Bài giảng môn học Kiểm soát ô nhiễm môi trường không khí

Nội dung text: Bài giảng môn học Kiểm soát ô nhiễm môi trường không khí

1. BÀI GIẢNG KIỂM SOÁT Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ BIÊN SOẠN : Th.s Phan Tuan Trieu 091.57.58.062 Tp. HCM 02 - 2008 1
2. CHƯƠNG 1: KHÔNG KHÍ VÀ MÔI TRƯỜNG. I - KHÁI NIỆM CHUNG: MÔI TRƯỜNG : là tập hợp tất cả các thành phần vật chất bao quanh sự vật có khả năng tác động đến sự tồn tại và phát triển của mỗi sinh vật, vật thể hay sự kiện. Môi trường sống của con người là tổng hợp các yếu tố vật lý hóa học, kinh tế, xã hội bao quanh có ảnh hưởng tới sự sống và phát triển của từng cá nhân và của từng cộng đồng. Môi trường sống của loài người là tất cả những gì có và đang diễn ra trong vũ trụ và thái dương hệ. Môi trường sống của con người được chia theo mục đích và nội dung nghiên cứu thành: -Môi trường thiên nhiên: bao gồm các yếu tố thiên nhiên như: vật lý, hóa học (được gọi chung là môi trường vật lý) và sinh học tồn tại khách quan, ít chịu sự chi phối của con người. -Môi trường xã hội: gồm các mối quan hệ tương tác giữa con người và con người. -Môi trường nhân tạo: gồm các yếu tố vật lý, hóa học, xã hội do con người tạo ra và chịu sự chi phối của con người. Các thành phần của môi trường luôn tồn tại ở dạng vận động, chuyển hóa trong tự nhiên, diễn ra theo chu trình và thường ở dạng cân bằng. Sự cân bằng này đã đảm bảo cho sự sống phát triển ổn định. Khi bị mất cân bằng do xảy ra các sự cố ,môi trường sống sẽ vận động và tạo lập sự cân bằng mới.Điều đó sẽ tác động tới con người và sinh vật ở phạm vi toàn cầu hay từng khu vực. Trong môi trường thiên nhiên, trái đất là bộ phận ảnh hưởng trực tiếp và rõ rệt nhất tới con người. Về mặt vật lý trái đất được phân chia thành: -Môi trường đất (Thạch quyển) bao gồm lớp đất sâu chừng 60 ÷ 80 km trên lục địa và 2 ÷ 8 km trên đáy đại dương. Thành phần hóa học và tính chất vật lý của nó tương đối ổn định và có ảnh hưởng lớn đến sự sống. -Môi trường nước (Thủy quyển) là phần nước của vỏ trái đất bao gồm biển - hồ - sông - suối - nước ngầm và băng tuyết. -Khí quyển (môi trường khí) là lớp không khí trên bề mặt trái đất. SỰ CỐ MÔI TRƯỜNG là các tai biến hay rủi ro do biến đổi bất thường của thiên nhiên hay do quá trình hoạt động của con người làm suy thoái môi trường nghiêm trọng. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG là sụ biến đối môi trường theo hướng bất lợi cho cuộc sống của con người và hệ sinh quyển. Mà sự ô nhiễm đó chính do hoạt động của con người gây ra với quy mô, phương thức và mức độ khác nhau, trực tiếp hay gián tiếp tác động làm thay đổi mô hình, thành phần hóa học, tính chất vật lý và sinh học của môi trường. Bụi: là tổng các phần tử chất rắn khuếch tán trong không khí do bị cuốn vào, bị tung vào ( ví dụ như do mài, đổ đất cát ) Tùy theo bản chất hóa học và kích thước mà hạt bụi có thể tồn tại lâu trong không khí hay bị hắt ra khỏi dòng không khí. Thông thường, các hạt bụi có kích thước ≤ 10 μm