Список используемых источников.

ВВЕДЕНИЕ.

Проблемы атмосферных загрязнений стали особо актуальными с середины 20 века в связи с ростом промышленного потенциала и транспорта. В частности, широко обсуждаются вопросы парникового эффекта, выбросов вредных веществ и т.д. Эти проблемы также обсуждаются на правительственном уровне, подтверждением чего является подписание Киотского протокола.

Проблемы атмосферных загрязнений затронули и курортные города, одним из которых является Кисловодск. В связи с тем, что промышленные предприятия вынесены за городскую черту, основным источником загрязнений здесь является автомобильный (преимущественно) и железнодорожный транспорт

 

Распространение в атмосфере выбрасываемых из труб и вентиляционных устройств промышленных выбросов подчиняется законам турбулентной диффузии. На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий и источников выбросов, характер местности, физические и химические свойства выбрасываемых веществ, высота источника, диаметр устья и т.п. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное - распределением температур в вертикальном направлении.

Свойства атмосферы. Одна из важнейших характеристик атмосферы - ее устойчивость, т.е. способность препятствовать вертикальным перемещениям воздуха и сдерживать турбулентное перемешивание. Это непосредственно связано со степенью рассеивания загрязнителей. Чтобы оценить способность атмосферы рассеивать загрязнители антропогенного происхождения, необходимо знать степень ее устойчивости. Если атмосфера устойчива, в ней отсутствуют значительные вертикальные перемещения и турбулентное перемешивание. В такой атмосфере антропогенные загрязнители остаются в том месте, где они выброшены, т.е. вблизи поверхности Земли. На перемешивание в приземных слоях атмосферы оказывает влияние большое количество факторов, основными из которых являются температурный градиент и турбулентная диффузия.

Отметим три варианта устойчивости атмосферы:

1. Устойчивое состояние, когда некоторый объем воздуха, сместившийся из своего исходного положения по высоте под действием каких-то сил (например, температурного градиента), стремится вернуться обратно.

2. Неустойчивое состояние, при котором объем воздуха, получивший импульс движения, не возвращается в исходное положение, а с ускорением движется в направлении первоначального смещения.

3. При нейтральном (безразличном) состоянии смещенный объем воздуха, попав в слой с такой же температурой, остается неподвижным.

Изменение температуры с высотой, как указывалось выше, характеризуется температурным градиентом. При подъеме воздушных масс вследствие уменьшения давления объем воздуха увеличивается, а температура снижается. И наоборот, опускающийся воздух в объеме уменьшается, а температура растет. При сверхадиабатическом процессе градиент температуры отрицателен, что отражает неустойчивость атмосферы. Если же градиент температуры положителен, то атмосфера устойчива. Когда градиент температуры равен нулю, атмосфера нейтральна. При инверсии состояние атмосферы весьма устойчиво, температурный градиент имеет относительно высокое положительное значение. Инверсия может просуществовать несколько дней, что приводит к опасным для здоровья людей последствиям. Такие случаи в больших городах известны достаточно давно. Различают два вида инверсии: инверсия оседания и радиационная. Они могут существовать одновременно.

На рассеивание загрязнителей в атмосфере влияет конвективное и турбулентное перемешивание. Высота слоя перемешивания по высоте зависит от времени года, суток, топографии района. Чем больше слой перемешивания, тем ниже концентрация загрязнителей в атмосфере.

Высота конвективного слоя перемешивания определяется тепловой подъемной силой. Под воздействием солнечной радиации воздух у поверхности Земли нагревается и приобретает подъемную силу. Чем выше разница температуры воздуха по высоте (температурный градиент), тем больше ускорение, приобретаемое воздухом за счет подъемной силы. Значительное загрязнение атмосферы в приземном слое наблюдается при высоте конвективного слоя перемешивания менее 1,5 км.

