Bài giảng Ô nhiễm không khí và tiếng ồn - Chương 3: Sự phát tán chất thải vào khí quyển

SỰ PHÁT TÁN CHẤT THẢI VÀO KHÍ QUYỂN 
- Huỳnh Ngọc Anh Tuấn - 
CÁC VẤN ĐỀ 
Ảnh hưởng của các yếu tố khí quyển lên sự phát tán. 
Khuếch tán rối của khí quyển và sự phân bố của chất ô nhiễm. 
Chuyển động của không khí sát mặt đất. 
Phân loại các nguồn gây ô nhiễm lớp không khí sát mặt đất. 
Độ nâng cao của luồng khói. 
1 - Các yếu tố khí quyển 
Gió 
Yếu tố cơ bản gây nên sự phân bố chất ô nhiễm trong môi trường không khí. 
Hướng gió chủ đạo, sự phân bố và vận tốc gió phụ thuộc vào sự tuần hoàn của không khí trong khí quyển. 
Gió chuyển động từ vùng áp cao áp thấp. 
Tốc độ gió phụ thuộc vào chênh lệch áp suất khí quyển. Tầng không khí sát mặt đất có tốc độ gió ban ngày lớn hơn ban đêm, còn ở trên cao thì ngược lại – tốc độ gió ban đêm lớn hơn ban ngày. 
Gió biển 
Gió đất 
Giải thích 
Ban ngày nhiệt độ ở đất liền lớn hơn biển, tạo thành hạ áp. Trong khi đó mặt biển lạnh hơn không khí sẽ di chuyển từ biển vào lục địa. 
Ban đêm hiện tượng ngược với ban ngày, nước có nhiệt dung lớn và bức xạ kém hơn so với mặt đất. Do đó ở mặt biển nóng hơn tạo thành cao áp và lục địa lạnh hơn tạo thành hạ áp gió thổi từ lục địa ra biển . Ở trên cao gió có hướng ngược lại. 
Hướng & vận tốc gió 
Hướng gió chủ đạo của 1 địa phương tại lớp không khí bên trên và tại mặt đất không trùng nhau. 
Trong phạm vi đến vài km, hướng và vận tốc gió không cố định mà thay đổi. 
Đối với sự khuếch tán chất ô nhiễm trong khí quyển thì vận tốc gió nguy hiểm là lặng gió và gió rất nhẹ. 
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 không khí trên mỗi 100m độ cao. 
Gradien nhiệt độ đẳng nhiệt: nhiệt độ không thay đổi trên tất cả các độ cao. 
Gradien đoạn nhiệt = gradien đoạn nhiệt khô: sự thay đổi trạng thái (nhiệt độ, áp suất và mật độ không khí) không có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. 
Gradien nhiệt độ trên đoạn nhiệt: độ giảm nhiệt độ > 1 o C/100m độ cao khí quyển không ổn định. 
Tính ổn định đứng của khí quyển 
Tính ổn định đứng của khí quyển (tt) 
Khí quyển không ổn định (khí quyển trên đoạn nhiệt):  >  k không khí và chất ô nhiễm bốc lên cao chất ô nhiễm được khuếch tán, pha loãng trong khí quyển được thuận lợi. 
Khí quyển trung tính:  =  k khối không khí chiếm vị trí cân bằng mới mà không tiếp tục chuyển động sự khuếch tán (pha loãng) chất ô nhiễm không thuận lợi. 
Khí quyển ổn định (khí quyển dưới đoạn nhiệt): 0< < k không khí và chất ô nhiễm không có hòa trộn đứng sự khuếch tán (pha loãng) chất ô nhiễm không thuận lợi. 
Khí quyển dưới ổn định:  <0 < k kìm hãm sự chuyển động thẳng đứng của không khí sự khuếch tán (pha loãng) chất ô nhiễm không thuận lợi. 
2.1-Khuếch tán rối của KQ 
Khuếch tán rối theo chiều ngang - Gió và phân bố vận tốc gió theo chiều đứng 
Gió là khuếch tán rối của khí quyển theo chiều ngang. 
Hướng & vận tốc gió thay đổi thường xuyên. 
Vận tốc gió 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 công trình xây dựng. 
Vận tốc gió (u) tại độ cao z - KQTT 
Theo hệ số (theo hàm logarit): 
u, u 1 : vận tốc gió tại độ cao z và z 1 (m) tương ứng (m/s) 
 : hệ số tính đến độ tăng vận tốc gió theo chiều cao, không thứ nguyên. 
z o : độ cao tại đó vận tốc gió bằng 0, z 0 = 0,1m 
Đồ thị xác định hệ số ứng với z 1 = 10 và z o = 0,1 
Vận tốc gió (u) tại độ cao z 
Theo hàm mũ 
n: chỉ số mũ, không thứ nguyên 
Trị số của n có 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 tòa nhà là vật cản: 1/7 < n ≤ 1/3; 
Phụ thuộc vào tính ổn định của KQ: KQ không 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; 
Stt 
Trạng thái khí quyển 
Hệ số n 
(I) 
Mặt đất gồ ghề 
1 
KQ rất không ổn định và không ổn định điển hình (cấp A và B) 
0,15 
2 
KQ không 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 Môi trường Mỹ USEPA) 
Xác định hệ số n 
Vận tốc gió (u) tại độ cao z và hướng gió lệch 
Theo Ariel N.Z và Kiuchnikov L.A 
f và f 1 : hệ số phụ thuộc vào độ cao (z và z 1 tương ứng) và tính ổn định của KQ, không thứ nguyên; 
: Góc lệch của hướng gió tại độ cao z so với góc đã biết tại độ cao z 1 , o ; 
 và  1 : góc lệch của hướng gió, o 
f, f 1 , ,  1 tương ứng với độ cao z và tính ổn định của KQ (bảng 3.2 tr 96) 
VD 3.1 tr 96 
2.1-Khuếch tán rối của KQ (tt) 
Khuếch tán rối theo chiều đứng – Cường độ khuếch tán và độ cao hòa trộn 
Khuếch tán rối theo chiều đứng hay sự chuyển động của không khí theo chiều đứng có 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, không mưa và gió nhẹ) phụ thuộc vào thời gian trong ngày và trong năm . 
Độ cao hòa trộn 
Độ cao hòa trộn là thông số để đánh giá mức độ khuếch tán hay chuyển động rối theo chiều đứng của KQ. 
Khi một phần tử không khí gần mặt đất bị nung nóng bốc lên cao, nhiệt độ của nó giảm theo đường đoạn nhiệt và độ chênh nhiệt độ giữa nó với không khí xung quanh sẽ giảm dần cho đến khi cân bằng. Độ cao mà tại đó nhiệt độ không khí bốc lên trên bằng nhiệt độ xung quanh là độ cao hòa trộn . 
Độ cao hòa trộn được xác định bằng cách tìm điểm giao nhau của đường đoạn nhiệt đi qua điểm có nhiệt độ cao trên mặt đất với đường phân bố nhiệt độ theo chiều cao thực tế. 
Độ cao hòa trộn xác định giới hạn trên của quá trình khuếch tán các chất ô nhiễm trong khí quyển. 
Độ cao hòa 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 hòa trộn lớn hơn mùa đông. 
2.2 - Phân bố chất ô nhiễm trong KQ - Hình dạng luồng khuếch tán rối 
Luồng hình sóng (uốn lượn):  >  k cường độ khuếch tán mạnh. 
Luồng hình nón:  =  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 khói, luồng khói hình quạt khuếch tán mạnh lên trên. 
Luồng hình quạt xông khói: lớp nghịch nhiệt trên cao nằm bên trên miệng ống khói, bên dưới là lớp khí quyển không ổn định. 
Luồng “mắc bẫy”: lớp nghịch nhiệt nằm cả bên trên và bên dưới miệng ống khói. 
Luồng hình sóng (uốn lượn) 
Luồng hình nón 
Luồng hình quạt dốc lên trên – dạng nửa chuồng chim 
Luồng hình quạt xông khói 
Luồng hình quạt 
Luồng “mắc bẫy” 
3 - Chuyển động của không khí sát mặt đất 
Phân loại các dạng nhà: 
Tòa nhà hẹp: nếu b ≤ 2,5h 
Tòa nhà rộng: nếu b > 2,5h 
Tòa nhà dài: l > 10h 
Tòa nhà ngắn: l ≤ 10h 
Khoảng cách các nhà trong công trình: nếu 2 nhà cách nhau x > 8h 10h các nhà độc lập nhau 
b - chiều rộng tòa nhà 
h - chiều cao tòa nhà 
l - chiều dài nhà (trực giao với hướng gió) 
3.1 - Chuyển động của không khí xung quanh tòa nhà hẹp 
3.2 - Chuyển động của không khí xung quanh tòa nhà rộng 
3.3 - Vùng bóng rợp khí động và sự phân bố chất ô nhiễm 
Vùng bóng rợp khí động: là không gian tuần hoàn khép kín của không khí trên và sau tòa nhà khi gió chuyển động xung quanh nhà. 
Ranh giới vùng bóng rợp khí động : (dài, rộng, cao) phụ thuộc vào vị trí tương đối của nhà có nguồn thải và các nhà, công trình lân cận, vào hướng gió, kích thước hình học và vị trí của các nhà, công trình theo phương gió thổi. 
