Biến đổi của các chất ô nhiễm trong không khí

Biến đổi của các chất ô nhiễm trong không khí

KỸ THUẬT XỬ LÝ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

ĐỀ TÀI 4

BIẾN ĐỔI CỦA CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG

KHÔNG KHÍ

GVHD: PGS.TS – ĐINH XUÂN THẮNG Nhóm 2

Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh

Viện Tài Nguyên & Môi Trường (IER)



CÁC QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI

1 CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC

2 QUÁ TRÌNH SA LẮNG KHÔ

3 QUÁ TRÌNH SA LẮNG ƯỚT

1 Các phản ứng hóa học

Các chất ô nhiêm có trong không khí sẽ tham gia phản ứng giữa các chất sơ cấp với nhau hoặc sơ cấp với thứ cấp Các phản ứng

có thể sảy ra:

- PƯ nhiệt trong pha khí;

- PƯ quang hóa trong pha khí;

- PƯ nhiệt trong pha lõng;

- PƯ xảy ra trên bề mặt hạt.

1 Các phản ứng hóa học

1.1 Phản ứng nhiệt trong pha khí

Phản ứng nhiệt trong pha khí là sự kết hợp của hai phâ tử có năng lượng phù hợp.

lượng phù hợp.

3 4

NH 3

2 5

2

5 2 2

3

2 3

3 2

3

2

-2 2

3

NO NH

2HNO O

H O

N

O N NO

NO

O NO

O NO

HNO OH

NO

O NO

O NO

1 Các phản ứng hóa học

1.2 Phản ứng quang hóa trong pha khí

Phản ứng quang hóa trong pha khí bao gồm quá trình phân hủy hoặc hoạt hóa của các phân tử khi hấp thụ tia bức xạ từ mặt trời.

Phản ứng quang hóa trong khí quyển sinh ra chất ô nhiễm rất quan trọng là ôzon Ôzon được tạo thành trong quá trình phân chia NO2

dưới tắc động của tia cực tím(UV).

 2

23

32

2

O NO

NO O

M O

(M) O

O

O NO

hν NO

1 Các phản ứng hóa học

1.2 Phản ứng quang hóa trong pha khí

Sự tích tụ O3 có thể xảy ra nếu quá trình biến đổi NO thành NO2 thông qua phản ứng giữa NO với hợp chất khác không phải là O3 Hydrocarbon là hợp chất như vậy.

OH NO

O HOO

HOO Aldehyde

O RO

RO NO

NO ROO

O H ROO

OH RH

2 2

1 Các phản ứng hóa học

1.3 Phản ứng trong pha lõng

2 4

2 3

3 2

2 4

2 2

2 3

2

4 2

2 3

2

3 2

2 2

O SO

H O

SO H

O H SO

H O

H SO

H

SO 2H

O SO

2H

SO H

O H SO

1 Các phản ứng hóa học

1.4 Phản ứng trên các bề mặt

Bề mặt các hạt rắn cũng có thể thúc đẩy các phản ứng hóa học Các phản ứng hóa học sảy ra ngay trên bề mặt của hạt rắn.

4 2

2 3

3 2

2

SO H

O H SO

SO O

2 Quá trình sa lắng khô

2.1 Cơ chế của quá trình sa lắng khô

Sa lắng khô là quá trình rơi của các chất ô nhiễm thể khí và hạt trực tiếp lên lá cây, bề mặt công trình, đất hoặc nước.

Sa lắng khô các chất được xem xét qua hai giai đoạn:

- Giai đoạn dịch chuyển: là quá trình dịch chuyển các chất tới bề

Z: chiều cao trên mặt đất

Phương pháp này không thể dùng để đo tốc độ xa lắng trên địa hình không đồng nhất như cây cối, bờ rào, bờ dậu.

