大气污染控制工程 授课教师：何江.

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1 大气污染控制工程 授课教师：何江

2 《大气污染控制工程》是高等院校环境工程专业的主干学科，本科生专业必修课之一。本课程系统地讨论大气污染控制工程的基本知识，大气污染气象学基础知识，大气污染防治技术的基本理论、基本概念、基本原理、主要设备和典型工艺等。培养学生分析和解决大气污染控制工程问题的基本能力,结合课程实验和毕业设计等教学环节,为学生毕业后从事大气污染控制工程设计,技术管理等工作奠定必要的基础。

3 主要参考书及建议的资料 1.蒲恩奇. 《大气污染治理工程》.北京,高等教育出版社,1999年.
2. 林肇信.《大气污染控制工程》.北京,高等教育出版社,1990年. 3.郝吉明. 《大气污染控制工程例题与习题集》.北京,高等教育出版社,2003年. 4.蒋展鹏.《环境工程学》.北京,高等教育出版社,2005年 5.马广大.《大气污染控制工程》.北京,中国环境科学出版社,2003年. 6.任爱玲, 蒲恩奇.《大气污染治理工程习题集》.河北科技大学出版。 7.任爱玲,郑自保.《环境工程实验指导书》河北科技大学出版。 8 郭静，阮宜纶.《大气污染控制工程》. 化学工业出版社。

4 第一章 概论 主 要 内 容： 大气污染及其分类 大气污染的影响 大气污染防治法规与标准体系 中国的大气污染综合防治

5 第一节 大气与大气污染 一. 大气的组成

6 1、大气与空气: 从自然科学角度来看，空气和大气常常作为同义词，二者没有实质性的差别。按国际标准化组织（ISO）给大气和空气下的定义：大气是指地球环境周围所有空气的总和。环境空气是指暴露在人群、植物、动物和建筑物之外的室外空气。 但在研究近地层的空气污染规律及对空气质量进行评价时，为便于说明问题，有时两个名词分别使用。 一般对于居住在室内或特指某个地方（如车间、厂区等）供动植物生存的气体习惯上称为空气。在大气物理、大气气象、自然地理以及环境科学研究中，常常是以大区域或全球性的气流作为研究对象，因此，就常用大气一词。

7 2、大气组成: 大气的组成可以分为三部分：干燥清洁的空气、水蒸气和各种杂质。 1)干洁空气
干洁空气就是清洁、干燥的空气。主要成分是氮、氧、氩和二氧化碳气体，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。 2)水蒸气 大气中水蒸气含量平均不到0.5%，且随着时间、地点和气象条件等不同而有较大变化，变化范围可达0.01%～4%。大气水蒸气含量的变化导致了各种天气现象：云、雾、雨、雪、霜、露等。 天气现象引起大气湿度变化，同时导致大气中热能的输送和交换。另外，水蒸气吸收地球长波辐射能力较强，对地面保温起到重要作用。

8 3)杂质成分 大气中的杂质成分主要有悬浮微粒和气态物质。 悬浮微粒： 大气中的悬浮微粒，除了由水蒸气凝结成的水滴和冰晶外，主要是各种有机的或无机的固体微粒。 有机微粒：数量较少，主要是植物花粉、微生物、细菌、病毒等。 无机微粒：数量较多，主要有岩石和土壤风化后的尘粒、流星在大气层中燃烧后产生的灰烬、火山喷发后留在空中的火山灰、海洋中浪花溅起在空中蒸发留下的盐粒以及地面上燃料燃烧和人类活动产生的烟尘等。 气态物质： 大气中的气态物质，也是由于自然过程和人类活动产生的，主要有硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氨、甲烷、甲醛、烃蒸气、恶臭气体等。

9 二. 大气污染 指由于人类活动或自然过程使得某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此危害了人体的舒适、甚至危害了生态环境。 八大公害事件—— 马斯河谷事件、多诺拉事件、洛杉矶光化学烟雾事件、伦敦烟雾事件、四日市哮喘事件、米糠油事件、水俣病事件、骨痛病事件。 空气污染物排入大气后，在大气中混合、传输并发生复杂的化学变化，最后作用到人体、动植物和材料，产生破坏性影响，构成了复杂的大气污染系统。大污染系统可以概括为由三个基本部分：污染源、大气气象因素和受体。这三个要素必然联系，缺一不可。 Air Pollution may be defined as any atmospheric condition in which substances are present at concentrations high enough above their normal ambient levels to produce a measurable effect on man, animals, vegetation, or materials. Air Pollution is the presence of undesirable materials in air, in quantities large enough to produce harmful effects. The undesirable materials may damage human health, vegetation, human property, or the global environment as well as create aesthetic insults in the form of brown or hazy air or unpleasant smells.

