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中国大气污染现状与防治技术综合分析

2015-7-29 23:22:31点击:
【摘要】大气的污染物,无论是颗粒状污染物或是气体状污染物,都有能够在大气中扩散、污染面广的特点,这就是说,大气污染带有区域性和整体性的特征。正因为如此,大气污染的程度要受到该地区的自然条件、能源构成、工业结构和布局、交通状况以及人口密度等多种因素的影响。在本文以后所论述的各种治理技术只是对点污染源排放的污染物进行治理,不能解决区域性的大气污染问题。对于区域性大气污染问题,必须通过采取综合防治的措施加以解决。所谓大气污染的综合防治,就是从区域环境的整体出发,充分考虑该地区的环境特征,对所有能够影响大气质量的各项因素作全面、系统的分析,充分利用环境的自净能力,综合运用各种防治大气污染的技术措施,并在这些措施的基础上制定最佳的防治措施,以达到控制区域性大气环境质量、消除或减轻大气污染的目的。


【背景】 中国城市化和工业化的快速发展与能源消耗的迅速增加,给中国城市带来了很多空气污染问题.20世纪70年代期间,煤烟型污染排放成为中国工业城市的特点;80年代,许多南方城市遭受严重的酸雨危害;近年来,汽车尾气排放的NOx、CO及随后形成的光化学烟雾,使得许多大城市的空气质量恶化.城市空气污染影响着城市居民的健康和城市的发展.为控制空气污染和保护大气环境质量,我国政府已经实施了许多规划.


大气污染综合防治涉及面比较广,影响因素比较复杂,一般来说,可以从下列几个方面加以考虑。

一、大气综合防治
(1) 全面规划,合理布局

    大气污染综合防治,必须从协调地区经济发展和保护环境之间的关系出发,对该地区各污染源所排放的各类污染物质的种类、数量、时空分布作全面的调查研究,并在此基础上,制定控制污染的最佳方案。

工业生产区应设在城市主导风向的下风向。在工厂区与城市生活区之间,要有一定间隔距离,并植树造林、绿化、减轻污染危害。对已有污染重,资源浪费,治理无望的企业要实行关、停、并、转、迁等措施。


(2) 改善能源结构,提高能源有效利用率




    我国当前的能源结构中以煤炭为主,煤炭占商品能源消费总量的73%,在煤炭燃烧过程中放出大量的二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOX)、一氧化碳(CO)以及悬浮颗粒等污染物。因此,如从根本上解决大气污染问题,首先必须从改善能源结构入手,例如使用天然气及二次能源,如煤气、液化石油气、电等,还应重视太阳能、风能、地热等所谓清洁能源的利用。我国以煤炭为主的能源结构在短时间内不会有根本性的改变。对此,当前应首先推广型煤及洗选煤的生产和使用,以降低烟尘和二氧化硫的排放量。

    我国能源的平均利用率仅30%,提高能源利用率的潜力很大。我国有20余万台锅炉,年耗煤2亿多吨,因此,合理选择锅炉,对低效锅炉的改造、更新、提高锅炉的热效率,能够有效地降低燃煤对大气的污染。
(3) 区域集中供热

    分散于千家万户的燃煤炉灶,市内密集的矮小烟囱是烟尘的主要污染源。发展区域性集中供暧供热,设立规模较大的热电厂和供热站,用以代替千家万户的炉灶,是消除烟尘的有效措施。这样还具有以下各项效益:①提高热能利用率;②便于采用高效率的除尘器;③采用高烟囱排放;④减少燃料的运输量。

(4) 植树选林、绿化环境

  绿化造林是大气污染防治的一种经济有效的措施。植物有吸收各种有毒有害气体和净化空气的功能。植物是空气的天然过滤器。茂密的丛林能够降低风速,使气流挟带的大颗粒灰尘下降。树叶表面粗糙不平,多绒毛,某些树种的树叶还分泌粘液,能吸附大量飘尘。蒙尘的树叶经雨水淋洗后,又能够恢复吸附、阻拦尘埃的作用,使空气得到净化。


二、颗粒污染物的治理


1、颗粒污染物的分类


  大气中的烟尘主要是由于固体燃料(煤)的燃烧产生的。我们根据烟尘(颗粒污染物组成)的特性,可以将其分为粉尘、烟和雾三种类型。


2、颗粒污染物的去除方法及设备


    去除大气中颗粒污染物的方法很多,根据它的作用原理,可以分为下列四种类型:
①干法去除颗粒污染物
    通过颗粒本身的重力和离心力,使气体中的颗粒污染沉降,而从气体中去除的方法,如重力除尘、惯性除尘和离心除尘。常用的设备有重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器等。


