4 Расчёт рассеивания вредных веществ в атмосфере и установление предельно допустимых выбросов

После выхода из источника выбросов, загрязняющие вещества не остаются в атмосфере в неизменном виде. Прежде всего, происходят физичес­кие изменения, особенно в процессе перемещения в пространстве, турбулентной диффузии, разбавления и т.д. Кроме того, загрязняющие вещества способны вступать в химическое взаимодействие с другими компо­нентами атмосферного воздуха, изменяя свой количественный и качественный состав.

Выбросы вредных веществ, содержащихся в отходящих газах промышленных предприятий, осуществляются через дымовые трубы, главное назначение которых - отводить выбросные газы в верхние слои атмосферы (во всяком случае, за пределы приземного слоя) и рассеивать их. Рассеивание является одним из путей достижения установ­ленных нормативов качества воздуха в приемном слое атмосферы в районе расположения предприятия. Струя газа, выходя из дымовой трубы, разбавляется незагрязнен­ным воздухом. Поэтому имеет место снижение концентрации вред­ных компонентов дымовых газов, составляющее суть явления рассеи­вания.

В общем случае степень разбавления выбросов находится в прямой зависимости от расстояния, которое прошел этот выброс до данной точки. Вредные вещества, содержащиеся в выбросе, распространяют­ся по направлению ветра в пределах сектора, ограниченного довольно малым углом раскрытия факела 10-20° вблизи выхода из трубы. Если принять, что угол раскрытия факела не меняется с расстоянием, то площадь поперечного сечения факела должна возрастать пропорци­онально квадрату расстояния и, следовательно, концентрация вредных веществ должна падать обратно пропорционально квадрату расстояния.

При построении картины рассеивания вредных компонентов ды­мовых газов следует иметь в виду, что наибольший практический ин­терес представляет не вертикальное распределение концентрации в пространстве, в частности, по высоте факела, а изменение концент­рации в приземном слое атмосферы, т.е. в двухметровом слое над поверхностью земли. У основания трубы и далее вплоть до приземления дымового факела концентрация вредных компонентов равна нулю (см. рис. 4.1), – это так называемая зона неорганизованного загрязнения. Затем она быстро растет до максимальной величины. После чего по мере отдаления от трубы медленно убывает за счет дальнейшего раз­бавления выбросов незагрязненным воздухом.

Рисунок 4.1. Изменение приземных концентраций вредных веществ.

Вредные вещества, выбрасываемые с дымовыми газами промышленных предприятий, переносятся и рассеиваются в атмосфе­ре в зависимости от ряда факторов: метеорологических, климатических, рельефа местности и характера расположения на ней объектов предприятия, высоты дымовых труб и гидродинамических па­раметров истечения выбросных газов. При этом к важнейшим метео­рологическим и климатическим факторам относят скорость ветра, тем­пературную стратификацию (распределение температур окружающего воздуха в вертикальном направлении вблизи дымовой трубы), темпе­ратуру окружающего воздуха.

Каждому источнику выбросов в зависимости от высоты его, объе­ма и температуры газов соответствует своя, так называемая опасная скорость ветра u_м, когда имеет место наибольшая приземная концентрация вредных веществ с_м. Сущность понятия опасной скорости ветра для источника выражается в следующем: при штиле или малых скоростях ветра дымовой факел беспрепятственно поднимается на боль­шую высоту и не попадает в ближайшие к источнику приземные слои воздуха. При большой скорости ветра дымовой факел активно пере­мешивается с большим объемом окружающего воздуха; в результате этого, хотя факел и достигает земли, величины приземных концент­раций невелики. Таким образом, между штилем и высокой скорос­тью ветра есть такая опасная скорость u_м, при которой дымовой факел, прижимаясь к земле, на определенном расстоянии создает наибольшую величину приземной концентрации с_м.

Сравнение опасных скоростей ветра с характеристикой ветров по данным климатических наблюдений позволяет определить фактичес­кое влияние промышленного предприятия на загрязнение воздуха в городе или поселке.

Сильное влияние на уровень приземной концентрации вредных веществ оказывает температурная стратификация атмосферы, т.е. характер вертикального распределения температур. Температурная стратификация определяется способностью поверхности Земли по­глощать или излучать тепло. При обычном состоянии атмосферы в дневное время земная поверхность нагревается и за счет конвектив­ного теплообмена нагревает приземной слой воздуха. В этих услови­ях по мере подъема вверх температура падает. Ночью при ясной погоде поверхность Земли отдает в окружающее пространство (подобно любому нагретому предмету) большое количество лучисто­го тепла. При этом земная поверхность, охлаждаясь сама, охлаждает приземный слой воздуха, который остывает быстрее верхних слоев. В результате происходит инверсия (поворот) распределения температур в воздушной оболочке Земли - температура воздуха с высотой повышается.

С одной стороны снижение температуры с высотой способствует всплыванию дымовых газов, а с другой стороны, восходя­щие потоки более теплого воздуха интенсифицируют перемешивание дымовых газов с атмосферным воздухом. В инверсионных условиях ослабляются всплывание дымовых газов и турбулентный обмен, что ведет, в конечном итоге, к ухудшению рассеивания выбросов и накоп­лению вредных веществ в приземном слое.

Опасная скорость ветра в сочетании с неустойчивой стратифика­цией и интенсивным переносом примесей сверху вниз образует сово­купность неблагоприятных метеорологических условий, при которых наблюдается максимальное значение приземной концентрации вредных веществ с_м.

На характер перемещения и рассеивания в атмосфере вредных веществ, выбрасываемых с дымовыми газами, влияет также температура окружающего атмосферного воздуха. Чем выше последняя, тем в меньшей степени проявляется эффект всплывания дымовых газов. Поэтому расчеты приземных концентраций обя­зательно проводят при средней максимальной температуре наиболее жаркого месяца года, используя данные климатических наблюдений в районе предприятия.

При расчётах рассеивания вредных веществ в атмосфере, используется методика [3].