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11 工业

12 交通

13 生活

14 Major Greenhouse Gases
三. 全球性大气污染问题 1、温室效应 指“温室气体”可使太阳短波幅射几乎无衰减地通过，但却可吸收地表的长波幅射，由此引起的全球气温升高的现象 Major Greenhouse Gases Gas Contribution to global warming (％) CO2 57 CFCS 25 CH4 12 N2O 6

15 温室效应 所谓温室效应，就是太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射却被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而使大气变暖的效应。大气中的二氧化碳就像一层厚厚的玻璃，把地球变成了一个大暖房。据估计，如果没有大气，地表平均温度就会下降到－23℃，而实际地表平均温度为15℃，这就是说温室效应使地表温度提高38℃。

16 地球表面与月球表面温度对比 地 球 月球 阳光直接照射的地方为 127 ℃，夜晚则降到-183 ℃ 平均温度为15℃

17 温室效应使气温升高，两极冰川将熔化。

18 温室效应气温升高，引起海水体积膨胀，海平面可能升高0.2--1.4米。海平面升高会淹没许多城市和港口。

19 全球平均气温的变化

20 大气中二氧化碳含量的变化

21 政府间气候变化专门委员会（IPCC）得到的几个重要结论：
在过去的100年间，地球的平均温度增加了0.3～0.6 ℃（1995年是记录上最暖的一年），海平面高度增加了10～25cm。 气温和海平面高度仍会持续上升。众多模型的模拟结果表明，到2010年气温将增加1～3.5 ℃，海平面上升15～95cm。 气温升高和大气中温室气体的浓度具有很强的相关性。 人类活动极大地增加了大气中温室气体的含量。

22 2. 臭氧层破坏: 　臭氧层好比是地球的“保护伞”，阻挡了太阳99%的紫外线辐射,具有保护地球上生物免遭紫外线过量辐射的作用。如果没有臭氧层，地球表面上的任何生物都会被烧焦。 CFCS、NOx等的日益增多，是导致臭氧层破坏的主要原因

23 紫外线的危害 紫外线会损伤角膜和眼晶体，紫外线的增加会诱发皮肤癌，此外，皮肤中的免疫功能也会因紫外线的强烈辐射而受损伤。
臭氧层破坏后，陆地和海洋生态系统同样难以幸免。

24 臭氧空洞的危害： 引起皮肤癌 引起白内障 免疫系统 功能抑制

25 1974年，Molina & Rowland提出了可能造成臭氧层破坏的大气污染物。他们假设常用的推进剂和制冷剂氟氯烃化合物（CFCs）会与臭氧反应：

26 1979－1986年TOMS测得的总臭氧全球平均值 注：Dobson单位 － 将0°C，标准海平面压力下，10－5m厚的臭氧 定义为一个Dobson单位

27 臭氧浓度减少的百分比 1979－1986年总臭氧纬向平均值的趋势

28 1981年和1987年臭氧层浓度对比图　 1981年1月 1987年10月

29 3. 酸沉降: 酸雨的形成 酸雨的pH值小于5.6

30 酸雨的危害 酸雨能加速建筑物和文物古迹的腐蚀和风化过程，使文物面目皆非，碑林文字模糊。

31 酸雨使湖泊、河流酸化并溶解土壤和水体底泥中的重金属进入水中，毒害鱼类，造成鱼类死亡。

32 酸雨能加速金属腐蚀，出现空洞和裂缝，强度降低，桥梁损坏。如重庆的嘉陵江大桥，锈蚀速度每年为0. 16毫米，远超过瑞典斯德哥尔摩每年0
酸雨能加速金属腐蚀，出现空洞和裂缝，强度降低，桥梁损坏。如重庆的嘉陵江大桥，锈蚀速度每年为0.16毫米，远超过瑞典斯德哥尔摩每年0.03毫米的速度。

33 酸雨可以直接使大片森林死亡，农作物枯萎。1982年6月18日晚重庆下了一场酸雨，市郊2万亩水稻叶片突然枯黄，好像火烤过一样,几天后局部枯萎。

34 自然源、电厂以及内燃机等排放出的污染物在大气中发生化学反应产生导致酸沉降的化学物质。
Molecules from natural sources, power plants, and internal combustion engines react to produce the chemicals that are the source of acid deposition

