大气污染及其防治
大气是人类和一切生物赖以生存的必需条件。大气质量的优劣，对人体健康和整个生态系统都有着直接的影响。人类又通过各种生产和生活活动影响和改变着大气环境，使其质量恶化，甚至造成严重的大气污染事件。因此，大气污染已引起人们的极大关注，研究和控制大气污染已成为当前十分迫切的环境问题。
第一节 大气污染概述一、大气圈的结构和组成
覆盖于地球表面随地球引力而旋转的空气层叫大气圈。它的厚度一般认为有1400km，超出这一高度就成为空气极其稀薄的宇宙空间了。由于受地球引力的作用，大气质量在垂直方向上分布极不均匀，其质量的50%集中在离地球表面5～6km以下，99%集中在30km以下，且离地球表面愈近密度愈大。
（一）大气圈的结构根据大气的成分、密度、温度等性质在垂直方向上的变化，可将大气层分成5个层次。
1.对流层 它的下界是地面，上界随纬度和季节而不同，低纬度为16～18 km，中纬度为10～12 km，高纬度8～9km。对流层相对于整个大气圈来说是很薄的，但它的质量却占整个大气圈的3／4，并几乎占去了全部的水汽。其特点是：
（1）气温随高度的升高而降低，大约每上升100m，气温平均下降0.65℃。
（2）在该层中有大规模的垂直对流和水平对流运动，湍流混合强烈，云、雾、雨、雪等天气现象都发生在此层。
（3）该层对人类生产、生活影响最大，大气污染现象主要发生在这里，特别是近地面1～2km范围内。
2.平流层 对流层顶以上至50～55km左右为平流层，其特点是：
（1）气温随高度上升而增加，这是因为臭氧层强烈吸收紫外线的结果。
（2）该层无垂直对流运动，多为平流运动，因此气流平稳。
（3）该层空气干燥、清洁、尘埃少，无天气变化，大气透明度好，是超音速飞机理想的飞行场所。
3.中间层 从平流层顶向上至80～85km的高度为中间层。该层随高度上升气温下降很快，故有强烈的垂直对流运动，又称高空对流层。
4.热层 中间层顶部至800km左右为热层。该层有两大特点：
（1）温度随高度上升而迅速升高。
（2）在太阳和其它星体射来的各类射线作用下，空气中大部分分子发生电离而具有较高密度的带电粒子，故又称为电离层。
5.逸散层 是大气圈的最外层，位于800km以外。
（二）大气的组成大气是一个由多种气体组成的复杂的混合物，除去水汽和杂质的大气称为干洁空气。按其组成成分的状态，可分为恒定组分、可变组分和不定组分。
恒定组分 是指氧、氮、稀有气体。
可变组分 是指CO2和水蒸汽。它们在大气中的含量随季节、气象、纬度及人类活动的影响而变化。
不定组分 除自然界的一些污染物（如尘暴、火山灰、硫化氢）以外，主要是人类生产生活活动排放的。
二、大气污染
（一）大气污染的概念大气污染是指由于人类的生产生活活动，向大气中排放的各种污染物质超过了环境所能允许的极限，使大气质量恶化，对人体、动物、物品产生不良影响或受到破坏时的大气状况。大气污染是由污染源、大气圈和受影响者三部分组成的统一整体，被称做大气污染系统。
（二）主要的大气污染源与污染物
1、大气污染源 大气污染源包括自然源和人工源两大类。像火山爆发、森林火灾、尘暴等释放的灰尘和污染气体也能引起大气污染，这种污染源称为自然源。人类所面临的大气污染主要是由人为活动造成的，称为人工源，可归纳为三方面：即工业企业排气、家庭炉灶及取暖设备排气和交通运输排气等。
（1）工业企业污染源 工业企业是大气的主要污染源，排放量大且集中，排放物质组成复杂，主要包括燃料燃烧排放的废物，生产过程排放的废气以及各类矿物和金属粉尘等，其中以煤、石油和天然气燃烧过程排放出来的烟尘、二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物、氟化物以及各种有机化合物气体为主
