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 рис. 4.4.

Экология города

Рис. 4.4. 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 приме-

Раздел 4. Воздушная среда города 181

сей 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 при 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

<* /=₇ <*/ _/=/ */ <*/

где t — время; х. — координаты; u_j — составляющие средней скорости пере­мещения примеси; kf— 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 u_t = и; и₂ = у; и₃ = w; коэффициенты обмена &, = к_х; к₂ = к; к₃ = к_г.

Тогда уравнение (4.1) приобретает вид:
dq dq dq dq d, dq d, dq d, dq

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 к_х, учитывающим диф­фузию по оси х, поскольку в этом направлении диффузионный поток приме­си значительно меньше конвективного.

Раздел 4. Воздушная среда города 183

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:

dq dq d, dq d. dq

и -^ — w -~- = -=— к -V- + -^— к -тр— ад.
dx dz dz ^z dz Эу у ду

_ _н dqd.dqd.dq

В случае легкой примеси: и -=р- = -=— к -^- + -~— к -=т----- аа.

Эх dz ^z dz ду у ду ^н

При рассмотрении сохраняющейся консервативной примеси:

dx dz ^z dz dy ^y dy

■ 'ні. ■•:?-': ^:'::\f.-ji''-^:'^: ■*■'•' ' -' '■•

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.

При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких ве­ществ, обладающих суммацией вредного действия, рассчитывается суммар­ная концентрация q в долях ПДК:

q = С_Х/ПДК_Х + С₂/ПДК₂ +...+ С_п/ПДК_п.

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества С_м, мг/м³ при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круг­лым устьем достигается при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии х и определяется по формуле:

С =

AMFmnr]

(4.3)

где А — коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмо­сферы; М — масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в едини-

Раздел 4. Воздушная среда города 185

цу времени, г/с; F — коэффициент, учитывающий скорость оседания вред­ных веществ в воздухе; т, п — коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; Н — высота источника вы­броса над уровнем земли, м; (для наземных источников принимается Н— 2 м); т] — коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (в случае рав­ной или слабопересеченной местности с перепадом высот меньше 10 м/км принимается ц = 1); V_t — объемный расход газовоздушной смеси, м³/с; Д Т — разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и темпе­ратурой окружающего воздуха, °С.

Максимальная концентрация загрязняющего вещества в приземном слое атмосферы прямо пропорциональна массовому расходу загрязняющего ве­щества М и обратно пропорциональна квадрату высоты источника Н².

Повышение температуры и момента количества движения струи выбра­сываемых газов приводит к увеличению высоты дымового факела и сниже­нию приземной концентрации загрязняющих веществ.

Коэффициент А при неблагоприятных метеорологических условиях, обес­печивающих максимальные значения концентраций загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы, имеет следующие значения на территории Украины: севернее 50° с.ш. А = 160; для источников в зоне от 50 до 52° с.ш. А= 180; южнее 50° с.ш. — 200.

При определении А Т температуру окружающего атмосферного воздуха принимают равной средней температуре наружного воздуха наиболее жарко­го месяца года в ІЗ⁰⁰ по местному времени.

Значения коэффициента F:

для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей, ско­рость оседания которых близка к нулю, F = 1;

для прочих мелкодисперсных аэрозолей при степени очистки газов в пылеуловителе г) > 0,9 F= 2; при 0,75 <т\ < 0,9 F = 2,5; при г| < 0,75 F= 3;

при наличии данных о дисперсном составе пыли в зависимости от соот­ношения V/U при V/U < 0,015 F= 1; при 0,015 < V/U < 0,03 F= 1,5;

g М g. W g.4

/'определяется, как указано выше, для прочих мелкодисперсных аэрозо­лей, где F — скорость витания частиц такого диаметра d_g, что масса всех частиц диаметром больше d_g составляет 5% от общей массы частиц, м/с; U_M — опасная скорость ветра, м/с.

Для получения значений коэффициентов тип определяются следующие промежуточные коэффициенты:

Т; V_M= 0,65^VAT/H; F'= l,3w₀Zy#; f_e= 800(К')³,

где D — диаметр устья дымовой трубы, м; w₀ — скорость выхода газовоздуш­ной смеси из дымовой трубы, м/с.

