3.《環(huán)境保護概論》第3章 改進版

大氣污染及控制

大氣污染的研究內容

SourcesofairpollutantsPollutionControlTechnologyAtmosphericbehaviorofairpollutantsEffectsofairpollutantsLegislativeandregulatorymeasures1.污染源的了解；

2.了解大氣擴散情況；

3.了解除塵的基本理論和設備；

4.了解氣態(tài)污染物處理的技術。大氣污染及控制需要掌握四個方面：大氣圈及大氣組成（重點對流層和平流層）一、大氣污染及其分類對流層（高緯0-9公里、中緯0-12公里、低緯0-18公里）平流層（上界50-55公里）中間層（上界85公里）暖層（上界800公里）散逸層（上界2000多公里）

1、對流層一是氣溫隨高度上升而遞減，平均每升高100m氣溫降低0.65℃；二是密度大。大氣總質量75%和90%的水蒸氣集中在此層。該層既有大規(guī)模的空氣運動，又有強烈的空氣垂直運動（即對流運動）以及不規(guī)則的湍流運動，從而使不同地區(qū)和不同層次的空氣得以變換。在1－2km以下的大氣受地表機械，熱力學作用強烈，稱為邊界層或摩擦層，受地表性質影響很大。特別是50－100m以下的貼地層，主要受地表熱力的影響，是人類活動的主要場所，進入大氣中的污染物絕大部分在此層活動。1km-2km以上大氣受地表影響小，稱為自由大氣層，主要天氣過程，如雨、雪、雹的形成都在此層。

特點：氣溫隨高度增加而降低；空氣具有強烈的對流運動。2、平流層

對流層頂向上到50km左右的大氣層，又稱同溫層，該層主要成分是O3、N2、O2。特點：（1）對流層頂?shù)?0km左右的大氣層氣溫變化很小，為-55℃左右，故稱為同溫層；同溫層以上的平流層隨高度升高而升高，至平流層頂達-3℃。（2）空氣沒有對流運動，以平流運動為主，大氣穩(wěn)定，因此一旦污染物進入平流層，停留時間很長，從而造成較大的全球影響。在高約15-35km的范圍內，有厚約20km的臭氧層，臭氧有吸收紫外線的能力，使人類等免受紫外線的輻射。這一層空氣比較干燥，幾乎沒有水汽和塵埃，性質非常穩(wěn)定，不存在雨、雪等大氣現(xiàn)象，是現(xiàn)代超音速飛機飛行的理想場所。3、暖層（電離層）從中間層頂向上導800km的區(qū)域稱為熱層，又稱電離層，其主要成分是氧。在強烈的紫外線和宇宙射線的作用下，大氣中的N2、O2分子電離成了離子，該層溫度隨高度的增加而急劇上升，最高可達1700℃。帶電粒子密度較高；氣溫隨高度的增加而增加。電離層能反射無線電波，對全球的無線電通訊具有重大意義。4、散逸層熱層以上的大氣層稱為逃逸層。此處大氣極為稀薄，大部分分子電離，氣體及微粒受地心引力小，能飛離地球重力場進入太空。氣溫隨高度增加而升高；大氣極為稀??；分子運動速度快。一、大氣污染及其分類1.自然大氣組成a.干潔空氣：N2、O2、Ar等氣體；CO2是主要可變組分；b.水汽：含量隨時間、地區(qū)以及氣象條件的變化差異很大；c.雜質：能影響大氣的能見度。

2.大氣污染的定義大氣污染是指大氣中一些物質的含量達到有害的程度，以致破壞了人和生態(tài)系統(tǒng)的正常生存和發(fā)展，對人體、生態(tài)和材料造成危害的現(xiàn)象。

3.大氣污染的類型根據(jù)大氣污染影響的范圍，可將其分作四各類型：局部地區(qū)污染；地區(qū)性污染；廣域污染；全球性污染。4.排放源:Naturalsources（自然源）Geological（地質）:geyser（噴泉）,volcano（火山）,oceanMeteorological（氣象學的）:lightningFauna（動物群落）:ruminants（反芻動物）termites（白蟻）Vegetations（植物生長）Etc.4.排放源:Anthropogenicsources（人類活動源）

