Тема 3. Процеси формування складу атмосферного повітря в населеному пункті.

1. Розсіювання забруднюючих речовин в атмосфері;

2. Методика розрахунку концентрацій забруднюючих речовин в атмосферному повітрі;

3. Розробка нормативів ГДВ та ТПВ для стаціонарних джерел викидів;

4. Трансформація домішок в атмосфері;

5. Смоги.

1. Розсіювання в атмосфері забруднюючих речовин, що викидаються з димових труб і вентиляційних пристроїв, здійснюється за законами турбулентної дифузії. На процес їх розсіювання впливають наступні фактори: стан атмосфери, фізичні та хімічні властивості шкідливих речовин, висота та діаметр джерела викиду, рельєф місцевості, розташування джерела викиду.

Розподіл концентрації забруднюючих речовин в атмосфері під факелом точкового джерела.

І – зона перекиду факела – характеризується відносно невисокою концентрацією шкідливих речовин в приземному шарі атмосфери;

ІІ – зона максимального задимлення. Зона задимлення є найбільш небезпечною. Розміри зони задимлення в залежності від метеорологічних умов знаходяться в межах 10-50висот димової труби;

ІІІ – зона поступового зниження рівня забруднення.

Розсіювання в атмосфері газоподібних домішок і дрібнодисперсних твердих частинок (діаметром менше 10 мкм), які мають незначну швидкість осідання, відбувається згідно одних закономірностей. Для більш великих частинок пилу ці закономірності не дійсні, бо на швидкість осідання таких частинок значно впливає сила тяжіння і під дією цієї сили швидкість осідання збільшується. Тому в пилоочисних апаратах великі частинки вловлюються більш ефективно, ніж дрібні. Дрібні частинки потрапляють в газоповітряний потік і розсіюються в атмосфері як і газоподібні домішки.

На розсіювання домішок в атмосфері значний вплив мають кліматичні умови, особливо такі, як вітер, температура, осади, тумани, сонячна радіація.

Розрізняють горизонтальне та вертикальне переміщення домішок. Горизонтальне визначається в основному швидкістю вітру.

Вітер може по різному впливати на процес розсіювання, в залежності від типу джерела і характеристики викидів. Якщо газоповітряний потік, що викидається, перегрітий відносно повітря навколишнього середовища, то він володіє початковою висотою підняття. В зв’язку з цим поблизу джерела створюється поле вертикальних швидкостей, які сприяють підняттю факела і переміщенню домішок вверх. Це підняття зумовлює зниження концентрації домішок біля поверхні землі.

Великі швидкості вітру сприяють швидкому розсіюванню викидів, що зумовлює зниженню концентрації токсичних речовин в приземному шарі атмосфери в напрямку дії вітру.

Вводиться поняття небезпечної швидкості вітру. Це швидкість, при якій приземні концентрації токсичних речовин мають найбільше значення. Небезпечна швидкість вітру визначається за формулою:

V = 0,65 ³√QΔT/H (м/с);

де Q – це витрата газоповітряної суміші, що викидається з джерела (м³/с);

ΔT – різниця температур між газоповітряним потоком і атмосферою;

H – висота джерела викиду.

Для ефективного розсіювання швидкість газоповітряної суміші, що викидається, повинна вдвічі перевищувати небезпечну швидкість вітру.

При низьких і холодних джерелах викидів підвищений рівень забруднення повітря спостерігається при слабких вітрах за рахунок накопичення домішок в приземному шарі. Прямий вплив на забруднення повітря в місті здійснює напрямок вітру. Збільшення концентрації домішок спостерігається тоді, коли переважають вітри зі сторони промислових об’єктів.

Вертикальне поширення домішок, викликане розподілом температур у вертикальному напрямку.

Якщо температура навколишнього середовища знижується з висотою, то нагрітий газоповітряний потік піднімається вгору, а на його зміну опускаються холодні газоповітряні маси. Такий процес має назву конвекція.

