МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Брянский государственный технический университет ЭКОЛОГИЯ Методические указания к выполнению практической работы «Расчет рассеивания химических веществ в приземном слое атмосферы» для студентов очной формы обучения по всем направлениям подготовки Брянск 2016 -2- УДК 574 Экология: Расчет рассеивания химических веществ в приземном слое атмосферы [Текст] + [Электронный ресурс]: методические указания к выполнению практической работы для студентов очной формы обучения по всем направлениям подготовки. – Брянск: БГТУ, 2016. – 28 с. Разработали: А.В. Корсаков, доктор биол. наук, проф. Л.И. Пугач, канд. физ.-мат. наук, доц. Е.С. Зяблова, ст. преп. Рекомендовано кафедрой "Безопасность жизнедеятельности и химия" БГТУ (протокол № 6 от 28.01.2016 г.) Методические указания публикуются в авторской редакции -3- ПРЕДИСЛОВИЕ Современная эпоха характеризуется обострением противоречий между техносферой и окружающей средой, между имеющимся промышленным потенциалом и возможностями его безопасного и эффективного использования [5]. Атмосфера всегда содержит определенное количество загрязняющих веществ (поллютантов), поступающих от естественных и антропогенных источников. Загрязняющее вещество (поллютант) – один из видов загрязнителей, любое химическое вещество или соединение, которое находится в объекте окружающей среды в количествах, превышающих фоновые значения и вызывающие тем самым химическое загрязнение [5]. К числу примесей, выделяемых естественными источниками, относят пыль (растительного, вулканического, космического происхождения, возникающая при эрозии почвы, частицы морской соли); туман, дымы и газы от лесных и степных пожаров; газы вулканического происхождения; различные продукты растительного, животного и микробиологического происхождения и др. [3, 6-11]. Более устойчивые зоны с повышенными концентрациями загрязнений возникают в местах активной жизнедеятельности человека. Антропогенные загрязнения отличаются многообразием видов и многочисленностью источников. Если в начале XX в. в промышленности применялось 19 химических элементов, то в середине века промышленное производство стало использовать около 50 элементов, а в 70-х годах – практически все элементы таблицы Менделеева [3, 6-11]. Это существенно сказалось на составе промышленных выбросов и привело к качественно новому загрязнению атмосферы, в частности, аэрозолями тяжелых и редких металлов, синтетическими соединениями, не существующими и не образующимися в природе, радиоактивными, канцерогенными, бактериологическими и другими ксенобиотиками [3, 6-11]. Особенно острой проблема загрязнения атмосферы стала во второй половине XX в., т.е. в период научно–технического прогресса, характеризующегося чрезвычайно высокими темпами роста промышленного производства, выработки и потребления электроэнергии, что в свою очередь связано со сжиганием большего объема углеводородного топлива и образования различных химических веществ (поллю- -4- тантов), основная масса которых выбрасывается в атмосферу с помощью дымовых труб, что и приводит к ее загрязнению [3, 6-11]. В настоящее время в мировом регистре химических веществ Chemical Abstracts Service (CAS REGISTRY) зарегистрировано около 103 млн. названий и ежедневно в регистр добавляется около 15 тыс. новых веществ! [1]. В промышленных масштабах (более 1000 тонн в год) в биосферу ежегодно попадает, по экспертным оценкам не менее 150 тыс. ксенобиотиков (в том числе 2-3 тыс. новых) [1]. Если в период до1965 г. количество зарегистрированных химических веществ ежегодно увеличивалось, в среднем, на 300 тысяч, в период с 1976 по1990 гг. – на 670 тысяч, в период с 1991 по 2005 гг. – на 1 млн., то за последние 10 лет (2006-2015 г.) – это количество превышает 7,5 млн. химических веществ в год [1]. Технологические газы после выхода из труб подчиняются законам турбулентной диффузии. По мере удаления от трубы в направлении распространения промышленных выбросов условно выделяют три зоны загрязнения атмосферы [5]: 1) переброса факела выбросов, характеризующаяся относительно невысоким содержанием химических веществ в приземном слое атмосферы; 2) задымления с максимальным содержанием химических веществ; 3) зона постепенного снижения уровня загрязнения. Токсико-химическое (преимущественно газо-аэрозольное) загрязнение окружающей среды представляет собой большую опасность для здоровья человека [5]. По данным Всемирной организации здравоохранения, до 30 % всех заболеваний являются следствием экологического неблагополучия, особенно в местах наиболее агрессивного техногенного химического загрязнения [5]. По данным Государственного доклада Министерства природных ресурсов и экологии РФ "О состоянии и об охране окружающей среды РФ в 2013 гг." [2] 57 % городского населения России подвергается высокому и очень высокому уровню загрязнения атмосферного воздуха. 48 % населения Брянской области проживают на территориях повышенного и высокого уровня загрязнения атмосферного воздуха [2]. Свыше 10 предельно допустимых концентраций (ПДК) по таким химическим веществам, как бенз(а)пирен, свинец, формальдегид, фенол, оксид и диоксид азота, фтористый и хлористый водород, этилбензол, сероводород, сероуглерод, взвешенные вещества и сажа под- -5- вергаются 17% населения в 37 городах РФ (при максимальных концентрациях до 100 ПДК), от 5 до 10 ПДК – 49% в 129 городах, до 5 ПДК – 15% в 35 городах и ниже 1 ПДК – 19% населения в 47 городах страны [2]. В данных методических указаниях показан расчет ожидаемой концентрации химических веществ (поллютантов) в приземном слое атмосферы в зависимости от расстояния до источника и от метеорологических условий по ОНД – 86 [4]. Методические указания состоят из пяти частей. В первой части рассмотрены основные источники загрязнения атмосферы. Во второй части изложены основные свойства некоторых химических веществ (поллютантов) и их воздействие на организм человека. В третьей части представлены санитарно-гигиенические показатели загрязнения атмосферы. Четвертая часть посвящена методике расчета рассеивания химических веществ в приземном слое атмосферы при работе тепловых электростанций (ТЭС). В пятой части приводится список рекомендуемой литературы и приложения. Выполнение практической работы рассчитано на 6 часов (с ответами на теоретические вопросы). ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1. Основные источники загрязнения атмосферы Промышленные (топливно-энергетические, машиностроительные, газовые, нефтеперерабатывающие, угольные) предприятия и транспорт (авио-, автотранспорт, железнодорожный) являются основными источниками техногенного химического загрязнения окружающей среды. Так, среднегодовой выброс химических веществ от источников сжигания топлив составляет 250 млн т (газов и аэрозолей) в России и около 1 трл т в мире [5], что превышает естественные выбросы от вулканов около 4 тыс. раз (вулканы в среднем за год выбрасывают в атмосферу Земли 90 млн т газов и 165 млн т мелкодисперсного тепла) [5]. Кроме того, большая часть химических веществ от продуктов сжигания топлив (бензапирен, тяжелые металлы, полициклические ароматические углеводороды, полихлорированные диоксины, формальдегид, фенол и др.) крайне агрессивна, чем от естественных выбросов (оксид углерода, азота, пыль) и оказывает мутагенное и -6- канцерогенное воздействие. В настоящее время в Брянске промышленными предприятиями и автотранспортом в атмосферу было выброшено 43,44 тыс. т различных химических веществ, из них 13,71 тыс. т промышленными предприятиями, 29,73 тыс. т автотранспортом [5]. Доля загрязнений атмосферы от газотурбинных двигательных установок (ГТДУ) и ракетных двигателей (РД) пока незначительна, поскольку их применение в городах и крупных промышленных центрах ограничено. Основные загрязнения атмосферного воздуха промышленными предприятиями поступают от тепловых электростанций (около 30%), работающих на углеводородном топливе (уголь, мазут, природный газ, бензин, керосин, дизельное топливо и др.). Количество загрязнений определяется составом, объемом сжигаемого топлива и организацией процесса сгорания. Основные химические вещества (поллютанты), выбрасываемые в атмосферу от работы автотранспорта и промышленных предприятий – оксид (СО) и диоксид углерода (СО2), оксид (NO) и диоксид азота (NO2), диоксид серы (SO2), тяжелые металлы (Pb, Cd, Hg), формальдегид (СH2O), фенол (C6H5OH), бензол (C6H6), углеводороды, в том числе внеконкурентный канцероген бенз(а)пирен С20Н12, несгоревшие частицы твердого топлива и др. [5-10]. При сжигании твердого топлива в котлах ТЭС образуется большое количество золы, диоксида серы, оксидов азота. Так, подмосковные угли имеют в своем составе 2,5-6,0% серы и до 30-50% золы. Дымовые газы, образующиеся при сжигании мазута, содержат оксиды азота, соединения ванадия и натрия, газообразные и твердые продукты неполного сгорания. Перевод установок на жидкое топливо существенно уменьшает золообразование, но практически не влияет на выбросы SO2, так как мазуты, применяемые в качестве топлива, содержат два и более процентов серы [5-10]. При сжигании природного (неочищенного) газа в дымовых выбросах также содержатся оксид серы и оксиды азота. Следует отметить, что наибольшее количество оксидов азота образуется при сжигании жидкого топлива. Современная ТЭС мощностью 2,4 МВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает в атмосферу: 680 т SO2 при содержании серы в топливе 1,7%; 200 т NOx; 120-240 т твердых частиц (зола, -7- пыль, сажа) при эффективности системы пылеулавливания 94 – 98%. Исследования показывают, что вблизи мощной электростанции, выбрасывающей в сутки 280-360 т SO2, максимальные концентрации ее с подветренной стороны на расстоянии 200-500, 500-1000 и 1000-2000 м составляют соответственно 0,3-4,9, 0,7-5,5 и 0,22-2,8 мг/м3 [5-10]. Автотранспорт вносит наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха. Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания содержат более 200 вредных наименований химических веществ и соединений, большая часть из которых обладает мутагенным и канцерогенным действием. Нефтепродукты, продукты износа шин, тормозных накладок, сыпучие и пылящие грузы, хлориды, используемые в качестве антиобледенителей дорожных покрытий, загрязняют окружающую среду. В мировом балансе загрязнений основная доля (54 %) приходится на автотранспорт, но в разных странах доля неодинакова и колеблется от 13–30 % до 60–80 % [5-10]. 2. Основные сведения о некоторых химических веществах (поллютантах), образующихся при сжигании различных видов топлива 2.1. Сернистый ангидрид (диоксид серы) Соединения серы поступают в воздух в основном при сжигании богатых серой видов горючего – уголь и мазут. Среднее содержание серы в углях, используемых при получении электроэнергии, составляет 2,5 %, поэтому при сгорании в топках электростанций 1 млн т угля выделяется 25 тыс т серы главным образом в виде сернистого ангидрида (диоксида серы). Использование нефтепродуктов в качестве топлива приводит к загрязнению окружающей среды продуктами горения, включая диоксид серы (SO2). В атмосфере диоксид серы (SO2) каталитически под воздействием металлов, главным образом, марганца, окисляется до триоксида серы (SO3) и сразу же реагирует с водяным паром, образуя серную кислоту (Н2SO4) [5-10]. Наибольший «вклад» в загрязнении атмосферного воздуха сернистым ангидридом (диоксидом серы) вносят тепловые электростанции (72%) и в меньшей степени автотранспорт (20%) [5-10]. Сернистый ангидрид (диоксид серы) – бесцветный газ с острым запахом, хорошо растворяется в воде, поступает в организм через ды- -8- хательные пути. Диоксид серы (SO2) оказывает сильное местное раздражающее и резорбтивное действие. Около 40% сернистого ангидрида задерживается (растворяется) в верхних дыхательных путях, общий процент задержки сернистого газа в организме около 60. Сернистый ангидрид длительное время циркулирует в крови. Наблюдается привыкание к раздражающему действию сернистого газа. Острое отравление характеризуется раздражением слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей, бронхов. При более длительном воздействии наблюдается резкий кашель, рвота, иногда с кровью, охриплость. При очень больших концентрациях возможен острый бронхит, одышка, цианоз, потеря сознания, отек легких. Смерть может наступить от асфиксии вследствие рефлекторного спазма голосовой щели. Резорбтивное действие сернистого газа проявляется в раздражении кроветворных органов (эритроцитоз и лейкоцитоз), рефлекторном повышении содержания сахара в крови, сдвиге белковых фракций крови в сторону глобулинов, увеличении количества пировиноградной кислоты, вызванном угнетением активности ферментов карбоксилазы и угольной ангидразы. Для хронических отравлений характерны катар дыхательных путей, в том числе бронхит, конъюнктивит, разрушение зубов, изменение морфологии крови, чаще анемия, снижение количества нейтрофилов, нарушение функции печени. Диоксид серы оказывает крайне негативное влияние и на растения: угнетает жизнедеятельность клеток, листья покрываются бурыми пятнами и засыхают. Воздействие SО2 на организм человека в зависимости от объемного содержания его в воздухе (%) вызывает такие последствия: 0,0007 – 0,001 – раздражение в горле; 0,0017 – раздражение глаз, кашель; 0,01 – отравление через 3 мин; 0,04 – отравление через 1 мин. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны SО2 (ПДКр.з.) – 10 мг/м3; в воздухе населенных пунктов – ПДКс.с = =0,05 мг/м3, ПДКм.р.= 0,5 мг/м3. Согласно санитарно-гигиеническим нормам, SО2 является веществом 3-го класса опасности. -9- 2.2 Оксид углерода Оксид углерода СО – бесцветный газ, без вкуса и запаха, легче воздуха (удельная масса по отношению к воздуху 0,97), практически не растворимый в воде. Самый крупный источник оксида углерода – автотранспорт. В большинстве городов свыше 90 % оксида углерода в воздух попадает вследствие неполного сгорания углерода в топливе. Если при неполном сгорании углерода образуется оксид углерода, то полное сгорание дает конечный продукт – диоксид углерода [5-10]. Механизм действия оксида углерода сложен. Прежде всего, он заключается в способности оксида углерода вступать в соединение с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин; оксид углерода обладает большим сродством к гемоглобину, чем кислород, примерно в 250 раз. При этом гемоглобин теряет способность связывать кислород и переносить его к тканям. Наступает гипоксемия, а в тяжелых случаях отравления – аноксемия. В результате гипоксемии нарушается в первую очередь обмен веществ. В крови резко увеличивается содержание сахара, наступает гипергликемия, а затем глюкозурия. Накапливается молочная кислота, снижается резервная щелочность крови. Значительно увеличивается выделение углекислоты, дыхательный коэффициент может превысить единицу; снижается коэффициент утилизации кислорода тканями. Нарушается также и белковый обмен: повышается выделение азота мочевины, аммиака и неорганического фосфора. Установлено также нарушение равновесия кальция и калия в крови: содержание кальция увеличивается, а калия – уменьшается. Равновесие восстанавливается через 6 – 24 часа после отравления. Воздействие оксида углерода на организм человека зависит от ее объемной концентрации в атмосфере (%): 0,0016 – безвредно; 0,01 – хроническое отравление при длительном пребывании; 0,05 – слабое отравление через 1 час; 1,0 – потеря сознания после нескольких вздохов. ПДКр.з.= 20 мг/м3. ПДК в воздухе населенных пунктов – ПДКс.с = =3,0 мг/м3. ПДКм.р.