загрязнения и возможностей самоочищения атмосферы

ЛЕКЦИЯ№6
Оценка уровня загрязнения и возможностей самоочищения атмосферы
Вопрос 1. Загрязнение атмосферы точечными выбросами
Вопрос 2. Самоочищение атмосферы
Вопрос 3. Потенциал загрязнения атмосферы
1. Загрязнение атмосферы точечными выбросами
Максимальная наземная концентрация См , создаваемая выбросами от одного
точечного источника
См = М
√
А – коэффициент стратификации атмосферы, определяющий условия
турбулентного обмена в атмосферном воздухе. При нормальных условиях А = 120.
F – коэффициент, характеризующий скорость оседания вредного вещества в
атмосфере. Для газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей со скоростью
оседания не более 3 м/с. F = 1.
h (м) – высота источника эмиссии
𝛥Т(к) – разность между температурой газовоздушной смеси и окружающего
воздуха.
V (м3/с) – скорость выброса газовоздушной смеси
m,n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода смеси из
устья источника эмиссии. Для низких мало нагретых выбросов (h менее 20 метров) –
вентиляционные трубы, автомобили n = 1,7, m = 0,5. Для высоких горячих выбросов
n = 2,7, m = 1,5
𝜂 – коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности. Для перепада
высот не превышающего предел 50 м на 1 км. 𝜂 = 1.
Величина СЗЗ предприятия определяется как R≤RM при условии С = СМ
2. Самоочищение атмосферы
Процессы, приводящие к самоочищению атмосферы:
1. Разбавление чистым воздухом;
2. Выделение крупнодисперсных аэрозолей за счет силы тяжести;
3. Вымывание мелкодисперсных аэрозолей с осадками;
4. Химические и фотохимические реакции, приводящие к преобразованию
газообразных загрязняющих веществ в жидкие (кислоты, щелочи),
выпадающие вместе с осадками.
Атмосфера не самоочищается от инертных газов (СО и СО2), которые
накапливаются и приводят к климатическим изменениям. Углекислый газ хорошо
растворим в воде, и связывается в гидросфере, в основном в океанах. При
существующих температурах на Земном шаре наблюдается динамическое
равновесие в газообмене СО2 между гидросферой и атмосферой. Антропогенное
увеличение концентрации углекислого газа может привести к усилению
парникового эффекта, так как растворительная способность гидросферы исчерпана.
Увеличение средней температуры приведет к вымыванию СО2 из океанов и
дальнейшему увеличению температуры. Этот процесс приведет к таянию ледников
на полюсах и изменению объема воды в Мировом океане. То есть его
поглотительная способность по углекислому газу увеличится и рост температуры
прекратится. Установится новое равновесное состояние с повышенным уровнем
Мирового океана. Эти процессы инерционны. Наблюдаются тысячелетние
колебания температуры и уровня Мирового океана, о которых мы знаем по
геологическим исследованиям. То есть антропогенное накопление СО 2 может
привести к уменьшению периода естественных циклов, и более высоким средним
температурам и среднему уровню Мирового океана за цикл.
Углекислый газ также хорошо связывается некоторыми минералами. Но
интенсификация процессов его поглощения и выделения происходит при высоких
температурах. Существенный вклад в нарушение газового обмена этот процесс
может дать при значительном увеличении вулканической деятельности.
Оксид углерода СО практически не вступает во взаимодействия при
существующих на Земном шаре температурах. Он может выводиться из атмосферы
при каталитическом окислении, либо разлагаться на углерод и кислород при
высоких температурах (около 1000 градусов по Цельсию). Такие процессы
наблюдаются в атмосфере довольно редко. Поэтому техногенный СО депонируется
в атмосфере, и его количество перманентно растет.
Концентрация СО распределена неравномерно, достигая максимума над
мегаполисами, изменяясь от 1 до 10 мг/м3 , в то время как среднесуточная ПДК = 5
мг/м3.
Города не задыхаются вследствие динамики воздушных потоков в атмосфере,
что приводит к разбавлению концентрации загрязняющих веществ. Основной
характеристикой здесь является параметр потребления воздуха (ПВ). ПВ – это
объем воздуха, необходимого для разбавления выбросов поллютанта.
