Инструментальный метод расчета выбросов ЗВ в атмосферу основан на аналитическом определении концентраций Сi [мг/м3] ЗВ в газоходах и трубах с последующим определением массового выброса М (т/год) ЗВ по формуле:
, (1.10)
где 
– средняя концентрация ЗВ за расчетный период времени, мг/нм3;
Vн – объем выбрасываемой газовоздушной смеси, нм3/с (тыс. нм3/час);
t – время, в течение которого выбрасывается ЗВ, с (час).
Средняя концентрация определяется как среднее арифметическое концентраций, полученных экспериментально лабораторией для данного ЗВ в контролируемом источнике выброса за расчетное время, как правило, год.
, (1.11)
где – концентрация 1-го вещества в газоходе, мг/нм3. Осреднение концентрации ЗВ по сечению газохода обеспечивается правилами отбора проб.
n – количество проб.
Объем выбрасываемой газовоздушной смеси Vн определяется либо в ходе отбора проб аэродинамическими испытаниями, либо принимается паспортная характеристика, ежегодно проверяемая службой наладки предприятия (например, вентиляционной службой).
ПРИМЕР 1.2
Из точечного источника выброса непрерывно осуществляется выброс хлористого водорода. Измеренные в течение года концентрации в газоходе после очистки равны [мг/нм3]: 1,7; 2,4; 0,8; 3,5; 5,2; 0,3; 2,1; 2,9. Производительность вентилятора 30 тыс. нм3 в час.
Найти годовой и максимальный секундный выбросы хлористого водорода. Количество рабочих дней в течение года - 200.
РЕШЕНИЕ
1. Находим годовой выброс НСl:
,
,
,
.
2. Находим максимальный секундный выброс по максимальному значению сi:
.
ЗАДАНИЕ 1.2
1. Найти годовой валовый выброс загрязняющего вещества, выбрасываемого в атмосферу.
2. Найти максимальный секундный выброс загрязняющего вещества.
Исходные данные по вариантам в приложении 4.
1.1.2 Классификация источников выбросов ЗВ в атмосферу и предприятий по степени воздействия на атмосферный воздух
По степени воздействия на атмосферный воздух источники выбросов подразделяются на 6 классов: 1А-5 (по степени убывания). Отнесение того или иного: источника выброса к определенному классу производится через расчет параметров R и ТПВ.
Параметр разбавления R приближенно показывает, во сколько раз для заданного отношения D/H (где D — диаметр устья источника, Н — высота, м) нужно разбавить чистым воздухом выбрасываемую газовоздушную смесь для того, чтобы концентрация примеси в ней стала равной ПДКм.р..
i – в-во; j - источник (1.12)
Параметр требуемого потребления воздуха (ТПВ) показывает расход чистого воздуха, который требуется для разбавления выбросов до концентраций, соответствующих предельно допустимым.
, (1.13)
где Мji – количество i-го вещества, выбрасываемого j-м источником, г/с;
ПДКiм.р . – максимально разовая ПДК, мг/м3 (по справочнику), в случае отсутствия
ПДКм.р. вместо нее принимается ПДКс.с. или ориентировочный безопасный уровень воздействия (ОБУВ);
Dj – диаметр устья источника, м;
Нj – высота источника над уровнем земли, м;
Cji – концентрация i-го вещества в устье источника, мг/м3.
, (1.14)
где Vj — объем выбрасываемой из источника газовоздушной смеси, м3/с.
Расчетные параметры Rji и ТПВji сравнивают с таблицей 1.4 и определяют класс источника выброса. В случае, когда из источника выбрасывается несколько ЗВ, класс источника определяется по наименьшему значению.
Таблица 1.4
Классификация источников выбросов ЗВ по степени воздействия
на загрязнение воздушного бассейна
| R | ТПВ, м3/сек | ||||
| >102 | 104 – 105 | 103 – 104 | 102 – 103 | <102 | |
| >1000 | IA | I | II | III | III |
| 100-1000 | I | II | II | III | III |
| 50-100 | II | II | III | III | IV |
| 5-50 | II | III | III | IV | IV |
| <5 | III | III | IV | IV | V |
Определение класса предприятия по степени его воздействия на атмосферный воздух производится через расчет параметра П (м3/с):
. (1.15)
Расчетный параметр Пi сравнивается с табличным (таблица 1.5) и устанавливается класс предприятия. В случае, когда предприятием выбрасывается несколько ЗВ, класс предприятия определяется по веществу, имеющему максимальное значение Пi.
Таблица 1.5
Классификация предприятий по степени воздействия на загрязнение
воздушного бассейна
| Значение параметра П, м3/с | |||
| >108 | 108 … 106 | 106 … 5.104 | <5.104 |
| Класс предприятия | |||
| I | II | III | IV |
ПРИМЕР 1.3
Определить:
1. К какому классу по степени воздействия на атмосферный воздух относятся источники (таблица 1.6).
