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第一章绪论（1学时）教学重点：大气的结构和组成，大气污染物及其来源，环境空气质量标准，空气污染指数。教学难点：大气污染物及其来源。教学要求：掌握大气的结构和组成，大气污染发生和发展过程，大气污染物及其来源，空气污染指数；了解环境空气质量标准，国内外大气污染控制现状。教学内容：人是完全靠空气生存的，成年人平均每天约需１Kg粮食和2Kg水，但对空气的需求就大得多，每天约13.6Kg（合10m3）。若三者都断绝供应，引起死亡的首先是空气，要是空气中混进有毒害的物质，则毒物随空气不断地被吸入肺部，通过血液遍布全身，对人体健康直接产生危害。大气污染对人的影响不同于土壤和水的污染，它不仅时间长且范围广（较多是地域性的，也有全球性的）。地球上发生的八大“公害事件”，其中五起是因大气污染造成的。当然，空气污染的原因不只是人类的活动，还有像森林、火灾和火山爆发一类的天然事件。不过后者通常在空气污染中起次要作用。§1.1大气与大气污染一、大气的结构和组成1、大气圈随地球引力而转的大气层叫大气圈。大气圈的最外层的界限是很难确切划分的，但大气也不能认为是无限的。在地球场内受引力而旋转的气层高度可达10¸000Km。有的学者就以10¸000Km作为大气圈的最外层。一般情况下认为，从地球表面到1¸000~1¸400Km的气层作为大气圈的厚度，超出1¸400Km以外气体非常稀薄，就是宇宙空间了。大气圈中的空气分布是不均匀的，海平面上的空气最稠密。在近地层的大气层里，气体的密度随高度的上升而迅速的变稀。但是在400~1¸400Km大气层里空气是渐渐变稀薄的。大气圈的总质量约为6000万亿吨，约为地球质量的百万分之一。大气的构造：根据大气圈中大气组成状况及大气在垂直高度上的温度变化，划分大气圈层的结构如下图：星际空间外层（散逸层）星际空间中间层非均质层平流层地球对流层约2000Km以上800~1000Km80~85Km50~65Km12Km(平均)赤道地区为18Km均质层原子氧层分子氮层热层（电离层）从地球表面向上，大约到90Km高度，大气的主要成分氧和氮的组成比例几乎无什么变化，具有这样特性的大气层叫均质大气层（简称均质层）。在均质层以上和外围空间的大气层，其气体的组成随高度升高有很大变化，这个圈层叫非均质层。在均质层中，根据气体的温度沿地球表面垂直方向的变化分为：对流层、平流层、中间层、电离层、散逸层。各层特点：——对流层：１）相对于整个大气圈厚度而言很薄，按最厚处计，占总厚度的６－9%,占总质量的75%。在这一层中除了有纯净的干空气以外，还含有一定量的水蒸气，适度的温度对人和动植物的生存起到重要的作用。２）一般情况下，温度自地表面向高空递减，0.65℃/上升100米。在对流层中，由于太阳的辐射以及下垫面特性和大气环流的影响，使得在该层中出现极其复杂的自然现象，有时形成易于扩散的气象特征，有时形成对生态系统产生有危害的逆温气象条件，雨、雪、霜、雾、雷电等自然现象也都出现在这一层。３）大气有较强的对流运动，大气污染也主要发生在这一层，特别是在靠近地面1-2Km的近地层更易造成污染。近地层的大气污染物的扩散能力主要取决于当时的气象条件。４）温度、湿度等各要素水平分布不均匀。——平流层：１）在这一层里气体的温度差随高度上升有缓慢的增加，30-35Km，T=-55℃。然后上升（气温）较快，这是因为在该层中的臭氧强烈吸收太阳紫外线所致。２）几乎不存在水蒸汽和尘埃，一般处于平流运动。３）大气很干燥，没有云、雨等现象，是飞机理想的飞行区域。——中间层：气温随高度增加迅速降低，有强烈的垂直对流运动。——电离层：气温随高度增加迅速上升，空气处于高度电离状态，发电报是靠这层反射回来。——散逸层：气体温度很低，气体粒子能克服地球引力而逸向星际空间。星际空间内每m3空间有数十个离子存在。研究重点：对流层，平流层2、大气组成大气（空气）从自然科学角度来看，空气和大气常常作为同义词，二者没有实质性的差别。