环境资源学第五章至第六章.docx

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环境资源学第五章至第六章

环境资源学（第五章至第六章）

第五章大气污染原理

第一节大气的组成和结构

大气是由多种气体混合组成的，按其成分可以概括为三部分：

干燥清洁的空气、水汽和悬浮微粒.......

第二节大气污染及重要污染物

大气污染系指由于人类活动或自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境的现象......

第三节污染物在大气中的转化

从污染源排放进入大气中的污染物，在扩散、输送过程中，由于其自身的物理化学性质受阳光、温度、湿度等因素的影响，污染物之间，以及它们与空气原有组分之间发生化学反应，形成新的二次污染物，这一反应过程称为大气污染的化学转化。

它包括光化学过程和热化学过程，其中有发生在气相或液相的均相反应，和发生在气液、液固、固气界面上的非均相反应......

第四节污染物在大气中的迁移和扩散

污染物从污染源排放到大气中，只是一系列复杂过程的开始，污染物在大气中的迁移、扩散是这些复杂过程的重要方面。

大气污染物在迁移、扩散过程中对生态环境产生影响和危害。

因此，大气污染物的迁移、扩散规律为人们所关注......

第一节大气的组成和结构

一、大气的组成

大气是由多种气体混合组成的，按其成分可以概括为三部分：

干燥清洁的空气、水汽和悬浮微粒。

干洁空气的主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳气体，其含量占全部干洁空气的99.996%（体积）；氖、氦、氪、甲烷等次要成分只占0.004%左右，如表5－1所示。

由于空气的垂直运动、水平运动以及分子扩散，使得干洁空气的组成比例直到90－100km的高度还基本保持不变。

也就是说，在人类经常活动的范围内，任何地方干洁空气的物理性质是基本相同的。

例如，干洁空气的平均分子量为28.966，在标准状态下（273.15K，latm）密度为1.293kg/m3。

大气中的水蒸汽主要来自海水的蒸发，少量来自江河、湖泊水的蒸发以及因土壤、植物的蒸腾作用。

大气中的水汽含量，随着时间、地点、气象条件等不同而有较大变化，在正常状态下其变化范围为0.02-6%。

大气中的水汽含量虽然很少，但却导致了各种复杂的天气现象：

云、雾、雨、雪、霜、露等。

这些现象不仅引起大气中湿度的变化，而且还引起热量的转化。

同时，水汽又具有很强的吸收长波辐射的能力，对地面的保温起着重要的作用。

大气中的悬浮微粒，除水汽凝结物如云、雾滴、冰晶等，主要是大气尘埃和悬浮在空气中的其他杂质。

二、大气圈的结构

根据大气在垂直方向上温度、化学成分等物理性质的差异，同时考虑到大气的垂直运动状况，可将大气圈分为五层（图5－1）。

（一）对流层

对流层是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化。

在赤道低纬度区为17～18km；在中纬度地区为10～12km；两极附近高纬度地区为8～9km。

夏季较厚，冬季较薄。

这一层的显著特点：

一是气温随高度升高而递减，大约每上升100m，温度降低0.6℃～0.65℃。

由于贴近地面的空气受地面辐射增温的影响而膨胀上升，上面冷空气下沉，故在垂直方向上形成强烈的对流；二是密度大，对流层虽然相对于大气圈的总厚度来说很薄，但是它的质量却占大气总质量的3/4以上。

图5-1大气圈的层状结构

（—）=负值温度垂直梯度（+）=正值温度垂直梯度

在对流层中，因受地表的影响不同，又可分为两层。

在1～2km以下，受地表机械力、热力强烈作用的影响，通称为摩擦层或边界层，排入大气的污染物绝大部分活动在此层。

在1～2km以上，受地表影响变小，称为自由大气层，主要天气现象如云、雾、雨、雪、雹的形成均在此层。

对流层和人类的关系最为密切。

（二）平流层

对流层顶到50km的大气层为平流层。

在平流层下层，即30～35km以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称同温层；在30～35km以上，温度随高度升高而升高。

这是因为，在高约15～35km的范围内，有厚约20km的一层臭氧层。

因臭氧具有吸收太阳光短波紫外线的能力，同时在紫外线的作用下可被分解为原子氧和分子氧。

当它们重新化合生成臭氧时，可以热的形式释放出大量的能量，使平流层的温度升高。

平流层能大量吸收紫外线，使地球生物免受紫外线的照射，同时又对地球起保温作用。

平流层的空气没有垂直对流运动，平流运动占显著优势，空气比对流层稀薄得多且干燥，水汽、尘埃的含量甚微，大气透明度好，很难出现云、雨等天气现象。

（三）中间层

从平流层顶到80km高度的一层称为中间层，该层空气更为稀薄，有强烈的垂直对流运动，气温随高度增加而下降，该层顶部温度可降至-83～-113℃。

（四）热成层

从80km到约500km的高空称为热成层。

该层的下部基本上是由分子氮所组成，而上部是由原子氧所组成。

原子氧层可吸收太阳辐射出的紫外光，因而在这层中的气体温度随高度增加而迅速增加。

层内温度很高，昼夜变化很大。

由于太阳和宇宙射线的作用，该层大部分空气分子发生电离，使其具有较高密度的带电粒子，故又称为电离层。

电离层能反射地面发射的电磁波，对地面的无线电通讯起到十分重要的作用。

（五）逸散层

热成层以上的大气层作为逸散层，该层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生电离，使质子的含量大大超过中性氢原子的含量。

逸散层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同。

由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层被碰撞出地球重力场而进入太空逸散。

对逸散层的高度还没有一致的看法，实际上地球大气与星际空间并没有截然的界限。

该层的温度也是随高度增加而略有增加的。

第二节大气污染及重要污染物

一、大气污染

大气污染系指由于人类活动或自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境的现象。

所谓人类活动不仅包括生产活动，也包括生活活动，如做饭、取暖、交通等。

所谓自然过程，包括火山活动、山林火灾、海啸、土壤和岩石的风化及大气圈中空气运动等。

一般说来，由于自然环境的自净作用，会使自然过程造成的大气污染，经过一定时间后自动消除。

所以说，大气污染主要是人类活动造成的。

按照污染的范围来分，大气污染大致可分为四类：

（1）局限于人范围的大气污染，如受到某些烟囱排气的直接影响；

（2）涉及一个地区的大气污染，如工业区及其附近地区或整个城市大气受到污染；（3）涉及到比一个城市更广泛地区的广域污染；（4）必须从全球范围考虑的全球性污染，如大气中的飘尘和二氧化碳气体的不断增加，就成了全球性污染，受到世界各国的关注。

二、大气污染源

按污染物质的来源可分为天然污染源和人为污染源，根据表5-2对主要大气污染物的分类统计分析，其主要来源为三大方面：

①燃料燃烧；②工业生产过程；③交通运输。

前两类污染源统称为固定源，交通运输工具（机动车、火车、飞机等）则称为流动源。

•燃料燃烧

煤、石油、天然气等燃料的燃烧过程是向大气输送污染物的重要发生源。

煤是主要的工业和民用燃料，它的主要成分是碳，并含有氢、氧、氮、硫及金属化合物。

煤燃烧时除产生大量烟尘外，在燃烧过程中还会形成一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、有机化合物及烟尘等有害物质。

家庭炉灶排气是一种排放量大、分布广、排放高度低、危害性不容忽视的空气污染源。

•工业生产过程排放

工业生产过程中排放到大气中的污染物种类多、数量大，是城市或工业区大气的重要污

染源。

工业生产过程中排放废气的工厂很多。

例如，石油化工企业排放二氧化硫、硫化氢、二氧化碳、氮氧化物；有色金属冶炼工业排出的二氧化硫、氮氧化物以及含重金属元素的烟尘；磷肥厂排出氟化物；酸碱盐化工工业排出的二氧化硫、氮氧化物、氯化氢及各种酸性气体；钢铁工业在炼铁、炼钢、炼焦过程中排出粉尘、硫氧化物、氰化物、一氧化碳、硫化氢、酚、苯类、烃类等。

