1.2 Рассеивание в атмосфере загрязняющих веществ. Нормирование источников загрязнения атмосферы

1.2.1 Основные понятия и определения

Проблема охраны окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами стала в ряд важнейших задач современности. Воздействия промышленных предприятий, энергетических систем, транспорта на атмосферу, водоемы и недра достигли таких размеров, что сейчас в крупных промышленных центрах уровни загрязнений существенно превышают допустимые санитарные нормы.

Источники выбросов ЗВ могут быть подвижными (транспорт) и стационарными. Выбросы из стационарных источников могут поступать в форме газов или аэрозолей. Классификация источников выбросов дана на рисунке 1.2.

Аэрозоли — это системы, характеризующиеся наличием в газовой среде твердых или жидких частиц. Подразделяются на пыли, дымы, туманы.

Пыли содержат твердые частицы размером до 800 мкм.

Дымы — твердые частицы размером 0,1-5 мкм,

Туманы — жидкие частицы (капли) размером 0,3-5 мкм.

Неорганизованный промышленный выброс — выброс, поступающий в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах загрузки, выгрузки или хранения продукта. К неорганизованным относятся выбросы, не имеющие фиксированного устья: выделения вредных веществ с открытых складов строительных материалов, карьеров, хранилищ отходов и т.д.

О рганизованный промышленный выброс — выброс, поступающий в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды, трубы. Организованные выбросы имеют фиксированное устье и подразделяются на точечные или одиночные (источники таких выбросов имеют примерно одинаковые размеры по осям координат; это трубы промышленных предприятий, выбросные шахты систем вентиляции, газоотводные трубы от аппаратов и т.п.) и линейные (источники имеют значительную протяженность в направлении, перпендикулярном направлению ветра; это аэрационные фонари, близко расположенные вытяжные шахты, открытые окна, через которые удаляются вредные вещества, и т.п.).

Рисунок 1.2 – Классификация выбросов в атмосферу

Одиночные выбросы из стационарных источников в зависимости от высоты трубы (Н) подразделяются на:

- высокие при Н> 50 м (выброс осуществляется выше зоны аэродинамической тени здания, сооружения);

- средние при Н = 10...50 м;

- низкие при Н = 2... 10 м (выброс поступает в зону подпора или аэродинамической тени здания, сооружения);

- наземные при Н < 2 м (в этом случае в расчетах принимают Н-2м).

Промышленные выбросы считаются нагретыми, если их температура выше температуры окружающего атмосферного воздуха.

Без очистки могут выбрасываться как неорганизованные, так и организованные выбросы, после очистки — только организованные.

С целью регламентации загрязнений атмосферы установлены предельно допустимые концентрации ЗВ в атмосферном воздухе населенных пунктов (ПДК) и предельно допустимые выбросы загрязняющих веществ из источников (ПДВ).

Действующими нормативными документами установлены ПДК для более 600 вредных газов, паров, аэрозолей.

Величина наибольшей концентрации каждого вредного вещества в приземном слое атмосферы (слой высотой в 2 м от поверхности земли) не должна превышать величины ПДК_м.р..

ПДВ для данного источника (группы источников) — это максимальное количество вредного вещества, допустимое к выбросу из источника в единицу времени при соблюдении условия, что этот выброс от данного источника и от совокупности источников города или другого населенного пункта, с учетом перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере, не создаст приземную концентрацию, превышающую его предельно допустимую концентрацию для населения, растительного и животного мира.

Основными критериями качества атмосферного воздуха при установлении ПДВ для источников загрязнения атмосферы являются максимальные разовые ПДК_м.р.. При этом должно выполняться условие: отношение максимальной расчетной концентрации С_м вредного вещества в приземном слое воздуха к величине ПДК_м.р. данного вещества не должно превышать единицы:

. (1.19)

При установлении ПДВ учитывают значения фоновых концентраций С_ф вредных веществ в воздухе (суммарное загрязнение атмосферы от остальных источников города или другого населенного пункта, в том числе и от автотранспорта, за исключением рассматриваемого источника).

Таким образом, величина ПДВ [г/с] из источника для каждого вещества устанавливается, исходя из условия:

, (1.20)

или

. (1.21)

При одновременном присутствии в атмосфере некоторых вредных веществ они могут обладать суммацией вредного действия. Эффектом суммации обладают, например, ацетон и фенол; сернистый ангидрид и двуокись азота; сернистый ангидрид, окись углерода, фенол и пыль конверторного производства, а также целый ряд других веществ.

Величина ПДВ для групп суммации устанавливается, исходя из условия:

. (1.21)

1.2.2 Расчет приземных концентраций загрязняющих веществ

от одиночного точечного источника

После выхода из устья источника загрязняющие вещества начинают рассеиваться в атмосфере в направлении оси факела выброса. Часть веществ перемещается в вертикальном направлении, часть - в горизонтальном. Существенное влияние на характер рассеивания оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий, особенности местности, свойства выбросов, высота трубы, скорость ветра и другие факторы.

