Khuếch tán chất thải phóng xạ qua môi trường không khí

Tác động ô nhiễm từ một nguồn phát thải được biểu diễn bằng sự phân bố nồng độ các chất trong không gian 3 chiều x, y, z.. Phương trình phân tán Gauss phụ thuộc vào cường độ thải của ngu

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC BẢNG 3

DANH MỤC CÁC HÌNH 4

Mở đầu 5

Chương 1 – Khí quyển và sự nhiễm phóng xạ khí quyển 7

1.1 Cấu tạo khí quyển Trái Đất 7

1.2 Cấu trúc khí quyển Trái Đất 7

1.2.1 Tầng đối lưu 7

1.2.2 Tầng bình lưu 7

1.2.3 Trung quyển 8

1.2.4 Nhiệt quyển 8

1.2.5 Ngoại quyển 8

1.3 Độ ổn định của khí quyển 8

1.3.1 Khái niệm về sự ổn định khí quyển 8

1.3.2 Các lớp ổn định Pasquill 9

1.4 Sự nhiễm phóng xạ khí quyển 10

1.4.1 Độ phóng xạ khí quyển tự nhiên 10

1.4.2 Độ phóng xạ khí quyển nhân tạo 10

1.4.2.1 Các nhà máy nhiệt điện 12

1.4.2.2 Khai thác dầu, khí 13

1.4.2.3 Luyện kim 14

1.4.2.4 Sản xuất xi măng 15

1.4.2.5 Sản xuất bột màu TiO2 16

1.4.2.6 Sản xuất gốm sứ, vật liệu chịu lửa và thủy tinh 16

1.4.2.7 Công nghiệp sản xuất phân bón phốt phát 17

Chương 2 – Lý thuyết của bài toán phân tán chất thải trong khí quyển 18

2.1 Sự phân tán chất thải trong khí quyển 18

2.1.1 Sự dâng cao của đám mây chất thải 18

2.1.2 Sự rơi lắng chất thải 22

2.1.2.1 Lắng đọng khô 24

2.1.2.2 Lắng đọng ướt 24

2.1.3 Hiệu ứng dòng đuôi 25

2.2 Các hệ thức tính toán nồng độ nhiễm bẩn 29

2.2.1 Đối với nguồn phát tán theo chế độ xung 31

2.2.2 Đối với nguồn phát liên tục 31

2.2.2.1 Nguồn phát liên tục ngắn ngày 31

2.2.2.2 Nguồn phát liên tục dài ngày 32

Chương 3 – Xây dựng chương trình tính toán và đánh giá kết quả 34

3.1 Xây dựng chương trình tính toán 34

3.1.1 Mô tả chương trình tính toán 34

3.1.2 Các chỉ số trong chương trình tính toán 34

3.1.3 Sự mã hóa các hướng gió bằng số trong chương trình tính toán 35

3.2 Chạy chương trình 36

3.2.1 Thu thập dữ liệu đầu vào của chương trình 36

3.2.1.1 Các số liệu khí tượng 36

3.2.1.2 Các số liệu khác 36

3.2.2 Kết quả chạy chương trình 37

3.3 Đánh giá kết quả 38

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHỤ LỤC 42

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các điều kiện khí tượng xác định cấp độ ổn định Pasquill 9

Bảng 1.2: Lượng phóng xạ phát ra hàng năm từ các nhà máy nhiệt điện 12

Bảng 1.3: Hoạt độ phóng xạ của một số tro, xỉ 12

Bảng 1.4: Khả năng giải phóng các hạt nhân phóng xạ tự nhiên khi khai thác dầu khí tại các giàn khoan trên biển 13

Bảng 1.5: Hoạt độ phóng xạ trong một số loại quặng 14

Bảng 1.6: Phát thải khói lò từ nhà máy xi măng công suất 2 triệu tấn/năm 15

Bảng 1.7: Nước thải của nhà máy sản xuất bột màu TiO2 16

Bảng 1.8: Hoạt độ phóng xạ trong quặng zircon 16

Bảng 1.9: Hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong nguyên liệu và phế thải trong công nghiệp phân bón phốt phát 17

Bảng 2.1: Bảng giá trị n 20

Bảng 3.1: Một vài số liệu khí tượng đo đạc trong năm 2008 36

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Sự phân tán chất ô nhiễm theo phân bố Gauss 19

