△本章重点
大气污染物及其存在状态;大气监测网点的布设;气体体积换算;等速采样;SO2,NO2,TSP,PM10的测定;固定污染源监测;指示植物;标准气体;大气污染连续自动监测系统.

△本章难点
大气布点方法;等速采样;SO2,NO2,TSP,PM10的测定;固定污染源监测.
△本章教学目录
6.1概述
6.2大气采样点的布设和采样频率
6.3大气样品的采样方法和采样仪器
6.4大气采样效率和气体换算
6.5颗粒物的测定
6.6气态和蒸气态污染物质的测定
6.7污染源监测
6.8大气污染连续自动监测系统
6.1概述
6.1.1大气及其组成
大气是指包围在地球周围的气体,其厚度达1000～1400km.对人类及生物生存起重要作用的是近地面约10km内的气体层(对流层),常称这层气体为空气层.
大气是由多种气体组成的混合物,其中除含有多种气体元素和化合物外,还有水滴,冰晶,尘埃和花粉等杂质.
干洁空气:大气中除去水汽和杂质的空气称为干洁空气.其组成成分最主要的是氮,氧,氩三种气体,占大气总体积的99%,其他气体不足1%(CO2,Ne,He,Kr,Xe,H2,CH4,CO,N2O,O3).
水汽:大气中的水汽主要来自海洋,江河,湖泊以及其他潮湿物体表面的蒸发和植物的蒸腾.大气中的水汽含量变化较大,按其所占容积,其变化范围在0～4%.一般情况下,空气中水汽含量随高度的增加而减少.
固体杂质:悬浮于大气中的固体杂质包括烟粒,尘埃,盐粒等,它们的半径一般在10-2～10-8cm,多分布在底层大气中.大气中的固体含量,在陆地上空多于海洋上空,城市多于农村,冬季多于夏季,白天多于夜间.
6.1.2大气污染物及其存在状态
由于人类活动所产生的某些有害颗粒物和废气进入大气层,给大气增添了许多种外来组分,这些物质称为大气污染物.
6.1.2.1根据大气污染物存在的状态,可将大气污染物分为两大类:分子状态污染物和粒子状态污染物
(1)分子状态污染物:指常温常压下以气体或蒸气分子形式分散在大气中的污染物质.如一氧化碳,二氧化硫,二氧化氮,氯化氢,氯气,臭氧,苯蒸气等.分子状态污染物按化学组成形式分为五类:含硫化合物,含氮化合物,碳氢化合物,碳氧化合物,卤素化合物.分子状态污染物的特点是:污染物以分子状态分散于大气中,能与空气随意混合.它们在大气中的扩散速度与污染物的密度和气流流速有关,密度小的污染物向上漂浮,密度大的污染物向下沉降;前者沿气流方向传输,可到达很远的地方,在空气中可以长时间滞留.
(2)粒子状态污染物:粒子状态污染物(或颗粒物)是分散在空气中的微小液体和固体颗粒,粒径多在0.01～100μm之间,是一个复杂的非均匀体系.通常根据颗粒物在重力作用下的沉降特性将其分为降尘和可吸入颗粒物(PM10).粒径大于10μm的颗粒物能较快地沉降到地面上,称为降尘;粒径小于10μm的颗粒物能长期地飘浮在大气中,称为飘尘.飘尘易随呼吸进入人体肺部,故又称可吸入颗粒物.直径小于2.5μm的颗粒能通过呼吸过程深入人体肺部,2.5～10μm的颗粒易沉积在上呼吸道,引发各种疾病.飘尘飘浮在大气中,与大气构成气溶胶,具有胶体性质.该胶体体系的分散介质是空气,分散相是10μm以下的液滴或固体颗粒,根据分散相的不同,分别称为烟,雾,尘.
①烟:某些固体物质在高温下由于蒸发或升华作用变成气体逸散于大气中,遇冷后又凝聚成微小的固体颗粒悬浮于大气中构成烟.烟的粒径一般在0.01～1μm之间.
②雾:是由悬浮于大气中微小液滴构成的气溶胶.雾的粒径一般在10μm以下.
③尘:是分散在大气中的固体微粒,如交通车辆行驶时所带起的扬尘,粉碎固体物料时所产生的细小粉尘等.
