大气污染及其防治

第四章大气污染及防治第一节大气概述大气圈是指包围在地球周围，距地球表面约1000多公里厚度的气体构成。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。

人类生活在大气圈中，成年人每天需呼吸10-13m3的空气，它相当ld食物量的10倍，饮水质量的3倍。一个健康人在5周内不吃食物，或5d内不喝水都可能生存下来。但若5min不呼吸空气，会窒息死亡。由于大气直接参与人和其他生物的物质和能量代谢，清洁的空气是一切生物生存的保证。一、大气结构与组成1.大气结构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。

电离层

暖层

中间层

平流层

对流层地球

电离层

暖层

中间层

平流层

对流层地球2、平流层对流层层顶之上12~55km处的大气。特点：(1)大气稳定，温度垂直分布。（受地面辐射影响小臭氧层可直接吸收太阳的紫外线辐射，造成了气温的增加）

(2)平流层内垂直对流运动很小。(3)大气透明度高。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

2.大气组成空气成分恒定气体可变气体氮气氧气稀有气体（氖、氦、氙、氡）二氧化碳尘埃和其它气体水蒸气含量（%）78210.90.030.03<4恒定组分在地球上任何地方的体积分数几乎是不变的；可变组分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；不定组分指煤烟、尘埃、NOX、SOX及CO等，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。

1、工业污染源

按人类社会活动功能划分：钢铁厂排放的废气火力发电厂排烟污染大气排入大气中的烟尘随风扩散烟尘弥漫整个地区大山深处的工厂小炼油2、农业污染源主要是不当施用农药、化肥、有机粪肥等过程产生的有害物质挥发扩散，以及施用后期NOX、CH4、挥发性农药成分从土壤中逸散进入大气等形成的污染源。3、交通运输污染源由汽车、飞机、火车和轮船等交通运输工具运行时向大气中排放的尾气。这类污染源属流动污染源，主要污染物是烟尘、碳氢化合物、NOX、金属尘埃等，是城市大气环境恶化的主要原因之一。尾气污染，健康杀手4、生活污染源是指居民日常烧饭、取暖、沐浴等活动，燃烧化石燃料而向大气排放烟尘、SO2、NOX等污染物。这类污染源属固定源，具有分布广、排量大、污染高度低等特点，是一些城市大气污染不可忽视的污染源。但是，随着城市电气化的推进，城市生活污染源将从根本上得到遏制。市区垃圾焚烧（二）大气污染物1、一次污染物与二次污染物

一次污染物是从污染源直接排出的大气污染物，如颗粒物、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物等；二次污染物则是由污染源排出的一次污染物与大气正常组分，或几种一次污染物之间，发生了一系列的化学或光化学反应而形成了与原污染物性质不同的新污染物。其毒性一般较一次污染物强。

2、常见主要大气污染物

尘粒指粒径大于75

m的颗粒物。粉尘粒径大于10

m的称为降尘，小于10

m的为飘尘。

烟（尘）一般粒径小于1

m（0.01－1

m）

雾小液滴粒子（粒径小于100

m）颗粒污染物气态污染物有机污染物

挥发性有机污染物（Volatileorganiccompounds,VOC)

常压下沸点低于260度的有机化合物，碳原子数小于12，易挥发，许多有毒。是室内空气污染的主要物质（苯类，醛类，酮类）。主要来自机动车和燃料排气、石油炼制和有机化工生产，有机溶剂的使用，建筑材料的挥发。多环芳烃（PAH）有毒有害的污染物（三致物质），其中苯并（α）芘是强致癌物质三、主要的大气污染

“空中的死神”---酸雨光化学烟雾迅速扩大的“臭氧空洞”“温室效应”下的地球硫酸烟雾（酸沉降、酸雨）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。pH小于5.6的雨雪或降水。光化学烟雾（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，所形成烟雾污染称为光化学烟雾，也称洛杉矶型烟雾。项目伦敦型洛杉矶型概况污染物燃料气象条件季节气温湿度日光臭氧浓度出现时间毒性发生较早(1873)，至今已多次出现。颗粒物、SO2、硫酸雾等煤

冬季低(4℃以下)高弱低白天夜间连续对呼吸道有刺激作用，严重时导致死亡发生较晚(1946)，发生光化学反应碳氢化合物、NOx、O3、PAN、醛类等汽油、煤气、石油

