Предельно допустимые выбросы

Вредные вещества, попадающие в атмосферу из различных источников, рассеиваются, разносятся в ней воздушными вихря­ми. При этом начальные концентрации вредных веществ могут снизиться до нормы. Рассеивание вредных веществ в атмосфере, таким образом, является одним из простых и давно применяемых способов защиты воздушного бассейна региона (строительство дымовых труб, вентиляционных шахт и др.). Однако возможности метода рассеивания ограничены, а по мере загрязнения атмос­феры, наложения эффектов рассеивания от других регионов эти возможности год от года сокращаются. К тому же метод рассеи­вания приводит к загрязнению вредными веществами больших территорий. Поэтому он может рассматриваться только как вы­нужденный, как дополняющий основные методы защиты атмосфер­ного воздуха.

Интенсивность атмосферной турбулентности и тесно свя­занная с ней интенсивность диффузии вредного вещества в ат­мосфере определяется в основном двумя факторами: вектором скорости ветра и вертикальным температурным градиентом. От первого фактора в основном зависит горизонтальное перемещение масс воздуха в атмосфере, а от второго- вертикальное их перемещение, перемешивание.

 

Температурный градиент, характеризующий изменение темпе­ратуры воздуха по вертикали, зависит от степени нагретости поверхности земли и прилегающего к ней сдоя воздуха. Чем сильнее нагрета земля, тем интенсивнее перемешивается воздух. Если нагретый воздух при подъеме расширяется адиабатически (без обмена теплом с окружающим воздухом), то температура его снижается примерно на I ⁰С на каждые 100 м высоты. Эта вели­чина принимается за адиабатический градиент температуры. При различных метеоусловиях температурный градиент может быть равен, больше или меньше адиабатического градиента температу­ры. При вертикальном градиенте температуры, равном адиабати­ческому, поднимающийся снизу объем воздуха будет обладать теми же свойствами, что и окружающие массы воздуха, и не бу­дет иметь дополнительного ускорения. Такое состояние атмос­феры называется безразличным (нейтральным).

Если температура окружающего воздуха понижается с высо­той так, что ее вертикальный градиент больше адиабатического, что бывает при сильно нагретой земле, то движущийся снизу объем воздуха будет получать ускорение, нагретые слои возду­ха будут подниматься выше, вытесняя вниз холодные слои. Такие неустойчивые (конвективные) условия характеризуются интенсивным вертикальным перемешиванием воздуха.

Если вертикальный градиент температуры воздуха близок к нулю или отрицателен, то вертикально поднимающийся объем воз­духа будет холоднее окружающих масс, и его движение замедлится. При этих условиях (устойчивых, инверсионных) воздушные массы перемешиваются_слабо.

Три вида устойчивости принято делить на семь классов: сильная неустойчивость. умеренная неустойчивость, слабая не­устойчивость, безразличное состояние, слабая устойчивость, умеренная устойчивость, сильная устойчивость.

В условиях каждого отдельного класса устойчивости харак­тер рассеивания вредных веществ имеет свои особенности. Вполне определенный вид имеет при этом и струя дыма, по которой можно судить о термодинамическом состоянии нижних слоев тропосферы. При неустойчивых условиях (теплое время года, ясная погода) струя дыма имеет волнообразный, разбросанный харак­тер (рис.3,а). Максимальная приземная концентрация сравни­тельно велика и находится недалеко от источника. Когда гра­диент температуры близок к адиабатическому (безразличное со­стояние), наблюдается так называемая конусообразная струя (рис. 3,б). Максимальная концентрация в этом случае меньше, а расстояние до максимума приземной концентрации больше.

В условиях устойчивой стратификации (рис. 3,в) струя имеет веерообразную форму, и распространяется горизонтально. Загрязняющие вещества относятся на достаточно большие расстоя­ния от источника. Этот случай неблагоприятен, если выброс осу­ществляется из низкого (наземного) источника или труба ниже рядом расположенных зданий. В большинстве случаев устойчивая стратификация не считается неблагоприятной,

Если верхняя граница инверсии ниже устья источника вы­броса, то создаются достаточно благоприятные условия. Инвер­сионный слой становится преградой для переноса вредных ве­ществ к земной поверхности (рис. 3,г).

