Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере кратко

Обновлено: 05.07.2024

2. Подсистемы мониторинга атмосферного воздуха

3. Стратегия мониторинга загрязнения атмосферного воздуха

3
• Получение объективной информации об уровне загрязнения
атмосферного воздуха, оценка состояния воздушной среды;
• Выявление источников выбросов (местоположение, сырье и т.д.)
• Количественное определение выбросов, контроль за выбросами
• Изучение атмосферных процессов переноса загрязнителей (в
зависимости от высоты труб, расстояния до источника, метео
условий);
• Изучение химических и фотохимических процессов
трансформации ЗВ в атмосфере;
• Прогноз состояния атмосферы;
• Оценка эффективности мер по охране воздушной среды;
• Экстренная информация о резких изменениях уровня
загрязнения;
• Изучение воздействия атмосферных ЗВ на объекты окр.среды.

4. Классификация источников загрязнения атмосферы

5. Классификация источников загрязнения атмосферы

5
Организованный источник – источник, осуществляющий выброс через
специально сооруженные устройства (трубы, газоходы, вентшахты)
Неорганизованный источник – источник загрязнения, осуществляющегося в
виде ненаправленных потоков газа, как результат, например, нарушения
герметичности оборудования, отсутствия или неэффективности работы
систем по отсосу пыли в местах выгрузки пылящих продуктов, пылящие
отвалы, открытые емкости, стоянки, площадки малярных работ и т.д.
Точечный источник – источник в виде трубы или вентшахты, когда
удаляемые загрязняющие вещества сосредоточены в одном месте.
Линейный источник – имеет значительную протяженность в направлении
перпендикулярном ветру (например, близко расположенные на крыше
вентшахты, факелы выбросов из которых накладываются один на другой на
расстоянии от заветренной стороны здания менее двух его высот.
Плоскостной источник имеет значительные геометрические размеры
площадки, по которой относительно равномерно происходит выделение
загрязнений (например, бассейн, открытая стоянка автотранспорта и т.д.)

6. Другие классификации источников

7. Классификация по месту расположения

7
Затененный, или низкий, источник
расположен в зоне подпора или
в зоне аэродинамической тени,
образующейся за зданием
на высоте h≤2,5hздания
Незатененный, или высокий,
источник находится в зоне
недеформированного
ветрового потока. К ним
относятся источники, удаляющие ЗВ на высоту,
превышающую 2,5 hздания

8. Факторы, влияющие на рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере

9. Влияние аэродинамических факторов

Высота эквивалентного источника зависит от:
Температуры ГВС (тепловая подъемная сила)
Скорости выхода ГВС из устья трубы (кинетическая энергия)
Плотности ГВС (зависимость обратная)
Скорости ветра
9

10. Влияние скорости выхода ГВС и скорости ветра

11. Расчет высоты эквивалентного источника

12. Влияние метеорологических факторов Направление ветра

Влияние метеорологических факторов
12
Направление ветра
Параллельные изобары
Геострофический ветер
Направление ветра в слое трения
Модель рассеивания загрязняющих веществ с угловым сдвигом

13. Направление ветра Градиентный ветер

Направление ветра
13
Градиентный ветер
Циклон
Вне зоны трения
Вблизи поверхности земли
Антициклон
К одной из наиболее
неблагоприятных
ситуаций в плане
загрязнения
атмосферного воздуха
относится центральная
часть стационарного
антициклона.