2 Quá trình sa lắng khô

2.2 Phương pháp đo đạc tốc độ sa lắng khô

b Phương pháp đánh dấu

Phương pháp này dùng đồng vị phóng xạ đánh dấu chất ô nhiễm

để xác định mức độ sa lắng trên diện tích đã biết Cách này cho biết nồng độ chất ô nhiễm sa lắng và chất ô nhiễm có sẵn trong đất hay cây cối.

Phương pháp này phù hợp nhất cho các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, ngoài thực địa trên địa bàn nhỏ Sự ô nhiễm bề mặt sau lần đánh dấu thứ nhất không cho phép đo đạc dịnh kỳ trên cùng một diện tích.

2 Quá trình sa lắng khô

2.2 Phương pháp đo đạc tốc độ sa lắng khô

c Phương pháp cân bằng khối lượng

Phương pháp này bao gồm đo tốc độ sa lắng của chất ô nhiễm từ không khí trong cùng một hệ kín hoặc sự tích tụ chất ô nhiễm

trong cây cối khi so sánh các mẫu đối chứng Việc giải thích kết quả rất kho khăn do điều kiện thí nghiệm và thực tế khác nhau rất nhiều.

2 Quá trình sa lắng khô

2.2 Phương pháp đo đạc tốc độ sa lắng khô

c Phương pháp tương quan xoáy

Phương pháp này phụ thuộc vào việc đo đạc đồng thời nồng độ

4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM

a Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm (dạng khí và dạng lơ lửng) trong khí quyển

Phương trình vi phân cơ bản của quá trình khuếch tán chất ô nhiễm dạng khí và dạng lơ lửng trong khí quyển được dùng làm cơ sở cho mọi tính toán toán học về quá trình này là xuất phát từ phương trình cổ điển về dẫn nhiệt trong vật rắn [F.Pasquill Noel de nevers ]

z y

c K

x x

c K

x t

c

z y

4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM

a Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm (dạng khí và dạng lơ lửng) trong khí quyển

Hình 1: Phát tán chất ô nhiễm theo chiều gió

Quá trình khuếch tán cũng giống như quá trình dẫn nhiệt có

thể diễn ra trong không gian một chiều, hai chiều hoặc ba

chiều

4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM

b Các phương trình khuếch tán một chiều, hai chiều và ba chiều.

Hình 2: Minh họa hiện tượng lan truyền, một chiều(a), hai chiều(b), ba chiều (c)

4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM

b Các phương trình khuếch tán một chiều, hai chiều và ba chiều.

x

K

x K

Q C

2 2

/ 1 ,

4

1 exp

y x

y

x

K

y K

x K

K

Q C

2 2

2 / 1 ,

4

1exp

x z

y x

y K

x K

K K

Q C

2 2

2 2

/ 1 2

/ 3 ,

,

4

1 exp

.

Đối với bài toán một chiều:

Đối với bài toán hai chiều:

Đối với bài toán ba chiều:

Trong các công thức trên:

Q- là tải lượng phát thải chất ô nhiễm tại nguồn điểm tức thời , (g/s)

[3.4]

[3.3]

[3.2]

4.2 MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KHUẾCH TÁN

a Công thức của Bosanquet và Pearson (1936)

q

y pqux

M

2

2 2

/ 1 ,

M q

p uH

e

M

Cmã 2 1/2 2 2

2 / 3

126 ,

0

Công thức xác định nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất của Bosanquet và

Pearson có dạng như sau [Ara pollection Hangbook]:

Trị số nông độ cực đại Cmax trên mặt đất:

Khoảng cách từ nguồn (chân ống khói) đến vị trí có nồng độ cực đại Cmax

trên mặt đất

[3.6]

[3.5]

4.2 MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KHUẾCH TÁN

a Công thức của Bosanquet và Pearson (1936)

Trong các công thức trên ngoài các ký hiệu đã biết còn có:

M: tải lượng của chất ô nhiễm tại nguồn điểm liên tục (g/s)

H: chiều cao hiệu quả của nguồn thải dạng ống khói, (m.)

p, q – lần lượt là hệ số khuếch tán theo chiều đứng và chiều ngang được xác định bằng thực nghiệm và là hệ số không thứ nguyên Trị số p thay đổi trong phạm vi từ 0,02 ÷ 0,1 và trị số q = 0,04 ÷ 0,16 tùy theo mức độ rối của khí quyển từ yếu đến mạnh.

Giá trị trung bình của các hệ số p và q ứng với mức độ rối trung bình của khí

quyển… có thể nhận p = 0,05 và q = 0,08.

e – cơ số logarit tự nhiên (e = 2,7183).

4.2 MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KHUẾCH TÁN

b Công thức của Sutton (1947 b)

Sử dụng lý thuyết khuếch tán của Taylor G.I và giả thiết rằng sự phân bố

nồng độ chất ô nhiễm do luồng khói lan tỏa ra môi trường xung quanh là tuân

theo luật phân phối chuẩn Gauss, Sutton O.G đã tìm ra công thức xác định

nồng độ tại điểm có tọa độ x, y, z xuôi theo chiều gió [A.C Stern Air

n z

n x y z

y

x

x S

H z x

S

H z x

S

y ux

S S

M

2 2

2

2 2

2

2 2

2 2

2 ,

,

1 exp

z n

n x

y x

ux S S

M C

M S

S uH e

Ở tại mặt đất (z = 0), công thức trên trở thành:

Trị số nồng độ cực đại:

Và khoảng cách từ nguồn đến vị trí có Cmax:

4.2 MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KHUẾCH TÁN

b Công thức của Sutton (1947 b)

Bảng 2: Các hệ số khuếch tán rối (xoắn) tổng quát của Sutton O G [A.C Stern,Vol.1,1962]

Hệ số Sy = Sz, m n/2

Độ cao trên mặt đất, m

Trị số Sy , Sz và n trong công thức Sutton được cho ở bảøng 2

4.3 CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ NỒNG ĐỘ CHẤT Ô NHIỄM THEO LUẬT PHÂN PHỐI CHUẨN GAUSS

Nếu ta thiết lập sự cân bằng vật chất trong từng “lát” khói có bề dày 1m theo chiều x và các chiều y, z là vô cực khi các “lát “ khói chuyển động cùng với vận tốc gió u thì thời

theo luật phân phối chuẩn Gauss mà người ta quen gọi tắt là “mô hình Gauss” cơ sở.

2

2

exp 2

exp

z

y u

M C

σy và σz được gọi là hệ số khuếch tán theo phương ngang và

phương đứng có thứ nguyên là độ dài m (vì Ky, Kz có thứ

nguyên là m2/s)

[3.11]

4.5 CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI

Vào những năm 1950 - 1960 trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu

về độ nâng cao của luồng khói khi thoát ra khỏi miệng ống khói Phần lớn các công trình nghiên cứu này đều dựa vào quan sát thực tế và thực nghiệm hoặc kết hợp giữalý thuyết và thực nghiệm

Sau đây xin nêu ra một số công thức tính toán độ nâng cao của luồng khói được áp dụng rộng rãi nhất

4.5.1 Công thức của Davidson W.F.

Dựa vào kết quả thực nghiệm tiến hành trên ống khí động ở Bryant, Davidson

W.E đã đưa ra công thức sau đây - được gọi là công thức Bryant - Davidson

Trong các công thức trên:

D - đường kính của miệng ống khói, (m)

w - vận tốc ban đầu của luồng khói tại miệng ống khói, (m/s)

u - vận tốc gió, (m/s)

Tkhói - nhiệt độ tuyệt đối của khói tại miệng ống khói, (0K)

TΔ - chênh lệch nhiệt độ giữa khói và không khí xung quanh, (0C) hoặc (0K)

4.5 CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI

4.5.2 Công thức của Bosanquet - Carcy và Halton

Công thức của Bosanquet và cộng sự được dựa trên lý thuyết kết hợp với thực

nghiệm, trong đó độ nâng do động năng và độ nâng do chênh lệch nhiệt độ là hàmsố của khoảng cách x kể từ chân ống khói xuôi theo chiều gió Các công thức đượcxây dựng cho điều kiện trung tính của khí quyển

Với:

Trong đó:

grad t : độ biến thiên nhiệt độ theo chiều cao của lớp khí quyển sát mặt đất

4.5 CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI

4.5.3 Cô ng thức Holland

Dựa vào kết quả khảo sát luồng khói từ những ống khói nhỏ ở vùng Oak Ridge,Holland J.Z (Ủy ban Năng lượng nguyên tử của Mỹ -1953) đã đưa ra công thức xácđịnh độ nâng cao luồng khói, được gọi là công thức Oak Ridge [A.C.Stern…Air

Δ , D - tính theo m t : chiết tính nhiệt của khói và không khí xung quanh

Công thức trên áp dụng cho điều kiện trung tính của khí quyển Đối với điều

kiện ổn định kết quả tính được theo công thức trên cần tăng thêm 10-20%, ngược lại

đối với điều kiện không ổn định - giảm bớt đi cũng chừng ấy phần trăm

hΔ = (1,5ω D + 4,1 10-5 Qh )/uΔ = (1,5ω D + 4,1 10-5 QhΔ = (1,5ω D + 4,1 10-5 Qh )/u )/uu (4.51)

4.5 CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI

4.5.4 Công thức của Briggs G.A.

trong đó : F - lực nổi ban đầu của luồng khói được xác định theo công thức

Briggs G.A 1975 đã nghiên cứu trường hợp nói trên đưa ra công thức sau đây

áp dụng cho điều kiện có tác dụng của lực nổi là chủ yếu ứng với các cấp ổn

định A- D

4.5.5 Công thức của M.E.Berliand và của một số tác giả khác ở Nga

Căn cứ vào số liệu thực nghiệm và so sánh kết quả tính toán nồng độ chất ô

nhiễm trên mặt đất Berliand và các cộng sự (1964 ) đưa ra công thức xác định độnâng cao luồng khói như sau:

4.5 CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI

4.5.4 Công thức của Briggs G.A.

trong đó:

u10 : vận tốc gió đo được ở cột đo gió trạm khí tượng, tức đo ở độ cao Z

= 10m.

L: lưu lượng khói thải tại miệng ống khói, m3/s.

Ngoài công thức xác định độ nâng luồng khói nêu trên của Berliand, ở Liên

Xô cũ còn áp dụng nhiều công thức của nhiều tác giả khác nhau.

4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO

Trên hình 4.17 thể hiện sự lắng đọng của các loại cỡ bụi thô, mịn khác nhautrên mặt đất cũng như diễn biến của nồng độ bụi và khí xuôi theo chiều gió

Hình 4.17 Phân bố nồng độ bụi và khí trên mặt đất do óng khói gây ra ứng với vận tốc

gió nhất định.

4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO

Trên hình 4.17 thể hiện sự lắng đọng của các loại cỡ bụi thô, mịn khác nhautrên mặt đất cũng như diễn biến của nồng độ bụi và khí xuôi theo chiều gió

Trong đó:

Mb: khối lượng phát thải bụi trong đơn vị thời gian tại miệng ống khói: g/s, kg/s

hoặc kg/ngày, T/tháng

α: tỷ lệ thời gian có gió nằm trong góc cung 450 về phía cuối gió kể từ nguồn

p: Hệ số khuếch tán đứng của Bosanquet có thể nhận p=0,05

vr: vận tốc rơi tự do tối hạn của bụi, m/s

4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO

Trên hình 4.17 thể hiện sự lắng đọng của các loại cỡ bụi thô, mịn khác nhautrên mặt đất cũng như diễn biến của nồng độ bụi và khí xuôi theo chiều gió

Trong đó:

Mb: khối lượng phát thải bụi trong đơn vị thời gian tại miệng ống khói: g/s, kg/s

hoặc kg/ngày, T/tháng

α: tỷ lệ thời gian có gió nằm trong góc cung 450 về phía cuối gió kể từ nguồn

p: Hệ số khuếch tán đứng của Bosanquet có thể nhận p=0,05

vr: vận tốc rơi tự do tối hạn của bụi, m/s

4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO

Cường độ lắng đọng của bụi trên trục gió được xác định theo công thức:

Như vậy :

Mb: khối lượng phát thải bụi trong đơn vị thời gian tại miệng ống khói: g/s, kg/s

hoặc kg/ngày, T/tháng

α: tỷ lệ thời gian có gió nằm trong góc cung 450 về phía cuối gió kể từ nguồn

p: Hệ số khuếch tán đứng của Bosanquet có thể nhận p=0,05

vr: vận tốc rơi tự do tối hạn của bụi, m/s

4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO

Cường độ lắng đọng của bụi trên trục gió được xác định theo công thức:

Như vậy :

Mb: khối lượng phát thải bụi trong đơn vị thời gian tại miệng ống khói: g/s, kg/s

hoặc kg/ngày, T/tháng

α: tỷ lệ thời gian có gió nằm trong góc cung 450 về phía cuối gió kể từ nguồn

p: Hệ số khuếch tán đứng của Bosanquet có thể nhận p=0,05

vr: vận tốc rơi tự do tối hạn của bụi, m/s

4.9 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM

Các công thức tính toán đều dựa trên lý thuyết và thực thế là áp dụng địa hình bằng phằng Trường hợp địa hình không bằng phẳng, trên đường lan truyền làn khói gặp vật cản có dạng như núi đồi, vực sâu, thung lũng … khi đó vận tốc gió sẽ bị thay đổi, mức độ rối của khí quyển bị ảnh hưởng và do đó luồng khói sẽ bị biến dạng, kéo theo là sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm trong luồng khói cũng như trên mặt đất bị thay đổi.

Trên hình 4.35 là hình ảnh của luồng khói trên địa hình có đồi núi.

4.9 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM

Các công thức tính toán đều dựa trên lý thuyết và thực thế là áp dụng địa hình bằng phằng Trường hợp địa hình không bằng phẳng, trên đường lan truyền làn khói gặp vật cản có dạng như núi đồi, vực sâu, thung lũng … khi đó vận tốc gió sẽ bị thay đổi, mức độ rối của khí quyển bị ảnh hưởng và do đó luồng khói sẽ bị biến dạng, kéo theo là sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm trong luồng khói cũng như trên mặt đất bị thay đổi.

Trên hình 4.35 là hình ảnh của luồng khói trên địa hình có đồi núi.

4.9 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM

Ở phía đón gió của sườn đồi luồng gió chuyển động theo các đường dòng của không khí và do đó có xu hướng vừa va đập vào sườn đồi vừa bị hất

ngược lên cao Vì vậy nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất sẽ tăng cao so với trường hợp địa hình bằng phẳng.

Ở phía khuất gió của ngọn đồi, bức tranh càng phức tạp hơn do có hiện tượng quẩn gió làm cho chất ô nhiễm bị ứ đọng lại trong khu vực này và không lan tỏa được ra xa hơn nữa.

Nhìn chung, ảnh hưởng của địa hình đối với quá trình khuếch tán chất ô

nhiễm là rất đa dạng và phức tạp, không thể áp dụng một lý thuyết tổng quát nào bao trùm hết mọi hình thái vật cản và tình huống có thể xảy ra mà chỉ giới hạn trong một trường hợp đơn giản và cần dựa vào nghiên cứu thực

nghiệm cho từng trường hợp cụ thể là chủ yếu.