Скорость горизонтального перемещения загрязнений в основном определяется главным образом скоростью ветра U [м/с]. На скорость вертикального перемещения оказывает влияние целый ряд факторов.

Существует 5 форм струй, выходящих из устья трубы. Наиболее опасна задымляющая струя, когда вредные вещества стремятся к земле вдоль всей струи. Рисунок 1.3 иллюстрирует распределение концентраций вредных веществ в атмосфере при выбросе через высокие трубы для условий развитого турбулентного обмена, которые считаются неблагоприятными для рассеивания примесей и для которых разработаны расчетные формулы для определения ПДВ.

По мере удаления от источника выброса концентрация вредных веществ в приземном слое атмосферы вначале увеличивается, а затем, достигнув максимума, постепенно уменьшается, что говорит о наличии трех зон загрязнения атмосферы:

- зона переброса факела выброса, характеризующаяся невысо­кой концентрацией вредных веществ в приземном слое;

- зона задымления, т.е. зона максимального содержания вредных веществ;

- зона постепенного снижения концентраций вредных веществ.

Направление ветра

Рисунок 1.3 - Распределение приземной концентрации вредных веществ в атмосфере

С — концентрация вредного вещества в приземном слое, мг/м³;

X — расстояние от трубы (источника выброса), м;

Н — высота трубы (источника выброса), м.

По ОНД-86 рассчитываются возможные концентрации вредных веществ при «неблагоприятных» метеоусловиях. Реальные концентрации вредных веществ в течение года будут значительно ниже расчетных как за счет принятия в расчете жестких метеоусловий, так и за счет учета «фона» и допущения о максимальной производственной нагрузке предприятия.

Основной расчетной величиной является максимальная приземная концентрация вредного вещества С_м [мг/м³]. Величину ее при выбросе нагретой газопылевоздушной смеси из точечного источника с круглым устьем на расстоянии Х_м [м] от источника определяют по формуле:

, (1.23)

где А — коэффициент, учитывающий вероятность возникновения «неблагоприятных» метеоусловий в различных регионах страны [с^2/3.мг^.град^1/3/г].Для Нижнего Поволжья, Сибири, Дальнего Востока принимают А=200;для севера и северо-запада Европейской территории России, Среднего Поволжья и Урала принимают А=160;для центральной части европейской территории А=140;

М — мощность выброса (количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени), [г/с]. Принимается в соответствии с действующими для данного производства нормативами, определяется расчетом или с помощью анализа. Если известна концентрация вещества С^° [мг/м³] в выбрасываемой из устья источника пылегазовоздушной смеси, то величина М определяется по формуле:

, (1.24)

F — безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе. Для газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыль, зола и т.п.), скорость оседания которых не превышает 0,05 м/с, принимается F = 1. Для остальных аэрозолей, выбрасываемых с предварительной очисткой или без нее, коэффициент F принимается следующим образом:

F = 2 при эффективности очистки более 90%;

F = 2,5 при эффективности очистки 75...90%;

F = 3 при эффективности очистки менее 75% (или при отсутствии очистки).

m и n — безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;

— безразмерный коэффициент, учитывающий рельеф местности (для равнинной местности = 1);

T — разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_г и температурой окружающего атмосферного воздуха Т_в [°С]; последняя принимается как средняя максимальная температура наружного воздуха наиболее жаркого месяца года по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»;

V₁ — расход пылегазовоздушной смеси из устья источника, м³/с:

, (1.25)

где D — диаметр устья источника выброса (диаметр верхней части трубы), м;

w₀ — средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, м/с.

Величина коэффициента m определяется по формуле:

, (1.26)

. (1.27)

Величина коэффициента n определяется по формулам (1.29) —(1.31) в зависимости от значения параметра V_м, вычисляемого по формуле:

, (1.28)

При V_м < 0,5 n = 4,4 Vм, (1.29)

при 0,5≤ V_м< 2 , (1.30)

при V_м≥ 2 n= 1. (1.31)

Величина максимальной приземной концентрации вредных веществ С_м достигается на оси факела выброса (по направлению, среднего ветра за рассматриваемый период) на расстоянии Х_м [м] от источника выброса:

, (1.32)

где d — безразмерная величина, определяемая по формулам:

при 0,5  V_м  2 , , (1.33)

при V_м > 2, . (1.34)

После расчета максимальной приземной концентрации загрязнений С_м в точке, расположенной на расстоянии X_м от источника, можно определить приземные концентрации вредных веществ в любой точке в направлении факела выброса (рисунок 1.4):

1 — источник выброса

Рисунок 1.4 - К определению приземных концентраций вредных веществ в направлении факела выброса

Для расчетов концентраций С на различных расстояниях X по оси факела выброса используется формула

. (1.35)

Здесь S₁ — безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения Х/Х_м:

при X/Х_м < 1 S₁ = 3(X/X_м)⁴ – 8 (X/X_м)³ + 6(X/X_м)² , (1.36)

при 1< X/Х_м < 8 , (1.37)

при Х/Х_м > 8 . (1.38)

С наветренной стороны источника выброса (Х<0) значения концентраций вредных веществ принимают равными нулю.

