第二章大气环境-课件

第一篇第一篇 环境污染问题环境污染问题 第二章 大气环境第三章 水体环境第四章 土壤环境第五章 固体废物与环境第六章 噪声及其他物理性污染 第二章 大气环境大气的结构和组成大气污染主要的大气污染物大气环境中污染物的化学转化烟雾酸雨大气中污染物扩散的高斯模式 1 大气的结构和组成1.1 大气的垂直结构1.1.1根据大气化学成分垂直分布：均质层（地表90 km，大气中主要成分的组成比例几乎不变）非均质层（90 km以上）1.1.2 按大气电离状态的垂直分层：非电离层（60 km以下）电离层 1.1.3根据大气在垂直方向上温度的变化 可分五层：对流层、平流层、中间层、热层和 逃逸层 对流层最低层，其厚度随纬度和季节而变化 在赤道低纬度地区为1718km；在中纬度地区为1012 km；两极附近高纬度地区为89 km。夏季较厚，冬季较薄。该层的特点：温度随高度升高而递减，大约每上升100米，温度降低0.6度。由于近地面热空气上升，上层冷空气下降，所以在垂直方向上形成强烈对流；密度大，占大气总质量的3/4；由于大规模垂直对流运动，该层成分比例稳定；主要的天气现象均发生在该层。在对流层中，因受地表的影响不同，又可分为两层：摩擦层(1-2km以下)或边界层和自由大气层（1-2km以上）平流层对流层顶到约50 km的大气层在平流层下层，即3035 km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3035 km以上，温度随高度升高而升高该层特点：大气平流运动显著；空气比下层稀薄，水气、尘埃少，大气透明度好；在高约1535 km范围内，有厚约20 km的臭氧层。3）中间层：平流层顶到80 km高度。温度随高 度增加而下降。4）热层：80 km到500 km。温度随高度升高而迅速上升。5）逃逸层（逸散层）热层以上外大气层12 大气的组成大气的组成（停留时间）（停留时间）准永久性气体O2N2惰性气体停留时间（年）104106107可变化组分CO2CH4H2N2OO3年5152.5868102强可变组分H2OCONOXNH3SO2H2S颗粒物天1073185810520.51030现在大气中的二氧化碳浓度？美国冒纳罗亚气象台2004年记录到的数据，大气中二氧化碳平均浓度达到379PPM(PPM为百万分之一)，比一年前上升了3PPM，创下历史新高。与之相比，过去10年中大气二氧化碳含量年平均增长幅度为1.8PPM。该气象台的记录还显示，50年前，大气二氧化碳含量仅以平均每年1PPM的幅度增长。冒纳罗亚气象台海拔约3400米，设在夏威夷一座火山顶上，大约半个世纪前首次开始对大气二氧化碳浓度进行观测。有关研究显示，在人类尚未进入工业化时代和大规模使用矿物燃料之前，地球大气中的二氧化碳浓度保持在280PPM左右。据调查，1880年大气中CO2的浓度约为284ppm，1989年已经上升到350ppm，并以每年0.4%的速度增加。自工业革命以来，已经上升了25%，科学家认为在未来50年还可能增长30%，这将使中纬度地区地面平均温度增加2-3度，极地温度增加6-10度，出现全球性气候变暖。据联合国估算，100多年来，温度上升0.3-0.6，海平面上升14-25厘米，如不作为则10年上升0.3度，海平面上升6厘米。据推算，全球增温1.5-4.5度，使两极的冰川融化，海平面将升高20-165cm，从而使沿海城市和岛屿将会大片地被淹没，影响地球人口1/3的生存。气温的升高还会使得内陆的大片湿润地带变成沙漠，使全球气候趋于不稳定，异常气候增多。这种在地质历史上原本需要上百万年时间才会发生的变化，如今只在几十年的时间内发生了。2 大气污染大气污染大气污染（atmospheric pollution）：是指大气中污染物或由它转化成的二次污染物的浓度达到了有害程度的现象。污染源（pollution sources）可分为天然大气污染源和人为大气污染源两类。天然大气污染源火山喷发森林火灾腐烂动植物释放的气体自然溢出的煤气和天然气人为污染源工业污染源农业污染源交通污染源生活污染源人为污染源 1）按污染源特性：A*固定源：如工厂源；B*流动源：如汽车源。