Формирование состава атмосферного воздуха

В населенном пункте

Рассеивание в атмосфере выбрасываемых из дымовых труб и вентиляционных устройств загрязняющих веществ подчиняется законам турбулентной диффузии. На процесс рассеивания существенное влияние оказывают следующие факторы: состояние атмосферы, физические и химические свойства выбрасываемых веществ, высота и диаметр источника выбросов, расположение источников, рельеф местности.

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.

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 примесей 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 (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.

Основы прогноза загрязнения атмосферного воздуха. Развитие методов прогноза основывается на результатах теоретического и экспериментального изучения закономерностей распространения примесей, выбрасываемых источниками загрязнения атмосферы.

Основное направление изучения распространения примесей состоит в разработке теории атмосферной диффузии на основе математического опи­сания процесса с помощью уравнения турбулентной диффузии. Оно позво­ляет исследовать распространение примесей от источников различного типа при разных характеристиках среды.

В общем виде задача прогноза загрязнения воздуха математически может быть описана дифференциальным уравнением при определенных начальных и граничных условиях.

Расчеты показывают, что при одинаковых параметрах выбросов максимальная приземная концентрация примеси от более высокого источника меньше и наблюдается на большем расстоянии от источника.

 

Методика расчета концентрации в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий 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 = С₁/ПДК₁ + С₂/ПДК₂ + С _n /ПДК _n

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

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_ф > 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..

Трансформация примесей в атмосфере. Первый от поверхности Земли слой атмосферы — тропосфера является неравновесной химически активной системой. В ней непрерывно идут процессы, вызывающие изменение концентрации примесей в атмосферном воздухе.

Большинство газообразных примесей, выбрасываемых в атмосферу, находятся в восстановленной форме или в виде окислов с низкой степенью окисления (сероводород, метан, оксид азота). Анализ атмосферных осадков показывает, что возвращенные на поверхность земли примеси представлены в основном соединениями с высокой степенью окисления (серная кислота, сульфаты, азотная кислота, нитраты, диоксид углерода). Таким образом, тропосфера играет роль глобального окислительного резервуара.

В роли окислителя могут выступать молекулы кислорода, перекись водорода, озон. Основную роль в процессах окисления, протекающих в атмосфере, играют свободные радикалы, прежде всего гидроксильный радикал ОН^‾ . Он образуется в верхних слоях атмосферы путем фотодиссоциации воды и при других реакциях.

Трансформация соединений углерода в атмосфере. В большинстве случаев СО можно рассматривать как химически неактивный компонент воздуха. Однако в стратосфере и при фотохимическом смоге СО может окисляться до СО₂, взаимодействуя со свободным радикалом ОН^‾ .

СО + ОН‾ → СО₂ + Н⁺.

Фотохимическое окисление метана в тропосфере протекает в основном по радикальному механизму:

R – СН₂ + ОН‾ → R – СО₂+ Н₂О.

Образовавшийся на первой стадии метильный радикал при столкновении с молекулой кислорода дает другую неустойчивую частицу — метилпероксидный радикал.

Метилпероксидный радикал в атмосфере разлагается с образованием метоксильного радикала:

СН ₃ О₂ + N0 →  СН ₃ 0 + N0 ₂,

2 СН ₃ О₂ → О₂ + 2 СН ₃ 0.

При взаимодействии метоксильного радикала с кислородом происходит образование формальдегида;

СН ₃ 0 + О₂ → СН₂О + НО ₂ ^3‾ .

Молекулы СН₂О подвергаются фотолизу при поглощении света в ближайшей ультрафиолетовой области:

СН₂О → НСО ^‾ + Н ⁺

СН₂О → СО + Н ₂

Формильный радикал НСО образуется также при взаимодействии формальдегида с гидроксилрадикалом:

СН₂О + ОН^‾ → НСО ^‾ + Н ₂ О.

Реагируя с ОН^‾  радикалом, формильный радикал образует оксид углерода, который является конечной стадией окисления органических соединений в атмосфере:

НСО ^‾ + ОН^‾ → СО + Н ₂ О.

Трансформация соединений серы в тропосфере. До настоящего времени детальный механизм трансформации соединений серы не установлен. Наиболее вероятным представляется протекание реакций окисления с участием свободных радикалов:

H ₂ S + ОН^‾ → Н₂О + HS,

HS + О₂ → ОН^‾  + SO,

SO + НО₂ → SO ₂ + ОН^‾ .

Полученный из сероводорода диоксид серы (как и SO ₂, поступающий из антропогенных источников) окисляется далее:

SO₂ + ОН ^‾ → HSO ₃,

HSO₃ + HO₂ → SO₃ + 2 ОН ^‾ ,

SO₂ + НО ₂ → SO₃ + ОН ^‾ .

