环境污染与防治专业基础与实务中级考试大气污染防治基础理论知识复习资料.doc

环境污染与防治专业基础与实务中级考试大气污染防治基础理论知识复习资料（一）大气污染物的形成1、大气污染（1）了解地球大气层：大气组成和大气结构A：大气组成：自然状态下，大气是由混合气体、水汽和杂质组成。除去水汽和杂质的空气称为干洁空气。干洁空气的主要成分为78.09%的氮，20.94%的氧，0.93%的氩。这三种气体占总量的99.96%，其它各项气体含量计不到0.1%，这些微量气体包括氖、氦、氪、氙等稀有气体。在近地层大气中上述气体的含量几乎可认为是不变化的，称为恒定组分。在干洁空气中，易变的成分是二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)等，这些气体受地区、季节、气象以及人类生活和生产活动的影响。正常情况下，二氧化碳含量在20km以上明显减少。B：大气结构：大气结构是指大气在垂直方向和水平方向上气象要素分布不均匀性的状况。在垂直方向上，根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑大气垂直运动的情况。将大气分为对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层等5个层次。随着距地面的高度不同，大气层的物理和化学性质有很大的变化。按气温的垂直变化特点，可将大气层自下而上分为对流层、平流层、中间层（上界为85km左右）、热成层（上界为800km左右）和逸散层（没有明显的上界）。（一）对流层对流层是大气圈中最靠近地面的一层，平均厚度约12km.对流层集中了占大气总质量75%的空气和几乎全部的水蒸汽量，是天气变化最复杂的层次。该层的特点有：气温随着高度的增加而降低。这是由于对流层的大气不能直接吸收太阳辐射的能量，但能吸收地面反射的能量所致。空气具有强烈的对流运动。近地表的空气接受地面的热辐射后温度升高，与高空的冷空气形成垂直对流。人类活动排入大气的污染物绝大多数在对流层聚集。因此，对流层的状况对人类生活的影响最大，与人类关系最密切。（二）平流层平流层位于对流层之上，其上界伸展至约55km处。在平流层的上层，即3035km以上，温度随高度升高而升高。在3035km以下，温度随高度的增加而变化不大，气温趋于稳定，故该亚层又称为同温层。平流层的特点是空气气流以水平运动为主。在高约1535km处有厚约20km的臭氧层，其分布有季节性变动。臭氧层能吸收太阳的短波紫外线和宇宙射线，使地球上的生物免受这些射线的危害，能够生存繁衍。（三）中间层从平流层顶至85km处的范围称为中间层。该层的气温随高度的增加而迅速降低。因此，该层也存在明显的空气垂直对流运动。（四）热成层热成层位于85800km的高度之间。该层的气体在宇宙射线作用下处于电离状态。电离后的氧能强烈吸收太阳的短波辐射，使空气迅速升温，因而该层的气温随高度的增加而增加。该层能反射无线电波，对于无线电通讯有重要意义。医学教育网搜集整理（五）逸散层800km以上的区域统称为逸散层，也称为外层大气。该层大气稀薄，气温高，分子运动速度快，地球对气体分子的吸引力小，因此气体及微粒可飞出地球引力场进入太空。（2）掌握大气污染的概念按照国际标准化组织（ISO）的定义，“大气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境污染的现象”。（3）了解大气污染的特点：局部性、区域性、全球性大气污染按其影响所及范围可分为四类：局部性污染、地区性污染、广域性污染、全球性污染。上述分类方法中所涉及到的范围只能是相对的，没有具体的标准。