Известны три механизма рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере:
· молекулярная диффузия;
· конвективная диффузия;
· турбулентная диффузия.
Строго говоря, между двумя последними не существует большой разницы. В обоих случаях вещество переносится движением более или менее крупных элементов жидкости или газа.
Молекулярная диффузия – это самостоятельный вид переноса массы, где все процессы протекают на молекулярном уровне. Такой перенос массы проявляется только на очень малых расстояниях. Поэтому молекулярная диффузия не представляет интереса для описания переноса веществ от источников на расстояния.
Даже при слабом ветре доминирует турбулентное движение и турбулентная диффузия загрязняющих веществ. Таким образом, 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. Скорость ветра классифицируется с помощью шкалы Бофорта. При климатологической обработке наблюдений над ветром можно для каждого пункта построить диаграмму, представляющую распределение повторяемости направлений ветра по основным румбам, в виде так называемой розы ветров.
Вертикальное перемещение определяется распределением температур в вертикальном направлении. На рисунке показано распределение концентрации вредных веществ в атмосфере над факелом организованного высокого источника выброса. По мере удаления от трубы в направлении распространения промышленных выбросов можно условно выделить три зоны загрязнения атмосферы:
· переброс факела выбросов (зона переноса факела), характеризующийся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы;
· задымление с максимальным содержанием вредных веществ;
· зона постепенного снижения уровня загрязнения.
Зона задымления является наиболее опасной для населения и должна быть исключена из селитебной застройки. Размеры этой зоны в зависимости от метеорологических условии находятся в пределах 10-49 высот трубы.
Рис. 1. Распределение концентрации вредных веществ в атмосфере от организованного высокого источника выбросов
Максимальная концентрация прямо пропорциональна производительности источника и обратно пропорциональна квадрату его высоты над землей. Подъем горячих струй почти полностью обусловлен подъемной силой газов, имеющих более высокую температуру, чем окружающий воздух. Повышение температуры и момента количества движения, выбрасываемых газов приводит к увеличению подъемной силы и снижению их приземной концентрации.
При выбросах через высокие трубы или при факельном выбросе в условиях безветрия рассеивание вредных веществ происходит, главным образом, под действием вертикальных потоков.
В ночное время преобладающим является тепловое излучение поверхности Земли, которое приводит к охлаждению поверхности и прилегающего к ней слоя воздуха. Это способствует успокоению воздушных течений. Утром поверхностный слой прогревается быстрее, чем более верхние слои, и вновь появляется турбулентность. В дневное время приток тепла от солнца может стать причиной инверсии, которая в свою очередь будет влиять на рассеивание примесей.
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 струй вблизи от горловины трубы, скорость выбрасываемого газа wг должна вдвое превышать опасную скорость ветра на уровне горловины трубы.
Распространение газообразных примесей и пылевых частиц диаметром менее 10мкм, 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.
В зависимости от расположения и организации выбросов источники загрязнения воздушного пространства подразделяют на: затененные и не затененные, линейные и точечные.
Точечные источники используют, когда удаляемые загрязнения сосредоточены в одном месте. К ним относят выбросные трубы, шахты, крышные вентиляторы и другие, близко расположенные источники. Выделяющиеся из них вредные вещества при рассеивании в циркуляционной зоне не накладываются одно на другое на расстоянии двух высот здания (с заветренной стороны).
Линейные источники имеют значительную протяженность в направлении, перпендикулярном к ветру. Это аэрационные фонари, открытые окна, близко расположенные вытяжные шахты и крышные вентиляторы.
Незатененные, или высокие источники свободно расположены в недеформированном потоке ветра. К ним относят высокие трубы, а также точечные источники, удаляющие загрязнения па высоту, превышающую 2,5
Затененные, или низкие, источники расположены в зоне подпора или аэродинамической тени, образующейся на здании или за ним (в результате обдувания его ветром) на высоте h < 2.5.
Промышленные (или другие) здания влияют на рассеивание загрязняющих веществ. У стен образуются зоны с замедленными скоростями ветра – «ветровые тени». Загрязняющие вещества скапливаются в «ветровых тенях», если трубы невысоки по отношению к зданиям. Это влияние следует учитывать если:
· здание близко расположено к источнику загрязнения;
· высота источника меньше высоты ветровой тени;
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.
с∑=(ст+сф)<ПДК
где ст - максимальная концентрация загрязняющих веществ в приземном воздухе, создаваемая источниками выбросов, мг/м3; сф - фоновая концентрация одинаковых или вредных однонаправленных веществ, характерная для данной местности (принимается по справке органов санитарно-эпидемиологической службы), мг/.м.
НМУ. Во избежание повышения уровня загрязнения атмосферы при неблагоприятных метеорологических условиях последние необходимо прогнозировать и учитывать. В настоящее время установлены факторы, определяющие изменение концентраций загрязняющих веществ при нму.
К нму относят следующие причины:
- для высоких нагретых источников: высота слоя перемешивания менее 500 м;
скорость ветра на высоте источника близка к опасной скорости ветра; наличие тумана при скорости ветра более 20м/с.
- для высоких источников с холодными выбросами: наличие тумана и штиль.
-для низких источников: штиль и приземная инверсия.