Значение приземной концентрации С_y вредного вещества на расстоянии y по перпендикуляру к оси факела выброса определяется по формуле:

. (1.39)

где S₂ — безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от скорости ветра U [м/с] и аргумента t_y:

при U  5, (1.40)

при U > 5, (1.41)

. (1.42)

1.2.3 Расчет ПДВ для действующих предприятий

Расчеты загрязнения атмосферы от комплекса источников загрязнения производятся на ПЭВМ по утвержденным Научно-исследовательским институтом охраны атмосферного воздуха (НИИ Атмосфера) программам. Результатом расчета является поле приземных концентраций. Линия соответствия расчетной приземной концентрации ПДК может служить обоснованием границы санитарно-защитной зоны предприятия.

Величину ПДВ можно найти, заменив в формуле (1.23) концентрацию См на разность (ПДК_мр - С_ф) и приравняв мощность выброса М к значению ПДВ. В итоге получим расчетное выражение:

. (1.43)

В случае если ПДК_м.р. для загрязняющего вещества не установлена в расчетах принимается значение ПДК_с.с. или ОБУВ (ориентировочный безопасный уровень воздействия).

В реальных случаях в ПДВ вводятся поправки: на аварийный выброс, на существующую и проектируемую жилую застройку, на перспективы развития производства.

ПДВ устанавливается отдельно для каждого стационарного источника выбросов, отдельно для каждого вещества при условии полной загрузки технологического и газоочистного оборудования и их нормальной работы.

По каждому веществу ПДВ для предприятия в целом равен сумме ПДВ от отдельных источников.

1.2.4 Расчет минимальной высоты трубы (для вновь строящихся предприятий)

Если приравнять С_м = ПДК_м.р.- С_ф, из формулы (1.23) можно найти минимальную высоту трубы H_min, при которой обеспечивается нормативное качество воздуха в приземном слое:

. (1.44)

ЗАДАНИЕ 1.6

1) Рассчитать максимальную приземную концентрацию С_м вредного вещества, выделяющегося из точечного источника, и величины приземных концентраций С этого вещества на различных расстояниях X от источника по оси факела выброса в преобладающем направлении ветра (принять X = 100,200,400, 600, 800,1000 и 2000 м).

Местность равнинная (=1).

2) Построить график изменения концентрации С вредного вещества в зависимости от расстояния X. Сравнить с ПДК_м.р.

3) Рассчитать приземную концентрацию С_у в точке, находящейся на расстоянии у = 200 м от точки Х_м по перпендикуляру к оси факела выброса.

4) По имеющимся исходным данным рассчитать ПДВ. При необходимости внести предложения по снижению выбросов.

5) По имеющимся исходным данным рассчитать H_min. При выполнении заданий 4 и 5 значения фоновых концентраций С_ф принять самостоятельно в пределах от 10 до 75% от ПДК_м.р.

Исходные данные по вариантам в приложении 9.

ПРИМЕР 1.6

Исходные данные:

Загрязняющее вещество - сернистый ангидрид => F = 1; V₁ = 90000 м³/ч = 25 м³/с; С° = 2000 мг/м³; Н = 90 м; D = 1,4 м; город Хабаровск => А = 200 с^{2/3 .} мг ^. град^1/3 / г; T = 80 °С; ПДК _м.р. =0,5 мг/м³; U = 9 м/с.

РЕШЕНИЕ

1. М = 2000 ^.25 ^.10^-3 = 50 [г/с].

2. Из формулы (1.25) находим w₀:

.

3. .

4. .

5. .

6. По формуле (1.30) находим коэффициент n:

7.

8.

9.

10. Для Х=100 м:

По формуле (1.36)

S₁₍₁₀₀₎ = 3 · 0,1⁴– 8 · 0,1³ + 6 · 0,1²= 0,052

С₁₀₀ = 0,052 · 0,098 = 0,005 [мг/м³].

11. Для Х = 200 м:

S₁₍₂₀₀₎ = 3 · 0,2⁴– 8 · 0,2³ + 6 · 0,2² = 0,18

С₂₀₀ = 0,18 – 0,098 = 0,018 [мг/м³].

12. Аналогично

S₁₍₄₀₀₎ = 0,52  С₄₀₀ = 0,05 [мг/м³].

S₁₍₆₀₀₎ = 0,82  С₆₀₀ = 0,08 [мг/м³].

S₁₍₈₀₀₎ = 0,97  С₈₀₀ = 0,095 [мг/м³].

Для X = 1000 м и X = 2000 м значения величины S, находим по формуле (1.37).

S_1(1000) = 0,998  С₁₀₀₀ = 0,0978 [мг/м³].

S_1(2000) = 0,74  С₂₀₀₀ = 0,072 [мг/м³].

13. По полученным расчетным данным строится график зависи­мости концентрации вещества С от расстояния X.

14.

15.

С_у = 0,13 · 1 · 0,098 = 0,013 [мг/м³].

17. Принимаем С_ф = 0,5 ∙ ПДК_м.р. = 0,5 · 0,5 = 0,25 [мг/м³].

18. [м].