= 5,0 мг/м3. Относится к 4-му классу опасности. - 10 - 2.3. Оксиды азота При сжигании углеводородного топлива образуются оксиды азота (NOх). Оксид азота NО – бесцветный газ, образуется при неполном сгорании топлива, диоксид азота NО2 – газ красновато-бурого цвета с характерным запахом, тяжелее воздуха, образуется при полном сгорании топлива [5-10]. Оксиды азота (NOx), реагируя в атмосфере с парами воды, образуют смесь азотистой (НNO2) и азотной (НNO3) кислот. Эти кислоты выпадают вместе с дождем, снегом, присутствуют в тумане, облаках. Наибольший «вклад» в загрязнении атмосферного воздуха оксидами азота вносят автотранспорт (40%) и чуть меньше (30%) – теплоэнергетика [5-10]. По действию на человеческий организм оксиды азота значительно более опасны, чем оксид углерода. Попадая в организм и вступая в реакцию с водой, они образуют соединения азотной и азотистой кислот, раздражающие слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Оксиды азота поступают в организм через дыхательные пути. Симптомы отравления обычно развиваются не сразу, а после некоторого латентного (скрытого) периода (6 часов и более). Картина отравления зависит от содержания в нитрогазах различных оксидов азота. Соответственно механизму действия отдельных оксидов азота и развивается картина острого отравления. Различают четыре формы острого отравления оксидами азота: 1. Форма раздражающего действия характеризуется тремя периодами: в первом, кратковременном, периоде наблюдается раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей; второй период – период затишья, или латентный, длится 4—18 часов; в третьем периоде развивается токсический отек легких. Этот тип отравления возникает в случае преобладания в газовой смеси диоксида азота. 2. При обратимой форме симптомы отравления проявляются немедленно и свидетельствуют об аноксемическом состоянии организма. В крови находят метгемоглобин. Отек легких не развивается. При быстром удалении больного из газовой атмосферы наступает выздоровление; в противном случае возможна смерть от асфиксии. Этот тип отравления наблюдается при преобладании в газовой смеси оксида азота. 3. Шокоподобная форма характеризуется моментальным насту- - 11 - плением симптомов удушья: судороги, остановка дыхания, смерть. Этот тип вызывается очень большими концентрациями оксида и диоксида азота. 4. При комбинированной форме наблюдается сочетание признаков описанных первых двух форм. Сначала отмечаются симптомы аноксемии, затем латентный период и, наконец, развитие отека легких. Этот тип отравления также вызывается вдыханием смеси оксида и диоксида азота. Хроническое отравление чаще всего выражается катаром верхних дыхательных путей, бронхитом, разрушением зубов. Отмечаются также нарушение обмена веществ, мышечная сердечная слабость, нервные расстройства, понижение кровяного давления. Взаимодействие NО2 на человеческий организм в зависимости от объемной концентрации в атмосфере (%) характеризуется следующими цифрами: 0,00001 – абсолютный порог воздействия; 0,0001 – 0,0003 – порог восприятия запаха; 0,0013 – порог раздражения слизистых оболочек носа и глаз; 0,001 – 0,002 – образование метагемоглобина; 0,004 – 0,008 – отек легких. ПДКр.з NО2 = 5,0 мг/м3, ПДКс.с= 0,04 мг/м3, ПДКм.р = 0,085 мг/м3. NО является веществом 3-го класса, а NО2 – 2-го класса опасности. 2.4. Бенз(а)пирен Бенз(а)пирен (С20Н12) относится к 1-му классу опасности и является внеконкурентным канцерогеном. Бенз(а)пирен является соединением из группы полициклических ароматических углеводородов, присутствующим в газообразных отходах промышленности, выхлопах автомобилей [5-10]. До 70% загрязнение атмосферы бенз(а)пиреном приходится на автотранспорт. Наиболее высокие концентрации бенз(а)пирена наблюдаются на городских магистралях, а также вблизи заправочных станций. В промышленности до 40% выбросов бенз(а)пирена приходится на черную металлургию, 26% – бытовое отопление, 16% – химическую промышленность [5]. Риск летальности при вдыхании предельно допустимой концентрации (ПДК) в течение 70 лет равен 1,8∙10-4 (против 0,85∙10-4 бэр) [5]. Воздействие повышает риск (частоту) формирования рака, ведет к росту детской смертности, внутриутробной дегенерации центральной нервной системы, подавлению сперматогенеза, обладает мутагенным действием. - 12 - ПДКр.з=0,00015 мг/м3, ПДКс.с=0,0001 мг/м3. ПДКм.р. не должно регистрироваться. 3. Санитарно-гигиенические показатели загрязнения атмосферы В 1951 году в СССР были утверждены ПДК для 10 наиболее распространенных химических веществ, выбрасываемых в атмосферу. Это были первые в мире нормативы качества атмосферного воздуха. В начале 1970-х годов перечень ПДК составлял 600 названий химических веществ, в середине 1990-х – 2400, в 2000-х – около 5000, в настоящее время – более 10 000 [5, 10]. Согласно санитарно-гигиеническим нормам, химические вещества (поллютанты) подразделяются на четыре класса опасности: 1) чрезвычайно опасные (бенз(а)пирен, свинец, кадмий, ртуть, мышьяк и др.); 2) особо опасные (диоксид азота, фенол, бензол, формальдегид, стирол, пиридин, фтористый водород, хлор и др.); 3) умеренно опасные (оксид азота, диоксид серы, ацетон, этилен, этилбензол, сажа и др.); 4) малоопасные (аммиак, бутан, оксид углерода, циклогексан, этилацетат и др.) [5]. Предельно допустимая концентрация (ПДК) – количество вредного вещества в атмосферном воздухе, отнесенное к массе или объему ее конкретного компонента, которое при постоянном контакте или при воздействии в отдельный промежуток времени не оказывает влияния на здоровье человека и не вызывает неблагоприятных последствий как непосредственно, так и у последующих поколений [5-10]. ПДК устанавливаются для атмосферного воздуха (мг/м3), водных объектов хозяйственно-питьевого и бытового назначения (мг/л), почв (мг/кг) с учетом класса опасности химических веществ. На содержание химических веществ в атмосферном воздухе установлены два вида предельно допустимых концентраций (ПДК): в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з) и в атмосферном воздухе населенных пунктов (ПДКн.