大气污染基本知识

第一节大气污染基本知识指包围在地球周围的气体，其厚度达1000—1400km。对人类及生物生存起着重要作用的近地面约10km内的气体层(对流层)，称为空气层。由于工业及交通运输的发展，特别是煤和石油的大量使用，将产生的大量有害物质如烟尘、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物等排放到大气中，当其浓度超过环境所能允许的极限并持续一定时间后，就会改变大气特别是空气的正常组成，破坏生态平衡，从而危害人们的健康，损害自然资源等。这种情况称为大气污染或空气污染。一、大气二、空气三、大气污染三、大气污染物及其存在状态大气污染物的种类不下数千种，已发现有危害作用而被人们注意到的有一百多种，其中大部分是有机物。依据大气污染物的形成过程，可将其分为一次污染物和二次污染物。一次污染物是直接从各种污染源排放到大气中的有害物质。常见的主要有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、颗粒物等。颗粒物中包含苯并(a)芘等强致癌物质、有毒重金属、多种有机和无机化合物等。二次污染物是一次污染物在大气中相互作用或它们与大气中的正常组分发生反应所产生的新污染物。这些新污染物与一次污染物的化学、物理性质完全不同，多为气溶胶，具有颗粒小、毒性一般比一次大等特点。常见的二次污染物有SO3、硫酸盐、硝酸盐、臭氧、醛类(乙醛和丙烯醛等)、过氧乙酰硝酸酯(PAN)等。大气中的污染物质的存在状态是由其自身的理化性质及形成过程决定的；气象条件也起一定的作用。一般可分为分子状态污染物和粒子状态污染物两类。(一)、分子态污染物某些物质如二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、氯化氢、氯气、臭氧等沸点都很低，在常温、常压下以气体分子形式分散于大气中。还有些物质如苯、苯酚等，虽然在常温、常压下是液体或固体，但因其挥发性强，故能以蒸气态进入大气中。无论是气体分子还是蒸气分子，都具有运动速度较大、扩散快、在大气中分布比较均匀的特点。它们的扩散情况与自身的比重有关，比重大者向下沉降，如汞蒸气等；比重小者向上飘浮，并受气象条件的影响，可随气流扩散到很远的地方。(二)、粒子状态污染物固体和液体物质以微小颗粒形式分散在气体介质中形成的分散体系，也称为气溶胶。液体和固体颗粒的粒径大多在0.01一100μm之间，有的粒径在0.01μm以下（如金属烟），有的粒径在100μm以上（如降尘）。通常所说的烟(Smoke，粒径0.01-1μm)、雾(Fog，粒径1-10μm)、总悬浮颗粒(totalsuspendedparticulatematter，TSP，粒径100μm)、可吸入颗粒物（飘尘）（inhalableparticulatematter，IP或PM10，粒径10μm)等都是用来描述气溶胶的名词。降尘（粒径30μm),降尘的界限划分不明确，一般的划分认为粒径30μm的总尘为降尘，降尘中粒径100μm的占比例大，30～100μm的占比例小。烟某些固体物质在高温下由于蒸发或升华作用变成气体逸散于大气中，遇冷后又凝聚成微小的固体颗粒悬浮于大气中构成烟。烟的粒径一般在0.01—1μm之间。雾由悬浮在大气中微小液滴构成的气溶胶。雾的粒径一般在10μm以下。尘分散在大气中的固体微粒，如交通车辆行驶时所带起的扬尘，粉碎固体物料时所产生的粉尘，燃煤烟气中的含碳颗粒物等。根据气溶胶形成的方式不同，可分为分散型气溶胶和凝聚型气溶胶。①、分散型气溶胶：由固体粉末或液体泡膜分散在大气中，构成分散型气溶胶。如硫酸雾、碱雾或农药等液体分散型气溶胶和石英粉尘、氧化铅等固体分散型气溶胶。②、凝聚型气溶胶：液体或固体因加热变成蒸气逸散到大气中，遇冷后又凝集成微小颗粒分散在空气中形成凝聚型气溶胶。如各种金属烟、水蒸汽凝结以后形成的雾等。通常所说的烟雾是烟和雾同时构成的固、液混合态气溶胶，如硫酸烟雾、光化学烟雾等。