4 Chuong 4 Su phat tan chat thai vao khi quyen

PHÁT TÁN KHÍ THẢI VÀO KHÍ QUYỂN - Mức ñộ ô nhiễm không khí tầng sát mặt ñất xác ñịnh bằng sự phân bố nhiệt ñộ của các chất theo không gian và thời gian.. - Sự phát tán chất ô nhiễm khôn

CHƯƠNG 4

SỰ PHÁT TÁN CHẤT THẢI VÀO KHÍ QUYỂN

4.1 SỰ BIẾN ðỔI CỦA CÁC CHẤT TRONG KHÍ QUYỂN

- Chất ô nhiễm sau khi thoát ra khỏi nguồn thải ñi vào khí quyển ở tầng xáo trộn (vài trăm mét tới 2000m)

- Trong quá trình vận chuyển trong khí quyển (quá trình phát tán các chất ô nhiễm trong khí quyển), các chất ô nhiễm có thể bị biến ñổi về lượng hoặc cũng có thể chuyển thành các chất khác là do các quá trình: pha loãng, sa lắng (sa lắng khô và sa lắng ướt), các chất phản ứng với nhau

- Quá trình pha loãng: chất ô nhiễm bị pha loãng bởi không khí sạch

- Quá trình sa lắng:

+ Sa lắng khô: là quá trình thanh lọc bằng cách hấp thu các chất ở bề mặt trái ñất nhờ thảm thực vật, hòa tan các chất trong nước mặt (sông , hồ, ao, nước biển)

+ Sa lắng ướt: là thanh lọc nhờ mưa hoặc thanh lọc trong mây.

CÁC PHẢN ỨNG TRONG KHÍ QUYỂN

- Phản ứng hóa học thông thường:

+ Phản ứng kết hợp

+ Phản ứng trao ñổi

+ Phản ứng oxi hóa-khử…

Các phản ứng có thể xảy ra ở các pha ñồng thể hoặc dị thể

- Phản ứng quang hóa trong khí quyển

4.2 PHÁT TÁN KHÍ THẢI VÀO KHÍ QUYỂN

- Mức ñộ ô nhiễm không khí tầng sát mặt ñất xác ñịnh bằng sự phân bố nhiệt ñộ của các chất theo không gian và thời gian Mà nó lại phụ thuộc vào quá trình phát tán của các chất ô nhiễm trong khí quyển

- Sự phát tán chất ô nhiễm không khí vào khí quyển là quá trình vật lý rất phức tạp, phụ thuộc vào các ñiều kiện sau:

+ Các hiện tượng biến ñổi chất trong khí quyển (như thành phần, tính chất và ñặc tính của chính chất thải)

+ ðiều kiện thời tiết, khí hậu: hướng gió, vận tốc gió, nhiệt ñộ, ñộ ẩm, mưa, các chỉ số trạng thái của khí quyển)

+ Yếu tố ñịa hình: ñịa hình bằng phẳng, gồ ghề, miền núi, ñồng bằng, thành phố, nông thôn… có

ý nghĩa lớn

+ Chiều cao ống khói, hình dạng và kích thước miệng ống khói; vận tốc dòng khí thải ở miệng ống khói, tải lượng thải, nhiệt ñộ khí thải…

Dự báo trạng thái phát tán của khí thải trong khí quyển là bài toán vô cùng phức tạp và việc giải nó càng khó hơn do các quá trình trong khí quyển không ổn ñịnh va có thể thay ñổi rất nhanh theo thời gian

4.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ðẾN SỰ PHÁT TÁN

4.3.1 NHIỆT ðỘ KHÔNG KHÍ

- Nhiệt ñộ không khí có ảnh hưởng trực tiếp ñến các qúa trình phát tán và chuyển hóa các chất ô nhiễm trong khí quyển

- Nhiệt ñộ không khí càng cao thì tốc ñộ phản ứng hóa học trong khí quyển càng lớn và thời gian lưu các chất ô nhiễm trong không khí càng nhỏ

- Hơn nữa nhiệt ñộ không khí còn ảnh hưởng ñến qúa trình bay hơi các dung môi hữu cơ, quá trình trao ñổi nhiệt và sức khỏe của người lao ñộng

