環(huán)境空氣污染概論

1、L/O/G/O環(huán)境空氣污染概論環(huán)境空氣污染概論課程內(nèi)容課程內(nèi)容第一章：大氣環(huán)境與空氣污染第一章：大氣環(huán)境與空氣污染第二章：大氣化學組分的源和匯第二章：大氣化學組分的源和匯第三章：空氣污染氣象學及模式第三章：空氣污染氣象學及模式第四章：氣溶膠污染第四章：氣溶膠污染4123第五章：大氣污染和全球氣候第五章：大氣污染和全球氣候5第六章：大氣污染綜合防治第六章：大氣污染綜合防治大氣環(huán)境與空氣污染大氣環(huán)境與空氣污染第一章第一章 1大氣組成及分類大氣組成及分類 2空氣污染空氣污染 3大氣組分濃度表示方法大氣組分濃度表示方法 4環(huán)境空氣質量標準環(huán)境空氣質量標準 第一節(jié)第一節(jié) 大氣組成及分類大氣組成及分類第一

2、節(jié) 大氣組成及分類大氣層(atmosphere)又叫大氣圈，地球就被這一層很厚的大氣層包圍著。地球大氣是迄今為止以發(fā)現(xiàn)的天體大氣中惟一以氮、氧為主，水可以以氣體、液體、固體三態(tài)出現(xiàn)的大氣。 地球大氣的演變簡述如下： 地球在46億年前形成，它形成時是沒有大氣的。地球大氣的演變可分為原始大氣原始大氣，次生大氣次生大氣和現(xiàn)代大氣現(xiàn)代大氣三個階段。第一節(jié) 大氣組成及分類原始大氣原始大氣：（4646億年前億年前） 由于太陽風和地球升溫的作用，原始大氣是一些輕物質：H2，He、CO次生大氣次生大氣：（45452020億年前）億年前） 由于地球逐漸冷卻，造山運動、火山噴發(fā)和從地幔中釋放出地殼內(nèi)原來吸附的氣體

3、形成次生大氣（CO2，CH4，NH3，H2O）現(xiàn)代大氣現(xiàn)代大氣：（6 6億年前）億年前） 以N2、O2為主第一節(jié) 大氣組成及分類1.1 大氣成分的組成：大氣成分的組成： 大氣是由多種氣體組成大氣是由多種氣體組成的混合氣體的混合氣體, ,包括包括N N2 2、O O2 2、ArAr、COCO2 2、CHCH4 4、O O3 3、H H2 2 水汽、大氣氣溶膠。水汽、大氣氣溶膠。第一節(jié) 大氣組成及分類地球大氣成分地球大氣成分干潔大氣干潔大氣 干潔大氣的定義：干潔大氣的定義： 通常把除水汽、大氣氣溶膠以外的其余大氣稱為通常把除水汽、大氣氣溶膠以外的其余大氣稱為干潔大氣，簡稱干空氣。干潔大氣，簡稱干空

4、氣。下面介紹對下面介紹對氣象氣象影響較大的干潔大氣影響較大的干潔大氣 氧氣：氧氣：是地表一切生命所必須的氣體。如動、植物的呼吸，要在氧化作用中得到維持生命的熱能。此外，一切有機物的燃燒。腐敗和分解都依賴于氧，所以氧被 成為“有生命的氣體”。氮氣：氮氣：能沖淡氧使氧化作用不太激烈。氮在自然條件下可通過地表豆科植物根瘤菌作用，被直接改造為植物易吸收的化合物，是植物體內(nèi)不可缺少的養(yǎng)料。第一節(jié) 大氣組成及分類二氧化碳：二氧化碳： 主要來源于大氣底層的火山噴發(fā)、燃料燃燒、有機物腐敗及動植物呼吸等。 CO2吸收太陽輻射很少，卻能強烈地吸收地面長波輻射，使地面和空氣不致于因放射輻射而失熱過多。因此它們都有使