（2）家庭炉灶与取暖设备排放源 我国目前家庭炉灶和取暖的燃料仍以煤为主，特别是人口密集的大城市，炉灶数量多，分布面广，排烟高度低，烟气弥散在低空，扩散很慢，污染严重，是不可忽视的大气污染源。
（3）交通污染源 包括汽车、火车、飞机、轮船等现代化交通工具和农机具。污染的原因主要是汽油、柴油等燃料燃烧排出的尾气。
2.大气污染物
（1）大气污染物的分类 大气污染物种类很多，对人类危害大并已被人们注意的就有100多种，其中对人类环境威胁较大的主要有颗粒物质、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、硫化氢、氟化物及光化学氧化剂等。按其形成过程不同，可分为一次污染物和二次污染物。
一次污染物是指从污染源直接排放来的物质。一次污染物又可分为反应性和非反应性污染物两类。前者不稳定，在大气中常与某些物质起反应，或者作为催化剂促进其它污染物产生化学反应；后者性质稳定，不发生化学反应或反应速度很慢；当反应性一次污染物进入大气中相互混合、相互发生化学反应，形成一系列新的污染物，称为二次污染物。
（2）主要大气污染物
①颗粒物质 颗粒物质是除气体之外存在于大气中的所有物质。包括各种各样的固体颗粒和液体气溶胶。粒径一般为0.1～ 200um。固体颗粒物根据其粒径大小可分为降尘和飘尘两类。粒径＞10um的称为降尘，它可在重力作用下很快在污染源附近沉降下来；粒径＜10um的细小颗粒，可以长时间飘浮于大气中，称作飘尘，具有很大的危害性。
②二氧化硫 70%来源于煤炭燃烧，16%来源于重油燃烧，其余部分来自矿石冶炼和硫酸制备等。特别是火电厂的排放量最大，约占总排放量的一半左右。
二氧化硫在干洁空气中比较稳定，在潮湿的空气中易被氧化成三氧化硫，再与雨、雪、雾、露等水汽结合生成毒性更大的硫酸烟雾，形成酸雨，从而对环境造成更大的危害。
③氮氧化物 大气中的氮氧化物包括NO、NO2、N2O、N2O3、N2O5等。人为活动排放到大气中的主要是NO和NO2。
④碳氧化合物 大气中的碳氧化合物主要包括一氧化碳和二氧化碳两种。二氧化碳是大气的正常组分，一氧化碳则是很普遍的排放量很大的污染气体，它即通常所说的“煤气”，产生于含碳物质的不完全燃烧。
⑤碳氢化合物 碳氢化合物包括烷烃、烯烃和芳香烃等复杂多样的有机化合物。
⑥氟化物 排放到大气中的氟化物有氟化氢、氟化硅、氟硅酸及氟化钙颗粒物等。其中氟化氢占主要部分,是一种累积性中毒的大气污染物，可通过植物吸收累积进入食物链，在人和动物体内蓄积达到中毒浓度，从而使人畜受害。
⑦光化学氧化剂 光化学氧化剂又叫光化学烟雾，是氮氧化物和碳氢化合物等一次污染物在紫外线的照射下发生各种光化学反应而生成的以臭氧为主，醛、酮、酸、过氧乙酸硝酸酯等一系列二次污染物与一次污染物的特殊混合物。
⑧其它污染物 除了上述主要大气污染物外，较为常见的污染物有硫化氢、氯化氢、氨、氯气等。其次，还有一些有机化合物气体如苯、酚、酮、醛、苯并（a）芘、过氧硝基酸、芳香胺、氯化烃等。这些污染物一般具有恶臭气味，对人体感官有刺激作用，有些有致癌、致畸和致突变作用。
三、影响大气污染的因素
（－）影响大气污染的气象因素
在自然条件下，气象要素对大气污染都有一定影响，其中风和温度层结是影响污染物扩散的主要气象因素。
1.风和湍流 大气污染物在风的作用下被输送、冲淡、稀释、扩散。随着风速的增大，污染物的稀释扩散速度加快。风向决定着大气污染物的移动方向，所以污染区总是在污染源的下风向。
湍流，是指大气以不同尺度作无规则运动的流动状态。由于湍流运动的结果，使流场的各个部分得到均匀混合，污染物也随之稀释，我们把这种现象叫大气扩散。湍流的强弱主要决定于下垫面的自然特性及粗糙程度和大气垂直方向上温度层结状况。当气流以一定速度流过粗糙的地表时，它将随地面的起伏而抬升、下沉或涡动，于是就产生了垂直方向上的湍流。这种湍流是一种机械力作用的结果，所以称为机械湍流。由于大气温度的垂直分布和大气稳定度不同所产生的湍流运动称为热力湍流。