例如广域污染是大工业城市及其附近地区的污染，但对某些国家来说（面积有限）可能产生国与国之间的广域污染。（4）熟悉大气污染的危害：对人、生物、材料和气候的危害一、大气污染对人体和健康的伤害大气污染物主要通过三条途径危害人体：一是人体表面接触后受到伤害，二是食用含有大气污染物的食物和水中毒，三是吸入污染的空气后患了种种严重的疾病。从下面的表格中，可以看到：各种大气污染物是通过多种途径进入人体的，对人体的影响又是多方面的。而且，其危害也是极为严重的。二、大气污染危害生物的生存和发育大气污染主要是通过三条途径危害生物的生存和发育的：一是使生物中毒或枯竭死亡，二是减缓生物的正常发育，三是降低生物对病虫害的抗御能力。植物在生长期中长期接触大气的污染，损伤了叶面，减弱了光合作用；伤害了内部结构，使植物枯萎，直至死亡。各种有害气体中，二氧化硫、氯气和氟化氢等对植物的危害最大。大气污染对动物的损害，主要是呼吸道感染和食用了被大气污染的食物。其中，以砷、氟、铅、钼等的危害最大。大气污染使动物体质变弱，以至死亡。大气污染还通过酸雨形式杀死土壤微生物，使土壤酸化，降低土壤肥力，危害了农作物和森林。三、大气污染对物体的腐蚀大气污染物对仪器、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。四、大气污染对全球大气环境的影响大气污染发展至今已超越国界，其危害遍及全球。对全球大气的影响明显表现为三个方面：一是臭氧层破坏，二是酸雨腐蚀，三是全球气候变暖。（5）熟悉全球性大气污染问题：酸雨、温室效应、臭氧层破坏A、酸雨：酸雨是工业高度发展而出现的副产物，由于人类大量使用煤、石油、天然气等化石燃料，燃烧后产生的硫氧化物或氮氧化物，在大气中经过复杂的化学反应，形成硫酸或硝酸气溶胶，或为云、雨、雪、雾捕捉吸收，降到地面成为酸雨。如果形成酸性物质时没有云雨，则酸性物质会以重力沉降等形式逐渐降落在地面上，这叫做干性沉降，以区别于酸雨、酸雪等湿性沉降。干性沉降物在地面遇水时复合成酸。酸云和酸雾中的酸性由于没有得到直径大得多的雨滴的稀释，因此它们的酸性要比酸雨强得多。高山区由于经常有云雾缭绕，因此酸雨区高山上森林受害最重，常首先成片死亡。硫酸和硝酸是酸雨的主要成分，约占总酸量的90%以上，我国酸雨中硫酸和硝酸的比例约为101。酸雨危害主要表现在四个方面：(1)对水生系统的危害，会影响鱼类和其他生物群落，改变营养物和有毒物的循环，使有毒金属溶解到水中，并进入食物链，使物种减少和生产力下降。(2)对陆地生态系统的危害，重点表现在土壤和植物。对土壤的影响包括抑制有机物的分解和氮的固定，淋洗钙、镁、钾等营养元素，使土壤贫瘠化。对植物，酸雨损害新生的叶芽，影响其生长发育，导致森林生态系统退化。(3)对人体的影响。一是通过食物链使汞、铅等重金属进入人体，诱发癌症和老年痴呆；二是酸雾侵入肺部，诱发肺水肿或导致死亡；三是长期生活在含酸沉降物的环境中，诱使产生过多的氧化脂，导致动脉硬化、心肌梗塞等疾病概率增加。(4)对建筑物、机械和市政设施的腐蚀。B、温室效应：温室效应(英文：Greenhouseeffect)，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等一系列严重问题，引起了全世界各国的关注。温室效应对环境的影响：1)气候转变：全球变暖温室气体浓度的增加会减少红外线辐射放射到太空外，地球的气候因此需要转变来使吸取和释放辐射的份量达至新的平衡。这转变可包括全球性的地球表面及大气低层变暖，因为这样可以将过剩的辐射排放出外。虽然如此，地球表面温度的少许上升可能会引发其他的变动，例如：大气层云量及环流的转变。