大气污染物种及其防治措施

（一）大气的组成与结构

包围地球的气体成为大气。大气是混合气体，含有极少量的水汽和杂质。除去水汽和杂质的空气称为干洁空气。干洁空气的主要成分为78.09%的氮，20.94%的氧，0.93%的氩，氖、氦、氪、氙等稀有气体含量合计不到0.1%。近地层干洁空气组成见表8-1。

表8-1　干洁空气的组成

在干洁空气中，易变的成分是二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）等，这些气体受地区、季节、气象以及人类生活和生产活动的影响。正常情况下，二氧化碳含量在20km以上明显减少。

由于受地心引力的作用，大气在垂直方向的分布极不均匀。根据大气垂直方向分布的特点，在结构上可将大气圈分为5层，有对流层、平流层、中间层（上界为85km左右）、热成层（上界为800km左右）和散逸层（没有明显的上界）。大气的垂直分层结构见图8-1。

图8-1　大气的垂直分层结构

1.对流层

对流层是大气圈中最靠近地面的一层，平均厚度约12km。对流层集中了占大气总质量75%的空气和几乎全部的水蒸气量，是天气变化最复杂的层次。该层的特点如下。

（1）气温随着高度的增加而降低。这是由对流层的大气不能直接吸收太阳辐射的能量，但能吸收地面反射的能量所致。

（2）空气具有强烈的对流运动。近地表的空气接收地面的热辐射后温度升高，与高空的冷空气形成垂直对流。

（3）人类活动排入大气的污染物绝大多数在对流层聚集。因此，对流层的状况对人类生活的影响最大，与人类关系最密切。

2.平流层

平流层位于对流层之上，其上界伸展至约55km处。在平流层的上部，即30～35km以上，温度随高度升高而升高。在30～35km以下，温度随高度的增加而变化不大，气温趋于稳定，故该层又称为同温层。平流层的特点是空气气流以水平运动为主。在高15～35km处有厚约20km的臭氧层，其分布有季节性变动。臭氧层能吸收太阳的短波紫外线和宇宙射线，使地球上的生物免受这些射线的危害，能够生存繁衍。

3.中间层

从平流层顶至85km处的范围称为中间层。该层的气温随高度的增加而迅速降低。因此，该层也存在明显的空气垂直对流运动。

4.热成层

热成层位于85～800km的高度。该层的气体在宇宙射线作用下处于电离状态。电离后的氧能强烈吸收太阳的短波辐射，使空气迅速升温，因而该层的气温随高度的增加而增加。该层能反射无线电波，对于无线电通信有重要意义。

5.散逸层

800km以上的区域统称为散逸层，也称为外层大气。该层大气带薄，气温高，分子运动速度快，地球对气体分子的吸引力小，因此气体及微粒可飞出地球引力场进入太空。

（二）大气污染的定义

大气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起的某些物质进入大气中，累积呈现出足够的浓度，并驻留一定的时间，使大气质量恶化，对人类健康生存和生态环境造成危害的现象。

（三）大气中主要污染物

大气污染物是指能使空气质量变差的物质。大气污染物的形成有自然因素和人为因素两种。自然因素包括森林火灾、火山爆发等，人为因素包括工业废气、生活燃煤、汽车尾气等，其中后者为主要因素。然而，造成大气污染主要过程由污染源排放、大气传播、人与物受害这三个环节所构成。

目前，已知的大气污染物约有100多种，它们的分类方式有很多种。按照其成因，大气污染物可分为一次污染物和二次污染物。

一次污染物是指直接从污染源排放的污染物质，如二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、颗粒物等。它们又可分为反应物和非反应物，前者不稳定，在大气环境中常与其他物质发生化学反应，或者作为催化剂促进其他污染物之间的反应，后者则不发生反应或反应速度缓慢。

二次污染物是指由一次污染物在大气中互相作用经化学反应或光化学反应形成的与一次污染物的物理、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。最常见的二次污染物如硫酸及硫酸盐气溶胶、硝酸及硝酸盐气溶胶、臭氧、光化学氧化剂，以及许多不同寿命的活性中间物（又称自由基）。

根据大气污染物的存在状态，也可将其分为颗粒污染物（又称气溶胶状态污染物）和气态污染物。

1.颗粒污染物

在大气污染中，颗粒污染物是指沉降速度可以忽略的小固体粒子、液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体系。从大气污染物控制的角度，按照气溶胶的来源和物理性质，可将其分为如下几种。

（1）粉尘

粉尘是指悬浮于气体介质中的微小固体颗粒，受重力作用能发生沉降，但在一段时间内能保持悬浮状态。粉尘粒径一般为1～200μm。

粉尘的形成原因很多。如同体物质的机械加工或粉碎，如金属研磨、切削、钻孔、破碎、磨粉、农林产品加工等；物质加热时产生的蒸汽在空气中凝结或被氧化所形成的尘粒，如金属熔炼、焊接等；有机物质不完全燃烧所形成的微粒，如木材、油、煤类等燃烧时所产生的烟尘等；铸件的翻砂、清砂粉状物质的混合，过筛、包装、搬运等操作过程中，以及沉积的粉尘由于振动或气流运动，使沉积的粉尘重又浮游于空气中（产生二次扬尘）也是粉尘的来源。

在大气中粉尘的存在可以保持地球温度，但粉尘的量过多或者过少都会对环境产生灾难性的影响。尤其生产性粉尘，如煤尘、水泥粉尘、各种金属粉尘等，会影响人类健康，诱发多种疾病。

（2）烟

烟一般是指由冶金过程形成的固体颗粒的气溶胶。在生产过程中总是伴有诸如氧化之类的化学反应，生成氧化铅烟、氧化锌烟等。烟的粒子是很细微的，粒径范围一般为0.01～1μm。

（3）飞灰

飞灰是指随燃料燃烧产生的烟气排出的分散得较细的灰分。灰分是含碳物质燃烧后残留的固体渣，在分析测定时假定它是完全燃烧的。

（4）黑烟

黑烟是指由燃料燃烧产生的能见气溶胶，不包括水蒸气。黑烟的粒径范围为0.05～1μm。

（5）雾

雾是气体中液滴悬浮体的总称。它是由于液体蒸汽的凝结、液体的雾化以及化学反应等过程形成的，如水雾、酸雾、碱雾、油雾等，水滴的粒径范围在200μm以下。

颗粒污染物除以上5种分类外，还根据大气中粉尘颗粒的大小，将其分为飘尘、降尘、总悬浮颗粒物。

（1）飘尘

飘尘指大气中粒径小于10μm的固体微粒，它能较长期地在大气中飘浮，有时也称为浮游粉尘。也被称为可吸入颗粒物（PM10）。(www.xing528.com)

（2）降尘

降尘指大气中粒径大于10μm的固体微粒，在重力作用下，它可在较短的时间内沉降到地面。

（3）总悬浮颗粒物

总悬浮微粒物指大气中粒径小于100μm的所有固体微粒，也被称为总悬浮颗粒物。

目前，全国大范围雾霾天气频发，其形成主要原因是PM2.5。2012年2月，国家环境保护部发布实施的新《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）中增加了PM2.5控制值。2013年2月，全国科学技术名词审定委员会将PM2.5的中文名称命名为细颗粒物，又称细粒、细颗粒。

PM2.5指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5m的颗粒物，是形成灰霾天气的主要因素。研究表明，空气中的PM2.5主要有以下两个来源。

①直接排放的颗粒物。主要来自化石燃料和生物质燃烧、机动车尾气、化工石化和金属冶炼及建材工业等排放的生产废气、餐饮油烟、扬尘等，包括有机物粉尘颗粒、元素碳及其吸附物等。

②二次颗粒物。主要是由排放到空气中的前体物SO2、NO2、VOCs（特别是不饱和烃）、NH3等，经过化学反应产生的二次无机气溶胶和有机气溶胶等。

2.气态污染物

气态污染物是指在常态、常压下以分子状态存在的污染物。气态污染物包括气体和蒸汽。气体是某些物质在常温、常压下所形成的气态形式。蒸汽是某些固态或液态物质受热后，引起升华或挥发而形成的气态物质，如汞蒸汽、苯、硫酸蒸气等。

气态污染物可以分为一次污染物和二次污染物。一次污染物是指直接从污染源排到大气中的原始污染物质；二次污染物是指由一次污染物与大气中已有组分，或几种一次污染物之间经过一系列化学或光化学反应而生成的与一次污染物性质不同的新污染物质。一次污染物有硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物以及有机化合物等；二次污染物有硫酸烟雾和光化学烟雾。具体分类见表8-2。

表8-2　气态污染物分类

（1）硫氧化物

硫氧化物主要有SO2和SO3，都是无色、有刺激性臭味、呈酸性的气体。其中SO2是目前大气污染物中数量较大、影响范围广的一种气态污染物。大气中SO2的来源很广，它主要来自化石燃烧过程，以及硫化物矿石的焙烧、冶炼等热过程。除此之外，火力发电厂、有色金属冶炼厂、硫酸厂、炼油厂以及所有烧煤或油的工业炉窑等都排放SO2烟气。排至大气的SO2可缓慢地被氧化成SO3，溶于雨水中，形成酸雨。

（2）氮氧化物

氮氧化物指的是只由氮、氧两种元素组成的化合物。空气污染物的氮氧化物（NO2）常指NO（无色）和NO2（红棕色）。天然排放的氮氧化物，主要来自土壤和海洋中有机物的分解，属于自然界的氮循环过程。人为活动排放的氮氧化物，大部分来自化石燃料的燃烧过程，如汽车、飞机、内燃机及工业窑炉的燃烧过程；也来自生产、使用硝酸的过程，如氮肥厂、有机中间体厂、有色及黑色金属冶炼厂等。其中由燃料燃烧产生的氮氧化物约占83%。氮氧化物对环境的损害作用极大。