5、空氣和地面增溫的效應。 （溫室效應） 第一節(jié) 大氣組成及分類臭氧：臭氧： 主要來源于氧氣在太陽紫外輻射作用下發(fā)生光致離解。 臭氧層吸收的太陽紫外輻射能量使平流層大氣增溫，對平流層的溫度場和大氣環(huán)流起著決定性的作用。如果平流層的臭氧濃度下降，將引起平流層上部的溫度下降，平流層下部和對流層的溫度上升。 因此，臭氧層對建立大氣的垂直溫度結構和大氣的輻射平衡起重要作用。臭氧層吸收了部分太陽輻射能，估計使地面的平均溫度降低12。 雖然臭氧在大氣中所占的比例極小，但因它對太陽紫外輻射（0.20.29m)有強烈的吸收作用，所以是臭氧大氣中最重要的微量成 份之一。第一節(jié) 大氣組成及分類水汽：水汽： 主要來源于

6、海洋、地表各種水體（江、河、湖泊等）土壤和潮濕物體表面的蒸發(fā)及植物蒸騰。地表水汽借助空氣的垂直交換向上輸送，所以一般隨高度的增加而減少。據(jù)實測，1.5-2km高度的水汽為地表的一半，再往上更少。 但特殊的狀態(tài)下水汽會隨高度增加而增加。大氣中的水汽含量變化范圍是0-4%。水汽是天氣變化中成云致雨的重要角色。此外，水汽能吸收地面輻射并同時向周圍大氣和地面放出長波輻射，對地面和大氣溫度有一定的影響。第一節(jié) 大氣組成及分類溶膠粒子：溶膠粒子：為大氣中懸浮著的固態(tài)、液態(tài)微粒。氣溶膠粒子與氣體介質一起稱為氣溶膠。主要包括6 大類7種氣溶膠粒子，即：沙塵氣溶膠、碳氣溶膠(黑碳和有機碳氣溶膠)、硫酸鹽氣溶膠、

7、硝酸鹽氣溶膠、銨鹽氣溶膠和海鹽氣溶膠。盡管氣溶膠在大氣中的含量相對較少,但它在大氣過程中所起的作用卻不容忽視，其突出的作用表現(xiàn)在氣溶膠不僅對大氣能見度、太陽散射和輻射、大氣溫度等具有較多影響,而且由于其粒徑小、表面積大,為大氣環(huán)境化學提供了反應床,從而影響大氣的各種化學作用，同時影響人類健康。第一節(jié) 大氣組成及分類1.2大氣成分分類大氣成分分類1、按濃度分類：、按濃度分類：主要成分：主要成分： N2 、 O2、 Ar、CO2 （300ppmv) 微量成分：微量成分： CH4等等（1-20ppmv)痕量成分：痕量成分： O3 、 H2 、氮氧化合物氮氧化合物 、硫化物及氟氯化烴、硫化物及氟氯化烴

8、（1000年）年） 可變成分可變成分： CO2 、H 2、CH4、N2O 、 CO 、 O3、NH3、NO2、 SO2、 H2S 水汽水汽、大氣氣溶膠大氣氣溶膠 （110幾年幾年) 快變成分快變成分：碳、硫、氮的化合物碳、硫、氮的化合物 （1年）年） 微量成分和痕量成分一般也是壽命短的成分，它們至少有兩個特點：有化學活微量成分和痕量成分一般也是壽命短的成分，它們至少有兩個特點：有化學活性，多為溫室氣體。性，多為溫室氣體。第一節(jié) 大氣組成及分類第一節(jié) 大氣組成及分類第一節(jié) 大氣組成及分類 由于大氣中存在著空氣的垂直運動、水平運動、湍流運由于大氣中存在著空氣的垂直運動、水平運動、湍流運動和分子擴散

