. TÍNH TOÁN TẢI LƯỢNG KHÔNG KHÍ
phương trình phát tá nô nhiễm
PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN Ô NHIỄM
C - nồng độ chất ô nhiễm tại điểm có tọa độ (x,y,z) τ - thời gian
U, v, ω - vận tốc gió theo hướng x, y, z
Dx, dy, dz - hệ số khuếch tán xoáy rối theo hướng trục x, y, z. Trục x hướng theo hướng gió, trục y hướng ngang vuông góc với hướng gió, trục z hướng từ dưới lên trên.
α1: hệ số kể đến sự bổ sung c.ô.n từ bên ngoài vào vệt khói.
α2: hệ số kể đến sự biến đổi chất ô nhiễm do quá trình phản ứng hóa học của chất ô nhiễm trong quá trình di chuyển.
PHƯƠNG PHÁP GAUSS
- Xét một nguồn ô nhiễm là nguồn điểm, hệ tọa độ không gian ba chiều được gắn vào nguồn thải với: gốc tọa độ tại nguồn thải, trục x hướng theo chiều dài của vệt khói (chiều hướng gió), trục y vuông góc với hướng gió, trục z theo chiều thẳng đứng.
- Để giải bài toán phát tán theo mô hình gauss, ta chấp nhận một số điều kiện như sau: + Lượng thải chất ô nhiễm do nguồn thải ra là hằng số theo thời gian, = 0
+ Tốc độ gió không đổi theo thời gian và theo độ cao của vệt khói, u = const.
+ Trong vệt khói không có bổ sung thêm chất ô nhiễm cũng như không có biến đổi hóa học chuyển hóa thành các chất khác trong quá trình chất ô nhiễm di chuyển, α1=α2 = 0 + Địa hình bằng phẳng, không có vật cản, z = const.
+ Xem phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo hướng gió thì tốc độ gió chiếu trên trục y không có,tức là v = 0, chất ô nhiễm là khí hoặc bụi nhẹ nên ω = 0.
+ Sự phân bố nồng độ trên mặt cắt trực giao với trục gió theo phương ngang y và phương đứng z là tuân theo định luật phân phối (xác suất ) chuẩn gauss.
+ Có sự phản xạ tuyệt đối của bề mặt đất đối với luồng khói, tức là không có hiện tượng hấp thụ chất ô nhiễm.
Q: tải lượng chất ô nhiễm, g/s.
σy,σz: độ lệch chuẩn theo hướng ngang và dọc, m. σy =
σz =
: vận tốc gió, m/s
Dy, Dz: hệ số khuếch tán trong pha khí.
: nồng độ chất ô nhiễm trên trục chính theo chiều gió.
: Độ lan truyền bên theo phương ngang.
NỒNG ĐỘ CHẤT Ô NHIỄM TẠI MẶT ĐẤT Trong trường hợp Z = 0: CA(x,y,0)|H =
Trong trường hợp Z = 0 VÀ Y = 0: CA(x,0,0)|H =
Trong trường hợp Z = 0, Y = 0, VÀ H = 0: C(x,0,0)|H =
- Trong quá trình tính toán, việc xác định hai thành phần σy, σz thông qua tính hệ số khuếch tán Dy, Dz theo lý thuyết truyền khối rất phức tạp, do đó có thể tính σy, σz theo công thức của martin (1976) như sau:
σy = a.x0.894 và σz = c.xd + f
Với các hệ số a, c, d, f tương ứng với mỗi cấp ổn định của khí quyển. Lưu ý rằng khoảng cách x tới nguồn tính bằng km, các hệ số σy, σz tính bằng m.
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGUỒN ĐƠN
Nồng độ Cmax, (mg/m3) từ một nguồn thải đơn trong điều kiện khí quyển bất lợi được xác định theo công thức:
A - hệ số phụ thuộc sự phân bố nhiệt độ theo chiều cao khí quyển, được chọn cho điều kiện khí tượng nguy hiểm. Trong tính toán có thể nhận a = 200.
Q - tải lượng ô nhiễm, g/s H - chiều cao ống khói, m V - lưu lượng khí thải, m3/s
Δt - hiệu nhiệt độ khí thải tkt và khí quyển tkk,OC. Nhiệt độ khí quyển, tkk, cần lấy cho tháng nóng nhất trong năm vào lúc 13h.