14. Скорость ветра

Опасная скорость ветра – это такая скорость, при
которой приземные концентрации ЗВ имеют
наибольшие значения.
Для низких и неорганизованных источников
опасной является
скорость ветра 0-1 м/с,
т.е. при слабых ветрах
примеси скапливаются в
приземном слое
атмосферы.
14

16. Изменение скорости ветра с высотой

Условия устойчивости атмосферы
n
Большой градиент температуры
0,20
Нулевой или малый градиент температуры
0,25
Умеренная инверсия
0,33
Значительная инверсия
0,5
16

17. Температурная стратификация атмосферы

18. Температурные инверсии

Инверсия оседания, или
приподнятая инверсия
Образуется при опускании слоя
воздуха в воздушную массу с
более
высоким
давлением.
Происходит
адиабатическое
сжатие и нагревание слоя воздуха
в процессе его опускания.
Инверсионный слой располагается на некотором расстоянии
над поверхностью земли.
18
Радиационная инверсия, или
приземная инверсия
Инверсия связана с радиационной потерей тепла земной поверхностью в ночное время. Ясной ночью земля быстро
излучает тепло и остывает. Слои воздуха, примыкающие к ней охлаждаются до
температуры более низкой, чем температура выше расположенных слоев. В
результате слой, прилегающий к земле,
представляет собой устойчивый инверсионный слой.

19. Высота слоя перемешивания

19
Высота слоя перемешивания определяется тепловой подъемной
силой.
Экспериментальное определение ВСП:
Реальный профиль атмосферы определяют зондированием ее в ночное время.
Линию сухоадиабатического градиента проводят, начиная от максимальной
температуры поверхности этого месяца. Точка пересечения реального и сухоадиабатического градиента даст ВСП.
При слабом ветре с уменьшением ВСП загрязнение воздуха возрастает.
С усилением ветра связь между ВСП и загрязнением воздуха ослабевает.

20. Неблагоприятные метеоусловия (НМУ)

Для высоких источников НМУ – сверхадиабатичесий градиент
температур и скорость ветра близкая к опасной. Эти условия
используются как расчетные.
Аномально неблагоприятные метеоусловия:
1. Приподнятая инверсия с нижней границей, расположенной
над эффективной высотой трубы (не выше 200 м);
2. Ниже источников штиль, а на уровне выбросов скорость ветра
близка к опасной;
3. Застойные явления (приземная инверсия + штиль);
4. Туманы (за счет создания значительных градиентов
концентрация примесей происходит их перенос из
окружающего воздуха в область тумана);
5.При расположении пром.объектов на окраине города
неблагоприятным является направление ветра на жилые
кварталы.
20

21. Потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА)

22. Потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА)

Для городов, в которых преобладают низкие, а также высокие
источники с холодными выбросами можно принять а = 1,5, т.е.
условия существенного загрязнения связаны с превышением qn в
1,5 раза. Тогда
Вероятность Р1 превышения qn связана со следующими НМУ:
приземными инверсиями, слабыми ветрами, туманами и
застойными явлениями и может быть рассчитана из их
повторяемости:
Вероятность Р2 превышения 1,5qn в городах связана с туманами и
застоями воздуха, поэтому:
z1 и z2 - аргументы интеграла вероятности:
Численные значения интеграла показывают вероятность того, что
при большом числе наблюдений доля случаев превышения qn и
1,5qn будет приближаться к вероятности Р1 и Р2 появления
соответствующих НМУ.
22

23. Потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА)

23
Для условного района выбирают минимальные значения Р1 и Р2,
равные 0,1 и 0,05 соответственно. Тогда ПЗА будет равен:
По значениям ПЗА выделено 5 зон:
Для оценки ПЗА в случае преобладания нагретых выбросов из
высоких источников: а = 2; за qn принимается половина расчетной
максимальной концентрации См/2. Наблюдения показали, что
вероятности Р1 и Р2 реализации условий q > Cм/2 и q > 2См/2
связаны с повторяемостью приподнятых над трубой инверсий,
слабых ветров и опасной скорости ветра:

24. Влияние топографических факторов (рельеф местности и городская застройка)

• В долинах скапливается более плотный
холодный воздух, в результате возникает
температурная инверсия, которая нарушается
лишь над их кромкой, где имеется ветровой поток.
Это способствует концентрации в долинах ЗВ.
• Рельеф влияет на возникновение ветров, обусловленных разностью
нагревания. Например, восходящие и нисходящие горно-долинные ветры.
Днем воздух в долинах прогревается быстрее, чем на равнинах. Поэтому
возникают местные ветры от равнин к долинам. Ночью наоборот.
• В городах режим циркуляции ветра очень сложен:
- Высокие постройки препятствуют перемещению больших масс воздуха и
изменяют структуру ветра
- Городская застройка увеличивает механическую
турбулентность атмосферы. Это влияние прослеживается до высоты 3 Нзд.
- Города являются источниками тепла, что усиливает
вертикальную диффузию ЗВ.
Городской остров тепла
24

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.2.

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.

Влияние климатических условий на рассеивание примесей в атмосфере.

Широко распространено мнение, что с увеличением размера города возрастает и концентрация различных ЗВ в его атмосфере, однако в действительности, если рассчитывать среднюю концентрацию загрязнений на всю территорию города, то в многофункциональных городах с населением более 100 тыс. человек она находится примерно на одном и том же уровне и с увеличением размеров города практически не увеличивается. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением объемов выбросов, возрастающих пропорционально росту численности населения, расширяется и площадь городской застройки, которая и выравнивает средние концентрации загрязнения атмосферы.

Существенной особенностью крупных городов с населением более 500 тыс. человек является то, что с увеличением территории города и численности его населения, в них неуклонно возрастает пространственная дифференциация загрязнений в различных районах. Наряду с невысокими уровнями концентраций загрязнения в периферийных районах, она резко увеличивается в зонах крупных промышленных предприятий и, в особенности в центральных районах. В последних, несмотря на отсутствие в них крупных промышленных предприятий, как правило, всегда наблюдаются повышенные концентрации ЗВ. Это вызывается как тем, что в этих районах наблюдается интенсивное движение автотранспорта, так и тем, что температура атмосферного воздуха в них на несколько градусов выше, чем в периферийных. Это приводит к появлению над центрами городов восходящих воздушных потоков, засасывающих загрязненный воздух из промышленных районов, расположенных на ближней периферии.

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 (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 тепла". Повышение температуры над крупным городом по сравнению с температурой окружающей местности может наблюдаться до высоты в несколько сотен метров.

Влияние климатических условий на рассеивание примесей в атмосфере.

В. Д. Венцель, В. С. Сердюк, С. В. Янчий
Основы промышленной экологии и природопользования
Учебное пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. – 136 с.

2.2. Рассеяние загрязняющих веществ в атмосфере

Среди процессов, происходящих в атмосферном воздухе при поступлении в него примесей (ЗВ), выбрасываемых различными предприятиями, следует выделить рассеяние этих примесей в атмосферном воздухе, в результате чего происходит снижение их концентраций, причем с увеличением расстояния от точки выброса эти концентрации снижаются до безопасных уровней.

Естественные источники выброса в атмосферу ЗВ (вулканический пепел, дым пожарищ, почвенная пыль и т.д.), а также искусственные (выбросы предприятий автотранспорта, нарушение естественного состояния почв распашкой и добычей полезных ископаемых и т.д.) способствуют постоянному поступлению вредных веществ как в приземные слои атмосферы (в своем большинстве), так и в более высокие зоны, вплоть до стратосферы.

По мере удаления от источника выбросов вредные вещества и соединения рассеиваются в атмосфере, за счет циркуляционных процессов переносятся на десятки и даже тысячи километров от места выброса.

Рассеивание выбросов в атмосфере – метод снижения концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы до значений, не превышающих предельно допустимых концентраций, за счет турбулентной диффузии пыле- и газообразных примесей, выбрасываемых в атмосферу через высотные трубы. На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий, характер местности, физические свойства выбросов, высота трубы, диаметр устья и др. Горизонтальное перемещение определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное – распределением температур.

Климат – это многолетний режим погод, обусловленный притоком солнечной радиации, характером подстилающей поверхности и связанными с ними влагооборотом и циркуляцей воздуха. Климат определяет первичные условия комфортности проживания в данной местности, формирует режим водных ресурсов, влияет на плодородие почв.