硫酸烟雾主要是由燃煤产生的高浓度二氧化硫和煤烟形成的，二氧化硫经氧化剂、紫外光等因素的作用被氧化成三氧化硫，三氧化硫与水蒸气结合形成硫酸雾，硫酸雾与煤烟混合形成硫酸烟雾。光化学烟雾：当汽车污染源排放到大气中的氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物达到一定浓度后，在强烈阳光照射下，发生一系列光化学反应，形成臭氧、过氧乙酰硝酸酯（PAN）和醛类等物质悬浮于大气中而构成光化学烟雾。四、空气中污染物的时空分布特点（自学）五、空气中污染物浓度表示方法与气体体积换算(一)、污染物浓度表示方法1．单位体积内所含污染物的质量数单位体积内所含污染物质量的单位常用mg／m3或μg／m3。这种表示方法对任何状态的污染物都适用。我国大气质量标准中日平均、小时平均及任何一次浓度所用单位为mg／m3（标)。2．污染物体积与气样总体积的比值污染物体积与气样总体积比值的单位为ppm或ppb。ppm系指在100万体积空气中含有气体或蒸气的体积数（106）；ppb是ppm的1／1000（109）。这种表示方法仅适用于气态或蒸气态物质。两种单位可以相互换算，其换算式如下：式中：cp——以ppm表示的气体浓度；c——以mg／m3表示的气体浓度；M——污染物质的分子量,(g)22.4——标准状态下(0℃，101．325kPa)气体的摩尔体积(L)。对于大气悬浮颗粒物中的组分，可用单位质量悬浮颗粒物中所含某组分的质量数表示μg／g或ng／g(相当于ppm和ppb)。(二)、气体体积换算气体的体积受温度和大气压力的影响，为使计算出的浓度具有可比性，需要将现场状态下的体积换算成标准状态下的体积。根据气体状态方程，换算式如下：cM22.4cp101.325pt273273VVt0式中：V0——标准状态下的采样体积(L或m3)；Vt——现场状态下的采样体积(L或m3)；t——采样时的温度(℃)；P——采样时的大气压力（kPa)。第二节空气污染监测方案的制定一、监测目的1、定期和连续监测，为编写大气环境质量报告提供数据；2、为研究大气质量的变化和发展趋势，开展预报工作提供依据；3、为政府执法部门提供基础数据。二、有关资料的收集1、污染源分布及排放情况；2、气象资料(风向、风速、气温、气压、降水量、日照时间、相对湿度、温度垂直梯度、逆温层底部高度）；3、地形资料（平原、丘陵、山谷、海岸等），对风向、风速、大气稳定度等有影响；4、土地利用和功能分区情况（工业区、商业区、混合区、居民区、农村地区等）；5、人口分布和人群健康情况。三、监测项目根据优先监测原则，目前美国提出43种空气优先监测污染物；苏联规定131种优先污染物，我国目前提出的空气常规监测项目见P152。表3－2环境空气质量例行监测项目类别必测项目按地方情况增加的必测项目选测项目环境空气污染物监测TSP、SO2、NO2、硫酸盐化速率降尘CO、总氧化剂、总烃、PM10、F2、HF、B(a)P、Pb、H2S、光化学氧化剂降水监测PH值、电导率K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、SO42-、NO3-、Cl-四、监测网点的布设监测网点的布设方法有经验法、统计法和模拟法等，一般常采用经验法。（一）、布设采样点的原则和要求1、采样点应设在整个监测区域的高、中、低三种不同浓度的地方。2、在污染源比较集中，主导风向明显的情况下，应将污染源的下风向作为主要监测范围，布设较多的采样点，上风向布设少量点作为对照点。3、工业较密集的城区和工矿区，人口密度及污染物超标地区，要适当增设采样点；郊区、农村、人口密度小及污染物浓度低的地区，可酌情少设采样点。4、采样点的周围应开阔，采样口水平线与周围建筑物高度的夹角应不大于30°，测点周围无污染源，并应避开树木及吸附能力较强的建筑物。交通密集区的采样点应设在距人行道边缘至少1.5m远处。5、各采样点的设置条件要尽可能一致或标准化，使获得的监测数据具有可比性。6、采样高度根据监测目的而定。