п.). ПДК в атмосферном воздухе населенных пунктов подразделяют на максимально разовые (ПДКм.р) и среднесуточные (ПДКс.с) [5-10]. - 13 - ПДКн.п. значительно ниже ПДКр.з. Это объясняется тем, что на промышленном предприятии в течение рабочего дня работают практически здоровые люди, а в населенных пунктах круглосуточно находятся не только взрослые, но и дети, пожилые и больные люди, беременные и кормящие женщины [5]. При установлении ПДКр.з. и ПДКн.п. ориентируются на токсикологический показатель или рефлекторную реакцию организма. Если порог токсического действия для вещества оказывается менее чувствительным, то решающим в обосновании ПДК является порог рефлекторного действия как наиболее чувствительный. В подобных случаях ПДКм.р.>ПДКс.с.. Если же порог рефлекторного действия менее чувствителен, чем порог токсического действия, то принимают ПДКм.р.=ПДКс.с.. Для веществ, у которых порог рефлекторного действия отсутствует, устанавливается только ПДКс.с. [5]. Предельно допустимые выбросы (ПДВ) – количество химических веществ, которые разрешается выбрасывать за единицу времени в атмосферный воздух (г/с). ПДВ является средством контроля промышленных предприятий [5-10]. 4. Расчет рассеивания техногенных поллютантов в приземном слое атмосферы Студентам необходимо рассчитать уровень рассеивания химических веществ (поллютантов) в приземном слое атмосферы. Варианты задания приведены в прил. 1. 4.1. Общие положения Методика расчета рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (объектов), тепловых электростанций и котельных, основана на определении концентрации этих вредных веществ в приземном слое воздуха С (мг/м3). Степень опасности загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха выбросами вредных веществ определяется по наибольшему рассчитанному значению приземной концентрации вредных веществ См мг/м3, которое может устанавливаться на некотором расстоянии от места выброса, соответствующем наиболее неблагоприятным метео- - 14 - рологическим условиям (когда скорость достигает опасного значения Им, наблюдается интенсивный турбулентный обмен и др.). Наибольшая концентрация каждого вредного вещества См мг/м3 в приземном слое атмосферы не должна превышать максимальной разовой предельно допустимой концентрации (ПДКм.р) данного вредного вещества в атмосферном воздухе населенных пунктов См ПДК. (1) При одновременном совместном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ, обладающих суммацией действия (прил. 5) , их безразмерная суммарная концентрация (для каждой группы указанных вредных веществ однонаправленного действия) не должна превышать единицы при расчете по формуле: Сn C1 q ... 1, ПДК n ПДК1 ПДК2 2 где С1, С2, ..., Сn – концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе в одной и той же точке местности, мг/м3; ПДК1, ПДК2, ..., ПДКn – соответствующие максимальные предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, мг/м3. Примечание: разовые концентрации токсико-химических веществ определяются по пробам, отобранным в течение 20 мин. 4.2. Расчет рассеивания нагретых выбросов из одиночного источника 1. Максимальная приземная концентрация вредных веществ См для выброса нагретой газовоздушной смеси из одиночного (точечного) источника с круглым устьем при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии Хм (м) от источника определяется по формуле: См А М F m n η , H 2 3 V1T (3) где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе; размерность – С2 / 3 МГ град1/ 3 / г; - 15 - М – количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с; F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; m, n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; η – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на I км, η = 1); Н – высота источника выброса над уровнем земли, м; ΔТ – разность между температурой, выбрасываемой газовоздушной смеси Тг, и температурой окружающего атмосферного воздуха Тв, град.; V1 – скорость поступления объема газовоздушной смеси (м3/с), определяемая по формуле: V1 π D2 4 W0 , (4) где D – диаметр устья источника выброса, м; W0 – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, м/с (прил. 1). 2. Коэффициент А принимается: для Нижнего Поволжья, Кавказа, Сибири, Дальнего Востока и остальных районов Средней Азии – 200; для Севера и Северо–Запада европейской территории России, Среднего Поволжья и Урала – 160; для Центральной части европейской территории России – 120. 