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第五章大气污染及其防治第一节大气圈与大气组成一、大气圈及其结构1.大气圈定义：由于地心引力随地球旋转的大气层，厚度约1000～1400km，空气密度随高度的上升逐渐减小，海平面上最大；空气温度的垂直分布特征复杂，常用气温垂直递减率ｒ来表示。ZT式中T——温度，Z——高度。ｒ＞0时，T随Z的升高而降低，ｒ＜0时，则相反。2.大气圈结构（1）对流层平均厚度约12km，其中：极地6～8km，中纬度地区10～12km，赤道16～18km。温度随高度升高而下降，ｒ=0.65℃/100m。特征：①存在大气水平和对流运动，发生各种天气现象②大气污染主要发生在近地表1～2km内，与人类关系最密切（2）平流层包括同温层、臭氧层，距地表12～50km。特征：①大气以水平运动为主，极少出现天气现象。②平流层15～35km高度内存在约20km厚的臭氧层。O3能吸收太阳紫外辐射（λ=0.2～0.3µm），对地球的人类及生物有保护作用。③进入平流层的污染物停留时间较长，扩散缓慢。如CFC11在太阳紫外线照射下会分解成氯原子，估计一个Cl原子会破坏10万个O3分子。（3）中间层距地表50～85km，温度随高度上升而下降。特征：①顶层温度可降至-83～-113℃，层内没有O3一类的温室气体②下部温度随高度上升而下降，再次出现空气对流现象（高空对流层）（4）电离层距地表850km，温度随高度上升而上升。特征：①温度上升极快，下层是N2，上层是原子态氧②该空气层大部发生电离，带电离子密度较高，所以称电离层。（5）外层（外大气层）高度＞850km；温度随高度上升而上升，特征：①大气稀薄，地心引力小，运动快的质子可摆脱地球引力进入宇宙空间；②各类人造卫星都在这一高度飞行。二、大气的组成1.恒定成分：气体的组分和含量几乎不变，由地面向上85km以内的成分，主要有N、O、惰性气体Ar等。2.可变成分：受自然因素、人为因素影响而变化的成分，主要指CO2、H2O，受季节、气候、地区的影响较大。3.不定成分：由于自然灾害和人类不恰当的行为产生的有害气体排入大气，造成大气污染。三、大气污染定义及环境质量标准1.大气污染：由于人类活动或自然过程引起某种物质进入大气，呈现足够的浓度，达到足够的时间，并危害了人体的健康、舒适和福利，或危害了环境的现象。人类活动——工业废气排放，燃烧汽车尾气等自然过程——火山爆发、森林大火等2.环境空气质量标准1996年国家标准GB3095-1996p75本标准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。主要监测项目：SO2、TSP、PM10、NOX、NO2、CO、O3、Pb、B（a）P、F第二节大气污染源及主要污染物发生机制一、大气污染源——能源的生产和消费是我国主要大气污染源。1.按源的功能分：（1）生活污染源城乡居民燃烧燃料造成：面广、量大、排放高度低（2）工业污染源工业企业各种生产活动排放的烟、粉尘、化合物（3）交通污染源汽车、火车、飞机、轮船等排放，又称移动污染源（4）农业污染源化肥、农药、有机肥料、秸杆燃烧2.按源的排放特点分：（1）固定源、移动源（2）高架源、地面源（3）连续源、间断源、瞬时源（排放时间间隔）3.按源的几何形态分：（1）点源工厂烟囱（2）线源公路车流量大时（3）面源居民烟囱（低、密集）二、大气污染物及发生机理大气污染物：由于人类活动或自然过程排入大气，并对人体健康或环境产生危害的物质。1.颗粒态污染物（气溶胶）（1）粉尘1～200um其中d＞10µm称降尘；d＜10µm称飘尘。（2）烟＜10µm固态、液态微粒（3）雾＜100µm液滴（4）总悬浮颗粒物TSP＜100µm固体颗粒其中可吸入颗粒物d＜10µm微粒，自然或人为原因引起（扬尘、燃烧、冶金、化学物质挥发等形成）2.