Если граница инверсии выше устья источника, то она об­разует «крышу» и препятствует распространению вредного ве­щества вверх. Эта наиболее неблагоприятная ситуация сопро­вождается значительным повышением концентраций вредных веществ в приземном слое (рис. 3,д).

Для низких (наземных) источников особо опасными метео­условиями является сочетание приземной инверсии и приземного штиля, а для высоких источников - сочетание приподнятой ин­версии, начинающейся на высоте выброса, и малой скорости ветра,

Наблюдения показывают, что туман в слое перемешивания существенно ухудшает условия рассеивания. Туман как бы акку­мулирует примесь из весьма протяженного по высоте слоя, что заметно увеличивает загрязнение воздуха вблизи подстилающей поверхности.

 

Рис.3. Различные типы дымовых струй в атмосфере.

1 и 2 – адиабатический и наблюдаемый градиенты температуры; Н – высота; Т – температура; L – расстояние от источника выброса

 

 

Содержание выбрасываемого вредного вещества в атмосфере наряду с рассеивающими свойствами атмосферы зависит также и от ряда других факторов: рельефа местности, условий истече­ния пылегазовых струй из источников выбросов, процесса осаж­дения частичек под действием гравитационных сил, вымывания вредностей осадками и др.

Весьма существенно влияние рельефа местности в случае, когда его сложные формы резко изменяют турбулентный режим воздушных потоков, приводят к возникновению местных циркуляции, застойных зон и т.д. При истечении струи ив дымовых труб важными являются значения скорости и температуры струи. Общая высота выброса струи (эффективная высота трубы)

(3)

 

 

где Н - геометрическая высота трубы, м;

∆Н - высота подъе­ма струи над трубой из-за инерции движения и нагрева струи, по эмпирической формуле П.И.Андреева

D - диаметр устья трубы, м;

w₁ -действительная скорость газа в устье, м/с;

u₁ - скорость ветра на высоте трубы, м/с,

u_M - скорость ветра «на уровне флюгера» (10 м), обычно u_M=4-6 м/с; - коэффициент, учитывающий измене­ние ветра с высотой.

 

В зависимости от высоты коэффициент принимает сле­дующие значения:

 

H, м
	1,0	1,15	1,30	1,40	1,46	1,50	1,54	1,57	1,60	1,63	1,65

 

 

Процесс вымывания частиц пыли и газов заключается в за­хвате примесей элементами осадков. Сам процесс вымывания осадками представляется экспоненциальным законом

где q - количество вымытых примесей; q₀ - начальное количество примесей; λ - коэффициент вымывания примеси, с^-1 , λ=5(10^-6-10^-5) c^-1 , среднее значение 10^-5 с^-1; t - время, с.

 

Сложность и неупорядоченность турбулентного движения воздушных потоков, переносящих и рассеивающих поступающие в ат­мосферу вредности, не позволяют пока дать строгое математическое описание турбулентного переноса, а следовательно, и решить аналитически задачу определения загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха вредными веществами. Однако, разра­ботаны приближенные методы расчета рассеивания примесей в ат­мосфере, о помощью которых находят их максимальные приземные концентрации.

В навей стране на основе практической проверки приближен­ных методов приняты разработанные Главной геофизической обсер­ваторией им. А.И.Воейкова (ГГО) «Указания по расчету рассеива­ния в атмосфере вредных веществ, содержащихся и выбросах пред­приятий CH-396-74» (М., изд.ГГО, 1975), утвержденные Госстроем СССР и согласованные с Минздравом СССР. Предложенная ГГО мето­дика позволяет рассчитать поле концентраций примеси у земли при выбросе из одиночного источника, группы источников, при нагретых и холодных выбросах, выбросах через аэрационные фона­ри, а также учесть одновременно действие разнородных источни­ков и оценить суммарное загрязнение атмосферы от промышленных комплексов. Степень опасности загрязнения приземного слоя ат­мосферного воздуха выбросами вредных веществ определяется по наибольшему рассчитанному значению приземной концентрации вредных веществ С_м на некотором расстоянии от места выбро­са, соответствующем наиболее неблагоприятным метеоусловиям (скорость ветра достигает опасного значения u_M): с учетом эффекта суммации С_м ≤ПДК .

