环境空气污染概论

1、L/O/G/O环境空气污染概论环境空气污染概论课程内容课程内容第一章：大气环境与空气污染第一章：大气环境与空气污染第二章：大气化学组分的源和汇第二章：大气化学组分的源和汇第三章：空气污染气象学及模式第三章：空气污染气象学及模式第四章：气溶胶污染第四章：气溶胶污染4123第五章：大气污染和全球气候第五章：大气污染和全球气候5第六章：大气污染综合防治第六章：大气污染综合防治大气环境与空气污染大气环境与空气污染第一章第一章 1大气组成及分类大气组成及分类 2空气污染空气污染 3大气组分浓度表示方法大气组分浓度表示方法 4环境空气质量标准环境空气质量标准 第一节第一节 大气组成及分类大气组成及分类第一

2、节 大气组成及分类大气层(atmosphere)又叫大气圈，地球就被这一层很厚的大气层包围着。地球大气是迄今为止以发现的天体大气中惟一以氮、氧为主，水可以以气体、液体、固体三态出现的大气。 地球大气的演变简述如下： 地球在46亿年前形成，它形成时是没有大气的。地球大气的演变可分为原始大气原始大气，次生大气次生大气和现代大气现代大气三个阶段。第一节 大气组成及分类原始大气原始大气：（4646亿年前亿年前） 由于太阳风和地球升温的作用，原始大气是一些轻物质：H2，He、CO次生大气次生大气：（45452020亿年前）亿年前） 由于地球逐渐冷却，造山运动、火山喷发和从地幔中释放出地壳内原来吸附的气体

3、形成次生大气（CO2，CH4，NH3，H2O）现代大气现代大气：（6 6亿年前）亿年前） 以N2、O2为主第一节 大气组成及分类1.1 大气成分的组成：大气成分的组成： 大气是由多种气体组成大气是由多种气体组成的混合气体的混合气体, ,包括包括N N2 2、O O2 2、ArAr、COCO2 2、CHCH4 4、O O3 3、H H2 2 水汽、大气气溶胶。水汽、大气气溶胶。第一节 大气组成及分类地球大气成分地球大气成分干洁大气干洁大气 干洁大气的定义：干洁大气的定义： 通常把除水汽、大气气溶胶以外的其余大气称为通常把除水汽、大气气溶胶以外的其余大气称为干洁大气，简称干空气。干洁大气，简称干空

4、气。下面介绍对下面介绍对气象气象影响较大的干洁大气影响较大的干洁大气 氧气：氧气：是地表一切生命所必须的气体。如动、植物的呼吸，要在氧化作用中得到维持生命的热能。此外，一切有机物的燃烧。腐败和分解都依赖于氧，所以氧被 成为“有生命的气体”。氮气：氮气：能冲淡氧使氧化作用不太激烈。氮在自然条件下可通过地表豆科植物根瘤菌作用，被直接改造为植物易吸收的化合物，是植物体内不可缺少的养料。第一节 大气组成及分类二氧化碳：二氧化碳： 主要来源于大气底层的火山喷发、燃料燃烧、有机物腐败及动植物呼吸等。 CO2吸收太阳辐射很少，却能强烈地吸收地面长波辐射，使地面和空气不致于因放射辐射而失热过多。因此它们都有使

5、空气和地面增温的效应。 （温室效应） 第一节 大气组成及分类臭氧：臭氧： 主要来源于氧气在太阳紫外辐射作用下发生光致离解。 臭氧层吸收的太阳紫外辐射能量使平流层大气增温，对平流层的温度场和大气环流起着决定性的作用。如果平流层的臭氧浓度下降，将引起平流层上部的温度下降，平流层下部和对流层的温度上升。 因此，臭氧层对建立大气的垂直温度结构和大气的辐射平衡起重要作用。臭氧层吸收了部分太阳辐射能，估计使地面的平均温度降低12。 虽然臭氧在大气中所占的比例极小，但因它对太阳紫外辐射（0.20.29m)有强烈的吸收作用，所以是臭氧大气中最重要的微量成 份之一。第一节 大气组成及分类水汽：水汽： 主要来源于