3. Величина М должна быть пересчитана из величины млн кг в год (прил. 2) в г/с. Например, мощность ТЭС составляет 700 МВт. Вид топлива уголь. Выброс оксидов серы в год составляет 139 млн кг (прил. 2). Выбросы оксидов серы (г/сек) составят: 139 ⋅109 ⋅ 0,7 М= = 3085,4. 365 ⋅ 24 ⋅ 60 ⋅ 60 Примечания: В расчете должны приниматься наиболее неблагоприятные величины М, реально наблюдающиеся в течение года при установленных (обычных) условиях эксплуатации. При сжигании топлива с различным содержанием серы и золы, а также при использовании сырья с различным содержанием выбрасываемых в атмосферу вредных веществ в расчетах следует принимать наибольшие количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу. - 16 - 4. Величина Т (°С) определяется по формуле Т = Тг – Тв, где Тв принимается равной средней температуре наружного воздуха в 13 ч наиболее жаркого месяца года (прил. 4); Тг – определяется экспериментально или по действующим для данного производства нормативам (прил. 1). 5. Значения безразмерного коэффициента F принимаются: а) для газообразных вредных веществ (сернистого ангидрида, сероуглерода, оксида углерода, оксидов азота и т. п.) и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы и т. п.) скорость упорядоченного оседания которых практически равна нулю) – 1,0; б) для пыли и золы (кроме указанных в п. 3.2.5. а), если средний коэффициент очистки равен: не менее 90% – 2,0; от 75 до 90% – 2,5; менее 75% – 3,0. 6. Безразмерный коэффициент m определяется по формуле 1 m , (5) 0,67 0,1 f 0,343 f W 02 D 2 где f 1000 ( м / с град) (6) H 2 T 7. Значение безразмерного коэффициента n определяется по формулам (7) – (9) в зависимости от параметра Vм, вычисляемого по формуле 10. где при Vм 0,5 при 0,5 Vм 2 при Vм 2 Vм 0,653 n 4,4Vм ; n 0,53Vм 2 2,13Vм 3,13 ; n 1,0 , V1T . (7) (8) (9) (10) H 8. Максимальная приземная концентрация вредных веществ (См) при неблагоприятных метеорологических условиях достигается по оси факела выброса на расстоянии Хм (м) от источника выброса. Когда безразмерный коэффициент F = 1, величина Хм определяется по формуле Хм d H, (11) где d – безразмерная величина, определяемая по формулам: - 17 - при Vм 2 d 4,95 Vм (1 0,283 f); (12) Vм 2 d 7 Vм (1 0,283 f ) . (13) Когда безразмерный коэффициент F ≥ 2, величина Хм определяется по формуле (5 F) Хм d H . (14) 4 9. Опасная скорость ветра Им, м/с, на уровне флюгера (обычно 10 м от уровня земли), при которой наблюдается наибольшее значение приземной концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе См, принимается: при при Vм 0,5 при 0,5 Vм 2 И м Vм ; (15) (16) (17) И м Vм (1 0,12 f ). 10. Максимальная приземная концентрация вредного вещества Сми (мг/м3) при неблагоприятных метеорологических условиях и скорости ветра И (2 м/с), отличающейся от опасной скорости Им, определяется по формуле (18) Cми rСм , где r – безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения И/Им по формуле: И И 2 И 3 И r 0,67( ) 1,67( ) 1,34( при ) ; (19) 1 Им Им Им Им 3 И И Им r при ;. (20) 1 И 2 И Им ) ( )2 2( Им Им 11. Расстояние от источника выброса Хми (м), на котором при скорости ветра И и неблагоприятных метеорологических условиях приземная концентрация вредных веществ достигает максимального значения Сми (мг/м3), определяется по формуле Х ми Х м , (21) при Vм 2 Им 0,5; - 18 - где ρ – безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения И/Им по формулам: 5 И И 1; 8,431 1 при 0,25 (22) И Им м И 0,25 при 3; (23) Им И И 0,68. (24) при 1 0,32 Им И м 12. Значения приземных концентраций вредных веществ С в атмосфере по оси факела выброса на расстоянии Х (2000 м) от источника выброса определяются по формуле C S1См , (25) где S1 – безмерная величина, определяемая при опасной скорости ветра в зависимости от отношения Х/Хм3по формулам: 4 2 Х Х Х Х 6 ; 8 (26) при 1 S1 3 Х Х Х Хм м м м Х 1,13 8 S1 при 1 (27) 2 ; Хм Х 1 0,13 Хм Х Х 8 и F 1 S1 при ; (28) 2 Хм Хм Х Х 35,2 3,58 120 Х м Х м Х при 8 и F 2;2,5;или3; Хм 1 S1 Х 2 . Х 0,1 2,47 17,8 Х м Х м (29) Примечания: 1. Аналогично определяются значения концентраций токсико-химических веществ на различных расстояниях по оси факела при других значениях скоро- - 19 стей ветра И и неблагоприятных метеорологических условиях. По формулам (18) и (21) определяются значения величин Сми и Хми. По отношению Х/Хми находится значение S1 по формулам (26) – (29). Искомая концентрация вредного вещества определяется умножением Сми на S1. 2. С наветренной стороны источника выброса (Х<0) значения концентрации вредных веществ С принимаются равными нулю. 13. Приземные концентрации вредных веществ в атмосфере Су на расстоянии У (200 м) по перпендикуляру от оси факела выброса определяются по формуле: (30) С у S2 С, где S2 – безразмерная величина, определяемая в зависимости от скорости ветра И (м/с) и отношения У/Х по значению аргумента tу: ИУ 2 tу= Х 2 5У 2 tу= Х 2 при И5; (31) при И5; (32) S 1 4 2 . 2 (33) (1 5t у 12,8tу 17,0t у 3 45,1t у ) 14. Предельно допустимые выбросы (ПДВ), г/с по значению ПДКм.р для нагретой газовоздушной смеси из одиночного источника с круглым устьем определяются по формуле для каждого химического вещества: 2 ПДВ ПДК М .