F - hệ số không thứ nguyên tính đến vận tốc lắng chất ô nhiễm trong khí quyển. đối với chất ô nhiễm ở thể khí: f = 1; đối với bụi nếu hiệu quả xử lý ≥ 90% thì f=2, nếu hiệu quả xử lý < 90% thì f=2,5.
m, n - các hệ số không thứ nguyên tính đến điều kiện thoát khí thải từ cổ ống khói. m được xác định theo công thức sau:
m = (0,67 + 0,1?f + 0,34.3?f )-1 với f <=100 m = (1,47.3?f )-1 với f > 100 f = ω0- vận tốc thoát khí từ cổ ống khói, m/s D - đường kính cổ ống khói (m) n = 1 nếu vm ≥ 2 n = 0,532vm2- 2,13 vm + 3,13 nếu 0,5≤ vm < 2 n = 4,4 vm nếu vm < 0,5 Với vm = 0,65
Vận tốc gió nguy hiểm Um là vận tốc gió mà khi đó nồng độ chất ô nhiễm ở lớp khi quyển gần mặt đất đạt giá trị lớn nhất, được xác định theo như sau:
um = 0,5 nếu vm ≤ 0,5 um = vm nếu 0,5 < vm ≤ 2 um = vm nếu vm > 2
Với vận tốc gió nguy hiểm Um, nồng độ chất ô nhiễm đạt cực đại ở khoảng cách cách ống khói: Xm = d.H
Nếu vận tốc gió khác vận tốc gió nguy hiểm, nồng độ chất ô nhiễm cực đại được tính theo công thức:
Khi đó, nồng độ cực đại ở khoảng cách cách ống khói (XM)u = P.XM
Sự phân bố nồng độ các chất ô nhiễm theo hướng gió ở các khoảng cách x khác nhau tính từ nguồn được xác định theo công thức:
C = S1Cm
Nồng độ chất ô nhiễm trong lớp khí quyển sát mặt đất theo phương vuông góc chiều gió ở khoảng cách y được xác định theo công thức:
Cy= S2C
C - nồng độ chất ô nhiễm tại trục hướng gió S2- hệ số vô thứ nguyên xác định theo đồ thị
Đối với nguồn ô nhiễm đơn (một ống khói trong khu sản xuất) chiều cao ống khói tối thiểu bảo đảm nồng độ trong khí quyển sát mặt đất bằng giới hạn cho phép được xác định bằng công thức:
Với Ccp - nồng độ cho phép trong môi trường xung quanh, mg/m3 (TCVN 5938-1995) Các đại lượng m và n phụ thuộc H, vì vậy trong phép tính gần đúng lần đầu tiên cho m,n=1. Sau đó theo công thức tính H, tiếp theo tính f bằng công thức rồi xác định lại m,n chính xác hơn. Cuối cùng theo giá trị m,n tìm được ta xác định lại giá trị chính xác của H.
Nếu từ một ống khói thải ra nhiều chất ô nhiễm không có ảnh hưởng cộng thì từ chiếu cao ống khói H được chọn theo giá trị lớn nhất khí tính cho từng chất ô nhiễm. Nếu tác động của chất thải từ ống khói được tổng cộng thì trong công thức cần thay Ccp bằng:
với k là số chất ô nhiễm.
Ngoài ra, chiều cao ống khói phải vượt các nhà dân ở lân cận không dưới 2,5 lần. Giới hạn thải các chất ô nhiễm vào khí quyển cho phép, khi đó nồng độ chất ô nhiễm ở lớp không khí gần mặt đất không vượt quá tiêu chuẩn cho phép Ccp được xác định theo công thức:
Các công thức được tính trong trường hợp nồng độ phông của chất ô nhiễm bằng không nếu Cph ≠ 0 và Cph < Ccp thì trong các công thức phải thay Ccp bằng (Ccp - Cph). Nồng độ chất ô nhiễm đã có sẵn trong không khí (phông môi trường) do các nguyên nhân khác trước khi có nguồn ô nhiễm mới. Khi có nguồn ô nhiễm mới thì cần phải xác định mức độ xử lý cho nguồn ô nhiễm này để sao cho nồng độ trong môi trường xung quanh vẫn thỏa mãn tiêu chuẩn cho phép. Nếu nồng độ phông gần hoặc bằng giới hạn cho phép thì bất kì nguồn thải nào đều không được phép. Bởi vì hiệu quả xử lý 100%
thuật). Trong các trường hợp này cách giải quyết đúng đắn nhất là giảm nồng độ phông bằng các biện pháp xử lý tại các nguồn ô nhiễm đang hoạt động hoặc phải chọn khu vực khác.
TÍNH PHÁT TÁN Ô NHIỄM CHO NGUỒN GỒM NHIỀU ỐNG KHÓI
1) Các ống khói được bố trí gần nhau và khoảng cách giữa các ống khói ngoài cùng không vượt quá 4 lần chiều cao ống khói trung bình. Trường hợp này có thể cho rằng các nguồn thải tập trung vào một điểm trung tâm, diện tích bố trí các nguồn.