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

迄今為止，從環(huán)境中已經(jīng)識別的大氣污染物超過2800種，其中90%以上為有機化合物，而無機化合物不到10%。燃料燃燒污染源，尤其是機動車，排放大約500種組分，然而，目前僅對很少的已知種類空氣污染物進行測定，并且也只有大約200種污染物的健康和生態(tài)效應數(shù)據(jù)。

我們把這么多種類的污染物質按照其存在狀態(tài)可以概括為兩大類：氣態(tài)污染物和顆粒污染物。

污染物按其形成過程又可以分為：一次污染物和二次污染物。

5.大氣污染物的狀態(tài)和種類

一次大氣污染物:直接以原始形態(tài)排放入大氣中并達到足夠的排放量從而造成健康威脅的污染物SourcesofPrimaryAirPollutantsPollutantSourcesCarbonmonoxide（一氧化碳）Incompleteburningoffossilfuels,TobaccosmokeHydrocarbons（碳氫化合物）Incompleteburningoffossilfuels,TobaccoburningParticulates（顆粒物）Chemicals,Burningfossilfuels,Farmingoperations,Industrialwastes,BuildingdemolitionSulfurdioxide（二氧化硫）Burningfossilfuels,Smeltingore（礦石冶煉）Nitrogencompounds（氮化合物）Burningfossilfuels二次大氣污染物：二次大氣污染物指大氣中的一次污染物與空氣中已有成分或幾種污染物之間經(jīng)過一系列化學反應生成的新的污染物。危害較一次污染物嚴重的多。光化學煙霧是大氣中氮氧化物和碳氫化合物在紫外線照射下反應生成的多種污染物的混合物。光化學煙霧最具危害的兩種物質是臭氧(O3)和過氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。光化學煙霧實例

煙霧呈蘭色，具有強氧化性，刺激人們眼睛，傷害植物的葉子、能使橡膠開裂，并使大氣能見度降低。

50年代初，美國加洲大學生物有機化學教授哈根——施密特。確定了空氣中刺激性氣體是O3，并初次提出了有關煙霧形成的理論。他認為洛杉磯煙霧是由南加利福尼亞的強陽光輻射引發(fā)了大氣中存在的碳氫化合物（HC）和氮氧化物（NOX）之間的化學反應造成的，并認為城市大氣中HC和

NOX的主要來源是汽車尾氣。

形成條件形成的地理條件：天頂角要大于0°小于60°；夏季大于冬季；天氣晴朗、高溫低濕和有逆溫風力不大時。污染源條件（NO2

和碳氫化合物）以石油為原料的工廠排氣；汽車排氣。從油箱和汽化器中揮發(fā)的汽油碳氫化合物20%從曲軸箱漏出的氣體碳氫化合物20%汽車排氣一氧化碳100%碳氫化合物60%氮氧化物100%細顆粒物對人體健康和大氣環(huán)境質量造成的危害要遠比粗顆粒物大細顆粒物本身可能是有毒、有害物質細顆粒物易成為其它污染物的運載體和反應體細顆粒物污染可導致低能見度顯著降低細微顆粒物污染：北京市國安賓館附近PM2.5的化學成分譜細粒子的組成——二次粒子污染酸沉降:酸沉降是指某一平面上具有致酸潛勢的物質的積累。致酸物質按存在形態(tài)分為干和濕兩種。濕沉降是指酸性物質以雨、雪形式降落地面。干沉降是指酸性物質以重力沉降、微粒碰撞和氣體吸附等形式由空氣轉移到地面。

酸沉降:其形成機制相當復雜，是一種復雜的空氣化學和空氣物理過程。致酸物質是自然和人為活動的過程中產(chǎn)生的酸雨中絕大部分是硫酸和硝酸，主要來源于二氧化硫和氮氧化物。自然源、電廠以及內燃機等排放出的污染物在大氣中發(fā)生化學反應產(chǎn)生導致酸沉降的化學物質。酸雨的危害水的低pH值使得魚的骨骼畸形生長，最終導致死亡引起樹木的大量不正常死亡嚴重腐蝕建筑物中國酸雨的分布變化主要位于長江以南

