Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере

РАССЕИВАНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ  В АТМОСФЕРЕ

     Совершенствование технологических процессов, применение высокоэффективных систем газовой  очистки позволяют в значительной степени уменьшить размеры промышленных выбросов в воздушный бассейн. Однако полностью уловить пыле- и газообразные примеси в отходящих газах  практически невозможно, часть загрязняющих веществ все равно выбрасывается  в атмосферу. Для того чтобы концентрация загрязняющего вещества в приземном  слое атмосферы не превышала ПДК, отходящие газы выбрасываются через  высокие трубы с целью создания условий для их эффективного рассеивания.

     Загрязняющие  вещества, выбрасываемые в атмосферу  из труб, переносятся и рассеиваются в ней по-разному в зависимости  от многих факторов. Они могут осаждаться на поверхности Земли, растительности, воды, вымываться из атмосферы осадками или улетучиваться в космическое  пространство.

     На  процесс рассеивания оказывают  влияние:

1. высота трубы, скорость газа в трубе, его температура и плотность, агрегатное состояние загрязняющих веществ;
2. метеорологические факторы;
3. рельеф местности;
4. характер расположения предприятий, высота, размеры производственных зданий, их взаимное расположение.

     1. С увеличением высоты и скорости  выброса эффективность рассеивания  увеличивается, а концентрация  примесей в приземном слое  уменьшается. Поэтому трубы строят  как можно выше. Для повышения  скорости истечения газов из  устья трубы применяют факельный  способ выброса, который предусматривает  наличие на конце трубы конфузора  с направляющей насадкой для  увеличения дальнобойкости выходящей  струи.

     Выброс  рекомендуется производить на эффективную  высоту (): 

     где высота трубы от поверхности земли;

     высота  подъема струи загрязненного  воздуха над устьем трубы или  факельной насадки за счет скорости при выходе в устье и разности температур. Эта величина зависит  от начальной скорости и количества газовоздушной смеси в устье  трубы, разности температур газов и  атмосферного воздуха, диаметра устья  трубы и скорости ветра.

     2. К метеорологическим факторам  относятся скорость ветра, температура  и влажность атмосферного воздуха,  атмосферное давление. Наибольшее  значение имеют данные об изменении  метеоусловий в приземном слое  воздуха до высоты 50 – 250 м над поверхностью Земли. Горизонтальное перемещение загрязняющих веществ определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное – распределением температуры воздуха в вертикальном направлении вблизи трубы.

     В атмосфере выбрасываемые отдельные  частицы или группы частиц движутся благодаря молекулярной и турбулентной диффузии. Рассеивание газовой струи  за счет молекулярной диффузии незначительно.

     Ветер, представляющий собой турбулентное движение воздуха над поверхностью Земли, является основным метеорологическим  фактором, влияющим на распространение  загрязняющих веществ. Его скорость возрастает с увеличением перепада атмосферного давления.

     Температурная стратификация атмосферы также  влияет на уровень приземной концентрации загрязняющих веществ. Способность  поверхности Земли поглощать  или излучать тепло влияет на вертикальное распределение температуры, называемое стратификацией. Температурный градиент составляет примерно 6,5 ° на 1 км подъема вверх. Но в реальных условиях наблюдается состояние атмосферы, характеризующееся отклонением от температурного градиента. Оно носит название температурной инверсии. Различают приземные и приподнятые инверсии. Приземные инверсии характеризуются отклонениями температурного градиента непосредственно у земли, а приподнятые – появлением более теплого слоя воздуха на некоторой высоте. Толщина инверсионного слоя и высота инверсии могут меняться. В инверсионных условиях ослабляется инверсионный обмен, что ведет к ухудшению рассеивания промышленных выбросов и накоплению вредных веществ в приземном слое атмосферы.

     3. Рельеф местности даже при  наличии сравнительно невысоких  возвышенностей существенно изменяет  микроклимат в отдельных районах,  а также характер рассеивания  загрязняющих веществ. Например, на пересеченной местности в  понижениях рельефа образуются  застойные, плохо проветриваемые  зоны с высокой концентрацией  загрязняющих веществ.

     4. В условиях промышленной застройки  движение отдельных частиц или  их групп происходит иначе,  чем в свободной атмосфере.  Здания, находящиеся в набегающем  потоке, вызывают изменения в  полях скоростей воздушного потока  и искажают его. Над зданием  скорость движения ветра значительно  увеличивается, а за зданием  снижается и на некотором расстоянии  от него достигает первоначального  значения. На наветренных поверхностях  здания создаются избыточные  давления, а на заветренных –  разрежения. Кроме того, над промышленной  площадкой возникают восходящие  токи воздуха за счет производственных  тепловыделений и большого восприятия  солнечного тепла кровлями зданий, мощеными дорогами и проездами.

