Процессы формирования состава атмосферного воздуха в населенном пункте. Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере.
Рассеивание в атмосфере выбрасываемых из дымовых труб и вентиляционных устройств загрязняющих веществ подчиняется законам турбулентной диффузии.
На процесс их рассеивания существенное влияние оказывают следующие факторы:
- состояние атмосферы,
- физические и химические свойства выбрасываемых веществ,
- высота и диаметр источника выбросов,
- расположение источников,
- рельеф местности.
Распределение концентрации загрязняющих веществ в атмосфере под факелом точечного источника показано на рисунке
Рисунок. Распределение концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы под факелом точечного источника:
а — зона переброса факела; в — зона задымления; с — зона постепенного снижения уровня загрязнения; d — зона загрязнения неорганизованными выбросами
Зона задымления является наиболее опасной и не должна попадать на территорию селитебной застройки. Размеры зоны задымления в зависимости от метеоусловий находятся в пределах 10 — 50 высот дымовой трубы.
Внутри зоны переброса факела высокие концентрации загрязняющих веществ имеют место за счет неорганизованных выбросов. Рассеивание в атмосфере газообразных примесей и мелкодисперсных твердых частиц (диаметром менее 10 мкм), имеющих незначительную скорость осаждения, подчиняется одним и тем же закономерностям. Для более крупных частиц пыли эта закономерность нарушается, так как скорость их осаждения под действием силы тяжести возрастает.
Поскольку в пылегазоочистных аппаратах крупные частицы улавливаются более эффективно, чем мелкие, в выбросах, прошедших очистку, остаются только мелкие частицы. Их рассеивание в атмосфере рассчитывают так же, как и рассеивание газообразных примесей.
Влияние климатических условий на рассеивание примесей в атмосфере.
Метеоусловия оказывают существенное влияние на перенос и рассеивание примесей в атмосфере. Наибольшее влияние оказывает режим ветра и температуры (температурная стратификация), осадки, туманы, солнечная радиация.
Ветер может оказывать различное влияние на процесс рассеивания примесей в зависимости от типа источника и характеристики выбросов. Если отходящие газы перегреты относительно окружающего воздуха, то они обладают начальной высотой подъема. В связи с этим вблизи источника создается поле вертикальных скоростей, способствующих подъему факела и уносу примесей вверх. Этот подъем обусловливает уменьшение концентраций примесей у земли. Эта концентрация убывает и при очень сильных ветрах, однако это происходит за счет быстрого переноса примесей в горизонтальном направлении. В результате наибольшие концентрации примесей в приземном слое формируются нри некоторой скорости, которую называют "опасная".
При низких или холодных источниках выбросов повышенный уровень загрязнения воздуха наблюдается при слабых ветрах (w = 0 — 1 м/с) вследствие скопления примесей в приземном слое. Прямое влияние на загрязнение воздуха в городе оказывает направление ветра. Существенное увеличение концентрации примеси наблюдается тогда, когда преобладают ветры со стороны промышленных объектов.
Если температура окружающего воздуха понижается с высотой, нагретые струи воздуха поднимаются вверх (конвекция), а взамен их опускаются холодные. Такие условия называются конвективными.
Если вертикальный градиент температуры будет отрицательным (температура возрастает с высотой), то вертикально поднимающийся поток становится холоднее окружающих масс и его движение затухает. Такие условия называются инверсионными.
Если повышение температуры начинается непосредственно от поверхности земли, инверсию называют приземной, если же с некоторой высоты над поверхностью земли — приподнятой. Инверсии затрудняют вертикальный воздухообмен и рассеивание примесей в атмосфере.
Для состояния атмосферы в городах наибольшую опасность представляет приземная инверсия в сочетании со слабыми ветрами, т.е. ситуация "застоя воздуха".
Туманы на содержание загрязняющих веществ в атмосфере влияют следующим образом. Капли тумана поглощают примесь, причем не только вблизи подстилающей поверхности, но и из вышележащих, наиболее загрязненных слоев воздуха. Вследствие этого концентрация примесей сильно возрастает в слое тумана и уменьшается над ним. Растворение сернистого газа в каплях тумана приводит к образованию серной кислоты.
Осадки очищают воздух от примесей. После длительных интенсивных осадков высокие концентрации примесей в атмосфере практически не наблюдаются. Солнечная радиация обусловливает фотохимические реакции в атмосфере с образованием различных вторичных продуктов, обладающих часто более токсичными свойствами, чем вещества, поступающие от источников выбросов. Таким образом, происходит окисление сернистого газа с образованием сульфатных аэрозолей.
В крупных городах формируется свой микроклимат, существенно меняются аэродинамические, радиационные, термические и влажностные характеристики атмосферы. Выделение в городах большого количества тепла, изменение газового и аэрозольного состава воздуха приводят к повышению температуры воздуха и образованию так называемых "островов тепла". Повышение температуры над крупным городом по сравнению с температурой окружающей местности может наблюдаться до высоты в несколько сотен метров.
Основы прогноза загрязнения атмосферного воздуха.
Развитие методов прогноза основывается на результатах теоретического и экспериментального изучения закономерностей распространения примесей, выбрасываемых источниками загрязнения атмосферы.
Основное направление изучения распространения примесей состоит в разработке теории атмосферной диффузии на основе математического описания процесса с помощью уравнения турбулентной диффузии. Оно позволяет исследовать распространение примесей от источников различного типа при разных характеристиках среды.
В общем виде задача прогноза загрязнения воздуха математически может быть описана дифференциальным уравнением при определенных начальных и граничных условиях:
(4.1)
где t — время; х — координаты; и. — составляющие средней скорости перемещения примеси; kj — составляющие коэффициента обмена; / = 1, 2, 3 — направления осей координат; а — коэффициент, определяющий изменение концентрации за счет превращения примеси.
Применив декартову систему координат, обозначим горизонтальные оси х, и х2 через х и у, вертикальную ось х3 через z, соответственно скорости иj = и; и2 = у; и3 — w\ коэффициенты обмена kt = кх\ к2 = к; к3 =
Тогда уравнение (4.1) приобретает вид:
(4.2)
При решении практических задач вид уравнения (4.2) упрощается.
Если ось х сориентирована по направлению средней скорости ветра, то v = 0.
Вертикальные перемещения в атмосфере над горизонтальной однородной поверхностью малы и можно считать w = 0, если примесь легкая и не имеет собственной скорости перемещения. Если рассматривается тяжелая примесь, постепенно оседающая в атмосфере под воздействием гравитационных сил, то w представляет собой скорость осаждения, которая входит в уравнение со знаком минус. При наличии ветра можно пренебречь членом с кх, учитывающим диффузию по оси х, поскольку в этом направлении диффузионный поток примеси значительно меньше.
Изменения концентраций в атмосфере со временем носят обычно квазистационарный характер и поэтому можно принять dq/dt = 0.
Таким образом, уравнение (4.2) можно свести к виду:
При рассмотрении сохраняющейся консервативной примеси:
При прогнозе загрязнения воздуха основной интерес представляет определение ожидаемых концентраций в приземном слое h — 1,5 — 2 м.
Как показали исследования, в приземном слое воздуха до уровня z — h коэффициент обмена возрастает пропорционально высоте; скорость является логарифмической функцией высоты.
При z = 0 (на уровне поверхности земли) можно приближенно принять в качестве предельного значения к; = v — коэффициент молекулярной диффузии для воздуха.
Аналитическое решение уравнения диффузии можно записать для случая, когда и и заданы степенными функциями от z (и — utz!", kz = k,z) для легкой сохраняющейся примеси (w — а = 0).
Наземная концентрация (при z = 0):
где М — выброс вещества от источника в единицу времени мг/с; Я — высота источника выброса, м.
Характерной особенностью распределения наземной концентрации q по оси х является наличие максимума ее qm на расстоянии хт от источника.
Он находится из условия: dq/dx = dq/dy = 0.
Результаты расчета распределения концентрации примесей от одиночного точечного источника можно проиллюстрировать графически (рисунок 4.5).
Рисунок. 4.5. Распределение концентраций примеси в воздухе от одиночного точечного источника различной высоты Н. Н, < Н2 < Н3
Расчеты показывают, что при одинаковых параметрах выбросов максимальная приземная концентрация примеси от более высокого источника меньше и наблюдается на большем расстоянии от источника.
Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий.
Методика предназначена для решения практических задач, связанных с прогнозом загрязнения атмосферного воздуха. Она позволяет производить расчеты рассеивания примесей, выбрасываемых в атмосферу одиночными точечными, линейными и группой источников, с учетом влияния рельефа местности, определять предельные концентрации загрязняющих веществ в двухметровом слое над поверхностью земли, а также вертикальное распределение концентраций.
Степень загрязнения атмосферного воздуха определяется наибольшим расчетным значением концентрации, соответствующим неблагоприятным метеорологическим условиям, опасной скорости ветра.
где А — коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы; М — масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в едини-
При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих суммацией вредного действия, рассчитывается суммарная концентрация q в долях ПДК:
Разработка нормативов ПДВ и ВСВ для стационарных источников.
ПДВ устанавливается для каждого стационарного источника из расчета, что совокупный выброс от всех источников загрязнения атмосферного воздуха города с учетом перспективы развития не приведет к превышению норматива ПДК м р в приземном слое. ПДВ устанавливается для условий полной нагрузки технологического и газоочистного оборудования и их нормальной работы. ПДВ не должен превышаться в любой 20-минутный период времени. Для мелких источников целесообразно установление ПДВ от их совокупности с предварительным объединением их в площадной или условный точечный источник. ПДВ определяется для каждого вещества отдельно, в том числе и в случае суммации вредного действия нескольких веществ.
По результатам расчета нормативов ПДВ для каждого стационарного источника выбросов устанавливается суммарный предельный выброс предприятия в целом. ПДВ устанавливают с учетом фоновых концентраций. Для реконструируемого предприятия расчеты выполняют по фактическому положению и на перспективу.
Для одиночного источника с круглым устьем в случае Сф < ПДК ПДВ определяют по формуле:
Для источника с прямоугольным устьем ПДВ определяют по тем же формулам при D = D3, Vl = У1э.
Установлению ПДВ для источника предшествует определение его зоны влияния. Для предприятий и источников, зоны влияния которых целиком расположены в пределах города, где суммарная концентрация от всех источников С < ПДК, значения выбросов, используемых при расчетах, принимаются в качестве ПДВ.
Если С^ >ПДК (фоновая концентрация, из которой исключен вклад рассматриваемого источника), то увеличение объемов выбросов от реконструируемого объекта и строительства на предприятии новых объектов с выбросами тех же веществ или веществ, обладающих с ними эффектом суммации, может быть допущено только при одновременном обеспечении снижения выбросов на остальных объектах рассматриваемого предприятия или на других предприятиях города.
Наряду с максимальным разовым значением ПДВ в г/с устанавливаются годовые значения ПДВ в т/год для отдельных источников и предприятия в целом.