6、海洋、地表各种水体（江、河、湖泊等）土壤和潮湿物体表面的蒸发及植物蒸腾。地表水汽借助空气的垂直交换向上输送，所以一般随高度的增加而减少。据实测，1.5-2km高度的水汽为地表的一半，再往上更少。 但特殊的状态下水汽会随高度增加而增加。大气中的水汽含量变化范围是0-4%。水汽是天气变化中成云致雨的重要角色。此外，水汽能吸收地面辐射并同时向周围大气和地面放出长波辐射，对地面和大气温度有一定的影响。第一节 大气组成及分类溶胶粒子：溶胶粒子：为大气中悬浮着的固态、液态微粒。气溶胶粒子与气体介质一起称为气溶胶。主要包括6 大类7种气溶胶粒子，即：沙尘气溶胶、碳气溶胶(黑碳和有机碳气溶胶)、硫酸盐气溶胶、

7、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶。尽管气溶胶在大气中的含量相对较少,但它在大气过程中所起的作用却不容忽视，其突出的作用表现在气溶胶不仅对大气能见度、太阳散射和辐射、大气温度等具有较多影响,而且由于其粒径小、表面积大,为大气环境化学提供了反应床,从而影响大气的各种化学作用，同时影响人类健康。第一节 大气组成及分类1.2大气成分分类大气成分分类1、按浓度分类：、按浓度分类：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 、硫化物及氟氯化烃、硫化物及氟氯化烃

8、（1000年）年） 可变成分可变成分： CO2 、H 2、CH4、N2O 、 CO 、 O3、NH3、NO2、 SO2、 H2S 水汽水汽、大气气溶胶大气气溶胶 （110几年几年) 快变成分快变成分：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寿命短的成分，它们至少有两个特点：有化学活微量成分和痕量成分一般也是寿命短的成分，它们至少有两个特点：有化学活性，多为温室气体。性，多为温室气体。第一节 大气组成及分类第一节 大气组成及分类第一节 大气组成及分类 由于大气中存在着空气的垂直运动、水平运动、湍流运由于大气中存在着空气的垂直运动、水平运动、湍流运动和分子扩散

9、，使不同高度、不同地区的空气得以进行交换动和分子扩散，使不同高度、不同地区的空气得以进行交换和混合，因而从地面开始向上直到和混合，因而从地面开始向上直到90km90km处，空气主要成分（处，空气主要成分（除水汽臭氧和若干污染气体外）的比例基本上是不变的。除水汽臭氧和若干污染气体外）的比例基本上是不变的。 因此，在因此，在90km90km以下可以把干洁空气当成分子量为以下可以把干洁空气当成分子量为28.9728.97的的“单一成分单一成分”来处理。来处理。 191.3 大气的分层和结构大气的分层和结构 大气分层大气分层 大气分层图 第一节 大气组成及分类20 1.3.1按热力结构分层按热力结构分

10、层 ： 对流层、平流层、中间层和热层低层大气低层大气 以太阳辐射加热地面后引起的对流、湍流交换作用以及地面的红外辐射为主。 地面-热源中、高层大气中、高层大气 以辐射平衡作用为主 O2、O和O3对太阳辐射的吸收（加热） O3、CO2和水汽的红外辐射（冷却）第一节 大气组成及分类211、对流层、对流层特点：特点：（1）大气温度随高度降低 （2）大气的垂直混合作用强 （3）气象要素水平分布不均匀 对流层大气热源-地面地面 对流层大气对流层大气 平均温度递减率 6.5K/km 大气温度随高度降低对流层内具有强烈的对流运动水汽和气溶胶粒子等大气成分在垂直方向上的输送。 第一节 大气组成及分类22对流层