35 中国酸雨的分布变化主要位于长江以南

36 SO42- NO3- Ca2+ NH4+ 我国酸雨的化学特征(硫酸型）

37 第二节、大气污染物及其来源 一.大气污染物 按其存在状态可概括为气溶胶状污染物和气态状污染物。 （1）气溶胶状污染物（2）气态状污染物
1、气溶胶状污染物 分类：气溶胶中 烟 —1μm 降尘（>10μm） 尘 —100μm PM10（<10μm） 雾 —10μm TSP <100μm 的颗粒 危害：①引起呼吸道疾病；②致癌作用；③造成烟雾事件（硫酸等，SO2之所以在大气中造成危害是由于大气中微尘带有一些Mn2+、Fe2+等催化剂使

38 2 气态状污染物 常见的有：CO、NOx、HC化合物、SOx、微粒、光化学烟雾等 硫氧化物（民用炉、热点站、金属冶炼、硫酸厂）；
氮氧化物（硝酸厂、氮肥厂、炸药厂）； 碳氧化物（CO、CO2）； 卤化物（氟化物、氯化物、制碱厂）； 有机物质的污染。

39 二.大气污染的来源和发生量 自然污染源是指由于自然原因向环境释放的污染物，如火山喷发、森林火灾、飓风、海啸、土壤和岩石的风化及生物腐烂等自然现象形成的污染源。  人为污染源是指人类生活活动和生产活动形成的污染源。人为污染源可以继续划分： 自然污染源 (1) 按污染源的空间分布可分成点源和面源：                                                                                      点源 面源

40 (2) 按人们的生活功能可分成生活污染源、工业污染源 和交通运输污染源：
交通污染源

41 (3) 按主要大气污染物的分类统计分析，可概括为固定源 和移动源：
                                                                                      固定源                                                                                      移动源

42 下表给出了美国1997年6种主要大气污染物的分类排放总量估算。可见主要污染源为交通运输和燃料燃烧，主要污染物(除CO外)是NOx、SO2和VOC。

43 三、 中国城市的大气污染概况 1999年全国重点城市主要大气污染物分布
我国的大气环境污染仍以煤烟型为主，首要污染物为TSP和SO2。少数大城市(如北京、上海、广州等)属于煤烟与汽车尾气污染并重类型。 TSP SO2 NOx 1999年全国重点城市主要大气污染物分布

44 1998年世卫组织对全世界277个城市进行的调查表明：十大污染城市中，我国占了八席：贵阳（1）、重庆（2）、太原（3）、兰州（4）、淄博（6）、北京（7）、广州（8）、济南（10）
2002年中国城市空气质量状况 全国城市空气质量分级比例 不同空气质量状况下 的人口比例

45 我国北方城市SO2污染现状

46 我国南方城市SO2污染现状

47 第三节、大气污染的影响 一. 对人体健康的影响 大气污染物侵入人体途径： ①表面接触；②食入含有大气污染物的食物；③吸入被污染的空气。
1、颗粒物 颗粒物对人体健康的影响，取决于颗粒物的浓度和在其中暴露的时间。 如果颗粒物吸附了其它污染物（如SO2），危害性将大大增加。

48 整个伦敦像一个大的毒气室一样！ 伦敦烟雾事件
后果： 4天时间，死亡人数达4000多人。2个月后，又有8000多人陆续丧生。 数据： 伦敦上空大气中烟尘浓度比平时高 10倍，SO2的浓度是以往的6倍 原因： 1、冬季取暖燃煤和工业燃煤排放的烟雾（元凶） 2、高压中心，几天无风

49 1952年12月伦敦烟雾事件中死亡人数与大气中烟尘和二氧化硫浓度的相关性

50 细颗粒物对人体健康和大气环境质量造成的危害要远比粗颗粒物大
粒径越小，越难沉降，易被吸入体内并深入肺部。 颗粒物侵入下呼吸道的程度主要受颗粒尺寸和呼吸速率的影响。5~10m的颗粒被鼻毛遮蔽。1~2 m范围大小的颗粒可侵透入肺泡，这些颗粒不被遮蔽并沉积在上呼吸道。直径0.5m的颗粒，由于其沉积速度太小而不能被有效地去除，因而更小的颗粒将扩散至肺泡壁。 粒径越小，比表面积越大，物化活性越高，易成为其它污染物的运载体和反应体 例题：成人每次吸入的空气量平均为500cm3。假若每分钟呼吸15次，空气中颗粒物浓度为200μg/m3 ,计算每小时沉积于肺泡内的质量。已知该颗粒物在肺泡内的沉积系数为0.12