2. К какому классу по степени воздействия на атмосферный воздух относится предприятие, имеющее источники загрязнения с параметрами согласно таблице 1.6.
Таблица 1.6
Исходные данные для примера
| № ист. | Н, м | D, м | Масса М, г/с | V, м3/с в устье ист. | Выбрасываемые ЗВ |
| 1. | 1,3 | 17,5 | 7,1 | SO2 | |
| 2. | 4,2 | 12,02 25,3 | 101,7 | SO2 NO2 | |
| 3. | 0,5 | 0,6 | 0,072 | Пыль (ТВЧ) |
РЕШЕНИЕ
1. Определяем параметры Rji и ТПВji для всех источников выбросов веществ.
По ист. № 1.
,
По таблице 1.4 находим: источник относится ко II классу.
По ист. № 2.
,
,
.
По таблице 1.4 находим: источник № 2 относится: по сернистому ангидриду — к III классу, по двуокиси азота - ко II классу.
Класс источника определяется по наиболее жесткому значению – II класс.
По ист. № 3.
,
.
Источник относится ко II классу.
2. Находим класс предприятия через расчет параметра П
,
,
.
Класс предприятия определяется на наибольшему значению Пi – II класс.
Загрязняющее вещество, определяющее класс предприятия, – двуокись серы.
ЗАДАНИЕ 1.3
Определить:
1. К какому классу по степени воздействия на атмосферу относятся источники выбросов?
2. К какому классу по степени воздействия на атмосферу относятся предприятия?
Исходные данные по вариантам даны в приложениях 5, 6.
1.1.3 Оценка качества атмосферного воздуха
Основным критерием качества атмосферного воздуха являются нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК).
ПДК — максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного влияния, включая отдаленные последствия.
В нашей стране действуют:
ПДКм.р. – максимально разовая ПДК 20-30-минутного осреднения,
ПДКс.с. – среднесуточная ПДК длительного осреднения.
При одновременном присутствии нескольких ЗВ, обладающих эффектом суммации (аддитивным действием), их безразмерная концентрация X не должна превышать 1.
. (1.16)
Оценка качества атмосферного воздуха основана на сравнении фактически измеренной концентрации с ПДК.
Чем больше кратность превышения ПДК, тем хуже качество воздуха.
Чем выше безразмерный показатель X для веществ с аддитивным действием, тем хуже качество воздуха.
На практике в воздухе имеется, как правило, несколько загрязняющих веществ, поэтому для оценки качества воздуха применяется комплексный показатель — индекс загрязнения атмосферы (ИЗА), который равен сумме нормированных по ПДК и приведенных к концентрации диоксида серы средних содержаний ЗВ.
Для одного вещества:
, (1.17)
где 
– средняя за год концентрация, мг/м3;
ПДКс.с. – среднесуточная ПДК ЗВ, мг/м3, в случае отсутствия ПДКс.с . вместо нее принимается ПДКм.р. или ОБУВ;
Значение параметра К равно:
1,7 — 1 класс опасности
1,3 — 2 класс опасности
1,0 — 3 класс опасности
0,9 — 4 класс опасности
Для нескольких веществ:
. (1.18)
На практике для сравнения качества атмосферного воздуха разных городов используются данные по первым пяти веществам в ряду по степени убывания показателя Ii.
ПРИМЕР 1.4
В городе А концентрации контролируемых ЗВ (мг/м3) равны: N02 = 0,1; S02 = 0,03; СО = 3; ТВЧ = 0,2; H2S = 0,01; аммиак = 0,1; керосин 1,0.
В городе В: NO2, = 0,09; S02= 0,05; СО = 1,0; ТВЧ = 0,05; стирол 0,01; полиэтилен 0,03; ксилол 0,3.
Сравните качество атмосферного воздуха в городах.
РЕШЕНИЕ
1. Находим Ii для веществ:
Гор.А: 
Находим комплексный ИЗА для города А по 5 веществам:
Гор.В: 
Вывод: воздух гор. В загрязнен в большей степени, чем в гор. А, в 17,67:9,9= 1,8 раза.
ЗАДАНИЕ 1.4
Сравните качество атмосферного воздуха в городах. Исходные данные по вариантам в приложении 7.