11、顶对流层顶（几千米几千米）对流层与平流层的过渡区 大气温度递减率小于2K/km或更小时的最低高度。 赤道附近及热带对流层顶高约1520km，极地和中纬度带高约814km。 空气性质的差异对流层内水平方向上气象要素（指温度、气压、湿度、风向、风速、辐射等）分布不均匀。 第一节 大气组成及分类23 2、平流层平流层 对流层顶向上到50 km高度左右，垂直减温率为负值的气层。 平流层-逆温-大气很稳定，垂直运动微弱 中纬度地区夏季时是东风，冬季时是西风。 平流层空气中尘埃少，大气的透明度很高。 平流层中水汽的含量少。第一节 大气组成及分类243、中间层、中间层 平流层顶到85 km高度（亦称中层 ）

12、 臭氧少 温度随高度降低 （中间层顶 ）温度下降至-100- 90 水汽少 第一节 大气组成及分类254、热层、热层 中间层顶以上的大气层（温度始终增加 ）强紫外辐射(0.18m)的光化学分解和电离反应 热层高温 大气稀薄，分子碰撞少，分子巨大的运动速度 。 热层顶热层顶-热层温度趋于常数的高度 【中层大气中层大气】 第一节 大气组成及分类2686 km 湍流混合作用分子扩散及重力场对轻重气体的分离作用，干空气成分比例保持不变。 90km110km 湍流混合作用与分子扩散及重力场对轻重气体的分离作用相当，具有湍流混合、分子扩散和分子氧的光解作用以及气体分子的电离作用。 120km 分子扩散、光

13、解、电离占主导地位 1.3.2按化学成分分层按化学成分分层 ：第一节 大气组成及分类27匀和层或湍流层匀和层或湍流层 8690km（对流层、平流层、中层） 大气成分比例，在垂直方向和水平方向保持不变。 非匀和层非匀和层 由于重力分离作用及光化学作用，大气成分比例随高度而变化，平均摩尔质量随高度逐渐减小。 大气中性成分大气中性成分 500km：O，He，N2，H和 O2； 1000km：He，H和O 第一节 大气组成及分类28外大气层外大气层 500km以上的热层顶开始的大气层（或称逸散层）（1）大气处于电离状态，质子含量大大超过中性氢原子的含量（2）空气粒子数稀少，中性粒子之间碰撞平均自由程达

14、到104m。 第一节 大气组成及分类29电离层电离层 60km5001000km气层 太阳电磁辐射（主要是短于0.1m的紫外线、X射线）和微粒辐射（从太阳发出的质子、电子等及宇宙线粒子）的作用空气分子和原子（N2，O2，O等）电离（正离子和自由电子）产生与复合平衡形成电子数密度的垂直分布 “电离层突然扰动”、“电离层暴” 1.3.3按电磁特性分层按电磁特性分层 ：第一节 大气组成及分类30磁层磁层 起始于501000 km，其外部边界称为磁层顶。 带电粒子受地球磁场的控制，并沿着地球的磁力线作回旋运动。 太阳风影响，磁层结构不对称。 地球磁层的概略图 第一节 大气组成及分类第二节第二节 空气污

15、染空气污染第二节 空气污染 2.1 空气污染的定义空气污染的定义 ISO定义：由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害环境的现象。第二节 空气污染 2.2 空气污染的分类空气污染的分类 按其影响所及范围可分为四类：1、局部性污染：某烟囱排放2、地区性污染：某工矿区其附近或城市大气污染3、广域性污染：涉及比一个地区或城市更广发区域4、全球性污染：温室效应与全球气候变暖、酸雨、臭氧层空洞第二节 空气污染 2.3 污染源的分类污染源的分类天然源：天然源：火山喷发：排放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢 HF 及火山灰