气态污染物（1）硫氧化物SOx煤烟型污染造成。据统计每年排入大气的SO2约2.5×106t，其中人为排放占41%。1t煤含5～10kg的硫；1t石油含5～30kg的硫。22SOOS其中1～5%的SO2：322SOOSOSO2特点：①无色，有刺激性气味的气体，呈酸性，浓度大时可引起中毒；②破坏植物，使叶子变黄，翻卷，植物倒伏；③腐蚀金属及建筑物；④是形成酸雨的主要物质。32SOOSO42230SOHHSO酸雨的形成（2）硫酸烟雾（二次污染物）又称“伦敦烟雾”，4222SOHOHSOXNO紫外线SO2气体在大气中，由于有水蒸气、氮氧化物的存在，在光照条件下发生化学反应，生成的有腐蚀性刺激性的烟雾。特点：①有强腐蚀性，对动植物有极大危害；②对皮肤、咽喉有强烈的刺激和损害（3）氮氧化物NOx汽车尾气、工厂排放。人为排放5.12×107t/年，主要集中在城市，其中NOx2/3来自汽车尾气，1/3来自固定源（化工厂），据统计，6.35kgNOx/1t天然气；9.1～12.3kgNOx/1t石油；8～9kgNOx/1t煤。22NOONONO2特点：①棕色或黄色（黄龙），有刺激性气味，浓度大时引起肺气肿，有生命危险；②温室气体，大量排放会增加温室效应；③是形成光化学烟雾的主要物质。（4）光化学烟雾（二次污染物）又称“洛杉矶烟雾”。光化学烟雾紫外线照射COHCNOX（黄色、白色、浅兰色）如NO2吸收290～430nm的紫外线发生光解，生成白色烟雾。特点：①有特殊气味，刺激眼睛、呼吸道；②高峰在中午，夜间消失（太阳下山了）例：洛杉矶40年代250万辆车，燃烧1100t石油/天，向大气排放约100多t/HC化合物，300多t/NOx，700多t/CO，在夏秋容易形成浅兰色烟雾。（5）一氧化碳CO汽车尾气，燃烧过程。CO是大城市排放最多的污染物。据统计几～20kgCO/1t煤，汽车尾气排放占2.7～15%。特点：①无色、无嗅、无味气体，煤气中毒受浓度、时间影响；②是形成光化学烟雾的主要物质，是工业发达，交通拥挤的大城市污染的隐患。（6）碳氢化合物HC汽车尾气、燃料燃烧。是生成光化学烟雾的主要物质。据统计人为排放88.2×106t/年。第三节影响大气污染扩散的因素一、气象条件的影响1.风的影响风向：决定了污染迁移的方向。风速：决定了污染物稀释的速度。大气湍流：不规则的大气运动。使污染物充分混合、稀释、浓度变低。2.温度层结的影响在地表垂直方向上，温度随高度变化而变化的现象称温度层结，温度随高度的变化可用一条曲线来表示，该曲线即温度层结曲线。温度层结类型：（1）正常＞0（2）中性层结d=11℃/100m干绝热递减曲线（3）同温=常数（4）逆温＜0对流层下层=0.3～0.4℃/100m中层=0.5～0.6℃/100m上层=0.65～0.75℃/100m取平均值=0.65℃/100m。3.逆温的影响（1）辐射逆温与昼夜有关（2）下沉逆温空气下沉压缩形成绝热过程受气压影响产生（3）湍流逆温温度较高的空气在混合的过程中由于密度的差异热空气抬升到冷空气上部形成（4）锋面逆温冷暖空气相遇，暖气团因密度较小爬升到冷气团上部，形成一倾斜过渡区称锋面，温差较大时形成逆温（5）平流逆温暖空气平流到冷地面上形成的逆温4.气温干绝热递减率与大气稳定度（1）气温干绝热递减率dd=1℃/100m气团（气块）的概念：假想的空气块，它与周围大气的热交换可忽略不计，热气块的运动可看作是绝热运动。（2）大气稳定度大气稳定度与d有密切关系，可用气团上升与下沉来判断大气稳定程度。P94图①当＜d时，如=0.5℃/100m，d=1℃/100m，在200m处切取绝热气块，温度为12℃，将气块推到300m处时，气团温度为11℃，周围空气为11.5℃，此时气块下沉，回到原处。将气块推到100m处时，气团温度为13℃，周围空气为12.5℃，此时气团上升，回到原处。即＜d时，大气处于稳定状态。