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

我國酸雨的化學特征(硫酸型）SO42-NO3-Ca2+NH4+全球變暖和氣候變化:MajorGreenhouseGases

GasContributiontoglobalwarming(％)CO257CFCS25CH412N2O6全球平均氣溫的變化大氣中二氧化碳含量的變化政府間氣候變化專門委員會（IPCC）得到的幾個重要結論：在過去的100年間，地球的平均溫度增加了0.3～0.6℃（1995年是記錄上最暖的一年），海平面高度增加了10～25cm。氣溫和海平面高度仍會持續(xù)上升。眾多模型的模擬結果表明，到2010年氣溫增加1～3.5℃，海平面上升15～95cm。氣溫升高和大氣中溫室氣體的濃度具有很強的相關性。人類活動極大地增加了大氣中溫室氣體的含量。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、我國大氣污染現(xiàn)狀與特征：1、大氣環(huán)境問題的發(fā)展歷程2、我國大氣污染的現(xiàn)狀3、當前迫切需要解決的大氣污染問題

1、大氣環(huán)境問題的發(fā)展歷程

70年代之前

80年代

90年代以來煙塵TSP SO2

酸雨

SO2

酸雨

SO2

NOx

TSP

PM10PM2.5 TSP NOx

光化學煙霧

CFCs臭氧層破壞溫室氣體溫室效應

VOCs&PAHs人體健康

尺度： 局地 城市 區(qū)域 全球City/TownCountyState/Multi-CountiesNation/Multi-StateAirPollutionControlin21stCenturyActLocallyThinkGloballyInternational192019501970198019902000城市細粒子污染嚴重——PM2.5大大超過環(huán)境標準PM2.5年平均濃度

g/m3我國PM10環(huán)境標準美國PM2.5環(huán)境標準按照現(xiàn)行國家的空氣質量標準，2005年以來，全國城市空氣質量基本穩(wěn)定，并有很大的好轉，達到一級標準和二級標準的城市數(shù)量逐年上升，劣三級標準城市比例迅速降低。但是，在現(xiàn)行的空氣質量標準評價下，各地公布的城市空氣質量“總體穩(wěn)定”、“不斷好轉”的結論與公眾感知存在較大的差距。現(xiàn)行的環(huán)境空氣質量標準難以全面反映真實的空氣質量。有關研究表明，中國PM10和S02濃度約為歐美發(fā)達國家的4-6倍，N02濃度也接近或高于發(fā)達國家，PM2.5濃度是全球最高的區(qū)域之一。在這種背景下，有關部門在2012年出臺了新的環(huán)境空氣質量標準。按照新的標準，全國2／3以上的城市空氣質量都不達標。

3、當前迫切需要解決的大氣污染問題

復合型大氣污染的控制+揚塵顆粒物污染嚴重大氣氧化性增強以城市為中心，呈區(qū)域性若不及時加以控制勢必更加惡化1.大氣污染類型已經(jīng)發(fā)生了變化。在過去三十年中，隨著中國工業(yè)化城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，主要污染源已由燃煤、工業(yè)轉變?yōu)槿济?、工業(yè)、機動車、揚塵等。在主要大氣污染物中，細顆粒物（PM2.5）、氮氧化物（NOX）、揮發(fā)性有機物（VOCS）、氨氮（NH3）等排放量顯著上升，大氣污染的范圍也不斷擴大。

可吸入顆粒物已經(jīng)成為影響城市空氣質量的首要污染物。中國城市群大氣污染正從煤煙型污染向機動車尾氣型過渡，出現(xiàn)了煤煙型和機動車尾氣型污染共存的大氣復合污染。其特征是多污染物共存、多污染源疊加、多尺度關聯(lián)、多過程耦合、多介質影響。區(qū)域性大氣灰霾、光化學煙霧和酸沉降成為新的大氣污染形式。2.區(qū)域性灰霾天氣日益嚴重。