②湿法去除颗粒污染物


    用水或其他液体使颗粒湿润,而加以捕集去除的方法。如气体洗涤、泡沫除尘等。常用的设备有:喷雾塔、填料塔、泡沫除尘器、文丘里洗涤器等。
③过滤法去除颗粒污染物


    使含有颗粒污染物的气体通过具有很多毛细孔的滤料,而将颗粒污染物截留下来的方法,如填充层过滤、布袋过滤等。常用的设备有颗粒层过滤器和袋式过滤器。
④静电法去除颗粒污染物
    使含有颗粒污染物的气体通过高压电场,在电场力的作用下,使其去除的过程。常用的设备有干式静电除尘器和湿式静电除尘器。

选择哪一种方法去除颗粒污染物,主要从颗粒污染物的粒径大小和数量以及操作费用等方面来考虑。一般情况下,较大颗粒(数十微米以上)宜于采用干法,而细小颗粒(数微米)则以采用过滤法和静电法为宜。
三、气态污染物的治理

1.吸收法

吸收是利用气体液体中溶解度不同的这一现象,以分离和净化气体混合物的一种技术。这种技术也用于气态污染物的处理,例如从工业废气中去除二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOX)、硫化氢(H2S)以及氟化氢(HF)等有害气体。
吸收可分为化学吸收和物理吸收两大类。化学吸收,被吸收的气体组分和吸收液之间产生明显的化学反应的吸收过程。从废气中去除气态污染物多用化学吸收法。例如用碱液吸收烟气中的SO2,用水吸收NOX等。物理吸收,被吸收的气体组分与吸收液之间不产生明显的化学反应的吸收过程,仅仅是被吸收的气体组分溶解于液体的过程。例如用水吸收醇类和酮类物质。
在吸收法中,选择合适的吸收液至关重要,在对气态污染物处理中,是处理效果好坏的关键。用于吸收气态污染物质的吸收液有下列几种:


    ①水,用于吸收易溶的有害气体。


    ②碱性吸收液,用于吸收那些能够和碱起化学反应的有害酸性气体,如SO2、NOX、H2S、等。常用的碱吸收液有:氢氧化钠、氢氧化钙、氨水等。


    ③酸性吸收液,一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)气体能够在稀硝酸中溶解,而且其溶解度比在水中高得多。




    ④有机吸收液,用于有机废气的吸收,洗油、聚乙醇醚、冷甲醇、二乙醇胺都可作为吸收液,并能够去除酸性气体,如H2S、CO2等。


目前在工业上常用有吸收设备有表面吸收器、板式塔、喷洒塔、文丘里塔等。
2.吸附法
(1)概述


  吸附是一种固体表面现象。它是利用多孔性固体吸附剂处理气态污染物,使其中的一种或几种组分,在固体吸附剂表面,在分子引力或化学键力的作用下,被吸附在固体表面,从而达到分离的目的。


  常用的固体吸附剂有骨炭、硅胶、矾土、沸石、焦炭和活性炭等,其中应用最为广泛的是活性炭。活性炭对广谱污染物具有吸附功能,除CO、SO2、NOX、H2S外,还对苯、甲苯、二甲苯、乙醇、乙醚、煤油、汽油、苯乙烯、氯乙烯等物质都有吸附功能。
(2)吸附设备


  用于净化气态污染物的吸附设备,与废水处理中的设备相同,可分为固定床、移动床和流化床三种。
(3)吸附法在气态污染物处理中应用举例——有机物废气的吸附净化




某些化工厂在生产过程中产生对人体有害的有机蒸气。采用活性炭吸附法能够较好地净化有机废气,还能够回收有用的物质。


    本法工艺简单、效率高,并可回收纯度较高的有机物质。以活性炭为吸附剂能够从废气中回收很多物质,如汽油、石油醚、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇以及二氯乙烷、二氯丙烷、芳香烃等。
    本法可使废气中的有机溶剂回收率达80%~90%,如采用串联操作,回收率将更高。


