第三章大气污染

第三章大气污染第一节概述一、大气污染1.大气组成大气是人类及一切生物赖以生存必不可少的物质和基本的环境要素之一，是自然环境的重要组成部分。成年人每天要吸入10～12m3空气，质量约13—15kg，总计要呼吸两万多次。一般，人缺乏食物约可生存5周；断绝饮水，约可生存5天；而离开空气，则5min就会死亡。人类生存需要的是新鲜、清洁的空气，通常认为海平面附近的空气是干燥洁净空气，其组成基本上不变。为了研究评价大气质量和大气污染现象，首先要了解大气的组成。从地球表面至大约一千公里的高空，绕着地球的空气层称为大气层或大气圈，它是由多种气体组成。大气层的总质量约为5.3×1018kg，下层浓密，上层稀薄，其密度随着高度的减小而增加，大气质量约99.9%都集中在55km以下的空间。虽然大气层的质量仅占地球总质量的0.0001%左右，但它是人类和一切生物生存必不可少的环境要素之一。自然环境中的大气通常由干燥洁净的混合气体、水蒸气和悬浮微粒三部分组成。除水蒸气和悬浮颗粒以外的大气称为空气。地面上干燥洁净的空气主要由N2、02、Ar和C02四种气体组成，共占大气总容积的99.996%。其他气体属于微量成分，含量不足0.004%。海平面附近的干燥洁净空气的组成基本上不变，其物理性质基本稳定。干燥洁净空气的各种成分见表3—1。表3—1干燥洁净空气的组成气体成分体积分数/%气体成分体积分数/%氮(N2)78.09甲烷(CH4)1.510-4氧(02)20.94氪(Kr)1.010-4氩(Ar)0.934氢(H2)5.010-5二氧化碳(C02)0.032一氧化二氮(N20)5.010-5氖(Ne)1810-4氙(Xe)0.810-5氦(He)5.210-4臭氧(03)0.2510-5大气中的悬浮微粒是由大气中的固体和液体颗粒状物质所组成。固体微粒是指因自然现象如大风、火山爆发、森林火灾、陨石流星烧毁等产生的各种各样的悬浮物，有尘土、火山灰、烟尘、宇宙尘埃以及飘逸的植物花粉、细菌等等。液体微粒系指水汽凝结物，如水滴、云雾和冰晶等。这些细小的微粒悬浮物能够影响大气的能见度，削弱太阳的辐射强度。由于自然环境因素的不确定性，大气中悬浮微粒物的形状、密度、大小、含量、种类及粒径分布和化学性质总是在不断变化。同样，大气中水蒸气的含量也是变化的，它取决于时间、地理位置及气象条件如大气环流、气温等自然因素。在干旱的沙漠地区可能低于0.01%，在温湿的热带可超过6%。大气中水汽含量虽然不大，但它却是构成各种天气现象，如云、雾、雨、霜、露等的主要因素。干燥洁净大气中的C02和03的成分，含量虽然甚微，但其物理状况变化对大气温度和对地球上生物的生存起着重要作用。自然生态系统中的C02主要来源于动物呼吸和火山喷发、森林火灾等，它们能够吸收来自地表的长波辐射，阻止地球热量向空间的散发，其含量随时间地点会有所变化。随着工业革命的兴起和发展，因燃料的大量使用和森林植被的严重破坏使大气层中的C02不断增加，打破了大气中C02平衡，气候逐渐变暖。03是大气中的微量成分之一，它能够吸收掉大部分的太阳紫外辐射，保护地球生物免遭太阳紫外辐射的过度照射而引起伤害。臭氧是氧原子和氧分子在N2、02参与下生成,由于低层大气中光离解的原子氧太少，而在高层大气中气体分子又太稀少，因此03主要集中在大气层中距地面20～25km的高度处，形成了平均厚度为3mm的臭氧层。自然生态系统中03含量随季节和纬度变化。近年来由于人类活动使大量的氮氧化合物和氟氯烃进入臭氧层，以及超音速飞机在臭氧层高度范围的飞行日益增多，使臭氧层遭到损耗和破坏，某些地区上空甚至出现臭氧空洞。2.大气污染大气污染的形成具有一定的条件，国际标准化组织(1S0)对此作出如下定义：“空气污染，通常是指由于人类活动和自然过程引起某些物质进入大气中，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。”从自然科学的观点来看，“空气”和“大气”两词并无实质性的差别。