最初排放的氮氧化物中主要是NO，NO在大气中极易与空气中的氧发生反应，生成NO2，故大气中的氮氧化物主要是NO2。空气中NO2进一步与水分子作用生成硝酸（HNO3），硝酸是形成酸雨的第二重要组成成分。另外，氮氧化物也是形成大气中光化学烟雾的重要物质，还能与臭氧（O3）发生反应，使O3浓度降低，导致O3层的耗损。

（3）碳氧化物

碳氧化物主要有CO和CO2，是各种大气污染物中发生量最大的一类污染物，主要来自燃烧和机动车排气。CO主要是由含碳物质不完全燃烧产生的，是一种窒息性气体，进入大气后，由于大气的扩散稀释作用和氧化作用，一般不会造成危害，但当其浓度增大到一定值就会危害人体健康，如在冬季采暖季节或在交通繁忙的十字路口，CO的浓度就会增大。

CO2是无毒气体，是大气中常见的化合物，主要来自生物的呼吸和化石燃料等的燃烧。CO2在大气中的浓度不断增加，会使地球上气温越来越高，导致温室效应产生。

（4）有机化合物

有机化合物包括碳氢化合物、含氧有机物以及含有卤素的有机物。它们都是碳的化合物。

有机化合物主要来自石油化工、石油炼制以及轻工生产等。目前，有机化合物中的芳烃类是最主要的可疑致癌物质。其中比较典型的有苯并芘、葸和菲的衍生物都是致癌物质。人工合成的制冷剂氟氯烃，排入大气中破坏臭氧层。

有机化合物二噁英，被称为“世纪之毒”，一级致癌物，主要来自生产木材防腐剂、杀虫剂五氯酚钠和三氯苯乙酸时的副产品、塑料燃烧、垃圾焚烧等。一旦进入人体，难以被分解排出。

（5）硫酸烟雾

硫酸烟雾是大气中的二氧化硫等硫氧化物，在有水雾、含有重金属的悬浮颗粒物或氮氧化物存在时，发生一系列化学或光化学反应而生成的硫酸烟雾或硫酸盐气溶胶。这种污染多发生在冬季、气温较低、湿度较高和日光较弱的气象条件下。

（6）光化学烟雾

光化学烟雾是汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NO2）等一次污染物在阳光（紫外线）作用下发生光化学反应生成二次污染物，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（其中有气体污染物，也有气溶胶）所形成的蓝色烟雾。

光化学烟雾多发生在阳光强烈的夏秋季节，随着光化学反应的不断进行，反应生成物不断蓄积，光化学烟雾的浓度不断升高。在3～4h后达到最大值。光化学烟雾对大气的污染造成很多不良影响，对动植物有影响，甚至对建筑材料也有影响，并且大大降低能见度影响出行。另外，光化学烟雾可随气流飘移数百公里，使远离城市的农作物也受到损害。

（四）大气污染物来源

大气污染物的来源十分广泛，主要来自工业生产、生活炉灶和采暖锅炉、交通运输等。

1.工业生产

工业生产是大气污染的主要来源，其排放的污染物主要来自两个主要生产环节。

（1）燃料的燃烧

目前，我国主要的工业燃料是煤和石油。燃料的燃烧是否完全，决定产生污染物的种类和数量。燃烧完全时的产物主要有CO2、SO2、NO2、水汽、灰分（可含有杂质中的氧化物或卤化物，如氧化铁、氟化钙等）。燃烧不完全时的产物有CO、硫氧化物、氮氧化物、醛类、炭粒、多环芳烃等。燃料的燃烧越不完全，产生的污染物的种类、数量及其毒作用就越大。

（2）生产过程中排出的污染物

工业生产过程中，由原料到成品，各个生产环节都会有污染物排出。如生产过程排出的烟尘和废气，以火力发电厂、钢铁厂、石油化工厂、水泥厂等对大气污染最为严重。污染物的种类与生产性质和工艺过程有关。各种工业部门排出的主要大气污染物如表8-3所示。

表8-3　各种工业部门排出的主要大气污染物

2.生活炉灶和采暖锅炉

采暖锅炉以煤或石油为燃料，燃烧产生烟尘、二氧化硫等有害气体，是采暖季节大气污染的重要原因。燃烧设备效率低、燃烧不完全，烟囱高度较低，大量燃烧产物低空排放，造成居住区大气的严重污染。

3.交通运输

交通运输性污染主要是指飞机、汽车、火车、轮船和摩托车等交通工具排放的尾气。其污染物主要是氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳和铅尘等。这类污染源是流动污染源，其污染范围与流动路线有关。交通频繁地区和交通灯管制的交叉路口，污染最为严重。

除这三大主要来源之外，还有火山爆发产生的气体、风沙、扬尘焚烧农作物的秸秆、森林火灾中的浓烟、焚烧生活垃圾、焚烧废旧塑料、焚烧工业废弃物产生的烟气、厨房做饭的油烟、吸烟导致的烟气、垃圾腐烂释放出来的有害气体、工厂有毒气体的泄漏、有毒化学试剂的挥发、打印机等电器产生的有害气体（如臭氧）等。