4.3.2 ðỘ ẨM KHÔNG KHÍ

ðộ ẩm không khí có ảnh hưởng ñến qúa trình chuyển hóa các chất trong không khí Khi ñộ ẩm lớn các hạt bụi lơ lửng trong không khí có thể liên kết với nhau thành các hạt to hơn và rơi nhanh hơn xuống mặt ñất

ðộ ẩm lớn cũng tạo ñiều kiện cho các vi sinh vật phát triển, phát tán vào không khí và dễ bám vào các hạt bụi phát tán ñi xa, phát tán bệnh tật…

4.3.3 GIÓ

- Gió ảnh hưởng ñến quá trình lan truyền các chất trong khí quyển

- Khi Vgió lớn, khả năng lan truyền các chất ô nhiễm xa và có tác dụng pha loãng nhanh với không khí sạch

- Vgió phụ thuộc vào chênh lệch áp suất khí quyển Khi xây dựng nhà máy, cần phải có ñầy ñủ số liệu về tần suất gió, tốc ñộ gió theo từng hướng, từng mùa trong năm tại khu vực xây dựng công trình

- Khi Vgió nhỏ, ∆h tăng, nhưng cột khói giữ cấu trúc dày ñặc lâu hơn và khó lan truyền trong khí quyển

- Khi gió mạnh ∆h giảm xuống gần bằng không

- Tồn tại Vgió mà khi ñó nồng ñộ cực ñại của chất ô nhiễm tại mặt ñất do một nguồn thải ñạt giá trị lớn nhất và ñược gọi là Vgió nguy hiểm

C max

C max 2

C max 4

C max 1

C max 3

C max

C max 2

C max

C max 2

C max 4

C max 1

C max 3

4.3.4 ðỘ BỀN VỮNG KHÍ QUYỂN

(m/s) (biên ñộ >60) (biên ñộ 35-60) (biên ñộ 15-35) < 3/8 > 4/8

Ảnh hưởng của sự phân tầng nhiệt độ đến phát tán

Nhiệt Độ

Nhiệt Độ

Nhiệt Độ

N hiệt Độ

N hiệt Độ

N hiệt Độ

Ảnh hưởng của sự nghịch đảo nhiệt độ đến phát tán

4.3.5 ẢNH HƯỞNG CỦA ðỊA HÌNH KHƠNG BẰNG PHẲNG

- Bề mặt của địa hình ảnh hưởng đến tốc độ giĩ và hướng giĩ (giĩ đất và giĩ biển)

- Thơng thường, vào buổi sáng, khơng cĩ sự chênh lệch áp suất và do đĩ cũng khơng cĩ giĩ (hình 4.3a )

- Vào buổi chiều, lớp khơng khí trên bề mặt của vùng duyên hải nĩng hơn lớp khơng khí ở ngồi đại dương, do đĩ lớp khơng khí bên trên di chuyển ra phiá đại dương và lớp khơng khí bên dưới di chuyển từ ngồi đại dương vào, ta cĩ giĩ biển (hình 4.3b )

- Vào ban đêm, nhiệt độ lớp khơng khí sát mặt đất nguội đi nhanh chĩng và giĩ thổi theo chiều ngược lại,

ta cĩ giĩ đất (hình 4.3c)

- Với địa hình núi - thung lũng, trong một ngày lớp khơng khí gần sườn núi nĩng nhanh hơn lớp khơng khí

cĩ cùng độ cao so với mực nước biển nhưng ở xa núi hơn ðiều này gây ra một trường áp suất về phía núi

và khơng khí được đẩy về phía sườn núi tạo ra giĩ Vào buổi chiều thì ngược lại, giĩ từ sườn núi sẽ thổi về phía thung lũng Chùm khĩi phụt khỏi ống khĩi đặt trong thung lũng sẽ bị giữ lại trong thung lũng, nồng

độ chất ơ nhiễm tập trung cao hơn (hình 4.4)

4.3.6 ẢNH HƯỞNG CỦA NHÀ CAO TẦNG ðẾN PHÁT TÁN

- ðối với nhà có bề ngang hẹp, ñứng ñộc lập (b < 2,5h):