Р. H 2 3 V1 T A F m n η . (34) 15. Если М>ПДВ, то необходимо установление систем очистки атмосферы на производстве от химических веществ, (%) Z М ПДВ М 100 %, (35) где М – масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с. - 20 - 4.3. Холодные выбросы Максимальная приземная концентрация вредных веществ См для выброса холодной газовоздушной смеси из одиночного источника с круглым устьем при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии Хм от источника определяется по формуле Cм АМFnη K 4/3 H , (36) где А – определяется по п.3.2.2; η – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на I км, η = 1); n – безразмерный коэффициент, находится по формулам (7) – (9) в зависимости от параметра Vм (м/с), вычисляемого по формуле: W0 D V 1,3 м Н . (37) К – величина (с/м2), определяемая по формуле: К D 8V1 . (38) Опасная скорость ветра Им (м/с) при холодных выбросах принимается: при Vм 2м / с по формулам при Vм 2м / с по формуле Им 2,2Vм . (15) и (16) ; (39) Расстояние по оси факела (Хм) определяется: если F=1, по формуле (11); если F ≥ 2, по формуле (14). Безразмерный коэффициент d определяется по формулам: при Vм 2 d 11,4Vм ; (40) при Vм 2 d 16,1 Vм . (41) Примечание. Если разность температур ∆T (град.) близка к нулю при расчетах по формуле (6), параметр f ≥ 100, то для таких выбросов расчеты должны проводиться так же, как и для холодных, так как их начальная температура Тг - 21 не оказывает существенного влияния на подъемы и рассеивание вредностей в атмосфере. В остальном рассеивание вредных веществ для холодных выбросов рассчитывается так, как для нагретых. Предельно допустимые выбросы (ПДВ), г/с по значению ПДК м.р для холодной газовоздушной смеси из одиночного источника с круглым устьем определяются по формуле для каждого химического вещества: 4 ПДК М .Р. H 3 ПДВ А F n η K . (42) Если М>ПДВ, то степень очистки для холодных выбросов рассчитывается так же, как и для нагретых. 4.4. Расчет рассеивания выбросов из группы источников 1. Приземная концентрация вредного вещества С в любой точке местности при наличии N источников определяется как сумма концентраций вредных веществ в этой точке от отдельных источников: С=С1+С2+…+Сn, (43) где C1, С2, ..., Cn – концентрации вредных веществ, выбрасываемых 1 – м, 2 – м,..., N – м источниками, мг/м3. 2. Максимальная суммарная концентрация вредных веществ См от N одиночных источников равной высоты, близко расположенных на площадке друг от друга с одинаковыми диаметрами устьев, одинаковыми скоростями выхода в атмосферу газовоздушной смеси и её перегревами определяется по формуле Cм АFМmn 3 N , 2 VT H (44) где М – суммарное количество вредного вещества, выбрасываемого всеми источниками в атмосферу, г/с; V – суммарный объём выбрасываемой всеми точками газовоздушной смеси, м3/с, определяемой по формуле: V=V1N. (45) Параметр VM находится по формуле VT Vм 0,65 3 . (46) NH - 22 - Полученные данные расчетов рассеивания химических веществ в приземном слое атмосферы от одиночного источника для нагретых и холодных выбросов записать в итоговые таблицы (табл. 1 – 3) по каждому поллютанту (SO2, NOх, твердые частицы). Таблица 1 Расчет рассеивания химических веществ в приземном слое атмосферы от одиночного источника по SO2 Выбросы См Сми С Су ПДВ Z Нагретые Холодные ПДКм.р. ПДКс.с. V1 Vм Хм Хми Таблица 2. Расчет рассеивания химических веществ в приземном слое атмосферы от одиночного источника по NOх Выбросы См Сми С Су ПДВ Z Нагретые Холодные ПДКм.р. ПДКс.с. V1 Vм Хм Хми Таблица 3 Расчет рассеивания химических веществ в приземном слое атмосферы от одиночного источника по твердым частицам Выбросы См Сми С Су ПДВ Z Нагретые Холодные ПДКм.р. ПДКс.с. V1 Vм Хм Хми - 23 - Контрольные вопросы 1. Перечислите основные источники химического загрязнения атмосферы, вклады естественных источников, промышленных предприятий и транспорта в загрязнении окружающей среды. Дайте определение «поллютант». 2. Перечислите зоны распространения промышленных выбросов. 3. Перечислите основные химические вещества, загрязняющие окружающую среду. 4. Сколько в настоящее время в мире зарегистрировано химических веществ и какое количество образуется ежедневно? 5. Перечислите источники поступления сернистого ангидрида в атмосферу и воздействие на организм. 6. Назовите источники поступления оксида углерода в атмосферу и воздействие на организм. 7. Перечислите источники поступления оксидов азота в атмосферу и воздействие на организм. 8. Назовите источники поступления бенз(а)пирена в атмосферу. Каково воздействие на организм? 9. Дайте определение предельно допустимой концентрации (ПДК) вредных веществ в окружающей среде, перечислите виды ПДК. Что такое ПДВ? 10. Перечислите классификацию химических веществ по классам опасности согласно санитарно-гигиеническим нормам и приведите примеры химических веществ по каждому классу опасности. - 24 - СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. American Chemical Society. CAS REGISTRY and CAS Registry Number FAQs. Available at: http://www.cas.org/about-cas/cas-factsheets/cas-products-fact-sheet 2. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2013 году» М.: Министерство природных ресурсов и экологии РФ, 2014. – 463 с. http://www.mnr.gov.ru/regulatory/detail.php?ID=138762 3. Коробкин В.И. Экология: учебник для студентов бакалаврской ступени многоуровневого высшего профессионального образования / В.И. Коробкин, Л.Е. Передельский. – Ростов н/Д: изд-во ФЕНИКС, 2012. – 601 с. 4. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: ОНД – 86. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 5. Тотай А.В. Промышленная экология: учебное пособие для студентов высших учебных заведений / А.В. Тотай, А.В. Корсаков, И.М. Корсакова, В.В. Кордик. – Брянск, БГТУ, 2007. – 327 с. 6. Тотай А.В. Экология: учебное пособие для студентов высших учебных заведений / А.В. Тотай, А.В. Корсаков, С.Д. Галюжин, С.С. Филин, А.С. Галюжин. – М.: Юрайт, 2011. – 407 с. 7. Тотай А.В. Экология: учебное пособие для бакалавров / А.В. Тотай, А.В. Корсаков, С.Д. Галюжин, С.С. Филин, А.С. Галюжин. – 2е изд., перераб.и доп. – М.: Юрайт, 2012. – 407 с. 8. Тотай А.В. Краткий курс лекций по экологии: для студентов высших учебных заведений / А.В. Тотай, А.В. Корсаков, С.С. Филин. – М.: Юрайт, 2012. – 176 с. 9. Тотай А.В. Экология: учебное пособие для бакалавров / А.В. Тотай, А.В. Корсаков, С.Д. Галюжин, С.С. Филин, А.С. Галюжин. – 3е изд., испр. и доп. – М.: Юрайт, 2013. – 411 с. 10. Тотай А.В. Экология: учебник и практикум для прикладного бакалавриата (четвертое издание, исправленное и дополненное) / А.В. Тотай, А.В. Корсаков, С.Д. Галюжин, С.С. Филин, А.С. Галюжин. – М.: изд-во Юрайт, 2014. – 450 с. 11. Шилов И.А. Экология: учебник для бакалавров (седьмое издание) / И.А. Шилов. – М.: изд-во ЮРАЙТ, 2016. – 511 с. - 25 - ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 Варианты заданий Район Высота Диаметр № расположения трубы устья п/п ТЭС (м), Н (м), D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Томск Ижевск Ставрополь Волгоград Владивосток Брянск Илимск Астрахань Томск Владивосток Москва Илимск Томск Тула Астрахань Владивосток Краснодар Орел Ростов Иркутск Брянск Курск Саратов Воронеж Ставрополь Илимск Иркутск Тула Саратов Брянск 200 150 250 100 200 150 250 250 150 200 250 200 175 150 250 250 200 150 175 250 200 150 175 200 200 100 175 250 150 250 8 10 10 8 6 6 10 8 8 10 10 8 8 6 10 10 10 6 8 10 10 6 8 10 8 6 8 10 10 10 Темпера- Скорость Мощность Вид тура выхода ТЭС, топлива газов газов МВт 0 (С ), Тг (м/с), W0 140 26 1000 Уголь 125 25 900 Газ 110 24 800 Уголь 125 21 800 Мазут 140 25 850 Уголь 130 18 900 Газ 140 26 1200 Газ 145 28 1400 Мазут 125 20 900 Уголь 135 23 1100 Мазут 130 26 1300 Газ 135 25 900 Уголь 125 21 800 Уголь 120 20 700 Газ 140 28 1000 Мазут 135 26 1300 Уголь 140 26 1000 Мазут 120 20 600 Газ 125 18 800 Мазут 140 28 1200 Уголь 140 22 900 Уголь 130 20 600 Газ 130 22 650 Мазут 140 28 900 Уголь 140 26 1400 Уголь 125 20 700 Газ 130 24 1000 Мазут 140 28 1400 Уголь 120 26 1200 Газ 140 28 1400 Уголь - 26 - Приложение 2 Годовое потребление топлива и выбросы (млн. кг) ТЭС мощностью 1000 мВт Вещество Вид топлива и его годовой расход Мазут Газ 1,9·109 м3/год Уголь 2,3·106 т/год 1,57·106 т/год 0,012 52,66 139,00 12,08 21,70 20,88 незначительно 0,08 0,21 0,46 0,73 4,49 незначительно 0,67 0,52 Диоксид серы (SO2) Оксиды азота (NOх) Оксид углерода (CO) Твердые частицы Гидрокарбонаты Примечание. Расчет рассеивания ведется для оксидов серы, азота и твердых частиц. Величина М должна быть пересчитана из величины млн кг в год в г/с. Приложение 3 Предельно допустимые концентрации некоторых химических веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов Вещества Диоксид серы (SO2) Оксид азота Диоксид азота (NO2) Оксид углерода (CO) Пыль нетоксичная Сажа Предельно допустимые концентрации, мг/м3 ПДКм.р ПДКс.с Максимальная разовая Среднесуточная 0,50 0,05 0,40 0,06 0,08 0,04 5,0 3,0 0,50 0,15 0,15 0,05 - 27 - Приложение 4 Средние температуры наружного воздуха в 13 ч. наиболее холодного и наиболее жаркого месяцев года (Тв) № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Наименование пунктов Астрахань Брянск Владивосток Волгоград Воронеж Илимск Иркутск Краснодар Курск Москва Орел Ростов-на-Дону Саратов Ставрополь Томск Тула Ижевск Средние температуры наружного воздуха, С° в 13ч. наиболее холодного месяца наиболее жаркого месяца -4,9 -7,1 -10,5 -8,2 -8,1 -22,3 -17,3 0,3 -7,7 -8,7 -8,4 -4,6 -11,1 -2,9 -17,7 -8,0 -9,4 29,5 22,5 23,6 28,6 24,2 23,1 22,7 28,6 22,9 22,3 23,1 27,3 25,4 23,3 21,7 22,2 21,5 Приложение 5 Основные химические вещества, обладающие эффектом суммации действия 1. Ацетон и фенол. 2. Озон, диоксид азота и формальдегид. 3. Сернистый газ и фенол. 4. Сернистый газ и диоксид азота. 5. Сернистый газ и фтористый водород. 6. Сернистый газ и сероводород. 7. Уксусная кислота и уксусный ангидрид. 8. Ацетон и ацетофенон. 9. Бензол и ацетофенон. 10. Фенол и ацетофенон. 11. Диоксид серы, аммиак, оксиды азота. - 28 - УДК 574 Экология: Расчет рассеивания химических веществ в приземном слое атмосферы: методические указания к выполнению практической работы для студентов очной формы обучения по всем направлениям подготовки. АНТОН ВЯЧЕСЛАВОВИЧ КОРСАКОВ ЛЕОНИД ИЗРАИЛЕВИЧ ПУГАЧ ЕЛЕНА СЕМЕНОВНА ЗЯБЛОВА Научный редактор д.т.н., проф. А.В. Тотай Компьютерный набор А.В. Корсаков Подписано в печать Формат 6084. 1/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. печ. л. 1,63. Уч.-изд. л. 1,63. Тираж 35 экз. Бесплатно Брянский государственный технический университет Кафедра «Безопасности жизнедеятельности и химия», тел. 58-82-34 241035, Брянск, бульвар 50 лет Октября, 7, БГТУ.