研究大气污染对人体的危害，采样口应在离地面1.5－2米处；研究大气污染对植物或器物的影响，采样口高度应与植物或器物高度相近；连续采样例行监测，采样口高度应距地面3—15m；若置于屋顶采样，采样口应与基础面有1.5m以上的相对高度，以减少扬尘的影响。特殊地形地区可视实际情况选择采样高度。(二)、采样点数目在一个监测区域内，采样点设置数目是与经济投资和精度要求相应的一个效益函数，应根据监测范围大小、污染物的空间分布特征、人口分布及密度、气象、地形及经济条件等因素综合考虑确定。世界卫生组织(WHO)和世界气象组织(WMO)提出按城市人口多少设置城市大气地面自动监测站(点)的数目(见表3—4)。我国对大气环境污染例行监测采样点规定的设置数目列于表3—3。（见P153）（三）、布点方法1、功能区布点法按功能区划分布点法多用于区域性常规监测。先将监测区域划分为工业区、商业区、居住区、工业和居住混合区、交通稠密区、清洁区等，再根据具体污染情况和人力、物力条件，在各功能区设置一定数量的采样点。各功能区的采样点数不要求平均，一般在污染较集中的工业区和人口较集中的居住区多设采样点。2．网格布点法这种布点法是将监测区域地面划分成若干均匀网状方格，采样点设在两条直线的交点处或方格中心(见图3—3)。网格大小视污染源强度、人口分布及人力、物力条件等确定。若主导风向明显，下风向应多设一些，一般约占采样点数的60％。对于有多个污染源，且污染源分布均匀的地区，常采用这种布点方法。它能较好地反映污染物的空间分布；如将网格划分的足够小，将监测结果绘制成污染物浓度空间分布图，对指导城市环境规划和管理具有重要意义。3．同心圆布点法这种方法主要用于多个污染源构成的污染群，且大污染源较集中的地区。先找出污染群的中心，以此为圆心在地面上画若干个同心圆，再从圆心作若干条放射线，将放射线与圆周的交点作为采样点(见图3—4)。不同圆周上的采样点数目不一定相等或均匀分布，常年主导风向的下风向比上风向多设一些点。例如，同心圆半径分别取4、10、20、40km，从里向外各圆周上分别设4、8、8、4个采样点。4．扇形布点法扇形布点法适用于孤立的高架点源，且主导风向明显的地区。以点源所在位置为顶点，主导风向为轴线，在下风向地面上划出一个扇形区作为布点范围。扇形的角度一般为45°，也可更大些，但不能超过90°。采样点设在扇形平面内距点源不同距离的若干弧线上(见图3—5)。每条弧线上设3—4个采样点，相邻两点与顶点连线的夹角一般取10—20°。在上风向应设对照点.采用同心圆和扇形布点法时，应考虑高架点源排放污染物的扩散特点。在不计污染物本底浓度时，点源脚下的污染物浓度为零，随着距离增加，很快出现浓度最大值，然后按指数规律下降。因此，同心圆或弧线不宜等距离划分，而是靠近最大浓度值的地方密一些，以免漏测最大浓度的位置。最大落地浓度出现的位置与烟筒高度及气象条件的关系大致为P155表3－5。具体计算可用高架连续点源扩散模式进行计算。五、采样时间和采样频率采样时间是指每次采样从开始到结束所经历的时间，也称采样时段。采样频率是指在—定时间范围内的采样次数。采样时间和采样频率应根据监测目的、污染物分布特征、分析方法灵敏度等因素确定。例如：监测空气质量的长期变化趋势，采用连续或间歇自动采样测定方式，表3－6国家环保局颁布的城镇空气质量监测采样频率和时间规定。对于一级评价项目：P155要求进行冬、夏季两季监测，每季至少进行7天监测，每天采样次数不少于6次(如在2:00、7:00、10:00、14:00、16:00、19:00)。表3－7《环境空气质量标准》（GB3095－1996）中对污染物监测数据统计的有效性规定。表3－6城镇空气质量监测规定的采样时间和频率（老标准）监测项目采样时间和频率SO2NO2隔日采样，每天连续采样24±0.5h，每月14－16d，每年12个月TSP、PM10隔双日采样，每天连续采样24±0.5h，每月5－6d，每年12个月降尘每月采样30±2d，每年12个月硫酸盐化速率每月采样30±2d，每年12个月表3－7各项污染物数据统计的有效性规定SO2,NOx,NO2年平均每年至少有分布均匀的144个日均值每月至少有分布均匀的12个日均值TSP,PM10,