khuếch tán trong không khí theo chuyển động Brao hay lắng với vận tốc đều xuống đất nên được gọi là bụi bay, bụi lơ lửng những hạt có kích thước > 10 μm lắng có gia tốc trong không khí nên còn gọi là bụi lắng. Những hạt bụi cực nhỏ bắt nguồn từ sự ngưng kết hơi vật liệu hay bay lên từ các phán ửng hóa học còn được gọi là fumes (mù). -SƯƠNG: là tổng hợp các giọt chất lỏng phân tán trong không khí khi ngưng hơi chất lỏng hay chất lỏng bị phun, bị cuốn vào không khí. -KHÓI: bao gồm các hạt vô cùng nhỏ cácbon hay mồ hóng, hình thành do quá trình cháy không hết nhiên liệu như dầu mỏ, than cốc khói chứa các giọt cũng như các 2
3. hạt khô. -HƠI: là dạng khí từ các chất mà bình thường chúng ở dạng rắn hay lỏng. Chúng hòa trôn hoàn toàn với không khí và có thể trở thành hỗn hợp gây nổ. -KHÍ: lànhững chất dạng khí hòa trộn vào không khí. Chúng có thể trở về trạng thái rắn hay lỏng ở điều kiện nhiệt độ và áp suất nào đó. -Phần tử sống: là tổng hợp các cơ thể sống phân tán trong không khí như vi khuẩn, bào tử nấm II. KHÔNG KHÍ: Nhân loại hàng ngày sống và làm việc trong bầu không khí bao quanh mình. Do vậy luôn luôn có một tác động qua lại giữa bầu không khí và con người ví dụ như: trao đổi Oxy và Cacbonic; trao đổi nhiệt; làm phát sinh bụi và hơi độc 1. Thành phần hóa học: Không khí trong tự nhiên là một hỗn hợp bao gồm các thành phần hóa học sau: Bảng 1-1: Thành phần hóa học của không khí khô: Ni tơ 78,09% Ô xy 20,94% Agon 0,93% Cac bô nic 0.032% Nê ông 18 ppm Hê li 5,2 ppm Mê tan 1,3 ppm Kripton 1,0 ppm Hyđro 0,5 ppm CO 0,1 ppm Hơi nước. Hỗn hợp của không khí khô và hơi nước tạo thành không khí ẩm. 2. Thông số vật lý của không khí ẩm: a. Nhiệt độ: là thông số chỉ mức độ nóng lạnh của không khí. Nó được đo trên nhiệt kế và biểu thị trên 2 đơn vị đo thường gặp là độ bách phân và độ 0F. trong tính toán kỹ thuật, nó còn được tính bằng độ tuyệt đối 0K. Nhiệt độ không khí xung quanh biến thiên liên tục theo thời gian do sự thay đổi của các yếu tố khí hậu và sự hoạt động của con người. Đây cũng là thông số được đo và ghi nhận liên tục ở các trạm quan trắc khí tượng. Cần nhận biết một vài loại nhiệt độ sau: -Nhiệt độ khô của không khí là nhiệt độ đo được bằng nhiệt kế đặt trực tiếp trong không khí có được che chắn kỹ khỏi các nguồn bức xạ. -Nhiệt độ ướt của không khí ẩm là nhiệt độ đo được bằng nhiệt kế có bầu được bao quanh một lớp gạc mỏng tẩm ướt nước. -Nhiệt độ bức xạ là nhiệt độ đo bằng nhiệt kế mà bầu của nó đặt trong tâm của quả cầu kín bằng đồng được nhuộm đen mặt ngoài. Còn gọi là nhiệt kế cầu đen. b. Độ ẩm: -Độ ẩm tuyệt đối: là thông số chỉ lượng hơi nước trong 1 m3 không khí. Nó là một đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ không khí và phân áp suất hơi nước Pn (mm Hg) 1058× P f = n ()1 t 1+ 273 Trong đó : f – Độ ẩm tuyệt đối g/m3 t- nhiệt độ khối không khí 0C. -Dung ẩm: là trọng lượng hơi nước chứa trong khối không khí có phần khô là 1 kg. W d = g / kg G P P ( 2 ) d = 623× n = 623× n g / kg Pk P − PK G = 1 kg. Trọng lượng khối khí khô = 1 kg. 3