Достаточно точно оценить степень рассеивания загрязнителей в атмосфере можно, изучив распределение скорости и направления ветра. Эти параметры переменны, однако для каждой местности их можно усреднить. Такое усреднение может быть представлено в виде таблиц и графиков. Результаты распределяют по восьми основным и восьми дополнительным направлениям. Графическая форма изображения дается в полярных координатах частоты наблюдаемых направлений ветра. Распределение скоростей ветра вдоль каждого направления показывают длиной отрезков радиусов по этим направлениям (роза ветров).

На рассеивание загрязнений в атмосфере влияют средняя скорость ветра и атмосферная турбулентность. Последняя зависит не только от естественных потоков, но и от механической турбулентности, которая является результатом ветрового сдвига. Тепловые вихри чаще наблюдаются в солнечные дни, когда скорость ветра мала. Механические вихри преобладают в период ветреных ночей. Механическая турбулентность определяется движением воздуха надземной поверхностью, на нее оказывает влияние рельеф местности и здания (сооружения).

Источники выбросов в атмосферу бывают точечные (труба, автомобиль и т.п.), линейные (газопроводы) и поверхностные. Попадать в атмосферу вредные вещества могут на разных стадиях производства (добыча, транспортирование, дробление, измельчение, помол и т.п.), различным образом: из-за негерметичности оборудования, при погрузочно-разгрузочных работах, с открытых складов, т.е. специально неорганизованным способом. Такие выбросы соответственно называются неорганизованными. К неорганизованным промышленным выбросам относят открытые склады минерального сырья, карьеры, хранилища твердых и жидких отходов, места загрузки и выгрузки железнодорожных вагонов, автомашин, негерметичное оборудование, транспортные эстакады и т.п. В ряде случаев неорганизованные источники являются наземными.

В то же время на многих предприятиях большинство удаляемых из помещений и технологического оборудования вредных веществ выбрасывается в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы, что позволяет применить для их улавливания соответствующие установки. Такие выбросы называются организованными. К организованным промышленным источникам относят трубы, шахты, аэрационные фонари, фрамуги и т.п.

Организованные промышленные источники выбросов можно подразделить на три типа: высокие, низкие и промежуточные.

Через высокие источники осуществляется сброс в атмосферу технологических газов и загрязненного вентиляционного воздуха. К ним относятся трубы, выбросы из которых производятся в верхние слои атмосферы, выше границы промежуточной зоны, что обеспечивает их хорошее рассеивание.

Низкие источники являются наиболее распространенными для сброса вентиляционного воздуха и технологических сдувок в атмосферу.

Большое значение для оценки последствий попадания в атмосферу загрязняющих веществ имеет высота (Я) устья источника выброса. В зависимости от высоты устья над уровнем земной поверхности источники относят к одному из следующих четырех классов: высокие, Н = 50 м; средней высоты, H = 10...50 м; низкие, H = 2...10 м; наземные, H = 2 м.

На некоторой высоте (H + ΔH) влияние сносящего потока становится преобладающим, струя разворачивается, ось ее становится горизонтальной. Факел далее приобретает форму параболоида с вершиной в точке P, в которой размещают фиктивный источник. Таким образом, реальная картина распространения загрязнений заменяется факелом от фиктивного источника, расположенным на высоте (H + ΔH). Вершина параболоида не обязательно располагается над центром трубы, однако возможное смещение не учитывают, полагая, что источник находится в точке Р (х = 0, у = 0, z= H + ΔH).

При выбросах через высокие трубы или при факельном выбросе в условиях безветрия рассеивание вредных веществ происходит главным образом под действием вертикальных потоков. Высокие скорости ветра увеличивают разбавляющую роль атмосферы, способствуя более низким приземным концентрациям в направлении ветра. Движение загрязняющих веществ вместе с воздушными массами, перемещаемыми ветром, приводит к тому, что турбулентные вихри изгибают, разрывают поток и перемешивают его с окружающими воздушными массами. Разбавление вдоль оси струи пропорционально средней скорости ветра vm на высоте струи. Вместе с тем с увеличением vm уменьшается высота факела над устьем трубы, поэтому для источников выбросов вводят понятие опасной скорости ветра, при которой приземные концентрации имеют наибольшие значения. Для того чтобы предотвратить отклонение струи вблизи от горловины трубы, скорость выбрасываемого газа wr должна вдвое превышать опасную скорость ветра на уровне горловины трубы.