夏秋高(24℃以上)低强高白天对眼和呼吸道有强刺激作用。O3、PAN等氧化剂有强氧化破坏作用，严重可导致死亡伦敦型烟雾与洛杉矶烟雾的比较

臭氧层是地球的“保护伞”。太阳辐射到地球的波长等于200-300nm紫外线99%吸收。1985年南极地区发现臭氧层空洞以后，1988年发现北极上空也出现了一个臭氧层空洞。臭氧层的破坏主要是氟氯烃和氮氧化物引起的。科学家认为，臭氧层中的臭氧浓度减少10%，则地面紫外线的辐射将增加20%，导致皮肤癌的发病率增加15-25%，若臭氧层破坏，地球上2/3的生物将失去繁殖能力，最终危害人体免疫系统功能。迅速扩大的“臭氧空洞”“温室效应”下的地球1.地球的热平衡

进入大气的太阳辐射约50%以直接方式或被云、颗粒物和气体散射的方式到达地球表面；另外的50%被直接反射回去或被大气吸收。

地球表面能量返回大气由传导、对流和辐射三种能量传输机制来完成。2.温室效应和温室气体

温室效应是指太阳的短波辐射透过大气到达地面使地面升温,而地面所发射的长波又能被大气中的CO2等气体吸收，从而使地球保持适当的温度。

温室气体包括两类：一类在对流层混合均匀，如CO2（55%的作用），CH4（20%的作用），CFCs（20%的作用）和N2O（俗称笑气）。另一类在对流层混合不均匀，如O3。“温室效应”的可怕后果：农业减产物种变迁疾病流行海平面上升计算机模拟实验表明，当地球气温升高2摄氏度，局部地区会明显变暖。增加4摄氏度以上时，万年冰山融化，极地冰层融解，地球的沿海地区将被淹没。在20世纪，地球升温了整整0.7摄氏度。四、大气污染的危害

（一）对人体的影感觉上不舒服生理上可逆性反应急性危害症状

1、急性中毒

污染物浓度较低时，通常不会造成人体急性中毒，但在某些特殊条件下，如工厂在生产过程中出现特殊事故，大量有害气体泄露外排，外界气象条件突变等，便会引起起人群的急性中毒。如印度帕博尔农药厂甲基异氰酸酯泄露，直接危害人体，发生了2500人丧生，十多万人受害的惨剧。2、慢性中毒

主要表现为污染物质在低浓度、长时间连续作用于人体后，出现的患病率升高等现象。近年来我国城市居民肺癌发病率很高，其中最高的是上海市，城市居民呼吸系统疾病明显高于郊区。3、致癌作用

这是长期影响的结果，是由于污染物长时间作用于肌体，损害体内遗传物质，引起突变，如果生殖细胞发生突变，使后代机体出现各种异常，称致畸作用；如果引起生物体细胞遗传物质和遗传信息发生突然改变作用，又称致突变作用；如果诱发成肿瘤的作用称致癌作用。（二）对工农业生产的危害★大气中的酸性污染物和二氧化硫、二氧化氮等，对工业材料、设备和建筑设施的腐蚀；★飘尘增多给精密仪器、设备的生产、安装调试和使用带来的不利影响。★对动植物和水生生物产生毒害。严重的酸雨会使森林衰亡和鱼类绝迹。（三）对大气和气候的影响★颗粒物使大气能见度降低，减少到达地面的太阳光辐射量。在大工业城市中，烟雾不散时，日光比正常情况减少40%。★氮氧化物、碳氢化合物和氟氯烃类等污染物使臭氧大量分解，引发的“臭氧洞”问题。★气候异常。SO2熏48h后黑豆的生长情况实验前黑豆的生长情况受HF污染的剑麻症状①大气污染以煤烟型为主，主要污染物是烟尘和二氧化硫；②汽车尾气污染明显增加，并逐渐上升为城市大气主要污染源，总悬浮颗粒物或可吸入颗粒是影响城市空气质量的主要污染物；五、中国大气污染的特征及现状③酸雨分布区域性、季节性明显，污染物成分特点突出，多以硫酸酸雨为主；④工业“三废”任意排放是目前大气污染的罪魁祸首，但农业引发的大气污染仍不容忽视。全国重点城市主要大气污染物分布