②当＞d时，类似①的分析方法，气团在推到300m处时会继续上升，在推到100m处时会继续下沉。即大气处于不稳定状态。③当=d时，气团不动，大气呈中性。（3）大气稳定度的判断ZT当＞0时，大气不稳定当=0时，大气呈中性当＜0时，大气稳定大气稳定度与污染物之间关系密切。高架源连续排放的烟云形状反映了大气稳定状况①波浪型＞0，＞d大气不稳定，对流强污染物扩散快，不易形成污染。②锥型＞0，=d大气中性或弱稳定污染物容易停留，形成污染。③扇型＜0，＜d大气稳定烟云在垂直方向上扩散很小在水平方向上扩散很快。④屋脊型（爬升型）烟云上部＞0，＞d不稳定下部＜0，＜d稳定地面不易形成污染。⑤漫烟型烟云上部＜0，＜d稳定下部＞0，＞d不稳定地面污染物不易扩散，容易形成污染。烟羽：烟气流在大气中呈现的状态象羽毛在空中飘扬，故称为烟羽。二、地形的影响（即下垫面的影响）1.山谷和盆地的影响白天：山坡受热气温升高，气流顺坡而上，谷间气流下沉，形成谷风。夜间：山坡冷却较山谷快，温度低于谷地，山坡气流流向谷底，谷间气流上升，形成局部环流，称山风。2.海陆交界的影响白天：地面升温快海面温度低，空气上层由陆地流向海洋，下层由海洋流向陆地，形成海风。夜间；地面降温快海面温度高，空气上层由海洋流向陆地，下层由陆地流向海洋，形成陆风。3.城市的影响——热岛效应城市人口、工业、交通密集，温度高。城市排放的污染物随空气上升流向郊区，郊区冷空气由低空流向城市，形成特有的污染热力环流。第四节大气污染防治一、烟尘的治理技术1.除尘装置的主要性能处理量除尘效率阻力降2.除尘装置的工作原理和特性（1）重力除尘装置：捕集50um以上粒径的粒子，=30～40%使含尘气体通过比管径大得多的沉降室，流速降低，携沉能力下降，气流中所含尘粒在重力作用下缓慢下沉。当气流通过沉降室的时间大于尘粒下降时间时，尘粒就会被去除。P99～100（2）惯性除尘装置：利用粉尘与气体在运动中惯性力的不同，使粉尘从气流中分离。（3）离心力除尘装置：含尘气体进入装置，沿某一方向作旋转运动，在旋转中粒子获得离心力，将粒子从气流中分离出去。P103分类：切线进入式P102图6-15P103图6-17轴向进入式（反转式；直流式）P103图6-16（4）洗涤式（湿式）除尘装置：利用液滴、液膜、雾沫等洗涤含尘气体。分类：贮水式P104图6-18加压水式P104图6-19（5）过滤除尘装置：使含尘气体通过滤料，将尘粒分离捕集。分类：袋式颗粒层式（6）电除尘装置：用高压直流电源产生电场，使气流通过电场，将其中尘粒荷电，在电场力的作用下，带电尘粒飞向集尘极。分类：平板型圆筒型二、主要气体污染物的治理技术1．从烟气中去除SO2技术（排烟脱硫技术）分为干法、湿法两类（1）湿法利用不同的吸收剂吸收烟气中的硫①氨法：用氨水（NH3H2O）为吸收剂，中间产物为亚硫酸铵和亚硫酸氢铵②钠法：用NaOH、Na2CO3或NaSO3水溶液为吸收剂，中间产物为NaSO3，NaHSO3③钙法（石灰——石膏法）：用石灰石（CaCO3），生石灰（CaO）或消石灰（Ca(OH)2）的乳浊液为吸收剂，中间产物为CaSO3，经空气氧化后得石膏。④镁法P109-110（2）干法①活性炭法a.吸附：SO2在活性炭表面上与O2及水蒸气发生反应，生成硫酸。4222212SOHOHOSOb.吸附剂再生：水洗脱吸，高温气体脱吸，水蒸气脱吸，氨水脱吸。②接触氧化法以硅石为载体，五氧化二矾V2O5为催化剂，使SO2生成硫酸。2.从烟气中去除NOx的技术（排烟脱硝、排烟脱氮）（1）非选择性催化还原法以铂（Pt）为催化剂，氢或甲烷为还原剂，将烟气中NOx还原为氮气。选取温度为400-500℃，实际装置中还应有余热回收装置。（2）选择性催化还原法以铜、铂、铁等的氧化物为催化剂，以NH3，H2S，CO等为还原剂，选择适当的温度（250-450℃）可将NOx还原为N2。（3）吸收法①碱液吸收法用30%NaOH或10-15%NaCO