大气污染及其对健康的影响

市政环境工程学院 张鹏飞

摘要：水污染，大气污染，固体废弃物污染是环境污染中三个主要的组成部分。其中大气污染具有公认的污染范围广，影响程度深，治理难度大等先天性条件，是三大污染中最难以解决与根治的部分。本文将以大气污染为中心点，围绕污染的形成，扩散，影响，治理方法行文，探讨大气污染对人民生产生活的影响。

关键词：大气污染；健康；治理；影响

一、绪论

1.立论背景

大气是人类赖以生存的最基本的环境要素之一，任何生物从它诞生之日起，就需要通过呼吸维持生命，停止呼吸就意味着生命的终结。随着人类生产和生活活动的发展，当它对大气产生的影响超过其自净能力时就会对大气造成污染。

中国自改革开放起，国民经济飞速发展，在三十年中完成了西方两百年的跨越式前进。然而，伴随着经济总量的极速提升，中国环境的状况也极速恶化。但是，传统模式下的生产力的提高在驱动经济增长和为企业带来利润的同时，却使我们的地球家园变得千疮百孔，不堪重负。水污染，大气污染，固体废弃物污染是环境污染中三个主要的组成部分。其中大气污染具有公认的污染范围广，影响程度深，治理难度大等先天性条件，是三大污染中最难以解决与根治的部分。本文将以大气污染为中心点，围绕污染的形成，扩散，影响，治理方法行文，探讨大气污染对人民生产生活的影响。

2.论文内容组成

本文以论文格式撰写，包括绪论、论述（论点）、结论及主要参考文献等部分。

绪论包括立论背景、论文内容组成。

论述（论点）部分包括大气污染的种类及对人类健康的影响，大气污染物及污染的形成、城市大气污染特点、部分大气污染物的治理。

结论部分包括结论、引申。

主要参考文献部分将列举本文主要的参考文献。

二、论述（论点）

1.大气污染的种类和对人类健康的影响

（1）还原型大气污染—伦敦烟雾型

著名的伦敦烟雾事件，由于大量使用煤炭燃料，煤炭燃烧过程中释放的大量颗粒物、二氧化硫和二氧化碳，在低温、潮湿的静风天气下，形成了含有硫酸和硫酸盐的气溶胶，在近底层聚集，严重危害人类的呼吸系统，其造成的危害自然是不言而喻的。

（2）氧化型大气污染—洛杉矶光化学烟雾

汽车尾气、燃油锅炉及石化工业所排放出的氮氧化物、甲烷及一氧化碳，在高温、干燥的静风天气下发生光化学反应，产生臭氧、PAN、醛类等具有强氧化性的气体或离子，刺激人的眼睛、喉粘膜等，严重危害人类健康。

（3）混合型大气污染—日本四日市大气污染

在工业中心城市，由企业、汽车尾气等排放的二氧化硫、粉尘、氮氧化物及各种重金属微粒在静风的天气下，在近底层聚集，吸入肺部、刺激人体呼吸道，引起肺气肿、气管炎、哮喘等。

（4）特殊性大气污染—小区域局部地区

大的工业、企业在生产过程中发生事故，导致特殊气体的大量排放，造成局部小范围的大气污染。

1976年，意大利一家农药厂发生事故，四氯联苯大量泄露。

我国煤炭产量居世界之首,在一次能源中煤炭约占74%,其中转换成清洁方便电能的仅占23%。对于北方城市而言,天气寒冷,越冬期长,需要消耗大量煤炭以维持供热、生产,在煤炭的燃烧过程中排放大量烟尘、SO2、NOX等污染物从而造成煤烟型污染。即还原型大气污染。我国大气污染的主要形式，即还原型、煤烟型污染。煤烟型污染在北方，尤其在京津冀地区以PM2.5等悬浮颗粒物为影响环境质量的主要污染物，在该地区形成雾霾。在南方，以SO2、NOX等污染物为影响环境质量的主要污染物，尤其在珠三角地区，形成酸雨构成污染。上述所有污染物，其主要来源即是煤炭燃烧产生的烟尘。因此提高环境质量,必须控制烟尘污染源排放。

