第3章　大气环境

3.1　考点归纳

一、大气环境概述

1．大气的成分

大气是由多种气态及悬浮其中的液态和固态物质所组成的混合物，其中包含有N₂、O₂、Ar、CO₂等各种气体，以及水汽、水滴、冰晶、尘埃和花粉等，大气中除固态、液态物质及水汽之外的全部混合气体称为干洁空气。

2．大气的分层（见表3-1）

表3-1  大气的分层

二、大气污染

1．大气污染源及主要污染物

（1）污染源分类

①天然源，是指自然界自行向大气环境排放污染物的污染源。

②人为源，是指人类的生产活动和生活活动所形成的污染源。

（2）大气污染物

大气污染物是指由于自然过程或人类活动排入大气，并对人和环境产生有害影响的物质。

（3）大气污染物的分类

①按来源分类

a．一次污染物。一次污染物是指直接由污染源排放的污染物。

b．二次污染物。二次污染物是进入大气的一次污染物之间相互作用或一次污染物与正常大气组分发生化学反应，以及在太阳辐射的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物，比一次污染物对人和环境的危害更为严重。

②按存在形态分类

气溶胶状态污染物（又称颗粒物）和气体状态污染物（简称气态污染物）。

（4）颗粒物

①总悬浮颗粒物（TSP）。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所有颗粒物，其粒径绝大多数在100μm以下，其中多数在10μm以下。

②飘尘。是指在大气中长期飘浮的悬浮物，分为PM₁₀（粒径小于10μm的颗粒物）和PM_2.5（粒径小于2.5μm的细小颗粒物）；

③降尘。是指用降尘罐采集到的大气颗粒物，在总悬浮颗粒物中一般是粒径大于30μm的颗粒物。由于其自身的重力作用会很快沉降下来，所以将这部分颗粒物称为降尘。

（5）气态污染物及其人为源（见表3-2）

表3-2  气态污染物及其人为源

2．几种典型的大气污染

（1）煤烟型污染（伦敦型烟雾）

①污染源

燃煤是煤烟型污染的主要污染源。

②污染物质

污染物主要是SO₂、NO_x、CO和颗粒物，它们遇上低温、高湿的阴天，且风速很小并伴有逆温存在的情况时，一次污染物扩散受阻，易在低空聚积，生成还原型烟雾。

（2）交通型污染（洛杉矶型光化学烟雾）

①污染源

交通型污染源主要是机动车和机动船，机动车包括汽油车和柴油车。

②污染物质

污染物主要是碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物等。

③光化学烟雾

光化学烟雾是在一定的条件下（如强日光、低风速和低湿度等），氯氧化物和碳氢化合物发生化学反应形成的高氧化性的混合气团。从化学的观点来看，光化学烟雾实际上就是碳氢化合物在氮氧化物和日光作用下缓慢氧化的过程，并同时形成一定量的臭氧。

④洛杉矶光化学烟雾和伦敦烟雾的区别

伦敦烟雾化学上是还原性混合物，而洛杉矶光化学烟雾是高浓度氧化性混合物；伦敦烟雾主要由燃煤引起，洛杉矶光化学烟雾则是由汽车尾气引起。

（3）酸沉降污染

①定义

酸沉降是指大气中的酸性物质通过降水（如雨、雾、雪）迁移到地面，或在含酸气团气流的作用下直接迁移到地面。前者是湿沉降，后者是干沉降。

②影响物质

直接引起酸沉降的主要物质是天然和人为排放的SO_x（SO₂和SO₃）和NO_x（NO和NO₂）。

③污染源

a．天然源；b．人为源；c．其他来源。

3．大气污染的危害

（1）大气污染对人体健康的危害

大气污染物侵入人体主要有三条渠道，即呼吸道吸入、随食物和饮用水摄入、体表接触侵入。

①大气颗粒物

a．大气颗粒物对人体健康影响的决定因素

第一，沉积于呼吸道中的位置，这取决于颗粒物的大小；

第二，在沉积位置上对组织的影响，这取决于颗粒物的化学组成。

b．产生的危害

人体长期暴露在飘尘浓度高的环境中，呼吸系统发病率增高。特别是慢性阻塞性呼吸道疾病，如气管炎、支气管炎、支气管哮喘、肺气肿等发病率显著增高，且又可促使这些患者的病情恶化，过早死亡。

