颗粒物的产生、危害与治理

1. 基本概念

1.1. 颗粒物

颗粒物（particulate matter）又称尘。大气中的固体或液体颗粒状物质。颗粒物可分为一次颗粒物和二次颗粒物。一次颗粒物是由天然污染源和人为污染源释放到大气中直接造成污染的颗粒物，例如土壤粒子、海盐粒子、燃烧烟尘等等。二次颗粒物是由大气中某些污染气体组分（如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等）之间，或这些组分与大气中的正常组分（如氧气）之间通过光化学氧化反应、催化氧化反应或其他化学反应转化生成的颗粒物，例如二氧化硫转化生成硫酸盐。

1.2. 组成

颗粒物的组成十分复杂，而且变动很大。大致可分为三类：有机成分、水溶性成分和水不溶性成分，后两类主要是无机成分。有机成分含量可高达50%（重量），其中大部分是不溶于苯、结构复杂的有机碳化合物。可溶于苯的有机物通常只占10%以下，其中包括脂肪烃、芳烃、多环芳烃和醇、酮、酸、脂等。有一些多环芳烃对人体有致癌作用,如苯并(a)芘等。可溶于水的成分主要有硫酸盐、硝酸盐、氯化物等，其中硫酸盐含量可高达10%左右。颗粒物中不溶于水的成分主要来源于地壳,它能反映土壤中成土母质的特征,主要由硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾等元素的氧化物组成。其中二氧化硅的含量约占10～40%，此外还有多种微量和痕量的金属元素，有些对人体有害，如汞、铅、镉等。

2. 分类

对颗粒物目前尚无统一的分类方法，按尘在重力作用下的沉降特性可分为飘尘和降尘。习惯上分为：

尘粒：较粗的颗粒，粒径大于75微米。

粉尘：粒径为1～75微米的颗粒,一般是由工业生产上的破碎和运转作业所产生。

亚微粉尘：粒径小于1微米的粉尘。

炱：燃烧、升华、冷凝等过程形成的固体颗粒，粒径一般小于1微米。

雾尘：工业生产中的过饱和蒸汽凝结和凝聚、化学反应和液体喷雾所形成的液滴。粒径一般小于 10微米。由过饱和蒸汽凝结和凝聚而成的液雾也称霾。

烟：由固体微粒和液滴所组成的非均匀系，包括雾尘和炱，粒径为0.01～1微米。

化学烟雾：分为硫酸烟雾和光化学烟雾两种。硫酸烟雾是二氧化硫或其他硫化物、未燃烧的煤尘和高浓度的雾尘混合后起化学作用所产生，也称伦敦型烟雾。光化学烟雾是汽车废气中的碳氢化合物和氮氧化物通过光化学反应所形成，光化学烟雾也称洛杉矶型烟雾。

煤烟：煤不完全燃烧产生的炭粒或燃烧过程中产生的飞灰，粒径为0.01～1微米。

煤尘：烟道气所带出的未燃烧煤粒。

粉尘由于粒径不同，在重力作用下，沉降特性也不同，如粒径小于10微米的颗粒可以长期飘浮在空中，称为飘尘，其中10～0.25微米的又称为云尘,小于0.1微米的称为浮尘。而粒径大于10微米的颗粒，则能较快地沉降，因此称为降尘。

3. 三模态

1978年，Whitby将颗粒物粒径分为三模态：核模nucleation（0.002-0.1μm），积聚模accumulation（0.1-1μm），粗模coarse（>1μm）。其中核模又可分为纯核模pure nucleation（0.002-0.02）和爱根核模Aitken（0.02-0.1），积聚模分为冷凝模condensation（0.1-0.6）和微滴模droplet（0.6-1）。

4. 产生途径

颗粒物的来源主要有自然源和人为源两种：自然源包括土壤扬尘、海盐、植物花粉、孢子、细菌等。自然界中的灾害事件，如火山爆发向大气中排放了大量的火山灰，森林大火或裸露的煤原大火及尘暴事件都会将大量细颗粒物输送到大气层中。人为源包括固定源和流动源。固定源包括各种燃料燃烧源，如发电、冶金、石油、化学、纺织印染等各种工业过程、供热、烹调过程中燃煤与燃气或燃油排放的烟尘。流动源主要是各类交通工具在运行过程中使用燃料时向大气中排放的尾气。

5. 主要危害

颗粒物中1微米以下的微粒沉降速度慢,在大气中存留时间久，在大气动力作用下能够吹送到很远的地方。所以颗粒物的污染往往波及很大区域，甚至成为全球性的问题。粒径在0.1～1微米的颗粒物，与可见光的波长相近，对可见光有很强的散射作用。这是造成大气能见度降低的主要原因。由二氧化硫和氮氧化物化学转化生成的硫酸和硝酸微粒是造成酸雨的主要原因。大量的颗粒物落在植物叶子上影响植物生长，落在建筑物和衣服上能起沾污和腐蚀作用。粒径在 3.5微米以下的颗粒物，能被吸入人的支气管和肺泡中并沉积下来，引起或加重呼吸系统的疾病。大气中大量的颗粒物，干扰太阳和地面的辐射，从而对地区性甚至全球性的气候发生影响。