Якщо температура навколишнього середовища з висотою підвищується, то газоповітряний потік, який має нижчу температуру, вверх не поширюється і його рух затухає. Такий процес має назву інверсія. Якщо підвищення температури починається безпосередньо від поверхні землі, то інверсію називають приземною, а якщо підвищення температури починається з певної висоти над поверхнею землі – то піднятою інверсією. Інверсії перешкоджають вертикальному розсіюванню домішок в атмосфері.

Для стану атмосфери в містах найбільшу небезпеку становить приземна інверсія в поєднанні зі слабким вітром, тобто виникнення ситуації «застою повітря».

Негативно впливають на процес розсіювання домішок в атмосфері тумани. Краплинки туману поглинають забруднюючі частинки. Внаслідок цього концентрація токсичних речовин сильно зростає в шарі туману і зменшується над ним. Розчинення двоокису сірки в краплинках туману призводить до утворення в повітрі краплинок сірчаної кислоти.

Опади очищують повітря від домішок. Після тривалих інтенсивних опадів високі концентрації домішок в атмосфері практично не спостерігаються.

Сонячна радіація обумовлює фотохімічні реакції в атмосфері з утворенням вторинних речовин, більш токсичних ніж первинні речовини, що викидаються джерелами забруднення.

2. Методика розроблена для рішення практичних задач, пов’язаних з прогнозом забруднення атмосферного повітря. Вона дозволяє проводити розрахунки розсіювання домішок, що викидаються в атмосферу одиничними точковими, лінійними джерелами і групою джерел, з врахуванням впливу рельєфу місцевості; визначати граничні концентрації забруднюючих речовин в двометровому шарі над поверхнею землі, а також вертикальний розподіл концентрацій.

Ступінь забруднення атмосферного повітря визначається найбільшим розрахунковим значенням концентрації, відповідними несприятливими метеорологічними умовами і небезпечною швидкістю вітру.

При одночасній присутності в атмосферному повітрі декількох речовин, що підлягають ефекту сумації, розраховується сумарна концентрація q в долях ГДК:

q = С₁/ГДК₁ + С₂/ГДК₂ +…+ С_n/ГДК_n ;

Максимальне значення приземної концентрації шкідливої речовини С_п (мг/м³) при викидах газоповітряної суміші із одиничного точкового джерела досягається при несприятливих метеорологічних умовах на відстані Х_м і визначається за формулою:

С_м = ;

Де А – коефіцієнт, що залежить від температурної стратифікації атмосфери;

М – маса шкідливої речовини, що викидається в атмосферу за одиницю часу (г/с);

F – коефіцієнт, що враховує швидкість осідання шкідливої речовини в повітрі;

m, n – коефіцієнти, що враховують умови виходу газоповітряної суміші із джерела викиду;

Н – висота джерела викиду над рівнем землі (м); (для наземних джерел Н=2м);

η - коефіцієнт, що враховує вплив рельєфу місцевості, (у випадках рівної місцевості або місцевості з перепадами висоти менш 10м/км значення η = 1);

V₁ – об’ємна витрата газоповітряної суміші (м³/с);

ΔТ – різниця температур між газоповітряною сумішшю і навколишнім середовищем, ºС.

Максимальна концентрація забруднюючої речовини в приземному шарі атмосфери прямо пропорційна масовій витраті забруднюючої речовини М і обернено пропорційна квадрату висоти джерела Н².

Підвищення температури потоку газів, що викидаються із труби, призводить до збільшення висоти димового факелу і зниженню концентрації забруднюючих речовин в приземному шарі.

Коефіцієнт А при несприятливих метеорологічних умовах, що забезпечують максимальне значення концентрації забруднюючих речовин в приземному шарі атмосфери, на території України має наступні значення: на північ від 52º північної широти А=160; для джерел в зоні від 50ºп. ш. до 52º п.ш. А=180; на південь від 50ºп.ш. А=200.