②二氧化硫

a．进入血液循环的SO₂也会对全身产生不良影响，它能破坏酶的活力，影响糖类及蛋白质的代谢，对肝有一定损害，在人和动物体内均使血液中自蛋白与球蛋白比例降低；

b．吸附在颗粒物上的SO₂被氧化成SO₃，而SO₃与水汽形成极细（粒径＜1μm）的硫酸雾，它能更深地侵入呼吸道，对肺泡有更强的毒性作用。

③一氧化碳

CO与血液中血红蛋白的结合能力是氧气与血红蛋白结合能力的200倍左右，它们结合后生成碳氧血红蛋白（HbCO），将严重阻碍血液输氧，引起缺氧，发生中毒。

④氮氧化物

a．动物与高浓度NO接触，可出现中枢神经病变。NO和血红蛋白结合能力强，比CO大几百倍；

b．NO₂是对呼吸器官有刺激性的气体，NO₂的中毒常作职业病来对待，在职业病中有急性高浓度NO₂中毒引起的肺水肿，以及由慢性中毒而引起的慢性支气管炎和肺水肿；

c．NO₂对人体的影响与有无其他污染物有关。NO₂与SO₂和悬浮颗粒物共存时，其对人体的影响不仅比单独NO₂对人体的影响严重得多，而且也大于各自污染物的影响之和。

⑤光化学氧化剂

光化学氧化剂对人体的影响类似氮氧化物，但比氮氧化物的影响更强，光化学氧化剂有臭氧和过氧乙酰硝酸酯等多种物质。臭氧是主要氧化剂之一。

⑥碳氢化合物

它与氮氧化物同是形成光化学烟雾的主要物质。光化学反应产生的衍生物丙烯醛、甲醛等都对眼睛有刺激作用。

⑦其他有害物质

a．铅及铅化物；b．镉及镉化物；c．氯及氯化氢。

（2）大气污染对植物的危害

①损害植物组织酶的功能；

②影响植物新陈代谢的功能；

③破坏原生质的完整性和细胞膜；

④损害根系生长及其功能，减弱输送作用与导致生物产量减少。

大气污染经常是多种污染物同时存在，对植物产生协同作用。

（3）大气污染对材料的危害

大气污染可使建筑物、桥梁、文物古迹和暴露在大气中的金属制品及皮革、纺织品等物品发生性质的变化，造成直接或间接的经济损失。

（4）大气污染对自然环境的影响

①能见度成为一个区域性的重要指标；

②大气污染还会导致降水规律的改变；

③大气污染染还会产生全球性的影响，这些影响包括大气中CO₂等温室气体浓度增加导致的全球气候变暖、人们大量生产氟氯烃化合物等导致的臭氧层耗竭等。

三、影响大气污染的气象因素

1．气象动力因子

（1）风

风不仅对污染物起着输送的作用，而且还起着扩散和稀释的作用。

（2）大气湍流

大气湍流指大气以不同的尺度作无规则运动的流体状态。大气污染物的扩散，主要是靠大气湍流的作用。

2．气象热力因子

（1）温度层结与逆温

①温度层结

温度层结指在地球表面上方大气的温度随高度变化的情况。气温的垂直分布决定着大气的稳定度，而大气的稳定程度又影响着湍流的强度。气温随高度的变化通常以气温垂直递减率（γ）表示。气温垂直递减率是指在垂直于地球表面方向上，每升高100m气温的变化值。

②逆温

当气温垂直递减率小于零时，大气层的温度分布与标准大气情况下气温分布相反时称为温度逆增，简称逆温。出现逆温的大气层叫逆温层。逆温分为辐射性逆温、湍流性逆温、沉降性逆温、锋面逆温和地形逆温。

（2）气温的干绝热递减率

理论和实践都证明，对一个干燥或未饱和的湿空气气块，在大气中绝热上升每100m要降温0.98℃，如气块在大气中下降100m，气块升温0.98℃，通常可近似取为1℃。而这个现象与周围温度无关，并被称为气温的干绝热递减率，用γ_d（1℃／100m）表示。