6.1.2.2依据大气污染物的形成过程,可将其分为一次污染物和二次污染物
(1)一次污染物是直接从各种污染源排放到大气中的有害物质.常见的主要有二氧化硫,氮氧化物,一氧化碳,碳氢化合物,颗粒性物质等.颗粒性物质中包含苯并(a)芘等强致癌物质,有毒重金属,多种有机和无机化合物等.
(2)二次污染物是一次污染物在大气中相互作用或它们与大气中的正常组分发生反应所产生的新污染物.这些新污染物与一次污染物的化学,物理性质xx不同,多为气溶胶,具有颗粒小,毒性一般比一次污染物大等特点.常见的二次污染物有硫酸盐,硝酸盐,臭氧,醛类(乙醛和丙烯醛等),过氧乙酰硝酸酯(PAN)等.
6.1.3大气污染源
污染源就是造成环境污染的发生源,一般指向环境排放有害物质或对环境产生有害影响的场所,设备,装置等.大气污染源指的是向大气中排放污染物质的发生源.
污染源分为xx污染源和人为污染源两类.
xx污染源是由于自然现象造成的,如火山爆发时喷出大量的粉尘,二氧化硫气体等;森林火灾产生大量的二氧化碳,碳氢化合物,热辐射等.
人为污染源是由于人类的生产和生活活动造成的,是大气污染的主要来源.为了便于根据污染源的特点对污染物的排放进行控制,人们对人为污染源作了多种形式的分类:
(1)按污染源存在的形式进行划分,人为污染源可分为固定污染源和流动污染源.固定污染源是指位置固定不变的污染源,如发电厂,钢铁工业,石油化学工业,化肥和农药制造业等工业生产活动,人类食用和取暖等生活活动,固体废弃物(工业废物,矿业废物,城市垃圾,农业废物)的焚烧和处理过程排放出污染物.流动污染源主要是指位置可以移动的污染源,如汽车,火车,飞机,轮船等交通工具在移动过程中排放出大量废气,对环境造成污染.
(2)按排放污染物的空间分布来划分,人为污染源可以分为点源,线源,面源三类.点源是指污染源集中在一点或相对于所考察的范围而言可以看做一个点的情况,如高的单个烟囱就可以看做点源.线源是流动污染源在一定的线路上排污,使该线路成为一条线状污染源的情况,如一条汽车来往频繁的公路就可以看做为线源.面源是在一个较大范围内,较密集的排污点源连成一片,把整个区域看做一个污染源,如许多低矮烟囱集合起来就构成了面源.
(3)按污染源排放的时间状况划分,可以将人为污染源分为连续源,间断源和瞬时源三类.
(4)按人类活动功能划分,人为污染源可以分为工业污染源,能源污染源,交通污染源和生活污染源等.
6.1.4大气污染物的时空分布
大气污染物的浓度随时间,空间的变化不断发生着变化.大气污染物的时空分布与污染源的分布,排放量,地形,地貌,气象条件密切相关.
6.1.4.1时间性
某一地点大气污染物的浓度常随时间的变化而发生变化,其一是由于污染源的排放情况受生产周期的制约,其二是由于气象条件(风速,风向,大气湍流)随季节和昼夜的变化而异,导致大气对污染物的扩散和迁移输送能力不断发生变化.因此,同一污染源对同一地点所造成的地面浓度随时间的变化会产生很大的差别.图6-1是我国某城市大气中二氧化硫的年变化曲线和该市二氧化硫冬季的日变化曲线.
由图6-1可见,因污染源排放规律的变化,导致大气中二氧化硫浓度随时间的变化而发生变化.在年变化曲线中,1,2,11,12月为采暖期,SO2平均浓度比其他季节高;在{yt}24h内,早晨6～10点和下午5～10点为供热高峰时间,SO2平均浓度比其他时段高得多.
交通干线CO和NOx的浓度随时间的变化规律为:以一周交通干线CO和NOx的浓度监测数据分析,xxCO和NOx的浓度较低,如果分析全天CO和NOx的浓度变化,可以发现xx早晨CO和NOx浓度的高峰将比平时推迟1小时.
