3.《环境保护概论》第3章 改进版

大气污染及控制

大气污染的研究内容

SourcesofairpollutantsPollutionControlTechnologyAtmosphericbehaviorofairpollutantsEffectsofairpollutantsLegislativeandregulatorymeasures1.污染源的了解；

2.了解大气扩散情况；

3.了解除尘的基本理论和设备；

4.了解气态污染物处理的技术。大气污染及控制需要掌握四个方面：大气圈及大气组成（重点对流层和平流层）一、大气污染及其分类对流层（高纬0-9公里、中纬0-12公里、低纬0-18公里）平流层（上界50-55公里）中间层（上界85公里）暖层（上界800公里）散逸层（上界2000多公里）

1、对流层一是气温随高度上升而递减，平均每升高100m气温降低0.65℃；二是密度大。大气总质量75%和90%的水蒸气集中在此层。该层既有大规模的空气运动，又有强烈的空气垂直运动（即对流运动）以及不规则的湍流运动，从而使不同地区和不同层次的空气得以变换。在1－2km以下的大气受地表机械，热力学作用强烈，称为边界层或摩擦层，受地表性质影响很大。特别是50－100m以下的贴地层，主要受地表热力的影响，是人类活动的主要场所，进入大气中的污染物绝大部分在此层活动。1km-2km以上大气受地表影响小，称为自由大气层，主要天气过程，如雨、雪、雹的形成都在此层。

特点：气温随高度增加而降低；空气具有强烈的对流运动。2、平流层

对流层顶向上到50km左右的大气层，又称同温层，该层主要成分是O3、N2、O2。特点：（1）对流层顶到30km左右的大气层气温变化很小，为-55℃左右，故称为同温层；同温层以上的平流层随高度升高而升高，至平流层顶达-3℃。（2）空气没有对流运动，以平流运动为主，大气稳定，因此一旦污染物进入平流层，停留时间很长，从而造成较大的全球影响。在高约15-35km的范围内，有厚约20km的臭氧层，臭氧有吸收紫外线的能力，使人类等免受紫外线的辐射。这一层空气比较干燥，几乎没有水汽和尘埃，性质非常稳定，不存在雨、雪等大气现象，是现代超音速飞机飞行的理想场所。3、暖层（电离层）从中间层顶向上导800km的区域称为热层，又称电离层，其主要成分是氧。在强烈的紫外线和宇宙射线的作用下，大气中的N2、O2分子电离成了离子，该层温度随高度的增加而急剧上升，最高可达1700℃。带电粒子密度较高；气温随高度的增加而增加。电离层能反射无线电波，对全球的无线电通讯具有重大意义。4、散逸层热层以上的大气层称为逃逸层。此处大气极为稀薄，大部分分子电离，气体及微粒受地心引力小，能飞离地球重力场进入太空。气温随高度增加而升高；大气极为稀薄；分子运动速度快。一、大气污染及其分类1.自然大气组成a.干洁空气：N2、O2、Ar等气体；CO2是主要可变组分；b.水汽：含量随时间、地区以及气象条件的变化差异很大；c.杂质：能影响大气的能见度。

2.大气污染的定义大气污染是指大气中一些物质的含量达到有害的程度，以致破坏了人和生态系统的正常生存和发展，对人体、生态和材料造成危害的现象。

3.大气污染的类型根据大气污染影响的范围，可将其分作四各类型：局部地区污染；地区性污染；广域污染；全球性污染。4.排放源:Naturalsources（自然源）Geological（地质）:geyser（喷泉）,volcano（火山）,oceanMeteorological（气象学的）:lightningFauna（动物群落）:ruminants（反刍动物）termites（白蚁）Vegetations（植物生长）Etc.4.排放源:Anthropogenicsources（人类活动源）

TransportationElectricpowergenerationIndustrialprocessesIndustrialanddomesticfuelburningRefuseburning（垃圾焚烧）Etc.SourcesofairbornepollutioninAsiaaremany:powergeneration,industry,traffic,homecooking,andbiomassburningSource:DavidStreets.EnergyUse,Emissions,andAirPollutioninAsia

迄今为止，从环境中已经识别的大气污染物超过2800种，其中90%以上为有机化合物，而无机化合物不到10%。燃料燃烧污染源，尤其是机动车，排放大约500种组分，然而，目前仅对很少的已知种类空气污染物进行测定，并且也只有大约200种污染物的健康和生态效应数据。