9、，使不同高度、不同地區(qū)的空氣得以進行交換動和分子擴散，使不同高度、不同地區(qū)的空氣得以進行交換和混合，因而從地面開始向上直到和混合，因而從地面開始向上直到90km90km處，空氣主要成分（處，空氣主要成分（除水汽臭氧和若干污染氣體外）的比例基本上是不變的。除水汽臭氧和若干污染氣體外）的比例基本上是不變的。 因此，在因此，在90km90km以下可以把干潔空氣當成分子量為以下可以把干潔空氣當成分子量為28.9728.97的的“單一成分單一成分”來處理。來處理。 191.3 大氣的分層和結構大氣的分層和結構 大氣分層大氣分層 大氣分層圖 第一節(jié) 大氣組成及分類20 1.3.1按熱力結構分層按熱力結構分

10、層 ： 對流層、平流層、中間層和熱層低層大氣低層大氣 以太陽輻射加熱地面后引起的對流、湍流交換作用以及地面的紅外輻射為主。 地面-熱源中、高層大氣中、高層大氣 以輻射平衡作用為主 O2、O和O3對太陽輻射的吸收（加熱） O3、CO2和水汽的紅外輻射（冷卻）第一節(jié) 大氣組成及分類211、對流層、對流層特點：特點：（1）大氣溫度隨高度降低 （2）大氣的垂直混合作用強 （3）氣象要素水平分布不均勻 對流層大氣熱源-地面地面 對流層大氣對流層大氣 平均溫度遞減率 6.5K/km 大氣溫度隨高度降低對流層內(nèi)具有強烈的對流運動水汽和氣溶膠粒子等大氣成分在垂直方向上的輸送。 第一節(jié) 大氣組成及分類22對流層

11、頂對流層頂（幾千米幾千米）對流層與平流層的過渡區(qū) 大氣溫度遞減率小于2K/km或更小時的最低高度。 赤道附近及熱帶對流層頂高約1520km，極地和中緯度帶高約814km。 空氣性質的差異對流層內(nèi)水平方向上氣象要素（指溫度、氣壓、濕度、風向、風速、輻射等）分布不均勻。 第一節(jié) 大氣組成及分類23 2、平流層平流層 對流層頂向上到50 km高度左右，垂直減溫率為負值的氣層。 平流層-逆溫-大氣很穩(wěn)定，垂直運動微弱 中緯度地區(qū)夏季時是東風，冬季時是西風。 平流層空氣中塵埃少，大氣的透明度很高。 平流層中水汽的含量少。第一節(jié) 大氣組成及分類243、中間層、中間層 平流層頂?shù)?5 km高度（亦稱中層 ）

12、 臭氧少 溫度隨高度降低 （中間層頂 ）溫度下降至-100- 90 水汽少 第一節(jié) 大氣組成及分類254、熱層、熱層 中間層頂以上的大氣層（溫度始終增加 ）強紫外輻射(0.18m)的光化學分解和電離反應 熱層高溫 大氣稀薄，分子碰撞少，分子巨大的運動速度 。 熱層頂熱層頂-熱層溫度趨于常數(shù)的高度 【中層大氣中層大氣】 第一節(jié) 大氣組成及分類2686 km 湍流混合作用分子擴散及重力場對輕重氣體的分離作用，干空氣成分比例保持不變。 90km110km 湍流混合作用與分子擴散及重力場對輕重氣體的分離作用相當，具有湍流混合、分子擴散和分子氧的光解作用以及氣體分子的電離作用。 120km 分子擴散、光

13、解、電離占主導地位 1.3.2按化學成分分層按化學成分分層 ：第一節(jié) 大氣組成及分類27勻和層或湍流層勻和層或湍流層 8690km（對流層、平流層、中層） 大氣成分比例，在垂直方向和水平方向保持不變。 非勻和層非勻和層 由于重力分離作用及光化學作用，大氣成分比例隨高度而變化，平均摩爾質量隨高度逐漸減小。 大氣中性成分大氣中性成分 500km：O，He，N2，H和 O2； 1000km：He，H和O 第一節(jié) 大氣組成及分類28外大氣層外大氣層 500km以上的熱層頂開始的大氣層（或稱逸散層）（1）大氣處于電離狀態(tài)，質子含量大大超過中性氫原子的含量（2）空氣粒子數(shù)稀少，中性粒子之間碰撞平均自由程達