6.1.4.2空间性
在大气中的污染物随空气运动而迁移和扩散.各种污染物的迁移和扩散速度又与气象条件,地理环境和污染物的性质有关.同时在迁移扩散的过程中,又会由于化学和物理的变化而使污染物浓度发生变化.因此污染物浓度就存在着空间上的分布不均匀.如:质量轻的分子态或气溶胶态污染物可以高度分散在大气中,易被扩散和稀释,影响范围较大;质量重的尘,汞蒸气等,扩散能力差,影响范围较小.
研究大气污染时,要考察大气污染物如何扩散稀释,必须了解污染源的状态(污染物的排放强度,有效烟囱高度等);了解污染源排放的污染物在该地区受地形与气象条件的影响而迁移扩散的规律;了解污染物在迁移扩散的同时发生了哪些化学反应和物理变化;了解水蒸气在高空大气中凝结成小水滴时或在发生降水时会溶解哪些大气污染物.正确掌握大气污染物的时空分布规律,是确定采样时间,采样频率和布设采样点的主要根据,也是获得有代表性的监测数据的基础.
6.1.5大气污染监测和监测项目
6.1.5.1大气污染监测工作一般可分为三类
(1)污染源的监测:如对烟囱,汽车排气口的检测.目的是了解这些污染源所排出的有害物质是否达到现行排放标准的规定;对现有的净化装置的性能进行评价;通过对长期监测数据的分析,可为进一步修订和充实排放标准及制定环境保护法规提供科学依据.
(2)环境污染监测:监测对象不是污染源而是整个大气.目的是了解和掌握环境污染的情况,进行大气污染质量评价,并提出警戒限度;研究有害物质在大气中的变化规律,二次污染物的形成条件;通过长期监测,为修订或制定国家卫生标准及其他环境保护法规积累资料,为预测预报创造条件.
(3)特定目的的监测:选定一种或多种污染物进行特定目的的监测.例如,研究燃煤火力发电厂排出的污染物对周围居民呼吸道的危害,首先应选定对上呼吸道有刺激作用的污染物SO2,H2SO4,雾,飘尘等做监测指标,再选定一定数量的人群进行监测.由于目的是监测污染物对人体健康的影响,所以测定每人每日对污染物接受量,以及污染物在{yt}或一段时间内的浓度变化,就是这种监测的特点.
6.1.5.2监测项目
存在于大气中的污染物质多种多样,应根据优先监测原则,选择那些危害大,涉及范围广,已建立成熟的测定方法,并有标准可比的项目进行监测.我国《环境监测技术规范》中规定的例行监测项目如表6-1,表6-2所示.
表6-1 连续采样实验室分析项目
必测项目
选测项目
二氧化硫,氮氧化物,总悬浮颗粒物,硫酸盐化速率,灰尘自然降尘量
一氧化碳,可吸入颗粒物PM10,光化学氧化剂,氟化物,铅,苯并(a)芘,总烃及非甲烷烃
表6-2 大气环境自动监测系统监测项目
必测项目
选测项目
二氧化硫,二氧化氮,总悬浮颗粒物或可吸人颗粒物PM10,一氧化碳
臭氧,总碳氢化合物
6.2大气采样点的布设和采样频率
大气监测是为了调查一个区域或一个城市的大气污染现状,是观察分析大气中有害物质的来源,分布,数量,迁移转化及消长规律的重要手段.如何获得有代表性,能符合实际状况的大气样品,是保证监测数据准确可靠的重要环节.根据大气污染物的时空分布规律,通过正确地确定采样点数目,正确地选择采样点的位置,正确地确定采样时间和频率等手段,保证获取具有代表性的大气样品.
6.2.1大气监测采样点的布设
6.2.1.1调查
确定采样点布设之前,应进行详细的调查研究,其内容包括:
(1)对本地区大气污染源进行调查,初步分析出各块地域的污染源概况;
(2)了解本地区常年主导风向,大致估计出污染物的可能扩散概况;
(3)利用群众来信来访或人群调查,初步判断污染物的影响程度;
(4)利用已有的监测资料推断分析应设点的数量和方位.