Основные характеристики – температура воздуха и ее перепады, давление, влажность, ветровой режим.

Ландшафтно-географические особенности местности во многом влияют на основные характеристики климата (особенно на характер и подвижность воздуха) и чаще всего слабо способствуют процессу рассеивания ЗВ в атмосфере. Это очень важное обстоятельство необходимо учитывать при размещении населенных пунктов и производств.

Урбанизация природы – превращение естественных ландшафтов в искусственные за счет постройки зданий и сооружений, транспортных и иных магистралей и трубопроводов, ЛЭП, вырубки лесов, добычи полезных ископаемых, освоения земель в с/х целях. Изменение ландшафта оказывает заметное влияние на температурный и ветровой режим местности, изменяет микроклимат, особенно в городах. А в городах проживает в настоящее время около 50 % населения (в 1900 году – 14 %). В Европе – 79 % городского населения. В Латинской Америке 38 городов с населением более 1 млн. жителей (самый крупный – Мехико – 19 млн. чел, 1 место в мире; Сан-Пауло – 18 млн. чел. – 3 место). Самый густонаселенный город Европы – Барселона – 700 чел/га (Париж – 291 чел/га).

Крупные населенные пункты с их инфраструктурой сами по себе являются источниками всевозможных выбросов в атмосферу, но, кроме того, застройка не способствует процессу рассеивания ЗВ.

Между тем рассеивание ЗВ – это вынужденная и необходимая мера, применяемая при невозможности улавливания ЗВ, с целью защиты населения и окружающей среды от вредного влияния компонентов ЗВ.

В промышленности для уменьшения количества выбросов применяют различные методы очистки и улавливания ЗВ перед выбросом их остатков в атмосферу (или сбросом в водные ресурсы). На различных производствах средний уровень улавливания ЗВ из выбросов колеблется от 85 % до 98 %. Более высокого уровня улавливания достичь либо крайне сложно, либо экономически нецелесообразно. В связи с этим часть загрязняющих веществ приходится выбрасывать в атмосферу.

Для улучшения рассеивания ЗВ, уменьшения влияния на качество окружающей среды эти выбросы происходят через так называемые организованные источники выбросов – как правило, это трубы различного диаметра и высоты, специальной формы, через которые естественной тягой или принудительно выбрасываются ЗВ. Чем выше труба, тем лучше условия для выноса из жилой зоны и рассеивания вредных примесей. Однако необходимо учитывать, что на любом производстве имеются и неорганизованные источники выбросов – через неплотности оборудования, открытые окна и двери, проемы в цехах и т.п. часть выбросов и ЗВ рассеивается слабо и в приземных слоях атмосферы, что наиболее опасно для окружающего пространства и населения.

Источники загрязнения воздушного пространства промышленными выбросами могут быть классифицированы следующим образом.

– технологические, содержащие отходящие газы после их улавливания на установках;

– вентиляционные – местные отсосы и общеобменная вентиляция.

По месту расположения:

– незатененные (высокие) или точечные, удаляющие загрязнения на высоту, превышающую здание в 2,5 раза;

– затененные (низкие) на высоте менее 2,5 высоты здания; наземные – открыто расположенное технологическое оборудование.

По геометрической форме:

– точечные (трубы, шахты и т.п.);

– линейные (аэрационные фонари, окна, факела и т.д.).

По режиму работы: непрерывного и мгновенного действия; залповые и мгновенные.

Технологические процессы, применяемые сегодня на производстве, стали настолько совершенными, что количество загрязняющих веществ в выбросов заметно сократилось. К тому же большинство предприятий используют высокоэффективные системы газовой очистки. Тем не менее, полностью очистить отходящие газы от пыле- и газообразных примесей невозможно. Поэтому необходимо создавать особые условия для их эффективного рассеивания, например, использовать трубы определенной высоты. В этом случае концентрация загрязняющих веществ в приземных слоях атмосферы не будет превышать ПДК.