    除吸收法、吸附法外,用于气态污染物处理的技术还有冷凝法、催化转化法、直接燃烧法、膜分离法以及生物法等。吸收法和吸附法是应用最为广泛的两种方法。


四、汽车尾气污染及其治理

1.概述


汽车是一种高效的现代化交通工具, 它提高了人们的出行效率, 促进了生产的发展, 方便了人们的生活。但汽车又是一种流动污染源。汽油车的主要污染物成分是CO、HC、NOx以及碳粒等。汽车排放大量的污染物,使环境付出了沉重的代价,它给人类带来难以估计的损失。据资料介绍,城市街道上的车流量在每小时1000~2000辆时,CO、HC和NOx这三种有害气体占全部有害气体的80%~90%以上。
2.汽车排放主要污染物的来源、种类及其危害

  当燃料在发动机汽缸里进行燃烧时,由碳、氢、氧组成的液体石油燃料完全燃烧后生成的是二氧化碳(CO2),水蒸汽(H2O),氮气(N2)和过量的氧气(O2)。这几种气体在正常情况下被认为是无害的。但是,内燃机所用的燃料往往都含有其它杂质与添加剂,且内燃机的燃烧总是不完全的,再加上发动机工作过程中的其它原因,使发动机的排气成分中还含有一定量的一氧化碳(CO),碳氢化合物(HC),氮氧化物(NOx),二氧化硫(SO2),微粒物质(铅化物、碳烟、油雾等)与臭气(甲醛、丙烯醛等)有害排放物。它们的部分是有毒的,有些还带强烈刺激性,有臭味,甚至有些有致癌作用。这些由汽车排出的CO、HC、NOx和碳烟、微粒等正是造成大气污染的主要物质。这几种有害成分随不同的发动机型与运转条件均有所变化。

    汽车排放污染物主要来源于三个部位:排气管排气、曲轴箱窜气和燃料蒸发。其比例为:
-CO 99%

- 排气管排气 -HC 55%

- 排放污染物- -Pb、碳粒 100%


- 曲轴箱串气- HC 25%、CO1%、NOx 1%

- 燃油蒸发-HC 20%

据有关资料统计,每千辆汽车每天排出的CO量约为3000kg,HC化合物约200~400kg,NOx约为50~150kg,平均每燃烧1吨燃油生成的有害物质达40~70 kg。由于污染物排放区域恰为人们呼吸带区,因此对人体健康威胁很大。
(1)一氧化碳 (CO) 


一氧化碳(CO)是汽油机有害排放物中浓度最高的一种成分,城市大气中的一氧化碳大部分都来自汽车排气,它是燃油燃烧不充分的产物,车速越慢,交通堵塞越严重,排放量越多。它是无色、无刺激的有毒气体。一氧化碳经人呼吸进入肺部,被血液吸收后,能与体内血红蛋白结合成一氧化碳-血红蛋白。一氧化碳与血红蛋白的亲和力比氧与血红蛋白的亲和力要大250倍。一氧化碳-血红蛋白一经形成,离解很慢,容易造成低氧血症,因而导致组织缺氧。当大气中的一氧化碳浓度达到70~80ppm以上时,人在接触几小时以后,一氧化碳-血红蛋白含量为20%左右时,就会引起中毒,当含量达60%时,即可因窒息而死。
(2)碳氢化合物(HC)
各种碳氢化合物总称为烃类,汽车发动机排气中所含的烃类成分有百余种之多,但其浓度总量比一氧化碳要少。碳氢化合物中大部分对人体健康的直接影响并不明显,但从汽车排气成分的检测中得知,在排出的碳氢化合物中含有少部分醛类(甲醛、丙烯醛)和多环芳烃(苯并[a]芘等)。其中甲醛与丙烯醛对鼻、眼和呼吸道黏膜有刺激作用,可引起结膜炎、鼻炎、支气管炎等症状,它们还有难闻的臭味。苯并[a]芘被认为是一种强致癌物质。加上烃类还是光化学烟雾形成的重要物质,因此碳氢化合物排放的危害性是不可忽视的。
(3)氮氧化物(NOx)






汽车发动机排出的氮氧化物主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2),总称NOx。大气中的氮氧化物和碳氢化合物在未发生光化学反应以前,单独存在时也能产生一些直接危害。NOx中的NO与血液中血红蛋白的亲和力比CO还强,通过呼吸道及肺进入血液,使其失去输氧能力,产生与CO相似的严重后果。NO很易氧化成剧毒的NO2,进入肺脏深处的肺毛细血管,引起肺水肿,同时还能刺激眼黏膜,麻痹嗅觉。NO2单独存在时是一种棕色气体,有特殊的刺激性臭味,被吸入肺部后,能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸,严重时会引起肺气肿。如大气中的NO2达5ppm,就会对哮喘病患者有影响,若在100~150ppm的高浓度下连续呼吸30~60分钟,就会使人陷入危险状态。此外,即使是NOx的浓度很低,也会对某些植物产生不良影响。


(4)微粒




汽车排气中的微粒,主要有作为抗爆剂加入到汽油中的四乙基铅经燃烧后生成的铅化物微粒以及燃料不完全燃烧生成的碳烟粒等。铅化物扩散到大气中对人体健康十分有害,当人们吸入这种有害物并积累到一定程度时,铅将阻碍血液中的红血球的生长与成熟,使心、肺等发生病变,侵入大脑时则引起头痛,出现一种精神病的症状。当血液中含铅量超过80μg/100mL时,随着血液中红血球状态的变化,会出现四肢肌肉麻痹、严重腹痛、脸色苍白以至死亡等典型铅中毒症状。此外,铅化物还会吸附在催化剂表面,使催化剂“中毒”从而降低催化剂的净化效果,并显著缩短其使用寿命。


碳烟的危害不仅在其本身对人的呼吸系统有害,而且因为碳烟粒的孔隙中往往吸附着二氧化硫及有致癌作用的多环芳烃如苯并[a]芘等。微粒对人体健康的影响,除了与浓度有关外,粒子的直径及其化学性质起决定作用,5μm以下的粒子可以进入呼吸道,3μm以下的粒子可以沉积在肺细胞内,引发肺病变,粒子携带的苯并[a]芘是强致癌物质,可引发癌症。
(5)光化学烟雾


  光化学烟雾是由汽车和工厂排出的碳氢化合物和氮氧化物在阳光作用下,在波长4000×10-10m以下的紫外线区进行一系列的光化学反应,生成臭氧(O3)和过氧化乙酰硝酸盐(PAN)等光化学过氧化产物以及各种游离基、醛、酮等成分,形成一种毒性较大的浅蓝色烟雾。在光化学氧化产物中,臭氧是一种强的氧化剂,在0.1ppm浓度时就具有特殊的臭味。并可达到呼吸系统的深层,刺激下气道黏膜,引起化学变化,其作用相当于放射线,使染色体异常,使红血球老化。PAN、甲醛、丙烯醛等产物的人眼睛、咽喉、鼻子等有刺激作用,其刺激域值约为0.1ppm。此外,还发现光化学烟雾能促使哮喘病患者哮喘发作,能引起慢性呼吸系统疾病恶化,长期吸入氧化剂能降低人体细胞的新陈代谢,加速人的衰老。并且,光化学氧化产物中的臭氧和过氧化乙酰硝酸盐都能使植物受害,臭氧具有极强的氧化力,能使植物变黑、橡胶开裂;动物在1ppm臭氧浓度下4小时就会出现轻度肺气肿。过氧化乙酰硝酸盐的毒性介于NO和NO2之间。


3 汽车排气污染的控制与净化技术




根据中国环境保护远景目标纲要,重点城市应达到国家大气环境质量二级标准。为尽快改善城市环境空气质量,在控制城市固定污染源排放的同时,根据各城市大气污染分担率的特点,应加强的流动污染源的控制力度,尤其要加强重点城市机动车污染排放的控制力度。为此制定了相关的排放法规和标准。 具体计划是:轻型汽车在200年达到欧洲第一阶段控制水平。重型车和摩托车2001年前后达到欧洲第一阶段控制水平,2005年前后达到欧洲第二阶段控制水平;2010年前后重点地区和重点企业争取与国际接轨。国家环境保护总局组建的新生产车监督检测网,将对新车实行监督性检测。达不到排放标准的依照《大气污染防治法》,不准生产、进口和销售。