当中某些转变可使地面变暖加剧(正反馈)，某些则可令变暖过程减慢(负反馈)。2)海平面上升假若全球变暖正在发生，有两种过程会导致海平面升高。第一种是海水受热膨胀令水平面上升。第二种是冰川和格陵兰及南极洲上的冰块溶解使海洋水份增加。预期由1900年至2100年地球的平均海平面上升幅度介乎0.09米至0.88米之间。全球暖化使南北极的冰层迅速融化，海平面不断上升，世界银行的一份报告显示，即使海平面只小幅上升1米，也足以导致5600万发展中国家人民沦为难民。而全球第一个被海水淹没的有人居住岛屿即将产生位于南太平洋国家巴布亚新几内亚的岛屿卡特瑞岛，目下岛上主要道路水深及腰，农地也全变成烂泥巴地。3)气候反常，海洋风暴增多4)土地干旱，沙漠化面积增大2、大气污染物的分类和成因（1）掌握大气污染物的分类：颗粒污染物和气态污染物（一）颗粒污染物在大气污染中，颗粒污染物指沉降速度可以忽略的固体粒子、液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体系。从大气污染控制的角度，按照其来源和物理性质，可分为如下几种：1.粉尘（dust）：粉尘系指悬浮于气体介质中的小固体颗粒，受重力作用能发生沉降，但在一段时间内能保持悬浮状态。它通常由于固体物质的破碎、研磨、分级、输送等机械过程，或土壤、岩石的风化等自然过程形成的。颗粒的尺寸范围i，一般为1-200m左右。属于粉尘类的大气污染物的种类很多，如黏土粉尘、石英粉尘、煤粉、水泥粉尘、各种金属粉尘等。2.烟（fume）：烟一般指由冶金过程形成的固体颗粒的气溶胶。它是熔融物质挥发后生成的气态物质的冷凝物，在生成过程中总是伴有诸如氧化之类的化学反应。烟颗粒的尺寸很小，一般为0.01-1m左右。产生烟是一种较为普遍的现象，如有色金属冶炼过程中产生的氧化铅烟、氧化锌烟等。3.飞灰（flyash）：飞灰指随燃料燃烧产生的烟气排出的分散得较细的灰分。4.黑烟（smoke）：黑烟一般系指由燃料燃烧产生的能见气溶胶。5.雾（fog）：雾是气体中液滴悬浮体的总称。在气象中指造成能见度小1km的小水滴悬浮体。在工程中，雾一般泛指小液体粒子悬浮体，它可能是由于液体蒸气的凝结、液体的雾化及化学反应等过程形成的，如水雾、酸雾、碱雾、油雾等。中国的环境空气质量标准中，根据颗粒物直径的大小，将其分为总悬浮颗粒物（totalsuspendedpartidclea）和可吸入颗粒物（inhalableparticlea）。前者指悬浮在空气中，空气动力学当量直径100m的颗粒物。后者指悬浮在空气中，空气动力学当量直径10m的颗粒物。（二）气态污染物气态污染物系以分子状态存在的污染物。气态污染物的种类很多，总体上可按下表所示分类。气态污染物的分类污染物一次污染物二次污染物含硫化学物SO2、H2SSO3、H2SO4、MSO4含氮化合物NO、NH3NO3、HNO3、MNO3碳的氧化物CO、CO2无有机化合物C1-C10化合物醛、酮、过氧乙酰硝酸酯、O3卤素化合物HF、HCl无注：MSO4、MNO3分别为硫酸盐和硝酸盐。1.硫氧化物硫氧化物主要指SO2，它主要来自化石燃料的燃烧过程，以及硫化物矿石的焙烧、冶炼等过程。火力发电厂、有色金属冶炼厂、硫酸厂、炼油厂以及所有烧煤或油的工业炉窑等都排放SO2烟气。2.氮氧化物氮和氧的化合物有N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5，总起来用氮氧化物（NOx）表示。其中污染大气的主要是NO和NO2。NO毒性不太大，但进入大气后可被缓慢地氧化成NO2，当大气中有O3等强氧化剂存在是，或在催化剂作用下，气氧化速度会加快。NO2的毒性约为NO的5倍。