Hgh = 0,36.l + 2,5.h

- ðối với nhà có bề ngang rộng, ñứng ñộc lập (b≥ 2,5h):

Hgh = 0,36.l + 1,7.h

- ðối với nhóm nhà:

Hgh = 0,36.(l + x) + h

Với b: bề dài của nhà theo chiều gió thổi

h: chiều cao nhà

l: khoảng cách từ mép tường sau của nhà tới nguồn ô nhiễm

x: khoảng cách giữa hai nhà

Những nguồn gây ô nhiễm có chiều cao lớn hơn Hgh ñược gọi là nguồn cao, ngược lại gọi là nguồn thấp

4.4 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN Ô NHIỄM

4.4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN Ô NHIỄM

i j

i z

i y

i x i

i i

z

C D z y

C D y x

C D x x

C y

C v x

C u

C

+













∂

∂

∂

∂ +













∂

∂

∂

∂ +













∂

∂

∂

∂ +

∂

∂ ω

−

∂

∂

−

∂

∂

−

=

∂τ

∂

C - nồng ñộ chất ô nhiễm tại ñiểm có tọa ñộ (x,y,z)

τ - thời gian

U, v, ω - vận tốc gió theo hướng x, y, z

Dx, dy, dz - hệ số khuếch tán xoáy rối theo hướng trục x, y, z Trục x hướng theo hướng gió, trục

y hướng ngang vuông góc với hướng gió, trục z hướng từ dưới lên trên

α1: hệ số kể ñến sự bổ sung c.ô.n từ bên ngoài vào vệt khói

α2: hệ số kể ñến sự biến ñổi chất ô nhiễm do quá trình phản ứng hóa học của chất ô nhiễm trong quá trình di chuyển.

4.4.2 PHƯƠNG PHÁP GAUSS

- Xét một nguồn ô nhiễm là nguồn ñiểm, hệ tọa ñộ không gian ba chiều ñược gắn vào nguồn thải với: gốc tọa ñộ tại nguồn thải, trục x hướng theo chiều dài của vệt khói (chiều hướng gió), trục y vuông góc với hướng gió, trục z theo chiều thẳng ñứng

- ðể giải bài toán phát tán theo mô hình gauss, ta chấp nhận một số ñiều kiện như sau:

+ Lượng thải chất ô nhiễm do nguồn thải ra là hằng số theo thời gian, = 0

+ Tốc ñộ gió không ñổi theo thời gian và theo ñộ cao của vệt khói, u = const































−

2

y

y

2

1

exp

σ

+ Trong vệt khói không có bổ sung thêm chất ô nhiễm cũng như không có biến ñổi hóa học chuyển hóa thành các chất khác trong quá trình chất ô nhiễm di chuyển, α1=α2 = 0

+ ðịa hình bằng phẳng, không có vật cản, z = const

+ Xem phân bố nồng ñộ chất ô nhiễm theo hướng gió thì tốc ñộ gió chiếu trên trục y không có,tức

là v = 0, chất ô nhiễm là khí hoặc bụi nhẹ nên ω = 0

+ Sự phân bố nồng ñộ trên mặt cắt trực giao với trục gió theo phương ngang y và phương ñứng z

là tuân theo ñịnh luật phân phối (xác suất ) chuẩn gauss

+ Có sự phản xạ tuyệt ñối của bề mặt ñất ñối với luồng khói, tức là không có hiện tượng hấp thụ chất ô nhiễm











































 σ

+

− +



























 σ

−

−































 σ

− σ

πσ

=

2

z

2

z

2

y z

y H

i

H z 2

1 exp H

z 2

1 exp

y 2

1 exp u

2

Q )

z

,

y

,

x

(

C

Q: tải lượng chất ô nhiễm, g/s

σy,σz: ñộ lệch chuẩn theo hướng ngang và dọc, m

u

&& : vận tốc gió, m/s

Dy, Dz: hệ số khuếch tán trong pha khí

: Nồng ñộ chất ô nhiễm trên trục chính theo chiều gió

: ðộ lan truyền bên theo phương ngang

: ðộ lan truyền bên theo phương ñứng

NỒNG ðỘ CHẤT Ô NHIỄM TẠI MẶT ðẤT

Trong trường hợp Z = 0: CA(x,y,0)|H =

πσ σ

        

−     −   

       

2

1 exp

2

πσ σ

2D x y u

&

2D x z u

&

Q

u

πσ σ &

y z

Q u

πσ σ

Trong trường hợp Z = 0 VÀ Y = 0: CA(x,0,0)|H =

Trong trường hợp Z = 0, Y = 0, VÀ H = 0: C(x,0,0)|H =

- Trong quá trình tính toán, việc xác ñịnh hai thành phần σy, σz thông qua tính hệ số khuếch tán Dy, Dz theo lý thuyết truyền khối rất phức tạp, do ñó có thể tính σy, σz - theo công thức của martin (1976) như sau:

σy = a.x0.894 và σz = c.xd + f

Với các hệ số a, c, d, f tương ứng với mỗi cấp ổn ñịnh của khí quyển Lưu ý rằng khoảng cách x tới nguồn tính bằng km, các hệ số σy, σz tính bằng m

Các hệ số a,c ,d ,f theo martin, 1976

x ≤ 1 km x > 1 km

Cấp

ổn

ñịnh

a

A 213 440,8 1,941 9,27 459,7 2,094 -9,6

B 156 106,6 1,941 3,3 108,2 1,098 2,0

C 104 61,0 0,911 0,0 61,0 0,911 0,0

D 68 33,2 0,725 -1,7 44,5 0,516 -13,0

E 50,5 22,8 0,678 -1,3 55,4 0,305 -34,0

F 34 14,35 0,740 -0,35 62,6 0,180 -48,6

4.4.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

4.4.3.1 NGUỒN ðƠN

Nồng ñộ Cmax, (mg/m3) từ một nguồn thải ñơn trong ñiều kiện khí quyển bất lợi ñược xác ñịnh theo công thức:

A - hệ số phụ thuộc sự phân bố nhiệt ñộ theo chiều cao khí quyển, ñược chọn cho ñiều kiện khí tượng nguy hiểm Trong tính toán có thể nhận a = 200

Q - tải lượng ô nhiễm, g/s

H - chiều cao ống khói, m

V - lưu lượng khí thải, m3/s

max 2 3

AQFmn C

=

∆

∆t - hiệu nhiệt ñộ khí thải tkt và khí quyển tkk, C Nhiệt ñộ khí quyển, tkk, cần lấy cho tháng nóng nhất trong năm vào lúc 13h

F - hệ số không thứ nguyên tính ñến vận tốc lắng chất ô nhiễm trong khí quyển ñối với chất ô nhiễm ở thể khí: f = 1; ñối với bụi nếu hiệu quả xử lý ≥ 90% thì f=2, nếu hiệu quả xử lý < 90% thì f=2,5

m, n - các hệ số không thứ nguyên tính ñến ñiều kiện thoát khí thải từ cổ ống khói

m ñược xác ñịnh theo công thức sau:

m = (0,67 + 0,1Ưf + 0,34.3Ưf )-1 với f <=100

m = (1,47.3Ưf )-1 với f > 100

f =

ω0 - vận tốc thoát khí từ cổ ống khói, m/s

D - ñường kính cổ ống khói (m)

n = 0,532vm2 - 2,13 vm + 3,13 nếu 0,5≤ vm < 2

Với vm = 0,65

Vận tốc gió nguy hiểm Um là vận tốc gió mà khi ñó nồng ñộ chất ô nhiễm ở lớp khi quyển gần mặt ñất ñạt giá trị lớn nhất, ñược xác ñịnh theo như sau:

Với vận tốc gió nguy hiểm Um, nồng ñộ chất ô nhiễm ñạt cực ñại ở khoảng cách cách ống khói: Xm = d.H

Ơû ñây, d - hệ số không thứ nguyên, xác ñịnh theo Vm và F nhờ giản ñồ:

3 2 0 2

ω

∆

3V T H

∆

1.0

2.0

3.0

4.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0

10 15 20 25 30

Nếu vận tốc gió khác vận tốc gió nguy hiểm, nồng ñộ chất ô nhiễm cực ñại ñược tính theo công thức:

(Cm)u = r.Cm với r phụ thuộc tỉ lệ

Khi ñó, nồng ñộ cực ñại ở khoảng cách cách ống khói

(XM)u = P.XM

Sự phân bố nồng ñộ các chất ô nhiễm theo hướng gió ở các khoảng cách x khác nhau tính từ nguồn ñược xác ñịnh theo công thức:

C = S1Cm Với S1 - ñại lượng vô thứ nguyên ñược xác ñịnh theo tỉ lệ X/Xm

X/Xm 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50

S1 0,27 0,70 0,95 1,00 0,95 0,87 0,80 0,73 067 0,6

X/Xm 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50 4,75 5,00

S1 0,55 0,52 0,48 0,43 0,40 0,38 0,34 0,30 0,27 0,25

0

5

10

15

20

m

U U

Nồng ñộ chất ô nhiễm trong lớp khí quyển sát mặt ñất theo phương vuông góc chiều gió ở khoảng cách y ñược xác ñịnh theo công thức:

Cy = S2C

C - nồng ñộ chất ô nhiễm tại trục hướng gió

S2 - hệ số vô thứ nguyên xác ñịnh theo ñồ thị

ðồ thị xác ñịnh ñại lượng S1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

S2

Y/X

0 0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2

3 ' 2

V T m

AM Fmn C

H

∆

=

ðối với nguồn ô nhiễm ñơn (một ống khói trong khu sản xuất) chiều cao ống khói tối thiểu bảo ñảm nồng

ñộ trong khí quyển sát mặt ñất bằng giới hạn cho phép ñược xác ñịnh bằng công thức:

Với Ccp - nồng ñộ cho phép trong môi trường xung quanh, mg/m3 (TCVN 5938-1995)

Các ñại lượng m và n phụ thuộc H, vì vậy trong phép tính gần ñúng lần ñầu tiên cho m,n=1 Sau ñó theo công thức tính H, tiếp theo tính f bằng công thức rồi xác ñịnh lại m,n chính xác hơn Cuối cùng theo giá trị m,n tìm ñược ta xác ñịnh lại giá trị chính xác của H

Nếu từ một ống khói thải ra nhiều chất ô nhiễm không có ảnh hưởng cộng thì từ chiếu cao ống khói H ñược chọn theo giá trị lớn nhất khí tính cho từng chất ô nhiễm Nếu tác ñộng của chất thải từ ống khói ñược tổng cộng thì trong công thức cần thay Ccp bằng:

với k là số chất ô nhiễm

Ngoài ra, chiều cao ống khói phải vượt các nhà dân ở lân cận không dưới 2,5 lần

Giới hạn thải các chất ô nhiễm vào khí quyển cho phép, khi ñó nồng ñộ chất ô nhiễm ở lớp không khí gần mặt ñất không vượt quá tiêu chuẩn cho phép Ccp ñược xác ñịnh theo công thức:

Các công thức ñược tính trong trường hợp nồng ñộ phông của chất ô nhiễm bằng không nếu Cph ≠ 0 và Cph < Ccp thì trong các công thức phải thay Ccp bằng (Ccp - Cph)

Nồng ñộ chất ô nhiễm ñã có sẵn trong không khí (phông môi trường) do các nguyên nhân khác trước khi

có nguồn ô nhiễm mới Khi có nguồn ô nhiễm mới thì cần phải xác ñịnh mức ñộ xử lý cho nguồn ô nhiễm này ñể sao cho nồng ñộ trong môi trường xung quanh vẫn thỏa mãn tiêu chuẩn cho phép Nếu nồng ñộ phông gần hoặc bằng giới hạn cho phép thì bất kì nguồn thải nào ñều không ñược phép Bởi vì hiệu quả

xử lý 100% trong ñại ña số các trường hợp ñều không hiện thực (do hạn chế về mặt kinh tế và kỹ thuật) Trong các trường hợp này cách giải quyết ñúng ñắn nhất là giảm nồng ñộ phông bằng các biện pháp xử lý tại các nguồn ô nhiễm ñang hoạt ñộng hoặc phải chọn khu vực khác.

4.4.3.2 TÍNH PHÁT TÁN Ô NHIỄM CHO NGUỒN GỒM NHIỀU ỐNG KHÓI

1) Các ống khói ñược bố trí gần nhau và khoảng cách giữa các ống khói ngoài cùng không vượt quá 4 lần chiều cao ống khói trung bình Trường hợp này có thể cho rằng các nguồn thải tập trung vào một ñiểm trung tâm, diện tích bố trí các nguồn

Ngoài ra, nếu khí thải phân bố ñều cho các ống khói và ống khói có cùng chiều cao, cùng ñường kính thì nồng ñộ tối ña tổng cộng của chất ô nhiễm trong lớp gần mặt ñất có thể tính theo công thức:

3

cp

AMFmn H

=

∆

( )

1 1

1

k cpi i

C

−

−

=

2 3 .

cp cp

C

AFmn

∆

=

Với M’ - tổng tải lượng ô nhiễm, g/s

V’ - tổng lưu lượng thể tích khí thải, m3/s

N - số nguồn thải (số ống khói)

Vận tốc gió nguy hiểm um trong trường hợp này ñược tính theo tham số

2) Các nguồn thải không thể ñưa vào một ñiểm ðây là trường hợp tổng quát ñặc trưng cho diện tích rộng Việc tính Cm ñược tiến hành cho các tọa ñộ mạng lưới ñặc trưng của tất cả mọi nguồn thải Khối lượng công việc rất lớn nên thuận lợi nhất là áp dụng máy vi tính ñể tính toán.

4.4.3.3 TÍNH PHÂN BỐ CHẤT Ô NHIỄM DO CÁC NGUỒN ðIỂM CÓ ðỘ CAO THẤP

Các phương pháp tính toán trình bày ở trên ñược áp dụng cho các nguồn ñiểm cao Những nguồn ñiểm thấp khi phát tán gặp các công trình nhà cửa sẽ làm thay ñổi trường vận tốc của luồng không khí mang chất ô nhiễm Ở phía sau công trình, vận tốc của dòng không khí giảm xuống và tạo một vùng gió quẩn (còn gọi là bóng khí ñộng) làm loãng không khí và tạo ra vùng có áp lực âm Nồng ñộ chất ô nhiễm trong không khí ñằng sau công trình khi gió thổi vuông góc với công trình có bề ngang rộng và hẹp rất khác nhau ðối với nhà có bề ngang hẹp thì bóng khí ñộng trên mái và sau nhà nối liền nhau thành một vùng quẩn chung với chiều rộng bằng khoảng 6 lần chiều cao công trình (6H) và chiều cao bằng 1,8H Nếu nhà

có chiều ngang rộng thì có vùng khí ñộng trên mái tách riêng với chiều dài 2,5H và chiều cao xấp xỉ 1H.

Khi gió thổi vào giữa hai dãy nhà thì cũng sinh ra vùng gió quẩn Nếu dãy nhà phía ñầu gió có chiều ngang hẹp thì chiều rộng vùng gió quẩn bằng khoảng 8H Khi khoảng cách công trình lớn hơn 10H thì có thể xem chúng như những dãy nhà ñộc lập riêng rẽ Những nguồn ô nhiễm thấp sẽ gây ô nhiễm trầm trọng ñối với các vùng gió quẩn này

Chiều cao giới hạn của các nguồn ô nhiễm có ảnh hưởng với vùng khí ñộng ñược xác ñịnh theo công thức sau:

ðối với nhà có bề ngang hẹp, ñứng ñộc lập (B < 2,5H):

Hgh = 0,36.L + 2,5.H

ðối với nhà có bề ngang rộng, ñứng ñộc lập (B≥ 2,5H):

Hgh = 0,36.L + 1,7.H

ðối với nhóm nhà:

Hgh = 0,36.(L + x) + H

Với B: bề dài của nhà theo chiều gió thổi

H: chiều cao nhà

L: khoảng cách từ mép tường sau của nhà tới nguồn ô nhiễm

x: khoảng cách giữa hai nhà Nếu khoảng cách giữa hai nhà x ≤ 8H nếu nhà ñầu gió rộng và x ≤ 10H nếu nhà ñầu gió hẹp thì phải tính chúng là cụm công trình Những khoảng cách xa hơn thì xem như nhà ñộc lập

3 '

0, 65

m

u

NH

∆

=