机动车控制工作是一项涉及多部门,多方面的系统工程,除了加强法规要求和执法力度外,机动车控制技术的进步是根本的物质保证。经对国内外成功经验的总结,结合我国的实际情况证明:在汽油车上通过使用电子控制燃油喷射和点火系统,配装氧传感器实现闭环控制发动机工作,同时安装排气三效催化转化器是大幅度降低汽油车排放污染物的有效手段,1998年9月国务院决定自2000年1月1日起,汽车制造企业生产的所有汽车都要适合使用无铅汽油。新生产的轿车要采用电子控制燃油喷射装置并安装排气净化三效催化转化器。
(1〕 三效催化转化器
三效催化剂是一种当发动机在近似理论空燃比下运转时,同时具有净化排气中CO、HC和NOx能力的催化剂。在催化反应过程中,废气中的CO和HC将NOx还原成氮气等;同时CO、HC被氧化成CO2和H2O。
三效催化剂的空燃比必须保持在最佳的范围内,如图7-1所示,在浓的一侧,会降低HC和CO的转化率;在稀的一侧,NOx的转化率急剧下降;在
空燃比附近三种成分均在高转化率,这范围越宽广越好,也就是说即使理论空燃比变动较大时,还具有高的三效转化效果,这种使用范围是理想的。但要使发动机的每个缸都在理论空燃比条件下运行是不太可能的。为改善这种情况,发动机制造厂开发和生产了在接近理论空燃比运行的电子控制汽油喷射和闭环反馈系统。 电子控制汽油喷射系统是由微机控制系统与三效催化剂结合在一起,用氧传感器检出排气中的氧浓度,向微机输出一个随氧浓度变化的电信号,微机根据设定好的程序,按理论空燃比自动控制进气混合比。A/F控制范围是由三效催化剂的氧化还原的特性决定的。
发动机制造厂开发和生产了在接近理论空燃比运行的电子控制汽油喷射和闭环反馈系统。比化油器供油优越。它可以采用较稀的混合气, 其动力性、经济性和排放性能都比同类化油器式发动机好, 是当前综合解决节能和减少排气污染最有效的措施。电子控制系统和三效催化系统实现了对发动机工作过程和排放的控制, 是机内和机外净化方法的结合, 可保证在低排放水平的基础上充分提高发动机的经济性和动力性。使用催化净化器,绝对禁止使用有铅汽油,因为铅能使贵金属催化剂“中毒”而失去活性,影响催化剂的使用寿命;另外,汽车润滑油中的磷和汽油中硫等杂质都有可能影响催化剂的性能。
(2)改进和提高燃料质量


油品质量的降低车辆污染物的排放,保证发动机及其排放控制系统正常工作十分重要。提高燃料质量,改变燃料构成,也是强化燃烧过程,降低排气中有害物质含量的有效措施。国家环境保护总局于1999年6月发布了《车用汽油有毒物质控制标准》,车用汽油中对生态环境和人体健康有直接毒害的、或对汽车发动机和排放控制装置有害、造成汽车排放状况恶化的9类物质(苯、烯烃、芳烃、锰、铁、铜、铅、磷、硫)含量将按照相关指标进行控制。


(3)推广使用清洁燃料汽车


  清洁代用燃料汽车的开发和普及应用,为防治机动车污染开辟了新的途径。为达到更严格的排放标准,世界各国汽车制造商都在努力积极地研究开发各种低污染代用燃料汽车:天然气汽车、液化气汽车、甲醇汽车、乙醇汽车、生物燃料汽车、多种灵活燃料汽车、氢燃料汽车、电动汽车、太阳能汽车等等。其中尤以天然气汽车和液化石油气汽车最为成熟并在一些国家普及,成为很有实用价值的清洁燃料汽车。目前我国已有哈尔滨、长春、沈阳、北京、乌鲁木齐、西安、上海、福州、广州、深圳、广东省南海市、四川省、重庆、香港等地区推广使用天然气汽车和液化气汽车。并将公共汽车和出租汽车这类运营线路相对固定、行驶时间较长的车辆作为发展清洁燃料汽车中的重点。
【小结】 究竟是国民健康第一?还是经济协调优先?简简单单的一句话给世人以警醒:注意发展经济的同时,也要注意健康问题。目前大气遭受着严重的污染,给人们的生活和身体健康带来了严重的危害,我们必须采取有效的措施,加强和提高人们对环境的保护意识,从我做起,还自己一个清新、干净和安全的生活环境。
【参考文献】 
①作者:何斌;谭界中  文章:中国学术期刊  1998年S1期
②作者:张继娟;魏世强  文章:我国大气污染现状和特点  2006年25卷3期
③作者:苑中显  文章:我国能源状况与发展对策  中国冶金期刊 2005年5期
④作者:刘连友;郭兰兰;吕艳丽 文章:我国南北方城市空气质量对比分析 环境保护科学期刊 2008年4期
⑤作者:刘伟  文章:浅谈我国城市大气污染 硅谷期刊 2008年19期
⑥作者:周娜  文章:城市大气污染的治理途径 科教导刊 2009年9期