总之，工业生产过程排放的污染物的组成与工业企业的性质密切相关。

•交通运输过程中排放：

汽车排气已构成大气污染的主要污染源。

机动车的发展速度很快，1950年全球机动车

保有量为7000万辆，1996年增长到7.1亿辆。

汽油车排放的主要污染物是：

CO，NOx，HC和铅（如果使用含铅汽油）；柴油车排放的污染物主要有NOx，PM（细微颗粒物），HC，CO和SO2。

同发达国家相比，我国机动车污染物排放量相当惊人。

以日本东京为例，90年代东京拥有机动车400万辆，而CO和NOx的排放量基本稳定在10万吨和5万吨左右，而北京市1995年机动车仅为100万辆，CO和NOX的排放量却高达97.2万吨和9.8万吨。

三、大气污染物

大气污染物系指由于人类活动或自然过程排入大气的并对人或环境产生有害影响的物质。

大气污染物的种类很多，按其存在状态可概括为二大类：

气溶胶状态污染物、气体状态污染物。

（一）气溶胶状态污染物

在大气污染中，气溶胶系指固体、液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体。

其粒径约为0.002-100μm大小的液滴或固态粒子。

大气气溶胶中各种粒子按其粒径大小可分为：

1.总悬浮颗粒物（TSP）：

是分散在大气中的各种粒子的总称。

是指用标准大容量颗粒采样器（流量在1.1-1.7m3/min）在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，其粒径大小，绝大多数在100μm以下，其中多数在10μm以下。

也是目前大气质量评价中的一个通用的重要污染指标。

2.飘尘：

能在大气中长期飘浮的悬浮物质称为飘尘。

其粒径主要是小于10μm的微粒。

由于飘尘粒径小，能被人直接吸入呼吸道内造成危害；又由于它能在大气中长期飘浮，易将污染物带到很远的地方，导致污染范围扩大，同时在大气中还可以为化学反应提供反应载体。

因此，飘尘是从事环境科学工作者所注目的研究对象之一。

3.降尘：

用降尘罐采集到的大气颗粒物称为降尘。

在总悬浮颗粒物中一般直径大于30μm的粒子，由于其自身的重力作用会很快沉降下来，所以将这部分的微粒称为降尘。

单位面积的降尘量可作为评价大气污染程度的指标之一。

从大气污染控制的角度，按照气溶胶的来源和物理性质，又可分为如下几种。

1.粉尘（dust）：

粉尘系指悬浮于气体介质中的小固体粒子，能因重力作用发生沉降。

粉尘的粒子尺寸范围，在气体除尘技术中，一般为1～200μm左右。

2.烟（fume）：

烟一般指由冶金过程中形成的固体粒子的气溶胶，烟的粒子尺寸很小，一般为0.01～1μm左右。

3.飞灰（flyash）：

飞灰系指燃料燃烧产生的烟气飞出的分散较细的灰分。

4.黑烟（smoke）：

黑烟一般指由燃料产生的能见气溶胶。

5.雾（fog）：

雾是气体中液滴悬浮体的总称。

在工程中，雾一般泛指小液体粒子悬浮体。

（二）气体状态污染物

气体状态污染物简称气态污染物，是以分子状态存在的污染物，大部分为无机气体。

常见的有五大类；以SO2为主的含硫化合物，以NO和NO2为主的含氮化合物，COx、碳氢化合物以及卤素化合物等。

目前已受人们的普遍重视的大气污染物，如表5-3所示。

气态污染物又分为一次污染和二次污染物。

1.一次污染物

一次污染物是指直接从污染源排放的污染物质，