我们把这么多种类的污染物质按照其存在状态可以概括为两大类：气态污染物和颗粒污染物。

污染物按其形成过程又可以分为：一次污染物和二次污染物。

5.大气污染物的状态和种类

一次大气污染物:直接以原始形态排放入大气中并达到足够的排放量从而造成健康威胁的污染物SourcesofPrimaryAirPollutantsPollutantSourcesCarbonmonoxide（一氧化碳）Incompleteburningoffossilfuels,TobaccosmokeHydrocarbons（碳氢化合物）Incompleteburningoffossilfuels,TobaccoburningParticulates（颗粒物）Chemicals,Burningfossilfuels,Farmingoperations,Industrialwastes,BuildingdemolitionSulfurdioxide（二氧化硫）Burningfossilfuels,Smeltingore（矿石冶炼）Nitrogencompounds（氮化合物）Burningfossilfuels二次大气污染物：二次大气污染物指大气中的一次污染物与空气中已有成分或几种污染物之间经过一系列化学反应生成的新的污染物。危害较一次污染物严重的多。光化学烟雾是大气中氮氧化物和碳氢化合物在紫外线照射下反应生成的多种污染物的混合物。光化学烟雾最具危害的两种物质是臭氧(O3)和过氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。光化学烟雾实例

烟雾呈兰色，具有强氧化性，刺激人们眼睛，伤害植物的叶子、能使橡胶开裂，并使大气能见度降低。

50年代初，美国加洲大学生物有机化学教授哈根——施密特。确定了空气中刺激性气体是O3，并初次提出了有关烟雾形成的理论。他认为洛杉矶烟雾是由南加利福尼亚的强阳光辐射引发了大气中存在的碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）之间的化学反应造成的，并认为城市大气中HC和

NOX的主要来源是汽车尾气。

形成条件形成的地理条件：天顶角要大于0°小于60°；夏季大于冬季；天气晴朗、高温低湿和有逆温风力不大时。污染源条件（NO2

和碳氢化合物）以石油为原料的工厂排气；汽车排气。从油箱和汽化器中挥发的汽油碳氢化合物20%从曲轴箱漏出的气体碳氢化合物20%汽车排气一氧化碳100%碳氢化合物60%氮氧化物100%细颗粒物对人体健康和大气环境质量造成的危害要远比粗颗粒物大细颗粒物本身可能是有毒、有害物质细颗粒物易成为其它污染物的运载体和反应体细颗粒物污染可导致低能见度显著降低细微颗粒物污染：北京市国安宾馆附近PM2.5的化学成分谱细粒子的组成——二次粒子污染酸沉降:酸沉降是指某一平面上具有致酸潜势的物质的积累。致酸物质按存在形态分为干和湿两种。湿沉降是指酸性物质以雨、雪形式降落地面。干沉降是指酸性物质以重力沉降、微粒碰撞和气体吸附等形式由空气转移到地面。

酸沉降:其形成机制相当复杂，是一种复杂的空气化学和空气物理过程。致酸物质是自然和人为活动的过程中产生的酸雨中绝大部分是硫酸和硝酸，主要来源于二氧化硫和氮氧化物。自然源、电厂以及内燃机等排放出的污染物在大气中发生化学反应产生导致酸沉降的化学物质。酸雨的危害水的低pH值使得鱼的骨骼畸形生长，最终导致死亡引起树木的大量不正常死亡严重腐蚀建筑物中国酸雨的分布变化主要位于长江以南

pH<5.6

pH<7.0

pH>7.0

N/ATaiwan

Acidraindistributionin80’s

pH>7.0pH<7.0pH<5.6

pH<5.0pH<4.5pH<4.0

Acidraindistributioninmiddle90’s

我国酸雨的化学特征(硫酸型）SO42-NO3-Ca2+NH4+全球变暖和气候变化:MajorGreenhouseGases

GasContributiontoglobalwarming(％)CO257CFCS25CH412N2O6全球平均气温的变化大气中二氧化碳含量的变化政府间气候变化专门委员会（IPCC）得到的几个重要结论：在过去的100年间，地球的平均温度增加了0.3～0.6℃（1995年是记录上最暖的一年），海平面高度增加了10～25cm。气温和海平面高度仍会持续上升。众多模型的模拟结果表明，到2010年气温增加1～3.5℃，海平面上升15～95cm。气温升高和大气中温室气体的浓度具有很强的相关性。人类活动极大地增加了大气中温室气体的含量。AirToxicsPMAcidRainVisibilityOzoneMobileSourcesIndustrialSourcesAreaSources(Cars,trucks,planes,boats,etc.)(Powerplants,refineries/chemicalplants,etc.)(Residential,farmingcommercial,biogenic,etc.)NOx,VOC,PM,ToxicsNOx,VOC,SOx,PM,ToxicsNOx,VOC,PM,ToxicsChemistryMeteorologyAtmosphericDepositionClimateChangeSource:CareyJang二、我国大气污染现状与特征：1、大气环境问题的发展历程2、我国大气污染的现状3、当前迫切需要解决的大气污染问题

1、大气环境问题的发展历程

70年代之前

80年代

90年代以来烟尘TSP SO2

酸雨

SO2

酸雨

SO2

NOx

TSP

PM10PM2.5 TSP NOx

光化学烟雾

CFCs臭氧层破坏温室气体温室效应

VOCs&PAHs人体健康

尺度： 局地 城市 区域 全球City/TownCountyState/Multi-CountiesNation/Multi-StateAirPollutionControlin21stCenturyActLocallyThinkGloballyInternational192019501970198019902000城市细粒子污染严重——PM2.5大大超过环境标准PM2.5年平均浓度

g/m3我国PM10环境标准美国PM2.5环境标准按照现行国家的空气质量标准，2005年以来，全国城市空气质量基本稳定，并有很大的好转，达到一级标准和二级标准的城市数量逐年上升，劣三级标准城市比例迅速降低。但是，在现行的空气质量标准评价下，各地公布的城市空气质量“总体稳定”、“不断好转”的结论与公众感知存在较大的差距。现行的环境空气质量标准难以全面反映真实的空气质量。有关研究表明，中国PM10和S02浓度约为欧美发达国家的4-6倍，N02浓度也接近或高于发达国家，PM2.5浓度是全球最高的区域之一。在这种背景下，有关部门在2012年出台了新的环境空气质量标准。按照新的标准，全国2／3以上的城市空气质量都不达标。

3、当前迫切需要解决的大气污染问题

复合型大气污染的控制+扬尘颗粒物污染严重大气氧化性增强以城市为中心，呈区域性若不及时加以控制势必更加恶化1.大气污染类型已经发生了变化。在过去三十年中，随着中国工业化城镇化的快速发展，主要污染源已由燃煤、工业转变为燃煤、工业、机动车、扬尘等。在主要大气污染物中，细颗粒物（PM2.5）、氮氧化物（NOX）、挥发性有机物（VOCS）、氨氮（NH3）等排放量显著上升，大气污染的范围也不断扩大。

可吸入颗粒物已经成为影响城市空气质量的首要污染物。中国城市群大气污染正从煤烟型污染向机动车尾气型过渡，出现了煤烟型和机动车尾气型污染共存的大气复合污染。其特征是多污染物共存、多污染源叠加、多尺度关联、多过程耦合、多介质影响。区域性大气灰霾、光化学烟雾和酸沉降成为新的大气污染形式。2.区域性灰霾天气日益严重。

有研究表明，1950-1980年中国的霾日较少，1980年以后，霾日明显增加，2000年以后急剧增长，2010年霾年均日数（29.8天）几乎是1971年（6.7天）的4倍。近年来，京津冀、长三角、珠三角等区域每年出现灰霾污染的天数达到100天以上，广州、南京、杭州、深圳、东莞等城市灰霾污染更为严重。细颗粒物（PM2.5）排放呈显著增长态势。燃煤尘、交通道路扬尘、机动车尾气尘、工业过程粉尘、建筑扬尘是细颗粒物的主要来源。数据显示，现阶段生活源烟尘排放总量大体上呈增长的态势，从2000年的212.1万吨增长到2010年的225.9万吨。当前中国处在基础建设的高峰期，建筑、拆迁、道路施工及堆料、运输遗撒等施工过程产生的建筑尘和道路扬尘，呈进一步加重的态势。上述主要细颗粒物排放源均呈增长的态势。预测表明，至少到2020年2030年，细颗粒物排放呈增长的态势。3.光化学烟雾污染日益凸现，发生的频率将增加。

光化学烟雾污染和高浓度臭氧污染频繁出现在北京地区、珠三角和长三角地区。

从1990年到2019年上半年，中国机动车保有量从500万辆增加到3.4亿辆。数据显示，2011/2019年，全国机动车排放污染物4607.9/1603.8万吨，其中氮氧化物637.5/635.6万吨，颗粒物瞪.1/7.4万吨，碳氢化合物441.2/189.2万吨，一氧化碳3467.1/771.6万吨/年。