空气污染(AirP0lluti0n)和大气污染(Atm0sphericP0lluti0n)常常通用，但在研究近地层空气污染规律时，往往根据研究的范围加以区分。有学者将室外地区性空气污染称为大气污染，而对室内的空气污染称为空气污染；也有人认为空气污染是指小范围的气体污染，如室内、城市区域的空气污染，而大气污染则指大区域乃至全球性的空气污染，如气象学、大气环境讨论涉及的大范围污染。定义明确了形成大气污染的原因包括自然因素和人为因素两个方面。自然因素是指自然过程造成的大气污染，包括火山活动、森林火灾、地震、土壤岩石风蚀、海啸、雷电、动植物尸体的腐烂及大气圈空气的运动等产生的尘埃、硫氧化物、氮氧化物等。人为因素包括人类的生活活动和生产活动两个方面，来自人类生活、工业生产、交通运输等活动中的废弃物、燃烧、排放等，导致一些非自然大气组分的有害物质如粉尘、碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物等进入大气，在大气中积累后超过自然大气中该组分的含量而形成污染。通常说的大气污染主要是指人类活动造成的，与人类活动相比较，自然因素引起的大气污染大多是暂时性的。因为自然环境具有一定的自净化能力，能够通过自身的物理、化学和生物机能，如扩散、稀释、沉降、雨水冲洗、地面吸附、植物吸收等作用，经过一段时间后会自动消除大气污染，以恢复、维持生态系统的平衡。因此，人类活动，尤其是生产活动是大气污染的主要原因，是防止大气污染的主要对象。定义还强调了造成大气污染的必要条件，即污染物在大气中要含有足够的浓度，并且停留足够的时间，超过了允许限度，使得大气质量恶化，从而而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。这里所说的舒适和健康，是包括了对人体正常的生活环境和生理机能的影响，直至引起慢性病、急性病以致死亡等非常广泛的范围；而所谓的福利，则认为是指与人类协调共存的生物、自然资源、财产以及器物等等。需要指出的是，由于生物、建筑物及其它受体对污染物剂量和作用时间的反应存在各种差异，大气污染的“允许限度”难以准确界定。但是对污染物浓度和停留时间总要有允许值。根据人类生存对环境的要求和社会经济发展程度的不同，逐渐制定了各种污染物的排放标准。3.影响大气污染形成的主要因素进入大气的污染物，当其超过允许限度，即自然环境的自净化能力，就有可能造成大气的污染。大气污染是一个极其复杂的气象、物理和化学的变化过程，最终能否形成大气污染，主要取决于污染物在大气中的浓度和滞留时间。大气中含有的污染物的浓度愈高，停留时间愈长，污染就愈严重，对污染受体的危害也就越大。污染物质在大气中浓度，取决于排放源的排放总量，这与源强(单位时间污染物的排放量)与排放时间的综合效应有关。此外，排放物的污染程度，还与地理位置、地形特征、气象条件、以及排放源高度等因素有关。进入大气的污染物，在不同的地貌特征和气象条件之下会以扩散的形式在大气中被稀释、吸收。地貌特征影响大气的稀释扩散能力。因为复杂的地形条件和地面状况，在不同的气候条件下，会在局部区域形成各种大气环流—风，如有随昼夜和年度变化的风、以四季为周期变化的季风，沿海地区的的海陆风，山区的山谷风，狭窄通道形成的峡谷风，以及城乡之间的热岛效应等。风的存在加速了污染源附近大气污染物的扩散稀释，但另一方面，气流产生环流、旋涡、以及不同性质风的锋面交汇处，不利于大气中污染物质的扩散稀释，从而影响了局部地区的大气污染的形成及危害程度。气象条件是影响大气运动的另一环境因素，不同的气象条件之具有不同的稀释扩散能力。这些气象条件包括风速和风向变化、大气层气温垂直分布和稳定度、以及降水过程等。风速小，污染物扩散稀释速度慢。风向决定了污染物的水平扩散方向，处于污染源下风方向区域的容易受到污染，程度比较严重。气温垂直分布决定了污染物在垂直方向的扩散程度，若近地面气温随高度递减，在浮升力的作用下，大气层上下对流剧烈，促使污染物迅速扩散；若气温出现了随高度递增的情况，则气流难以在垂直方向上运动，阻碍了污染物在大气中的扩散，容易在近地面形成大气污染。