Ngoài ra, nếu khí thải phân bố đều cho các ống khói và ống khói có cùng chiều cao, cùng đường kính thì nồng độ tối đa tổng cộng của chất ô nhiễm trong lớp gần mặt đất có thể tính theo công thức:
Với M’ - tổng tải lượng ô nhiễm, g/s V’ - tổng lưu lượng thể tích khí thải, m3/s N - số nguồn thải (số ống khói)
Vận tốc gió nguy hiểm um trong trường hợp này được tính theo tham số
2) Các nguồn thải không thể đưa vào một điểm. Đây là trường hợp tổng quát đặc trưng cho diện tích rộng. Việc tính Cm được tiến hành cho các tọa độ mạng lưới đặc trưng của tất cả mọi nguồn thải. Khối lượng công việc rất lớn nên thuận lợi nhất là áp dụng máy vi tính để tính toán.
TÍNH PHÂN BỐ CHẤT Ô NHIỄM DO CÁC NGUỒN ĐIỂM CÓ ĐỘ CAO THẤP Các phương pháp tính toán trình bày ở trên được áp dụng cho các nguồn điểm cao. Những nguồn điểm thấp khi phát tán gặp các công trình nhà cửa sẽ làm thay đổi trường vận tốc của luồng không khí mang chất ô nhiễm. Ở phía sau công trình, vận tốc của dòng không khí giảm xuống và tạo một vùng gió quẩn (còn gọi là bóng khí động) làm loãng không khí và tạo ra vùng có áp lực âm. Nồng độ chất ô nhiễm trong không khí đằng sau công trình khi gió thổi vuông góc với công trình có bề ngang rộng và hẹp rất khác nhau. Đối với nhà có bề ngang hẹp thì bóng khí động trên mái và sau nhà nối liền nhau thành một vùng quẩn chung với chiều rộng bằng khoảng 6 lần chiều cao công trình (6H) và
chiều cao bằng 1,8H. Nếu nhà có chiều ngang rộng thì có vùng khí động trên mái tách riêng với chiều dài 2,5H và chiều cao xấp xỉ 1H.
Khi gió thổi vào giữa hai dãy nhà thì cũng sinh ra vùng gió quẩn. Nếu dãy nhà phía đầu gió có chiều ngang hẹp thì chiều rộng vùng gió quẩn bằng khoảng 8H. Khi khoảng cách công trình lớn hơn 10H thì có thể xem chúng như những dãy nhà độc lập riêng rẽ. Những nguồn ô nhiễm thấp sẽ gây ô nhiễm trầm trọng đối với các vùng gió quẩn này. Chiều cao giới hạn của các nguồn ô nhiễm có ảnh hưởng với vùng khí động được xác định theo công thức sau:
Đối với nhà có bề ngang hẹp, đứng độc lập (B < 2,5H): Hgh = 0,36.L + 2,5.H
Đối với nhà có bề ngang rộng, đứng độc lập (B≥ 2,5H): Hgh = 0,36.L + 1,7.H
Đối với nhóm nhà: Hgh = 0,36.(L + x) + H
Với B: bề dài của nhà theo chiều gió thổi. H: chiều cao nhà
L: khoảng cách từ mép tường sau của nhà tới nguồn ô nhiễm
x: khoảng cách giữa hai nhà. Nếu khoảng cách giữa hai nhà x ≤ 8H nếu nhà đầu gió rộng và x ≤ 10H nếu nhà đầu gió hẹp thì phải tính chúng là cụm công trình. Những khoảng cách xa hơn thì xem như nhà độc lập.
Những nguồn gây ô nhiễm có chiều cao lớn hơn Hgh được gọi là nguồn cao, ngược lại gọi là nguồn thấp.
Tính toán lý thuyết về sự trao đổi chất trong phạm vi bóng khí động đối với môi trường xung quanh rất phức tạp và khó khăn. Vì vậy, người ta thường phải mô hình hóa và tiến hành thí nghiệm trong các ống khí động để tìm ra các công thức thực nghiệm gần đúng. V.M. Elterman đã kiến nghị các công thức thực nghiệm để tính khuếch tán chất ô nhiễm đối với nguồn thấp của các nhà máy đứng độc lập và có bề ngang hẹp như sau: điểm đạt cực đại của chất ô nhiễm nằm trên hướng gió (hướng gió vuông góc với mặt nhà), cách
mặt sau của nhà một khoảng bằng 2,5 lần độ cao nhà. Nồng độ chất ô nhiễm ở mặt sau của nhà bằng khoảng 60% nồng độ cực đại.