Hình 2.2: Chu trình lắng đọng khí quyển 23

Hình 2.3: Vệt khói dạng uốn lƣợn 25

Hình 2.4: Vệt khói dạng hình côn 25

Hình 2.5: Vệt khói dạng hình quạt 25

Hình 2.6: Vệt khói dạng vồng lên 26

Hình 2.7: Vệt khói dạng phun khói 26

Hình 2.8: Vệt khói dạng mắc bẫy 26

Hình 2.9: Vệt khói phụt ra từ một nhà máy công nghiệp 27

Hình 2.10: Cấu trúc của một mẫu khuếch tán 28

Hình 2.11: Ảnh minh họa hoa gió 33

Hình 3.1: Sự phân bố nồng độ của chất thải là khí Radon theo khoảng cách 37

Mở đầu

Trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, với sự phát triển mạnh các ngành công nghiệp một mặt góp phần rất lớn vào sự phát triển kinh tế nhưng mặt khác lại gây ảnh hưởng môi trường nghiêm trọng Ống khói từ các nhà máy công nghiệp, cơ sở công nghiệp, cũng như các hoạt động khác nhau của con người,…thải ra các chất độc hại làm vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng báo động trong đó có vấn đề ô nhiễm do các độc tố phóng xạ và kim loại nặng là những vấn đề đang được quan tâm trên thế giới

Trong hạn chế của khóa luận này, chúng tôi chỉ đề cập đến vấn đề ô nhiễm môi trường không khí do sự khuếch tán chất thải ra môi trường

Để có cái nhìn vừa trực quan, vừa định lượng được tác động của một hay đồng thời nhiều nguồn khí ô nhiễm ra môi trường xung quanh, chúng ta có thể sử dụng một trong những phương pháp khoa học để xác định quy luật lan tỏa của dòng ô nhiễm phát đi

Hiện nay có ít nhất 3 mô hình tính toán ô nhiễm môi trường khí [1]:

1- Mô hình thống kê kinh nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết toán học Gauss 2- Mô hình thống kê thuỷ động của Berliand

3- Mô hình khuếch tán rối

Trong 3 mô hình trên, mô hình thích hợp để phản ánh đầy đủ hiện tượng lan truyền các chất ô nhiễm từ một nguồn phát thải ra môi trường xung quanh là mô hình Gauss Tác động ô nhiễm từ một nguồn phát thải được biểu diễn bằng sự phân

bố nồng độ các chất trong không gian 3 chiều (x, y, z) Trong thực tế trục của nguồn phát là không ổn định, nhưng ta có thể xem nó dao động quanh vị trí một đường trục trung bình Nồng độ chất ô nhiễm phân bố trên các mặt cắt đứng theo hàm Gauss và đối xứng qua trục nguồn phát thải Phương trình phân tán Gauss phụ thuộc vào cường độ thải của nguồn, tốc độ gió, chiều cao hiệu quả của ống khói và đặc biệt là điều kiện khí quyển Chính vì sự lan truyền chất ô nhiễm ra môi trường xung quanh rất nhạy cảm với điều kiện khí quyển và mô hình Gauss, mà Sutton hay

Pasquill đã dùng mô hình này để phát triển các tính toán về sự phân tán trong môi trường không khí [7]

Để giải bài toán Gauss, ta thừa nhận một số giả thiết gần đúng:

- Tải lượng của nguồn gây ô nhiễm là hằng số theo thời gian

- Tốc độ gió là không đổi theo thời gian và chỉ phụ thuộc độ cao vệt khói

- Không có bổ sung hay rút bớt chất ô nhiễm do phản ứng hoá học trong luồng khí

- Địa hình bằng phẳng và không có vật cản

Chương 1 KHÍ QUYỂN VÀ SỰ NHIỄM PHÓNG XẠ KHÍ QUYỂN

1.1 Cấu tạo khí quyển Trái Đất

Khí quyển Trái Đất là lớp các chất khí bao quanh hành tinh Trái Đất và được giữ lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất

khá mạnh, thời gian tồn lưu trong vài ngày

1.2 Cấu trúc khí quyển Trái Đất [8]

Bầu khí quyển của trái đất được chia thành 5 tầng dựa theo sự thay đổi cực đại của nhiệt độ, thành phần hóa học, sự chuyển động và mật độ các phân tử khí

1.2.1 Tầng đối lưu (Troposphere)

Tầng đối lưu bắt đầu từ mặt đất đến độ cao 6 - 20 km, là nơi con người và các sinh vật sinh sống, cũng là nơi xảy ra hầu hết các hiện tượng thời tiết

Ở tầng này mật độ phân tử khí và nhiệt độ đều giảm theo độ cao

Độ cao của tầng đối lưu có sự thay đổi từ xích đạo đến các cực Ở xích đạo độ

6 - 7 km Đường biên chuyển tiếp giữa tầng đối lưu và tầng liền trên được gọi là đỉnh của tầng đối lưu