186 Экология города

Коэффициент т определяется по формуле:

т = ----------------- ==--------- г— при/< 100;/и = 1,47/л// при/> 100;

0,67 +0,1 V7 +0,34л/7

npnf_e<f<\00 при расчете т принимают, что f=f_e. При f < 100 п определяется в зависимости от У_м.

п = 1 при V_m > 2;

п = 0,532 VJ- 2,13 У_м +3,13 при 0,5 < У_м < 2; _{(4 4)}

п = 4,4 У_м при У_м <0,5.

При/> 100 или Д Т ~ 0 и K_w' > 0,5 (холодные выбросы) при расчете С_м вместо формулы (4.3) применяется:

AMFm] D 1

С = „_Ап К, где К=—- =——==;

п определяется по формулам (4.4) с подстановкой вместо У_м значений V_M.

Аналогично при/< 100 и V_v < 0,5 или/> 100 и V_M< 0,5 (случаи предельно малых опасных скоростей ветра) расчет С_м вместо формулы (4.3) ведется по формуле:

С = ^AMFmrl, где т= 2,86аи при/< 100, V < 0,5; т= 0,9 при/> 100, V'< 0,5.

Расстояние х_м, м, на котором приземная концентрация С, мг/м³, при не­благоприятных метеоусловиях достигает максимального значения С_и, опре­деляется по формуле: х_м = (5 — F)d-H/4, где d — безразмерный коэффициент;

при/< 100

d= 2,48(1 +0,28 Ч1_е) при^_и<0,5;

d=4,95V_M (1 +0,28^/Л) приО,5<К<2; ^{d= 7}V^(1 + 0,28^) при V_M > 2.

При /> 100 или А Т~ 0 значение d находится по формулам: d = 5,7 при К'<0,5; с?= 11,4К' при 0,5 < V'<2; d = Ібл/Т^при Г'>2.

Значение опасной скорости ветра U_M, при которой достигается наибольшее значение приземной концентрации вредных веществ: при/< 100: И_м = 0,5 V_v при V_v <0,5; U_M = V_M при 0,5 < V;<.1\\ - К(1 + 0,12^//) при К > 2.

При/>100илиАГ-0: t/ = 0,5К' при К/<0,5; I/.- F' при 0,5 < Г'<2; f/_M = 2,2K/ при F/>2.

Раздел 4. Воздушная среда города 187

При опасной скорости ветра U_M, м/с, приземная концентрация вредных ве­ществ С, мг/м³, в атмосфере по оси факела выброса на расстоянии х от источни­ка определяется по формуле: С = S_tC_M, где 5_; — безразмерный коэффициент.

S, = 3(х/х_мУ - Цх/х_мУ + 6(х/х_мУ при х/х_м < 1;

0,

п_Ри1<х/х_л<8;

Для низких и наземных источников при 2м < Н < 10 м и х/х_м < 1 величина S, заменяется на S_1H: S_IH = 0,125(10 - Н) + 0,125(#- 2)S_r

Значения приземной концентрации вредных веществ в атмосфере С_у, мг/м³, на расстоянии у_р м, по перпендикуляру к оси факела выброса определяются по формуле: С, = S₂C, где S₂ — безразмерный коэффициент.

с = _________________!_______________ •

t_y ~ иу²/х² при и < 5; t_y= 5y²/x² при и > 5.

Для источника с прямоугольным устьем расчет С_м производится по выше­приведенным формулам с использованием значений средней скорости w_Q, м/с, эквивалентного диаметра D₃, м и эффективного расхода К_1э, м³/с, которые определяются следующим образом:

w₀ = VJLe, м/с, где L — длина устья, м; в — ширина устья, м;
lie nD²

Радиус зоны влияния источника определяется как наибольшее из двух рас­стояний от источника х, и х₂, где х, = 10x_w; х₂ — расстояние от источника, на котором концентрация загрязняющего вещества с = 0,05 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 предвари-

188 Экология города

тельным 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 (разд. 4.5.3).

Для реконструируемого предприятия расчеты выполняют по фактическо­му положению и на перспективу.

Для одиночного источника с круглым устьем в случае С_ф < ПДК ПДВ определяют по формуле:

(ПДК - C.)W ПДВ = -

AFmnti В случае/> 100 или А 7=0:

(ПДК - CJH⁴'³ 8 V.

^ПДВ--------- 1Щ-------- Г-

Для источника с прямоугольным устьем ПДВ определяют по тем же фор­мулам при D — D₃, V_x = У_ъ.

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.