6. 监测方法

通过《GB/T 16157-1996固态污染源排气中颗粒物测定于气态污染物采样方法》测定各种锅炉、工业炉窑及其他固定污染源排气中颗粒物的测定和气态污染物的采样。

《HJ836-2017固定污染源废气低浓度颗粒物的测定重量法》本标准适用于低浓度的测定，当测定结果大于50mg/m³时，表述为“>50mg/m³”。当采样体积为1m³时，本标准方法检出限1.0mg/m³。适用于各类燃煤、燃油、燃气锅炉、工业窑炉、固定式燃气轮机以及其它固定污染源废气中颗粒物的测定。

《HJ/T397-2007固定源废气监测技术规范》本标准适用于各级环境监测站，工业、企业环境监测专业机构及环境科学研究部门等开展固定污染源废气污染物排放监测，建设项目竣工环保验收监测，污染防治设施治理效果监测，烟气连续排放监测系统验收监测，清洁生产工艺及污染防治技术研究性监测等。

《HJ/T55-2000《大气污染物无组织排放监测技术导则》本标准适用于环境监测站对具有无组织排放的固定污染源实行监督监测和建设项目环境保护设施的竣工验收监测亦适用于固定污染源为进行自我管理而进行的监测等。

7. 治理措施

7.1城市生态环境整治建议

城区生态环境综合整治方案的设计范围是以城市中心区的建成区为核心地域向外延伸。

7.1.1水域生态工程方案

城市中的水域是唯一不起尘的地域，而且还具有吸尘、降尘和调节城市气候的重要作用，是城市生态平衡的重要因素。因此，要充分利用城市地质条件，保持并扩大现有水域面积，同时积极开发新的水域，提高水域覆盖率。该工程方案除了具有生态效益外，还可考虑其经济效益，例如建设水上训练基地或旅游渡假村等。

7.1.2绿色生态工程方案

绿化是城市生态建设的另一重要组成部分。绿化可以调节气候、减少污染、净化空气、防风固沙，是非常经济的生物防治措施，称之为"城市肺"。中心区 TSP 中扬尘比例较高，与城市绿化率不高有着密切关系。因此，方案对绿化工程作出重点规划。绿化工程的设计思想：以林为主，草花为辅，建设大型防护林带和城市森林公园，尽快形成城市森林系统，使绿化工程最大限度地发挥环境保护和生态平衡作用；规划设计大、中、小型的以林为主，林、草、花相间的城市立体景观系统，使中心区内已建成地域的裸地全部绿化，作到黄土不露天；在建地域的裸地应随建设工程的结束时间而完成绿化工程。

(1）围绕城市外部建立外防护林带，形成以抵抗外来大气颗粒污染物的防护墙。再在城市中，沿河流、湖泊建立内防护林带，保证城市大气颗粒污染物的净土。

(2）建立城市森林公园，给城市建造有一个"肺"，便于城市消耗以产生的城市大气颗粒物污染。

(3）许多城市都在近郊有储灰场，用来堆积城市建筑、日常生活所产生的灰尘、垃圾。储灰场是重要起灰源之一。该工程拟先在储灰坑周围建设高大防护林地，以阻挡灰坑起尘。注重储灰场的封闭问题，尽可能的避免其灰尘外扬。生活垃圾场周围也需建设高大防护林地，以阻挡垃圾山起尘。服务期满后进行土地恢复处理。还要做好裸地绿化工作，尽量做到城市退耕还林，将废弃的、或暂时无用处的裸地充分利用，建立绿化带或防护林带。

7.2城市工业环境整治方案

目前，我国许多城市内或近郊都存在一些具有一定大气污染的工厂。对于这些工厂，我们不但需要对其工厂环境进行改造和绿化（如上部分方案）。还需严格按照国家相关部门的要求，要求工厂进行废气的处理，达到环保要求。对于大气颗粒物污染，有以下几种控制技术：

根据除尘技术原理，可以概括为机械力除尘、过滤除尘、静电除尘和湿式除尘四种类型，其中前三种可统称为干式除尘。

7.2.1机械力除尘

机械力除尘是借助质量力的作用达到除尘目的的方法，相应的除尘装置称为机械式除尘器．质量力包括重力、惯性力和离心力，主要除尘器形式为重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器等。

(1）重力沉降。

利用颗粒污染物与气体密度不同，使颗粒污染物在重力作用下自然沉降下来，与气体分离的过程。重力沉降室结构简单，造价低，压力损失小，便于维护，且可以处理高温气体。主要缺点是只能捕集粒径较大的颗粒物，仅对50微米以上的颗粒物具有较好的捕集作用，因而效率低，只能作为初级除尘手段，主要用于高效除尘装置的前级除尘器。

(2）惯性除尘。

利用颗粒污染物与气体在运动中惯性力不同，使颗粒污染物从气体中分离出来的过程。通常是使气流冲击在挡板上，气流方向发生急剧改变，气流中的颗粒物惯性较大，不能随气流急剧转弯，便从气流中分离出来。

(3）离心除尘。

利用旋转的气流产生的离心力，将颗粒污染物从气体中分离处理的过程。

离心除尘器也称为旋除尘器，具有结构简单、占地面积小、投资低、操作维修方便、压力损失中等、动力消耗不大、可用各种材料制造、能用于高温或高压及腐蚀性气体、并可直接回收干颗粒地优点。一般用来捕集5至15微米以上地颗粒物，除尘效率可达80％左右，是机械式除尘器中效率最高的。主要缺点是对5微米以下的细小颗粒物去除效果不理想。

7.2.2过滤除尘

过滤除尘是使气流通过多孔滤料，将气流中颗粒污染物截留下来，使气体得到净化的过程，主要有袋式除尘及颗粒层过滤除尘两种方式。

(1）袋滤除尘。

利用棉、毛或人造纤维等加工的滤布捕集颗粒污染物的方法，主要通过筛分、惯性碰撞、扩散、静电、重力沉降等作用机制，依靠滤料表面来捕集颗粒污染物，属于外部过滤。

该方法除尘效率高，一般可达99％以上，适应极强，能够处理不同类型的颗粒污染物，操作弹性大，除尘效率对入口颗粒污染物浓度及气流速度变化具有一定稳定性，结构简单，使用灵活，便于回收干料，不存在污泥处理。但袋式除尘器的应用受到滤布的耐温、耐腐蚀等操作性能的限制，一般使用温度应低于300℃.

(2）颗粒层过滤除尘。

通过将松散多孔的滤料填充在框架内作为过滤层，颗粒物在滤层内部被捕集的一种除尘方法，属内部过滤方式。除尘过程中大颗粒污染物主要借助惯性力，小于0.5微米的颗粒物主要靠滤料及被过滤下来的颗粒表面的拦截和附着作用过滤下来，净化效率随颗粒层厚度增高而提高。颗粒层除尘器按其功能可分为单颗粒层除尘器和组合颗粒层除尘器两种。

利用高压电场产生的静电力（库仑力）的作用从气流中分离悬浮粒子（尘粒或液滴）的一种方法。静电除尘主要通过粒子荷电、沉降和清除三个阶段实现颗粒污染物与气流的分离。静电除尘常用的设备为电除尘器，工业上应用最广泛的是单区电除尘器，即使粒子带电的电离作用与带电粒子的集尘作用在同一电场中进行。电除尘器是一种高效除尘装置，对细微尘粒及雾状液滴捕集性能优异，除尘效率达99％以上，对于0.1微米以下的尘粒，仍有较高的去除效率，由于气流通过阻力小，所消耗的电能通过静电力直接作用于尘粒上，因此能耗低。处理气量大，可应用于高温、高压场所，广泛应用于工业除尘。电除尘器的主要缺点是设备庞大、占地面积大、一次性投资费用高。

7.2.3湿式除尘

也称为洗涤除尘。该方法是用液体洗涤含尘气流，使尘粒与液膜、液滴或气泡碰撞而被吸附，凝聚变大，尘粒随液体排出，气体得到净化。由于洗涤液对多种气态污染物具有吸收作用，因此它能净化气体中的固体颗粒物，又能同时脱除气体中的气态有害物质，某些洗涤器也可以单独充当吸收器使用。湿式除尘主要通过惯性碰撞、扩散、凝聚、粘附等作用来捕获尘粒。湿式除尘常用的有喷淋塔（常用）、填料塔、泡沫塔、卧式旋风水膜除尘器、中心喷雾旋风除尘器、水浴式除尘器（常用）、射流洗涤除尘器、文丘里洗涤除尘器（常用）等。湿式除尘器结构简单、造价低、除尘效率高，在处理高温、易燃、易爆气体时安全性好。不足是用水量大，易产生腐蚀性液体，产生的废液或泥浆进行处理，并可能造成二次污染。

7.2.4粉尘与烟气处理

粉尘和烟气主要来源于燃烧设备和工业生产工艺。对粉尘的净化控制，主要是三类技术。对于烟气的处理技术，主要是三种：一是洗涤吸收技术，典型装置是烟气洗涤塔；二是吸附技术，典型装置是过滤层净化器；三是催化处理技术，典型装置有催化燃烧器、热催化器等。

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主题：【第十七届原创】颗粒物的产生、危害与治理