有研究表明，1950-1980年中國的霾日較少，1980年以后，霾日明顯增加，2000年以后急劇增長，2010年霾年均日數(shù)（29.8天）幾乎是1971年（6.7天）的4倍。近年來，京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域每年出現(xiàn)灰霾污染的天數(shù)達到100天以上，廣州、南京、杭州、深圳、東莞等城市灰霾污染更為嚴重。細顆粒物（PM2.5）排放呈顯著增長態(tài)勢。燃煤塵、交通道路揚塵、機動車尾氣塵、工業(yè)過程粉塵、建筑揚塵是細顆粒物的主要來源。數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)階段生活源煙塵排放總量大體上呈增長的態(tài)勢，從2000年的212.1萬噸增長到2010年的225.9萬噸。當前中國處在基礎建設的高峰期，建筑、拆遷、道路施工及堆料、運輸遺撒等施工過程產(chǎn)生的建筑塵和道路揚塵，呈進一步加重的態(tài)勢。上述主要細顆粒物排放源均呈增長的態(tài)勢。預測表明，至少到2020年2030年，細顆粒物排放呈增長的態(tài)勢。3.光化學煙霧污染日益凸現(xiàn)，發(fā)生的頻率將增加。

光化學煙霧污染和高濃度臭氧污染頻繁出現(xiàn)在北京地區(qū)、珠三角和長三角地區(qū)。

從1990年到2019年上半年，中國機動車保有量從500萬輛增加到3.4億輛。數(shù)據(jù)顯示，2011/2019年，全國機動車排放污染物4607.9/1603.8萬噸，其中氮氧化物637.5/635.6萬噸，顆粒物瞪.1/7.4萬噸，碳氫化合物441.2/189.2萬噸，一氧化碳3467.1/771.6萬噸/年。

機動車尾氣已成為城市NOX、CO、VOCS的主要排放源。預計在今后10年、20年由機動車造成的光化學煙霧污染頻率將增加。4.城市間大氣污染相互影響顯著，農村大氣污染問題日益凸現(xiàn)。

隨著城市規(guī)模的不斷擴張，區(qū)域內城市連片發(fā)展，城市間大氣污染相互影響明顯，相鄰城市間污染傳輸影響極為突出。在京津冀、長三角和珠三角等區(qū)域，部分城市二氧化硫濃度受外來源的貢獻率達30%-40%，氮氧化物為12%-20%，可吸入顆粒物為16%-26%。區(qū)域內城市大氣污染變化過程呈現(xiàn)明顯的同步性，重污染天氣一般在一天內先后出現(xiàn)。

隨著城市規(guī)模不斷擴大和工業(yè)企業(yè)從主城區(qū)外遷，大氣污染由城市向農村地區(qū)擴散的態(tài)勢日益凸現(xiàn)。現(xiàn)階段中國環(huán)境質量仍處在整體惡化的階段，環(huán)境質量好轉的“拐點”遠未到來。

從大氣污染治理的國際經(jīng)驗來看，歐美國家大致在1970-1990年控制了二氧化硫、氮氧化物等常規(guī)大氣污染物，1990-2010年控制了PM10和PM2.5等大氣污染物排放。中國工程院、環(huán)境保護部的《中國環(huán)境宏觀戰(zhàn)略研究》（2011）提出了中國大氣污染治理的目標，2050年大多數(shù)城市和重點區(qū)域基本實現(xiàn)世界衛(wèi)生組織（WHO）環(huán)境空氣質量濃度指導值?！爸袊茖W院可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究組”（2013）認為，中國城市空氣質量真正好轉，并達到歐美國家空氣質量標準，還需要20年時間。郝吉明（2013）也指出，目前大氣污染物總量（水平）減少30%-50%，環(huán)境空氣質量才能出現(xiàn)根本好轉，如果按照每個五年規(guī)劃減排10%的進度，要到2030年左右才能實現(xiàn)。