机动车尾气已成为城市NOX、CO、VOCS的主要排放源。预计在今后10年、20年由机动车造成的光化学烟雾污染频率将增加。4.城市间大气污染相互影响显著，农村大气污染问题日益凸现。

随着城市规模的不断扩张，区域内城市连片发展，城市间大气污染相互影响明显，相邻城市间污染传输影响极为突出。在京津冀、长三角和珠三角等区域，部分城市二氧化硫浓度受外来源的贡献率达30%-40%，氮氧化物为12%-20%，可吸入颗粒物为16%-26%。区域内城市大气污染变化过程呈现明显的同步性，重污染天气一般在一天内先后出现。

随着城市规模不断扩大和工业企业从主城区外迁，大气污染由城市向农村地区扩散的态势日益凸现。现阶段中国环境质量仍处在整体恶化的阶段，环境质量好转的“拐点”远未到来。

从大气污染治理的国际经验来看，欧美国家大致在1970-1990年控制了二氧化硫、氮氧化物等常规大气污染物，1990-2010年控制了PM10和PM2.5等大气污染物排放。中国工程院、环境保护部的《中国环境宏观战略研究》（2011）提出了中国大气污染治理的目标，2050年大多数城市和重点区域基本实现世界卫生组织（WHO）环境空气质量浓度指导值。“中国科学院可持续发展战略研究组”（2013）认为，中国城市空气质量真正好转，并达到欧美国家空气质量标准，还需要20年时间。郝吉明（2013）也指出，目前大气污染物总量（水平）减少30%-50%，环境空气质量才能出现根本好转，如果按照每个五年规划减排10%的进度，要到2030年左右才能实现。

综上所述，通过大气污染治理，实现城市空气质量明显好转，将是一个长期和艰巨的过程，可能还需要二十年甚至更长的时间。三、大气污染的影响1.对人体健康的影响CO对人体健康的影响CO（10-6）对人体健康的影响5～10

对呼吸道患者有影响30滞留8h，视力及神经机能出现障碍40

人滞留8h，出现气喘1201h接触，中毒，血液中CO—Hb>10%2502h接触，头疼，血液中CO—Hb=40%5002h接触，剧烈心痛，眼花，虚脱3000

30min即死亡观察到的颗粒物的影响颗粒物浓度mg/m3测量时间和合并污染物影响0.06~0.18年度几何平均,SO2和水分加快钢和锌板的腐蚀0.08年平均环境空气质量一级标准0.15相对湿度＜70%能见度缩短到８km0.10~0.15直射日光减少１／３0.08~0.10硫酸盐水平30mg/(cm2.月)５０岁以上人死亡率增加0.10~0.13SO2＞０.１２mg/m3儿童呼吸道发病率增加0.20２４小时平均值，SO2＞０.２５mg/m3工人因病未上班人数增加0.30２４小时最大值，SO2＞０.６３mg/m3慢性支气管炎病人可能出现急性恶化的症状0.75２４小时平均值，SO2＞０.７１５mg/m3病人数量明显增加，可能发生大量死亡NO2对人体健康的影响NO2（10-6）对人体健康的影响1

闻到臭味5

闻到强臭味10～15

10min眼、鼻受到刺激50

1min内人呼吸困难80

3min感到胸痛、恶心100～150

在30～60min内死亡250

很快死亡臭氧对人体健康的影响注：部分人群接触臭氧后肺功能下降突发性严重大气污染事故1952年12月伦敦烟雾事件中死亡人数与大气中烟尘和二氧化硫浓度的相关性2.对植物的伤害注：二氧化氮浓度和暴露时间与植物死亡、叶器官损伤和新陈代谢或生长影响之间的关系Source：Springer-VerlagandProf.D.C.MacLean

暴露时间，h

0.1

0.1

1.0

10

100

1000

NO2浓度，ppm

NO2浓度，mg/m3

暴露时间，d

3.对器物和材料的影响注：平均二氧化硫浓度和不同暴露时间与低碳钢的腐蚀之间的关系（1963－1964年9月，在芝加哥的七个地点进行的实验）Source：AirandWasteManagementAssociationMeanSO2concentration，ppmWeightlossper100gpanel，g4.对大气能见度的影响对大气能见度或清晰度有影响的污染物，一般应是气溶胶粒子、能通过大气反应生成气溶胶粒子的气体或有色气体，包括：总悬浮颗粒物（TSP）SO2和其它气态含硫化合物，在大气中以较大反应速率生成硫酸盐和硫酸气溶胶粒子NO和NO2，在大气中反应生成硝酸盐和硝酸气溶胶粒子光化学烟雾，反应生成亚微米的气溶胶粒子A