Согласно методике ГГО, в зависимости от типа источника и его особенностей для расчета приземной концентрации вредных веществ используются следующие эмпирические зависимости.

А. Для одиночного (точечного) нагретого источника с круг­лым устьем

 

(4)

 

где А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонталь­ного рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе, А=120-240 в зависимости от географического района; М - ко­личество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу и оп­ределяемое технологическим расчетом, г/с; F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе, для газообразных вредных веществ и мелко­дисперсных аэрозолей F=1, для пыли и золы при ŋ > 90 % F=2, при ŋ= 75-90 % F= 2,5, при ŋ= 75% F = 3, ŋ - КПД пылеуловителя; m и n - безразмерные коэффициенты, учи­тывавшие условия выхода газовоздушной смеси из устья источни­ка выброса; Н - высота источника выброса над уровнем земли, м; V₁ - объем газовоздушной смеси, определяемый технологиче­ским расчетом, м^а/c; ∆Т - разность между температурой вы­брасываемой газовоздушной смеси Т_Г и температурой окружающе­го атмосферного воздуха Т_В (температура в 13 ч наиболее жар­кого меояца года).

 

Коэффициент

где

w- средняя скорость в устье источ­ника выброса, м/с; D - диаметр устья, м.

Значение n зависит от параметра

при v_M ≤0,3 п= 3;

при 0,3 < v_M ≤2

при v_M>2 n=1

Концентрация C_M достигается на оси факела выброса (по направление среднего за рассматриваемый период ветра) на рас­стоянии х_М =dH (здесь d - безразмерный коэффициент) от источника выброса.

Коэффициент

при v_M≤2

при v_M>2

При F≥2 .

Опасная скорость ветра на уровне флюгера, при которой до­стигается C_M , u_M = 0,5 m/c при

v_M ≤0,5; u_M = v_M при 0,5< v_M ≤2; при v_M > 2.

Методика включает зависимости и графики, позволяющие определять максимальные приземные концентрации вредных веществ С_ми при неблагоприятных метеоусловиях и скоростях ветра, определять расстояния х_ми, где эти концентрации до­стигаются, а также приземные концентрации вредных веществ на различных расстояниях от источника выбросе по оси факела и по направлению, перпендикулярному оси факела (расчет поля концентраций примеси).

Б. Для одиночного источника с круглым устьем и холодными выбросами

(5)

где , n- коэффициент, зависящий от параметра .

В. Для источников выбросов с прямоугольным устьем ис­пользуются формулы (4) и (5) при D , равном эффективному диа­метру устья (здесь l и b - длина и ши­рина устья, м) и V₁, равном эффективному объему выходящей в атмосферу газовоздушной смеси

Г. При рассеивании выбросов из аэрационного фонаря рас­считывается концентрация вещества в точке, расположенной на расстоянии х от центра аэрационного фонаря длиной L. Независимо от направления ветра фонарь разбивается па N одинаковых участков, каждый из которых заменяется одиночным источником, для которого . За высоту источника выброса прини­мается высота верхней кромки фонаря или его ветроотбойных щи­тов (при наличии последних.) над уровнем земли.

Д. При рассеивании выбросов из группы источников призем­ная концентрация вредного вещества в любой точке местности

(6)

С₁, С₂…C_N - концентрации вредных веществ, выбрасы­ваемых 1-м, 2-м, ..., N-м источниками, мг/м³.

Затем рассчитывается рассеивание вредных веществ для одинаковых и инородных близкорасположенных источников, включая многоствольные трубы; для источников, имеющих суще­ственно равные параметры выбросов и т.д. Наличие фоновой концентрации примеси в регионе требует, чтобы С_М≤ПДК - С_ф, где С_ф - фоновая концентрация, мг/м³.