51 因为较大的颗粒不会被吸入肺的深部，因此美国环保局将空气质量标准中总悬浮颗粒物标准换成气体动力学直径小于10m的PM10标准。美国、巴西、德国的研究表明，微颗粒对增加呼吸系统疾病、心血管病管病、与癌症相关的死亡、肺炎、肺功能衰减及哮喘等，都有相当程度的影响。 最近的研究工作已经转向小于2.5m的颗粒，因为这种颗粒是受污染城市死亡率上升的主要原因。这些研究调查结果是基于相关统计得出的，目前并未被科学界广泛接受，其最主要原因是没有一种合理的生物机制说明是什么造成死亡。虽然如此，为了确保 “在适当的安全范围内保护公众健康”，美国环保局仍于1997年7月提议建立新的PM2.5标准。

52 2、硫氧化物 硫氧化物包括二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)及其酸和盐类。SO2及SO3所造成的影响经常合在一起讨论。值得注意的是，当SO2被颗粒物吸附时，对下呼吸道的影响是产生增效作用。没有附着于颗粒上的SO2会被上呼吸道的粘膜吸附。 与颗粒物和水分结合的硫氧化物是对人类健康影响非常严重的公害。形成硫酸烟雾时，其刺激和危害比SO2更加显著。

53 3、CO 一氧化碳可与血液中的血红素反应形成羧基血红素(COHb)。血红素对CO的亲和力比对O2的亲和力高得多（约210倍），因此形成COHb会使体内的氧减少。 CO（10-6） 对人体健康的影响 5～10 对呼吸道患者有影响 30 人滞留8h，视力及神经机能出现障碍 40 人滞留8h，出现气喘 120 1h接触，中毒，血液中CO—Hb>10% 250 2h接触，头疼，血液中CO—Hb=40% 500 2h接触，剧烈心痛，眼花，虚脱 3000 30min即死亡

54 4、NO2 与HC混合后，在阳光照射下产生光化学烟雾
对人体健康的影响 1 闻到臭味 5 闻到强臭味 10～15 10min眼、鼻受到刺激 50 1min内人呼吸困难 80 3min感到胸痛、恶心 100～150 在30～60min内死亡 250 很快死亡

55 5. 光化学烟雾: 光化学烟雾是大气中氮氧化物和HC在紫外线照射下反应生成的多种污染物的混合物。最早于1946年在洛杉矶发现，故又叫“洛杉矶烟雾”。其中最具危害的两种物质是臭氧(O3)和过氧乙酰硝酸酯(PAN)。 光化学烟雾的形成必须有充足的阳光、适量的氮氧化物和碳氢化合物以及不利于污染物扩散的地理、气象条件。 洛杉矶由于具备上述三个条件才发生了光化学烟雾。本世纪40年代初期，洛杉矶就出现了一种浅蓝色的烟雾。这种烟雾有时连续几天不散，使许多人喉咙发炎，眼睛、鼻子受到刺激，还出现头痛、恶心等症状。经过长期调查研究，直到1951年才发现这种烟雾是汽车尾气造成的。当时，洛杉矶有250多万辆汽车,每天消耗汽油1.6万升 。这些汽车排放大量的氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳在日光紫外线作用下，发生光化学反应，形成以臭氧为主的光化学烟雾。 现在，凡是汽车集中的城市，普遍存在光化学烟雾的威胁，造成了很大的危害。而且缺少有效的办法去消除。 Secondary air pollutants are compounds that results from the interaction of various primary air pollutants. Photochemical smog is a mixture of pollutants resulting from the interaction of nitrogen oxides and hydrocarbons with ultraviolet light. The two most destructive components of photochemical smog are ozone(O3) and peroxyacetylnitrates(PAN，过氧乙酰硝酸酯)

56 光化学烟雾形成过程

57 二. 对植物的伤害 臭氧会伤害栅状细胞，引起叶绿体凝缩，最后导致细胞壁破裂。这时可以观察到在植物叶片表面形成红棕色斑点，并且数天后变成白色，该白点称为白斑点。 植物连续暴露在0.5L/LNO2下，其生长会受到抑制。NO2浓度超过2 .5L/L且暴露时间超过4h，会使植物产生枯斑，即由于质壁分离或失去原生质而产生的表面斑点。 二氧化硫也会使植物产生黑斑症，且所需浓度更低，只要在SO2浓度为0.3 L/L下暴露8h就足以使植物致病。在更低浓度下曝暴更长时间，将使植物产生萎黄病。 植物表面氟的沉积，不仅会直接伤害植物，而且会引发二次伤害效应。食草性动物可能会因食用含氟量高的食物使体内积累过量的氟，牙齿上出现氟斑，以致最后掉落。