6.2.1.2布设采样点的原则和要求
(1)采样点应设在整个监测区域的高,中,低三种不同污染物浓度的地方;
(2)在污染源比较集中,主导风向比较明显的情况下,应将污染源的下风向作为主要监测范围,布设较多的采样点,上风向布设少量点作为对照;
(3)工业较密集的城区和工矿区,人口密度及污染物超标地区,要适当增设采样点;城市郊区和农村,人口密度小及污染物浓度低的地区,可酌情少设采样点;
(4)采样点的周围应开阔,采样口水平线与周围建筑物高度的夹角应不大于30°.测点周围无局部污染源,并应避开树木及吸附能力较强的建筑物.交通密集区的采样点应设在距人行道边缘至少1.5m远处;
(5)各采样点的设置条件要尽可能一致或标准化,使获得的监测数据具有可比性;
(6)采样高度根据监测目的而定,研究大气污染对人体的危害,应将采样器或测定仪器设置于常人呼吸带高度,即采样口应在离地面1.5～2m处;研究大气污染对植物或器物的影响,采样口高度应与植物或器物高度相近;连续采样例行监测采样口高度应距地面3～15m;若置于屋顶采样,采样口应与基础面有1.5m以上的相对高度,以减小扬尘的影响.特殊地形地区可视实际情况选择采样高度.
6.2.1.3采样点的数目
采样点的数目设置是一个与精度要求和经济投资相关的效益函数,应根据监测范围大小,污染物的空间分布特征,人口分布密度,气象,地形,经济条件等因素综合考虑确定.由国家环境保护总局规定,按城市人口数确定大气环境污染例行监测采样点的设置数目如表6-3所示.
6.2.1.4采样点布点方法
(1)功能区布点法:一个城市或一个区域可以按其功能分为工业区,居民区,交通稠密区,商业繁华区,文化区,清洁区,对照区等.各功能区的采样点数目的设置不要求平均,通常在污染集中的工业区,人口密集的居民区,交通稠密区应多设采样点.同时应在对照区或清洁区设置1～2个对照点.
(2)几何图形布点法:目前常用以下几种布设方法.
①网格布点法:这种布点法是将监测区域地面划分成若干均匀网状方格,采样点设在两条直线的交点处或方格中心.每个方格为正方形,可从地图上均匀描绘,方格实地面积视所测区域大小,污染源强度,人口分布,监测目的和监测力量而定,一般是1～9km2布一个点.若主导风向明确,下风向设点应多一些,一般约占采样点总数的60%.这种布点方法适用于有多个污染源,且污染源分布比较均匀的情况.如图6-2所示.
②同心圆布点法:此种布点方法主要用于多个污染源构成的污染群,或污染集中的地区.布点是以污染源为中心画出同心圆,半径视具体情况而定,再从同心圆画45°夹角的射线若干,放射线与同心圆圆周的交点即是采样点.如图6-3所示.
③扇形布点法:此种方法适用于主导风向明显的地区,或孤立的高架点源.以点源为顶点,主导风向为轴线,在下风向地面上划出一个扇形区域作为布点范围.扇形角度一般为45°～90°.采样点设在距点源不同距离的若干弧线上,相邻两点与顶点连线的夹角一般取10°～20°.如图6-4所示.
图6-2网格布点法 图6-3同心圆布点法 图6-4扇形布点法
以上几种采样布点方法,可以单独使用,也可以综合使用,目的就是要求有代表性地反映污染物浓度,为大气监测提供可靠的样品.
6.2.2采样时间和采样频率
采样时间指每次采样从开始到结束所经历的时间,也称采样时段.不同污染物的采样时间要求不同,我国大气质量分析方法对每一种污染物的采样时间都有明确规定.
采样频率指在一定时间范围内的采样次数.显然采样频率越高,监测数据越接近真实情况.例如:在一个季度内,每六天采样{yt},而{yt}内又间隔相等时间采样测定一次(如在2,8,14,20时采样),求出日平均,月平均,季度平均监测结果.目前我国许多城市建立了空气质量自动监测系统,自动监测仪器24小时自动在线工作,可以比较真实地反映当地的大气质量.对于人工采样监测,应做到:在采样点受污染最严重时采样;每日监测次数不少于3次;{zg}日平均浓度全年至少监测20天,{zd0}一次浓度样品不得少于25个.