2.大气污染物及污染的形成

本文针对中国的煤烟型污染为主要论述对象，其他种类的大气污染不再讨论。

（1）烟尘的形成

燃料的氧化是指碳颗粒或者碳氧化合物向燃烧产物的转变。氧化可以发生在从燃料裂解到烟尘聚集的任何一个阶段。烟颗粒的氧化在温度大于1300K时才发生。燃料的裂解是指有机物质的燃料在高温下,将其自身的分子结构改变,该过程没有氧气的作用。裂解是一个吸热过程,所以非常依赖高温条件。成核过程中,烟尘颗粒的先驱物质是气相反应阶段所形成的颗粒。烟尘颗粒是在燃料燃烧过程中所产生的一种含碳的固体颗粒,特别是在燃烧条件为富燃料时,所发生的聚合反应可生成这样的固体颗粒。烟尘颗粒是可以成核和成长的。

烟尘是煤在燃烧时排出的烟气中含有烟，烟黑、灰分、粒状浮游物质的混合物,是燃料燃烧时的必然产物。煤燃烧过程中产生黑烟。主要是由于燃料不完全燃烧造成的。燃料不完全燃烧主要是因燃烧时空气量不足,或炉膛尺寸不当、空气与煤混合不均匀和燃烧反应时间不够等原因造成的;另一种是机械原因造成不完全燃烧,它是由于炉膛温度低,通风不均匀等原因,使燃烧后形成的的灰渣及烟气中就含有大量的可燃物。若燃用煤颗粒愈细,产生灰分就愈多。粘性强的煤、细的烟尘粒子不易从煤层里飞出,烟尘量就少些。粉煤灰是降尘和总悬浮颗粒物的主要组分之一。

（2）硫化物的形成

锅炉排烟中含SO2的体积百分数一般0.11%～1.10%，为低浓度含硫废气，但其总量很大，而且排放量还在不断的增加。因此，锅炉的排烟对大气污染越来越严重。SO2中的硫处于中间价态+4价，它可以由低价态的S2-、S0氧化生成，也可以由高价态的S6+还原生成。如煤、油或矿物中的硫在燃烧中被氧化，硫磺制硫酸等工业过程中也会产生 SO2。大量的 SO2都来自于单质硫或硫化物的氧化。 S + O2= SO2煤燃烧时，硫化氢的氧化、金属硫化物的氧化、硫酸盐分解等过程都会产生SO2： 

2H2S +3O2→2SO2+2H2O 

MS + O2 → SO2 + MO 

MSO4 →SO2 + MO 

煤中含有的有机硫和无机硫在燃烧时被热分解出来,并在750℃时,90%以上硫为气态S2,它与氧化合生成SO2。如果炉膛内氧气较充分,其中一部分SO2被继续氧化成SO3,炉内生成的SO3与水蒸汽结合,成为硫酸蒸汽,从燃烧炉进入烟道冷却时,吸附在烟尘的粒子表面,使烟尘表面形成一层硫酸薄膜。附着在硫酸烟雾上的尘粒子,与废气同时从烟道通过烟囱直接排放到大气中。

（3）氮氧化物的形成

燃料中都有一定量氮,煤中氮含量一般为1～2%之间,还有燃料在燃烧过程中送进炉膛内空气中的氮。前者在燃烧过程中生成的NOX被称为燃料型NOX;后者生成的NOX是由于在高温下,空气中氮氧化物而成的,称为热力型氮氧化物。燃料型氮氧化物可分为由挥发物氮和焦炭氮生成NOX,其中挥发物释放时含有一定量NH3,则按下式进行反应:

NH3+O2=NOX+H2O

而焦炭氮则按正式反应:

焦炭N+O2=NOX

煤中含有一定量氮时,其NOX则主要由燃料氮产生,并且取决于燃料中含氮量。当煤含氧分多或足够空气存在时,挥发物释放阶段产生的NOX尤其多,焦炭阶段如果缺氧则不能生成NOX,故含量显著下降。因此低氧燃烧能有效控制焦碳阶段生成NOX。热力型NOX的生成按下式反应:O2+N2=NOX+ONOX的生成与温度关系十分密切,当燃烧温度低于1500℃时,几乎难以观测到热力型NOX,一般锅炉燃烧温度的条件下,热力型NOX生成量极少。当温度高于1500℃时,这一反应才变明显,随温度升高生成NOX急剧地增加,即石

油和天然气锅炉生成热力型NOX明显增加。氮氧化物是非常有害的物质,甚至在空气中存在很少的量也能对呼吸器官引起刺激作用。NO能与血液中血红蛋白结合,生成亚硝基血红蛋白和亚硝基高铁血红蛋白,从而使血液的输氧功能下降。所以吸入一氧化氮污染的空气后,会出现缺氧发绀。NO还会使中枢神经受损,使之痉挛和麻痹。NO急性中毒将导致肺水肿或窒息死亡。NO2损害人体的肺功能,经常接触可形成慢性肺气肿和肺纤维化NO2对肝脏等造血器官也有损害作用。

3.城市大气污染特点

（1）悬浮物含量高

（2）冬季比夏季污染更为严重。

（3）新兴城市和小城市大气污染日益严重。

（4）含菌量大.城市人均绿地面积小,人口密集,大气中细菌含量高。

（5）部分大城市污染转型。

4.部分大气污染物的预防与治理

4.1烟尘的治理

扩散到大气的烟尘很难通过化学方法去除，只能通过物理沉降，以及雨水凝结沉降的办法，所以在烟尘的处理方面一半从源头出发，即加装除尘器尽量去除烟尘。

4.2SO2、SO3的治理

氧硫化物进入大气后，将与大气形成稳定的溶液，极难去除，一般靠空气中的氧气在光催化条件下氧化二氧化硫变成三氧化硫。与雨水结合，形成酸雨与大地上的石灰岩或海洋中的珊瑚礁结合固定。因此，也是从源头上尽量降低硫氧化物的排放。工业上为了满足排放标准要求,在控制SO2方面先后开发研究了200余种工艺,但进入商业应用的也只有十余种,大多数尚在实验室或小规模试验。按燃料在炉内燃烧前后划分脱硫方式时可分为炉前、炉内和炉后脱硫三大类。

4.3.1炉前脱硫

有机械浮选法(MF),强磁分选法(HMS)和微波辐射法(MCD)等来脱除煤中无机硫。

4.3.2炉内脱硫

（1）燃烧固硫,在煤中加入燃烧催化剂和脱硫剂,如加有脱硫剂的型煤,从民用到工业

炉窑,特别是链条炉上燃用型煤来代替散煤。可使ηso2达到50%,在工业发达国家脱硫率可达86%左右。

（2）炉内喷钙脱硫(LI)

即往炉膛上部900～1 250℃区域喷入钙基脱硫剂,在燃煤含硫4%,Ca/S=1.6～2.5时,ηso2=31%～40%。在此基础上,又发展了炉内喷钙脱硫分段燃烧(LIMB),芬兰Tempell公司开发了炉内喷钙及炉后活化(LIFAC),美Edgewater电厂在再循环中放入硅酸钙吸收剂,提高了脱硫剂活性,Ca/S=2～3时,ηso2=95%。

（3）循环流化床脱硫(CFBC)

床温850～950℃适宜于喷钙脱硫,且旋风分离器分离收集的未反应脱硫剂循环送入床内继续脱硫。故脱硫率和钙利用率很高,Ca/S=1.5～2.0,ηso2≥90%,且燃烧效率高,故世界各国竞相开发。

4.3.1　炉后烟气脱硫(FGD)

(1)湿法烟气脱硫

主要有石灰/石灰洗涤法、双碱法、亚钠循环法、氧化镁法、水洗涤法和磷铵肥法(PAFP)等,其特点是脱硫反应速度快,效率可达90%以上,副产品再生和处理均在湿态下进行。有废水二次污染、腐蚀、结垢堵塞等问题,脱硫后需烟气再加热后排放。PAFP法利用磷矿石制得磷铵,通过二次脱硫,不但ηso2在95%以上,而且其副产品为很有应用效益的氮磷复合肥料(有效成分37%),显然比石膏法来得优越。

(2)喷雾干燥烟气脱硫(SAD)

同湿法相比,SAD投资少,耗能和腐蚀性小,系统相对简单,运行可靠,脱硫产物呈干粉状,可采用传统的灰渣处理系统。其缺点是固态物可能在吸附塔上沉积,雾化喷咀易堵和磨损,德国研究采用超声波雾化

(3)电子束照射法(ER)

该法由日本开发试验西方国家中试。将烟气中H2O和O2离解后生成的活性原子,它将SO2、NOX氧化后喷氨而生成的副产品为肥料,其工艺流程简单,可同时脱硫脱硝,无二次污染,但电耗太高,约占电厂发电量的10%

4.3NOX的治理

4.3.1湿法脱硝

（1）还原法

根据还原剂是否与烟气中的氧气发生化学反应,还原法分为选择性催化还原和非选择性催化还原两大类。

A选择性催化还原(SCR)

此法在国内外已得到广泛应用。实践证明,应用这种方法可以在较低的温度下取得高的NOX去除率,可达80～90%。但此法费用较大,因为它要求对烟道气进行预处理以防止催化剂中毒或降低催化的效率。其中应用最广的是应用NH3选择性催化还原法,即以NH3做还原剂,在各种催化剂的作用下,有选择性的将NOX催化还原为氮和水的过程。NH3不和烟气中的O2发生反应,但烟气中所含的O2能够强化NOX的还原反应。其反应可用下面方程式表示:

6NO+ 4NH3催化剂5N2+ 6H2O

6NO2+ 8NH3催化剂7N2+ 12H2

B非选择性催化还原(SNCR)

SNCR与SCR相比,除不应用催化剂外,基本原理和化学反应基本相同。SNCR通过在烟道气流中产生的氨自由基与NOX反应,达到去除NOX的目的,反应式如下:

4NH3+ 4NO+O2=4N2+ 6H2O

该反应只有采用高达927～982℃的温度对才能进行,当温度更高时,则可发生正面的竞争反应,生成NO:

4NH3+ 5O2=4NO+ 6H2O

（2）吸收法

NOX是酸性气体,可通过碱性溶液吸收净化废气中的NOX。常见的吸收剂有:水、稀

HNO3、NaOH、Ca(OH)2、NH4OH、Mg(OH)2等等。为了提高NOX的吸收效率,又可采用氧化吸收法、吸收还原法及络合吸收法等。氧化吸收法先将NO部分氧化为NO2,再用碱液吸收,常用的氧化剂有浓HNO3、O2、KMnO4等。吸收还原法应用还原剂将NOx还原成N2,常用的还原剂有(NH4)SO4、(NH4)HSO3、Na2SO3等。

络合吸收法则基于NO与某些化合物可生成络合物,所生成的络合物加热时,可释放出NO,从而可得到高浓度的NO。常用的络合物有FeSO4、Na2SO3、EDTA等。

吸收后的溶液难以处理,容易造成二次污染。此外,吸收剂、氧化剂、还原剂及络合物的费用较高,对于含NOx浓度较高的废气不宜采用。因此又出现了钼硅酸化学吸收去除NOX的工艺。这种方法是用杂多酸吸收NOX,利用Mo的高度可还原性将NOX还原为N2达到去除NOX的目的。其反应如下:

8H5SiMo11(VI)Mo (V )O40+ 2NO2=8H4SiMo12O40+N2+ 4H2O

8H5SiMo11(VI)Mo (V )O40+ 2NO+O2=8H4SiMo12O40+N2+ 4H2O

组成杂多酸的钼元素是我国的丰产元素,含量丰富、价格低,所以此方法无疑具有一定的实践意义。

4.3.2干法脱硝

（1）吸附法

此法是利用多孔性固体吸附剂净化含NOX废气。常用的吸附剂有杂多酸(7)、分子筛、

活性炭、硅胶及含NH3的泥煤等。

（2）等离子体活化法

等离子体活化法是80年代发展起来的一种干法烟气脱硫脱硝技术,其特征是在烟气中

产生自由电子和活性基团。根据高能电子的来源,该法可分为两大类:电子束法(EBDC)(9)和脉冲电晕等离子法(PPCP)

A电子束法

电子束辐照烟气脱硫脱硝最初由日本科学家提出,是利用高能射线(电子束或γ射线)照

射工业废气,发生辐射化学变化,从而将SO2和NOx除去。

B电晕法

电晕法由电子束法发展而来。脉冲电晕等离子体活化法烟气脱硫脱硝是一种物理和化学相结合的高新技术,其工业化过程的关键在于降低能耗(<3Wh /Nm3)。此法占地小,设备费低,操作方便,无二次污染,具有很大的社会效益和市场应用潜力。目前脉冲电晕等离子体的研究大多采用加氨制肥料的方法,如果直接将SO2、NOX分解来制得产品,则经济效益更大。这些研究尚有待进一步探讨。

4.3.3生化法脱硝技术

气态污染物的生物化过程的实质就是利用微生物的生命活动将废气中的有害物质转化为简单而无害的无机物和微生物的细胞质。微生物的种类繁多,特定的待处理成分都有其特定的适宜处理的微生物群落。生化法净化废气通常可分为生物洗涤、生物过滤及生物滴滤等几种形式。

三、结论

通过上述论述大气污染具有公认的污染范围广，影响程度深，治理难度大等先天性条件，是三大污染中最难以解决与根治的部分，并对人类的生产生活健康产生严重的影响。针对目前的大气污染，暂时只能依靠环境的自净能力缓慢处理释放在大气中的有机污染物。而现实中也只能从源头出发，用各种物理、化学和生物方法处理污染物，已达到减少污染的目标。而最彻底的解决办法，还是尽量依靠太阳能、风能或天然气等清洁能源为燃料，减少煤炭石油等化石燃料的消费。