Распространение газообразных примесей и пылевых частиц диаметром менее 10 мкм, имеющих незначительную скорость осаждения, подчиняется общим закономерностям. Для более крупных частиц эта закономерность нарушается, так как скорость их осаждения под действием силы тяжести возрастает. Поскольку при очистке токсичной пыли крупные частицы улавливаются, как правило, легче, чем мелкие, в выбросах остаются очень мелкие частицы, их рассеивание в атмосфере рассчитывают так же, как и газовые выбросы.

Фоновая концентрация является характеристикой существующего загрязнения атмосферного воздуха на промышленных площадках и в населенных пунктах и представляет собой суммарное загрязнение атмосферы, обусловленное всеми источниками, в том числе и неорганизованными.

При проектировании вновь строящихся предприятий в районах, где атмосферный воздух и местность уже загрязнены вредными химическими веществами, выбрасываемыми другими предприятиями, сумма расчетной и фоновой концентраций для каждого вредного химического вещества в атмосфере не должна превышать установленных для него или рассчитанных значений ПДК.

 

Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания и определения приземных концентраций выбросов промышленных предприятий, является "Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86". В основу методики положено условие, при котором суммарная концентрация каждого вредного вещества не должна превышать максимальную разовую предельно допустимую концентрацию данного вредного вещества в атмосферном воздухе, т.е.

1.2 Основные факторы, влияющие на распространение загрязняющих веществ

Основными процессами, сопровождающими распространение атмосферных примесей, являются диффузия и физико-химическое взаимодействие примесей между собой и с компонентами атмосферы.

Примеры физического реагирования: конденсация паров кислот во влажном воздухе с образованием аэрозоля, уменьшение размеров капель жидкости в результате испарения в сухом теплом воздухе. Жидкие и твердые частицы могут объединяться, растворять газообразные вещества.

Некоторые процессы химических преобразований начинаются непосредственно с момента поступления выбросов в атмосферу, другие - при появлении для этого благоприятных условий - необходимых реагентов, солнечного излучения, других факторов.

Углеводороды в атмосфере подвергаются различным превращениям (окислению, полимеризации), взаимодействуя с другими загрязнениями прежде всего под действием солнечной радиации. В результате этих реакций образуются пероксиды, свободные радикалы, соединения с NOx и SOx.

Соединения серы поступают в атмосферу в виде SO2, SО3, H2S, CS2. В свободной атмосфере SO2 через некоторое время окисляется до SО3 или вступает во взаимодействие с другими соединениями, в частности углеводородами, в свободной атмосфере при фотохимических и каталитических реакциях. Конечным продуктом является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде.

Уровень приземной концентрации вредных веществ в атмосфере от стационарных и подвижных объектов промышленности и транспорта при одном и том же массовом выбросе может существенно меняться в атмосфере в зависимости от техногенных и природно-климатических факторов.

Под техногенными факторами будем понимать интенсивность и объем выброса вредных веществ; высота расположения устья источника выбросов от поверхности земли; размер территории, на которой осуществляются загрязнения; уровень техногенного освоения региона.