14、到104m。 第一節(jié) 大氣組成及分類29電離層電離層 60km5001000km氣層 太陽電磁輻射（主要是短于0.1m的紫外線、X射線）和微粒輻射（從太陽發(fā)出的質子、電子等及宇宙線粒子）的作用空氣分子和原子（N2，O2，O等）電離（正離子和自由電子）產(chǎn)生與復合平衡形成電子數(shù)密度的垂直分布 “電離層突然擾動”、“電離層暴” 1.3.3按電磁特性分層按電磁特性分層 ：第一節(jié) 大氣組成及分類30磁層磁層 起始于501000 km，其外部邊界稱為磁層頂。 帶電粒子受地球磁場的控制，并沿著地球的磁力線作回旋運動。 太陽風影響，磁層結構不對稱。 地球磁層的概略圖 第一節(jié) 大氣組成及分類第二節(jié)第二節(jié) 空氣污

15、染空氣污染第二節(jié) 空氣污染 2.1 空氣污染的定義空氣污染的定義 ISO定義：由于人類活動和自然過程引起某種物質進入大氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度，達到足夠的時間并因此而危害了人體的舒適、健康和福利或危害環(huán)境的現(xiàn)象。第二節(jié) 空氣污染 2.2 空氣污染的分類空氣污染的分類 按其影響所及范圍可分為四類：1、局部性污染：某煙囪排放2、地區(qū)性污染：某工礦區(qū)其附近或城市大氣污染3、廣域性污染：涉及比一個地區(qū)或城市更廣發(fā)區(qū)域4、全球性污染：溫室效應與全球氣候變暖、酸雨、臭氧層空洞第二節(jié) 空氣污染 2.3 污染源的分類污染源的分類天然源：天然源：火山噴發(fā)：排放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫 HF 及火山灰

16、等顆粒物。 森林火災：排放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮 HC 等。 自然塵：風砂、土壤塵等。 森林植物釋放：主要為硫酸鹽與碳氫化合物。 海浪飛沫：顆粒物主要為硫酸鹽與亞硫酸鹽。人為源：人類的生產(chǎn)活動和生活活動所形成的污染源。人為源：人類的生產(chǎn)活動和生活活動所形成的污染源。工業(yè)污染源：工業(yè)生產(chǎn)過程、工業(yè)燃料的燃燒農(nóng)業(yè)污染源：農(nóng)業(yè)燃料、有機農(nóng)藥生活污染源：民用爐灶、生活取暖、垃圾焚燒交通污染源：汽車尾氣排放第二節(jié) 空氣污染 2.4 污染物的分類污染物的分類大氣污染物按化學性質分大氣污染物按化學性質分：可劃分為8類。1）碳氧化物：CO、 CO2。2）硫氧化物：SO2等，用 SOx表示。3

17、）氮氧化物：NO和NO2，用NOx表示。4）氧化劑：O3、PAN和過氧化物等。5）碳氫化合物：包括醛、酮和HCO化合物。6）鹵素化合物：HF、HCl、氟利昂。7）顆粒物及氣溶膠8）放射性物質還原性污染物氧化性污染物第二節(jié) 空氣污染 第二節(jié) 空氣污染 按遷移轉化過程分按遷移轉化過程分：一次污染物：指直接從各類污染源排出的物質?？煞譃椋悍欠磻镔|，其性質較穩(wěn)定；反應性物質，性質不穩(wěn)定，在大氣中常與某些其它物質產(chǎn)生化學反應或作為催化劑促進其它污染物產(chǎn)生化學反應。二次污染物： 反應性的二次污染物與大氣中的其它組分反應形成的物質。如二次污染物硫酸煙霧（又稱硫酸氣溶膠）形成過程。往往二次污染物比一次污染物

18、的危害大得多。污染物分類第二節(jié) 空氣污染 1、對人體的危害、對人體的危害 途徑有三： 通過人的呼吸直接進入人體； 通過食物與飲水進入人體； 通過皮膚接觸經(jīng)毛孔進入人體。 影響 急性中毒 慢性危害 精神上的影響 2.5 空氣污染的危害空氣污染的危害第二節(jié) 空氣污染 顆粒物：固體、液體和氣溶膠顆粒物：固體、液體和氣溶膠 粒度決定著粉塵向肺泡的侵入以及沉降的速度。0.55m的粒子可直接進入肺泡并在肺內(nèi)沉積，還可能進入血液送往全身，其危害最大。在被污染的大氣中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多有毒顆粒物和致癌物，如金屬塵、石棉和芳香烴等。 總懸浮顆粒物TSP（10um ），飄塵（ 10um ）可吸入顆粒物（PM10）第二

19、節(jié) 空氣污染 二氧化硫二氧化硫： 二氧化硫對人體的主要影響是造成呼吸道內(nèi)徑狹窄。結果使空氣進入肺部受到阻礙。濃度高時出現(xiàn)呼吸困難，造成支氣管炎和哮喘病，嚴重者引起肺氣腫，甚至致人于死。 二氧化硫還能與血液中的維生素B1結合，使體內(nèi)維生素C的平衡失調，從而影響新陳代謝活動。二氧化硫還能抑制或破壞某些酶的活性，從而影響生長發(fā)育。 另外，二氧化硫與大氣中顆粒物結合產(chǎn)生“協(xié)同作用”，此作用對人體健康危害更為嚴重。1952年12月倫敦的煙霧事件（低溫、高濕度且風速很小的陰天，并伴有逆溫的情況下，一次污染物在低空積聚，生成還原性煙霧）就是最好的說明。第二節(jié) 空氣污染 一氧化碳氧化碳： 一氧化碳對人體的毒性

20、作用，在于其同血液中血紅蛋白的化合反應，血紅蛋白同一氧化碳的結合能力比它同氧氣的結合能力大得多，大約為210倍。 因此，人一旦吸入一氧化碳，它就和血紅蛋白結合起來，減少了血液的載氧能力，使身體細胞得到的氧減少。最初危害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，發(fā)生頭暈、頭痛、惡心等癥狀，嚴重時窒息、死亡。 臭氧臭氧： 臭氧對人體健康的影響主要是危害肺部和氣管。對于大多數(shù)健康人，其濃度達到千萬分之三時就開始有嚴重的刺激。隨著濃度的增加，癥狀逐漸嚴重。但是，一旦脫離接觸，就會很快完全恢復常態(tài)。第二節(jié) 空氣污染 其它有害物質其它有害物質 鉛：主要來源于汽車防爆劑四乙基鉛。鉛是生物酶的抑制劑、隨血液分布到軟組織和骨骼中。鉛中毒輕

21、則消化不良、神經(jīng)衰弱、腹絞痛、貧血，重則肢體麻痹、腦中毒。 鎘：易蓄積于肝臟、腎臟和腸黏膜上，引起疼痛病，如日本富山骨痛病。 氟：對眼睛及呼吸道有強烈的刺激作用，吸入高濃度可引起肺水腫和支氣管炎。 氯：同氟第二節(jié) 空氣污染 2、大氣污染對植物的危害、大氣污染對植物的危害急性危害急性危害 是指在高濃度污染物影響下，短時間內(nèi)產(chǎn)生的危害，使植物葉子表面產(chǎn)生傷斑，或者直接使葉片枯萎脫落。慢性危害慢性危害 是指在低濃度污染物長期影響下產(chǎn)生的危害，使植物葉片褪綠，影響植物生長發(fā)育，有時還會出現(xiàn)與急性危害類似的癥狀。不可見危害不可見危害 是指在低濃度污染物影響下，植物外表不出現(xiàn)受害癥狀，但植物生理已受影響，

