Розрахунок, аналіз та прогноз забруднення території при викидах забруднення точковим джерелом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розрахунок, аналіз та прогноз забруднення території при викидах забруднення точковим джерелом

1. Стан повітряного середовища в Україні

атмосферний повітря забрудненість навколишній

Атмосферне повітря - один з найважливіших природних ресурсів, без якого життя на Землі було б абсолютно неможливим. Атмосферний кисень О₂, необхідний для дихання людей, тварин, переважної більшості рослин і мікроорганізмів [1].

Атмосфера, як елемент глобальної екосистеми, виконує кілька основних функцій:

- захищає живі організми від згубного впливу космічних випромінювань та ударів метеоритів;

- регулює сезонні й добові коливання температури (якби на Землі не існувало атмосфери, то добові коливання температури досягали б ± 200°С);

- є носієм тепла й вологи;

- є депо газів, які беруть участь у фотосинтезі й забезпечують дихання;

- зумовлює низку складних екзогенних процесів (вивітрювання гірських порід, діяльність природних вод, мерзлоти, льодовиків тощо).

Основні компоненти атмосфери: азот (78,084%), кисень (20,946%) та аргон (0,934%). Важливу роль відіграють і так звані малі домішки: вуглекислий газ, метан тощо. Крім того, атмосфера містить водяну пару: від 0,2% у приполярних районах до 3% поблизу екватора. Такий хімічний склад атмосфера Землі мала не завжди. Первісна атмосфера Землі була схожа з атмосферами деяких інших планет Сонячної системи, наприклад Венери, й складалася з вуглекислого газу, метану, аміаку тощо. Нинішня киснево-азотна атмосфера - результат життєдіяльності живих організмів [1].

Україна лежить на шляху перенесення повітряних мас з Атлантики далеко на схід у центр Євразії. У середньому через її територію щороку проходять 45 циклонів (переважно восени, навесні і взимку) і 35 антициклонів (влітку, ранньої осені і взимку). Практично не буває тривалого застою повітря.

Основними забруднювачами були і лишаються підприємства енергетики і металургії. На них припадає понад 70% усіх викидів оксиду азоту, а сполук сірки ще більше - 82%. Перспективи на майбутнє невтішні, бо фінансова скрута змусить підприємства шукати якнайдешевше паливо. Для них буде надто дорогим екологічно чистий газ, який доведеться замінити на мазут і низькосортне вугілля. Якщо не будуть знайдені кошти на доочищення викидів і не зменшиться обсяг виробництва у згаданих галузях, то годі чекати очищення повітря в промислових містах України (дод. А).

Вимірювання на території України свідчать, що практично в усіх великих містах постійно чи періодично шкідливі речовини присутні у повітрі у надмірній кількості. На початок 90-х років XX ст. найбільшими викидами у повітря характеризувалися Кривий Ріг (1,15 мли т), Маріуполь (650 тис. т), Запоріжжя, Макіївка, Дніпропетровськ, Дніпродзержинськ (по 350 тис. т), Київ, Донецьк, Керч, Дебальцеве (по 300 тис. т), Комунарськ і Одеса (200 тис. т) та ін. Характерними для міст є порівняно високі рівні забруднення специфічними і органічними сполуками: бензопірепом, фенолом, формальдегідом, аміаком та ін.

Згідно з Національною доповіддю про стан техногенної та природної безпеки в Україні у 2012 році оцінка стану забруднення атмосферного повітря проводилася гідрометеорологічними організаціями у 53 містах на 164 пунктах спостережень та на двох станціях транскордонного переносу.

У 2012 році у трьох містах України було зафіксовано 24 випадки високого забруднення (далі - ВЗ) атмосферного повітря: - з хлористого водню - 4 випадки у місті Красноперекопську; з завислих речовин - 4 випадки у Харкові та 16 випадків у Кривому Розі. У 2011 році - спостерігалось 7 випадків ВЗ [2].

