3.5. Обоснование допустимых выбросов вредных веществ в атмосферу

3.5.1. Факторы, влияющие на рассеивание вредных веществ в атмосферном воздухе и загрязнение приземного слоя воздуха

На рассеивание вредных веществ в воздухе и загрязнения приземного слоя воздуха влияют метеорологические и географические факторы, а также факторы, характеризующие источники выбросов.

К метеорологическим факторам относятся: скорость ветра; температура окружающего воздуха и характеристика её изменения по высоте от поверхности земли, называемая температурной стратификацией; влажность воздуха; барометрическое давление.

Для решения задач, связанных с определением уровня загрязнения атмосферного воздуха и обоснованием допустимых выбросов вредных веществ в атмосферу, наибольшее значение имеют данные об условиях изменения метеорологических факторов в приземном слое воздуха, т. е. части слоя атмосферы от земной поверхности до высоты от 50 до 100 м (иногда до 250 м). Для приземного слоя характерны значительные изменения по высоте (вертикальные градиенты) скорости ветра, температуры и влажности воздуха.

Скорость ветра по высоте с увеличением высоты изменяется в большинстве случаев по логарифмическому закону, возрастая от поверхности земли. Под действием ветра газовоздушные смеси, выбрасываемые из труб, переносятся в определённом направлении и перемешиваются с атмосферным воздухом. Чем выше скорость ветра, тем интенсивней перемешивание выбросов с атмосферным воздухом, больше разбавление вредных веществ в воздухе и тем ниже концентрация вредных веществ в приземном слое.

В соответствии с общей закономерностью рассеивание выбросов ухудшается и концентрации вредных веществ в приземном слое возрастают при штиле, представляющим собой безветрие (затишье) или слабый ветер, скорость которого не превышает 0,5 м/с. При штиле газовые выбросы, выходящие из трубы, поднимаются вертикально вверх, и так как переноса выбросов в горизонтальном направлении не происходит, наибольшие концентрации вредных веществ в приземном слое могут оказаться в непосредственной близости от трубы.

Штили отмечаются в любые часы суток и во все сезоны года, но наиболее часто они бывают в утренние часы (3…9 ч утра) и зимой.

Установлено, что влияние скорости ветра на рассеивание выбросов в большей степени характерно для выбросов из труб небольшой высоты (низких источников). Для выбросов из высоких труб (высоких источников) зависимость степени рассеивания выбросов от скорости ветра имеет более сложный характер. При некоторых соотношениях между факторами, характеризующими непосредственно источник выброса (такими, как высота трубы Н, диаметр устья трубы D, скорость выхода газовоздушной смеси из трубы ₀, температура газовоздушной смеси Т_Г, температура окружающего воздуха Т_В ), скорость ветра при определённых значениях может выступать

как фактор, ухудшающий рассеивание выбросов и способствующий установлению наибольшей концентрации вредного вещества в приземном слое.

На перемешивание выбросов в атмосферном воздухе и интенсивность рассеивания вредных веществ влияют температура атмосферного воздуха и температурная стратификация атмосферы.

Влияние температуры атмосферного воздуха сказывается в том, что чем ниже температура атмосферного воздуха, тем при прочих равных условиях больше разность плотностей воздуха и выбросов и лучше их взаимное перемешивание.

Температурная стратификация характеризуется величиной температурного градиента – изменением температуры на каждые 100 м подъёма, выраженным в градусах. На рассеивание выбросов она может оказывать и положительное и отрицательное влияние.

Характерной чертой изменения температуры воздуха в течение суток является её понижение по высоте. При понижении этой температуры температурная стратификация считается нормальной и способствует рассеиванию выбросов. При некоторых условиях может возникнуть аномальное изменение температуры по высоте, называемое температурной инверсией, когда вместо понижения наблюдается повышение температуры.

Инверсия температуры атмосферного воздуха может оказаться непосредственно у поверхности земли (приземная инверсия) или некоторой высоте (приподнятая инверсия).

Инверсия температуры может возникнуть, например, в ночное время в результате охлаждения поверхности земли. В летний период максимум возникающих ночных инверсий может наступить рано утром.

Инверсии температуры благоприятствуют малооблачная и ясная погода, совпадающая обычно с действием антициклона. Помимо температурной инверсии для антициклона характерны повышенное барометрическое давление и низкие скорости ветра.

При сочетании температурной инверсии с низкой скоростью ветра значительно ухудшаются условия рассеивания выбросов и загрязнение атмосферы может достичь опасного уровня. При этом собственно температурная инверсия приводит к образованию над трубой слоя воздуха с повышенной температурой, который, подобно «колпаку», препятствует перемешиванию воздуха в вертикальном направлении и способствует накапливанию вредных примесей.

Установлено, что уровень загрязнения возрастает при высокой влажности атмосферного воздуха. Особенно высокие концентрации могут быть в периоды туманов, когда при конденсации паров влаги на частицах пыли происходит их укрупнение и в результате этого рассеивание частиц в атмосфере ухудшается.

Сочетание неблагоприятных метеорологических факторов может привести к интенсивному загрязнению воздуха в промышленных районах, получившему за рубежом название смог. В зависимости от причин возникновения и характера действия различают смоги двух типов: лондонского и лосанджелесского (фотохимический смог).

Смог лондонского типа возникает при сочетании тумана со слабым ветром или безветрием и совместном выбросе в атмосферу сернистого ангидрида и пыли. Было установлено, что характер токсического действия смога, происшедшего в Лондоне и вызвавшего человеческие жертвы, заключается в способности сернистого ангидрида при содержании в атмосфере частиц пыли (золы, сажи) проникать глубоко в лёгкие, создавая высокие местные концентрации. Находясь в воздухе в газообразном состоянии, сернистый ангидрид поглощается слизистой оболочкой верхних дыхательных путей, не достигая лёгких. Частицы пыли и туман в атмосферном воздухе меняют характер действия: на частицах концентрируется влага, в которой растворяется сернистый ангидрид, и тогда достаточно мелкие частицы могут глубоко проникнуть в лёгкие, минуя слизистую оболочку верхних дыхательных путей. При проникновении сернистого ангидрида глубоко в лёгкие в альвеолах создаются высокие местные концентрации сернистого ангидрида, что и приводит к сильному токсическому воздействию.

Такой характер действия возможен и для других газообразных примесей, хорошо растворяющихся в воде и обычно задерживающихся в верхних дыхательных путях.

Смог лосанджелесского типа возникает при сочетании инверсии температуры в малооблачную или ясную погоду со слабым ветром или безветрием и является результатом сильного загрязнения воздуха городов продуктами фотохимических реакций, происходящих под действием ультрафиолетовой солнечной радиации на газовые выбросы промышленных предприятий и автотранспорта. Многие из таких реакций могут привести к образованию веществ, значительно превосходящих исходные по своей токсичности.

Кроме метеорологических на рассеивание выбросов могут оказывать влияние географические факторы, в частности, рельеф местности. В условиях холмистого рельефа в низинах ветер ослабевает, ухудшая рассеивание. Если источники выбросов, находящиеся в низине, расположены вблизи подветренного склона, часто возникают нисходящие потоки воздуха (так называемый аэродинамический слив), препятствующие рассеиванию выбросов. В результате такого рассеивания может повысится загрязнение воздуха в низинах при расположении источников выбросов на возвышенностях вблизи подветренных склонов.

К факторам, характеризующим источники выбросов, относятся: количество вредных веществ, содержащихся в выбросах; высота дымовой или вытяжной трубы; температура и скорость выхода газовоздушной смеси из устья трубы; агрегатное состояние веществ, выбрасываемых в атмосферу.

Установлено, что чем больше количество вредного вещества М, выбрасываемого из трубы, тем выше при прочих равных условиях концентрация вредного вещества С в приземном слое воздуха.

Высота дымовой или вытяжной трубы в определённой мере влияет на длину пути дымовой струи до соприкосновения её с поверхностью земли. При движении дымовая струя (факел) в соответствии с законами атмосферной диффузии разбавляется воздухом, и сечение её в результате этого увеличивается. Чем выше труба, тем больше сечение факела в точке соприкосновения его с землёй и тем меньше при прочих равных условиях концентрация вредного вещества в воздухе.

Выбросы, поступающие в атмосферу, всегда обладают начальной скоростью, равной скорости ₀ газовоздушной смеси в устье трубы. В ряде случаев температура выбросов выше температуры окружающего воздуха. При визуальном наблюдении за выбросами видно, что дым сначала распространяется вертикально вверх и только на некоторой высоте, определяемой соотношениями между параметрами источника и скоростью ветра, траектория выброса искривляется и дым под воздействием ветра начинает перемещаться в горизонтальном направлении.

При слабом ветре подъём дымовой струи над трубой виден наиболее отчётливо. Такое явление, называемое возвышением дымовой струи над трубой, может существенно влиять на рассеивание выбросов. В связи с этим введено понятие эффективной высоты трубы

, (1.12)

где - возвышение дымовой струи над трубой, м.

Исследованиями установлено, что величина определённым образом зависит от параметров выбросов и источника ₀, Т_Г, D, Н, а также от метеорологических факторов и Т_В.

Если выбросы имеют разность температур относительно окружающего воздуха Т > 0, то величина возвышения дымовой струи определяется по формуле

, (1.13)

где -- скорость ветра на высоте флюгера (Н_Ф=10м), м/с.

При холодных выбросах ( ) величину можно определить по выражению

, ( 1.14)

где V – количество газовоздушной смеси, выбрасываемой в атмосферу, м/с³.

На рассеивание выбросов в атмосфере также влияет агрегатное состояние вредных веществ выбросов. Твёрдые или жидкие частицы, имеющие в отличие от газов и паров определённую скорость осаждения под

действием сил тяжести, при прочих равных условиях будут оседать быстрее, что ухудшает их рассеивание. Это относится также и к выбросам, насыщенным водяными парами, которые при выходе в атмосферу конденсируются, и образуют капельки.

Таким образом, концентрация, устанавливающаяся в результате рассеивания выбросов вредного вещества воздуха, зависит от ряда факторов. Известные в этом отношении зависимости использованы при разработке нормативных и руководящих материалов по расчёту рассеивания выбросов и обоснованию допустимых выбросов.

Такие явления, как смог, рассматриваются как показатель опасного загрязнения атмосферного воздуха, указывая на аномальные условия в атмосфере, при наступлении которых должны быть выполнены мероприятия по краткосрочному снижению выбросов.