22、使植物品質變壞，產(chǎn)量下降，對病蟲害的抵抗能力減弱。第二節(jié) 空氣污染 對植物生長危害較大的大氣污染物主要是二氧化硫和氟化物。 二氧化硫所引起的受害部位多在葉脈間， 氟化氫所引起的受害部位多在葉緣和葉端。 二氧化硫危害植物的機制也有兩種不同的說法： 一是二氧化硫被吸收后在植物體內(nèi)氧化為硫酸，給植物的細胞和組織以傷害； 另一種說法是二氧化硫與植物代謝過程中產(chǎn)生的-醛化合，生成-羥基磺酸鹽，這種物質有破壞細胞結構的作用。 第二節(jié) 空氣污染 臭氧 對植物的危害主要是從葉背氣孔侵入，通過周邊細胞、海綿細胞間隙，到達柵欄組織，使其首先受害，然后再侵害海綿細胞，形成透過葉片的密集的紅棕色、紫色、褐色或黃褐色的

23、細小壞死斑點。同時，植物組織機能衰退，生長受阻，發(fā)芽和開花受到抑制，并發(fā)生早期落葉、落果現(xiàn)象。對臭氧有抗性的植物有胡椒、銀杏、甜菜、松柏等。 第二節(jié) 空氣污染 過氧乙酰硝酸酯（PAN） 癥狀表現(xiàn)為葉子背面海綿細胞或下表皮細胞原生質被破壞，使葉背面逐漸變成銀灰色或古銅色，而葉子正面卻無受害癥狀。PAN還能夠促進植物整株老化，抑制植物生長發(fā)育。對PAN敏感的植物有番茄、扁豆、萵苣、芥菜、芹菜、馬鈴薯等；對PAN抗性強的植物有玉米、棉花、黃瓜、洋蔥等。 第二節(jié) 空氣污染 3、大氣污染的其它危害、大氣污染的其它危害 大氣污染對金屬制品、紡織品、皮革制品、油漆涂料、橡膠制品、紙制品、建筑材料等產(chǎn)生腐蝕破

24、壞作用。 二氧化硫、三氧化硫、硫酸霧可使鐵、銅、鎳表面腐蝕；對皮革制品有強親合性，使皮革強度下降，產(chǎn)生脆化；使紙制品變脆；使紡織品（尤其是棉織品）強度下降；對建筑材料（主要是碳酸鈣類）和歷史古跡（碑文、石刻等）產(chǎn)生損壞。 硫化氫可使銀、銅腐蝕，并在表面形成金屬硫化物；還可使含鉛涂料變色。 臭氧可使橡膠脆裂，使紡織品褪色，強度下降。 粉塵與酸污染同時存在時，對金屬制品和建筑材料有嚴重的腐蝕作用。第二節(jié) 空氣污染 大氣污染對金屬材料的腐蝕所造成經(jīng)濟損失可用下式估算：Vabc其中：a為暴露在大氣中的金屬價值（億元）；b為每年金屬腐蝕值占總值的比率（）；c為因空氣污染引起的金屬損失值占金屬腐蝕損失值的

25、比率（）。第二節(jié) 空氣污染 第三節(jié) 大氣組分濃度表示方法 與水環(huán)境相比，大氣組分濃度的表示方法比較復雜。 原因是： 各組分物理形態(tài)各異（有氣體、蒸氣、顆粒物、氣溶膠等）且濃度相差懸殊，故有多種不同濃度單位； 氣體組分濃度隨溫度、壓力變化，所以在表示濃度值同時，要附帶注明溫度和壓力條件。又為了使計算出的濃度有可比性，通常要用理想氣體方程式換算成標準狀態(tài)下的濃度； 不同國家制定的標準狀態(tài)并不統(tǒng)一，如標準溫度有取0、18、20或25的；至于atm、mmHg等壓力單位，按我國現(xiàn)行法定計量制度，已被取消使用。 用于大氣組分的濃度單位有：（V/V）、mol/L、g/L、mg/L、g/m3、個數(shù)/cm3。 此外還有10-6（V/V）、10-9（V/V）和10-12（V/V），分別相應于原先常用現(xiàn)已廢止的ppm、ppb和ppt單位。 對微量組分（如SO2、NOx等大氣污染物），常用單位為10-6（V/V）