2）按污染源排放方式：A*点源：如工厂的烟囱源；B*线源：如城市交通源；C*面源：如居民区源。3）按污染源产生类型：A*工业企业污染源；B*城市交通污染源；C*民用污染源。4）按污染源排放时间：A*连续源 B*间断源 C*瞬时源我国大气污染现状以煤烟型为主，主要污染物是二氧化硫和烟尘城市、工矿区的污染较严重，城市仍以煤烟型污染为主，部分大中城市出现煤烟机动车尾气混合型污染从总体上，我国北方城市的大气污染大于南方城市；冬季大于夏季；城市、工矿区大于农村我国烟尘排放量逐年下降，二氧化硫排放量仍在缓慢上升。以宜宾、贵阳、重庆为代表的西南高硫煤地区的城市和北方能源消耗大的山西、山东、河北、辽宁、内蒙古及河南、陕西部分地区的城市二氧化硫污染较为严重。（氮氧化物污染以广州、北京和上海三市污染严重）。城市空气污染综合指数 大气污染物浓度远远超过国际标准 3 主要的大气污染物主要的大气污染物大气污染物是指由于人类活动或自然过程排入大气，并对人体、生物或环境产生有害影响的物质。按其来源（形成过程）分为：一次污染物（原发性污染物）和二次污染物二次污染物（继发性污染物）按其存在状态分为：气态污染物和固体颗粒状态污染物（气溶胶状态污染物）一次污染物：直接从污染源排放的污染物质。二次污染物：进入大气的一次污染物在大气中相互作用，经过化学反应或光化学反应形成的与一次污染物物理、化学性质完全不同的新的大气污染物，其毒性比一次污染物还强。主要有：硫酸雾（sulfurous smog）和光化学烟雾(photochemical smog)31 气溶胶状态污染物气溶胶状态污染物气溶胶：指固体粒子、液体粒子或它们在气体介质 中的悬浮体。粒径在0.002-100m范围内。粉尘（dust）：指悬浮于气体介质中的小固体颗粒，受重力作用可发生沉降，但在一定的时间内能保持悬浮状态。其直径一般为1100m左右。烟尘（fume）：一般指冶金过程形成的固体粒子的气溶胶，是熔融物质挥发后生成的气态物质的冷凝物，生成过程总是伴随着氧化过程的化学反应。其直径一般在0.11m左右。飞灰（fly ash）：指随燃烧过程产生的烟气排出的分散得很细得无机灰分。黑烟（smoke）：通常指燃料燃烧产生得能见气溶胶，是燃料不完全燃烧得产物，除碳颗粒外，还有碳、氢、氧、硫等组成得化合物。雾（flog）：是指气体中液滴悬浮体的总称。气象学中指造成能见度小于1km的小水滴悬浮体。大气污染控制中根据大气中颗粒物的大小 飘尘：指大气中粒径小于10m的固体颗粒物，能长期漂浮在大气中，有时也称浮游粒子或可吸入颗粒物。可吸入粒子（IP）：粒径15m的粒子。国际标准化组织将IP定为粒径10m的粒子。降尘：指大气中粒径大于30m的固体颗粒物，因重力作用，在短时间内可沉降到地面。总悬浮颗粒（TSP）：指悬浮于大气中粒径小于100m的所有固体颗粒物，包括飘尘和部分降尘。TSP、IP对人体的危害空气中总悬浮颗粒物对人体健康的影响决定于粒子侵入继而积聚于呼吸系统的能力。直径10微米或以下的可吸入颗粒物能直达并沉积于肺部，而引发不良的健康反应。可吸入颗粒物对健康的危害性包括两个方面：一是将细小的颗粒物吸入肺内可产生刺激作用，出现粘液，从而引起肺部疾患。当有些患心脏病的人呼吸困难时，可导致心脏损害，严重者还有生命危险。二是微粒上附着的许多有害物质，吸入肺内会影响身体健康。微粒越小，所含的多环芳烃和杂环化合物越多，危害也越大，甚至可导致肺癌等疾患。最易受总悬浮颗粒物影响的人士包括慢性肺部及心脏病、感冒或哮喘病患者，老年人及儿童。