但在研究近地层的空气污染规律及对空气质量进行评价时，为便于说明问题，有时两个名词分别使用。一般对于居住在室内或特指某个地方（如车间、厂区等）供动植物生存的气体习惯上称为空气。在大气物理、大气气象、自然地理以及环境科学研究中，常常是以大区域或全球性的气流作为研究对象，因此，就常用大气一词。大气是一个多种气体的混合物，有混合气体、水气和悬浮微粒组成，可分为：——恒定组分：O2(20.95%)、N2(78.09%)、氩（0.93%）、惰性气体。上述组分的比例在地球表面上任何地方几乎是可以看作不变的。——可变组分：CO2、水蒸汽、O3这些组分在大气中的含量是随季节、气象的变化以及人们的生产、生活活动的影响而发生变化。——不定组分：第一环境问题引起的：由自然界的火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性灾难所引起的。污染物有尘埃、S、H2S、SOx、NOx等。第二环境问题引起的由于人类社会的生产工业化和经济建设速度增长，人口剧增等使得大气中增加或增多了某些不定组分。大气中含有的不定组分的种类和多少由地区的条件而定的。冶金工厂、电厂所在的地区，大气中含有煤烟、尘、SOx、NOx等组分就多。而在化工区，则有机或无机的化学物质等不定组分就多。当这些不定组分排放于大气中时就会使大气污染，不定组分达到一定浓度时，将会对动植物造成严重的危害，这是环保工作者研究的主要对象。二、大气污染的定义大气污染的含义：国家标准组织定义（ISO）定义指自然界中局部的职能变化和人类的生产和生活活动改变大气圈中某些原有成分和向大气中排放有毒害物质，以致使大气质量恶化，影响原来有利的生态平衡体系，严重威胁着人体健康和正常工农业生产，以及对建筑物和设备财产等的损坏。三、大气污染的发生和发展大气污染可看作是污染源所排放出的污染物和对污染物起着扩散稀释作用的大气，以及承受污染的物体三者相互关联所产生的一种效应。一个地区的大气污染情况是与该地区的污染源所排放出的污染物总量有关的。这个总量是不因气象条件的影响而发生变化的。但是，排放出的污染物的浓度在时空分布上却是受到气象条件的控制。由于气象条件的不同，污染物作用于承受者的污染程度也就不一样。近几十年来，世界上发生了多次大气污染事件，每次污染事件都是在一定地形和一定气象条件下发生的。大气污染的特点：既表现出局部严重性，又表现出全球性。§1.2大气污染源及主要污染物一、大气污染源大气污染源的分类：有四种分类法1）按污染源存在形式：固定污染源、移动污染源；2)按污染源排放方式：高架源、面源、线源；3)按污染源排放时间：连续源、间断源、瞬时源；4)按污染源产生类型：工业污染源、家庭炉灶、汽车排气。进行大气质量评价适宜用第一种分法，研究扩散适宜用第二种分法，分析污染物排放时间规律适宜用第三种分法，解决污染物，控制污染物适宜用第四种分法。二、一次污染物和二次污染物一次污染物：指直接从各类污染源排出的物质。可分为：非反应物质，其性质较稳定；反应性物质，性质不稳定，在大气中常与某些其它物质产生化学反应或作为催化剂促进其它污染物产生化学反应。二次污染物：反应性的二次污染物与大气中的其它组分反应形成的物质。如二次污染物硫酸烟雾（又称硫酸气溶胶）形成过程：气溶胶催化或光化学反应OHSOHsosonmOHOHOHSOHSOHSOSO24232222424232往往二次污染物比一次污染物的危害大得多。三、重要的大气污染物主要污染物：粉尘（钢铁厂、冶炼厂、水泥厂、建筑材料厂等）；硫化物（民用炉、热点站、金属冶炼、硫酸厂）；氮化物（硝酸厂、氮肥厂、炸药厂）；氧化物（CO、CO2）；卤化物（氟化物、氯化物、制碱厂）；有机物质的污染。（以下简单介绍主要污染的性质）：1）CO占总污染量的30%主要来源：汽车排气占50%危害：与血红蛋白结合危害人体，排量多会使空气中O2量降低。2）NOx、NO、NO2本身含氮变成游离氮原子和氧作用（燃NO）来源：①石化燃料的燃烧高温下，大气中氮和氧结合，NOx生成量与燃烧温度有关②各种工业过程（硝酸厂、氮肥厂、炸药厂等）危害：①光化学烟雾的主要成分；②对动植物体有强的腐蚀性。3）碳氢化合物（HC）来源：燃料燃烧不完全排放HC化合物，汽车尾气中有10%HC化合物。美国70年统计，在总HC尾气中，汽车排气占48%。危害：光化学烟雾的主要成分。4）硫氧化物来源：①燃料燃烧；②有色金属冶炼；③民用燃烧炉灶。SO2浓度：3.5%以上高浓度烟气3.5%以下低浓度烟气危害：①产生酸雨；②腐蚀生物的机体；③产生化学烟雾。硫酸烟雾的代表事件：伦敦烟雾事件5）微尘分类：气溶胶中0.1—1μm烟0.1—1μm降尘（10μm）尘10—100μm飘尘（10μm）雾1—10μm危害：①引起呼吸道疾病；②致癌作用；③造成烟雾事件（硫酸等，SO2之所以在大气中造成危害是由于大气中微尘带有一些Mn2+、Fe2+等催化剂使423222SOHSOSOenFM，6）其他有害物质（石棉、铍、汞）7）光化学烟雾大气中的一次污染物如汽车、工厂等排放的燃烧生成物和未燃烧物质经过太阳光的照射，各种污染物之间发生反应形成二次污染物——烟雾，被称为光化学烟雾。光化学烟雾的主要成分：O3、过氧酰硝酸酯、酮类、醛类各种活性很强的许多自由烃、氮类氧化物。造成光化学烟雾的起始物：NO2形成条件：阳光照射（光波2900—4200Å）空气中存在HC化合物（上午9点—下午2点）晴天，温度不太高。§1.3环境空气质量控制标准大气环境标准按其用途可分为：环境空气质量标准、大气污染物排放标准、大气污染控制技术标准及大气污染警报标准。按其适用范围可分为：国家标准、地方标准和行业标准。《环境空气质量标准》GB3095-1996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。环境空气质量功能区分为三类：一类区为自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区；二类区为城镇规划中确定的居民区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区；三类区为特定工业区。空气环境质量分为三级：一类区执行一级标准，二类区执行二级标准，三类区执行三级标准。共限定了六种污染物的浓度值：SO2、TSP、PM10、NOx、NO2、CO、O3、Pb、B[a]P、F。标准同时配有各项污染物分析方法。《大气污染物综合排放标准》GB16297-1996规定了33种大气污染物的排放限值，现有污染源（1997年1月1日前设立的污染源）和新污染源（1997年1月1日起设立的污染源）分别执行相应的标准。§1.4空气污染指数空气污染指数(AIRPOLLUTIONINDEX，简称API)是一种反映和评价空气质量的方法，就是将常规监测的几种空气污染物的浓度简化成为单一的概念性数值形式、并分级表征空气质量状况与空气污染的程度，其结果简明直观，使用方便，适用于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。空气污染指数的确定原则：空气质量的好坏取决于各种污染物中危害最大的污染物的污染程度。空气污染指数是根据环境空气质量标准和各项污染物对人体健康和生态环境的影响来确定污染指数的分级及相应的污染物浓度限值。目前我国所用的空气指数的分级标准是：(1)空气污染指数(API)50点对应的污染物浓度为国家空气质量日均值一级标准；(2)API100点对应的污染物浓度为国家空气质量日均值二级标准；(3)API200点对应的污染物浓度为国家空气质量日均值三级标准；(4)API更高值段的分级对应于各种污染物对人体健康产生不同影响时的浓度限值，API500点对应于对人体产生严重危害时各项污染物的浓度。空气污染指数的计算与报告：污染指数与各项污染物浓度的关系是分段线性函数(见书)，用内插法计算各污染物的分指数In，取各项污染物分指数中最大者代表该区域或城市的污染指数。即：API＝max(I1,I2…Ii,…In)该指数所对应的污染物即为该区域或城