На двох станціях спостережень за транскордонним перенесенням забруднювальних речовин - Світязь (Волинської обл.) та Рава-Руська (Львівської обл.) середньорічні концентрації діоксиду сірки та діоксиду азоту не перевищували санітарно-гігієнічних нормативів і знаходились у межах від 0,02-0,04 ГДКс.д. 5 та 0,2-0,8 ГДКс.д. Перевищення ГДКс.д. за максимальними величинами з діоксиду азоту спостерігалось на метеостанції Світязь - в 0,8% від загального обсягу проб, а на метеостанції Рава-Руська - в 20,8% проб [3].

Викиди сполук сірки - SО₂, SО₃ і Н₂S є найтоксичнішими. Дані про викиди окремих шкідливих речовин в атмосферу від стаціонарних джерел України наведено в таблиці 1.1.1.

До сполук сірки включені речовини: сірчастий ангідрид, кислота сірчана, сірководень, сірковуглець.

До сполук азоту включені: оксиди азоту, кислота азотна, аміак. У зв'язку з відсутністю обліку до сполук азоту в 2005 році не ввійшли азотна кислота і аміак.

Динаміка викидів окремих шкідливих речовин в атмосферу України від стаціонарних джерел забруднення (тис. т)

Вплив сірчаного газу та його вихідних на людину та тварин проявляється перш за все в ураженні верхніх дихальних шляхів. Під впливом сірчаного газу та сірчаної кислоти відбувається руйнування хлорофілу в листках рослин, у зв'язку з чим погіршується фотосинтез та дихання, уповільнюється ріст, понижується якість насаджень деревини та урожайність сільськогосподарських культур, а при більш високих та довготривалих дозах впливу рослинність гине [4].

До малих сполук - забруднювачів атмосфери - відносять фреони, що їх використовують у холодильній промисловості та для приготування фарб, сполуки азоту, хлору і фтору. Сполуки азоту надходять також від транспорту, промислових об'єктів, через застосування мінеральних добрив, а сполуки хлору і фтору - від ядерних вибухів.

До стаціонарних джерел забруднення можна віднести генератори, міні електростанції, газозварювальне обладнання (установки), які працюють на пальному при спаленні якого утворюються та викидаються в атмосферне повітря забруднюючі речовини або суміш таких речовин, що є об'єктом та базою оподаткування екологічним податком за викиди в атмосферне повітря забруднюючих речовин стаціонарними джерелами.

Стаціонарні джерела, внесок яких у забруднення повітря є найбільшим, належать до енергетичного та теплоенергетичного сектора (32%), чорної та кольорової металургії (27%), вугільної промисловості (27%), включаючи нафтопереробні заводи (2%). Найбільші забруднювачі - електростанції. Вони скидають до 85 тис. т N0₂ (Буїжггинська ТЕС), 25 тис. т N0₂ (Криворізька ТЕС) та 50 тис. т твердих речовин за рік (Луганська ТЕС). Бурхптинська ТЕС найбільший точковий забруднювач, щорічні викиди якого за трьома речовинами-забруднювачами становлять навіть 140 тис. т.

Особливе занепокоєння викликають понад тисяча шкідливих хімічних підприємств. Так, на Луганщині жителі прозвали «Бермудами» трикутник між містами Сєверодонецьк, Лисичанськ і Рубіжне [5].

Можна довго перераховувати «дива», що спостерігаються там з «ласки» хімічних підприємств. Зокрема, за 10 років подвоїлась кількість дітей, які народжуються тут з відхиленнями. Не кращий стан атмосферного середовища й у Дніпродзержинську, Дніпропетровську, Донецьку, Кривому Розі, Макіївці, Києві та Одесі [6].

2. Забруднення атмосферного повітря у Вінницькій області

Сучасний стан навколишнього природного середовища у Вінницькій області можна охарактеризувати як відносно стабільний. Вінниччина, в цілому, характеризується як порівняно благополучний регіон із значно меншим, ніж в промислових областях, рівнем забруднення атмосферного повітря [7].

Кількість викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря в

2005 р. становила 142,94 тис. т, в порівнянні з 2004 р. збільшилась на 16,59 тис. т. Понад 50% викидів в атмосферне повітря (від їх загальної кількості) на території області це викиди автотранспорту, ще близько 35% - викиди Ладижинської ТЕС та понад 3% - магістральних газопроводів. Викиди усіх інших підприємств області становлять близько 10%. В містах доля автотранспорту в забрудненні атмосферного повітря сягає до 90%. Серед стаціонарних джерел близько 75% викидів становлять викиди Ладижинської ТЕС та понад 5% - магістральних газопроводів. Стан атмосферного повітря порівняно з минулим роком практично не змінювався.