4. W- lượng hơi ẩm g. Pn- Áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm. Pk- Áp suất riêng phần của không khí khô trong không khí ẩm. P = Pn + Pk - Áp suất khí quyển tại vị trí khảo sát. -Độ ẩm tương đối: Không khí ẩm trong một điều kiện nhất định về áp suất và nhiệt độ chỉ chứa được tối đa một lượng hơi ẩm nhất định. Khi quá lượng đó, hơi nước sẽ ngưng tụ thành giọt. Đó là trạng thái bảo hòa hơi nước của không khí ẩm. Trong cùng một áp suất, ứng với mỗi nhiệt độ, ta có một áp suất riêng phần bão hòa của hơi nước trong khối không khí ẩm. Độ ẩm tương đối của không khí ẩm là tỷ lệ giữa áp suất riêng phần của hơi nước trong khí ẩm và áp suất riêng phần của hơi nước khi khối khí đã bão hòa ở cùng một nhiệt độ. P ϕ = 100 × n Pbh % (3) n Ta có mối quan hệ giữa dung ẩm và độ ẩm tương đối. ϕ × Pbh n g/kg (4) d = 623x bh P − Pn c. Trọng lượng riêng của không khí ẩm: là trọng lượng của một khối khí ẩm có thể tích là 1 đơn vị. ϕ × Pbh 3 γ = γ − 0,176 × n (5) Kg/m ka kk 273 + t Trong đó : γkk Trọng lượng riêng của không khí khô. Qua đây ta thấy rằng: trong cùng một nhiệt độ và áp suất trọng lượng riêng của không khí ẩm nhỏ hơn trọng lượng riêng của không khí khô. P (6) kg/m3 γkk = 0,465 × 273 + t d. Nhiệt dung của không khí ẩm: là lượng nhiệt chứa trong một khối khí ẩm có phần khô là 1 kg. d I = 0,236 ×t + (597,3 + 0,44× t)× Kcal/kg (7) 1000 3. Biểu đồ I-d hay tk tu của không khí ẩm: Trên H-1 là biểu đồ I-d của không khí ẩm ở áp suất khí quyển 760 mm Hg . Biểu đồ biểu thị quan hệ của các thông số cơ bản của không khí ẩm như : t , d , I , Phn , ϕ. Trên biểu đồ có các họ đường: Đường đẳng nhiệt độ t=const Đường đoạn nhiệt I=const Đường đẳng dung ẩm d=const Không khi trên đường bão hoà hơi nước ϕ=100% 4
5. t oC d g/kg H-1: Biểu đồ I-d của không khí ẩm và quá trình biến đổi trang thái không khí. Trên hình vẽ H-1 biểu diễn các quá trình biến đổi trạng thái không khí theo các chiều hướng : AB-làm mát đoạn nhiệt AC-Sấy nóng đoạn nhiệt AD- làm lạnh đẳng dung ẩm AE-Sấy nóng đẳng dung ẩm Góc I – Làm nóng+làm ẩm Góc II – Làm lạnh + làm ẩm Góc III – Làm lạnh + làm khô Góc IV – Làm nóng + làm ẩm ts – Nhiệt độ điểm sương tu – nhiệt độ đoạn nhiệt III. KHÍ QUYỂN VÀ CÁC YẾU TỐ KHÍ HẬU: A. Khí quyển: Bầu không khí bao quanh trái đất được gọi là khí quyển. Nó có chiều dày ước khỏang 120 ÷ 140 km và càng lên cao không khí càng loãng. Có thể chia khí quyển làm 4 tầng theo chiều cao: -Sát mặt đất là tầng đối lưu có chiều cao khoảng 10 ÷ 12 km là giới hạn phạm vi của các hiện tượng thời tiết như mây, mưa, bão, gió -Tầng bình lưu nằm trên tầng đối lưu, có giới hạn ở độ cao khoảng 50 km. -Tầng trung gian nằm trên tầng bình lưu và giới hạn ở độ cao khoảng 90 km. -Tầng nhiệt nằm trên tầng điện ly và lớp ngoài cùng. Hình H-2 cho thấy biến thiên nhiệt độ dọc theo chiều cao khí quyển. Một đặc điểm của bầu khí quyển là khả năng ngăn cản và cho qua rất khác nhau các loại tia bức xạ mặt trời. Trên hình H-3 cho thấy các tia bức xạ mặt trời có bước sóng từ tia gamma 10-7 μm tới bức xạ Radio 108 μm thì chỉ có một nhóm nhỏ các tia tử ngoại, toàn bộ ánh sáng nhìn thấy và 1 phần tia tử ngoại là tới được trái đất. Trên vùng bức xạ Radio cũng chỉ có một khoảng hẹp các tia có thể xuyên qua được tới mặt đất. Số lượng lớn các tia bức xạ mặt trời bị hấp thu, phản xạ trong tầng điện ly và một phần trong tầng bình lưu. 5
