Khuếch tán chất thải phóng xạ qua môi trường không khí

R UYỄ Ị UẾ Á Ấ X QU MÔ R U Ử UỆ Ả P Ó Ô Â Í Â -2009 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH Mở đầu Chƣơng – Khí nhiễm phóng xạ khí 1.1 Cấu tạo khí Trái Đất 1.2 Cấu trúc khí Trái Đất 1.2.1 Tầng đối lƣu 1.2.2 Tầng bình lƣu 1.2.3 Trung 1.2.4 Nhiệt 1.2.5 Ngoại 1.3 Độ ổn định khí 1.3.1 Khái niệm ổn định khí 1.3.2 Các lớp ổn định Pasquill 1.4 Sự nhiễm phóng xạ khí 10 1.4.1 Độ phóng xạ khí tự nhiên 10 1.4.2 Độ phóng xạ khí 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 thủy tinh 16 1.4.2.7 Công nghiệp sản xuất phân bón phốt phát 17 Chƣơng – Lý thuyết toán phân tán chất thải khí 18 2.1 Sự phân tán chất thải khí 18 2.1.1 Sự dâng cao 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 ƣớt 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 Chƣơng – Xây dựng chƣơng trình tính toán đánh giá kết 34 3.1 Xây dựng chƣơng trình tính toán 34 3.1.1 Mô tả chƣơng trình tính toán 34 3.1.2 Các số chƣơng trình tính toán 34 3.1.3 Sự mã hóa hƣớng gió số chƣơng trình tính toán 35 3.2 Chạy chƣơng trình 36 3.2.1 Thu thập liệu đầu vào chƣơng trình 36 3.2.1.1 Các số liệu khí tƣợng 36 3.2.1.2 Các số liệu khác 36 3.2.2 Kết chạy chƣơng trình 37 3.3 Đánh giá kết 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 tƣợng xác định cấp độ ổn định Pasquill Bảng 1.2: Lƣợng phóng xạ phát hàng năm từ nhà máy nhiệt điện 12 Bảng 1.3: Hoạt độ phóng xạ số tro, xỉ 12 Bảng 1.4: Khả giải phóng hạt nhân phóng xạ tự nhiên khai thác dầu khí giàn khoan biển 13 Bảng 1.5: Hoạt độ phóng xạ số loại quặng 14 Bảng 1.6: Phát thải khói lò từ nhà máy xi măng công suất triệu tấn/năm 15 Bảng 1.7: Nƣớc thải nhà máy sản xuất bột màu TiO2 16 Bảng 1.8: Hoạt độ phóng xạ quặng zircon 16 Bảng 1.9: Hoạt độ phóng xạ tự nhiên nguyên liệu phế thải công nghiệp phân bón phốt phát 17 Bảng 2.1: Bảng giá trị n 20 Bảng 3.1: Một vài số liệu khí tƣợng đo đạc 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 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 từ nhà máy công nghiệp 27 Hình 2.10: Cấu trúc mẫu khuếch tán 28 Hình 2.11: Ảnh minh họa hoa gió 33 Hình 3.1: Sự phân bố nồng độ chất thải khí Radon theo khoảng cách 37 Mở đầu Trong trình công nghiệp hóa đại hóa đất nƣớc, với phát triển mạnh ngành công nghiệp mặt góp phần lớn vào phát triển kinh tế nhƣng mặt khác lại gây ảnh hƣởng môi trƣờng nghiêm trọng Ống khói từ nhà máy công nghiệp, sở công nghiệp, nhƣ hoạt động khác ngƣời,…thải chất độc hại làm vấn đề ô nhiễm môi trƣờng ngày báo động có vấn đề ô nhiễm độc tố phóng xạ kim loại nặng vấn đề đƣợc quan tâm giới Trong hạn chế khóa luận này, đề cập đến vấn đề ô nhiễm môi trƣờng không khí khuếch tán chất thải môi trƣờng Để có nhìn vừa trực quan, vừa định lƣợng đƣợc tác động hay đồng thời nhiều nguồn khí ô nhiễm môi trƣờng xung quanh, sử dụng phƣơng pháp khoa học để xác định quy luật lan tỏa dòng ô nhiễm phát Hiện có mô hình tính toán ô nhiễm môi trƣờng khí [1]: 1- Mô hình thống kê kinh nghiệm dựa sở lý thuyết toán học Gauss 2- Mô hình thống kê thuỷ động Berliand 3- Mô hình khuếch tán rối Trong mô hình trên, mô hình thích hợp để phản ánh đầy đủ tƣợng lan truyền chất ô nhiễm từ nguồn phát thải môi trƣờng xung quanh mô hình Gauss Tác động ô nhiễm từ nguồn phát thải đƣợc biểu diễn phân bố nồng độ chất không gian chiều (x, y, z) Trong thực tế trục nguồn phát không ổn định, nhƣng ta xem dao động quanh vị trí đƣờng trục trung bình Nồng độ chất ô nhiễm phân bố mặt cắt đứng theo hàm Gauss đối xứng qua trục nguồn phát thải Phƣơng trình phân tán Gauss phụ thuộc vào cƣờng độ thải nguồn, tốc độ gió, chiều cao hiệu ống khói đặc biệt điều kiện khí Chính lan truyền chất ô nhiễm môi trƣờng xung quanh nhạy cảm với điều kiện khí mô hình Gauss, mà Sutton hay Pasquill dùng mô hình để phát triển tính toán phân tán môi trƣờng không khí [7] Để giải toán Gauss, ta thừa nhận số giả thiết gần đúng: - Tải lƣợng nguồn gây ô nhiễm số theo thời gian - Tốc độ gió không đổi theo thời gian phụ thuộc độ cao vệt khói - Không có bổ sung hay rút bớt chất ô nhiễm phản ứng hoá học luồng khí - Địa hình phẳng vật cản Chƣơng KHÍ QUYỂN VÀ SỰ NHIỄM PHÓNG XẠ KHÍ QUYỂN 1.1 Cấu tạo khí Trái Đất Khí Trái Đất lớp chất khí bao quanh hành tinh Trái Đất đƣợc giữ lại lực hấp dẫn Trái Đất Các chất khí thƣờng trực khí nhƣ O2, N2, He, Ar, Ne,…thời gian tồn lƣu bầu khí 103 đến 107 năm Các chất khí biến thiên: CO2, CH4, H2, N2O,…thời gian tồn lƣu khoảng - 100 năm Ngoài chất khí nhƣ H2O, CO, O3, NO2, NH3, SO2,…biến thiên mạnh, thời gian tồn lƣu vài ngày 1.2 Cấu trúc khí Trái Đất [8] Bầu khí trái đất đƣợc chia thành tầng dựa theo thay đổi cực đại nhiệt độ, thành phần hóa học, chuyển động mật độ phân tử khí 1.2.1 Tầng đối lƣu (Troposphere) Tầng đối lƣu mặt đất đến độ cao - 20 km, nơi ngƣời sinh vật sinh sống, nơi xảy hầu hết tƣợng thời tiết Ở tầng mật độ phân tử khí nhiệt độ giảm theo độ cao Độ cao tầng đối lƣu có thay đổi từ xích đạo đến cực Ở xích đạo độ cao 18 - 20 km, 500 Bắc 500 Nam khoảng - km cực khoảng - km Đƣờng biên chuyển tiếp tầng đối lƣu tầng liền đƣợc gọi đỉnh tầng đối lƣu 1.2.2 Tầng bình lƣu (Stratosphere) Tầng bình lƣu vùng đỉnh tầng đối lƣu đến độ cao khoảng 50km tính từ mặt đất Tầng chiếm khoảng 19% chất khí bầu khí nhƣng nƣớc Nhiệt độ tăng theo độ cao hấp thụ xạ phân tử Ôxy dẫn đến hình thành tầng Ozone Ở không khí loãng, nƣớc bụi ít, không khí chuyển động theo chiều ngang ổn định 1.2.3 Trung (Mesosphere): Trung tầng nằm tầng bình lƣu, đỉnh tầng bình lƣu đến độ cao khoảng 85km Mật độ chất khí nhiệt độ giảm dần theo độ cao Tuy mật độ khí trung không lớn nhƣng đủ để đốt cháy thiên thạch chúng vào bầu khí quyển, để lại vệt sáng bầu trời đêm 1.2.4 Nhiệt (Thermosphere) Nhiệt nằm tầng trung bình kết thúc độ cao khoảng 690km Mật độ khí tầng loãng trung Nhiệt độ tăng theo độ cao, khoảng 20000C đỉnh tầng hấp thụ xạ lƣợng cao, nhiên mật độ khí loãng nên lƣợng vài phân tử không đủ làm nóng da ngƣời Ôxy Nitơ tầng trạng thái ion, nhiệt đƣợc gọi tầng điện li Sóng vô tuyến phát từ nơi vùng bề mặt Trái đất phải qua phản xạ tầng điện li truyền đến nơi giới 1.2.5 Ngoại (Exosphere) Ngoại tầng bầu khí quyển, nằm phạm vi khoảng 10000km, nhiệt độ tăng theo độ cao lên đến 2500°C Tuy nhiên, nhiệt kế, có thể, lại nhiệt độ thấp dƣới 0°C mật độ khí thấp nên truyền nhiệt mức độ đo đạc đƣợc khó xảy Đây vùng độ khí Trái Đất với khoảng không vũ trụ, không khí loãng, nhiệt độ lại cao, số phân tử nguyên tử chuyển động với tốc độ cao cố "vùng vẫy" thoát khỏi trói buộc sức hút Trái Đất lao khoảng không vũ trụ Do tầng gọi tầng thoát ly Một phần Hiđrô Trái Đất (khoảng vài nghìn tấn/năm) đƣợc tách vào vũ trụ đồng thời dòng plasma môi trƣờng thải bụi vũ trụ (khoảng 2g/km²) vào Trái Đất 1.3 Độ ổn định khí 1.3.1 Khái niệm ổn định khí [9] Với trạng thái biến thiên nhiệt độ theo chiều cao mà lực tác động vật lý khí làm chất ô nhiễm khuếch tán theo chiều cao không dễ dàng, khí trạng thái ổn định, tức khí trạng thái ổn định cản trở khuếch tán pha loãng chất ô nhiễm Ngƣợc lại, khí trạng thái không ổn định làm cho chất ô nhiễm khuếch tán khí cách dễ dàng 1.3.2 Các lớp ổn định Pasquill [10] Khi nghiên cứu mức độ ổn định khí quyển, Pasquill chia độ ổn định khí thành lớp đặt tên theo chữ A, B, C, D, E, F, với lớp A bất ổn định lớp F ổn định Bảng 1.1: Các điều kiện khí tƣợng xác định cấp độ ổn định Pasquill Vận tốc gió bề mặt Bức xạ mặt trời ban ngày Độ che phủ mây ban đêm m/s Dặm/h Lớn Trung bình Nhỏ >50% 16 THEN 462 191 J=IW 201 MAX(J)=0 211 K=0 221 SCREEN 222 IF NA=2 THEN 231 223 FOR I=1 TO JSD:INPUT#2,HAM(J,I):NEXT I 231 FOR I=1 TO JSD::HA(I) = HAM(J,I) 241 IF HAM(J,I)>MAX(J) THEN MAX(J)= HAM(J,I):XMAX=XMIN+BN*(I- ||” Thoat khoi vong khao sat = „0‟ ||” ” 1):K=I-1 245 IF HAM(J,I) CMAX THEN CMAX=MAX(J) 401 CHO$ = INKEY$: IF CHO$= ”” THEN 401 402 CLS 403 REM 404 j=iw 405 MAX(J)=0 406 K=0 407 SCREEN 1:JSD=10 408 FOR I=1 TO JSD :HA(I)=HAM(J,I) 409 IF HAM (J,I)>MAX(J) THEN MAX(J)= HAM(J,I):XMAX=XMIN+BN*(I- 1):K=I-1 411 IF HAM(I,J)CMAX THEN CMAX =MAX(J) 429 CHO$= INKEY$ :IF CHO$= “” THEN 429 431 REM 432 JSD =100 433 CLS 434 IF NA=1 THEN 1500 ELSE 157 435 CLOSE #2 436 DATA “ HUONG ĐONG”, DONG DONG BAC “,”DONG BAC”,”BAC DONG BAC” 441 DATA “HUONG BAC”,”BAC TAY BAC”,”TAY BAC”,”TAY TAY BAC” 451 DATA “HUONG TAY”,” TAY TAY NAM”,”TAY NAM”, “NAM TAY NAM” 461 DATA “HUONG NAM”,”NAM DONG NAM”,”DONG NAM”,”DONG DONG NAM” 462 „ Ve duong dong muc 466 IF IW =17 THEN D1I=1 ELSE D1=10 471 CLS:CMAX=0 : PRINT “ Xin cho giay lat… “ 472 ISD=D1*10: FOR J=1 TO 16 473 MAX(J)=0 474 K=0 475 FOR I=1 TO ISD 59 476 HA(I)=HAM(J,I) 477 IF HAM(J,I)>MAX(J) THEN MAX(J)= HAM(J,I): XMAX=XMIN+BN*(I- 1):K=I-1 478 IF HAM(J,I) CMAX THEN CMAX=MAX(J) 482 NEXT J 495 IF D1=10 THEN 501 496 LIMIT1 =CMAX/2:LIMIT2=CMAX/10:GOTO 551 501 LIMIT1=CMAX/100:LIMIT2=CMAX/1000 551 CLS:SCREEN 1:COLOR 9,2 641 LINE (190,192)-(190,196),3:LINE (290,192)-(290,196),3 651 LIME (190,194)-(290,194),3 661 LOCATE 25,28: PRINT D1;”KM” 665 LOCATE 1,30: PRINT SITE$ 671 CIRCLE (190,100),100,3,,,1 675 FOR JKC=1 TO 16: R(0,JKC)=0: NEXT JKC 681 FOR IC=1 TO 10 701 FOR J=1 TO 16 :maug=1 :hkq(ic,j)=0 711 rem locate 1,30: print j;: print using ”#####” ; ic*100*d1 721 for k2=1 to 10 722 if d1=1 then 725 723 k11= (ic-1)*10+k2: if ham(j,k11)>hkq(ic,j)=ham(j,k11) 724 goto 726 725 k11=k2: hkq(ic,j)=ham(j,ic):next k2 726 hsc=9/10: r(ic,j)=r(ic-1,j)+10: if r(ic,j)70 then hsc=97/100 728 if r(ic,j)>80 then hsc=98/100 729 ARG1=(J)*(PI/8)-(PI/16) 60 731 ARG=(J)*(PI/8)+(PI/16) 732 REM IF JLIMIT1 THEN MAUG=2 755 IF HKQ(IC,J)= “: LINE(93,17)-(103,22),3,B 901 LOCATE 4,1: PRINT “LM1-LM2 “;:PRINT “=” :LINE(93,25)- (103,30),1,BF 911 LOCATE 5,1 : PRINT USING “.##^^^^”; LIMIT1 912 PRINT “[...]... khí quyển [7] Chất thải trong khí quyển sẽ bị phân tán theo các cơ chế sau: - Di chuyển theo hƣớng gió: chất thải sẽ bị phân tán phụ thuộc vào hƣớng gió - Phân tán trong khí quyển: chất thải sẽ bị phân tán phụ thuộc vào điều kiện khí tƣợng và địa hình của địa phƣơng Ngoài ra sự phân tán chất thải còn phụ thuộc các hiện tƣợng sau: - Sự dâng cao của đám mây chất thải - Sự rơi lắng chất thải - Hiệu ứng... Đánh giá qua suất chênh lệch nhiệt độ trong khí quyển theo phƣơng thẳng đứng c Phƣơng pháp thăng giáng của hƣớng gió d Phƣơng pháp gradient nhiệt thẳng đứng kết hợp với tốc độ gió 1.4 Sự nhiễm phóng xạ khí quyển Độ phóng xạ tự nhiên của khí quyển tồn tại chủ yếu bởi phóng xạ khí quyển tự nhiên và phóng xạ khí quyển nhân tạo 1.4.1 Độ phóng xạ khí quyển tự nhiên [7] Các khí xả xâm nhập vào khí quyển... thể dùng xỉ thiếc làm nguyên liệu Phát thải các hạt nhân 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 sản xuất bột màu TiO2 nêu trong Bảng 1.7 Bảng 1.7: Nƣớc thải của nhà máy sản xuất bột màu TiO2 [2] Hạt nhân phóng xạ Ra228 Lƣợng phóng xạ phát thải hàng năm (GBq/năm) 38 Ra226 22 Pb... ứng dòng đuôi 2.1.1 Sự dâng cao của đám mây chất thải: Hiện tƣợng dâng cao của đám mây chất thải phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố liên quan nhƣ bản chất khí thải (gồm trọng lƣợng phân tử, nhiệt dung riêng, nhiệt độ,…), điều kiện thải (nhƣ vận tốc thoát của khí thải, lƣợng khí thải, …) và các điều kiện môi trƣờng xung quanh (điều kiện khí tƣợng, độ cao ống thải so với độ cao các công trình lân cận,…)... - 15 km Các nguyên tố phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ đi vào khí quyển theo bụi vũ trụ và các thiên thạch (nhƣ Al26, Be10,…) và các nguyên tố phóng xạ đƣợc sinh ra do phản ứng hạt nhân của tia vũ trụ với các hạt nhân trong khí quyển nhƣ (Be7, Be10, C14, P32,…) Hàm lƣợng 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... nhiệt Độ phóng xạ của khí quyển thay đổi không đáng kể theo thời gian Ở các lớp khí quyển thấp, ngƣời ta đã quan sát thấy có sự thay đổi thƣờng xuyên theo ngày đêm và mùa Sự thay đổi sẽ càng phức tạp khi có các biến động đột ngột nhƣ nhiệt độ, áp suất, vận tốc gió, hƣớng gió, các sự cố hạt nhân … 18 Chƣơng 2 LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN PHÂN TÁN CHẤT THẢI TRONG KHÍ QUYỂN 2.1.Sự phân tán chất thải trong khí quyển... 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 23 lửng trong không khí, gây ra sự... kính ngoài ống thải (m) Ngoài ra, khi đám mây chất thải khác với môi trƣờng thải chúng ta cũng cần tham khảo biểu thức:   TA   1,8De.CP.P.TLG 1    TS    Vs    DDH  4,38   De 1  CPA.PSTD.TLA   Um       Trong đó : CP : Nhiệt dung riêng khí thải (J/(kg.độ)) P : Áp suất khí thải (bar) TLG : Trọng lƣợng phân tử khí môi trƣờng (kg) CPA : Nhiệt dung riêng của phân tử khí môi trƣờng... bay 17 hơi theo khí thải Lƣợng 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] Hoạt độ phóng xạ (Bq/kg) Nguyên... ): Lƣợng chất ô nhiễm thải ra từ nguồn thải trong một đơn vị thời gian - u (m/s): Vận tốc gió - Ky, Kz (m2/s) là độ rối của khí quyển theo phƣơng ngang (y) và theo phƣơng 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 ... độ gió 1.4 Sự nhiễm phóng xạ khí Độ phóng xạ tự nhiên khí tồn chủ yếu phóng xạ khí tự nhiên phóng xạ khí nhân tạo 1.4.1 Độ phóng xạ khí tự nhiên [7] Các khí xả xâm nhập vào khí từ đất, đá, nƣớc... PHÂN TÁN CHẤT THẢI TRONG KHÍ QUYỂN 2.1.Sự phân tán chất thải khí [7] Chất thải khí bị phân tán theo chế sau: - Di chuyển theo hƣớng gió: chất thải bị phân tán phụ thuộc vào hƣớng gió - Phân tán khí. .. 17 Chƣơng – Lý thuyết toán phân tán chất thải khí 18 2.1 Sự phân tán chất thải khí 18 2.1.1 Sự dâng cao đám mây chất thải 18 2.1.2 Sự rơi lắng chất thải 22 2.1.2.1 Lắng