Giáo trình ô nhiễm không khí phần 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN (IER) PGS.TS ĐINH XUÂN THẮNG GIÁO TRÌNH Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ (Tái lần thứ nhất, 2007) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH 2007 LỜI NÓI ĐẦU Môi trường sống – nôi nhân loại ngày ô nhiễm trầm trọng người Cùng với phát triển xã hội, môi trường bước bị hủy diệt mối quan tâm không riêng quốc gia Bảo vệ môi trường nghóa vụ cộng đồng toàn cầu Việt Nam nói riêng Chỉ thị số 36/CT-TW ngày 25/06/1998 Bộ Chính trị Đảng Cộng sản Việt Nam thể đường lối đạo đắn công tác bảo vệ gìn giữ môi trường sống nước ta Hiện trạng môi trường không khí nước ta, đặc biệt khu công nghiệp đô thị lớn thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, Hải Phòng, Đồng Nai … mối lo ngại cho quan quản lý nhà nước mặt môi trường toàn thể dân cư khu vực Phần lớn nhà máy xí nghiệp chưa có hệ thống xử lý ô nhiễm không khí có hoạt động hiệu mang tính chất đối phó Bên cạnh đó, với đặc điểm công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp mang tính chất sản xuất nhỏ, công nghiệp lạc hậu, thiếu thốn nguyên vật liệu…, nên ngày thải vào môi trường sống khối lượng bụi, khí độc mùi hôi khổng lồ, gây ảnh hưởng cho công nhân trực tiếp sản xuất mà dân cư khu vực lân cận chịu ảnh hưởng đáng kể Việc xây dựng đất nước sở công nghiệp hóa, đại hóa với mức độ gia tăng đáng kể khu vực đô thị, khu dân cư quy hoạch đồng bộ, tổng thể thiếu hợp lý lại gây phức tạp thêm cho công tác quản lý khống chế ô nhiễm từ nguồn thải Các phương tiện giao thông công cộng không thuận tiện cho việc lại nhân dân với trạng quy hoạch mạng lưới tuyến đường không đáp ứng nhu cầu cao thực tế góp phần lớn gây ô nhiễm môi trường không khí khu đô thị lớn thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, … Đặc biệt vào cao điểm thường gây kẹt xe tới liền Cuốn sách biên soạn nhằm mục đích phục vụ cho công tác giảng dạy học tập cán bộ, sinh viên học viên sau đại học chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường http://www.ebook.edu.vn Nội dung sách bao gồm vấn đề nguồn gốc ô nhiễm không khí, tác hại ô nhiễm không khí, trình biến đổi, khuếch tán chất ô nhiễm khí kiểm soát nguồn thải Với nội dung trên, sách phục vụ cho đông đảo bạn đọc thuộc chuyên ngành khác có quan tâm đến lónh vực ô nhiễm môi trường không khí Do nhiều yếu tố khách quan chủ quan, sách không tránh khỏi thiếu sót Tác giả xin chân thành cảm ơn quan tâm theo dõi mong nhận nhiều ý kiến đóng góp đồng nghiệp bạn đọc Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Giáo sư Tiến siõ Trần Ngọc Chấn góp ý cho nội dung sách Chân thành cảm ơn Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh sớm tái sách TP Hồ Chí Minh, 02/2007 Tác giả http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 1.1 TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ Mosris Neibusger - nhà khí tượng học trường đại học California trích dẫn từ tạp chí “Today’s Health” hiệp hội Y học Mỹ xuất sau: “Tất quốc gia văn minh theo đường, biến động mà ngẹt thở từ bầu không khí chứa chất thải họ” Một số nhà sử học tiên đoán giả thiết rằng: “Sự bùng nổ dân số kéo theo nhu cầu thiết yếu cần nhiều thực phẩm hơn, nhiều nước hơn, nơi ở, phương tiện giao thông lại công ăn việc làm Để thỏa mãn nhu cầu không chấm dứt nạn ô nhiễm không khí xung quanh ta” Những sông, hồ từ đời tổ tiên ông bà ta để lại nhanh chóng trở thành dòng chảy có mùi, hồ nước thối rữa mà không sinh vật dù nhỏ bé sống Khả tự làm dòng chảy không với khả giảm nhiều nhân tố gây ô nhiễm gồm nhiều loại nước thải như: nước thải sinh hoạt từ ống cống, chất giặt tẩy, thuốc trừ sâu chất thải công nghiệp Các phương tiện giao thông vận tải máy bay, tàu hỏa dùng dầu Diesel, khí thải từ xe gắn máy, xe ô tô, lò đốt chất thải rắn thải vào khí Trong báo “Man - An