ПВ = [м3 /с]
(1)
Где М (кг/с) – масса выброса в единицу времени (цикла)
qср – средняя концентрация в (мг/м3) до которой необходимо разбавить выброс
вредного вещества.
При разбавлении до уровня ПДК
ПВпдк =
[м3 /с]
(2)
Иными словами ПВ это объем воздуха поступающий за одну секунду
(скорость поступления), необходимый для разбавления.
Тогда параметр потребления воздуха рассчитанный по методике ОНД-86
ПВ = =
(3)
√
Некоторые рассчитанные значения ПВ *1012 м3 / год приведены в таблице
h, м
V, м3/с
𝛥Т°С
20
50
100
5
0,25
1,65
6,65
1
10
0,47
2,09
8,36
5
0,57
3,55
14,26
10
10
0,73
4,53
18,00
50
1,17
2,19
8,80
50
200
3,52
14,08
3.Потенциал загрязнения атмосферы
Степень загрязнения атмосферы от антропогенных источников зависит от их
переноса на большие расстояния (рассеяния), степени их вымывания, а также
физико-химических превращений.
Все перечисленные факторы зависят от метеорологических процессов,
протекающих в атмосфере.
Сочетание метеорологических параметров, определяющих при заданных
выбросах уровень загрязнения атмосферы называют потенциалом загрязнения
атмосферы (ПЗА).
Различают:
- метеорологический ПЗА, включающий сочетание наблюдаемых параматров
за короткий промежуток времени – обычно сутки.
- климатический ПЗА, включающий многолетние климатические
характеристики.
ПЗА выражается через отношение средних концентраций полютантов при
одинаковых уровнях выбросов в изучаемом районе Сср и условном районе Со с
максимально возможным уровнем рассеивающих свойств атмосферы:
ПЗА = ≥1 =
=
Для городской атмосферы при условии того, что концентрация поллютанта
Сср будет не меньше ПДК имеет вид:
Сср = ПДК еxp [
–
]
где z1 и z2 – аргументы интеграла вероятности.
Φ (z1) = 1Φ (z2) = 1P1 (Cср≥ПДК) = Рин + Рсл + Р3 +Рт
Здесь Рин – повторяемость приземных инверсий;
Рсл – повторяемость слабых скоростей ветра (0-1) м/с;
Р3 – повторяемость застоев воздуха
Рт – повторяемость туманов
Все эти метеопараметры способствуют накоплению загрязняющих веществ в
городской атмосфере и увеличивают ПЗА.
P2 = (C˃1,5ПДК) = Р3 +Рт
Сюда включены основные факторы, препятствующие рассеиванию вредных
веществ: фактическое отсутствие горизонтальных и вертикальных перемещений
воздушных масс, и туман, в котором время вымывания примесей максимально
возможное.
Для идеально рассеивающей атмосферы условного района принимаются
значения: Р1 = 0,1; Р2 = 0,05. В этом случае концентрация примесей будет
соответствовать фоновой, принимаемой за ПДК/8.
С учетом введенных коэффициентов рассеяния, определяющих рассеяние
вредных веществ. Для города с ПЗА менее 3 можно записать:
М = 50qср L
(4)
а для города с ПЗА более 3 имеем:
М = 25qср L
(5)
3
мг/м .
Здесь М в тысячах тонн в год некоторого поллютанта, L в километрах, qср в
Используя эти выражения можно построить номограмму, изображенную на
рисунке
Если расчетный выброс лежит выше прмой, то концентрация этого
поллютанта в городе превышает ПДК и наоборот.
Экологическая нагрузка на окружающую среду, создаваемая предприятием
оценивается по предельно допустимому выбросу (ПДВ).
Для одного поллютанта ПДВ рассчитывается по формуле:
ПДВ =
√ 𝛥
(6)
Здесь
Сф –
фоновая
концентрация
поллютанта,
определяемая
экспериментальным или расчетным путем.
Если в выбросах предприятия содержится n вредных веществ, то
рассчитывается суммарный ПДВ∑
ПДВ∑ = ∑
(7)
Если истинный выброс предприятия по всем поллютантам M∑
M∑ ≤ПДВ∑
(8)
то оно признается экологически безопасным.
В противном случае на предприятие накладываются штрафные санкции и
выдается предписание на разработку дополнительных мер по очистке выброса.