（3）大气稳定度

大气稳定度与气温垂直递减率和干绝热递减率有着密切的关系，大气稳定度取决于气温垂直递减率（γ）与干绝热递减率（γ_d）之对比。

①γ<γ_d时大气为稳定状态；

②γ>γ_d时大气为不稳定状态；

③γ=γ_d时大气为中性状态。

当大气处于稳定状态时湍流受到抑制，大气对污染物的扩散稀释能力弱；当大气处于不稳定状态时，湍流得到充分发展，扩散稀释能力增强。

（4）稳定度的判断

近地层大气垂直稳定度可简单用下述方法来判断：

①当γ>0时，即大气的垂直温度随高度增高而降低时，大气为不稳定状态。

②当γ<0时，即大气的垂直温度随高度增高而增加时，呈现出逆温，这时大气是稳定的。温度随高度增加得愈剧烈，则大气愈稳定。

③当γ=0时，温度不随高度而变化，可认为大气是处于中性状态。

3．高架源排烟的烟云类型（见图3-1、表3-3）

图3-1  高架源排烟烟云形状

表3-3  烟型及其发生原因和特点

4．影响大气污染的地理因素

（1）地形和地物的影响

地面是一个凹凸不平的粗糙曲而，当气流沿地面流过时，必然要同各种地形地物发生摩擦作用，使风向风速同时发生变化，其影响程度与各障碍物的体积、形状、高低有密切关系。

（2）山谷风

发生在山区，是以24小时为周期的局地环流。山谷风在山区最为常见，它主要是由于山坡和谷地受热不均而产生的

（3）海陆风

发生在海陆交界地带，是以24小时为周期的一种大气局地环流。海陆风是由于陆地和海洋的热力性质的差异而引起的。

（4）城市热岛环流

城市热岛环流是由城乡温度差引起的局地风，产生城乡温度差异的主要原因有：

①城市人口密集、工业集中，使得能耗水平高；

②城市的覆盖物（如建筑、水泥路面等）热容量大，白天吸收太阳辐射热，夜间放热缓慢，使低层空气变暖；

③城市上空笼罩着一层烟雾和CO₂，使地面有效辐射减弱。

四、大气污染控制

1．清洁能源

（1）常规能源的清洁利用

常规能源是指已经大规模生产和广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能和电力等能源。我国能源以煤炭为主，洁净煤技术是解决我国燃煤污染问题的技术基础。

（2）可再生能源与新能源的开发利用

①太阳能；②水能；③风能；④海洋能；⑤生物质能；⑥地热能；⑦核能；⑧氢能。

（3）节能

节能是指采取技术上可行、经济上合理及环境和社会可接受的一切措施，高效地利用能源资源。

2．绿色交通

解决交通型污染的对策是推行绿色交通，具体措施包括：

（1）合理的交通规划

面对上升中的交通需求和增长中的负面影响，城市应当按照具体条件，建设布局合理、高效快捷、环保舒适的综合交通网。

（2）发展清洁汽车

清洁汽车是指低排放的燃气汽车（LPGV、CNV）、混合动力汽车、电动汽车，以及通过采用多种技术手段大大降低排放污染的燃油汽车及其他替代燃料汽车。

3．末端治理

（1）概念

末端处理是指在生产过程的末端，针对产生的污染物进行开发并实施有效的治理技术，有利于消除污染事件，在一定条件下减少生产活动对环境污染和破坏的趋势。

（2）烟尘治理技术

去除烟尘采用的是除尘装置。按除尘原理的不同，除尘器大致可分为机械除尘器、静电除尘器、湿式洗涤除尘器和过滤式除尘器等。考虑因素为烟尘的浓度、粒径、腐蚀性，以及排放标准和经济成本等。

（3）二氧化硫治理技术

①燃料脱硫

对于没有烟气脱硫能力的中小工厂，通常采用燃料脱硫。它通过加氢催化，使重油中有机硫化物的C-S键断裂，硫变成简单的气体或固体化合物，从重油中分离出来。

②烟气脱硫

a．湿法脱硫是把烟气中的SO₂和SO₃转化为液体或固体化合物，从而把它们从烟气中分离出来，主要包括碱液吸收法、氨吸收法和石灰吸收法等；

b．干法脱硫是指采用固体粉末或非水液体作为吸收剂或催化剂进行烟气脱硫，它分为吸附法、吸收法和催化氧化法等。

（4）氮氧化物治理技术

①大力发展以电能、燃气等为燃料的清洁能源汽车，促进先进、高效的发动机及尾气净化装置的推广和使用，将会大大减少大气污染物的排放量。

②工业企业排放的氮氧化物的去除方法主要有：a．吸收法；b．非选择性催化还原法；c．选择性催化还原法。

4．环境自净

①大气环境中污染物浓度的进一步降低将要依靠环境的自净作用。

②大气环境的自净有物理作用、化学作用（扩散、稀释、氧化、还原、降水洗涤等）和生物作用。

③植物在大气环境自净中具有重要作用，它具有美化环境、调节气候、抑制扬尘、截留粉尘、吸收大气中有害气体等功能，可以在大面积的范围内，长时间地连续净化大气。

④在城市和工业区有计划地扩大绿地面积是具有长效能和多功能的大气污染综合防治措施。