32 气体状态污染物气体状态污染物以分子状态存在的污染物，简称气态污染物主要有5类：含硫化合物、碳氧化合物、碳氢化合物、含氮化合物及含卤素化合物表表 气体状态污染物种类气体状态污染物种类 污染物一次污染物二次污染物含硫化合物SO2、H2SSO3、H2SO4、M*SO4含氮化合物NO、NH3NO2、HNO3、MNO3碳氧化合物CO、CO2碳氢化合物CH醛、酮、过氧乙酰硝酸酯、O3卤素化合物HF、HCl硫氧化物 二氧化硫是主要的硫氧化物来源：含硫燃料的燃烧过程 硫化物矿石的焙烧、冶炼过程危害：参与了硫酸烟雾和酸沉降的形成 碳氧化物 CO、CO2主要来自燃料燃烧和机动车船尾气CO是一种窒息性气体，主要来源于内燃机CO2属无毒气体，温室气体碳氢化合物 生物体的自然分解 石油开采及冶炼、天然气和沼气泄露等除甲烷等链烃化合物外，还有多环芳烃（PAHs）等复杂化合物，多数对人和其他生物有毒有害，有的甚至致畸、致癌 可以促进光化学烟雾的形成 氮氧化物（NOx）NO和NO2NO进入大气后可缓慢氧化成NO2NO2的毒性约是NO的5倍NO2参与光化学反应形成光化学烟雾后，毒性更大氮氧化物的主要源是机动车、煤和天然气的燃烧以及化肥厂和炸药厂 含卤素化合物 卤代烃、氟化物和其他含氯化合物主要关注的是卤代烃中的氟氯烃类和含溴的卤代烷*A 氟氯烃类或称氟利昂类（CFCs）化合物，其中最重要的是一氟三氯甲烷（CFC-11）和二氟二氯甲烷（CFC-12）无自然源，用于致冷剂、气溶胶喷雾剂、电子工业的溶剂、制造塑料的泡沫发生剂和消防灭火剂等破坏臭氧层物质；也是温室气体*B 含溴的卤代烷烃，商业名称为Halon（哈龙）特种消防灭火剂，破坏臭氧层物质 5 烟雾烟雾 伦敦型烟雾光化学烟雾51 伦敦型烟雾伦敦型烟雾 还原型污染物大气污染主要污染物：二氧化硫、一氧化碳和颗粒物质在低温、静风、高湿并伴有逆温的气象条件下，污染物扩散受阻，在低空聚集形成还原型烟雾。成因：成因：除气象和地理条件之外，由三种大气污染物烟尘、雾和二氧化硫相互叠加而成。在煤粉尘颗粒表面，SO2氧化形成SO3，随即与水蒸气结合成硫酸，进而形成硫酸气溶胶。同时，SO2也可溶解在小水滴中再氧化为硫酸。当大气中SO2、雾（微小水滴）、煤粉尘三种成分的浓度足够时，很快能形成硫酸雾。伦敦型烟雾的实质是硫酸雾。52 光化学烟雾光化学烟雾 又称石油烟雾，是汽车、工厂等污染源排入大气的烃类化合物（HC）和氮氧化物等一次污染物，在阳光的作用下发生光化学反应，生成臭氧、醛、酮、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等二次污染物，参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象称为光化学烟雾。形成机制：形成机制：大气中的烃类化合物和NOx在光照条件下形成光化学烟雾。烃类化合物和氮氧化物的相互作用主要包括以下过程：1）NO2的光解是光化学烟雾形成的起始反应；2）烃类化合物被HO、O等自由基和O3氧化，导致醛、酮、醇、酸等产物以及重要中间产物RO2、HO2、RCO等自由基的生成；3）过氧自由基引起NO向NO2和PAN等生成。整个过程叫链反应。其中的O3、醛、酮、醇、PAN等统称为光化学氧化剂。光化学烟雾污染的标志是O3浓度的升高。光化学烟雾的形成条件污染源条件：以石油为原料的工厂排放的废气；汽车排放的尾气地理条件：低纬度地区易发生，高纬度地区不易发生；夏天易发生，冬天不易发生，夏天中午前后光线最强时，发生烟雾的可能性最大；天气晴朗、高温低湿，有逆温存在，风力不大时，利于污染物在地面附近积聚，易形成烟雾。项目还原型烟雾（伦敦型烟雾）氧化型烟雾（光化学烟雾）概 况首次发生于1873年首次发生于1946年，发生光化学反应污染物颗粒物、SO2、硫酸雾等碳氢化合物、NOX、O3、PAN、醛类等燃 料矿物燃料汽油、煤、煤气等气象条件逆温季 节冬夏、秋气 温低（4以下）高（24以上）湿 度高低日 光弱强臭氧浓度低高出现时间白天夜间连续白天生态效应对城市居民的呼吸道有刺激这样，严重时导致死亡；城市交通事故多发，正常生活受到影响对城市居民眼和呼吸道有强刺激作用，严重时可导致人死亡。O3等氧化剂对城市的生态环境有强氧化破坏作用6 酸雨酸雨是指pH小于5.6的酸性大气降水，包括雨、雪、冰雹、露、霜和雾等（美国采用pH值小于5）广义的酸雨（酸沉降）包括干沉降和湿沉降干沉降包括各种酸性气体、酸性气溶胶和酸性颗粒物湿沉降即通常所说的酸雨形成机理形成机理：形成酸雨的主要污染物是SO2和NOx等，二者在雨水中分别转化为硫酸和硝酸，酸雨中90%以上是硫酸和硝酸的成分。