erglangerred Spieceis” ( Con người – Mối hiểm hoạ), năm 1968 Department of the interrion year boook cảnh báo rằng: “Chúng ta phải nâng cao tất thứ tương lai trừ tốc độ gia tăng dân số loài người” Trước trẻ em máy xúc hai điều kiện tốt để phát triển xã hội Nhưng ngày loài người muốn tồn phải đưa kế hoạch cho phát triển http://www.ebook.edu.vn Một đặc trưng cần lưu ý việc thuyết phục người phòng bệnh chữa bệnh việc làm khó Điều có nghóa là, với ô nhiễm môi trường, để thuyết phục người phòng chống, bảo vệ gìn giữ môi trường việc làm khó không với người không hiểu biết ô nhiễm môi trường mà người hiểu biết chúng tìm cách né tránh Irving S Bengelsdorf thuộc Los Angeles Times nói rằng, từ nhà khoa học kỹ sư nhận thức vấn đề ô nhiễm trách nhiệm họ phải giải vấn đề này, đề xuất sách trợ giúp nhà lãnh đạo hành việc hướng dẫn thực có hiệu công tác bảo vệ môi trường Tuy nhiên, vấn đề ô nhiễm không giải công nghệ mà phải xem xét phương diện xã hội kinh tế học Nguyên nhân gây phiền toái môi trường rối rắm, phức tạp chiều sâu Chúng ta phải thay tăng trưởng chất thay cho tăng trưởng lượng, cung cấp đầy đủ tính toán phí tổn xã hội vấn đề ô nhiễm, xem xét yếu tố mặt môi trường có kế hoạch định vấn đề đó, nhận thức môi trường vấn đề tổng hợp Chúng ta phải hiểu công nhận phụ thuộc tất khía cạnh môi trường bao gồm người Vấn đề ô nhiễm môi trường vấn đề mang tính chất toàn cầu, yêu cầu phải có biện pháp giải toàn giới Tổ chức giáo dục, văn hóa, khoa học Liên Hiệp Quốc có hoạt động tích cực lónh vực Hội thảo quốc tế Liên Hiệp Quốc “con người môi trường” tổ chức Stockholm - Th Điển tháng 6/1972 tập hợp nhiều chuyên gia, nhà khoa học, quan chức phủ nước giới nhằm thống cương lónh hành động chung công tác gìn giữ bảo vệ môi trường Hội thảo khẳng định việc giải vấn đề ô nhiễm môi trường nhà khoa học, kỹ sư, quan chức hành chính, tổ chức giới…, mà phải mang tích chất cộng đồng - tức cá nhân, người phải có ý thức giữ gìn bảo vệ môi trường Cũng hội nghị người ta thống lấy ngày tháng hàng năm làm ngày “Môi trường giới” Trong thông điệp gửi toàn giới “Cứu lấy trái đất” – chiến lược cho sống bền vững, Hiệp hội quốc tế bảo vệ thiên nhiên (IUCN), Chương trình môi trường Liên Hiệp Quốc (UNEP) Quỹ quốc tế bảo vệ thiên nhiên (WWF) – Grand, Th Sỹ tháng 10 năm 1991, nhấn mạnh ba mục tiêu chiến lược bảo vệ toàn cầu là: http://www.ebook.edu.vn • Phải trì trình sinh thái quan trọng hệ bảo đảm sống; • Phải bảo tồn tính đa dạng di truyền; • Phải sử dụng bền vững loài hay hệ sinh thái Để thực mục tiêu đó, lời kêu gọi nhấn mạnh phải hành động ngăn chặn nạn ô nhiễm môi trường “Tất phủ cần phải ban hành nguyên tắc phòng ngừa Đó giảm nơi có điều kiện ngăn chặn việc thải bỏ bừa bãi chất thải độc hại Tốt dành việc bảo vệ đất, không khí, sông ngòi biển cho quan Phải vận dụng biện pháp kích thích kinh tế quy chế Tất quyền thành phố, công xưởng, công nghiệp nông dân phải đóng góp cho công việc đó” “Việc thải chất SOx, NOx, CO chất hydrocarbon phải giảm tới mức tối thiểu nước có thu nhập cao Bên cạnh đo,ù với nước công nghiệp hoá, tình trạng không để tăng lên Việc thải chất gây “hiệu ứng nhà kính” cần phải hạn chế tới mức tối đa Với nước có thu nhập thấp cần phải cố gắng giảm thiểu ô nhiễm từ nguồn Cũng theo lời kêu gọi “Vào cuối kỷ này, tất phủ phải ban hành nguyên tắc phòng ngừa Những nước có thu nhập cao phải giảm thải sulfur đioxit đến 10 % mức năm 1980 giảm 75 % khí thải NOx mức năm 1985 Việc chế tạo sử dụng chất CFCI (hợp chất chlor, flor carbon công nghệ đông lạnh) phải ngừng nước có thu nhập cao, giảm nhanh mạnh nước khác” “Việc thải CO phải cắt giảm 20 % mức năm 1990 vào năm 2005, nước thu nhập cao phải ngừng việc sản xuất sử dụng vào năm 2010” Tại Mỹ, từ sách quốc gia môi trường năm 1969, ngày tháng năm 1970 ban hành sách bảo vệ môi trường luật dân (Bộ luật No 91 - 190) Chính