Bài giảng Kiểm soát môi trường không khí - Chương 3: Sự phát tán chất thải vào khí quyển - Huỳnh Ngọc Anh Tuấn

Nội dung text: Bài giảng Kiểm soát môi trường không khí - Chương 3: Sự phát tán chất thải vào khí quyển - Huỳnh Ngọc Anh Tuấn

1. SỰ PHÁT TÁN CHẤT THẢI VÀO KHÍ QUYỂN - Huỳnh Ngọc Anh Tuấn -
2. CÁC VẤN ĐỀ 1) Ảnh hưởng của các yếu tố khí quyển lên sự phát tán. 2) Khuếch tán rối của khí quyển và sự phân bố của chất ơ nhiễm. 3) Chuyển động của khơng khí sát mặt đất. 4) Phân loại các nguồn gây ơ nhiễm lớp khơng khí sát mặt đất. 5) Độ nâng cao của luồng khĩi.
3. 1 - Các yếu tố khí quyển ◼ Giĩ Yếu tố cơ bản gây nên sự phân bố chất ơ nhiễm trong mơi trường khơng khí. Hướng giĩ chủ đạo, sự phân bố và vận tốc giĩ phụ thuộc vào sự tuần hồn của khơng khí trong khí quyển. Giĩ chuyển động từ vùng áp cao → áp thấp. Tốc độ giĩ phụ thuộc vào chênh lệch áp suất khí quyển. Tầng khơng khí sát mặt đất cĩ tốc độ giĩ ban ngày lớn hơn ban đêm, cịn ở trên cao thì ngược lại – tốc độ giĩ ban đêm lớn hơn ban ngày.
4. Giĩ biển
5. Giĩ đất
6. Giải thích ◼ Ban ngày nhiệt độ ở đất liền lớn hơn biển, tạo thành hạ áp. Trong khi đĩ mặt biển lạnh hơn → khơng khí sẽ di chuyển từ biển vào lục địa. ◼ Ban đêm hiện tượng ngược với ban ngày, nước cĩ nhiệt dung lớn và bức xạ kém hơn so với mặt đất. Do đĩ ở mặt biển nĩng hơn tạo thành cao áp và lục địa lạnh hơn tạo thành hạ áp → giĩ thổi từ lục địa ra biển. Ở trên cao giĩ cĩ hướng ngược lại.
7. Hướng & vận tốc giĩ ◼ Hướng giĩ chủ đạo của 1 địa phương tại lớp khơng khí bên trên và tại mặt đất khơng trùng nhau. ◼ Trong phạm vi đến vài km, hướng và vận tốc giĩ khơng cố định mà thay đổi. ◼ Đối với sự khuếch tán chất ơ nhiễm trong khí quyển thì vận tốc giĩ nguy hiểm là lặng giĩ và giĩ rất nhẹ.
8. Biến thiên nhiệt độ theo chiều đứng ◼ Gradien nhiệt độ = độ giảm nhiệt độ (lapse rate) theo chiều đứng : Sự thay đổi nhiệt độ của khơng khí trên mỗi 100m độ cao. dT  = − dz ◼ Gradien nhiệt độ đẳng nhiệt: nhiệt độ khơng thay đổi trên tất cả các độ cao. ◼ Gradien đoạn nhiệt = gradien đoạn nhiệt khơ: sự thay đổi trạng thái (nhiệt độ, áp suất và mật độ khơng khí) khơng cĩ sự trao đổi nhiệt với mơi trường xung quanh. ◼ Gradien nhiệt độ trên đoạn nhiệt: độ giảm nhiệt độ > 1oC/100m độ cao → khí quyển khơng ổn định.
9. Tính ổn định đứng của khí quyển
10. Tính ổn định đứng của khí quyển (tt) ◼ Khí quyển khơng ổn định (khí quyển trên đoạn nhiệt):  > k → khơng khí và chất ơ nhiễm bốc lên cao → chất ơ nhiễm được khuếch tán, pha lỗng trong khí quyển được thuận lợi. ◼ Khí quyển trung tính:  = k → khối khơng khí chiếm vị trí cân bằng mới mà khơng tiếp tục chuyển động → sự khuếch tán (pha lỗng) chất ơ nhiễm khơng thuận lợi. ◼ Khí quyển ổn định (khí quyển dưới đoạn nhiệt): 0<<k → khơng khí và chất ơ nhiễm khơng cĩ hịa trộn đứng → sự khuếch tán (pha lỗng) chất ơ nhiễm khơng thuận lợi. ◼ Khí quyển dưới ổn định: <0<k → kìm hãm sự chuyển động thẳng đứng của khơng khí → sự khuếch tán (pha lỗng) chất ơ nhiễm khơng thuận lợi.
11. 2.1-Khuếch tán rối của KQ ◼ Khuếch tán rối theo chiều ngang - Giĩ và phân bố vận tốc giĩ theo chiều đứng Giĩ là khuếch tán rối của khí quyển theo chiều ngang. Hướng & vận tốc giĩ thay đổi thường xuyên. Vận tốc giĩ thay đổi theo chiều cao & phụ thuộc vào tính ổn định của khí quyển, độ gồ ghề của mặt đất và các vật cản là các cơng trình xây dựng.
12. Vận tốc giĩ (u) tại độ cao z - KQTT ◼ Theo hệ số (theo hàm logarit): u = u1 u, u1: vận tốc giĩ tại độ cao z và z1 (m) tương ứng (m/s) : hệ số tính đến độ tăng vận tốc giĩ theo chiều cao, khơng thứ nguyên. −1 z + zo z1 + zo = ln ln zo zo zo: độ cao tại đĩ vận tốc giĩ bằng 0, z0 = 0,1m
13. Đồ thị xác định hệ số ứng với z1 = 10 và zo = 0,1
14. Vận tốc giĩ (u) tại độ cao z ◼ Theo hàm mũ n z u = u1 z1 n: chỉ số mũ, khơng thứ nguyên Trị số của n cĩ giá trị từ 0 đến 1 được xác định bằng thực nghiệm như sau: • Bằng nội suy sự biến thiên vận tốc theo chiều đứng: n = 0,15; • Bằng thực nghiệm đối với mặt đất phẳng: n = 0,2; mặt đất gồ ghề hay tịa nhà là vật cản: 1/7 < n ≤ 1/3; • Phụ thuộc vào tính ổn định của KQ: KQ khơng ổn định n= 0,11; KQTT n = 0,14; KQ ổn định (nghịch nhiệt vừa) n = 0,2; KQ rất ổn định (nghịch nhiệt mạnh) n =0,33;
15. Xác định hệ số n Stt Trạng thái khí quyển Hệ số n (I) Mặt đất gồ ghề 1 KQ rất khơng ổn định và khơng ổn định điển 0,15 hình (cấp A và B) 2 KQ khơng ổn định nhẹ (cấp C) 0,2 3 KQ trung tính (cấp D) 0,25 4 KQ ổn định nhẹ (cấp E) 0,4 5 KQ ổn định (cấp F) 0,6 (II) Đối với mặt đất phẳng hay trên mặt nước (I) x 0,6 (Nguồn: Cục Bảo vệ Mơi trường Mỹ USEPA)
16. Vận tốc giĩ (u) tại độ cao z và hướng giĩ lệch ◼ Theo Ariel N.Z và Kiuchnikov L.A f u = u1 ; =  −1 f1 f và f1: hệ số phụ thuộc vào độ cao (z và z1 tương ứng) và tính ổn định của KQ, khơng thứ nguyên; : Gĩc lệch của hướng giĩ tại độ cao z so với gĩc đã biết tại o độ cao z1, ; o  và 1: gĩc lệch của hướng giĩ, f, f1, , 1 tương ứng với độ cao z và tính ổn định của KQ (bảng 3.2 tr 96) ◼ VD 3.1 tr 96
17. 2.1-Khuếch tán rối của KQ (tt) ◼ Khuếch tán rối theo chiều đứng – Cường độ khuếch tán và độ cao hịa trộn Khuếch tán rối theo chiều đứng hay sự chuyển động của khơng khí theo chiều đứng cĩ mức độ khác nhau gọi là cường độ. Cường độ khuếch tán rối phụ thuộc vào sự lan truyền nhiệt, tức gradien nhiệt độ theo chiều đứng hay tính ổn định của KQ. Cường độ khuếch tán (ở đk ít mây, khơng mưa và giĩ nhẹ) phụ thuộc vào thời gian trong ngày và trong năm.