1）SO2氧化 SO2通过催化氧化和光化学氧化两种途径生成硫酸*清洁大气中SO2氧化的速度很慢，但在含有金属盐（铁、锰）的气溶胶雾滴中发生催化氧化反应，速度将大大提高。SO2光化学氧化反应2）NOx的氧化 NOx在空气湿度大并存在金属杂质和NH3的条件下，生成硝酸和硝酸盐，并最终形成气溶胶 7 大气中污染物的扩散模式大气中污染物的扩散模式 1）源参数：包括排放污染物的数量、组成、排放方式、源的几何形状、相对位置、密集程度及源高等2）气象条件3）近地层下垫面的状况 气象条件和下垫面状况决定了大气对污染物的稀释扩散速率和迁移转化途径。71 几个与大气中污染物扩散有关的概念几个与大气中污染物扩散有关的概念 1）温度层结2）大气稳定度3）逆温1）温度层结在对流层内，气温垂直变化的总趋势是：随着高度的增加气温逐渐降低气温随高度的变化通常以气温垂直递减率来表示。干空气块或未饱和的湿空气块在绝热条件下每升高单位高度(通常取用单位高度为100m)所造成的温度下降数值称为干绝热递减率，以d表示，其表达式为：Ti表示干空气块的温度g重力加速度981(ms2)；Cp干空气定压比热1004 J(kgK)。上式表明，干空气在做绝热上升（或下降）运动时，每升高（或下降）100m，温度约降低（或上升）1K。对于做绝热运动的是空气块，在其未达到饱和状态之前，也是每升降100m，温度变化约为1k。气温沿垂直高度的分布曲线称为气温沿高度分布曲线或温度层结曲线，简称温度层结。温度层结类型(1)气温随高度增加而递减，即r0，称为正常分布层结或递减层结；(2)气温直减率等于或近似等于干绝热直减率，即d，称为中性层结；(3)气温不随高度变化，即0，称为等温层结；(4)气温随高度增加而增加，即0，称为逆温。2）大气稳定度大气稳定度是指在垂直方向上大气稳定的程度假如一空气块由于某种原因受到外力的作用，产生了上升或下降运动后，可能发生三种情况：(1)当外力去除后，气块就减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气是稳定的；(2)当外力去除后，气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的；(3)当外力去除后，气块被外力推到那里就停到那里或作等速运动，称这种大气是中性的。可以用气温垂直递减率与干绝热递减率之差来判别。3）逆温逆温将气温随高度增加而增加的气层称为逆温层根据逆温生成的过程，可将逆温分为辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温及湍流逆温等五种 辐射逆温下沉逆温平流逆温暖空气平流到冷地表面上而形成的逆温。是由于低层空气受地表面影响大、降温多、上层空气降温少所形成的。湍流逆温和锋面逆温低层空气湍流混合形成的逆温。对流层中，冷暖空气团相遇时，暖空气团因密度小爬到冷空气团上面，形成一个倾斜的过渡区，成为锋面。在锋面上，如果冷暖空气温差较大，可出现逆温，称为锋面逆温，仅在冷空气一边可以看到。73 大气污染物的高斯扩散模式大气污染物的高斯扩散模式1）坐标系）坐标系2）高斯模式的几点假设）高斯模式的几点假设(1)污染物浓度在y、z轴上的分布符合高斯分布(正态分布)(2)在全部空间中风速是均匀的、稳定的(3)源强是连续均匀的。(单位时间内排出的污染物的量)(4)在扩散过程中污染物质量是守恒的(5)污染物扩散过程中无化学、生物反应(6)污染物不从大气中沉降(7)污染源周围地势比较平坦3）高架连续点源扩散的高斯模式及）高架连续点源扩散的高斯模式及几种常见的大气扩散模式几种常见的大气扩散模式源强为q（mg/s），有效源高为He（m）的排放源在下风向空间点（x，y，z）处造成的浓度（mg/m3）参数意义q：源强C：污染物浓度u：平均风速y：Y轴上的扩散参数（用烟流水平方向标准差表示）z：Z轴上的扩散参数（用烟流垂直方向标准差表示）He：烟囱的有效高度 He=H+H H：烟气抬升高度地面浓度（z=0）烟流中心线地面浓度（y=0，z=0）地面最大浓度 未知量：q、u、He、y、z 思考地面连续点源在空间任一点（x,y,z）处的污染物浓度（注：此时He=0）地面连续点源在地面任一点（x,y）处的污染物浓度（注：此时He=0，z=0）地面连续点源在地面轴线上的污染物浓度（注：此时He=0，z=0，y=0）4）高斯模型中几个参数的计算He：烟囱的有效高度，是指从烟囱排放的烟云距地面的实际高度。