2.温度层结与逆温
温度层结 气象学上把大气温度随高度的垂直变化称为温度层结。把大气温度随高度上升而递增的现象称为逆温。逆温严重影响大气的垂直运动，对污染物扩散极为不利。
（二）影响大气污染的下垫面因素在同样的天气条件下，由于地形起伏和水陆界面及植被等的差异，使地表受力或受热不均而影响或改变大气的热力学特性和流场与风向，进而影响大气对污染物的扩散作用。
1、山区地形的影响 在不受大的天气形势控制的情况下，山区大气条件往往受到山谷风的控制。一天自清晨开始山风逐渐转变为谷风；黄昏时，又由谷风转变为山风，在山谷形成局地闭合大气环流，使污染物在山谷中往复累积，常常会达到很高的浓度。尤其在傍晚或夜间还会形成逆温层，严重影响谷中污染物的扩散。
2、海陆风 在海陆交界处，白天海风自海面吹向陆地，夜间则相反，陆风从陆地吹向海面。海陆风交替出现形成局地环流，影响污染物的扩散，造成海岸区往复污染。
3、城市“热岛”效应 由于城市建筑物密集，使城区地面粗糙度大，一方面使风速减小，从而降低了污染物扩散速率，加重了大气污染；另一方面在风速较大时，更易产生机械湍流，从而又加快了污染物的稀释扩散。
其次，因为城市能源消耗量大，水分蒸发蒸腾作用比农村小；城市污染源和污染物多，空气吸收长波辐射较强，有效辐射小；城市风速比农村小。因此就形成了城市气温比周围农村高的现象称为城市“热岛效应”。城市“热岛效应”的强弱与城市的规模、性质、建筑物布局、绿地及水域面积、气候及地理位置等因素有关。目前我国城乡间年平均气温差约为0.6～1.3℃。
由于城市“热岛效应”使城市的温度经常比农村高，市区上空暖而轻的空气上升形成一个低压区，市郊的冷空气就会从四周吹向市区形成“城市风”。在市区上升的气流流至郊区又在周围农村下沉，这样就形成了“城市热岛环流”。由于城乡间温差最大值，出现在夜间到早晨，所以城市大气污染夜间至早晨最为严重。
（三）影响大气污染的其它因素
影响大气污染的因素还有天气形势、辐射与云量，污染源排放强度和高度等。其次，污染物的性质、成分，污染源的几何形状及排放方式等均对大气污染有一定影响。
第二节 大气污染对农业生产的影响
我国大气污染形势虽在少数大中城市有所控制，但就全国而言，还在继续发展。特别是随着乡镇企业的蓬勃兴起，使广大农村原本较好的空气质量日渐恶化，对农业的威胁和影响越来越大。据《中国环境保护21世纪议程》中资料报道，我国大气污染仍属煤烟型，主要污染物为降尘（粉尘和烟尘）和二氧化硫，酸雨发生频率和面积也正在扩大。从对农业环境的影响和危害来看，二氧化硫、氟化物及酸雨等污染物更为突出，是本节的重点。
一、二氧化硫二氧化硫是当前我国主要的大气污染物之一。随着工业化的发展，煤炭消耗量的增加，二氧化硫的排放量正以每年5%的速度增长。由于二氧化硫对植物的毒性强，污染源分布面广，排放量大，对植物的危害相当严重。因此受到国内外研究者的普遍重视。
大气污染对植物造成的危害，一般分为用肉眼可以明显判断的可见症状危害和不可见症状危害。根据症状出现的快慢，可分为急性危害和慢性危害。
急性危害是在污染物浓度高（一般在mg／m3级），接触时间短，植物暴露几小时或几天之后叶片的边缘或叶脉间出现水渍状暗绿色斑块，干燥后一般呈浅黄或白色斑块，也有植物显示棕色或红色斑块，而且叶片出现症状的部分与未受害部分之间界限分明如刀刻状。
慢性危害是指植物长期或重复地暴露在污染物浓度较低的条件下，接触几十天后，植物才表现出失绿、早衰、生长缓慢等症状叫慢性危害。由于慢性危害是因长期暴露引起的叶组织内硫酸盐的缓慢积累所致，也称“硫酸盐伤害”。慢性伤害症状最初表现为叶片由绿变黄，进而导致叶绿体膜破坏、叶绿素数量减少，在叶脉间出现失绿的漂白斑点，至危害后期，叶脉褪色枯死。叶片中积累的硫可达正常含量的5～10倍。所以在鉴定大气二氧化硫污染危害时，测定叶片内水溶性硫的含量能较好地反映二氧化硫污染情况。