К природно-климатическим факторам распространения загрязняющих веществ обычно относят:

режим циркуляции атмосферы, ее термическую устойчивость;

атмосферное давление, влажность воздуха, температурный режим;

температурные инверсии, их повторяемость и продолжительность;

скорость ветра, повторяемость застоев воздуха и слабых ветров (0¸1 м/с);

продолжительность туманов;

рельеф местности, геологическое строение и гидрогеологию района;

почвенно-растительные условия (тип почв, водопроницаемость, пористость, гранулометрический состав почв, состояние растительности, состав пород, возраст, бонитет);

фоновые значения показателей загрязнения природных компонентов атмосферы;

состояние животного мира

Рассмотрим перечисленные факторы более подробно. В природной среде непрерывно меняются температура воздуха, скорость, сила и направление ветра. Поэтому распространение энергетических и ингредиентных загрязнений происходит в постоянно меняющихся условиях. Процессы разложения токсических веществ в высоких широтах при малых значениях солнечной радиации замедляются. Осадки и высокие температуры, наоборот, способствуют интенсивному разложению веществ. Более высокая температура у поверхности земли в дневное время заставляет воздух подниматься вверх, что приводит к дополнительной турбулентности. Ночью температура у поверхности земли более низкая, поэтому турбулентность уменьшается. Это явление приводит к уменьшению рассеивание отработавших газов.

Способность земной поверхности поглощать или излучать теплоту влияет на вертикальное распределение температуры в приземном слое атмосферы и приводит к температурной инверсии (отклонение от адиабатности). Повышение температуры воздуха с высотой приводит к тому, что вредные выбросы не могут подниматься выше определенного «потолка». В инверсионных условиях ослабляется турбулентный обмен, ухудшаются условия рассеивания вредных выбросов в приземном слое атмосферы. Для приземной инверсии особое значение имеет повторяемость высот верхней границы, для приподнятой инверсии - повторяемость высот нижней границы.

Сочетание природных факторов, определяющих возможный уровень загрязнения атмосферы, характеризуется метеорологическим и климатическим потенциалом загрязнения атмосферы, а также высотой слоя перемешивания, повторяемостью приземных и приподнятых инверсий, их мощностью, интенсивностью, повторяемостью застоев воздуха, штилевых слоев до различных высот.

Уменьшение концентраций вредных веществ в атмосфере происходит не только вследствие разбавления выбросов воздухом, но и из-за постепенного самоочищения атмосферы. Явление самоочищения сопровождается следующими основными процессами

седиментация, т.е. выпадение выбросов с низкой реакционной способностью (твердых частиц, аэрозолей) под действием силы тяжести;

нейтрализация и связывание газообразных выбросов в открытой атмосфере под действием солнечной радиации

Определенный потенциал самовосстановления свойств окружающей среды, в том числе и очищения атмосферы, связан с поглощением водными поверхностями до 50% природных и техногенных выбросов СО2. В водоемах растворяются и другие газообразные загрязнители воздуха. То же происходит на поверхности зеленых насаждений: 1 га городских зеленых насаждений поглощает в течение часа такое же количество CО2, которое выдыхают 200 человек.

Химические элементы и соединения, содержащиеся в атмосфере, поглощают часть соединений серы, азота, углерода. Гнилостные бактерии, содержащиеся в почве, разлагают органические остатки, возвращая CО2 в атмосферу.

1.3 Закономерности распространения загрязняющих веществ в атмосфере. Особенности атмосферной циркуляции

Загрязняющие вещества поступающие в атмосферу, подвержены следующим изменениям: 1) переносу атмосферными течениями (движения ми); 2) захвату каплями облаков и туманов и последующему их вымыванию осадками; З) радиоактивному распаду (если примесь радиоактивна) и вступлению в химические реакции с другими примесями и атмосферой (если примесь химически активна).

Атмосферные течения могут находиться в двух режимах: ламинарном и турбулентном. Режим движения атмосферы, при котором малые объемы воздуха перемещаются по параллельным (возможно слегка искривленным) траекториям, называется ламинарным: режим, при котором малые объемы совершают неупорядоченные, хаотические движения, принято называть турбулентным.