Для визначення ΔТ температуру навколишнього атмосферного повітря приймають рівній середній температурі повітря самого теплого місяця року о 13 годині пополудні.

Значення коефіцієнта F для газоподібних шкідливих речовин і дрібнодисперсних аерозолів дорівнює 1.

Для визначення коефіцієнтів m і n необхідно визначити спочатку проміжні коефіцієнти:

f = 1000w₀²D/ Н² ΔТ;

де D – діаметр труби (м);

w₀ - швидкість руху газоповітряної суміші при виході з труби (м/с)

Небезпечна швидкість вітру визначається:

V_м = 0,65³√VΔT/H (м/с);

Коефіцієнт m визначається за формулою:

m = при f<100;

m = 1,47 / ³√ f при f≥100;

Коефіцієнт n визначається в залежності від V_м:

n =1 при V_м ≥ 2;

n =0,532 V_м² – 2,13 V_м+3,13 при0,5≤ V_м<2;

n = 4,4 V_м при V_м≤ 0,5;

3. ГДВ встановлюється для кожного стаціонарного джерела із розрахунку, що сукупний викид від усіх джерел забруднення атмосферного повітря міста (з врахуванням перспективи розвитку) не призведе до перевищення нормативу ГДК в приземному шарі. ГДВ встановлюється при умові повного навантаження технологічного і газоочисного обладнання і їх нормальній роботі. ГДВ не повинний перевищуватись в любий 20-ти хвилинний період часу. Для дрібних джерел доречно встановлення ГДВ від їх сукупності з попереднім об’єднанням в площинне або умовне точкове джерело. ГДВ визначається для кожної речовини окремо, в тому числі і в випадку сумації шкідливої дії декількох речовин.

Внаслідок розрахунку нормативів ГДВ для кожного стаціонарного джерела викидів встановлюється сумарний граничний викид (СГВ) підприємства в цілому.

ГДВ встановлюють з врахуванням фонових концентрацій.

Для підприємств, що підлягають реконструкції, розрахунки виконують з врахуванням перспективи розвитку.

Для одиничного джерела ГДВ визначають за формулою:

ГДВ = ; (г/с)

У випадках, якщо f≥100 або ΔT = 0:

ГДВ = ; (г/с)

До початку встановлення ГДВ для джерела викиду визначають його зону впливу.

Для підприємств і джерел викиду, зони впливу яких розташовані в межах міста, де сумарна концентрація від усіх джерел С < ГДК, значення викидів, що використовують при розрахунках, приймаються в якості ГДВ.

Якщо Сф ≥ ГДК (фонова концентрація без врахування джерела, що розглядається), то збільшення обсягів викидів за рахунок нового джерела можливо тільки при одночасному забезпеченні зниження викидів від інших об’єктів даного підприємства або інших підприємств.

Разом з максимальним разовим значенням ГДВ (в г/с), встановлюється річні значення ГДВ (в т/рік) для окремих джерел викидів і для підприємства в цілому.

4. Перший від поверхні Землі шар атмосфери – тропосфера є хімічно активною системою. В цьому шарі безперервно відбуваються процеси, що викликають зміни концентрації домішок в атмосферному повітрі.

Знання про механізми та швидкості процесів надходження викидів в атмосферу від природних та антропогенних джерел, переміщення їх в інші сфери (в ґрунти, воду) або трансформації їх в атмосфері, дозволяють скласти баланс атмосферної частини глобального кругообігу речовин в природі.

Більшість газоподібних домішок, що викидаються в атмосферу, знаходяться у відновній формі або у вигляді окислів з низьким ступенем окислення (сірководень, метан, оксид азоту). Аналіз атмосферних опадів показує, що домішки, які повертаються на поверхню землі, представлені в основному сполуками з високим ступенем окислення (сірчана кислота, азотна кислота, сульфати, нітрати, діоксид вуглецю).