sách thông qua hội đồng chất lượng môi trường quản lý tất chương trình chất lượng môi trường với xem xét kỹ lưỡng tất mối liên quan chương trình khác có ảnh hưởng đến môi trường Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (Environmental Protection Agency - EPA), đưa thống nhiều quan thuộc nhiều sở, ban, ngành khác giải vấn đề môi trường Nhiệm vụ EPA tổ chức giải vấn đề môi trường sở hợp nhất, thừa nhận mối quan hệ chất ô nhiễm, hình thức ô nhiễm công nghệ xử lý http://www.ebook.edu.vn Tại Việt Nam, vấn đề ô nhiễm môi trường Nhà nước quan tâm đầu tư nhiều kinh phí năm gần Tuy nước lạc hậu, kinh tế phát triển vấn đề ô nhiễm môi trường gây không phiền phức cho xã hội kinh tế Việt Nam mang hình thái kinh tế riêng biệt với công nghệ lạc hậu, nguyên vật liệu thiếu thốn, quy mô nhỏ, nằm xen kẽ khu dân cư đặc biệt nguồn kinh phí đầu tư cho công tác gìn giữ bảo vệ môi trường hạn hẹp Một đặc thù khác thành phố lớn Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, … mật độ giao thông lớn, phương tiện công cộng gần không phù hợp với thị hiếu người dân nên vấn đề ô nhiễm không khí giao thông vận tải gây nhỏ Theo thống kê dân số thành phố Hồ Chí Minh 6.239.938 người (con số điều tra cuối năm 2005), với mật độ dân số việc gây ô nhiễm môi trường hàng triệu xe máy, hàng trăm ngàn xe tải, xe không tránh khỏi Tuy nhiên, năm gần đây, phần kinh tế ngày nâng cao, Đảng Nhà nước quan tâm mức công tác gìn giữ bảo vệ môi trường Việt Nam bước vào nề nếp Song song với việc đời chủ quản (Bộ Khoa học Công nghệ Môi trường, Bộ Tài nguyên – Môi trường) hệ thống ngành dọc (các Sở Khoa học Công nghệ Môi trường Sở Tài ngun & Mơi trường) quan hành khác Điều quan trọng đời Bộ Luật bảo vệ môi trường nước Cộng hoà Xã hội Chủ nghóa Việt Nam 10/1/1994 Luật Môi trường sửa đổi Quốc Hội khóa XI, kỳ họp thứ thông qua ngày 29/11/2005, Chủ tịch nước ký ban hành ngày 12/12/2005 có hiệu lực từ 01/07/2006, công tác bảo vệ môi trường trọng phạm vi nước Các công tác giám sát, xử lý môi trường thực cho hầu hết sở, xí nghiệp, nhà máy đã, xây dựng tương lai Song song hàng loạt văn bản, nghị định luật quan Nhà nước địa phương nhằm thực tốt Bộ Luật nêu 1.2 CÁC TÁC NHÂN GÂY Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 1.2.1 Không khí “sạch” Không khí nước với thực phẩm điều kiện cần thiết quan trọng sống loài động thực vật nói chung Người ta nhịn ăn, nhịn uống hàng chục ngày không chết người ngưng thở vài phút dẫn đến tử vong http://www.ebook.edu.vn Hàng ngày, người trung bình phải hít, thở khoảng 15 kg không khí để phục vụ cho sống Yêu cầu không khí Thời xa xưa không kể đến tượng thiên nhiên xảy động đất, núi lửa, bão cát sa mạc hay dịch phấn hoa môi trường thiên nhiên vốn sạch, yên tónh, không bị ô uế Nó thuận lợi tiện nghi cho người loài sinh vật khác Một cách tương đối, coi không khí “không khí sạch” Trong giáo trình này, kể từ thống gọi không khí không khí để tiện sử dụng Không khí hỗn hợp không khí khô nước Người ta gọi không khí nêu không khí ẩm thành phần chúng chất khí ra, chúng chứa lượng nước định tuỳ thuộc vào nhiệt độ áp suất khí Ở điều kiện bình thường không khí chưa bị ô nhiễm có thành phần sau đây: Bảng 1 Thành phần chất không khí khô chưa bị ô nhiễm Tên chất Công thức Tỷ lệ theo thể tích phân tử Tổng trọng lượng khí (Triệu tấn) Nitơ N2 78,09 3.850.000.000 Oxy O2 20,91 1.180.000.000 Argon Ar 0,93 65.000.000 Cacrbon dioxit CO2 0,032 2.500.000 Neon Ne 18ppm (*) 64.000 Heli He 5,2 “ 3.700 Metan CH4 1,3 “ 3.700 Kripton Kr 1,0 “ 15.000 Hydro H2 0,5 “ 180 Nitơ ôxit N2 O 0,25 “ 1.900 Cacrbonmonoxít CO 0,10 “ 500 OÂzon O3 0,02 “ 200 Sulfur dioxit SO2 0,001 “ 11 Nitô dioxit NO2 0,001 “ Ghi chú: (*) ppm = 0,0001 % thể tích; ppm = M/22,4 mg/m http://www.ebook.edu.vn mg/m3 = 22,4/M Trong đó:M phân tử lượng chất khí; 22,4 thể tích (tính lít) mole chất khí điều kiện