Характер режима (движения) жидкости или газа определяется двумя безразмерными числами (параметрами): 1)числом Рейнольдса

где - скорость течения жидкости или газа, - характерный масштаб длин (средний размер тел, обтекаемых потоком, расстояние между твердыми стенками-границами и т.д.), - кинематический коэффициент молекулярной вязкости. При малых значениях числа Re движение жидкости или газа носит ламинарный характер; при числе Re равным критическому значению Reкр, наблюдается переход ламинарного течения в турбулентное, пи больших значениях числа Re движение полностью становится турбулентным. [14]: 2) числом Ричардсона

где g - ускорение свободного падения, Т - температура (жидкости, газа) в К,

- вертикальный градиент температуры жидкости (газа), - сухоадиабатический градиент, - вертикальный градиент скорости ветра. Если число Ri меньше некоторого критического значения Riкр, то интенсивность турбулентного движения (кинетическая энергия турбулентных частиц) увеличивается, если Ri>Riкр - ослабевает. (Семенчин) Влияние ветра на распространение атмосферных загрязнений.

Примесь, попадающая в турбулентную среду, под влиянием пульсаций скорости потока начинает распространяться в ней, образуя загрязненную область. Выбор способа описания этого процесса зависит от способа поступления примеси в среду и от конечного результата, который требуется получить. Следует различать два типа диффузии в турбулентной среде

В первом случае рассматривается рассеяние примеси относительно фиксированной точки - положения фиксированного (или движущегося с известной скоростью) длительно действующего бесконечно малого (точечного) источника, причем требуется определить всю область, в которой в то или иное время примесь могла находиться. В другом случае вся примесь сразу занимает некоторый начальный объем и образует облако, которое под действием турбулентных пульсаций рассеивается.

1.4 Влияние ветра на распространение загрязняющих веществ

В пограничном слое атмосферы скорость и направление ветра меняются с высотой, что в дополнение к действию пульсаций скорости также приводит к рассеянию облака примеси.

Огромные медленно перемещающиеся в пространстве системы высокого давления часто характеризуются такими сочетаниями значений стабильности атмосферы, ветра и ветрового сдвига, которые способствуют устойчивому состоянию загрязнения внутри этой воздушной массы. Влияние метеорологических параметров может обусловливать накопление относительно высоких концентраций загрязняющих соединений внутри системы высокого давления. Высокий уровень загрязнения воздуха может регистрироваться в такой воздушной массе в течение значительного промежутка времени (около недели).

Например, внутри системы высокого давления имеются области с температурной инверсией, которые расположены на некотором расстоянии от поверхности Земли и препятствуют поступлению загрязнения в приземный слой, обусловливая, таким образом, накопление загрязнения, поступающего от источников, в самой воздушной массе. Многие системы высокого давления характеризуются и низкой скоростью ветра, что также способствует накоплению загрязнения вследствие незначительного горизонтального рассеивания выбросов загрязняющих веществ, попадающих в такую систему.

Системам высокого давления свойственна также и незначительная облачность. Это увеличивает поступление солнечной радиации к земной поверхности и создает благоприятные условия для образования фотохимического загрязнения воздуха, которое в свою очередь оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Системы высокого давления и безоблачное небо не способствуют также выпадению дождей, являющихся одним из важных процессов выведения загрязняющих веществ из атмосферы. По этим причинам и в связи с тем, что системы высокого давления медленно перемещаются в атмосфере, в них в течение длительного времени могут сохраняться высокие концентрации загрязняющих веществ.

Ветровой сдвиг, или изменение направления ветра с высотой, становится важным фактором при дальнем переносе загрязняющих веществ, так как он обусловливает «разбавление» воздушной массы, в которой содержатся загрязняющие примеси. Поскольку верхние и нижние слои воздушных масс, содержащих загрязнение, перемещаются в различных направлениях с разной скоростью, наличие ветрового сдвига способствует значительному рассеиванию загрязняющих компонентов атмосферы за время их переноса

2. Мониторинг атмосферы

Мониторинг атмосферы — система наблюдения и контроля за содержанием радиоактивных, опасных химических и биологических веществ в атмосфере, а также для определения основных источников загрязнения.