1.2.2 Tầng bình lưu (Stratosphere)

Tầng bình lưu bắt đầu từ vùng đỉnh của tầng đối lưu đến độ cao khoảng 50km tính từ mặt đất Tầng này chiếm khoảng 19% các chất khí trong bầu khí quyển nhưng rất ít hơi nước Nhiệt độ tăng theo độ cao bởi sự hấp thụ bức xạ của phân tử Ôxy dẫn đến sự hình thành tầng Ozone Ở đây không khí loãng, nước và bụi rất ít, không khí chuyển động theo chiều ngang là chính và rất ổn định

1.2.3 Trung quyển (Mesosphere):

Trung quyển là tầng nằm trên tầng bình lưu, bắt đầu từ đỉnh tầng bình lưu đến

độ cao khoảng 85km Mật độ các chất khí và nhiệt độ giảm dần theo độ cao Tuy mật độ khí trong trung quyển không lớn nhưng cũng đủ để đốt cháy các thiên thạch khi chúng đi vào bầu khí quyển, để lại vệt sáng trên bầu trời đêm

1.2.4 Nhiệt quyển (Thermosphere)

Nhiệt quyển nằm trên tầng trung bình và kết thúc ở độ cao khoảng 690km Mật độ khí trong tầng này loãng hơn trung quyển Nhiệt độ tăng theo độ cao,

mật độ khí cực kỳ loãng nên năng lượng của vài phân tử không đủ làm nóng da người

Ôxy và Nitơ ở tầng này ở trạng thái ion, vì thế nhiệt quyển còn được gọi là tầng điện li Sóng vô tuyến phát ra từ một nơi nào đó trên vùng bề mặt Trái đất phải qua sự phản xạ của tầng điện li mới truyền đến các nơi trên thế giới

1.2.5 Ngoại quyển (Exosphere)

Ngoại quyển là tầng ngoài cùng của bầu khí quyển, nằm trong phạm vi khoảng 10000km, nhiệt độ tăng theo độ cao có thể lên đến 2500°C Tuy nhiên, các nhiệt kế, nếu có thể, lại chỉ các nhiệt độ thấp dưới 0°C do mật độ khí cực kỳ thấp nên sự truyền nhiệt ở mức độ có thể đo đạc được là rất khó xảy ra

Đây là vùng quá độ giữa khí quyển Trái Đất với khoảng không vũ trụ, không khí ở đây rất loãng, nhiệt độ lại rất cao, một số phân tử và nguyên tử chuyển động với tốc độ cao cố "vùng vẫy" thoát ra khỏi sự trói buộc của sức hút Trái Đất lao ra khoảng không vũ trụ Do đó tầng này còn gọi là tầng thoát ly Một phần Hiđrô của Trái Đất (khoảng vài nghìn tấn/năm) được tách ra đi vào vũ trụ đồng thời các dòng

plasma do môi trường thải ra là bụi vũ trụ (khoảng 2g/km²) cũng đi vào Trái Đất

1.3 Độ ổn định của khí quyển

1.3.1 Khái niệm về sự ổn định khí quyển [9]

Với trạng thái biến thiên nhiệt độ theo chiều cao nào đó mà lực tác động vật lý của khí quyển làm chất ô nhiễm khuếch tán theo chiều cao không dễ dàng, khi đó

khí quyển ở trạng thái ổn định, tức là khí quyển ở trạng thái ổn định sẽ cản trở sự khuếch tán và pha loãng của chất ô nhiễm

Ngƣợc lại, khí quyển ở trạng thái không ổn định làm cho chất ô nhiễm khuếch tán trong khí quyển một cách dễ dàng

1.3.2 Các lớp ổn định Pasquill [10]

Khi nghiên cứu về mức độ ổn định của khí quyển, Pasquill chia độ ổn định của khí quyển thành 6 lớp và đặt tên theo các chữ cái A, B, C, D, E, F, với lớp A là bất ổn định nhất và lớp F là ổn định nhất

Bảng 1.1: Các điều kiện khí tƣợng xác định cấp độ ổn định Pasquill

b Phương pháp “Gradient nhiệt thẳng đứng”: Đánh giá qua suất chênh lệch nhiệt độ trong khí quyển theo phương thẳng đứng

c Phương pháp thăng giáng của hướng gió

d Phương pháp gradient nhiệt thẳng đứng kết hợp với tốc độ gió

có thể phát hiện Thoron và Actinon ở gần sát mặt đất Trong các đồng vị của

quan tâm nhất, đặc biệt là trong các mỏ Uran, nơi tích tụ rất nhều Radon Radon và các sản phẩm của nó có mặt khắp tầng đối lưu, ở độ cao cách mặt đất 10 - 15 km Các nguyên tố phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ đi vào khí quyển theo bụi vũ trụ

C14, P32,…)

Hàm lượng các nguyên tố Urani, Thori, Kali trong khí quyển không đáng kể

1.4.2 Độ phóng xạ khí quyển nhân tạo

Khí xả phóng xạ từ các nhà máy, bệnh viện, cơ sở hạt nhân,…chủ yếu là Radon, Thoron và Tritium - trong đó Radon được sinh ra bởi quá trình phân rã của

các chất phóng xạ như Thorium và Uranium sâu trong lòng đất, và Tritium là đồng

vị phóng xạ dạng nặng nhất của Hydro

Ngoài ra trong số các đồng vị phát gamma thải vào khí quyển còn có Ar41

do các nhà máy điện nguyên tử trên thế giới sản sinh ra có thể lên đến 10 Ci/h

Trên thực tế, sự nhiễm bẩn phóng xạ không chỉ có nguyên nhân từ các cơ sở hạt nhân, chiếu xạ y tế, sự làm nguội hệ thống lò ứng hạt nhân, các sự cố hạt nhân, phóng xạ vũ trụ…mà còn nhiều nguyên nhân khác Chẳng hạn như mức phóng xạ trong phòng có thể tăng do các vật liệu xây dựng có nguồn gốc tự nhiên như đá bọt

được dùng trong công nghệ chế tạo sơn phát sáng, Tritium được dùng để tạo các chỉ thị phát sáng trong công nghệ chế tạo đồng

hồ, hay gas tự nhiên dùng cho bếp núc và sưởi ấm cũng là một nguồn Radon trong các tòa nhà dù không lớn lắm,…

Một nguyên nhân khác làm gia tăng phóng xạ tự nhiên cho môi trường là do

sự thải từ các nhà máy công nghiệp Một số vật liệu có nguồn gốc tự nhiên thường

rã của chúng Khi được gia công công nghiệp thì hàm lượng của các chất phóng xạ này có thể tăng lên Dưới đây chúng ta sẽ xem xét một số ngành công nghiệp có khả năng tạo ra hoạt độ phóng xạ tự nhiên cao [2]:

- Các nhà máy nhiệt điện

Nhiên liệu như than, dầu và khí thiên nhiên được dùng để đốt và sản xuất điện Các nhiên liệu này có chứa một lượng các hạt nhân phóng xạ thay đổi tuỳ thuộc vào

vị trí mỏ của chúng Khi bị đốt cháy, hoạt độ phóng xạ của nhiên liệu sẽ được chuyển chủ yếu sang tro, xỉ và không khí

Bảng 1.2: Lượng phóng xạ phát ra hàng năm từ các nhà máy nhiệt điện [2]

Nhà máy nhiệt điện

đá được đốt thành tro bay, hai chất này tích tụ hàm lượng lớn gấp 10 lần so với hàm lượng của chúng trong tự nhiên Trong suốt quá trình tiêu thụ than, có rất nhiều đồng vị phóng xạ phát ra hơn bất cứ nhiên liệu khác bởi nồng độ tro cao của nó Vì thế việc đốt than là một trong những nguyên nhân làm tăng đáng kể phông phóng

Việc sử dụng tro, xỉ làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng là nguy cơ làm tăng liều chiếu xạ trong nhà Hàm lượng phổ biến của hoạt độ phóng xạ tự nhiên của nhiên liệu tự nhiên được nêu trong các bảng 1.2 và bảng 1.3

1.4.2.2 Khai thác dầu, khí

Việc thoát các hạt nhân phóng xạ tự nhiên phụ thuộc nhiều vào loại vỉa dầu, khí, điều kiện khai thác vỉa Việc khai thác dầu và khí luôn đi kèm với việc bơm nước Tỷ lệ tốc độ bơm nước và tốc độ khai thác dầu thay đổi và phụ thuộc vào tuổi của giếng và điều kiện khai thác, sự thay đổi này còn lớn hơn khi khai thác khí đốt Nước đồng hành có chứa các hạt nhân phóng xạ sẽ hình thành các cặn bám trong các đường ống, van, thùng chứa Hàm lượng các hạt nhân phóng xạ tự nhiên trong quá trình khai thác dầu khí do vậy tăng lên bởi các hoạt động:

- Cặn bám ở các hệ thống công nghệ và cặn được vệ sinh khỏi các hệ thống đó (Th228, Ra228, Ra226, Pb210)

Bảng 1.4: Khả năng giải phóng các hạt nhân phóng xạ tự nhiên khi khai thác dầu

khí tại các giàn khoan trên biển [2]

Sản

phẩm

Sản lượng (triệu

Nước đồng hành triệu

Hoạt độ phóng xạ (Bq/l)

Lượng phóng xạ (GBq/năm)

Giá trị hàm lượng các hạt nhân phóng xạ trong bùn và cặn của các giếng thay đổi lớn tùy thuộc các loại giếng, cấu trúc vỉa và các điều kiện khác Khả năng giải

phóng các hạt nhân phóng xạ tự nhiên khi khai thác dầu, khí tại các dàn khoan trên biển nêu ở Bảng 1.4

Tro, xỉ và khí thải là những thứ đƣợc hình thành trong quá trình luyện kim Trong khí thải sẽ có chứa các chất phóng xạ Po210 và Pb210 Tuy nhiên hoạt độ

phóng xạ trong nguyên liệu sẽ đƣợc chuyển chủ yếu sang tro, xỉ

a Sản xuất gang và thép

- Luyện gang: gang đƣợc chế tạo từ hỗn hợp quặng sắt, đôlômit, than đá và bụi sắt tái chế Hoạt độ phóng xạ của phần lớn các hạt nhân phóng xạ trong dãy phân

rã của U238 và Th232 trong nguyên liệu vào khoảng 15 Bq/kg Hàm lƣợng của các

sẽ giàu các chất phóng xạ Hoạt độ phóng xạ của không khí đã qua hệ thống xử lý bụi (lọc bụi) thay đổi tùy theo hiệu quả hoạt động của hệ thống lọc bụi này

- Luyện thép: thép đƣợc sản xuất từ gang và than trong lò Ngoài sản phẩm là

nguyên liệu sẽ bay hơi và đọng trên các hạt bụi và theo khí thải cuốn đi Bụi sau khi qua hệ thống xử lý bụi sẽ đƣợc tái sử dụng

b Tantalum và Niobium

Tantalum (Ta) là kim loại bền nhiệt có độ bền ăn mòn cao, dẫn điện và nhiệt tốt, đƣợc sử dụng rộng rãi trong sản xuất tụ điện trong công nghiệp điện tử Niobium (Nb) đƣợc sử dụng nhƣ nguyên tố hợp kim trong thép và siêu hợp kim trong động cơ máy bay Nguyên liệu của các chất này là quặng chứa Tantalum và Niobium có ở Úc, Brazin, Canada, Thái Lan, Trung Quốc và Châu Phi Các quặng

Tantalum cũng có trong xỉ thiếc và có hoạt độ phóng xạ tự nhiên cao Thông

là 4Bq/g, Th232 và các dẫn xuất là 11Bq/g trong xỉ thiếc

1.4.2.4 Sản xuất xi măng

nhà máy xi măng nêu trong Bảng 1.6

Bảng 1.6: Phát thải khói lò từ nhà máy xi măng công suất 2 triệu tấn/năm [2]

1.4.2.5 Sản xuất bột màu TiO 2

phóng xạ tự nhiên Hoạt độ phóng xạ trong quặng nguyên liệu đã chuyển sang chứa trong các chất thải rắn, lỏng và khí Phát thải các hạt nhân phóng xạ tự nhiên trong

Bảng 1.7: Nước thải của nhà máy sản xuất bột màu TiO2 [2]

1.4.2.6 Sản xuất gốm sứ, vật liệu chịu lửa và thủy tinh

lửa cũng như gốm sứ Ngoài ra nó cũng được dùng trong sản xuất thuỷ tinh, vật liệu mài, sơn

Bảng 1.8: Hoạt độ phóng xạ trong quặng zircon [2]

hơi theo khí thải Lượng phát thải phóng xạ của một nhà máy gốm sứ 30000

tấn/năm khoảng 1GBq/năm

1.4.2.7 Công nghiệp sản xuất phân bón phốt phát

Hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong nguyên liệu và phế thải trong công nghiệp phân bón phốt phát nêu trong Bảng 1.9

Bảng 1.9: Hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong nguyên liệu và phế thải trong công

nghiệp phân bón phốt phát [2]

Độ phóng xạ của khí quyển thay đổi không đáng kể theo thời gian Ở các lớp khí quyển thấp, người ta đã quan sát thấy có sự thay đổi thường xuyên theo ngày đêm và mùa Sự thay đổi sẽ càng phức tạp khi có các biến động đột ngột như nhiệt

độ, áp suất, vận tốc gió, hướng gió, các sự cố hạt nhân …

Nguyên liệu và công nghệ

Hoạt độ phóng xạ (Bq/kg)

Công nghệ xử lý axit sunlphuric

Chương 2

LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN PHÂN TÁN CHẤT THẢI TRONG

KHÍ QUYỂN

2.1.Sự phân tán chất thải trong khí quyển [7]

Chất thải trong khí quyển sẽ bị phân tán theo các cơ chế sau:

- Di chuyển theo hướng gió: chất thải sẽ bị phân tán phụ thuộc vào hướng gió

- Phân tán trong khí quyển: chất thải sẽ bị phân tán phụ thuộc vào điều kiện khí tượng và địa hình của địa phương

Ngoài ra sự phân tán chất thải còn phụ thuộc các hiện tượng sau:

- Sự dâng cao của đám mây chất thải

- Sự rơi lắng chất thải

- Hiệu ứng dòng đuôi

2.1.1 Sự dâng cao của đám mây chất thải:

Hiện tượng dâng cao của đám mây chất thải phụ thuộc rất nhiều vào các yếu

tố liên quan như bản chất khí thải (gồm trọng lượng phân tử, nhiệt dung riêng, nhiệt độ,…), điều kiện thải (như vận tốc thoát của khí thải, lượng khí thải,…) và các điều kiện môi trường xung quanh (điều kiện khí tượng, độ cao ống thải so với độ cao các công trình lân cận,…)

Tại miệng ống khói, nhờ vận tốc phụt, luồng khói có một động năng ban đầu làm cho luồng khói có xu hướng bốc thẳng đứng lên trên Mặt khác, do nhiệt độ của khói cao hơn nhiệt độ không khí xung quanh, luồng khói chịu tác dụng của “lực nổi” do chênh lệch nhiệt độ gây ra Cùng với lực nâng, luồng khói chịu tác dụng của lực gió nằm ngang, do đó đỉnh cao nhất của luồng khói sẽ nằm cách xa ống khói một khoảng cách nhất định nào đó xuôi theo chiều gió Khi đã đạt được độ cao

ấy, tức là lúc động năng ban đầu của luồng khói đã bị triệt tiêu và nhiệt độ khói đã trở nên cân bằng với nhiệt độ của khí quyển do kết quả của quá trình hoà trộn với không khí xung quanh, luồng khói sẽ đi theo phương nằm ngang song song với

chiều gió Độ cao gia tăng đó của luồng khói được gọi là độ dâng cao tổng cộng của

luồng khói do động năng ban đầu và do chênh lệch nhiệt độ giữa khói thải và nhiệt

độ không khí xung quanh Vì vậy, khi tính toán khuếch tán ô nhiễm từ các nguồn

điểm cao, chiều cao tính toán của ống khói sẽ bằng tổng chiều cao hình học của ống

khói với độ nâng cao tổng cộng của luồng khói:

với h : Độ cao hiệu dụng của ống thải (m)

HC : Độ cao thực của ống thải (m)

DDH : Độ dâng đám mây (m)

Hình 2.1: Sự phân tán chất ô nhiễm theo phân bố Gauss [11]

Trong bài toán này ở mức độ đánh giá sơ bộ, chỉ xét đến các ảnh hưởng của điều

kiện thải, điều kiện môi trường xung quanh, sự dâng của đám mây chất thải được

tính như sau:

a Ống thải cao (khi độ cao HC của ống thải lớn hơn hay bằng 2 lần độ cao các

công trình lân cận):

Trước tiên, ta xét sự ảnh hưởng của độ cao đối với vận tốc gió: Càng lên cao vận tốc gió càng lớn Sự ảnh hưởng của độ cao đối với vận tốc gió liên quan đến 2 yếu tố sau:

- Độ rối của khí quyển tại thời gian và địa điểm được cho, đặc trưng bởi lớp

ổn định Pasquill

- Điều kiện địa hình địa phương

Vận tốc gió tại độ cao h được tính bởi công thức 2.2:

n

g g

Với Um: Vận tốc gió tại độ cao h (m/s)

h : Độ cao cần tính vận tốc gió (m)

n : là một hàm của lớp ổn định Pasquill và loại địa hình có giá trị được cho bởi bảng 2.1 dưới đây

 Điều kiện khí tượng là trung hòa hoặc không ổn định : loại A-D, độ dâng đám

mây được tính bởi công thức:

Vs : Vận tốc thoát khí ra khỏi ống thải(m/s)

Um: Vận tốc gió tại độ cao ống thải(m/s)

x : Khoảng cách giữa điểm quan tâm và chân ống thải(m)

C : hệ số điều chỉnh cuốn trôi

Di : đường kính trong của ống thải tại đỉnh thải

Trường hợp Vs/Um<1,5 thì C được tính theo biểu thức sau:

Với De là đường kính ngoài ống thải (m)

Ngoài ra, khi đám mây chất thải khác với môi trường thải chúng ta cũng cần tham

CP : Nhiệt dung riêng khí thải (J/(kg.độ))

TLG : Trọng lượng phân tử khí môi trường (kg)

CPA : Nhiệt dung riêng của phân tử khí môi trường (J/(kg.độ))

PSTD : Áp suất của môi trường (bar)

TLA : Trọng lượng hạt thải (kg)

TS : Nhiệt độ khí thải (0C)

TA : Nhiệt độ môi trường (0C)

Giá trị nhỏ nhất trong 2 giá trị DDH sẽ đƣợc chọn để đƣa vào tính toán

- Nếu (Vs/Um)<1 hoặc không biết thì dùng công thức thải tại mặt đất để tính

- Nếu (Vs/Um) có giá trị giữa 1 và 5, ta giả thiết rằng với thời gian thải là Te có

đó Et là hệ số hiệu chỉnh thải

2.1.2 Sự rơi lắng chất thải

Các chất thải trong khí quyển có thể lắng đọng lên bề mặt của bất cứ vật rắn nào hoặc bị rửa trôi bởi mƣa lũ Chúng có thể lắng đọng một cách trực tiếp từ khí quyển lên các bề mặt (cả chất rắn và chất lỏng) hoặc chúng không rửa trôi mà tích

tụ lên các bề mặt tạo nên nguồn chất độc mà sau đó chúng có thể quay trở lại lơ

lửng trong không khí, gây ra sự đe dọa đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái ngay cả sau khi nguồn thải đã được di dời

Các chất tồn tại trong khí quyển dưới dạng phân tử khí, dạng rắn hay dạng

lắng trên các bề mặt bởi một trong 2 cơ chế tổng quát sau: lắng đọng khô và lắng đọng ướt [13]

Hình 2.2: Chu trình lắng đọng khí [13]

2.1.2.1.Lắng đọng khô (Dry deposition)

Trong quá trình dịch chuyển, các nhân phóng xạ có thể rơi lắng xuống bề mặt như lá cây, mặt đất, hay vách tường,…với các hạt nhẹ hiệu ứng này thấp nhưng với vác hạt nặng sự phân bố theo phương thẳng đứng sẽ bị lệch đi nhiều so với phân bố Gauss Tùy theo phân bố, kích thước và mật độ riêng của hạt, người ta có

có chuyển động Brown là chính Với các hạt lớn hơn, vận tốc rơi sẽ là hàm số của đường kính d và mật độ Tuy nhiên trong quá trình rơi, dưới sự tác động của nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,…chúng sẽ kết hợp với các nhân khác thành những hạt ở thể rắn hoặc lỏng lơ lửng dưới dạng bụi, khói, sương,…

Tốc độ rơi lắng không chỉ phụ thuộc trọng trường mà còn phụ thuộc nhiều nguyên nhân khác có nguồn gốc vật lý, hóa học như hấp thụ bề mặt, khuếch tán, phản ứng hóa học,… Vì thế vận tốc lắng đọng còn bao hàm thêm các hiệu ứng phụ

- Đám mây mưa nằm ngay đám mây chất thải: các nhân thải tạo thành các tâm

ngưng tụ và rơi xuống Lượng lắng đọng sẽ phụ thuộc vào tính hòa tan, kích thước hạt,…

- Lắng đọng khô: với các chất khí coi như không có sự rơi lắng thẳng đứng

Hiệu ứng dòng đuôi là hiện tượng cuốn xoáy các dòng rẽ sau những vật chắn

có tiết diện ngang đáng kể, tạo nên các hình dạng khác nhau của vệt khói Hiệu ứng này phụ thuộc vào độ cao, bề ngang của các công trình lân cận ống thải

Các hình dạng khác nhau của luồng khói [3]:

- Dạng uốn lượn (looping): vệt khói có dạng uốn lượn khi khí quyển không ổn định mạnh, thường xảy ra vào ban ngày khi mặt trời đốt nóng mặt đất với cường độ bức xạ lớn

Hình 2.3: Vệt khói dạng uốn lượn

khí quyển trung hòa hoặc gần trung hòa khi mặt trời vào ban ngày bị mây che phủ hay bức xạ hồng ngoại từ mặt đất vào ban đêm bị giảm

Hình 2.4: Vệt khói dạng hình côn

- Dạng hình quạt (fanning): xảy ra trong điều kiện khí quyển ổn định với phân

bố nhiệt theo chiều cao nghịch nhiệt, khuếch tán rối theo chiều đứng bị triệt tiêu

Hình 2.5: Vệt khói dạng hình quạt

- Dạng vồng lên (lofting): phía dưới sát mặt đất trong phạm vi ống khói có nghịch nhiệt còn bên trên bình thường, chất ô nhiễm tích tụ gần mép của lớp nghịch nhiệt và thuận lợi khuếch tán ở phía trên

Hình 2.6: Vệt khói dạng vồng lên

- Dạng phun khói (fumigation) :ngược lại với dạng vồng lên, lớp nghịch nhiệt

ở bên trên, lớp bên dưới bình thường, luồng khói khuếch tán mạnh ở phía dưới, thường xảy ra vào buổi sáng sớm

Hình 2.7: Vệt khói dạng phun khói

- Dạng mắc bẫy (trapping) : Chất ô nhiễm khó khuếch tán lên trên lẫn xuống dưới

Hình 2.8: Vệt khói dạng mắc bẫy

Hình 2.9: Vệt khói phụt ra từ một nhà máy công nghiệp

Hình 2.10: Cấu trúc của một mẫu khuếch tán [14]

lý và tính chất hóa học của khí quyển

Đánh giá nồng độ nhiễm bẩn của khí quyển tại bộ tiếp nhận

K z

- x, y, z là tọa độ của điểm được xét

- Q (Ci/s ): Lượng chất ô nhiễm thải ra từ nguồn thải trong một đơn vị thời gian

- u (m/s): Vận tốc gió

đứng (z)

- h (m) : Chiều cao hiệu dụng của vệt khói

Đồng thời chấp nhận các giả thiết sau:

- Các tham số phát thải là không đổi

- Vận tốc gió không đổi

- Hệ số khuếch tán không phụ thuộc vào tọa độ không gian

- Sự khuếch tán theo hướng x là không đáng kể

Giải bài toán biên:

2 2 1

0 exp

4

y z

y z u x

- y, z(m): Hệ số khuếch tán của khí quyển theo phương ngang (y) và theo

tính, trạng thái khí tượng, gradient nhiệt độ và vận tốc gió u

Các hệ thức xuất phát từ phương trình liên tục mô tả quá trình khuếch tán :

- Phản xạ hoàn toàn tại mặt phẳng z=0

- Phản xạ hoàn toàn tại mặt phẳng z=0

 (x,y,0) =

2 y z

Q u

2 y z 2. y

h Q

2.2.1 Đối với nguồn phát tán theo chế độ xung

Trong trường hợp ứng với nguồn phát xung phương trình(1.9) với các điều kiện:

2.2.2 Đối với nguồn phát liên tục [7]

Nguồn phát liên tục được xem như 1 chuỗi các xung phát ra liên tục từ nguồn phát xung Nồng độ tại điểm (x, y, z, t) do ảnh hưởng của nguồn phát liên tục sẽ bằng tổng những nồng độ từ các xung phát ra tại thời điểm t

2.2.2.1 Nguồn phát liên tục ngắn ngày

Nồng độ tích phân trên thời gian thải bằng tổng lượng thải nhân với hệ số phân tán

2 2

(Chú ý : Kết quả tích phân thu được trong trường hợp xem như các điều kiện khí tượng là không đổi)

2.2.2.2 Nguồn phát liên tục dài ngày

Trong trường hợp nguồn phát liên tục dài ngày, thời gian thải được chia nhỏ

ra và điều kiện khí tượng được xem như không đổi

Dùng phương pháp chia hoa gió (wind rose), chia gió thành N hình quạt có

Thông thường nguời ta chọn N=16 và chia cấp độ vận tốc gió thành 5 cấp

jl j

N N k

NB : chỉ số đặc trưng cho việc xác định tính ổn định của khí quyển

Hình 2.11: Ảnh minh họa hoa gió

HẠN CHẾ CỦA MÔ HÌNH GAUSS

Ngoài những lợi ích khi dùng mô hình Guass để mô tả sự phân tán khí quyển, trên thực tế mô hình Gauss cũng có những hạn chế của nó:

- Chỉ áp dụng nơi có bề mặt tương đối phẳng

- Rất khó lưu ý tới yếu tố cản

- Các điều kiện khí tượng coi như không đổi trên một diện rộng

- Chỉ ứng dụng tốt với khí có mật độ gần với mật độ không khí

- Vận tốc gió trung bình u > 1 m/s

Chương 3

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ

KẾT QUẢ

3.1 Xây dựng chương trình tính toán [7]

3.1.1 Mô tả chương trình tính toán

Chương trình tính toán (xem phụ lục 1) bằng ngôn ngữ QuickBasic chạy trên máy PC (Personal Computer) gồm có:

- Chương trình chính: cơ cấu chương trình chính nhằm chọn cách tính theo chế độ thải khác nhau và các hiệu chỉnh cần thiết

- Ba chương trình phụ nhằm xác định loại ổn định của khí quyển, tính độ dâng cao của đám mây, xác định các thông số khuếch tán

- Ba chương trình hàm nhằm tính phân số nồng độ theo các chế độ khác nhau của nguồn thải

Trong mỗi chương trình phụ các vấn đề được giải quyết theo phương án khác nhau, chẳng hạn trong chương trình nhằm xác định loại ổn định khí quyển lớp ổn định được tính theo một trong 4 phương án phụ thuộc vào chỉ số NB NB có thể được giải quyết theo 1 trong 4 phương án sau:

Trên cơ sở cấu trúc chương trình như vậy, chúng ta có thể giải quyết bài toán cho nhiều trường hợp của của số liệu đầu vào mà nhà máy cung cấp

3.1.2 Các chỉ số trong chương trình tính toán

NA = 1 - nguồn phát liên tục ngắn ngày

NA = 2 - nguồn phát liên tục dài ngày