Таким чином, тропосфера відіграє роль глобального окислювального резервуару.

Процеси окислення домішок в тропосфері протікають за трьома напрямами:

• окислення безпосередньо в газовій фазі;

• окисленню передує адсорбція домішок частинками води і в подальшому процес окислення протікає в розчині;

• окисленню передує адсорбція домішок на поверхні завислих в повітрі частинок.

В ролі окислювача можуть виступати молекули кисню, перекис водню, озон. Основну роль в процесах окислення, що протікають в атмосфері, відіграють вільні радикали, в першу чергу гідроксильний радикал ОН^¯. Він утворюється у верхніх шарах атмосфери шляхом фотодисоціації води, а також і при інших реакціях.

Трансформація сполук вуглецю в атмосфері.

В більшості випадків СО можна розглядати як хімічно неактивний компонент повітря. Однак в стратосфері і під час фотохімічного смогу СО може окислюватись до СО₂ , взаємодіючи з вільним радикалом ОН^¯.

СО + ОН¯ → СО₂ + Н⁺

Трансформація сполук сірки в атмосфері.

Ще й досі детальний механізм трансформації з’єднань сірки досконало не встановлений. Найбільш імовірним рахується наступний процес окислення за участю вільних радикалів:

Н₂S + OH¯ →H₂O + HS,

HS + О₂ → ОН¯ + SО,

SО + НО₂ → SО + OH¯.

Отриманий із сірководню діоксид сірки, так само як і SО₂, що потрапляє із антропогенних джерел, окислюється далі:

SО₂ + OH¯→HSО₃

HSО₃ + НО₂ → SО₃ + 2OH¯.

SО₂ + НО₂→ SО₃ + OH¯.

Швидкість трансформації діоксиду сірки при середніх значеннях концентрації вільних радикалів в повітрі складає приблизно 0,1% за годину, що відповідає часу перебування SО₂ в атмосфері, рівному 5 діб. Процес трансформації SО₂ в повітрі значно прискорюється в промислових районах, де має місце збільшення вмісту вільних радикалів.

SО₃ (сірчаний ангідрид) легко взаємодіє з частинками атмосферної вологи і утворює розчин сірчаної кислоти:

SО₃ +Н₂О →H₂SО₄

Реагуючи з аміаком або з іонами металів, що присутні в частинках атмосферної вологи, сірчана кислота частково переходить у відповідні сульфати. Це в основному сульфати амонію, натрію, кальцію.

Під час дощу можливий процес окислення SО₂ після попередньої адсорбції їх краплями атмосферної вологи. В процесі окислення SО₂ в рідкий фазі активну участь приймають іони ОН¯ та НО₂³¯, які утворюються в процесі фотохімічних перетворень в повітрі. Кінцевими продуктами окислення SО₂ як в розчині, так і в газовій фазі, є сірчана кислота, яка утворюється у вигляді дрібнодисперсних аерозолів. Аерозолі вимиваються з атмосфери опадами і адсорбуються на поверхні землі. Таки явища мають назву кислотних дощів. Показник рН води кислотних дощів менший 5,6.

Відразу після викидів діоксиду сірки в атмосфері практично відсутні частинки сірчаної кислоти і сульфатів. Але з часом доля SО₂ в повітрі зменшується, одночасно збільшується доля H₂SО₄ і сульфатів. Кількість сірчаної кислоти в атмосфері досягає максимуму приблизно через 10 годин після викиду, а сульфатів – через 30-40 годин.

Трансформація сполук азоту в тропосфері.

З’єднання азоту в атмосфері представлені в основному оксидами азоту, аміаком, солями амонію, а також азотною кислотою і нітратами.

Більшість природних і антропогенних викидів в атмосферу містять оксид азоту NО. В тропосфері NО, взаємодія з вільним радикалом Н₂О, переходить в діоксид азоту:

NО + Н₂О → NО₂ + ОН¯.