18. Độ cao hịa trộn ◼ Độ cao hịa trộn là thơng số để đánh giá mức độ khuếch tán hay chuyển động rối theo chiều đứng của KQ. ◼ Khi một phần tử khơng khí gần mặt đất bị nung nĩng bốc lên cao, nhiệt độ của nĩ giảm theo đường đoạn nhiệt và độ chênh nhiệt độ giữa nĩ với khơng khí xung quanh sẽ giảm dần cho đến khi cân bằng. Độ cao mà tại đĩ nhiệt độ khơng khí bốc lên trên bằng nhiệt độ xung quanh là độ cao hịa trộn. ◼ Độ cao hịa trộn được xác định bằng cách tìm điểm giao nhau của đường đoạn nhiệt đi qua điểm cĩ nhiệt độ cao trên mặt đất với đường phân bố nhiệt độ theo chiều cao thực tế. ◼ Độ cao hịa trộn xác định giới hạn trên của quá trình khuếch tán các chất ơ nhiễm trong khí quyển. ◼ Độ cao hịa trộn thấp vào buổi sáng và tăng dần theo thời gian trong ngày cho đến xế trưa là đạt trị số lớn nhất. Về mùa hè độ cao hịa trộn lớn hơn mùa đơng.
19. 2.2 - Phân bố chất ơ nhiễm trong KQ - Hình dạng luồng khuếch tán rối ◼ Luồng hình sĩng (uốn lượn):  > k → cường độ khuếch tán mạnh. ◼ Luồng hình nĩn:  = k → cường độ khuếch tán vừa. ◼ Luồng hình quạt:  <0< k, T=const → cường độ khuếch tán rất yếu. ◼ Luồng hình quạt dốc lên trên – dạng nửa chuồng chim: lớp nghịch nhiệt gần mặt đất nằm bên dưới miệng ống khĩi, luồng khĩi hình quạt khuếch tán mạnh lên trên. ◼ Luồng hình quạt xơng khĩi: lớp nghịch nhiệt trên cao nằm bên trên miệng ống khĩi, bên dưới là lớp khí quyển khơng ổn định. ◼ Luồng “mắc bẫy”: lớp nghịch nhiệt nằm cả bên trên và bên dưới miệng ống khĩi.
20. Luồng hình sĩng (uốn lượn) Luồng hình quạt dốc lên trên – dạng nửa chuồng chim Luồng hình nĩn Luồng hình quạt xơng khĩi Luồng hình quạt Luồng “mắc bẫy”
21. 3 - Chuyển động của khơng khí sát mặt đất Phân loại các dạng nhà: ➢ Tịa nhà hẹp: nếu b ≤ 2,5h ➢ Tịa nhà rộng: nếu b > 2,5h ➢ Tịa nhà dài: l > 10h ➢ Tịa nhà ngắn: l ≤ 10h ➢ Khoảng cách các nhà trong cơng trình: nếu 2 nhà cách nhau x > 8h10h → các nhà độc lập nhau b - chiều rộng tịa nhà h - chiều cao tịa nhà l - chiều dài nhà (trực giao với hướng giĩ)
22. 3.1 - Chuyển động của khơng khí xung quanh tịa nhà hẹp
23. 3.2 - Chuyển động của khơng khí xung quanh tịa nhà rộng
24. 3.3 - Vùng bĩng rợp khí động và sự phân bố chất ơ nhiễm ◼ Vùng bĩng rợp khí động: là khơng gian tuần hồn khép kín của khơng khí trên và sau tịa nhà khi giĩ chuyển động xung quanh nhà. ◼ Ranh giới vùng bĩng rợp khí động: (dài, rộng, cao) phụ thuộc vào vị trí tương đối của nhà cĩ nguồn thải và các nhà, cơng trình lân cận, vào hướng giĩ, kích thước hình học và vị trí của các nhà, cơng trình theo phương giĩ thổi. ◼ Kích thước vùng bĩng rợp khí động khi giĩ chuyển động xung quanh: hình 3.15 tr 107.