1.1.4 Классификация состояния загрязнения атмосферного воздуха
Классы экологического состояния атмосферы определяют по 4-балльной шкале, где класс нормы соответствует уровню загрязнения ниже среднего по стране, класс риска — равен среднему уровню, класс кризиса — выше среднего уровня, класс бедствия — значительно выше среднего уровня. Ранжирование экологического состояния атмосферы по классам осуществляется через расчет комплексного индекса загрязнения атмосферы.
| Класс экологического состояния атмосферы | I |
| Норма | < 5 |
| Риск | 5-8 |
| Кризис | 8-15 |
| Бедствие | >15 |
ПРИМЕР 1.5
К какому классу относится экологическое состояние атмосферы в г. Кирове, если по данным мониторинга среднегодовые концентрации ЗВ за 2005 г. равны (мг/м3):
бенз(а)пирен: 2,9; N02: 0,03; СО: 1,0; ТВЧ: 0,1; формальдегид 0,005?
РЕШЕНИЕ
1. Находим комплексный индекс загрязнения атмосферы для каждого из веществ.
2. Находим суммарный индекс загрязнения атмосферы по 5 веществам и определяем класс экологического состояния атмосферы.
Ii = 6,11+0,7+0,37+0,67+1,94= 9,79 > 8 – Кризис
ЗАДАНИЕ 1.5
Найти класс экологического состояния атмосферы.
Исходные данные по вариантам в приложении 8.
1.2 РАССЕИВАНИЕ В АТМОСФЕРЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ. НОРМИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
1.2.1 Основные понятия и определения
Проблема охраны окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами стала в ряд важнейших задач современности. Воздействия промышленных предприятий, энергетических систем, транспорта на атмосферу, водоемы и недра достигли таких размеров, что сейчас в крупных промышленных центрах уровни загрязнений существенно превышают допустимые санитарные нормы.
Источники выбросов ЗВ могут быть подвижными (транспорт) и стационарными. Выбросы из стационарных источников могут поступать в форме газов или аэрозолей. Классификация источников выбросов дана на рисунке 1.2.
Аэрозоли — это системы, характеризующиеся наличием в газовой среде твердых или жидких частиц. Подразделяются на пыли, дымы, туманы.
Пыли содержат твердые частицы размером до 800 мкм.
Дымы — твердые частицы размером 0,1-5 мкм,
Туманы — жидкие частицы (капли) размером 0,3-5 мкм.
Неорганизованный промышленный выброс — выброс, поступающий в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах загрузки, выгрузки или хранения продукта. К неорганизованным относятся выбросы, не имеющие фиксированного устья: выделения вредных веществ с открытых складов строительных материалов, карьеров, хранилищ отходов и т.д.
 |
Организованный промышленный выброс — выброс, поступающий в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды, трубы. Организованные выбросы имеют фиксированное устье и подразделяются на точечные или одиночные (источники таких выбросов имеют примерно одинаковые размеры по осям координат; это трубы промышленных предприятий, выбросные шахты систем вентиляции, газоотводные трубы от аппаратов и т.п.) и линейные (источники имеют значительную протяженность в направлении, перпендикулярном направлению ветра; это аэрационные фонари, близко расположенные вытяжные шахты, открытые окна, через которые удаляются вредные вещества, и т.п.).
Рисунок 1.2 – Классификация выбросов в атмосферу
Одиночные выбросы из стационарных источников в зависимости от высоты трубы (Н) подразделяются на:
- высокие при Н> 50 м (выброс осуществляется выше зоны аэродинамической тени здания, сооружения);
- средние при Н = 10...50 м;
- низкие при Н = 2... 10 м (выброс поступает в зону подпора или аэродинамической тени здания, сооружения);
- наземные при Н < 2 м (в этом случае в расчетах принимают Н-2м).
Промышленные выбросы считаются нагретыми, если их температура выше температуры окружающего атмосферного воздуха.
Без очистки могут выбрасываться как неорганизованные, так и организованные выбросы, после очистки — только организованные.
С целью регламентации загрязнений атмосферы установлены предельно допустимые концентрации ЗВ в атмосферном воздухе населенных пунктов (ПДК) и предельно допустимые выбросы загрязняющих веществ из источников (ПДВ).
Действующими нормативными документами установлены ПДК для более 600 вредных газов, паров, аэрозолей.
Величина наибольшей концентрации каждого вредного вещества в приземном слое атмосферы(слой высотой в 2 м от поверхности земли) не должна превышать величины ПДКм.р..
ПДВ для данного источника (группы источников) — это максимальное количество вредного вещества, допустимое к выбросу из источника в единицу времени при соблюдении условия, что этот выброс от данного источника и от совокупности источников города или другого населенного пункта, с учетом перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере, не создаст приземную концентрацию, превышающую его предельно допустимую концентрацию для населения, растительного и животного мира.
Основными критериями качества атмосферного воздуха при установлении ПДВ для источников загрязнения атмосферы являются максимальные разовые ПДКм.р.. При этом должно выполняться условие: отношение максимальной расчетной концентрации См вредного вещества в приземном слое воздуха к величине ПДКм.р. данного вещества не должно превышать единицы:
. (1.19)
При установлении ПДВ учитывают значения фоновых концентраций Сф вредных веществ в воздухе (суммарное загрязнение атмосферы от остальных источников города или другого населенного пункта, в том числе и от автотранспорта, за исключением рассматриваемого источника).