tiêu chuẩn (0oC atm) Như trình bày trên, thành phần khô nêu mà người ta thường gọi không khí khô, không khí chứa lượng nước định Thông thường nước tồn không khí dạng “hơi nhiệt”, tức chúng trạng thái chưa bão hoà Không khí nhận thêm nước để trở trạng thái bão hoà Nồng độ bão hoà nước không khí phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Lượng nước bão hịa theo nhiệt độ tham khảo bảng 1.2 sau đây: Bảng 1.2 Nồng độ bão hoà nước phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ (toC) Nồng độ nước bão hoà (%) 0,6 10 1,2 20 2,3 25 3,1 30 4,2 Lượng nước chứa không khí có ảnh hưởng lớn đến vấn đề ô nhiễm môi trường Cùng với yếu tố khác khí quyển, chúng môi trường tạo nên phản ứng hoá học chất ô nhiễm với đặc biệt với chất khí có tính “háo nước” dễ tạo thành axit, nguyên nhân tạo nên trận mưa axit mà thường nhắc đến 1.2.2 Các tác nhân gây ô nhiễm không khí Ở đề cập đến khái niệm không khí sạch, : Thế không khí bị ô nhiễm? Có thể hiểu cách tương đối sau: Bên cạnh thành phần không khí, chất dạng rắn, lỏng, khí thải vào môi trường không khí với nồng độ vừa đủ gây ảnh hưởng tới sức khỏe người, gây ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng, phát triển động, thực 10 http://www.ebook.edu.vn vật, phá huỷ vật liệu, làm giảm cảnh quan môi trường gây ô nhiễm môi trường, hay nói khác không khí bị ô nhiễm Ô nhiễm không khí thể pha trộn thể rắn, lỏng, khí Những thể mà chúng phân tán nhanh nhờ điều kiện khí hậu Khi xảy tượng giảm áp (áùp thấp nhiệt đới) khối không khí chuyển động làm cho chất gây ô nhiễm trở nên đậm đặc, thảm hoạ ô nhiễm xảy Tương tự vậy, chất vô hại tác dụng áp xuất bốc lên trở thành chất gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường không khí chúng kết hợp với chất khác có môi trường không khí Các nhân tố góp phần tạo nên ô nhiễm không khí bao gồm nhân tố tự nhiên người Các nhân tố tự nhiên bao gồm trình tự nhiên như: động đất, núi lửa, bão cát sa mạc, cháy rừng, sóng thần hay dịch phấn hoa trình thối rữa động thực vật Thông thường, nhân tố tự nhiên thường xảy xa tầm kiểm soát người Các nhân tố ô nhiễm người tạo dễ kiểm soát Chất gây ô nhiễm người tạo thường phát sinh từ trình hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải, nông nghiệp, dịch vụ thương mại, phá rừng kể hoạt động chiến tranh gây Chất ô nhiễm không khí người tạo tổng quan chia làm dạng sau: Ơ nhiễm bụi, khí độc, nhiệt thừa, mùi hơi, chất phóng xạ vi sinh vật 1.3 MỘT SỐ HIỂM HOẠ VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 1.3.1 Trên giới Lịch sử nhân loại xảy nhiều hiểm hoạ ô nhiễm không khí Có thể kể đến thảm hoạ xảy kỷ 20 ô nhiễm môi trường không khí gây khí thải công nghiệp thải gây nên tượng “nghịch đảo nhiệt” kìm hãm không cho khí thải phát tán lên cao, gây tượng đầu độc thành phố thuộc thung lũng Manse Bỉ vào năm 1930 tương tự dọc thung lũng Monongahela vào năm 1948 Trong thảm hoạ làm cho hàng trăm người chết nhiều người khác bị ảnh hưởng đến sức khỏe Hiện tượng nghịch đảo làm tăng nồng độ khí độc gây ngạt thở thủ đô London nước Anh, làm chết bị thương 4.000 đến 5.000 người Tại nước Mỹ vào tháng năm 1969 không khí ô nhiễm bị “tù hãm” lâu ngày bao phủ từ miền Chicago Milwankee tới New Orleans Philadelphia gây http://www.ebook.edu.vn 11 Hình 4.34 Biểu đồ nồng độ trục qua chân ống khói lặng gió 4.9 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM Lý thuyết công thức tính toán phân bố nồng độ ô nhiễm mặt đất nguồn điểm cao (ống khói) gây xem xét trước áp dụng cho địa hình phẳng Trường hợp địa hình không phẳng, đường lan truyền khói gặp vật cản có dạng núi đồi, vực sâu, thung lũng … vận tốc gió bị thay đổi, mức độ rối khí bị ảnh hưởng luồng khói bị biến dạng, kéo theo phân bố nồng độ chất ô nhiễm luồng khói mặt đất bị thay đổi Trên hình 4.35 hình ảnh luồng khói địa hình có đồi núi Hình 4.35 Luồng