He=H+H H:烟囱本身的高度 H：烟气抬升高度 对于给定的烟囱，H一定，求算He，关键是计算烟气的抬升高度 影响烟气抬升高度的因素1）烟气初始动量初始动量和浮力浮力 初始动量初始动量决定于烟气的出口速度（Us）和烟囱口的内径（ds）浮力浮力则决定于烟气和周围空气的密度差，若密度差很小时，浮力大小就主要取决于烟气温度（Ts）与空气温度（Ta）之差。2）烟气与周围空气的混合速率 混合越快，烟气的初始动量和热量散失得越快，抬升高度也越小；而混合速率主要取决于平均风速和湍流强度。3）温度层结 稳定的温度层结抑制烟气抬升。4）地形和下垫面粗糙度 近地面湍流较强，不利于抬升；距地面越高，由粗糙引起的湍流越弱，有利于抬升 一.烟气抬升高度的计算抬升高度计算式 1.Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加1020）HollandHolland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下情况下一、烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）2.我 国“制 订 地 方 大 气 污 染 物 排 放 标 准 的 技 术 方 法”(GB/T13201-91)中的公式 扩散参数的求取P-G曲线a稳定度级别中，A为强不稳定，B为不稳定，C为弱不稳定，D为中性，E为较稳定，F为稳定；b稳定度级别AB表示按A、B级的数据内插；c夜间定义为日落前一小时至日出后一小时；d不论何种天气状况，夜间前后各一小时算作中性，即D级稳定度；e强太阳辐射对应于碧空下的太阳高度角大于60。的条件；弱太阳辐射相当于碧空下太阳高度角为15。35。在中纬度地区，仲夏晴天的中午为强太阳辐射，寒冬晴天中午为弱太阳辐射。云量将减少太阳辐射，云量应与太阳高度一起考虑。例如，在碧空下应是强太阳辐射，在有碎中云(云量610到910)时，要减到中等太阳辐射，在碎低云时减到弱辐射；云：是发生在高空的水汽凝结现象。云：是发生在高空的水汽凝结现象。形形成成的的基基本本条条件件：水水蒸蒸汽汽和和使使水水蒸蒸汽汽达达到到饱饱和和凝凝结结的的环环境境云云量量：指指云云遮遮蔽蔽天天空空的的成成数数。在在我我国国，将将天天空空分分为为1010等等份份，有有几几分分天天空空被被云云遮遮盖盖，云云量量就就是是几几。如如：云云占占天天空空的的1/101/10，云云量量记记为为1 1；在在云云层层中中有有少少量量空空隙隙（空空隙隙总总量量不不到到天天空空的的1/201/20）记记为为1010；当天空无云或云量不到；当天空无云或云量不到1/201/20时，云量为时，云量为0 0。国外，将天空分为国外，将天空分为8 8等份。等份。国国外外云云量量与与我我国国云云量量间间的的关关系系，国国外外云云量量1.25=1.25=我我国国云云量量总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。低云量：低云的云掩盖天空的成数。低云量：低云的云掩盖天空的成数。云量的记录：一般总云量云量的记录：一般总云量/低云量的形式记录，如低云量的形式记录，如10/710/7。云状：多种多样，云状：多种多样，19321932年国际云学委员会出版的国际云图将云年国际云学委员会出版的国际云图将云状分为四族十属。状分为四族十属。云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。1.扩散参数的确定PG曲线法PG曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别