綜上所述，通過大氣污染治理，實現(xiàn)城市空氣質量明顯好轉，將是一個長期和艱巨的過程，可能還需要二十年甚至更長的時間。三、大氣污染的影響1.對人體健康的影響CO對人體健康的影響CO（10-6）對人體健康的影響5～10

對呼吸道患者有影響30滯留8h，視力及神經(jīng)機能出現(xiàn)障礙40

人滯留8h，出現(xiàn)氣喘1201h接觸，中毒，血液中CO—Hb>10%2502h接觸，頭疼，血液中CO—Hb=40%5002h接觸，劇烈心痛，眼花，虛脫3000

30min即死亡觀察到的顆粒物的影響顆粒物濃度mg/m3測量時間和合并污染物影響0.06~0.18年度幾何平均,SO2和水分加快鋼和鋅板的腐蝕0.08年平均環(huán)境空氣質量一級標準0.15相對濕度＜70%能見度縮短到８km0.10~0.15直射日光減少１／３0.08~0.10硫酸鹽水平30mg/(cm2.月)５０歲以上人死亡率增加0.10~0.13SO2＞０.１２mg/m3兒童呼吸道發(fā)病率增加0.20２４小時平均值，SO2＞０.２５mg/m3工人因病未上班人數(shù)增加0.30２４小時最大值，SO2＞０.６３mg/m3慢性支氣管炎病人可能出現(xiàn)急性惡化的癥狀0.75２４小時平均值，SO2＞０.７１５mg/m3病人數(shù)量明顯增加，可能發(fā)生大量死亡NO2對人體健康的影響NO2（10-6）對人體健康的影響1

聞到臭味5

聞到強臭味10～15

10min眼、鼻受到刺激50

1min內人呼吸困難80

3min感到胸痛、惡心100～150

在30～60min內死亡250

很快死亡臭氧對人體健康的影響注：部分人群接觸臭氧后肺功能下降突發(fā)性嚴重大氣污染事故1952年12月倫敦煙霧事件中死亡人數(shù)與大氣中煙塵和二氧化硫濃度的相關性2.對植物的傷害注：二氧化氮濃度和暴露時間與植物死亡、葉器官損傷和新陳代謝或生長影響之間的關系Source：Springer-VerlagandProf.D.C.MacLean

暴露時間，h

0.1

0.1

1.0

10

100

1000

NO2濃度，ppm

NO2濃度，mg/m3

暴露時間，d

3.對器物和材料的影響注：平均二氧化硫濃度和不同暴露時間與低碳鋼的腐蝕之間的關系（1963－1964年9月，在芝加哥的七個地點進行的實驗）Source：AirandWasteManagementAssociationMeanSO2concentration，ppmWeightlossper100gpanel，g4.對大氣能見度的影響對大氣能見度或清晰度有影響的污染物，一般應是氣溶膠粒子、能通過大氣反應生成氣溶膠粒子的氣體或有色氣體，包括：總懸浮顆粒物（TSP）SO2和其它氣態(tài)含硫化合物，在大氣中以較大反應速率生成硫酸鹽和硫酸氣溶膠粒子NO和NO2，在大氣中反應生成硝酸鹽和硝酸氣溶膠粒子光化學煙霧，反應生成亞微米的氣溶膠粒子A

能見度與自然景觀

USEPA宣布，將在未來幾十年內致力于提高國家公園和曠野地區(qū)的空氣質量

例：美國大煙霧山國家公園（北卡羅萊納州）照片

晴天 霧天四、大氣污染防治法規(guī)與標準體系中華人民共和國大氣污染防治法1987年9月5日由第六屆全國人大常委會第22次會議通過，1988年6月1日起執(zhí)行1995年8月29日，第八屆全國人大常委會第15次會議對該法進行了修訂2000年對該法再次修訂，重點加強了對二氧化硫的排放控制，對防治煤煙型污染發(fā)揮了重要作用。2015年8月29日修訂通過，是首次全面修訂。2016年1月1日起實施，是中國史上最嚴格的大氣污染防治法律。2.大氣環(huán)境質量標準體系GB3095－2012 環(huán)境空氣質量標準GB16297－1996 大氣污染物綜合排放標準GWPB3－1999 鍋爐大氣污染物排放標準GB4915－1996 水泥廠大氣污染物排放標準GB9078－1996 工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準GB16171－1996 煉焦爐大氣污染物排放標準GB13223－1996 火電廠大氣污染物排放標準GB14554－93 惡臭污染物排放標準GWPB1－1999