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。全球322个大气污染严重的城市前十名SO2排放量SO2排放量远超过环境容量六、大气污染治理技术(一)颗粒污染物控制技术从废气中回收颗粒污染物的过程称为除尘。实现的设备装置称为除尘器。机械式除尘器过滤式除尘器湿式除尘器静电除尘器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使颗粒物与气体分离的装置。重力除尘器惯性除尘器旋风除尘器重力除尘器是使含尘气体中的尘粒借助重力作用沉降，并将其分离捕集的装置。捕集50微米以上的大粒子。只要气流通过沉降室的时间大于或等于尘粒由沉降室顶部沉到底部时间，就能被去除。特点：结构简单，施工方便，投资少，压力损失小。缺点：体积庞大，占地多效率低，仅作为高效除尘器的预处理装置，去除较大和较重的粒子。灰尘当高速运动的含尘气流遇到挡板1时，气流改变方向绕过，尘粒由于惯性大，冲击到挡板1上被捕集，被气流带走的尘粒遇到挡板2时，借助惯性力也被捕集。气流速度越高，气流方向转变角度越大，转变次数越多，除尘去除效率就越高。惯性除尘器是使含尘气流冲击挡板或使气流急剧的改变流动方向，然后借助粒子的惯性力将尘粒从气流中分离的装置。去除10-30微米的微粒。结构形式冲击式-气流冲击挡板捕集较粗粒子反转式-改变气流方向捕集较细粒子旋风除尘器是含尘气体进入装置后，气流做旋转，尘粒在离心力作用下逐渐向器壁移动，到达器壁后，在旋流推力和尘粒自身作用下，烟器壁面落到灰斗，气体从排气管排出，将尘粒从气体中分离出来的装置。特点：结构简单，维修方便，设备费用低，缺点：除尘效率不高，用作高浓度含尘气体预处理。2.过滤式除尘器使含尘气流通过过滤材料将粉尘分离捕集的装置。高效除尘器，效率大于99%，性能稳定，操作简单对细粉具有强捕集作用。采用纤维织物作滤料的袋式除尘器应用于各种工业废气除尘中。3.湿式除尘器又称洗涤除尘。利用液体(水)与含尘气体接触，利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其它作用捕集尘粒或使粒径增大的装置。优点能够处理高温，高湿气流，高比电阻粉尘及易燃易爆的含尘气体。在去除粉尘粒子同时，还可去除气体中的水蒸汽及某些气态污染物。既能除尘又能冷却净化。相同能耗下，去除效率比干式机械除尘器高。缺点排出的污水污泥需要处理。净化含有腐蚀性的气态污染物时，洗涤水有一定的腐蚀性，要注意设备和管道的腐蚀问题。不适用于含有憎水性和水硬性粉尘的气体。寒冷地区使用，易结冻，应采取防冻措施。4.电除尘器利用静电力实现粒子和气流分离。在高压电场作用下，使含尘气流中的粒子荷电并被吸引、抽集到集尘极上的除尘器。特点：除尘效率高，可达99.9%能捕集0.1微米或更小的烟雾，损失小，维护简单，操作节省费用，处理不同烟雾适用温度可达773K,湿度可达100%，可处理易曝炸气体。4.电除尘器的工作原理（二）颗粒污染物控制技术

气体吸收法气体吸附珐气体催化法气体燃烧法气体冷凝法不同气体在液体中溶解度不同，含有多种成分的混合气体，当与液体接触时，气体中溶解度大的成分就源源不断的溶解于气体中，它在气体中浓度显著降低，溶解组分和原分开。选择合适的吸收剂。

1.气体吸收法吸收设备喷淋塔吸收设备填料塔

2.气体吸附法固体吸附剂通过分子力或化学键力来吸附不同类型的有害气体分子，使气体净化。吸附质-被吸附的物质吸附剂-附着吸附质的物质吸附剂需具有的特点内表面积大具有选择吸附性高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大来源广泛，廉价常用吸附剂的特点吸附的工艺固定床流化床

3.气体催化法气态污染物在催化剂作用下，通过氧化或还原反应，转化成无害气体的方法。应用工业尾气和烟气去除SO2，NOX有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化汽车尾气的催化净化

车用催化转化器4.燃烧法通过氧化燃烧（直接燃烧）或高温分解（催化剂）将其态污染物转化为无害，如CO2和H2O。有机废气燃烧系统5.冷凝法利用物质在不同温度下具有不同的饱和蒸汽压的性质，降低系统温度或提高系统。