Kích thước vùng bóng rợp khí động khi gió chuyển động xung quanh: hình 3.15 tr 107. 
3.4 – Chiều cao giới hạn 
a. Trong vùng tuần hoàn khuất gió và trên mái của tòa nhà rộng đứng riêng biệt 
3.4 – Chiều cao giới hạn (tt) 
b. Trong vùng tuần hoàn duy nhất trên mái của tòa nhà hẹp đứng riêng biệt 
3.4 – Chiều cao giới hạn (tt) 
c. Trong vùng tuần hoàn giữa 2 tòa nhà hay trên mái của tòa nhà đầu – theo hướng gió (nhà rộng) 
3.4 – Chiều cao giới hạn (tt) 
d. Trong vùng tuần hoàn giữa 2 tòa nhà hay trên mái của tòa nhà đầu – theo hướng gió (nhà hẹp) 
4 - Phân loại nguồn gây ô nhiễm lớp không khí sát mặt đất 
Phân biệt nguồn thấp và nguồn cao dựa vào độ cao của nguồn thải so với độ cao của vùng bóng rợp khí động. 
Những nguồn có chiều cao H hq > H gh được gọi là nguồn cao , ngược lại H hq < H gh gọi là nguồn thấp . 
Đối với nguồn thấp, nguồn thải gây ô nhiễm trước hết là vùng bóng rợp khí động, và nồng độ chất ô nhiễm đạt trị số cực đại cũng trong phạm vi vùng bóng rợp khí động. 
Chiều cao hiệu quả H hq : 
H ô : Độ cao thực của ống khói 
 H: Độ cao nâng của luồng khói (do lực khí động và lực nổi do mật độ) 
1- Vùng ô nhiễm do phát thải từ nguồn cao 
2- Giới hạn của nguồn thấp 
4 - Phân loại nguồn gây ô nhiễm lớp không khí sát mặt đất (tt) 
Nguồn không liên hợp 
Nguồn liên hợp 
Theo nhiệt độ hỗn hợp khí – không khí thải 
4 - Phân loại nguồn gây ô nhiễm lớp không khí sát mặt đất (tt) 
 T = t k - t xq 
Loại nguồn 
Điển hình 
 T > 100 o C 
Rất nóng 
Ống khói lò gang, lò sấy, thiết bị hóa dầu 
20 o C< T ≤100 o C 
Nóng 
Ống khói nồi hơi 
5 o C< T ≤20 o C 
Nóng yếu 
Ống khói khu vô bao xi măng 
 T ≈ 0 
Đẳng nhiệt 
Ống khói thiết bị xử lý bụi của xưởng gỗ 
 T < 0 o C 
Lạnh 
Xu hướng chìm, khuếch tán yếu 
5 - Độ nâng cao của luồng khói H 
 H chịu ảnh hưởng của 2 lực: 
Lực xung ban đầu của luồng khói bốc lên trên (lực khí động) 
Lực nổi do mật độ hỗn hợp khí – không khí trong luồng nhỏ hơn mật độ môi trường xung quanh 
Công thức tính H: tr 115 119 
 g/m 3 ; mg/l; mg/m 3 ; g/m 3 ; ppm; ppb, %(v) 
 Ở 25 o C, 1 atm (760mmHg) 
 Ở T o K, P atm 
Nồng độ chất ô nhiễm không khí 
Tiêu chuẩn chất lượng không khí 
STT 
Soá hieäu tieâu chuaån 
Teân tieâu chuaån 
1 
TCVN 5937-2005 
Chaát löôïng khoâng khí - Tieâu chuaån chaát löôïng khoâng khí xung quanh 
2 
TCVN 5938-2005 
Chaát löôïng khoâng khí - Noàng ñoä toái ña cho pheùp cuûa moät soá chaát ñoäc haïi trong khoâng khí xung quanh 
3 
TCVN 5939-2005 
Chaát löôïng khoâng khí - Tieâu chuaån khí thaûi coâng nghieäp ñoái vôùi buïi vaø caùc chaát voâ cô 
4 
TCVN 5940-2005 
Chaát löôïng khoâng khí - Tieâu chuaån khí thaûi coâng nghieäp ñoái vôùi caùc chaát höõu cô 
5 
TCVN 5949-1998 
AÂm hoïc - Tieáng oàn khu vöïc coâng coäng vaø daân cö Möùc oàn toái ña cho pheùp 
6 
3733/2002/QÑ-BYT 
Tieâu chuaån cuûa Boä Y teá – Tieâu chuaån chaát löôïng khoâng khí cho khu vöïc saûn xuaát 
Thanks !