輕型汽車污染物排放標準

GB14761.2－93 車用汽油機排氣污染物排放標準GB14761.5－93 汽油車怠速污染物排放標準GB14761.6－93 柴油車自由加速煙度排放標準GB14761.7－93 汽車柴油機全負荷煙度排放標準GB14621－93 摩托車排氣污染物排放標準GWPB5－2000 飲食業(yè)油煙排放標準GB5468－91 鍋爐煙塵測試方法GB11642－89 輕型汽車排氣污染物測試方法GB/T14762－93 車用汽油機排氣污染物試驗方法GB/T14763－93 汽油車燃油蒸發(fā)污染物的測量 收集法GB11340－89 汽車曲軸箱排放物測量方法GB/T3845－93 汽油車排氣污染物的測量 怠速法GB/T3846－93 柴油車自由加速煙度的測量 濾紙煙度法GB3847－83 汽油柴油機全負荷煙度測量法GB/T5466－93 摩托車排氣污染物的測量

怠速法GB/T14622－93 摩托車排氣污染物的測量

工況法

3.中華人民共和國國家標準

環(huán)境空氣質量標準

Ambientairqualitystandard

GB3095－2012

國家環(huán)境保護局2012年2月批準 2016-01-01實施主題內容與適用范圍 本標準規(guī)定了環(huán)境空氣質量功能區(qū)劃分、標準分級、污染物項目、取值時間及濃度限值，采樣與分析方法及數(shù)據(jù)統(tǒng)計的有效性規(guī)定。 本標準適用于全國范圍的環(huán)境空氣質量評價。

2012年2月29日，環(huán)境保護部公布了新修訂的《環(huán)境空氣質量標準》(GB3095—2012)，本次修訂的主要內容:（1）調整了環(huán)境空氣功能區(qū)分類，將三類區(qū)并入二類區(qū)；（2）增設了顆粒物(粒徑小于等于2.5μm)濃度限值和臭氧8小時平均濃度限值；（3）調整了顆粒物(粒徑小于等于10μm)、二氧化氮、鉛和苯并(a)芘等的濃度限值；（4）調整了數(shù)據(jù)統(tǒng)計的有效性規(guī)定。與新標準同步還實施了《環(huán)境空氣質量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定(試行)》(HJ633—2012)。根據(jù)安排，新標準將分期實施。目前，京津冀、長三角、珠三角等重點區(qū)域以及直轄市和省會城市已率先開始實施并發(fā)布AQI；2013年，113個環(huán)境保護重點城市和國家環(huán)保模范城市將開始實施；2015年，所有地級以上城市將開始實施；2016年1月1日，在全國實施新標準。AQI，即空氣質量指數(shù)(AirQualityIndex)，是用來定量描述空氣質量狀況的，是一個無量綱數(shù)值。把新標準中6項污染物實測濃度值按規(guī)定方法與新標準相應限值進行比較，就得出了各項污染物的空氣質量分指數(shù)(IndividualAirQualityIndex，簡稱IAQI)，在6項污染物中IAQI數(shù)值最大的即為AQI。當AQI值大于50時，6個IAQI中數(shù)值最大的污染物就是首要污染物。AQI的數(shù)值越大、級別越高，說明空氣污染狀況越嚴重，對人體的健康危害也就越大?？碅QI時，不需要記住AQI的具體數(shù)值和級別，只需要注意優(yōu)(綠色)、良(黃色)、輕度污染(橙色)、中度污染(