Что влияет на процесс рассеивания ЗВ

Вещества, содержащиеся в промышленных выбросах, могут улетучиться в космическое пространство, а могут осесть на поверхность земли или вымыться из атмосферы осадками. На процесс переноса и рассеивания загрязняющих веществ оказывают влияние такие факторы:

Количественный состав отводящего газа, его агрегатное состояние, а также высота трубы и скорость движения в ней выбросов. Эффективность рассеивания можно увеличить, если выбросы выводить с большой скоростью через достаточно высокую трубу. Для этого на предприятиях используют трубы со специальным конфузором и направляющей насадкой, что позволяет увеличить дальнобойность выходящей струи (факельный способ выброса). Эффективную высоту выброса рассчитывают по специальной формуле, учитывающей высоту трубы от поверхности земли и высоту подъема струи отводимого газа над устьем факельной насадки. На процесс отвода ЗВ начальная скорость и количество газовой смеси в трубе, а также диаметр устья трубы.
Метеорологические условия. Скорость ветра в большей степени оказывает влияние на горизонтальное перемещение ЗВ, а температура воздуха – на вертикальное перемещение. Также значение имеет влажность воздух и атмосферное давление, поскольку именно они оказывают влияние на основной метеорологический фактор – скорость ветра. Движение выбрасываемых частиц в воздухе происходит благодаря турбулентной диффузии (молекулярная диффузия в данном случае имеет незначительное влияние).
Рельеф местности. Наличие возвышенностей оказывает существенное влияние на формирование микроклимата. В понижениях рельефа могут образовываться плохо проветриваемые зоны (застойные), в которых концентрация загрязняющих веществ будет более высокой.
Особенности расположения производственных строений. Промышленная застройка оказывает влияние на скорость воздушного потока, поскольку такие здания, как правило, осуществляют производственное тепловыделение. К тому же кровли строений в большей степени воспринимают солнечное тепло из-за своей площади. Большое значение имеет и характер самого строение. Воздушный поток по-разному обтекает узкие и широкие здания, образуя аэродинамические тени разного размера, оказывающие влияние на распределение концентраций ЗВ.

Если принимать все эти факторы во внимание, то можно контролировать концентрации ЗВ в нижнем слое атмосферы.

Особенности рассеивания от высоких и низких источников

Как уже упоминалось выше, высота трубы оказывает влияние на процесс рассеивания. Если источник выброса невысокий, то степень загрязнения воздушной среды будет выше. Наиболее неблагоприятными условиями для таких труб является приземная инверсия (отклонение от естественного температурного режима непосредственно около земли) и слабый ветер (0-1 м/с).

Опасными условиями для высоких источников являются:

приподнятая инверсия – повышение температуры воздуха на высоте, соответствующей высоте источника;
слабый ветер (штилевой слой) ниже источника и сильный ветер на уровне выбросов, превышающий скорость самого выброса.

При таких условиях концентрация ЗВ будет минимальной у самого источника (зона переброса факела) и максимальной на некотором расстоянии (зона задымления), а затем опять постепенно снизится (зона постепенного снижения уровня загрязнения). Загрязнения от высоких источников могут распространяться на расстояние от 5 до 10 километров. Наиболее высокие концентрации ЗВ обнаруживаются в зоне задымления. Размеры этой зоны зависят метеорологических условий и высоты трубы (превышают высоту трубы в 10-40 раз).

Расчеты загрязнений воздуха производят при разработке проектов на строительство или реконструкцию промышленных предприятий. При этом учитываются требования ГОСТ 17.2.3.02-78, СНиП 1.02.01-85 и ОНД-86. При проведении данных расчетов важно установить наибольшие концентрации, которые могут образоваться при неблагоприятных метеорологических условиях для доминирующего вещества в выбросах. Эти значения не должны превышать предельно допустимых концентраций, в противном случае потребуется пересмотреть проект, с целью снижения негативного воздействия на окружающую среду.