При расчетах рассеивания выбросов промышленных предприя­тий, когда источники выбросов разнообразны по типу и парамет­рам, их количество достигает нескольких десятков и сотен, используется вычислительная техника. Программы для этих рас­четов составляются на базе методики ГГО,

При расчетах приземных концентраций вредных примесей также важно учитывать наличие источников небольшой высоты; выбросных шахт, низких аэрационных фонарей, дефлекторов, В мо­нографии [12] дан анализ методов расчета, позволяющих опреде­лять степень загрязнения воздуха на промышленных площадках и прилегающих территориях.

где

Как показывают исследования, при обтекании промыш­ленных зданий вет­ром возникают плохо проветриваемые цир­куляционные зоны, называемые зонами аэродинамической тени (рис.4). Раз­меры этих зон в зависимости от типа зданий и их взаим­ного расположения

Рис.4. Зоны аэродинамической тени для «узкого» (а) и «широкого» (б) зданий.

 

(расстояния между зданиями) установлены моделированием и на­турными исследованиями. Зоны аэродинамической тени сущест­венно затрудняют рассеивание вредных веществ, и все источники, выбросы которых попадают в эти зоны, следует относить к низким источникам.

Расчетные формулы [12] для различных вариантов располо­жения низких источников позволяют оценить уровень загрязнения вредными веществами приземного слоя. Разработаны также реко­мендации по целесообразному расположению источников выбро­сов вредных веществ с учетом наличия зон аэродинамической те­ни у зданий и между корпусами зданий.

В некоторых случаях весьма заметными могут стать загрязнения от вредных выбросов автотранспорта. Величину этих выбросов можно определять по общему количеству сжигаемого топлива или количеству автомашин и их среднесуточному пробегу с учетом основных норм расхода горючего. При расчетах используются экспериментально установленные коэффициенты, определяющие ко­личество основных вредных примесей, выбрасываемых транспортом (Руководство по контролю загрязнения атмосферы / Отв. ред. М.Е.Берлянд, Г.И.Сидоренко. Л., Гидрометеоиздат, 1979):

 

Вредные вещества	Окись углерода	Углеводороды	Двуокись азота
Бензин	0,6	0,1	0,04
Дизельное топливо	0,1	0,03	0,04

 

Количество вредных веществ (в тоннах) равно произведению расхода топлива на указанный коэффициент.

Рассматривая проблему загрязнения атмосферы вредными ве­ществами, мы уже отмечали необходимость ограничения не только концентраций вредных веществ в приземном слое атмосферы, но и абсолютного массового выброса этих веществ. С 1 января 1980 г. в СССР введен в действие ГОСТ 17.2.3.02-78, регламентирующий правила установления предельных допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ промышленными предприятиями. Общим требованием является установление такой величины выбросов от данного источника (группы источников) предприятия, которая бы в сово­купности с выбросами других источников региона (города, про­мышленного комплекса и т.д.) и с учетом перспективы развития данного региона и рассеивания вредных веществ не создавала приземных концентраций, больших ПДК. Проведенная в последние годы инвентаризация всех источников выбросов предприятий под­готовила необходимую базу для организации работы по установ­лению ПДВ, которая в настоящее время активно ведется. Уста­новление ПДВ как количества вредных веществ, которое не разрешается превышать при выбросе в атмосферу в единицу вре­мени, производят на основе утвержденных Госстроем СССР мето­дов расчета ПДВ в атмосферу.

Если концентрации вредных веществ в воздухе региона (го­рода, промышленного центра) превышают ПДК, а значения ПДВ по причинам объективного характера сразу не могут быть достигнуты, вводится поэтапное снижение вредных выбросов. На каждом этапе до обеспечения величин ПДВ устанавливают временно со­гласованные выбросы вредных веществ (ВСВ) на уровне выбросов предприятий с наилучшей технологией производства, аналогичных по мощности и технологическим процессам.