Скорость трансформации диоксида серы при средних значениях концентраций свободных радикалов в воздухе составляет примерно 0, 1 % в час, что соответствует времени пребывания SO ₂ в атмосфере, равному 5 суток. Процесс трансформации диоксида серы в воздухе резко ускоряется в промышленных регионах, где имеет место увеличенное содержание свободных радикалов.

Триоксид серы (серный ангидрид) легко взаимодействует с частицами атмосферной влаги и образует растворы серной кислоты:

SO ₃ + Н₂О → H ₂ SO ₄.

Реагируя с аммиаком или ионами металлов, присутствующими в частицах атмосферной влаги, серная кислота частично переходит в соответствующие сульфаты. В основном это сульфаты аммония, натрия, кальция.

Образование сульфатов происходит и в процессе окисления на поверхности твердых частиц, взвешенных в воздухе. В этом случае стадии окисления предшествует адсорбция, сопровождающаяся химическими реакциями с образованием сульфитов:

S0₂ + CaO → CaSO₃,

S0₂ + MgO → MgSO ₃.

В дальнейшем при взаимодействии с молекулярным кислородом сульфиты переходят в соответствующие сульфаты.

В дождливую погоду возможен процесс окисления S О₂ после предварительной адсорбции их каплями атмосферной влаги. В процессе окисления S0₂ в жидкой фазе активное участие принимают ионы ОН^‾ и НО₂^3‾ , которые образуются в результате фотохимических превращений в слое облаков. Конечными продуктами окисления SO ₂ как в растворе, так и в газовой фазе, является серная кислота, которая образуется в виде мелкодисперсных аэрозолей. Аэрозоли вымываются из атмосферы осадками и адсорбируются на поверхности земли. Такие явления называются кислотными дождями. Водородный показатель (рН) воды кислотных дождей менее 5, 6.

В первые моменты после выброса диоксида серы в атмосфере практически отсутствуют частицы серной кислоты и сульфатов. Со временем доля SO ₂ в воздухе уменьшается, одновременно растет доля серы в виде H ₂ SO ₄ и сульфатов. Количество серной кислоты в атмосфере достигает максимума спустя 10 часов после выброса, а сульфатов — через 30—40 часов.

Трансформация соединений азота в тропосфере. Соединения азота в атмосфере в основном представлены оксидами азота, аммиаком и солями аммония, а также азотной кислотой и нитритами.

Большинство естественных и антропогенных выбросов содержат оксид азота N0. В тропосфере NO, взаимодействуя с гидропероксил-радикалом, переходит в диоксид азота:

NО + H ₂ O → NO ₂ + ОН^‾ .

Окисление оксида азота происходит также при взаимодействии с озоном:

N0 + О₃ → NO ₂ + О₂.

Под действием солнечного излучения происходит обратная реакция — часть диоксида азота разлагается с образованием оксида азота и атома кислорода:

N0 ₂ → NO + О ⁺.

Атомарный кислород приводит к образованию в атмосфере озона.

В результате взаимодействия диоксида азота с гидроксильным радикалом происходит образование азотной кислоты:

NO ₂ + ОН^‾ → HNO _3.

Основное количество азотной кислоты выводится из тропосферы с атмосферными осадками в виде растворов HNO ₃ и ее солей.

 

Часть азотной кислоты разлагается с образованием диоксида или триоксида азота, которые вновь включаются в атмосферный цикл его соединений:

HNO ₃ → ОН^‾  + NO ₂,

HNO ₃ + ОН^‾ → Н₂О + NO ₃.

Статистические характеристики загрязнения атмосферы населенных пун ктов определяются на основе систематизации и обработки наблюдений.

Среднее арифметическое значение концентрации примеси q_c — среднесуточные, среднемесячные, среднегодовые, средние многолетние концент­рации примесей, которые определяются по данным стационарных постов, подфакельных наблюдений, по совокупности точек отбора проб города и группы городов:

где п — число разовых концентраций, измеренных за соответствующий период.

Среднее квадратичное отклонение с результатов измерений от среднего арифметического: среднегодовых концентраций на постах от среднегодовой и средней многолетней концентрации по городу; разовых концентраций от среднегодовой концентрации по городу (району); среднегодовых концентраций для города от среднегодовой концентрации для группы городов; максимальных концентраций примеси для города за год от средней из максимальных концентраций примеси за год; разовых (среднесуточных) концентраций от среднемесячной и среднегодовой, среднемесячной — от среднегодовой и средней многолетней; среднегодовой — от средней многолетней:

Коэффициент вариации, показывающий степень изменчивости концентраций примеси: V = σ / q, где q — средняя концентрация.

