热污染及其控制

第六章热污染及其控制第六章第一节概述第二节水体热污染第三节热岛效应第四节温室效应第五节热污染评价与标准第六节热污染控制技术第一节概述一、热环境二、热污染环境热学环境物理学分支热环境研究影响人类活动人体健康影响热环境又称环境热特性，是提供给人类生产、生活及生命活动的生存空间的温度环境。自然环境城市环境建筑环境一、热环境表6-1热环境的分类名称热源特征自然热环境主要热源是太阳热特性取决于环境接收太阳辐射的情况；与环境中大气同地表间的热交换有关；受气象条件的影响人工热环境房屋、火炉、机械、化学等设施人类为防御、缓和外界环境剧烈的热特性变化而创造的更适于生存的热环境；人类的各种生产、生活和生命活动都是在人工热环境中进行的定义：地球大气圈外层空间垂直于太阳光线束的单位面积上单位时间内接受的太阳辐射能量的大小数值：约为8.15J。太阳辐射通量（或称太阳常数）：图6-1太阳辐射通量分配状况图表6-2大气中主要物质吸收辐射能量的波长范围物质种类吸收能量的波长范围/μmN2,O2,NO0.1短波距地100km,对紫外线完全吸收O20.24短波距地50～100km,对紫外线部分吸收O30.2～0.36短波在平流层中吸收绝大部分的紫外线0.4～0.85长波8.3～10.6长波对来自地表辐射少量吸收H2O0.93～2.85长波4.5～80长波6～25km附近,对来自地表辐射吸收能力较强CO24.3附近长波12.9～17.1长波对来自地表的辐射完全吸收热环境中的人为热量来源电动机、发动机和各种大功率的电器机械装置在运转工程中，以副作用的形式向环境中释放的热能。放热的化学反应过程，如化工厂的化学反应炉和核反应堆中的化学反应，太阳辐射能量实际就是化学反应氢核聚变产生的。密集人群释放的辐射能量，一个成年人对外辐射的能量相当于146W的发热器所散发的能量。①设备散热②化学放热③人群辐射二、热污染工农业生产和人类生活中排放出的废热造成的环境热化，损害环境质量，影响人类生产、生活的一种增温效应。（一）热污染的类型（二）热污染的成因（一）热污染的类型水体热污染污染源备注热电厂、核电站、钢铁厂的循环冷却系统排放热水；石油、化工、铸造、造纸等工业排放含大量废热的废水。燃煤火电站热能利用率仅40%，轻水堆核电站仅为31%～33%，核电站冷却水耗量较火电站多50%以上。废热随冷却水或工业废水排入地表水体，导致水温急剧升高，对水生生物造成危害。类型大气热污染城市和工业大规模燃烧过程产生废热，高温产品、炉渣和化学反应产生的废热等。目前关于大气热污染的研究主要集中在城市热岛效应和温室效应。温室气体的排放抑制了废热向地球大气层外扩散，更加剧了大气的升温过程。各行业冷却水排放量对照图6-2各行业冷却水排放量对照（二）热污染的成因环境热污染主要由人类活动造成，主要成因向环境释放热量改变地表形态根据热力学原理，转化成有用功的能量最终也会转化成热，而传入大气。能源未能有效利用，余热排入环境后直接引起环境温度升高；改变大气层组成和结构（二）热污染的成因改变大气层组成和结构CO2含量剧增CO2是温室效应的主要贡献者。颗粒物大量增加对流层水蒸气增多平流层臭氧减少反射太阳辐射，吸收地表长波辐射对环境温度的影响与颗粒物粒度、成分、停留高度、云层和地表反射率等因素相关白天吸收地面辐射，抑制热量向太空扩散；夜晚向外辐射能量，使环境温度升高。氟氯烃（CFCs）和含溴卤化烃哈龙（Halon）是造成臭氧层破坏的主要原因。（二）热污染的成因改变地表形态地表蒸发强度增强，反射率提高降低植物吸收CO2和太阳辐射的能力减弱了植被对气候的调节作用植被破坏下垫面改变海洋面受热性质改变城市化地表的反射率和蓄热能力改变地表和大气之间的换热过程破坏石油泄漏可显著改变海面的受热性质对太阳辐射的反射率降低，吸收能力增加（二）热污染的成因表6-6城市下垫面对热环境的影响项目与农村比较结果项目与农村比较结果年平均温度高0.5~1.5℃夏季相对湿度低8%冬季平均最低气温高1.0~2.0℃冬季相对湿度低2%地面总辐射少15%~20%云量多5%~10%紫外辐射低5%~30%降水多5%~10%平均风速低20%~30%第二节水体热污染一、水体热污染的影响二、水体热污染的防治水体升温，水中溶解氧降低（表6-7）一、水体热污染的影响（一）威胁水生生物生存7.637.777.028.078.228.388.538.868.83DO/（mg·L-1）302928272625242322水温/℃8.999.109.359.549.749.9510.1510.3710.6010.8311.08DO/（mg·L-1）2120191817161514131211水温/℃11.3311.5911.8712.1712.4812.8011.1213.4813.8414.2314.62DO/（mg·L-1）109876543210水温/℃表6-7不同温度下氧在蒸馏水中的溶解度在0～40℃内温度每升高10℃，水生生物的生化反应速率会增加1倍，微生物分解有机物的能力增强，导致水体缺氧加重。水体升温还可提高有毒物质的毒性以及水生生物对有害物质的富集能力，改变鱼类的进食习性和繁殖状况等；热效力综合作用容易引起鱼类和其他水生生物的死亡；温带地区废热水扩散稀释较快，水体升温幅度相对较小；在热带和亚热带地区，夏季废热水扩散稀释较为困难，水温升高，对水生生物的影响大。（一）威胁水生生物生存热污染可使水体严重缺氧，厌氧菌大量繁殖，有机物腐败严重，水体发生黑臭。（二）加剧水体富营养化温排水还会促进底泥中营养物质的释放，导致水体离子总量，特别是N、P含量增高，加剧水体富营养化。水温超过30℃，硅藻大量死亡，绿藻、蓝藻迅速繁殖水体升温给致病微生物滋生繁衍提供温床，引发流行性疾病。（三）引发流行性疾病澳大利亚曾流行的一种脑膜炎是由于电厂排放的冷却水使水温增高，变形虫大量滋生繁衍，污染水源，经人类饮水、烹饪或洗涤等途径进入人体，导致发病。水温升高会加快水体的蒸发速度，使大气中的水蒸气和二氧化碳含量增加，从而增强温室效应，引起地表和大气下层温度上升，影响大气循环，甚至导致气候异常。（四）增强温室效应二、水体热污染的防治热污染是不可能彻底消除的综合防治的目标：减少热污染，将其控制在环境可承受的范围内，及其资源化利用。防治措施：（一）减少废热入水（二）废热综合利用（三）加强管理冷却水循环利用或改进冷却方式，减少冷却水用量、降低排水温度，从而减少进入水体的废热量。合理设计取、排水方式和选择取、排水位置，如采用多口排放或远距离排放等，减轻废热对受纳水体的影响。二次能源再利用。养殖鱼、虾或贝类（表6-8）废热水灌溉，温室蔬菜或花卉种植。废热水调节污水处理系统水温排入港口或航道以防止结冰实施时须考虑夏季气温的影响和成本效益分析。冬季供暖，夏季作为吸收型空调设备的能源。应尽快制定水温排放标准将热污染纳入建设项目的环境影响评价中各地方部门需加强对受纳水体的管理第三节热岛效应一、城市热岛效应二、城市热岛效应的成因三、城市热岛效应的影响四、城市热岛效应的防治城市热岛效应在人口稠密、工业集中的城市地区，由人类活动排放的大量热量与其他自然条件共同作用致使城区气温普遍高于周围郊区的现象。强度表示方法以城区平均气温和郊区平均气温之差表示。一、城市热岛效应城市热岛效应导致城区年平均气温高出郊区农村0.5~1.5℃左右；一般冬季城区平均最低气温比郊区高1~2℃，城市中心区气温比郊区高2~3℃，最大可相差5℃；夏季城市局部地区的气温有时甚至比郊区高出6℃以上。目前我国热岛效应最大的城市是北京(9.0℃)和上海（6.8℃），世界最大城市热岛为加拿大的温哥华(11℃)和德国的柏林(13.3℃)。二、城市热岛效应的成因图6-3城市热岛效应形成模式图白天，在太阳辐射下构筑物表面迅速升温，积蓄大量热能并传递给周围大气。夜晚向空气中辐射热量，使近地继续保持相对较高的温度。由于建筑密集，地面长波辐射在建筑物表面多次反射，使得向宇宙空间散失的热量大大减少，日落后降温也很缓慢。引起城市热岛效应的原因（一）城市下垫面的变化（二）城市大气成分的变化（三）人为热的释放（一）城市下垫面的变化随着城市化进程的发展，自然生态地表逐渐被人工地貌取代，使城市下垫面的热力学、动力学特征改变：城市对太阳辐射的反射率低（10%～30%），导热率高，热容量大，蓄热能力强。在相同的太阳辐射下，城市下垫面升温快，表面温度显著高于自然下垫面。植被面积减少，不透水面积增大，储水能力降低，蒸发（蒸腾）强度减小，蒸发消耗的潜热少，地表吸收的热量大都用于下垫面增温。构筑物增加，下垫面粗糙度增大，阻碍空气流通，风速减小，不利于热量扩散。（二）城市大气成分的变化城市地区能源消耗集中，燃烧过程排放大量的CO2、CO、SO2、NOx和CH4等有毒有害气体和颗粒物，致使城市上空大气组成改变（表6-9）降低了城市空气的透明度，使其吸收太阳辐射和地表长波辐射的能力增强，造成大气逆辐射增强，强化了城市热岛效应。污染物CO2COSO2NOxCH4O3氯化物氨浓度300~10001~2000.01~80.01~10.01~10~0.80~0.80~0.21表6-9城市大气中主要污染物的相对浓度/%（容积百分率）（三）人为热的释放人为热：人类活动（工业生产、家庭炉灶、采暖制冷、机动车辆）以及人群代谢所产生的热量。人为热量收入改变了城市地区的热量平衡，是热岛效应形成的重要原因之一。在冬季和高纬度地区的城市人为热的排放量甚至超过太阳的净辐射量（表6-10）。表6-10不同城市人为热排放量城市名纬度/°N人口密度/（人·km-2）时间人为热QF/（W·m-2）净辐射Qn/（W·m-2）QF/Qn费尔班艾斯莫斯科谢菲尔德柏林温哥华布达佩斯蒙特利尔曼哈顿洛杉机大阪香港新加坡645653524947454034352218107300104209830536011500141202881020001460037303700年平均年平均年平均年平均年平均夏季冬季年平均夏季冬季年平均夏季冬季年平均年平均年平均年平均年平均19127192119152343325199571531172126431842565757107646100－852921393108≈110≈1101.053.020.340.370.330.143.830.930.321.900.6211.771.260.190.040.03三、城市热岛效应的影响（1）城区冬季缩短，霜雪减少城区冬季采暖耗能降低，但另一方面，热岛效应导致夏季持续高温又会增加城市耗能。例如美国洛杉矶市城乡温差增加2.8℃，全市因空调降温多耗10亿瓦电能，每小时合15万美元，据此推算全美国夏季因热岛效应每小时多耗降温费达数百万美元。三、城市热岛效应的影响（2）加剧城区夏季高温天气工作效率降低，中暑和死亡人数增加。医学研究表明，环境温度与人体的生理活动密切相关，当温度高于28℃时，人会有不舒适感；温度再高易导致烦躁、中暑和精神紊乱等；气温高于34℃并加以热浪侵袭可引发心脏病、脑血管和呼吸系统疾病，使死亡率显著增加。三、城市热岛效应的影响（3）引起异常天气现象城市热岛效应可能引起暴雨、飓风和云雾等异常天气现象，即所谓的“雨岛效应”、“雾岛效应”和“城市风”。热岛效应阻碍了城市云雾（工业生产和生活中排放的污染物形成的酸雾、油雾、烟雾和光化学雾等的混合物）的扩散。三、城市热岛效应的影响城市热岛环流城区中心空气受热上升，周围郊区冷空气向市区汇流补充，而城区上升的空气在向四周扩散的过程中又在郊区沉降下来，形成城市热岛环流，不利于污染物向外迁移扩散，会加剧城市大气污染。图6-4城市热岛环流模式和尘盖三、城市热岛效应的影响（4）局部地区水灾城市热岛效应可能造成局部地区水灾。城市产生的上升热气流