58 Mean SO2 concentration，ppm Weight loss per 100g panel，g
三. 对器物和材料的影响 Mean SO2 concentration，ppm Weight loss per 100g panel，g 注：平均二氧化硫浓度和不同暴露时间与低碳钢的腐蚀之间的关系（1963－1964年9月，在芝加哥的七个地点进行的实验） Source：Air and Waste Management Association

59 四. 对大气能见度的影响 对大气能见度或清晰度有影响的污染物，一般应是气溶胶粒子、能通过大气反应生成气溶胶粒子的气体或有色气体，包括： 总悬浮颗粒物（TSP） SO2和其它气态含硫化合物，在大气中以较大反应速率生成硫酸盐和硫酸气溶胶粒子 NO和NO2，在大气中反应生成硝酸盐和硝酸气溶胶粒子 光化学烟雾，反应生成亚微米的气溶胶粒子

60 能见度与大气中颗粒物浓度的关系 应用最广的估算能见度的方程是Koschmeider方程： LV为能见度范围，即一般人刚刚可以将暗色物体（例如山或高楼）从天空的背景上分辨出来的距离。此方程是估算方程，基于大气颗粒物为一般组成的情况。

61 能见度与自然景观 例：美国大烟雾山国家公园（北卡罗莱纳州）照片
能见度与自然景观 例：美国大烟雾山国家公园（北卡罗莱纳州）照片 晴天 雾天

62 第四节 大气污染综合防治 大气污染综合防治的含义
大气污染综合防治是立足于环境问题的区域性、系统性和整体性，采取防与治的综合,实质上是为了达到区域环境空气质量控制目标，对多种大气污染控制方案的技术可行性、经济合理性、区域适应性和实施可能性等进行最优化选择和评价，从而得到最优的控制技术方案和工程措施。

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65 第五节 大气环境质量控制标准 大气环境质量标准按其用途分为：环境空气质量标准、大气污染物排放标准、大气污染控制技术标准及大气污染警报标准等。按其适用范围分为国家标准、地方标准和行业标准。 环境空气质量标准——以保护生态环境和人群健康的基本要求为目标而对各种污染物在环境空气中的允许浓度所作的限制规定。 大气污染物排放标准——以实现环境空气质量标准为目标，对从污染源排放入大气的污染物浓度（或数量）所作的限制规定。 大气污染控制技术标准——为保证达到污染物排放标准而从某一方面做出的具体技术规定。 大气污染警报标准——为保证不致环境空气质量恶化或根据大气污染发展趋势，预防发生污染事故而规定的污染物含量的极限值。

66 中华人民共和国国家标准 环境空气质量标准 Ambient air quality standard GB3095－1996 (代替GB3095－82 ) 国家环境保护局 批准 实施 主题内容与适用范围 本标准规定了环境空气质量功能区划分、标准分级、污染物项目、取值时间及浓度限值，采样与分析方法及数据统计的有效性规定。 本标准适用于全国范围的环境空气质量评价。

67 环境空气质量功能区的分类和标准分级 环境空气质量功能区分类 一类区为自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区。 二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区。 三类区为特定工业区。 环境空气质量标准分级（环境空气质量标准分为三级） 一类区执行一级标准 二类区执行二级标准 三类区执行三级标准

68 各项污染物的浓度限值 注： ①适用于城市地区； ②适用于牧业区和以牧业为主的半农半牧区，蚕桑区； ③适用于农业和林业区。
污染物名称 取值时间 浓度限值 浓度单位 一级标准 二级标准 三级标准 二氧化硫 SO2 年平均 日平均 1小时平均 mg/m3 (标准状态) 总悬浮颗粒物TSP 年平均 日平均 可吸入颗粒物PM10 mg/m3 (标准状态) 二氧化氮 NO2 0.08 一氧化碳 CO 日平均 1小时平均 臭氧 O3 1小时平均 0.16 0.20 铅 Pb 季平均 年平均 μg/m3 (标准状态) 苯并[a]芘 B[a]P 日平均 0.01 氟化物 F 7① 20① 月平均植物生长季平均 1.8② 1.2② 3.0③ 2.0③ μg/(dm2‧d)

69 空气污染指数分级标准(试行) 2000年4月27日发布 来源：北京市环境保护局主页（

70 空气污染指数分级浓度限值 计算公式：当第k种污染物浓度为 时，其分指数为

71 例题： 某市某日测得空气质量如下：PM10：160μg/m3，SO2 ： 80μg/m3， NO2 ：110μg/m3， CO：5mg/m3(最大小时平均) 试计算当天该市的空气污染指数API。