Таким образом, величина ПДВ [г/с] из источника для каждого вещества устанавливается, исходя из условия:
, (1.20)
или
. (1.21)
При одновременном присутствии в атмосфере некоторых вредных веществ они могут обладать суммацией вредного действия. Эффектом суммации обладают, например, ацетон и фенол; сернистый ангидрид и двуокись азота; сернистый ангидрид, окись углерода, фенол и пыль конверторного производства, а также целый ряд других веществ.
Величина ПДВ для групп суммации устанавливается, исходя из условия:
. (1.21)
1.2.2 Расчет приземных концентраций загрязняющих веществ
от одиночного точечного источника
После выхода из устья источника загрязняющие вещества начинают рассеиваться в атмосфере в направлении оси факела выброса. Часть веществ перемещается в вертикальном направлении, часть - в горизонтальном. Существенное влияние на характер рассеивания оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий, особенности местности, свойства выбросов, высота трубы, скорость ветра и другие факторы.
Скорость горизонтального перемещения загрязнений в основном определяется главным образом скоростью ветра U [м/с]. На скорость вертикального перемещения оказывает влияние целый ряд факторов.
Существует 5 форм струй, выходящих из устья трубы. Наиболее опасна задымляющая струя, когда вредные вещества стремятся к земле вдоль всей струи. Рисунок 1.3 иллюстрирует распределение концентраций вредных веществ в атмосфере при выбросе через высокие трубы для условий развитого турбулентного обмена, которые считаются неблагоприятными для рассеивания примесей и для которых разработаны расчетные формулы для определения ПДВ.
По мере удаления от источника выброса концентрация вредных веществ в приземном слое атмосферы вначале увеличивается, а затем, достигнув максимума, постепенно уменьшается, что говорит о наличии трех зон загрязнения атмосферы:
- зона переброса факела выброса, характеризующаяся невысокой концентрацией вредных веществ в приземном слое;
- зона задымления, т.е. зона максимального содержания вредных веществ;
- зона постепенного снижения концентраций вредных веществ.
Направление ветра
Рисунок 1.3 - Распределение приземной концентрации вредных веществ в атмосфере
С —концентрация вредного вещества в приземном слое, мг/м3;
X — расстояние от трубы (источника выброса), м;
Н — высота трубы (источника выброса), м.
По ОНД-86 рассчитываются возможные концентрации вредных веществ при «неблагоприятных» метеоусловиях. Реальные концентрации вредных веществ в течение года будут значительно ниже расчетных как за счет принятия в расчете жестких метеоусловий, так и за счет учета «фона» и допущения о максимальной производственной нагрузке предприятия.
Основной расчетной величиной является максимальная приземная концентрация вредного вещества См [мг/м3]. Величину ее при выбросе нагретой газопылевоздушной смеси из точечного источника с круглым устьем на расстоянии Хм [м] от источника определяют по формуле:
, (1.23)
где А — коэффициент, учитывающий вероятность возникновения «неблагоприятных» метеоусловий в различных регионах страны [с2/3.мг.град1/3/г].Для Нижнего Поволжья, Сибири, Дальнего Востока принимают А =200;для севера и северо-запада Европейской территории России, Среднего Поволжья и Урала принимают А =160;для центральной части европейской территории А =140;
М — мощность выброса (количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени), [г/с]. Принимается в соответствии с действующими для данного производства нормативами, определяется расчетом или с помощью анализа. Если известна концентрация вещества С° [мг/м3] в выбрасываемой из устья источника пылегазовоздушной смеси, то величина М определяется по формуле:
, (1.24)
F — безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе. Для газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыль, зола и т.п.), скорость оседания которых не превышает 0,05 м/с, принимается F = 1. Для остальных аэрозолей, выбрасываемых с предварительной очисткой или без нее, коэффициент F принимается следующим образом:
F = 2 при эффективности очистки более 90%;
F = 2,5 при эффективности очистки 75...90%;
F = 3 при эффективности очистки менее 75% (или при отсутствии очистки).
m и n — безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;
— безразмерный коэффициент, учитывающий рельеф местности (для равнинной местности = 1);
DT — разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Тг и температурой окружающего атмосферного воздуха Тв [°С]; последняя принимается как средняя максимальная температура наружного воздуха наиболее жаркого месяца года по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»;
V1 — расход пылегазовоздушной смеси из устья источника, м3/с:
, (1.25)
где D — диаметр устья источника выброса (диаметр верхней части трубы), м;
w0 — средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, м/с.
Величина коэффициента m определяется по формуле:
, (1.26)