25. 3.4 – Chiều cao giới hạn a. Trong vùng tuần hồn khuất giĩ và trên mái của tịa nhà rộng đứng riêng biệt H gh = 0,36bz +1,7h
26. 3.4 – Chiều cao giới hạn (tt) b. Trong vùng tuần hồn duy nhất trên mái của tịa nhà hẹp đứng riêng biệt H gh = 0,36bz + 2,5h
27. 3.4 – Chiều cao giới hạn (tt) c. Trong vùng tuần hồn giữa 2 tịa nhà hay trên mái của tịa nhà đầu – theo hướng giĩ (nhà rộng) ' Hgh = 0,36(bz + x1) + h
28. 3.4 – Chiều cao giới hạn (tt) d. Trong vùng tuần hồn giữa 2 tịa nhà hay trên mái của tịa nhà đầu – theo hướng giĩ (nhà hẹp) ' Hgh = 0,36(bz + x1) + h
29. 4 - Phân loại nguồn gây ơ nhiễm lớp khơng khí sát mặt đất ◼ Phân biệt nguồn thấp và nguồn cao dựa vào độ cao của nguồn thải so với độ cao của vùng bĩng rợp khí động. ◼ Những nguồn cĩ chiều cao Hhq > Hgh được gọi là nguồn cao, ngược lại Hhq < Hgh gọi là nguồn thấp. ◼ Đối với nguồn thấp, nguồn thải gây ơ nhiễm trước hết là vùng bĩng rợp khí động, và nồng độ chất ơ nhiễm đạt trị số cực đại cũng trong phạm vi vùng bĩng rợp khí động. ◼ Chiều cao hiệu quả Hhq: H hq = Hơ + H Hơ: Độ cao thực của ống khĩi H: Độ cao nâng của luồng khĩi (do lực khí động và lực nổi do mật độ)
30. 1- Vùng ơ nhiễm do phát thải từ nguồn cao 2- Giới hạn của nguồn thấp
31. 4 - Phân loại nguồn gây ơ nhiễm lớp khơng khí sát mặt đất (tt) Nguồn khơng liên hợp Nguồn liên hợp
32. 4 - Phân loại nguồn gây ơ nhiễm lớp khơng khí sát mặt đất (tt) ◼ Theo nhiệt độ hỗn hợp khí – khơng khí thải T = tk - txq Loại nguồn Điển hình T > 100oC Rất nĩng Ống khĩi lị gang, lị sấy, thiết bị hĩa dầu 20oC< T ≤100oC Nĩng Ống khĩi nồi hơi 5oC< T ≤20oC Nĩng yếu Ống khĩi khu vơ bao xi măng T ≈ 0 Đẳng nhiệt Ống khĩi thiết bị xử lý bụi của xưởng gỗ T < 0oC Lạnh Xu hướng chìm, khuếch tán yếu
33. 5 - Độ nâng cao của luồng khĩi H H hq = Hơ + H ◼ H chịu ảnh hưởng của 2 lực: ➢ Lực xung ban đầu của luồng khĩi bốc lên trên (lực khí động) ➢ Lực nổi do mật độ hỗn hợp khí – khơng khí trong luồng nhỏ hơn mật độ mơi trường xung quanh ◼ Cơng thức tính H: tr 115 → 119
34. Nồng độ chất ơ nhiễm khơng khí g/m3; mg/l; mg/m3; g/m3 ; ppm; ppb, %(v) ▪ Ở 25oC, 1 atm (760mmHg) 3 3 M ppm 24,45 mg / m mg / m = ppm = 24,45 M ▪ Ở ToK, P atm 3 3 P R T mg / m mg / m = M ppm ppm = R T P M
35. Tiêu chuẩn chất lượng khơng khí STT Số hiệu tiêu chuẩn Tên tiêu chuẩn 1 TCVN 5937-2005 Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh 2 TCVN 5938-2005 Chất lượng không khí - Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại trong không khí xung quanh 3 TCVN 5939-2005 Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ 4 TCVN 5940-2005 Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với các chất hữu cơ 5 TCVN 5949-1998 Âm học - Tiếng ồn khu vực công cộng và dân cư Mức ồn tối đa cho phép 6 3733/2002/QĐ-BYT Tiêu chuẩn của Bộ Y tế – Tiêu chuẩn chất lượng không khí cho khu vực sản xuất
36. Thanks !