Згідно з даними Вінницького обласного центру з гідрометеорології випадків високих і екстремально високих забруднень атмосфери в м. Вінниці протягом 2005 р. не спостерігалось, середньомісячні концентрації не перевищували граничнодопустимих. За даними обласної санітарно-епідеміологічної станції із загальної кількості відібраних проб 8,6% - з перевищенням ГДК. Найвищий відсоток проб з перевищенням ГДК зареєстровано в Вінницькому (21,7%), Гайсинському (28,8%), Могилів-Подільському (22%), Теплицькому (17,7%), Тульчинському (41,7%), Тиврівському (25%) районах [7].

3. Джерела забруднення атмосфери

Основним джерелом забруднення повітря в Україні є викиди із стаціонарних джерел. До 62% промислових викидів потрапляє з джерел оброблювальної промисловості, до 37% - гірничодобувної промисловості та промислових кар'єрів, до 1% - в результаті виробництва будівельних матеріалів [6,7].

Джерела викидів в атмосферу поділяються на природні, обумовлені природними процесами, і антропогенні (техногенні), що є результатом діяльності людини.

До числа природних джерел забруднення атмосферного повітря відносять пилові бурі, масиви зелених насаджень у період цвітіння, степові і лісові пожежі, виверження вулканів. Домішки, які виділяються природними джерелами:

- пил рослинного, вулканічного, космічного походження, продукти ерозії ґрунту, частки морської солі;

- тумани, дим і гази від лісових і степових пожеж;

- гази вулканічного походження;

- продукти рослинного, тваринного, бактеріального походження.

Природні джерела звичайно бувають площинними (розподіленими) і діють порівняно короткочасно. Рівень забруднення атмосфери природними джерелами є фоновим і мало змінюється з часом.

Антропогенні (техногенні) джерела забруднення атмосферного повітря, представлені головним чином викидами промислових підприємств і автотранспорту, відрізняються численністю і різноманіттям видів.

Джерела викидів в атмосферу підрозділяють на: точкові, лінійні і площинні [8].

Кожний з них може бути затінений і незатінений.

Точкові джерела - це забруднення, зосереджені в одному місці. До них відносяться димарі, вентиляційні шахти, вентилятори на дахах.

Лінійні джерела мають значну довжину. Це аераційні ліхтарі, ряди відкритих вікон, близько розташовані дахові вентилятори. До них можуть бути також віднесені автотраси.

Площинні джерела. Забруднення, що тут викидаються, зосереджені по площині промислової площадки підприємства. До площинних джерел відносяться місця складування виробничих і побутових відходів, автостоянки, склади паливо-мастильних матеріалів.

Незатінені, чи високі, джерела розташовані в недеформованому потоці вітру. Це димарі й інші джерела, що викидають забруднення на висоту, що перевищує в 2,5 рази висоту розташованих поблизу будинків і інших перешкод [8,9].

Затінені джерела розташовані в зоні аеродинамічної тіні будинку чи іншої перешкоди.

Джерела викидів забруднюючих речовин в атмосферу підрозділяють на організовані і неорганізовані.

З організованого джерела забруднюючі речовини надходять в атмосферу через спеціально споруджені газоходи і повітряні труби.

Неорганізоване джерело виділення забруднюючих речовин утвориться в результаті порушення герметичності устаткування, відсутності чи незадовільної роботи устаткування по відсмоктуванні пилу і газів, у місцях завантаження, чи вивантаження чи збереження продукту. До неорганізованих джерел відносять автостоянки, склади паливомастильних чи сипучих матеріалів і інші площинні джерела [10].

Одним із значних джерел викидів твердих речовин в атмосферу є металургійна промисловість, зокрема виробництва сирого чавуну (агломерація і доменні печі), сталі (кисневі конвертори та тандемпечі або двополюсні печі), феросплавів, ливарні дільниці та вагранки, коксові установки або генератори.

Промислові відновлювальні процеси також бувають джерелами забруднюючих речовин - в основному гідросульфіду при виробництві коксу. Найбільшими джерелами забруднення в хімічній промисловості є процеси карбонізації вугілля і виробництва газового вугілля, сульфат целюлози та ін. Прикладами відновлювальних процесів є виробництво соляної кислоти з хлору і водню, а також виділення гідросульфіту під час розкладання ксатагенату целюлози при виробництві віскозних волокон.

Найбільше забруднюють атмосферне повітря підприємства, які працюють на вуглеводневому паливі: бензині, гасі, мазуті, вугіллі, природному газі, дизельному паливі та ін. Обсяг забруднення визначається, в першу чергу, складом, об'ємом спалювання палива та організацією процесу горіння. Основним джерелом забруднення атмосферного повітря є транспортні засоби з двигунами внутрішнього згорання (ДВЗ) і теплові електричні станції (ТЕС) [5,10].

Електрохімічні процеси є джерелом суттєвих забруднень як у металургії, так і в хімічній промисловості.

Значними джерелами забруднення атмосфери в хімічній промисловості є також фізичні процеси, зокрема випарування та дистиляція (наприклад, викид вуглеводнів, хлорпохідних вуглеводнів та інших розчинників, що випаровуються в процесі виробництва, та використання цих продуктів). Дистиляція різних хімічних речовин, включно з смолами, а також деякі нафтоочисні та нафтохімічні процеси - ще одне джерело значних викидів шкідливих речовин в атмосферу [11].

На жаль, маючи мало лісів і розвинуту металургійну промисловість, теплоенергетику, Україна є однією з тих країн, що спалюють кисень планети.

4. Фактори впливу на рівень забруднення атмосфери в зоні викидів стаціонарного джерела

Концентрація забруднюючих речовин у зоні викидів в атмосферне повітря, формується під впливом багатьох факторів. Результати наукових досліджень дозволяють стверджувати, що формування величини рівня забруднення повітря даною речовиною у конкретній точці залежить перш за все від таких факторів: географічного місця розміщення джерела викидів; рельєфу місцевості, де розташоване джерело; кліматичних умов; параметрів джерела викидів; параметрів пилогазоповітряної суміші факела факела викидів; технологічних умов виходу цієї суміші із гирла джерела (отвору труби); координат пункту відбору проби повітря по відношенню до джерела викидів (розрахункової точки, в якій досліджується забруднення

повітря) [12].

Місцевість залежно від її географічних координат завжди має свої регіональні (зональні) особливості. Такі, наприклад, як кліматичні, геологічні, грунтоворослинні та інші. Особливо важливо те, що залежно від цих специфічних особливостей вона може по-різному впливати на здатність самоочищення повітря від забруднюючих речовин. Тому відповідно до цього вся територія земної кулі зонована залежно від величини метеокліматичного потенціалу самоочищення атмосфери на п'ять типів. Перший тип має найбільш низьку здатність до самоочищення. На нашій території це найбільш північна маленька частина території країни (північніше 52^о пн. ш.). Другий тип має більш помірну здатність до самоочищення. Практично це вся територія України за винятком І зони і південно-східної та південно-західної її частини. Третій тип має підвищений потенціал самоочищення. Це крайня південно-східна і крайня південно-західна територія України [13].

Концентрація забруднюючої речовини в приземному шарі атмосфери над сушею визначається швидкістю вітру і турбулентним обміном (для стаціонарних джерел і для речовини, яка зберігається тривалий час у повітрі). Однією з головних характеристик приземного шару є збереження в ньому по висоті вертикальних потоків тепла і кількості руху. Для нього зі збільшенням висоти властива значна зміна швидкості вітру, температури, турбулентності, а також виявлення впливу сталості і тривкості атмосфери, який пов'язаний із температурною стратифікацією [10,13].