khói lan truyền gặp vật cản đồi núi 132 http://www.ebook.edu.vn Ở phía đón gió sườn đồi luồng gió chuyển động theo đường dòng không khí có xu hướng vừa va đập vào sườn đồi vừa bị hất ngược lên cao Vì nồng độ chất ô nhiễm mặt đất tăng cao so với trường hợp địa hình phẳng Ở phía khuất gió đồi, tranh phức tạp có tượng quẩn gió làm cho chất ô nhiễm bị ứ đọng lại khu vực không lan tỏa xa Nhìn chung, ảnh hưởng địa hình trình khuếch tán chất ô nhiễm đa dạng phức tạp, áp dụng lý thuyết tổng quát bao trùm hết hình thái vật cản tình xảy mà giới hạn trường hợp đơn giản cần dựa vào nghiên cứu thực nghiệm cho trường hợp cụ thể chủ yếu Theo Berliand M.E cộng địa hình có đồi núi thung lũng sườn dốc kéo dài theo chiều trực giao với hướng gió nồng độ chất ô nhiễm mặt đất tính toán trường hợp địa hình phẳng kết nhận thêm hệ số η để kể đến ảnh hưởng vật cản Ở bảng 4.12 trị số ηM ứng với trường hợp bất lợi vị trí nguồn thải vật cản, ví dụ nguồn thải nằm đáy thung lũng chân sườn dốc Hệ số η M phụ thuộc vào thông số sau: n1 = H/h0 (4.118) n2 = a/h0 (4.119) đó: H: chiều cao nguồn thải (ống khói); m h0: chiều cao (hoặc chiều sâu) đồi núi (hoặc thung lũng); m a: nửa bề rộng đồi núi (hoặc thung lũng) bề dài chân mái dốc (Hình 4.36) http://www.ebook.edu.vn 133 Bảng 4.12 Trị số cực đại hệ số ηM Thung lũng Sườn dốc N1 Đồi núi n2 6-9 10 – 15 16 – 20 6–9 10 – 15 16 – 20 6–9 10 – 15 16 – 20 < 0,5 2,0 1,6 1,3 1,8 1,5 1,2 1,5 1,4 1,4 0,6 – 1,6 1,5 1,2 1,5 1,3 1,2 1,4 1,3 1,2 >1 1,5 1,4 1,1 1,4 1,2 1,1 1,3 1,2 1,0 Hệ số η xác định theo công thức η = + f1 (ηM - ) Hệ số f1 phụ thuộc vào tỷ số x0 a (4.120) cho dạng biểu đồ ứng với dạng vật cản khác (hình 4.36) Trong công thức trên hình vẽ: x0 – khoảng cách tính từ đỉnh đồi (hoặc đáy thung lũng) đến vị trí nguồn thải Trường hợp sườn dốc (hình 4.36c), khoảng cách x0 tính từ mép cao sườn dốc Khoảng cách từ nguồn thải đến điểm có nồng độ cực đại mặt đất tính trường hợp địa hình phẳng nhân với hệ số hiệu chỉnh d: d = 1,1 ( 0,2 + η ) –1/2 (4 121 ) Keát khảo sát thực tế thực nghiệm mô hình nhiều tác giả, có kết nghiên cứu hợp tác nhà khoa học nước hệ thống xã hội chủ nghóa (cũ) Trung Đông Âu tiến hành Varna (Hungari) Tixôvô (Tiệp Khắc) cho thấy phương pháp tính toán nêu cho kết phù hợp với thực tế, sai số không 10% Kết thực nghiệm ống khí động Tổ chức bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA – Environmental protection Agency) nhà nghiên cứu Mỹ Liên Xô (cũ) phối hợp tiến hành năm 1982 cho kết luận tương tự 134 http://www.ebook.edu.vn Hình 4.36 Biểu đồ xác định hệ số f1 phụ thuộc vào tỷ số x0 a ứng với dạng vật cản khác a) Đồi núi; b) Thung lũng; c) Sườn dốc Cần lưu ý hệ số biểu đồ nêu áp dụng cho trường hợp nguồn thải nằm phía đầu gió so với vật cản hình 4.36a ta có biểu đồ hoàn toàn đối xứng qua trục đứng, ngược lại hình 4.36c biểu đồ f1 không đối xứng 4.10 TÍNH TOÁN NỒNG ĐỘ TRUNG BÌNH CỦA CHẤT Ô NHIỄM TRÊN MẶT ĐẤT DO CÁC NGUỒN THẢI GÂY RA 4.10.1 Nguyên tắc chung Khi tính toán dự báo mức độ ô nhiễm địa điểm nguồn thải khác gây ra, việc xác định nồng độ ô nhiễm tức thời, ta cần phải biết dự báo phân bố nồng độ trung bình ngày đêm, trung bình tháng trung bình năm chất ô nhiễm địa điểm xem xét http://www.ebook.edu.vn 135 Quy tắc chung để xác định nồng độ trung bình năm Theo Noel de nevers “Air pollution control Engineering” , biểu diễn biểu thức: ⎛ nồng độ trung bình ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ năm chất ô nhiễm ⎟ = ⎜ điểm tính toán ⎟ ⎝ ⎠ tất ∑ nguồ n thải ∑ 8÷16 hướng gió cấp ( P.C ) ∑ cávậcncátốpc gió ∑ cáổncđịnh khí đó: P – tần suất xuất thông số như: vận tốc gió, hướng gió cấp ổn định khí C – nồng độ tức thời chất ô nhiễm điểm xem xét nguồn định điều kiện thời tiết định (vận tốc gió, hướng gió, độ ổn định) gây Nồng độ tức thời C nồng độ độ tính toán theo phương pháp khác giới thiệu mục đề trước Để thực qui tắc tính toán theo biểu thức tổng quát nêu phần đầu chương đòi hỏi phải có đầy đủ nhiều thông số đầu vào khối lượng tính toán lớn Trường hợp tính toán nồng độ trung bình cho thời gian ngắn, trung bình ngày đêm chẳng hạn, ta đơn giản hoá vấn đề cách giả thiết mùa định (hè đông), cấp ổn định khí thay đổi ngày đêm chung quanh cấp trung bình ta tính toán cấp ổn định trung bình Ngoài ra, cấp vận tốc gió thay trị số vận tốc gió trung bình UTB(∝) hướng α với tần suất xuất gió P(∝) hướng ∝ Một điều quan trọng khác cần lưu ý thực tế số liệu quan trắc khí tượng rõ, tần suất gió hướng khác P(∝) có tần suất lặng gió Plặng Đó tỷ lệ thời gian gió hướng nào, nói cách khác u = Trường hợp khác với trường hợp gió hướng αi xem xét, tức nồng độ tức thời hướng không không mà có giá trị định tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố khác có bán kính tính từ điểm xem xét đến chân nguồn thải Như đề cập đến trước đây, phương pháp tính toán Bosanquet, Pearson, Sutton “mô hình Gauss“ Pasquill – Gifford áp dụng cho trường hợp vận tốc gió khác không (u # – non zero wind speed) u = 136 http://www.ebook.edu.vn công thức tính toán phương pháp nêu trở nên không xác định (division by zero) Do vậy, để tính toán nồng độ trung bình áp dụng phối hợp phương pháp tính toán vừa nêu trường hợp lặng gió Berliand dựa hẳn vào phương pháp Berliand ứng với hai trường hợp: có gió lặng gió 4.10.2 Về hệ số trung bình ứng với số liệu tần suất gió tần suất lặng gió Có thể có nhiều phương pháp gia công số liệu khí hậu gió khác Ta quy ước gọi: τ gió – thời gian có gió tất hướng τ lặng – thời gian lặng gió τ = τ gió + τ lặng – Tổng thời gian quan trắc (ngày đêm, tháng năm) τ α - Thời gian có gió hướng α Phương pháp thứ - Tần suất lặng gió: Plặng = τlặng τo (4.122) (Để đơn giản tính toán, tần suất thể số thập phân, không dùng %) - Tần suất gió hướng ∝ Pα = τα τlặng = Trường hợp ta có: τα τ − τlặng (4.123) m Plặng < ∑ Pα = α =1 - Hệ số trung bình K∝ hướng gió α trường hợp là: τgió τα − τlặng τ τ τ = α ⋅ Kα = α = α ⋅ τo τgioù τo τgioù τo (4.124) Kα = Pα( – Plặng) Phương pháp thứ - Tần suất lặng gió: Plặng = τlặng τo (như phương pháp 1) http://www.ebook.edu.vn 137 τ Plα = α τ0 - Tần suất gió hướng α: (4.125) Trường hợp ta có: m ∑ Pα < Plặng < ; α=1 Plặng + m ∑ Pα = α=1 Và lúc hệ số trung bình Kα Pα: Kα = P α : (4.126) Phương pháp thứ - Tần suất lặng gió: Plặng = τlặng (4.127) τgióù - Tần suất gió hướng α: Pα = τα (như phương pháp 2) τgió m Trường hợp ta có: ∑ P = , hệ số trung bình K α laø α α =1 τ τα τα τα Kα = α = = = τo τgió + τlặng τgió + Plặng τgió τgió + Plặng ( Và : Kα = ) Pα + Plaëng (4.128) Trong ba phương pháp xử lý số liệu quan trắc tần suất gió tính phương pháp áp dụng nhiều Tiêu chuẩn Việt Nam 4088 – 85 (TCVN 4088-85) số liệu khí hậu xây dựng số liệu gió xử lý theo phương pháp 4.10.3 Công thức xác định nồng độ trung bình theo tần suất gió Từ lập luận nêu đây, ta viết biểu thức xác định nồng độ trung bình ngày đêm chất ô nhiễm mặt đất vị trí tính toán nguồn thải thứ i gây sau: m C xy (i ) = Plặng × C laëng(i ) + ∑ Kα Cα (i ) (4.129) α =1 Thay giá trị hệ số trung bình Kα từ công thức (4.129) vào (3.134a) ta thu được: 138 http://www.ebook.edu.vn C xy (i ) = Plặng × C lặng(i ) + (1 − Plaëng )∑ Kα Cα (i ) m (4.130) α =1 nồng độ tổng cộng trung bình điểm có tọa độ x, y n nguồn thải gây là: m m C xy ( tổng) = ∑ ⎡ Plặng × C lặng(i ) + (1 − Plaëng )∑ Kα Cα (i ) ⎤ ⎥⎦ α =1 ⎢ α =1 ⎣ (4131) Trong caùc công thức trên: Cxy(i) – nồng độ trung bình vị trí có tọa độ x, y nguồn thứ i gây Cxy(tổng) – nồng độ tổng cộng trung bình n nguồn thải gây điểm tính toán Clặng(i) - nồng độ tức thời nguồn thải thứ i gây điểm tính toán lặng gió ( u = 0) Cα(i) - nồng độ tức thời nguồn thải thứ i gây điểm tính toán có gió thổi theo hướng α ứng với vận tốc gió trung bình