16、等颗粒物。 森林火灾：排放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮 HC 等。 自然尘：风砂、土壤尘等。 森林植物释放：主要为硫酸盐与碳氢化合物。 海浪飞沫：颗粒物主要为硫酸盐与亚硫酸盐。人为源：人类的生产活动和生活活动所形成的污染源。人为源：人类的生产活动和生活活动所形成的污染源。工业污染源：工业生产过程、工业燃料的燃烧农业污染源：农业燃料、有机农药生活污染源：民用炉灶、生活取暖、垃圾焚烧交通污染源：汽车尾气排放第二节 空气污染 2.4 污染物的分类污染物的分类大气污染物按化学性质分大气污染物按化学性质分：可划分为8类。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）氧化剂：O3、PAN和过氧化物等。5）碳氢化合物：包括醛、酮和HCO化合物。6）卤素化合物：HF、HCl、氟利昂。7）颗粒物及气溶胶8）放射性物质还原性污染物氧化性污染物第二节 空气污染 第二节 空气污染 按迁移转化过程分按迁移转化过程分：一次污染物：指直接从各类污染源排出的物质。可分为：非反应物质，其性质较稳定；反应性物质，性质不稳定，在大气中常与某些其它物质产生化学反应或作为催化剂促进其它污染物产生化学反应。二次污染物： 反应性的二次污染物与大气中的其它组分反应形成的物质。如二次污染物硫酸烟雾（又称硫酸气溶胶）形成过程。往往二次污染物比一次污染物

18、的危害大得多。污染物分类第二节 空气污染 1、对人体的危害、对人体的危害 途径有三： 通过人的呼吸直接进入人体； 通过食物与饮水进入人体； 通过皮肤接触经毛孔进入人体。 影响 急性中毒 慢性危害 精神上的影响 2.5 空气污染的危害空气污染的危害第二节 空气污染 颗粒物：固体、液体和气溶胶颗粒物：固体、液体和气溶胶 粒度决定着粉尘向肺泡的侵入以及沉降的速度。0.55m的粒子可直接进入肺泡并在肺内沉积，还可能进入血液送往全身，其危害最大。在被污染的大气中已经发现了许多有毒颗粒物和致癌物，如金属尘、石棉和芳香烃等。 总悬浮颗粒物TSP（10um ），飘尘（ 10um ）可吸入颗粒物（PM10）第二

19、节 空气污染 二氧化硫二氧化硫： 二氧化硫对人体的主要影响是造成呼吸道内径狭窄。结果使空气进入肺部受到阻碍。浓度高时出现呼吸困难，造成支气管炎和哮喘病，严重者引起肺气肿，甚至致人于死。 二氧化硫还能与血液中的维生素B1结合，使体内维生素C的平衡失调，从而影响新陈代谢活动。二氧化硫还能抑制或破坏某些酶的活性，从而影响生长发育。 另外，二氧化硫与大气中颗粒物结合产生“协同作用”，此作用对人体健康危害更为严重。1952年12月伦敦的烟雾事件（低温、高湿度且风速很小的阴天，并伴有逆温的情况下，一次污染物在低空积聚，生成还原性烟雾）就是最好的说明。第二节 空气污染 一氧化碳氧化碳： 一氧化碳对人体的毒性

20、作用，在于其同血液中血红蛋白的化合反应，血红蛋白同一氧化碳的结合能力比它同氧气的结合能力大得多，大约为210倍。 因此，人一旦吸入一氧化碳，它就和血红蛋白结合起来，减少了血液的载氧能力，使身体细胞得到的氧减少。最初危害中枢神经系统，发生头晕、头痛、恶心等症状，严重时窒息、死亡。 臭氧臭氧： 臭氧对人体健康的影响主要是危害肺部和气管。对于大多数健康人，其浓度达到千万分之三时就开始有严重的刺激。随着浓度的增加，症状逐渐严重。但是，一旦脱离接触，就会很快完全恢复常态。第二节 空气污染 其它有害物质其它有害物质 铅：主要来源于汽车防爆剂四乙基铅。铅是生物酶的抑制剂、随血液分布到软组织和骨骼中。铅中毒轻

21、则消化不良、神经衰弱、腹绞痛、贫血，重则肢体麻痹、脑中毒。 镉：易蓄积于肝脏、肾脏和肠黏膜上，引起疼痛病，如日本富山骨痛病。 氟：对眼睛及呼吸道有强烈的刺激作用，吸入高浓度可引起肺水肿和支气管炎。 氯：同氟第二节 空气污染 2、大气污染对植物的危害、大气污染对植物的危害急性危害急性危害 是指在高浓度污染物影响下，短时间内产生的危害，使植物叶子表面产生伤斑，或者直接使叶片枯萎脱落。慢性危害慢性危害 是指在低浓度污染物长期影响下产生的危害，使植物叶片褪绿，影响植物生长发育，有时还会出现与急性危害类似的症状。不可见危害不可见危害 是指在低浓度污染物影响下，植物外表不出现受害症状，但植物生理已受影响，