Вирізняють такі умови стратифікації:

- байдужа (вертикальний потік тепла близький до нуля, а зміни температури повітря з висотою відбуваються за адіабатичним законом, тобто мало змінюються);

- небайдужа (температурний градієнт істотно відрізняється від нуля);

- нестійкий стан (із зверхньо адіабатичним градієнтом температури, коли стратифікація сприяє розвитку випадкових збурень у повітряному потоці і посиленню турбулентного обміну);

- сталий стан (власне стратифікація, коли температура збільшується із висотою).

Якщо в атмосфері є інверсія температури, то збурення в потоці згасають, і інтенсивність турбулентного обміну слабшає [11,14].

Ефект впливу температурної стратифікації атмосфери за несприятливих метеоумов (за яких концентрація речовин має максимальний рівень) обчислюється спеціальним коефіцієнтом (А) при розрахунках рівня забруднення. На території України цей показник має такі значення: А = 160 для території північніше 52^о пн. ш., А = 180 для території від 52? до 50? пн. ш. та А = 200 південніше 50? пн. ш. Необхідно зазначити, що на рівень забруднення в будь-якій точці простору в зоні джерела викидів забруднюючих речовин безпосередньо впливають такі метеофактори, як швидкість і напрям вітру та температура повітря[12].

Температура атмосферного повітря (Та) в розрахунках концентрації домішок у заданій точці, яка дорівнює максимальній для найбільш жаркого місяця року (липень) за даними СН і ПУ або за даними гідрометеослужби для даної місцевості. Вона може визначатися окремо для холодної і теплої пори року (середньодобова температура відповідно Тх<0 ?С або Тт>0 ?С).

Різниця між температурою суміші (Тс) на виході з гирла джерела і температурою (Та) атмосферного повітря (перегрів факела) викликає деякий початковий підйом осі факела на висоту (ДZ). Цей підйом спостерігається іноді на відстані в кілька кілометрів і досягає сотень метрів. Цей фактор має значний вплив на точку дотику факелом поверхні землі та відповідно відстані, на якій формується найбільший рівень забруднення[15].

Швидкість вітру, а відтак його напрямок також безпосередньо впливають на формування рівня забруднення в досліджуваній точці. Очевидно, що чим сильніший вітер, тим далі від джерела він переносить домішки в тому напрямку, куди він дме. Напрямок дії вітру враховується шляхом використання рози вітрів. У розрахунках забруднення атмосфери використовують різні її види: середньорічну розу вітрів, для холодного або теплого сезону, для необхідного розрахункового періоду.

Важливим моментом у процесі формування рівня забруднення атмосфери є вплив параметрів джерела викидів на забруднення атмосфери. Само собою зрозуміло, що параметри джерела викидів домішок в атмосферу безпосередньо впливають на формування рівня і характеру забруднення. Перш за все це такі: висота джерела над поверхнею землі (Н); діаметр отвору труби в гирлі (Д), тобто в місці виходу факела в атмосферу; маса викиду кожної окремої забруднюючої речовини (М); кількість домішок, які викидає це джерело в повітря (К). Усі ці дані для окремої труби звичайно відомі за технологічними нормативами. Не забудемо також координати джерела (географічні, на карті місцевості, на плані промислового майданчика) [14,15].

5. Наслідки забруднення атмосфери

За приблизними підрахунками, маса забруднювальних речовин в атмосфері становить 9-10 мли т. Порівняно з масою земної атмосфери це мізерна величина, однак на висоті 50 - 100 м від Землі, де саме концентруються забруднювальні речовини, частка їх є істотною відносно кількості чистого повітря [9,16].

Найбільш поширеними токсичними речовинами, котрі забруднюють атмосферу, є: оксид вуглецю СО, діоксид сірки SO₂ оксид азоту NО_х, вуглеводні С_n Н_m та пил.

Крім згаданих вище речовин та пилу, в атмосферу викидаються й інші, більш токсичні речовини. Зараз налічується більше 500 шкідливих речовин, котрі забруднюють атмосферу, і їхня кількість зростає.

Кількість щорічних викидів в атмосферу

Високі концентрації домішок та їхня міграція в атмосферному повітрі призводять до утворення більш токсичних речовин (смог, кислотні дощі) або до таких явищ, як парниковий ефект та руйнування озонового шару [5,17].