Материалы по установлению ПДВ (ВСВ) согласовываются с территориальными органами санитарного надзора и Госкомитета по гидрометеорологии и контролю природной среды СССР и утверждаются соответствующими министерствами и ведомствами. ПДВ (ВСВ) устанавливают для каждого источника загрязнения ат­мосферы. Для неорганизованных выбросов и совокупности мелких одиночных источников (вентиляционные выбросы, транспортировка материалов, пылящие отвали и др.) определяют суммарный ПДВ (ВСВ). В результате суммирования ПДВ (ВСВ) отдельных источни­ков загрязнения атмосферы устанавливают значения ПДВ (ВСВ) для предприятий и комплексов в целом. Просмотр ПДВ (ВСВ) проводится не реже одного раза в пять лет.

Работы по установлении ПДВ (ВСВ) проводят в следующей последовательности, Головная организация данного региона оп­ределяет участников работ, составляет карту-схему (промышлен­ного комплекса, города), на которой должны быть отмечены все промышленные площадки, здания и сооружения, источники выбро­сов, населенные пункты, санитарные охранные зоны, леса, реки и водоемы, сельскохозяйственные угодья и т.д. Составляются также подробные характеристики всех объектов (размеры зданий, их взаимоположение и др.), среднегодовая роза ветров по восьми румбам, определяются фоновые концентрации вредных ве­ществ. На основе данных по воем выбросам (инвентаризация выбросов) рассчитываются аэродинамические тени зданий и соору­жений и строятся зоны аэродинамических теней. Учитываются и неорганизованные выбросы. В соответствии с классификацией источников выбросов рассчитывают ПДВ вредных веществ для каж­дого источника.

Головная организация города (региона) по установлению ПДВ (ВСВ) проводит окончательные расчеты загрязнения атмос­феры от всех действующих и строящихся предприятий и объектов, а также устанавливает ПДВ (ВСВ) для каждого предприятия, ис­точника и вредного вещества с учетом реальных вкладов пред­приятий и объектов в загрязнение атмосферы.

Головная организация разрабатывает также комплексный план мероприятий, направленных на снижение загрязнения ат­мосферы вредными веществами в целом по региону, обобщает ре­зультаты контроля и расчетов загрязнения атмосферы и соответ­ствующим образом оформляет эти результаты.

Накопленный в нашей охране опыт расчетов ПДВ вредных ве­ществ [8] основывается в частности на использовании метео­рологического коэффициента разбавления показывающего, в каком объеме воздуха должна быть разбавлена выбрасываемая источником в единицу времени примесь. Этот коэффициент свя­зывает выброс химического вещества М и концентрацию этого вещества в атмосфере с простой зависимостью: .

При разработке методов нормирования выбросов вредных ве­ществ в атмосферу целесообразно использовать для расчета ми­нимальные значения k_p, проверенные на большом фактическом материале расчетов рассеивания вредных выбросов по методике ГГО.

Сегодня расчеты ПДВ (ВСВ) вредных веществ проводятся на основе разработанной ГГО им.А.И.Воейкова «Временной методики нормирования промышленных выбросов в атмосферу (расчет и по­рядок разработки нормативов предельно-допустимых выбросов)» (М., изд. Госкомгидромета, 1981). Для проведения всего комплекса, работ по установлению ПДВ в той или иной отрасли про­мышленности дополнительно попользуются отраслевые инструкции.

Расчет ПДВ для нагретых газов из высоких одиночных ис­точников предлагается вести по формуле

(7)

Сравнивая эту формулу с (4), увидим, что в ней, соглас­но определению ПДВ, вместо М используется значение ПДВ, а вместо С_м - разность ПДК- С_ф . Введен также безразмерный коэффициент ŋ_р, учитывающий влияние рельефа местности на рассеивание вредностей и определяемый по эмпирическим зави­симостям для отдельных изолированных препятствий. В сложных случаях целесообразно обращаться непосредственно в ГГО.

Методика ГГО дает также схемы расчета ПДВ (ВСВ) для дру­гих случаев (холодные выбросы, группа близкорасположенных одинаковых источников и др.).

Поскольку нормирование выбросов вредных веществ произ­водится по расчетам загрязнения атмосферы, для установления значений ПДВ (ВСВ) широко используется вычислительная техника.