hướng độ ổn định trung bình khí suốt khoảng thời gian tính toán trị số trung bình (ngày đêm, tháng năm) Trị số Cα(i) = điểm tính toán nằm phía đầu gió cách xa trục hướng gió α xem xét 4.10.4 Ví dụ tính toán Cho hai nguồn thải có số liệu nguồn nhau: Nguồn số Nguồn số H1 = 40 m H2 = 60 m D1 = 1,2 m D2 = 2,0 m L1 = 9,05 m3/s L2 = 25,14 m3/s M1 = 17,69 g/s M2 = 49,14 g/s tkhói (1) = 2000C tkhói (2) = 2000C Vị trí tương đối hai nguồn thải điểm tính toán X xem nằm tâm ô vuông cạnh 100 × 100 m cho hình 37 http://www.ebook.edu.vn 139 Hình 4.37 Hãy xác định nồng độ trung bình ngày đêm chất ô nhiễm khí SO2 hai nguồn thải gây điểm X nằm cuối hướng gió Đông Nam so với nguồn cho biết: Địa phương tính toán: Hà Nội; mùa hè Nhiệt độ tần suất gió Tây theo TCVN 4088-85, tháng tN = 28,80C Tần suất lặng gió: Plặng = 11,9% Tần suất vận tốc gió trung bình Hướng B: Tần suất 5,5% vận tốc TB 1,8 m/s ĐB: Tần suất 7,4% vận tốc TB 2,7 m/s Đ: Tần suất 14,2% vận tốc TB 2,9 m/s ĐN: Tần suất 45,2% vận tốc TB 3,2 m/s N: Tần suất 12,9% vận tốc TB 3,0 m/s TN: Tần suất 4,0% vận tốc TB 2,1 m/s T: Tần suất 4,1% vận tốc TB 2,7 m/s TN: Tần suất 6,7% vận tốc TB 3,0 m/s Tính toán tiến hành theo phương pháp Berliand – dẫn kỹ thuật cho trường hợp có gió với vận tốc gió trường hợp lặng gió Độ ổn định khí thể qua thông số “mức độ rối” khí A Giả thiết mức rối trung bình A = 220 Đối với chất ô nhiễm ta có: F = 1, hệ số tính toán cho trường hợp lặng gió nhận trị số n = 0,2 ; K1 = 0,1 GIẢI Trước tiên cần tính toán Cmax, xM nguồn điều kiện vận tốc gió nguy hiểm để xác định vận tốc gió nguy hiểm trung bình trọng điểm 140 http://www.ebook.edu.vn Nguồn ω= 25,14 × = 8m ; s π ×2 Δt = 200-28,8 = 171,20C >0 Áp dụng công thức tính toán ta có: f = 10 82 × 1,2 = 0,280 < 100 nguồn nóng 40 × 171,2 VM = 0, 653 9, 05 × 171, = 2, 199 m s 40 >2 u M = 2, 199(1 + 0, 12 0, 28 ) = 2, 339m / s ( m = 0, 67 + 0, 0, 280 + 0, 343 0, 280 ) −1 = 1, 058 Ta có n = (vì VM > ) ( ) d0 = 2,199 + 0,283 0,28 = 12,282 C max = xM = 220 × 17,69 × × 1,058 × 40 (9,05 × 171,2 ) = 0,2224 mg m3 −1 × 12,282 × 40 = 491,3m Nguồn ω= 25,14 × = 8m ; s π × 22 Δt = 200-28,8 = 171,20C > f = 10 × 1,2 = 0,280 < 100 dây nguồn nóng 40 × 171,2 Áp dụng công thức ta coù: VM = 0,653 VM > m 25,14 × 171,2 = 2,701 m s 60 s ( ) U M = 2,701 + 0,12 0,280 = 2,849 m ( : m = 0,67 + 0,1 0,280 + 0,343 0,280 ) −1 s = 1,058 http://www.ebook.edu.vn 141 n=1 ( ) d0 = 2,701 + 0,283 0,28 = 13,413 C max = 220 × 49,14 × × 1,09 × 60 (25,14 × 171,2 ) = 0,202 mg m3 −1 × 13,413 × 60 = 804,8m xM = Vaän tốc gió nguy hiểm trung bình trọng điểm UM 2,339 × 0,224 + 2,849 × 0,202 0,2224 + 0,202 = 2,582 m s TB = Điểm tính toán X nằm trục gần trục gió hướng Đông – Nam cách xa trục hướng gió khác, ta cần tính toán hướng gió Vận tốc trung bình hướng Đông – Nam lấy từ bảng tần suất vận tốc gió cho: U TB = 3,2 m λ= s với tần suất Pα = 45,2% U TB 3,2 = = 1,239 TB U M 2,582 r = × 1,239[2 × 1,239 − 1.239 + 2] = 0,97 −1 P = 0,32 × 1,239 + 0,68 = 1,076 Nguồn C max(u ) = 0, 97 × 0, 2224 = 0, 216 mg xM(u) = 1,076 × 491,3 = 528,6 m q= m3 424 = 0,802 528,6 S1(q) = 0,933 Cx,y=0(u) = 0,933 × 0,216 = 0,2015 mg/m3 Khi lặng gió Bán kính R = 424 m a= 142 × 0,1 = 0,278 (1 + 0,2)2 http://www.ebook.edu.vn C( R ) = 10 × 17,69 2π (1 + 0,2 ) × 0,1 × (0,278 × 40 1, + 424 ) = 0,1173 mg m3 Nồng độ chung nguồn gây điểm X có gió gió C xy (1) = Plặng × C ( R −1) + (1 − Plặng ) × Pα × Cα (1) = 0,119 × 0,1173 + (1 − 0,119 ) × 0,452 × 0,2015 = 0,094 mg m3 Nguoàn C max( u ) = 0,97 × 0,202 = 0,196 mg m3 xM(u) = 1,076 × 804,8 = 866 m q= 707 = 0,816 866 S1(q) = 0,94 ⎝ ⎠ ⎛ 141,4 ⎞ ⎟ = 0,128 ⎝ 707 ⎠ β = U TB ⎛⎜ y x ⎞⎟ = 3,2⎜ S2 ( β ) = [(1 + 8,4 × 0,128)(1 + 28,2 × 0,128 )] = 0330 −1 Cxy(u) = S1× S2 × Cmax(u) = 0,94×0,33×0,196 = 0,061 Khi lặng gió Bán kính R = 141,4 + 707 = 721m C( R ) = 103 × 49,14 2π (1 + 0,2 ) × 0,1 × (0,278 × 60 1, + 721) = 0,113 mg m3 Nồng độ chung nguồn gây điểm X có gió gió C xy ( ) = 0,119 × 0,113 + (1 − 0,119 ) × 0,452 × 0,061 = 0,0377 mg m3 Kết cuối Nồng độ trung bình tổng cộng hai nguồn gây điểm X có gió lẫn lặng gió: U TB xy ( tổng) = 0,094 + 0,0377 = 0,1317 mg m3 ≈ 0,132 mg http://www.ebook.edu.vn m3 143 Để hình dung tổng quát phân bố nồng độ ô nhiễm trung bình mặt đất phạm vi rộng lớn, hình 4.38, cho thấy đồ ô nhiễm lập nguồn có số liệu nhiệt độ, tần suất vận tốc gió trung bình tám hướng mùa hè (tháng 7) địa phương Hà Nội Từ đồ ô nhiễm ta thấy, hướng gió chủ đạo mùa hè Hà Nội Đông – Nam với tần suất 45,2% nên vùng chịu ảnh hưởng nhiều nguồn thải vùng nằm hướng Tây – Bắc so với vị trí nguồn thải tiếp đến vùng phiá Tây phía Bắc tức vùng chịu ảnh hưởng gió Đông gió Nam với tần suất tương ứng 14,2% 12,9% Ngoài ra, vị trí nằm gần chân nguồn thải chịu tác động tương đối lớn trình khuếch tán chất ô nhiễm lặng gió Nồng độ trung bình kể có gió lặng gió chân ống khói lên đến 5,234 mg/m3 nguồn số 5,453 mg/m3 nguồn số hai (xem bảng số liệu 4.13, số có gạch chân, kèm theo đồ hình 4.38) Trên hình 4.39 biểu đồ phân bổ nồng độ ô nhiễm mặt cắt chạy dọc theo chiều Đông – Tây cách mép đồ ô nhiễm khoảng cách 1550m 1750m Đây mặt cắt chạy qua tâm hàng ô vuông thứ j = 16 j = 18 đồ, mặt cắt j = 16 (1550m) chạy qua điểm tính toán X cho ví dụ Do ta đọc trị số nồng độ điểm tính toán X biểu đồ đối chiếu với kết tính toán tay thực ví dụ ta thấy hoàn toàn khớp Trị số nồng độ điểm tính toán X đọc bảng số liệu (bảng 4.13) ứng với ô i = 25 j = 16 (trị số có đóng khung bảng 4.13) 144 http://www.ebook.edu.vn Hình 4.38 Bản đồ phân bố nồng độ trung bình tổng cộng theo tần suất gió Hình 4.39 Biểu đồ nồng độ trung bình tổng cộng mặt cắt http://www.ebook.edu.vn 145 hướng Đông – Tây Chúng ta hình dung có ống khói thải lượng chất ô nhiễm độ cao h Trước hết, giả thiết khí thải có nhiệt độ nhiệt độ không khí bề mặt trái đất hoàn toàn phẳng chướng ngại vật Khí thải sau ống khói chuyển động theo chiều gió, khối lượng tốc độ đỉnh ống khói nhỏ tới mức ảnh hưởng quán tính bỏ qua Không khí bị ô nhiễm hỗn hợp với không khí bên phát tán khí theo hình nón Nồng độ ô nhiễm giảm theo trục hướng gió trục vuông góc với hướng gió Khối lượng không khí bị ô nhiễm tăng, khối lượng chất ô nhiễm giữ không đổi (xem hình 4.39) Câu hỏi kiểm tra đánh giá: Các yếu tố ảnh hưởng đến trình phát tán chất ô nhiễm? Sự phân bố chất ô nhiễm theo quy luật Gauss xảy nào? So sánh giống khác mô hình Bosanquet, peason, sutton Gauss? Trình bày lắng đọng bụi trình khuếch tán nguồn thải cao? Trình bày cách tính nồng độ trung bình chất ô nhiễm mặt đất? Tài liệu tham khảo: Tiếng Việt Trần Ngọc Chấn, Ô nhiễm không khí kỹ thuật xử lý, tập 1; Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2000 – 2001 Phạm Ngọc Đăng, Môi trường không khí, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1997 Tiếng Anh Henry C Perkins, Air pollution, Aerospace and Mechanical Engineering Department University of Arizona, 1974 US Departerment of Helth, Education and Welfare, Air pollution Control Field Operation Manual, PHS, Pub N0937, Washington D.C., U.S Government Printing Office, 1962 146 http://www.ebook.edu.vn ... coi không khí ? ?không khí sạch” Trong giáo trình này, kể từ thống gọi không khí không khí để tiện sử dụng Không khí hỗn hợp không khí khô nước Người ta gọi không khí nêu không khí ẩm thành phần. .. môi trường không khí b) Phân loại không khí Không khí khí mà hít thở hỗn hợp chất dạng khí tích không đổi nước Căn vào thành phần phân loại không khí làm hai loại sau: * Không khí khô: Không khí. .. chất ô nhiễm không khí sau: - Chất ô nhiễm không khí thể rắn: ví dụ loại bụi - Chất ô nhiễm không khí thể khí: ví dụ loại khí độc - Chất ô nhiễm không khí thể lỏng: ví dụ loại dung môi 2.4 Ô NHIỄM