Мониторинг атмосферного воздуха, социально-гигиенический мониторинг или экологический мониторинг, — это государственная система наблюдения, а система должна быть упорядоченной, стройной и единообразной. Сохранение здоровья настоящих и будущих поколений граждан России — стратегическая задача государства и цель мониторинга атмосферного воздуха населенных мест.

В соответствии с п. 1 ст. 20 Федерального закона № 52-ФЗ от 30.03.1999 «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» (в ред. от 19.07.2011, далее — Закон (№ 52-ФЗ) «атмосферный воздух в городских и сельских поселениях не должен оказывать вредного воздействия на человека», а в п. 4 этой же статьи закона записано, что «органы государственной власти, органы местного самоуправления субъектов Российской Федерации, индивидуальные предприниматели и юридические лица в соответствии со своими полномочиями обязаны осуществлять меры по предотвращению и снижению загрязнения атмосферного воздуха в городских и сельских поселениях». Контроль за соблюдением этой статьи закона проводят надзорные органы: Роспотребнадзор, Росприроднадзор, Роскомгидромет и т. п.

Одним из звеньев государственного мониторинга качества атмосферы является проведение производственного контроля за выбросами предприятия в источниках (контроль соблюдения нормативов ПДВ — предельно-допустимых выбросов), ориентированных на лимитирование вредных выбросов и в жилых районах в зоне влияния выбросов, ориентированного на соблюдение ПДК вредных веществ в воздухе населенных мест. Оба вида контроля подтверждают как безопасность эксплуатации объекта, так и эффективность проводимых мероприятий, ограничивающих влияние выбросов на окружающую среду и здоровье населения (достаточность размеров санитарно-защитной зоны — СЗЗ, ее надежность, бесперебойную и эффективную работу очистных сооружений и т. п.).

Обязательность проведения производственного контроля объектами, имеющими источники выбросов в атмосферу, закреплена законодательно ст. 11 и 32 Закона № 52-ФЗ. Тем не менее многие юридические лица и индивидуальные предприниматели игнорируют проведение производственного контроля качества атмосферного воздуха в зоне влияния выбросов их объектов, скрывают или искажают информацию о качественном и количественном составе загрязнения, расчетные данные по рассеиванию вредных выбросов подтасовывают к фоновому загрязнению или выбросам автотранспортных средств, не согласовывают перечень контролируемых ингредиентов, периодичность отбора проб, точки отбора проб и направление ветра (планы-графики) с Роспотребнадзором, привлекают к проведению лабораторных исследований не аккредитованные лаборатории либо с истекшим сроком аккредитации.

Подытоживая обзор по проблеме организации мониторинга качества атмосферного воздуха населенных мест, следует отметить, что наш многолетний опыт работы в этом направлении свидетельствует о необходимости актуализации не только ГОСТА и руководств по контролю качества атмосферного воздуха населенных мест, но и о создании в государственном масштабе законодательной базы, регулирующей этот мониторинг.

 

Список используемых источников.

1. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

2. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975.

3. Вызова Н.Л. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

4.Гил А. Динамика атмосферы: В 2 т./Пер. с англ. - М.: Мир, 1986.

5.Ионисян А. С. Математическое моделирование процесса распространения активной примеси в свободной и облачной атмосфере.- Ставрополь: 2003. 190 с.

6. Каплан Л.Г. Локальные процессы в сплошной жидкой среде и атмосфере - Ставрополь: АСОК, 1993.

7. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 751 с.

8.Семенчин Е.А., Ионисян А.С. Об оптимизации мощности мгновенного точечного источника примеси, действующего в экологически значимой зоне//Совершенствование методов управления социально-экономическими процессами и их правовое регулирование. - Ставрополь: Изд-во СИУ, 2000. С.73-75.

9. Я.М.Грушко «Вредные органические соединения в промышленных выбросах ТЭЦ в атмосферу», Издательство «Химия» Ленинград 1999 г.

10.«Защита атмосферы от промышленных загрязнений» справочник под ред. С.Калверта и Г. Инглунда «Металлургия», Москва 2001 г.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: