及转化为硝酸和亚硝酸的反应

5烟雾

伦敦型烟雾光化学烟雾5．1伦敦型烟雾

还原型污染物大气污染主要污染物：二氧化硫、一氧化碳和颗粒物质在低温、静风、高湿并伴有逆温的气象条件下，污染物扩散受阻，在低空聚集形成还原型烟雾。成因：除气象和地理条件之外，由三种大气污染物——烟尘、雾和二氧化硫相互叠加而成。在煤粉尘颗粒表面，SO2氧化形成SO3，随即与水蒸气结合成硫酸，进而形成硫酸气溶胶。同时，SO2也可溶解在小水滴中再氧化为硫酸。当大气中SO2、雾（微小水滴）、煤粉尘三种成分的浓度足够时，很快能形成硫酸雾。伦敦型烟雾的实质是硫酸雾。5．2光化学烟雾

又称石油烟雾，是汽车、工厂等污染源排入大气的烃类化合物（HC）和氮氧化物等一次污染物，在阳光的作用下发生光化学反应，生成臭氧、醛、酮、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等二次污染物，参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象称为光化学烟雾。形成机制：大气中的烃类化合物和NOx在光照条件下形成光化学烟雾。烃类化合物和氮氧化物的相互作用主要包括以下过程：1）NO2的光解是光化学烟雾形成的起始反应；2）烃类化合物被HO、O等自由基和O3氧化，导致醛、酮、醇、酸等产物以及重要中间产物——RO2、HO2、RCO等自由基的生成；3）过氧自由基引起NO向NO2和PAN等生成。整个过程叫链反应。其中的O3、醛、酮、醇、PAN等统称为光化学氧化剂。光化学烟雾污染的标志是O3浓度的升高。项目还原型烟雾（伦敦型烟雾）氧化型烟雾（光化学烟雾）概况首次发生于1873年首次发生于1946年，发生光化学反应污染物颗粒物、SO2、硫酸雾等碳氢化合物、NOX、O3、PAN、醛类等燃料矿物燃料汽油、煤、煤气等气象条件逆温季节冬夏、秋气温低（4℃以下）高（24℃以上）湿度高低日光弱强臭氧浓度低高出现时间白天夜间连续白天生态效应对城市居民的呼吸道有刺激这样，严重时导致死亡；城市交通事故多发，正常生活受到影响对城市居民眼和呼吸道有强刺激作用，严重时可导致人死亡。O3等氧化剂对城市的生态环境有强氧化破坏作用6酸雨是指PH小于5.6的酸性大气降水，包括雨、雪、冰雹、露、霜和雾等（美国采用PH值小于5）广义的酸雨（酸沉降）包括干沉降和湿沉降干沉降包括各种酸性气体、酸性气溶胶和酸性颗粒物湿沉降即通常所说的酸雨形成机理：形成酸雨的主要污染物是SO2和NOx等，二者在雨水中分别转化为硫酸和硝酸，酸雨中90%以上是硫酸和硝酸的成分。1）SO2氧化SO2通过催化氧化和光化学氧化两种途径生成硫酸**清洁大气中SO2氧化的速度很慢，但在含有金属盐（铁、锰）的气溶胶雾滴中发生催化氧化反应，速度将大大提高。

SO2光化学氧化反应2）NOx的氧化NOx在空气湿度大并存在金属杂质和NH3的条件下，生成硝酸和硝酸盐，并最终形成气溶胶7大气中污染物的扩散模式

1）源参数：包括排放污染物的数量、组成、排放方式、源的几何形状、相对位置、密集程度及源高等2）气象条件3）近地层下垫面的状况气象条件和下垫面状况决定了大气对污染物的稀释扩散速率和迁移转化途径。7．1几个与大气中污染物扩散有关的概念

1）温度层结2）大气稳定度3）逆温1）温度层结在对流层内，气温垂直变化的总趋势是：随着高度的增加气温逐渐降低气温随高度的变化通常以气温垂直递减率γ来表示。干空气块或未饱和的湿空气块在绝热条件下每升高单位高度(通常取用单位高度为100m)所造成的温度下降数值称为干绝热递减率，以γd表示，其表达式为：Ti表示干空气块的温度g——重力加速度＝9．81(m／s2)；Cp——干空气定压比热＝1004J／(kg·K)。气温沿垂直高度的分布曲线称为气温沿高度分布曲线或温度层结曲线，简称温度层结。

温度层结类型(1)气温随高度增加而递减，即r>0，称为正常分布层结或递减层结；(2)气温直减率等于或近似等于干绝热直减率，即γ＝γd，称为中性层结；(3)气温不随高度变化，即γ＝0，称为等温层结；(4)气温随高度增加而增加，即γ<0，称为逆温。2）大气稳定度大气稳定度是指在垂直方向上大气稳定的程度假如一空气块由于某种原因受到外力的作用，产生了上升或下降运动后，可能发生三种情况：(1)当外力去除后，气块就减速并有返回原