能见度与自然景观

USEPA宣布，将在未来几十年内致力于提高国家公园和旷野地区的空气质量

例：美国大烟雾山国家公园（北卡罗莱纳州）照片

晴天 雾天四、大气污染防治法规与标准体系中华人民共和国大气污染防治法1987年9月5日由第六届全国人大常委会第22次会议通过，1988年6月1日起执行1995年8月29日，第八届全国人大常委会第15次会议对该法进行了修订2000年对该法再次修订，重点加强了对二氧化硫的排放控制，对防治煤烟型污染发挥了重要作用。2015年8月29日修订通过，是首次全面修订。2016年1月1日起实施，是中国史上最严格的大气污染防治法律。2.大气环境质量标准体系GB3095－2012 环境空气质量标准GB16297－1996 大气污染物综合排放标准GWPB3－1999 锅炉大气污染物排放标准GB4915－1996 水泥厂大气污染物排放标准GB9078－1996 工业炉窑大气污染物排放标准GB16171－1996 炼焦炉大气污染物排放标准GB13223－1996 火电厂大气污染物排放标准GB14554－93 恶臭污染物排放标准GWPB1－1999

轻型汽车污染物排放标准

GB14761.2－93 车用汽油机排气污染物排放标准GB14761.5－93 汽油车怠速污染物排放标准GB14761.6－93 柴油车自由加速烟度排放标准GB14761.7－93 汽车柴油机全负荷烟度排放标准GB14621－93 摩托车排气污染物排放标准GWPB5－2000 饮食业油烟排放标准GB5468－91 锅炉烟尘测试方法GB11642－89 轻型汽车排气污染物测试方法GB/T14762－93 车用汽油机排气污染物试验方法GB/T14763－93 汽油车燃油蒸发污染物的测量 收集法GB11340－89 汽车曲轴箱排放物测量方法GB/T3845－93 汽油车排气污染物的测量 怠速法GB/T3846－93 柴油车自由加速烟度的测量 滤纸烟度法GB3847－83 汽油柴油机全负荷烟度测量法GB/T5466－93 摩托车排气污染物的测量

怠速法GB/T14622－93 摩托车排气污染物的测量

工况法

3.中华人民共和国国家标准

环境空气质量标准

Ambientairqualitystandard

GB3095－2012

国家环境保护局2012年2月批准 2016-01-01实施主题内容与适用范围 本标准规定了环境空气质量功能区划分、标准分级、污染物项目、取值时间及浓度限值，采样与分析方法及数据统计的有效性规定。 本标准适用于全国范围的环境空气质量评价。

2012年2月29日，环境保护部公布了新修订的《环境空气质量标准》(GB3095—2012)，本次修订的主要内容:（1）调整了环境空气功能区分类，将三类区并入二类区；（2）增设了颗粒物(粒径小于等于2.5μm)浓度限值和臭氧8小时平均浓度限值；（3）调整了颗粒物(粒径小于等于10μm)、二氧化氮、铅和苯并(a)芘等的浓度限值；（4）调整了数据统计的有效性规定。与新标准同步还实施了《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633—2012)。根据安排，新标准将分期实施。目前，京津冀、长三角、珠三角等重点区域以及直辖市和省会城市已率先开始实施并发布AQI；2013年，113个环境保护重点城市和国家环保模范城市将开始实施；2015年，所有地级以上城市将开始实施；2016年1月1日，在全国实施新标准。AQI，即空气质量指数(AirQualityIndex)，是用来定量描述空气质量状况的，是一个无量纲数值。把新标准中6项污染物实测浓度值按规定方法与新标准相应限值进行比较，就得出了各项污染物的空气质量分指数(IndividualAirQualityIndex，简称IAQI)，在6项污染物中IAQI数值最大的即为AQI。当AQI值大于50时，6个IAQI中数值最大的污染物就是首要污染物。AQI的数值越大、级别越高，说明空气污染状况越严重，对人体的健康危害也就越大。看AQI时，不需要记住AQI的具体数值和级别，只需要注意优(绿色)、良(黄色)、轻度污染(橙色)、中度污染(