烟气中SO2的治理技术湿法烟气脱硫

用水或水溶液做吸收剂，吸收烟气中SO2的方法。

主要设备是指脱硫塔（或洗涤塔、洗涤器）和脱硫除尘器。脱硫塔主要有喷淋空塔、填料塔、双回路塔及喷射鼓炮塔等四种。

根据吸收剂的不同分

氨法：氨水做吸收剂，中间产物是亚硫酸铵和亚硫酸氢铵，用不同方法处理中间产物可回收硫酸铵、石膏和单体硫等副产物。

钠法：用氢氧化钠、碳酸钠或亚硫酸钠水溶液，吸收烟气中SO2，对之吸收速度快，管路和设备不易堵塞，吸收液中生成的亚硫酸钠和亚硫酸氢钠，经过适当处理可回收。

钙法：称石灰或石膏法。用石灰石、生石灰和熟石灰的乳浊液作为吸收剂，吸收过程产生的亚硫酸钙经空气氧化后可得到石膏。成本低廉易得，回收的大量石膏可做建筑材料，广泛采用。镁法：代表性工艺是德国的基里洛法和美国的凯米克法。基里洛法是利用吸收性能好、容易再生的作MgxMnxOx吸收剂，吸收烟气中SO2，所得副产物硫酸浓度可达98%。凯米克法是用串联两个文丘里洗涤器去除烟气中细小的粉尘，并用氧化镁溶液吸收烟气中的SO2，所得含结晶水的硫酸镁和亚硫酸镁晶体和焦炭一起放在1000℃下加热，分解得SO2和氧化镁。再生氧化镁可重新作吸收剂。大约可回收13-17%SO2，用来制备硫酸或单体硫。利用固体吸收剂或吸附剂，吸收或吸附烟气中二氧化硫的方法。主要有活性炭法、接触氧化法、活性氧化锰吸收法、还原法等。干法烟气脱硫汽车尾气治理技术城市机动车污染现状世界机动车增长趋势近10年来，全国激动车保有量迅速增加，平均增长速度约15%，重点大城市保有量增长更快，北京市自92年以来平均增长速度超过20%。已达2100万辆。如果汽车单车排放因子高，机动车污染物排放总量大，城市机动车污染分担率高，严重影响城市大气环境质量。中国机动车保有量增长状况中美机动车排放因子比较汽车污染物产生来源CO：燃料的不完全燃烧产生CH：燃料的未燃或燃烧不完全产生NOX：汽车发动机燃烧室的高温、富氧颗粒物：铅化合物、硫酸盐，低分子物质。

柴油机排放比汽油机多30-60倍，成分复杂，特别是碳烟。汽车尾气的主要污染物主要控制技术◆燃料改进与替代

无铅汽油（0.013g/L），低硫汽油或柴油；乙醇与汽油的合成燃料；天然气和液化石油气。◆机内控制（提高发动机的燃烧效率）

1）控制空燃比（化油器发动机）：电控汽油喷射系统（EFI）利用氧传感器反馈控制适宜的空燃比，提高效率，降低油耗，控制有害气体排放。2）废气在循环（EGR）：20%循环，降低NOX约60%，但油耗增加3%。◆机外控制技术

利用在发动机外部的催化转化器将产生的有害气体转化为无害气体，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。主要控制技术3）三元催化净化技术（ThreeWayCatalyst,TWC）同时净化3种污染物：CO，NOX，HC。同时降低90%。主要使用贵金属+陶瓷载体，Pt,Rd,Pd稀土金属。催化剂寿命要求80000-160000Km，防中毒很关键（铅和磷）TWC+EFI成为国内外汽油车排放控制技术的主流。未来汽车技术◆混合动力技术（电动马达与汽油发动机）

启动和低负荷--电动马达系统驱动高负荷—汽油发动机驱动减速和发动机运行—能量储存电池，循环使用◆电动汽车

车载蓄电池，关键是高性能电池，电池效率和充电问题是其商业化的关键，为此开发了燃料电池系统◆燃料电池汽车技术

美国通用公司提出的由氢燃料经化学反应产生电源将是清洁高效的电动汽车，直接将化学能转化为电能，不需充电。室内空气污染七、大气污染综合防治加强城镇规划，搞好功能分区采取各种措施减少污染物产生1）区域采暖和集中供热2）改善燃料构成3）进行技术更新，改善燃烧过程4）改革生产工艺，综合利用“废气”

开发清洁和可再生新能源

开发太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能、生物能和核聚变能等清洁能源，以减少煤碳、石油的用量。

利用绿色植物净化空气治理排放的