Khi nguồn thải là ống khói (nguồn điểm) đặt trên mái nhà nằm trong bóng khí động thì nồng độ chất ô nhiễm cực đại là:
Cmax = k.E/(v.H2), mg/m3 Với E: tổng lượng chất thải, g/s H: chiều cao nhà, m
v: vận tốc trung bình của gió, m/s
k: hệ số phụ thuộc chiều cao ống khói h, chiều cao nhà H và chiều dài của nhà L.
Khi nguồn thải là cửa mái mà chiều dài của băng cửa không nhỏ hơn 4 lần chiều cao của nhà (nguồn đường):
Với m: lượng thải khí ô nhiễm của nguồn, tính trên 1 mét chiều dài của cửa mái.
Nồng độ chất ô nhiễm ở điểm cách điểm có nồng độ cực đại một đoạn x nằm trên trục hướng gió đối với nguồn điểm thấp là:
MÔ HÌNH KHUẾCH TÁN CỦA NGUỒN ĐƯỜNG
Trong thực tế còn thường gặp bài toán về khuếch tán chất ô nhiễm do nguồn đường gây ra. Nguồn đường là những nguồn có chiều dài vô hạn và liên tục phát thải chất ô nhiễm vào khí quyển. Ví dụ như các dòng xe chạy liên tục trên đường dài hoặc là nguồn thải của rất nhiều ống khói trong khu công nghiệp xếp gần nhau trải dài hàng trăm kilômét. Để đơn giản, ta xét nguồn đường dài vô hạn ở độ cao gần mặt đất, gió thổi vuông góc với nguồn đường.
Từ phương trình tính toán phát tán chất ô nhiễm theo phương pháp Gauss, Sutton đã cải biên thành mô hình tính toán phát tán chất ô nhiễm do nguồn đường phát thải liên tục như sau:
Với C: nồng độ chất ô nhiễm trong không khí, mg/m3 E: lượng thải, mg/m.s
z: độ cao của điểm tính toán so với mặt nguồn đường, m
σz: trị số khuếch tán chất ô nhiễm theo phương z, là hàm số của khoảng cách theo phương gió thổi (x).
u: tốc độ gió trung bình, m/s
h: độ cao của mặt nguồn đường so với mặt đất xung quanh, m
Để xây dựng các đường cong đồng mức về nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí, cần thể tính toán với các điểm có toạ độ theo trục x biến thiên mỗi khoảng 2 m và toạ độ theo trục z biến thiên mỗi khoảng 0,5m. Nối các điểm có nồng độ bằng nhau, ta được một đường cong đồng mức nồng độ chất ô nhiễm. So sánh các giá trị này với tiêu chuẩn cho phép sẽ biết được mức độ ô nhiễm do nguồn đường gây ra đối với các nhà cao tầng
MÔ HÌNH KHUẾCH TÁN CỦA NGUỒN MẶT
Đối với trường hợp nguồn phân tán trên một diện tích rộng, có thể coi nguồn ô nhiễm là nguồn mặt, hoặc sự bốc hơi của chất ô nhiễm từ mặt hồ, sự bốc bụi từ bài cát, bãi than rộng cũng có thể coi là nguồn ô nhiễm mặt.
Nếu số lượng các nguồn hợp thành nguồn mặt không nhiều lắm thì có thể sử dụng công thức tính phát tán chất ô nhiễm theo mô hình Gauss để tính cho từng nguồn đơn, sau đó dùng phương pháp cộng tác dụng để tính nồng độ tổng cộng do nguồn mặt gây ra. Hoặc cũng có thể sử dụng công thức Gauss cho nguồn đường để tính như một cách tiếp cận khác của nguồn mặt. Lúc này xem như nguồn mặt là một tập hợp gồm nhiều đường song song. Sau đó cộng tác dụng lại sẽ cho kết quả của nguồn mặt.
Trường hợp đơn giản nhất là sử dụng mô hình hộp không khí để tính nồng độ chất ô nhiễm trên một diện tích rộng, ví dụ như ở một thành phố, với kích thước hộp là chiều dài L, chiều cao H, và chiều rộng W. Hình hộp này có một cạnh đáy song song với hướng gió, độ cao H được xác định theo điều kiện khí quyển và có thể coi như độ cao xáo trộn của khí quyển. Lượng thải Es (mg/m2.s) được tính trên một đơn vị diện tích.
Với mô hình hộp, ta giả sử một số điều kiện như sau:
Giả thiết rằng không khí vào hộp từ phía đầu gió có nồng độ chất ô nhiễm là Cvào. Chất ô nhiễm không khuếch tán qua các mặt song song với hướng gió, tạo ra nồng độ chất ô nhiễm đồng nhất trong hộp.
Chất ô nhiễm không sinh ra cũng không tự mất đi, tức là không có phản ứng hóa học