大气的稳定度影响着污染物的扩散程度，而降水过程促进了污染物的沉降，因此能净化大气。在工程中，采用高烟囱排放有害物质可以有效减轻局部地区污染。高烟囱把污染物排向远离污染源的高空，使它们在更广阔的区域中扩散、稀释、混合，从而降低了污染物在近地面空气中的浓度。但是污染物的总量并没有因此而减少，有害物质仍然存在于大气中，长年累月的排放可能会引起广域性或全球性的大气污染。二、大气污染源大气污染源通常是指造成大气污染的污染物发生源，也就是排放有害物质或对大气产生有害影响的场所、设备和装置等。如汽车尾气排放出N0，为N0的发生源，因此就将汽车称为大气污染源。大气污染源也可以理解为大气污染物的来源，如燃料燃烧产生了大气的污染物，则燃料燃烧为大气污染源。一般我们所说的大气污染源，其含意指的是前者。大气污染物质产生于人类活动或自然过程，因此大气污染源为天然污染源与人工污染源两类。天然污染源是指自然界向大气排放有害物质的场所，如活动火山向大气的喷发等。人工污染源是指人类在从事各种活动中所形成的污染源。天然污染源排放污染物所造成的大气污染多为暂时的和局部的，人工污染源排放的污染物是造成大气污染的主要根源。因此，在大气污染控制工程中，主要的研究对象是人工污染源。为了满足调查、评价、研究、解决大气污染及保护等不同方面的需要，往往根据人工污染源的特点进行分类。按污染物的排放方式分为点源（污染物排放集中在一点或可当作一点的较小范围，如高烟囱）、线源（污染物沿一条线排放，如某一条交通运输线）和面源（污染物在一个大范围内排放，如某一个工业区及分散式生活用煤装置等）；按污染源存在形式分为固定污染源（排放污染物的装置处于固定位置，如工矿企业的烟囱、窑炉等）和流动污染源（排放污染物的装置处于运动状态，如机动交通运输工具）；按污染物排放的时间分为连续源（污染物连续地排放，如火力发电厂的排烟）、间断源(污染物间歇性地排放，如非连续性生产过程的废气排放)和瞬时源（污染物短时间无规律地排放，如工厂事故排放）；按污染物排放位置分为地面源（污染物在近地面处排放，如汽车）和高架源（污染物在距地面某一高度上排放，如高烟囱）。但是，从总体大气污染的来源考虑，通常人工污染源分为四类：生活污染源、工业污染源、农业污染源和交通污染源。1.生活污染源生活污染源主要是生活中的炉灶、热水器、采暖锅炉等。日常生活中，人们由于生活需要使用这些设备时，必须燃用化石燃料。然而，液体燃料和气体燃料使用中，或煤的质量差，灰和硫的含量高，燃烧过程会排放出大量的烟尘和一些有害气体物质。再由于城市居住人口稠密，燃料使用量多，排放的污染物数量相当可观，危害有时甚至比工业生产所产生的污染还严重。此外，城市垃圾在焚烧过程中产生的废气，以及堆放过程中由于厌氧分解排出二次污染物都将污染大气。2.工业污染源工业污染源是大气污染的一个重要来源，主要包括工业用燃料燃烧及工业生产过程排放的废气，对大气的危害最严重。火力发电厂、钢铁工业、石化企业、建材工业等各种类型的工矿企业，在原材料及产品的运输、粉碎以及由各种原料制成成品的过程中，排放出的大量废气均含有不同的污染物进入大气中。如化工企业排出含有硫化氢、碳氢化合物、含氮化合物、氟化氢、氯化氢、甲醛、氨等有害气体;火电厂排放的废气中就含有C0、S02、N0与粉尘等多种污染物。虽然不同的工业企业排放出不同的大气污染物，但生产过程中消耗的能源主要由燃烧化石燃料提供，这是造成大气污染的源泉。3.农业污染源农业污染源包括施用某些有机氯农药和氮肥分解产生的氮氧化物，以及农用燃料燃烧的废气对大气的污染。化学肥料和农药的使用是农业生产过程对大气的主要污染主要物。如施用的氮肥一方面可直接从土壤表面挥发成气体进入大气，而入土壤内的有机氮或无机氮则在土壤微生物的生化作用下可转化为氮氧化物进入大气，从而增加了大气中氮氧化物的含量；某些有机氯农药施用于水中，能悬浮在水面，并同水分子一起蒸发而进入大气；此外，稻田释放的甲烷，也会对大气