22、使植物品质变坏，产量下降，对病虫害的抵抗能力减弱。第二节 空气污染 对植物生长危害较大的大气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叶脉间， 氟化氢所引起的受害部位多在叶缘和叶端。 二氧化硫危害植物的机制也有两种不同的说法： 一是二氧化硫被吸收后在植物体内氧化为硫酸，给植物的细胞和组织以伤害； 另一种说法是二氧化硫与植物代谢过程中产生的-醛化合，生成-羟基磺酸盐，这种物质有破坏细胞结构的作用。 第二节 空气污染 臭氧 对植物的危害主要是从叶背气孔侵入，通过周边细胞、海绵细胞间隙，到达栅栏组织，使其首先受害，然后再侵害海绵细胞，形成透过叶片的密集的红棕色、紫色、褐色或黄褐色的

23、细小坏死斑点。同时，植物组织机能衰退，生长受阻，发芽和开花受到抑制，并发生早期落叶、落果现象。对臭氧有抗性的植物有胡椒、银杏、甜菜、松柏等。 第二节 空气污染 过氧乙酰硝酸酯（PAN） 症状表现为叶子背面海绵细胞或下表皮细胞原生质被破坏，使叶背面逐渐变成银灰色或古铜色，而叶子正面却无受害症状。PAN还能够促进植物整株老化，抑制植物生长发育。对PAN敏感的植物有番茄、扁豆、莴苣、芥菜、芹菜、马铃薯等；对PAN抗性强的植物有玉米、棉花、黄瓜、洋葱等。 第二节 空气污染 3、大气污染的其它危害、大气污染的其它危害 大气污染对金属制品、纺织品、皮革制品、油漆涂料、橡胶制品、纸制品、建筑材料等产生腐蚀破

24、坏作用。 二氧化硫、三氧化硫、硫酸雾可使铁、铜、镍表面腐蚀；对皮革制品有强亲合性，使皮革强度下降，产生脆化；使纸制品变脆；使纺织品（尤其是棉织品）强度下降；对建筑材料（主要是碳酸钙类）和历史古迹（碑文、石刻等）产生损坏。 硫化氢可使银、铜腐蚀，并在表面形成金属硫化物；还可使含铅涂料变色。 臭氧可使橡胶脆裂，使纺织品褪色，强度下降。 粉尘与酸污染同时存在时，对金属制品和建筑材料有严重的腐蚀作用。第二节 空气污染 大气污染对金属材料的腐蚀所造成经济损失可用下式估算：Vabc其中：a为暴露在大气中的金属价值（亿元）；b为每年金属腐蚀值占总值的比率（）；c为因空气污染引起的金属损失值占金属腐蚀损失值的

25、比率（）。第二节 空气污染 第三节 大气组分浓度表示方法 与水环境相比，大气组分浓度的表示方法比较复杂。 原因是： 各组分物理形态各异（有气体、蒸气、颗粒物、气溶胶等）且浓度相差悬殊，故有多种不同浓度单位； 气体组分浓度随温度、压力变化，所以在表示浓度值同时，要附带注明温度和压力条件。又为了使计算出的浓度有可比性，通常要用理想气体方程式换算成标准状态下的浓度； 不同国家制定的标准状态并不统一，如标准温度有取0、18、20或25的；至于atm、mmHg等压力单位，按我国现行法定计量制度，已被取消使用。 用于大气组分的浓度单位有：（V/V）、mol/L、g/L、mg/L、g/m3、个数/cm3。 此外还有10-6（V/V）、10-9（V/V）和10-12（V/V），分别相应于原先常用现已废止的ppm、ppb和ppt单位。 对微量组分（如SO2、NOx等大气污染物），常用单位为10-6（V/V）