Смог. Справжнім лихом для міст є автомобілі. Хімічні реакції, які відбуваються в повітрі, призводять до виникнення димних туманів - смогів. Смоги виникають за таких умов: по-перше, великої кількості пилу і газів, які міста викидають у повітря, по-друге, довгого існування антициклонів, коли забруднювачі нагромаджуються в приземному шарі атмосфери. Смоги бувають декількох типів. Найбільш вивчений вологий смог. Він характерний для країн з морським кліматом, де дуже часто спостерігаються тумани і висока вологість повітря. Сухий, або лос-анджелеського типу, смог відрізняється від вологого смогу своїми властивостями. Клімат в Лос-Анджелесі (США) сухий, тому смог тут утворює не туман, а синювату імлу, так званий «білий смог» в результаті великої загазованості території автотранспортом. Третій вид смогу - льодяний смог, або смог аляскинського типу. Він виникає в Арктиці й Субарктиці при низьких температурах в антициклонні [5,18].

Кислотні дощі. Особливо небезпечні сірчисті сполуки й оксиди азоту, які спричиняють кислотні дощі. Кислотні дощі стали дуже поширеним явищем, причому вони можуть випадати на відстані багатьох сотень і тисяч кілометрів від джерела первісного викидання речовини (дод. В).

Ці дощі вкрай шкідливо діють на навколишнє середовище:

- знижується врожайність більшості сільськогосподарських культур внаслідок ушкодження листя кислотами;

- вимиваються з ґрунту кальцій, калій і магній, що викликає деградацію фауни та флори;

- гинуть ліси (особливо чутливі до кислотних дощів кедр, бук і тис);

- отруюється вода озер і ставків, де гине риба, зникають комахи;

- щезають водо плаваючі птахи й тварини, що харчуються комахами;

- гинуть ліси у гірських районах (таких, як Карпати), що викликає гірські зсуви й селеві потоки;

- прискорюється руйнування пам'ятників архітектури й житлових будинків, особливо тих, що оздоблені мармуром і вапняком;

- збільшується кількість захворювань людей (подразнення очей, хвороби дихальних шляхів тощо) [18].

Озонова діра в атмосфері. Промислові викиди в атмосферу порушують озоновий шар, який, немов щит, прикриває Землю від сильного ультрафіолетового опромінення (дод. Б).

Щодо причин цього явища с три припущення:

- взаємодія оксидів азоту з озоном,

- реакція антропогенного хлору з озоном,

- антропогенні фреони реагують з озоном.

Сприяє руйнуванню озонового шару й військова діяльність, зокрема, запуски балістичних ракет, їх двигуни викидають в атмосферу багато окисів азоту. Кожний запуск ракети в Космос також «пропалює» в озоновому шарі чималу дірку, яка «затягується» лише через тривалий час [5,11].

Парниковий ефект. Останнім часом вчені метеорологи б'ють тривогу: схоже на те, що атмосфера Землі розігрівається значно швидше, ніж будь-коли в минулому. Це зумовлено діяльністю людини, яка, по-перше, підігріває атмосферу шляхом спалювання великої кількості вугілля, нафти, газу, а також роботи атомних електростанцій. По-друге, і це найголовніше, спалювання органічного палива, а також знищення лісів призводить до накопичення в атмосфері кількості вуглекислого газу. За останні 120 років вміст цього газу в повітрі збільшився на 17%. У земній атмосфері вуглекислий газ діє як скло в теплиці чи парнику: він вільно пропускає до поверхні Землі сонячні промені, але утримує тепло розігрітої Сонцем поверхні Землі. За підрахунками вчених, у найближчі десятиліття середньорічна температура на Землі за рахунок парникового ефекту може збільшитися на 1,5 - 2°С. Як свідчать розрахунки, й моделювання на ЕОМ, підвищення середньої річної температури викличе значні кліматичні зміни, більшість яких будуть мати для людей вкрай негативні наслідки [19].

Якщо людство не зменшить обсягу забруднень атмосфери й глобальна температура зростатиме надалі, як це відбувається протягом останніх 20 років, то дуже швидко клімат на Землі стане теплішим, ніж будь-коли впродовж 100 тис. років. Це прискорить глобальну екологічну кризу [20].

Размещено на Allbest.ru