     Аэродинамическая  тень – плохо проветриваемая зона, в которой возможна замкнутая  циркуляция воздуха. Она образуется при обтекании здания потоком  воздуха. Перед зданием с наветренной  стороны образуется зона подпора. Аэродинамические картины обтекания узких и  широких зданий воздушным потоком  существенно различаются, что влияет на распределение концентраций загрязняющих веществ (рис 1). На рис. 1 высота здания обозначена как . К узким относят здания шириной (В) менее чем 2,5, к широким – В>2,5В зависимости от типа зданий и характера застройки при обтекании их ветром возникают различные по размерам циркуляционные зоны.

     Рис. 1. Размеры циркуляционных зон, возникающих при обтекании зданий воздушным потоком: а) и б) – соответственно узкого и широкого отдельно стоящего здания; в) – группы с первым по току узким зданием; г) - группы с первым по току широким зданием; 1 – зона подпора; 2 – 5 – циркуляционные зоны (2 – единая, 3 – наветренная, 4 – заветренная, 5 – межскоростная). 

     При обтекании воздушным потоком  узкого здания над и за ним возникает  единая циркуляционная зона, распространяющаяся от заветренной стороны здания на расстояние шести его высот (6). Высота этой зоны в среднем составляет 1,8 (рис. 1, а).

     Ри  обтекании воздушным потоком  широкого здания над ним возникает наветренная циркуляционная зона длинной 2,5 и высотой 0,8 , а за ним – заветренная длинной 4  и высотой около (рис. 1, б).

     При обтекании воздушным потоком  группы зданий между двумя смежными зданиями возникает межкорпусная циркуляционная зона длиной до 10, если первое по потоку здание узкое, и до 8, если первое по потоку здание широкое (рис. 1, в, г). При больших расстояниях между корпусами зданий их можно рассматривать как отдельно стоящие.

     Низкими называются источники выбросов, которые  загрязняют циркуляционные зоны зданий. Максимальная высота источника , при которой он влияет на загрязнение этих зон, определяется по формулам:

• для узкого отдельно стоящего здания ;
• для широкого отдельно стоящего здания ;
• для группы зданий ,

     где – расстояние от источника, расположенного в пределах крыши, до заветренной стороны здания;

     – расстояние между зданиями.

     Источники, из которых производится выброс загрязняющих веществ на высоте, превышающей  , не загрязняют циркуляционные зоны над и за зданием (высокие источники).

     Рассеивание выбросов от высоких и низких источников загрязнения имеет существенное различие.

     Для низких источников выбросов наиболее неблагоприятным является сочетание  приземной инверсии со слабым ветром (0 – 1 м/с). Особенно сильное загрязнение происходит при холодных выбросах, когда приподнятая инверсия, расположенная непосредственно над источником, сопровождается слабым ветром, близким к штилю.

     К наиболее опасным условиям загрязнения  атмосферного воздуха для высоких источников относятся: приподнятая инверсия, нижняя граница которой находится над источником выбросов, увеличивающая максимальную приземную концентрацию на 50 – 10 %; штилевой слой, расположенный ниже источника выбросов, когда на уровне выбросов скорость движения ветра в 1,5 – 2 раза превышает величину скорости самого выброса (при опасных скоростях ветра от 1 до 7 м/с).

     Концентрации  загрязняющих веществ в приземном  слое при высоких источниках и  опасных условиях возрастают от минимальных  у трубы до максимальных на некотором  расстоянии и затем опять постепенно снижаются (рис. 2). Для высоких источников характерны большие расстояния распространения загрязнений (до 5 – 10 км).

     Рис. 2. Схема рассеивания и распределения концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы под факелом высокого и мощного источника выброса: 1 – максимальная концентрация загрязняющих веществ; 2 – расчетные концентрации загрязняющих веществ в соответствии с ОНД – 86. 

     На  рис. 2 выделено несколько зон с разной приземной концентрацией загрязняющих веществ. Зона переброса факела – это расстояние между источником высокого выброса и началом приземления дымового облака за счет переноса воздушными массами и постепенного расширения факела. Зона неорганизованного загрязнения находится вблизи от здания предприятия и возникает за счет неорганизованных источников выброса. Зона задымления – это расстояние, на котором возможно обнаружение максимального для данного источника выброса содержания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы, создаваемого по направлению ветра значительно рассеянным и приблизившимся к поверхности Земли дымовым факелом. Эта зона в зависимости от метеорологических условий определяется расстоянием, равным 10 – 40 высотам трубы.

     При разработке проектов на строительство  и реконструкцию предприятий  в соответствии с санитарными  и строительными нормами производят расчет возможного загрязнения атмосферного воздуха технологическими и вентиляционными  выбросами. Расчеты ведут в соответствии с требованиями, указанными в ГОСТ 17.2.3.02–78, СНиП 1.02.01–85 и ОНД–86.

     В результате расчета рассеивания  загрязняющих веществ от высоких  источников выбросов выявляется возможная  наибольшая концентрация загрязняющих веществ, которая может устанавливаться  на некотором расстоянии от источника  в приземном слое атмосферы при  неблагоприятных метеорологических  условиях. Она не должна превышать  максимально разовой ПДК данного  вещества. Расчет рассеивания ведут  для доминирующего загрязняющего  вещества в составе выбросов. В  случае превышения ПДК должны быть приняты меры по уменьшению концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе при рассеивании выбросов.