Максимальное значение концентрации примеси. Определяется максимальная из разовых, среднемесячных, среднесуточных, среднегодовых концентраций из малого числа наблюдений, а также максимальная из разовых концен­траций по данным подфакельных наблюдений. Выбираются наибольшие значения из убывающего вариационного ряда соответствующих концентраций за рассматриваемый период.

Максимальная концентрация примеси с заданной вероятностью ее превы­ шения определяется из предположения логарифмически нормального распре­деления концентраций примесей в атмосфере для заданной вероятности ее превышения:

где q — средняя концентрация; при Р=0, 1% z=3, 08; P=l% z=2, 33; P=5% z=l, 65.

Индексы загрязнения атмосферы (ИЗА) — количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы отдельной примесью, учитывающая различие в скорости возрастания степени вредности веществ, приведенной к вредности диоксида серы, по мере увеличения превышения ПДК: I_ί . = (q /ПДК_{С. Cί} ) ^ci, где С. — константа, принимающая значения 1, 7; 1, 3; 1, 0; 0, 9 для соответ­ственно 1, 2, 3 и 4-го классов опасности веществ, позволяющая привести степень вредности /-го вещества к степени вредности диоксида серы.

Комплексный индекс загрязнения атмосферы города (КИЗА) — количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы, создаваемого п веществами, присутствующими в атмосфере города (или района города):

где п — количество рассматриваемых примесей (может включать в себя все загрязняющие вещества, присутствующие в атмосфере города, или только приоритетные вещества, определяющие состояние атмосферы).

Используется для сравнения степени загрязнения атмосферы в различных городах и регионах.

Фоновая концентрация — статистически достоверная максимальная концентрация, С_ф, мг/м³. Она является характеристикой загрязнения атмосферы и определяется как значение концентрации, которое превышается не более чем в 5% случаев от общего количества наблюдений.

Фоновая концентрация характеризует суммарную концентрацию, созда­ваемую всеми источниками, расположенными на данной территории.

При отсутствии необходимых данных наблюдений фоновая концентра­ция может быть определена расчетным путем. Определение С_ср для каждого поста наблюдений производится по данным за период от 2 до 5 лет. С целью повышения достоверности расчета С_ф необходимо выбрать такой период наблюдений, в течение которого существенно не изменялся характер застройки в районе наблюдательного поста, не происходило существенных изменений в характеристиках промышленных выбросов в радиусе 5 км от по­ста, не менялось расположение самого поста, а отбор и анализ проб произво­дился по одним и тем же методикам. При этом, как уже отмечалось, число наблюдений в течение года должно быть не менее 200 по каждому веществу, а общее число наблюдений за выбранный период — не менее 800.

Для определения С_ф могут быть использованы данные как стационарных, так и подфакельных постов наблюдений. В результате обработки данных для каждого поста по всему массиву результатов наблюдений находят величины С_фі, где ί = 0; 1; 2; 3; 4, соответствующие различным градациям направления α и скорости ветра w (табл. 8.5).

Таблица 8.5.

Значения ί в зависимости от скорости и направления ветра

α	Румбы	любой	С	В	Ю	3
	десятки градусов	любые	32-4	5-13	14-22	23-31
w, м/с		0-2	3- w*
ί		0	1	2	3	4

Верхняя граница скорости ветра w* определяется из условия, что ско­рость ветра в данном месте w > w ^* встречается в 5% случаев.

При определении для каждой из пяти градаций скорости и направления ветра значения концентраций q_k (к — номер концентрации в ί -ой градации) вписываются в таблицу, после чего определяется число наблюдений в каждой градации n_ί , которое для дальнейшей обработки должно быть не менее 100.

Если n_ί < 100, то значение С_фί считается ориентировочным.

Данные подфакельных наблюдений группируются по зонам соответственно расстояниям от источника выбросов. Количество наблюдений в каждой зоне должно быть не менее 200. Данные для каждой зоны делятся на две градации по скорости ветра. При скорости ветра 0—2 м/с i = 0. При скоростях ветра от 3 до w ^* м/с i равно от 1 до 4.

Для учета суммации вредного действия нескольких загрязняющих веществ допускается определение единой величины С_ф по этим веществам. При этом для каждого пункта наблюдения и момента времени концентрация п веществ приводится к концентрации наиболее распространенного из них вещества. Например, при суммации воздействия SO₂ и NO₂

Дальнейшая обработка результатов проводится так же, как и в случае одного вещества.

При проектировании промышленных предприятий и установлении ПДВ данные о распределении фоновой концентрации по территории населенного пункта представляются в табличной форме.

В отдельных случаях можно ограничиться средним значением С_ф по городу. Для этого вычисляется среднее значение С., по городу для каждой градации скорости и направления ветра. Для тех постов, на которых в рассматриваемой градации С_ф. отличается от среднего по городу менее, чем на 25%, оно заменяется на среднюю по городу величину С_фί .

 

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться: