quan trắc môi trường không khí

quan trắc môi trường không khí

Bài giảng môn học Quan trắc môi trường không khí http://www.ebook.edu.vn Trang 1 Biện Văn Tranh CHƯƠNG I : ĐẶC ĐIỂM CỦA MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ Trái đất được bao bọc bởi một hỗn hợp nhiều chất khí gọi là khí quyển. Khi chúng ta xem xét khí quyển dưới giác độ môi trường thì đó chính là môi trường không khí. Khí quyển là một bộ phận của hành tinh chúng ta và được ràng buộc với trái đất bằng lực hấp dẫn trọng trường. Khí quyển của trái đất được xem như một đại dương không khí và con người chúng ta sống trong đại dương này. Để tìm hiểu các tác động, các quá trình diễn ra trong môi trường không khí thì trước hết chúng ta phải nắm vững các đặc điểm của môi trường không khí. 1.1 KHÁI NIỆM : Môi trường không khí là hỗn hợp các khí bao bọc quanh trái đất, có nhiệm vụ duy trì và bảo vệ sự sống trên trái đất – đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong sự sinh tồn. Con người chúng ta có thể nhòn ăn trong 5-7 ngày, nhòn uống 2-3 ngày nhưng lại không thể nhòn thở quá 5 phút. Không khí là rất cần thiết cho sự sống của con người. Chỉ ở trong môi trường không khí trong lành con người mới có thể tồn tại và phát triển được, còn khi đã khi tiếp xúc với không khí ô nhiễm thì dù chỉ trong một thời gian rất ngắn con người vẫn có thể bò mắc một số bệnh nghiêm trọng, đôi khi có thể dẫn đến tử vong. Ô nhiễm không khí chính là sự thay đổi các tính chất vật lý, hóa học của môi trường không khí, có khả năng gây tác động xấu đến đời sống động – thực vật và con người, đến các quá trình công nghệ trong sản xuất và các trạng thái tài nguyên thiên nhiên một cách trực tiếp hoặc gián tiếp, tức thời hay lâu dài. Vấn đề ô nhiễm không khí gắn liền với hoạt động của con người. Mỗi người vừa là nạn nhân vừa là thủ phạm gây ra ô nhiễm môi trường không khí. Xã hội ngày càng phát triển tất yếu dẫn đến môi trường ngày càng thoái hoá, môi trường không khí ngày càng bò ô nhiễm trầm trọng hơn. Môi trường không khí là một loại môi trường rất nhạy cảm, rất dễ biến đổi và lan truyền, nó không dừng lại ở biên giới lãnh thổ quốc gia nào và nó tuân theo những quy luật về môi trường khí hậu riêng của nó. Ô nhiễm môi trường không khí là một vấn đề có quy mô toàn cầu vì các chất gây ô nhiễm không khí dù từ nguồn nào và ở đâu cuối cùng cũng được phân tán khắp mọi nơi trong toàn bộ khí quyển trên trái đất. Tóm lại môi trường không khí là vấn đề xuyên biên giới nên cần sự hợp tác quan tâm của quốc tế. Chúng ta cần hiểu về môi trường không khí để sử dụng và Bài giảng môn học Quan trắc môi trường không khí http://www.ebook.edu.vn Trang 2 Biện Văn Tranh bảo vệ nó một cách hữu ích. 1.2 CẤU TRÚC MÔI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN : Khí quyển là lớp vỏ khí bao quanh trái đất được cấu tạo bởi nhiều hợp chất khác nhau. Thành phần và hàm lượng của các chất này phụ thuộc vào điều kiện vật lý, khí hậu và phân bố biến thiên theo chiều thẳng đứng. Khí quyển được chia thành nhiều tầng không khí khác nhau theo sự thay đổi chiều cao và chênh lệch về nhiệt độ. Cấu trúc môi trường khí quyển được chia làm 2 phần : • Phần trong : gồm 4 tầng 1.2.1/ Tầng đối lưu (Troposphere) : Tầng đối lưu là tầng thấp nhất nằm ngay trên bề mặt đất. Độ cao của tầng này thay đổi theo vó độ, từ 8km ở các đới cực đến 18km ở khu vực quanh đường xích đạo. Đỉnh là lớp tạm dừng tropopause dao động trong khoảng 1km, ngăn cách giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu, được đánh dấu bởi sự nghòch chuyển của biến thiên nhiệt độ từ âm sang dương. Càng lên cao nhiệt độ càng giảm, nhưng giảm rất ổn đònh, trung bình cứ lên cao 100m thì nhiệt độ giảm xuống 0,6 0 C , nhiệt độ có thể hạ thấp tới –50 0 C. p suất không khí càng lên cao càng giảm dần. Tầng đối lưu là nơi che chở cho chúng ta, nơi diễn ra hàng loạt sự biến đổi, ảnh hưởng trực tiếp đến khí hậu và môi trường. Không khí ở tầng này luôn ở trạng thái dòch chuyển theo cả chiều ngang và chiều thẳng đứng. Do đó ở tầng này luôn có sự xáo trộn không khí. 1.2.2/ Tầng bình lưu (Statosphere) : Tầng bình lưu bao gồm khoảng không gian từ 11km đến 50km. Đỉnh là lớp tạm dừng Statopause ngăn cách giữa tầng bình lưu và tầng trung lưu, đánh dấu sự nghòch chuyển của biến thiên nhiệt độ từ dương sang âm. Trong tầng này có một lớp rất quan trọng đó là lớp Ozon ở độ cao 18– 30km, hoạt động như một lớp màng bảo vệ trái đất khỏi những ảnh hưởng độc hại của tia tử ngoại từ mặt trời chiếu xuống. Nồng độ Ozon ở đây cao gấp 10 lần so với tầng đối lưu. Ngược lại với tầng đối lưu, ở tầng này càng lên cao nhiệt độ càng tăng, có thể tăng từ –50 0 C tới –2 0 C. Sự tăng nhiệt độ này là do càng lên cao càng gần với lớp Ozon – Ozon hấp thụ tia cực tím của mặt trời và toả nhiệt. p suất giảm theo độ cao nhưng mức độ giảm chậm hơn tầng đối lưu và đến độ cao 30km thì không thay đổi, không giảm nữa. Thành phần không khí gần giống với tầng đối lưu nhưng nồng độ hơi nước Bài giảng môn học Quan trắc môi trường không khí http://www.ebook.edu.vn Trang 3 Biện Văn Tranh lại thấp hơn khoảng 1000 –10000 lần. 1.2.3/ Tầng trung quyển (Mesosphere) : Tầng trung quyển là khoảng không gian ở độ cao từ 50km đến 90km. Đỉnh là lớp tạm dừng Mesopause. Ở tầng này, nhiệt độ giảm dần theo độ cao với tốc độ giảm nhanh hơn ở tầng đối lưu và có thể giảm từ –2 0 C đến –100 0 C. Thành phần không khí cũng giống như các tầng dưới nhưng nồng độ Ozon và hơi nước lại rất thấp. 1.2.4/ Tầng nhiệt quyển (Thermosphere) : Tầng nhiệt quyển là khoảng không gian ở độ cao từ 90km đến hàng trăm km. Giới hạn trên của tầng này không chính xác. Nhiệt độ tăng theo độ cao, tăng rất nhanh và rất cao từ –100 0 C đến +1200 0 C . Mật độ phân tử khí ở đây cực loãng và áp suất không khí trở nên rất thấp. • Phần ngoài : 1.2.5/ Tầng ngoại quyển (Exosphere): Tầng ngoại quyển hay còn gọi tầng khuếch tán là vùng quá độ giữa khí quyển trái đất và không gian vũ trụ, là tầng khí ở độ cao hơn 500 - 600km. Nhiệt độ tầng này tăng lên rất nhanh tới khoảng +1700 0 C. Do nhiệt độ cao, hạt không khí chuyển động nhanh nên chòu sức hút của trái đất rất ít. Những hạt chuyển động nhanh nhất thắng được ảnh hưởng trường trọng lực của trái đất sẽ không ngừng khuếch tán vào vùng không gian vũ trụ. Mặc dù chúng ta đã nghiên cứu riêng lẻ các tầng khác nhau của khí quyển nhưng không nên quên rằng chúng là thống nhất. Những hiện tượng xảy ra trong một miền xác đònh luôn có ảnh hưởng đến các quá trình vật lý của các miền khác. Ø Nhận xét : Trong các tầng khí quyển kể trên thì tầng đối lưu là quan trọng nhất vì nó ảnh hưởng tới mọi hoạt động và quyết đònh khí hậu trên trái đất. Ở tầng này, không khí rất dày đặc, chiếm hơn 70% khối lượng toàn bộ khí quyển. Ở đây luôn có sự xáo trộn dòng hỗn hợp khí và các đám mây hơi nước do sự chênh lệch nhiệt độ ở các vùng khác nhau và do các dòng khí chuyển động theo cả chiều thẳng đứng lẫn chiều ngang. 1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ : Việc khuếch tán ô nhiễm vào môi trường không khí là một quá trình vật lý rất phức tạp, quá trình này chòu ảnh hưởng của 3 yếu tố là : khí tượng, đòa hình và nhà cửa, công trình . Bài giảng môn học Quan trắc môi trường không khí http://www.ebook.edu.vn Trang 4 Biện Văn Tranh 1.3.1/ Ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng : Mức độ ô nhiễm của lớp không khí gần mặt đất không chỉ được đánh giá bằng lượng thải của các nguồn ô nhiễm mà còn bằng sự phân bố các chất ô nhiễm trong không gian và thời gian. Điều này phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố khí tượng. 1.3.1.1) nh hưởng của gió : Gió là yếu tố khí tượng cơ bản nhất có ảnh hưởng đến sự lan truyền chất ô nhiễm. Gió hình thành các dòng chuyển động rối của không khí trên mặt đất. Ø nh hưởng của hướng gió : Do hướng gió luôn thay đổi nên tại điểm đo lường kiểm tra ô nhiễm không khí thường xảy ra hiện tượng lúc thì nằm dưới luồng khí thải ô nhiễm, lúc thì nằm trên luồng khí thải. Do đó mức độ ô nhiễm ở điểm trên cũng biến đổi theo. Ø nh hưởng của tốc độ gió : Tốc độ gió tăng theo sự tăng chênh lệch áp lực khí quyển. Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy khi tốc độ gió nhỏ khoảng 0-1m/s thì hàm lượng chất ô nhiễm sẽ lớn nhất. Điều này phù hợp với các nguồn thải thấp. Sự phụ thuộc của nồng độ chất độc hại vào hướng gió có ý nghóa rất quan trọng trong việc bố trí quy hoạch khu công nghiệp trong thành phố cũng như việc phân khu công nghiệp. Khi lựa chọn một đòa điểm để xây dựng một nhà máy nào đó cần phải xét đến hoa gió trung bình năm, trung bình theo mùa và tốc độ gió ở mỗi hướng. Các số liệu khí tượng này do các Đài, Trạm khí tượng ở gần đòa điểm xây dựng cung cấp. 1.3.1.2) nh hưởng của nhiệt độ – Hiện tượng nghòch đảo nhiệt : Nhiệt độ không khí cũng có ảnh hưởng đến phân bố nồng độ chất ô nhiễm trong không khí gần mặt đất. Tính năng hấp thụ và bức xạ nhiệt của mặt đất ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ theo chiều thẳng đứng. Trong tầng đối lưu thì càng lên cao nhiệt độ không khí càng giảm, khoảng 0,6 0 C/100m. Sự nghòch đảo nhiệt độ là một yếu tố đặc biệt nguy hiểm. Bản chất của sự nghòch đảo nhiệt độ là nhiệt độ khí quyển không giảm theo độ cao như sự phân tầng nhiệt độ bình thường mà ngược lại lớp không khí lạnh, dày đặc và nặng được giữ lại trên mặt đất. Điều này làm giảm sự trao đổi đối lưu, giảm sự khuếch tán hơi độc hại và làm tăng nồng độ hơi độc hại trong không khí gần mặt đất. Sự nghòch đảo nhiệt có tính đòa phương vì thế khi xây dựng nhà máy cần phải nghiên cứu rất kỹ điều kiện khí hậu và điều quan trọng là miệng ống thải chất độc hại phải đặt cao hơn tầng nghòch đảo nhiệt. 1.3.1.3) nh hưởng của độ ẩm, mưa và sương mù : Bài giảng môn học Quan trắc môi trường không khí http://www.ebook.edu.vn Trang 5 Biện Văn Tranh Ø Độ ẩm : Trong điều kiện độ ẩm lớn, các hạt bụi lơ lửng trong không khí nhờ có hơi nước nên có thể liên kết với nhau thành các hạt to hơn và rơi nhanh xuống đất. Từ mặt đất, các vi sinh vật phát tán vào không khí, độ ẩm lớn tạo điều kiện cho vi sinh vật sinh trưởng phát triển nhanh chóng và bám vào các hạt bụi ẩm lơ lửng trong không khí bay đi xa, gây ra truyền nhiễm bệnh. Độ ẩm còn có tác dụng hóa học với các chất khí thải công nghiệp, ví dụ như : SO 2 , SO 3 hóa hợp với hơi nước trong không khí tạo thành H 2 SO 3 và H 2 SO 4 . Ø Mưa : Mưa có tác dụng làm sạch môi trường không khí, các hạt mưa kéo theo các hạt bụi và hòa tan một số chất độc hại trong không khí rồi rơi xuống đất, gây ô nhiễm đất và ô nhiễm nước. Như vậy, mưa thúc đẩy việc loại các chất ô nhiễm ra khỏi khí quyển nhưng lại góp phần chuyển các chất ô nhiễm này vào đất, nguồn nước và cây cối cũng như các công trình nhân tạo. Đặc biệt là khi lôi cuốn các chất ăn mòn hóa học, nước mưa tuy chậm nhưng có khả năng phá hủy tất cả những gì có trên mặt đất. Mưa làm sạch bụi trên các lá cây, do đó làm tăng khả năng hút bụi của các dải cây xanh cách ly bảo vệ khu dân cư. Ø Sương mù : Sương mù dày đặc và kéo dài xác đònh hiện tượng lắng đọng trong lớp khí quyển tại mặt đất. Đó là yếu tố khí tượng bất lợi. Trước hết chúng góp phần hình thành sự nghòch đảo nhiệt độ, kế đến, chúng có thể là nguyên nhân tạo thành khói mù độc hại. Đã có nhiều trường hợp khói mù gây tai nạn thê thảm cho dân cư. Vì vậy, tần số hình thành, mật độ và độ ổn đònh của sương mù ở một đòa phương nào đó cần được phân tích cẩn thận trong việc thiết kế các công trình xử lý khí thải và thải khí. 1.3.2/ Ảnh hưởng của đòa hình : Đòa hình, thậm chí với các gò đất, đồi núi có độ cao không lớn lắm cũng đã có ảnh hưởng đến khí hậu và sự phân bố chất ô nhiễm. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng không khí phía sau các đồi, gò, phía sau gió có nồng độ chất ô nhiễm lớn hơn phía trước. Do đó khi xây dựng khu công nghiệp hay nhà máy tại những vùng có đòa hình phức tạp thì cần phải tiến hành đo đạc lại các yếu tố khí tượng và đo đạc nhiều lần không nên sử dụng các số liệu khí tượng chung của cả vùng do các Đài, Trạm cung cấp . Tốt nhất là ở vùng có nhiều đồi núi nên đặt nhà máy ở trên đỉnh đồi, ở khu dân cư nên đặt ở thung lũng hoặc sườn đồi đón gió. Bài giảng môn học Quan trắc môi trường không khí http://www.ebook.edu.vn Trang 6 Biện Văn Tranh 1.3.3/ Ảnh hưởng của nhà cửa và công trình : Nhà cửa, công trình góp phần làm thay đổi trường vận tốc của không khí. Ở phía trước công trình vận tốc chuyển động của không khí tăng lên, ở phía sau vận tốc khí giảm lại tạo nên vùng gió quẩn và phải dến một khoảng cách xa vận tốc khí mới đạt được giá trò ban đầu. Các vùng gió quẩn sẽ làm cho nồng độ chất ô nhiễm tăng cao lên, đặc biệt là với các nguồn ô nhiễm thấp. Ø Vùng gió quẩn (bóng khí động) phụ thuộc vào các yếu tố : + Kích thước của công trình, chiều cao nhà, chiều rộng nhà. + Công trình đứng độc lập hay nằm trong cụm nhà. + Khoảng cách giữa các công trình trong cụm nhà. + Hướng gió thổi : trường hợp bất lợi nhất là khi gió thổi trực giao với trục nhà. Quy ước : - Nhà hẹp : b ≤ 2,5 H nhà với b : chiều rộng nhà H nhà : chiều cao nhà - Nhà rộng : b > 2,5 H nhà - Nếu khoảng cách giữa hai nhà lớn hơn 10 lần chiều cao của ngôi nhà đứng trước theo chiều gió thì coi như đứng độc lập, nhỏ hơn 10 lần thì coi là cụm nhà. Dưới đây là sơ đồ bóng khí động ứng với các trường hợp khác nhau. Hình 1.1 a. Nhà hẹp đứng độc lập Bài giảng môn học Quan trắc môi trường không khí http://www.ebook.edu.vn Trang 7 Biện Văn Tranh Hình 1.1 b. Nhà rộng đứng độc lập Hình 1.1 c. Nhà hẹp đứng trước nhà khác với khoảng cách x 1 ≤ 10 H nh Hình 1.1 d. Nhà rộng đứng trước nhà khác với khoảng cách x 1 ≤ 8 H nh Chú thích trên hình vẽ 1.1 a ; 1.1 b ; 1.1 c ; 1.1 d : 1- vùng áp suất dương (cản gió); 2- vùng gió quẩn chung (bao trùm cả bên trên và sau nhà); 3- vùng gió quẩn trên mái nhà phía đón gió; 4- vùng gió quẩn phía khuất gió; 5- vùng gió quẩn giữa hai ngôi nhà. Bài giảng môn học Quan trắc môi trường không khí http://www.ebook.edu.vn Trang 8 Biện Văn Tranh Ø Chiều cao giới hạn của các nguồn thải thấp : a) Nhà hẹp đứng độc lập : Hình 1.2 Chiều cao giới hạn H gh của nguồn điểm thấp trong trường hợp nhà hẹp đứng độc lập. Quy ước : + Mặt chuẩn là mặt sau của nhà. + b z là khoảng cách từ nguồn đến mặt chuẩn : nếu nguồn nằm bên trái thì b z > 0, nếu nguồn nằm bên phải thì b z < 0. Miệng thải của ống khói nằm thấp hơn đường huyền AB của tam giác vuông OAB được xem là nguồn thấp. Chiều cao giới hạn của nguồn thải : H gh = 0,36 b z + 2,5 H nh b) Nhà rộng đứng độc lập : H gh = (b z + 4,7 – H nh ) * tgα = 0,36 b z + 1,7 H nh Hình 1.3 chiều cao giới hạn H gh của nguồn điểm thấp trong trường hợp nhà rộng đứng độc lập. Bài giảng môn học Quan trắc môi trường không khí http://www.ebook.edu.vn Trang 9 Biện Văn Tranh c) Với cụm nhà : H gh = (x 1 + b z )* tgα + H nh ’ = 0,36 ( x 1 + b z ) + H nh ’ Hình 1.4 Chiều cao giới hạn H gh của nguồn điểm thấp trong trường hợp hai hay nhiều nhà đứng cạnh nhau trên trục gió. Bài giảng môn học Quan trắc môi trường không khí http://www.ebook.edu.vn Trang 10 Biện Văn Tranh CHƯƠNG II : CÁC NGUỒN VÀ TÁC NHÂN GÂY Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ Để nghiên cứu về vấn đề ô nhiễm không khí chúng ta cần phải biết rõ tất cả các nguồn phát sinh ra chất ô nhiễm, các loại chất ô nhiễm và tác hại của chúng đối với môi trường, từ đó mới có thể đề xuất ra các giải pháp để giảm thiểu và xử lý ô nhiễm một cách có hiệu quả. 2.1 CÁC NGUỒN GÂY Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ : 2.1.1/ Khái niệm về ô nhiễm không khí : Ô nhiễm không khí là hiện tượng làm cho không khí sạch thay đổi thành phần và tính chất trước bất cứ một nguyên nhân nào, có nguy cơ gây tác hại tới động vật, thực vật, đến các môi trường xung quanh, các loại vật liệu và đến sức khỏe của con người. Không khí sạch là không khí của khí quyển khi chưa có sự tác động của con người. Gồm : Oxy : 20,91% Nitơ : 78,09% Argon : 0,93% CO 2 : 0,032% Ne : 0,02% He : 0,05% CH 4 , H 2 , CO … với hàm lượng rất ít Hơi nước : có ảnh hưởng rất lớn đến môi trường, quá trình phát tán, biến đổi và pha loãng chất ô nhiễm trong không khí. Ngoài ra, còn có các cấu tử dạng hạt lơ lửng, bụi, phấn hoa, vi khuẩn, virút, bào tử nấm … và mùi. Nguồn ô nhiễm Khí quyển Nguồn tiếp nhận Chất ô nhiễm Biến đổi 2.1.2/ Nguồn gây ô nhiễm không khí : Nguồn gây ô nhiễm không khí là nguồn sinh ra các chất ô nhiễm. Có 4 cách phân loại nguồn gây ô nhiễm không khí : ♦ Cách 1 : Dựa vào nguồn gốc phát sinh, chia nguồn ô nhiễm ra làm hai loại là nguồn tự nhiên và nguồn nhân tạo. a) Nguồn tự nhiên (thiên nhiên) : Nguồn tự nhiên là nguồn do các hiện tượng tự nhiên gây ra như : 9 Ô nhiễm do hoạt động của núi lửûa : Khi hoạt động, núi lửa phun ra một lượng khổng lồ các chất ô nhiễm như tro bụi, khí SO 2 , H 2 S và CH 4 , tác động môi trường của các đợt phun trào núi lửa là rất