Окислення оксиду азоту відбувається також під час взаємодії з озоном:

NО + О₃ → NО₂ + О₂.

Під дією сонячного випромінювання відбувається зворотня реакція – частина діоксиду азоту розкладається з утворенням оксиду азоту і атому кисню:

NО₂ → NО + О⁺

Атомарний кисень призводить до утворення в атмосфері молекул озону.

Внаслідок взаємодії діоксину азоту з гідроксильним радикалом відбувається утворення в атмосфері азотної кислоти:

NО₂ + ОН¯ → НNО₃

Основна кількість цієї кислоти видаляється з тропосфери разом з атмосферними опадами у вигляді розчину азотної кислоти та її солей.

Частина азотної кислоти розкладається з утворенням діоксину і триоксиду азоту, які знову включаються в атмосферний цикл його з’єднань:

НNО₃ → ОН¯ + NО₂

НNО₃ + ОН¯ → Н₂О + NО₃

Серед нітратів, що присутні в атмосфері, основна кількість представлені азотнокислим амонієм NН₄NО₃, який утворюється під час взаємодії аерозолів відповідних кислот з NН₃ і його аерозолями. З’єднання амонію виводяться з атмосфери разом з атмосферними опадами, а також внаслідок сухого осадження.

5. В наслідок високої ступені забруднення атмосферного повітря і при певних метеорологічних умовах виникає атмосферне явище, яке має назву – смог (в перекладі з англійської – дим).

Розрізняють наступні види смогів: фотохімічний, лондонський і льодовий.

Фотохімічний смог утворюється в ясну сонячну погоду, при низький вологості, при температурі вищій за 30ºС, при повній відсутності вітру і високому забрудненні повітря. При фотохімічному смозі спостерігається поява голубуватої димки або білого туману і пов’язане з цим погіршення видимості. Основними хімічними сполуками, завдяки яким проявляються ці властивості смогу, є озонід вуглецю і пероксиацилнітрати (ПАН), що утворюються внаслідок хімічних реакцій вуглеводнів, що знаходяться в повітрі, з оксидами вуглецю і азоту під впливом сонячної радіації (фотохімічний ефект).

Смог викликає у людей подразнення органів відчуття, хімічно діє як окислювач (посилює корозію металів, знижує щільність гумових виробів).

На Україні фотохімічний смог характерний для Донецька, Дніпропетровська, Запоріжжя, Кривого Рога.

Лондонський смог формується при вологості повітря біля 100%, температурі повітря 0ºС, тривалій відсутності вітру і високій концентрації продуктів згоряння твердого або рідкого палива (SО₂, сажі, оксидів вуглецю і азоту). Спостерігається в осінньо-зимовий період і характерний для районів з вологим морським кліматом. Цей смог отримав свою назву після виникнення цього явища в столиці Великобританії в грудні 1952 року, що тривало протягом двох тижнів. В цей період різко збільшились кількість легеневих і серцево-судинних захворювань, смертність серед населення збільшилась в 10 разів. Подібні випадки повторювались також в грудні 1956 і в січні 1957 років. Терміново були прийняті міри по зменшенню пило-газових викидів, завдяки чому забруднення атмосферного повітря в Лондоні значно знизилось і в подальшому цей смог катастрофічних наслідків для населення не викликав.

Для України смог типу лондонського характерний для Маріуполя, Одеси і інших приморських міст.

Льодовий смог властивий для міст, розташованих в північних широтах. Він утворюється при температурі нижче -30ºС, високій степені забруднення. При низькій температурі краплинки водяної пари перетворюються в кристали льоду, які зависають в повітрі у вигляді густого білого туману. На кристаликах льоду адсорбуються частинки і молекули токсичних речовин. Маса кристаликів льоду зростає і вони спускаються в приземний шар. Дихання в такому тумані стає неможливим. Для міст України льодовий смог не характерний.