当NO2参与大气的光化学反应，形成光化学烟雾后，其毒性更强。人类活动产生的NOx，主要来自各种工业炉窑、激动车和柴油机的排气，其次是硝酸生产、硝化过程、炸药生产及金属表面处理等过程。其中由燃料燃烧产生的NOx约占90%以上。3.碳氧化物CO和CO2是各种大气污染物中发生量最大的一类污染物，主要来自燃料燃烧和机动车排气。CO是一种窒息性气体，进入大气后，由于大气的扩算稀释作用和氧化作用，一般不会造成危害。但在城市冬季采暖季节或在交通繁忙的十字路口，当气象条件不利于排气扩算稀释时，CO的浓度有可能达到危害人体健康的水平。CO2是无毒气体，但当其在大气中的浓度过高是，使氧气含量相对减小，便会对人产生不良影响。地球上CO2浓度的增加，能产生“温室效应”，迫使各国政府开始实施控制。4.有机化合物有机化合物种类很多，从甲烷到长链聚合物的烃类。大气中的挥发性有机化合物（VOCs），一般是C1-C10化合物，它不完全相同于严格意义上的碳氢化合物，因为它除含有碳和氢原子外，还常含有氧、氮和硫的原子。甲烷被认为是一种非活性烃，人们常以非甲烷总烃类（NMHC）的形式报道环境中烃的浓度。多环芳烃类（PAHs）中的苯并芘（BP），是强致癌物质。VOCs是光化学氧化剂臭氧和过氧乙酰硝酸酯（PAN）的前体物，也是室温效应的贡献者之一。VOCs主要来自机动车和燃料燃烧排气，以及石油炼制和有机化工生产等。5.硫酸烟雾硫酸烟雾系大气中的SO2等硫氧化物，在水雾、含有重金属的悬浮颗粒物或氮氧化物存在时，发生一系列化学或光化学反应而生产的硫酸雾或硫酸盐气溶胶。硫酸雾引起的刺激作用和生理反应等危害，要比SO2气体大得多。6.光化学烟雾光化学烟雾是在阳光照射下，大气中的氮氧化物、碳氢化合物和氧化剂之间发生一系列光化学反应生产的蓝色烟雾（有时带些紫色和黄褐色）。其主要成分有臭氧、过氧乙酰硝酸酯、酮类和醛类等。光化学烟雾的刺激性和危害要比一次污染物强烈得多。（2）掌握主要大气污染物的来源人类活动排放的大气污染物主要来自以下三个大的方面。1燃料燃烧：火力发电厂、工业和民用锅炉以及各种炉窑的燃料燃烧过程产生的大量烟二氧化硫、氮氧化物等多种大气污染物，是造成大气污染最重要的原因。2工业生产过程：排放大气污染物较多的几个工业部门(电力、冶金、石化、化工、建材、机械、轻工等)所排放的主要大气污染物3交通运输：汽车、火车、飞机、轮船等交通工具的动力装置在燃烧燃料时排放大量大气污染物。以上前两项称为固定源，第三项则称为流动源。（二）大气物理化学基础1、大气污染物扩散与气象的关系（1）了解地球大气特征（2）了解大气污染物扩散方式（3）掌握气象要素气象要素主要有：气温、气压、风、湿度、云、降水以及各种天气现象。扩大气象要素的概念，则它还可包括日射特性、大气电特性等大气物理特性；还有自由大气中的气象要素的说法。气象要原则上还可以包括无法测定，但可求算的、各基本要素的函数，如相当温度、位温和空气密度等。一、影响大气污染的气象因子大气污染物的行为都是发生在千变万化的大气中，大气的性状在很大程度上影响污染物的时空分布，世界上一些著名大气污染事件都是在特定气象条件下发生的。影响大气污染的气象因素最重要的是流场和温度层结。（一）风和大气湍流的影响污染物在大气中的扩散取决于三个因素。风可使污染物向下风向扩散，湍流可使污染物向各方向扩散，浓度梯度可使污染物发生质量扩散，其中风和湍流起主导作用。湍流具有极强的扩散能力，它比分子扩散快105106倍，风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度就越快，污染物浓度就越低。在自由大气中的乱流及其效应通常极微弱，污染物很少到达这里。根据湍流形成的原因可分为两种湍流，一种是动力湍流，它起因于有规律水平运动的气流遇到起伏不平的地形扰动所产生，它们主要取决于风速梯度和地面粗糙等；另一种是热力湍流，它起因于地表面温度与地表面附近的温度不均一，近地面空气受热膨胀而上升，随之上面的冷空气下降，从而形成垂直运动。它们有时以动力湍流为主，有时动力湍流与热力湍流共存，且主次难分。这些都是使大气中污染物迁移的主要原因。（二）温度层结和大气稳定度1.大气温度层结由于地球旋转作用以及距地面不同高度的各层次大气对太阳辐射吸收程度上的差异，使得描述大气状态的温度、密度等气象要素在垂直方向上呈不均匀的分布。人们通常把静大气的温度和密度在垂直方向上的分布，称为大气温度层结。气温随高度的变化用气温垂直递减率来表示，=其单位常用/100m。气温垂直递减率和另一个在空气污染气象学中经常用到的概念干绝热垂直递减率d是不同的。d表示干空气在绝热升降过程中每变化单位高度时干空气自身温度的变化，它表示干空气的热力学性质，是一个气象常数，d=0.98/100m。而是实际环境气温随高度的分布，因时因地而异。大气中的温度层结有四种类型：（1）气温随高度增加而递减，即>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绝热直减率，即=d，称为中性层结；（3）气温不随高度变化，即=0，称为等温层结；（4）气温随高度增加而增加，即<0，称为逆温。2.大气稳定度波浪型、扇型、熏烟型污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切的关系，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来高度的趋势，称这种大气是稳定的；（2）当外力去除后，气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的；（3）当外力去除后，气块静止或作等速运动，称这种大气是中性的。这种大气静力稳定度和大气中污染物的扩散有密切的关系，当大气处于不稳定状态时，对排放到大气中的污染物扩散作用强烈。反之，大气处于稳定状态时，扩散作用微弱。大气静力稳定度可根据气温垂直递减率和干绝热垂直递减率来判断（图53）。当>d时，大气处于不稳定状态当=d时，大气处于中性平衡状态当<d时，大气处于稳定平衡状态逆温时<0，因此，<d，这种大气处于非常稳定状态，是一种最不利于污染物扩散的温度层结，在大气污染问题研究中特别引人注目，对流层逆温按其形成原因可分为以下几类。（1）辐射逆温：辐射逆温经常发生在睛朗无风或小风的夜晚，由于强烈的有效辐射，使地面和近地层大气强烈冷却降温，上层降温较慢而形成上暖下冷的逆温现象，辐射逆温全年都可出现，但冬、秋季更易产生，且强度也大，高度也高。（2）平流逆温：主要发生在冬季中纬度沿海地区，由于海陆之间存在温差，海上暖空气平流到陆地上空时形成。（3）下沉逆温：由于空气下沉压缩引起的增温作用，使下沉运动终止的高度上出现逆温，一般多发生在高压区。此外还有峰面逆温、湍流逆温等。实际逆温情况是很复杂的，地形对逆温的形成和分布也有明显影响。通过一定方式了解各高度温度分布，就可以得知上空有无逆温、逆温高度、强度等。目前用于探测逆温的手段主要有：低空探空仪、系留气球、铁塔观测、遥感等。二、影响大气污染的地理因素地形地势对大气污染物的扩散和浓度分布有重要影响。地形地势千差万别，但对大气污染物扩散的影响其本质上都是通过改变局部地区（流场和温度层结等）气象条件来实现的。这里主要讨论三种典型地形地势条件对大气污染的影响。（一）山区地形山区地形复杂，局地环流多样，最常见的局地环流是山谷风，它是由于山坡和谷底受热不均匀引起的。晴朗的白天，阳光使山坡首先受热，受热的山坡把热量传给其上的空气，这一部份空气比同高度谷底上空的空气暖，比重轻，于是就上升，谷底较冷的空气来补充，形成从山谷指向山坡的风，称之为“谷风”。夜间，情况正好相反，山坡冷却较快，其上方空气相应冷却得比同一高度谷底上空的空气快，较冷空气沿山坡流向谷底，形成“山风”。山谷风对污染物输送有明显的影响。吹山风时排放的污染物向外流出，若不久转为谷风，被污染的空气又被带回谷内。特别是山谷风交替时，风向不稳，时进时出，反复循环，使空气中污染物浓度不断增加，造成山谷中污染加重。山区辐射逆温因地形作用而增强。夜间冷空气沿坡下滑，在谷底聚积，逆温发展的速度比平原快，逆温层更厚，强度更大。并且因地形阻挡，河谷和凹地的风速很小，更有利于逆温的形成。因此山区全年逆温天数多，逆温层较厚，逆温强度大，持续时间也较长。（二）海陆界面海陆风发生在海陆交界地带，是以24小时为周期的一种大气局地环流。海陆风是由于陆地和海洋的热力性质的差异而引起的。如图5-5所示，在白天，由于太阳辐射，陆地升温比海洋快，在海陆大气之间产生了温度差、气压差，使低空大气由海洋流向陆地，形成“海风”，高空大气从陆地流向海洋，形成“反海风”，它们和陆地上的上升气流和海洋上的下降气流一起形成了海陆风局地环流。在夜晚，由于有效辐射发生了变化，陆地比海洋降温快，在海陆之间产生了与白天相反的温度差、气压差，使低空气大气从陆地流向海洋，形成“陆风”，高空大气从海洋流向陆地，形成“反陆风”。它们同陆地下降气流和海面上升气流一起构成了海陆风局地环流。在湖泊、江河的水陆交界地带也会产生水陆风局地环流，称为“水陆风”。但水陆风的活动范围和强度比海陆风要小。海陆风对空气污染的影响有如下几种作用：一种是循环作用，如果污染源处在局地环流之中，污染物就可能循环积累达到较高的浓度，直接排入上层反向气流的污染物，有一部分也会随环流重新带回地面，提高了下层上风向的浓度。另一种是往返作用，在海陆风转换期间，原来随陆风输向海洋的污染物又会被发展起来的海风带回陆地。海风发展侵入陆地，下层海风的温度低，陆地上层气流的温度高，在冷暖空气的交界面上，形成一层倾斜的逆温顶盖，阻碍了烟气向上扩散，造成封闭型和漫烟型污染。（三）城市城市建筑密集，高度参差不齐，因此城市下垫面有较大的粗糙度，对风向、风速影响很大，一般说城市风速小于郊区，但由于有较大的粗糙度，城市上空的动力湍流明显大于郊区。“热岛效应”是城市气象的一个显著特点。由于城市生产、生活过程中燃料燃烧释放出大量热，城市地表和道路易吸收太阳辐射使大气增温，而城市蒸发、蒸腾作用比郊外少，因此相变的潜热损耗小，加之城市污染大气的温室作用使得城市气温一般比郊外高。夜间，城市热岛效应使近地层辐射逆温减弱或消失而呈中性，甚至不稳定状态；白天则使温度垂直梯度加大，处于更加不稳定状态，这样使污染物易于扩散。另一方面，城市和周围乡村的水平温差，导致热量环流产生。在这种环流作用下，城市本身排放的烟尘等污染物聚积在城市上空，形成烟幕，导致市区大气污染加剧。2、大气污染化学（1）了解降水与大气污染（2）了解酸雨化学酸雨（acidrain）是指PH值小于5.6的雨雪或其他形式的降水。雨水被大气中存在的酸性气体污染。酸雨主要是人为的向大气中排放大量酸性物质造成的。我国的酸雨主要是因大量燃烧含硫量高的煤而形成的，多为硫酸雨，少为硝酸雨，此外，各种机动车排放的尾气也是形成酸雨的重要原因。酸雨的化学组成：（3）了解臭氧破坏化学导致O3破坏的催化过程及O3空洞形成的原因1）Y导致O3破坏的催化过程：2）氯、溴和它们的氧化物的催化作用3）HO 、水蒸气与O3（损耗10%）4）氮氧化物