二、氟化物在我国，氟化物对农业生产和生态环境的影响仅次于二氧化硫。据估计，目前我国氟化物年排放量约30多万吨，主要来源于燃煤、冶金、建材、磷肥、炼铝等，特别是以建材为主的乡镇企业发达的农村，大气氟污染比较严重。气态氟化物（HF、SIF）毒性很强，比SO2对植物的毒性大数十倍，而且具有在生物体内累积为害的特点，并可通过食物链危害人、畜。
氟化物危害植物的典型症状是在幼叶、幼芽的尖端和叶缘部分出现坏死斑。这是因为氟化物从叶片气孔侵入叶片组织后不参与代谢过程而随水分运动流向叶片的尖端和边缘，并在这些部位逐渐积累，当达到或超过植物的最大容许量时，叶尖、叶绿就会出现伤害症状。不论急性、慢性危害，其症状基本相同。受害初期叶尖和叶绿呈现水浸渍状，再逐渐失绿变黄，最后出现褐红色伤斑，而且受害部位与正常组织之间有一条明显的红棕色或深褐色界线。坏死组织经常破裂并脱落，严重时伤斑从叶绿向较大的叶脉间发展，向叶的中基部延伸，出现整个叶片失绿、坏死脱落。
三、酸雨对植物及农业生态环境的影响所谓“酸雨”是酸性沉降物的总称，它既包括PH<5.6的雨、雾、雪、霜、露等，也包括气态及固态的酸性污染物（SO2及酸性颗粒物）。
酸雨已成为当今世界重要的环境问题之一。本世纪70年代酸雨主要发生在工业发达的欧美地区，近年来的研究证明我国也存在酸雨危害问题。从降水化学组成看，我国酸雨组成中SO2所占比例最高，达70%～90%左右，比美国、日本降水平均高2～6倍，NO3－则较低；NH４＋、Ca２＋、Mg２＋浓度也比美国酸雨区高出5～10倍。
目前酸雨引起植物叶片的可见伤害症状都是在人工模拟酸雨试验条件下产生的，而且出现可见伤害症状的模拟酸雨PH值多在1.5～2.0左右。伤害症状多出现在叶脉附近的毛状体和气孔相邻的表皮细胞中，呈现微小失绿的枯死斑点。大量研究结果认为，除极少数地区的强酸性酸雾外，目前酸雨的酸度还很难对植物造成直接伤害，因此把PH4.0作为敏感植物产生可见伤害症状的最高PH值。
第四节 大气污染的防治
我国大气污染属煤烟型污染，主要污染物为烟尘和SO2。这与我国的能源结构以煤炭为主，工业布局不合理，燃烧器陈旧，工艺落后，能耗高等特点有关。因此要减少烟尘和SO2等大气污染物的排放量及其危害，必须采取以污染源控制、治理为主，强化大气质量管理，选育优良抗污染作物品种，开展植树造林等综合防治措施。
一、大气污染的控制
（一）工业合理布局工业布局是否合理与大气污染有密切关系。工业过分集中的地区，大气污染物排放量过大而不易被稀释扩散；相反，分散合理的工业布局，将有利于污染物的稀释扩散。实现工业合理布局主要从两方面来抓：一是新建、扩建企业必须实行环境影响评价制度；二是对布局不合理的老企业实行关、停、并、转、治、迁等改造政策，逐步实现工业企业的合理布局。
（二）改革燃料构成和开发新能源
在有条件的城市，要逐步推广使用天然气、煤气、石油液化气；选用低硫煤、脱硫煤制作型煤等清洁固体燃料或炊事电气化；改善燃料品质，开发利用太阳能、氢能、地热能等新能源；以代替煤炭减少污染。在广大农村要大力推行沼气发酵，提高生物能的利用率，解决群众的燃料问题，减少煤炭用量和污染。
（三）逐步实现城市区域集中供热
分散于干家万户的炉灶和市区密集低矮的烟囱是大气烟尘的主要污染源。特别是北方城市冬季取暖用煤量往往超过工业用煤量。采用大院式锅炉、电厂、工业余热、地热等集中供热，取代目前一家一户分散使用的煤炉和工厂的小锅炉。这样既节省能源又能减轻燃煤污染。此外，供热烟囱高大，有利于烟气的高空排放和高效除尘器及脱硫装置的使用；能提供热能利用率，减少燃料运输量等。现在世界上已有20多个国家实现城市区域集中供热，市内基本无烟囱，烟尘危害极少。
（四）高烟囱排放
据测定地面污染物浓度与烟气排放高度的平方成反比，所以提高烟囱高度与减轻地面大气污染物浓度的有效措施。烟囱越高越有利于烟气的扩散稀释。另外，集合式烟囱排放也是提高排烟有效高度的一种方法。就是将几个排烟设备集中到一个烟囱中排放，以此提高烟气温度、排放速度，从而增加排放有效高度。但随着排放高度的增加，污染物扩散的范围更大，虽能使局部地区污染物浓度降低，减轻危害，但并没有从根本上解决污染问题。
二、主要大气污染物治理技术
（－）消烟除尘技术
是指烟尘等固体颗粒物在排放到大气中之前，采用除尘装置将其除掉，以减少大气污染程度。目前使用的除尘装置大致可分为机械除尘器、湿式洗涤除尘器、袋式滤尘器和静电除尘器等四类。
1.沉降除尘室 利用重力和离心力将尘粒从气流中分离出来，达到净化的目的。能除去直径大于40 um的尘粒。它设备最简单、价廉、操作维修方便。使烟气通过一个沉降室，在重力作用下沉降下来，一般作为较大尘粒的预处理装置。
2.旋风式除尘器 气体在分离器中旋转，烟尘颗粒在离心力作用下被甩到外壁沉降到分离器底部，气体从顶部逸出而被分离。对直径大于5um的尘粒去除效率可达50%～80%。适宜于一般工业锅炉使用。
3.湿式洗涤除尘器 是一种用喷水法将尘粒从气体中洗离的除尘器。对直径大于2um的尘粒去除效率可达90%左右。缺点是压力损耗大，用水量大，有污水处理问题。
4.袋式滤尘器 对直径1um的尘粒去除率达100%。含尘气体通过悬挂在袋室上的织物过滤袋而被除掉。这种方法除尘效率高，操作简便，适合于含尘浓度低的气体。其缺点是占地多、维修费用高，不耐高温高湿气流。
5静电除尘器 其原理是利用尘粒通过高压直流电吸收电荷的特性而将其从气流中除去。带电颗粒在电场作用下，向接地集尘筒移动，借助重力把尘粒从集尘电极上除掉。这种除尘器的优点是对粒径很小的尘粒具有较高的去除效率，耐高温，气流阻力小，除尘效率不受尘粒浓度和烟气流量的影响，是当前发展的新型除尘设备。缺点是投资费用高、占地大、技术要求高。
（二）二氧化硫治理技术
1.煤炭洗选脱硫 是在煤炭燃烧前用水冲洗煤炭，使其中的无机硫被洗除。通过洗选，可将煤中含硫量40%～60%无机硫脱去，同时也降低了煤的灰分，提高了煤炭的质量和热能利用率。
2.发展型煤 是将原煤经过洗选、破碎、分筛、加入粘合剂、添加剂、固硫剂、成型等加工过程制成的一种固体清洁燃料。我国用型煤的锅炉烟气中SO2减少40%一45%，烟尘减少50%～90%。
3.烟气脱硫 一般燃烧煤和石油的烟气中SO2含量在0.5%～1%左右，含硫量较低，烟气量大而温度高。目前烟气脱硫方法分为干法与湿法两类。
（l）干法 采用粉状或粒状吸收剂或催化剂来脱除烟气中的SO2。一般用活性炭和金属氧化物作吸收剂来吸收SO2。其优点是流程短、无污水、废酸排出，且脱硫后烟气温度降低少，利于扩散。缺点是脱硫效率低，技术要求高。
（2）湿法 采用液体吸收剂洗涤烟气，以除去SO2。一般是用5%～10%的石灰乳或氨水溶液作吸收剂进行脱硫。脱硫率高达80%～95%，设备小，操作容易，但脱硫后烟气温度较低不利于烟囱排气的扩散，需将烟气再加热到100℃以上向外排放。
三、大气环境质量管理除从技术上对大气污染进行治理控制，还应通过制订、贯彻环境保护方针政策，建立健全环境保护法规、标准，运用行政、法律、经济、技术等手段强化大气质量管理。限制污染物的排放，调整和控制污染物排放总量使其不超过大气环境的净化能力，从而使大气污染问题得到解决。
四、农业措施
（一）选育栽培抗污染优良品种在工矿企业周围推广抗污染的优良品种，搞好作物布局，品种搭配，以减轻或避免大气污染对农作物的危害。
（二）绿化造林
植物有过滤、吸收、阻滞各种有毒有害气体污染物和净化空气的功能，树木尤为显著。所以绿化造林是防治大气污染比较经济有效的措施。城市应保持一定比例的绿地面积，农村应大力营造各种防护林，以起到净化和缓冲大气污染的作用。