6. H-2: Biến thiên nhiệt độ H-3: Đặc tính của khí quyển theo độ cao khí quyển với sự xuyên suốt các tia vũ trụ. B.Các yếu tố khí hậu: 1-Mặt trời và bức xạ mặt trời: Mặt trời là một khối khí nóng khổng lồ có nhiệt độ khoảng 6.0000K luôn phát năng lượng ra xung quanh dưới dạng các tia bức xạ ở các dải sóng khác nhau. Trong thái dương hệ, mặt trời được xem là đứng yên và trái đất quay quanh mặt trời với chu kỳ 1 vòng và 1 năm. Song song đó, trái đất tự quay quanh trục của mình với chu kỳ 1 ngày 1 vòng. Trục của trái đất nghiêng với mặt phẳng quỹ đạo một góc 66033'. Điều này khiến cho lượng bức xạ mặt trời chiếu tới trái đất không đều theo các chu kỳ thời gian ngày và năm.Gọi góc giữa tia mặt trời và mặt phẳng xích đạo là góc xích độ δ thì góc δ thay đổi từ 2302 Bắc tới 2302 Nam theo chu kỳ 1 năm ứng với các vị trí của trái đất trên đường hoàng đạo. Chúng ta coi ngày góc δ = 0 là ngày xuân phân và thu phân và ngày có góc δ = 2302 Bắc là ngày hạ chí và δ = 2302 Nam là ngày đông chí. Từ một điểm ở nam bán cầu thì hai ngày hạ chí và đông chí đổi vị trí cho nhau. Do tại các thời điểm trong ngày và năm, góc của tia bức xạ mặt trời với mặt phẳng ngang khác nhau và khoảng cách từ một điểm tới mặt trời khác nhau nên lượng bức xạ mặt trời liên tục có sự thay đổi. Người ta thường đo bức xạ mặt trời thông qua đơn vị cường độ bức xạ mặt trời. Cường độ bức xạ mặt trời là lượng bức xạ gửi tới 1 đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. Thường được dùng là Kcal/cm2 hay Wat/m2. Bức xạ mặt trời chiếu tới trái đất có bước sóng trong khoảng λ = 0,17 tới 4 μm, tập trung nhất trong khoảng từ 0,4 ÷ 1 μm. trong đó 50% năng lượng nằm trong phổ ánh sáng nhìn thấy ( 0,38 ÷ 0,76 μm); 43% trong phổ hồng ngoại (< 0,76 μm) và còn lại trong phổ tử ngoại. Trong quá trình xuyên qua khí quyển, 1 phần năng lượng các tia bức xạ mặt trời bị các chất khí hấp thụ, một phần khác bị mây phản xạ. Phần năng lượng bị khí quyển hấp thu sẽ phát ra bức xạ thứ cấp, bức xạ này cùng với phần phản xạ của mây chiếu xuống trái 6
7. đất tạo thành tán xạ của bầu trời. Phần bức xạ mặt trời chiếu được xuống mặt đất được gọi là trực xạ. Do vậy tổng lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống trái đất I là tổng của 2 thành phần: trực xạ S và tán xạ D. I = S + D ( 8 ) Tổng lượng bức xạ mặt trời là thông số được các trạm quan trắc khí tượng đo thường xuyên và liên tục trên mặt phẳng ngang song song với mặt đất. Nước việt nam nằm trải dài từ 22022' Bắc tới 8020' Bắc và đều nằm gọn trong nội chí tuyến Bắc nên cả nước có số giờ nắng trong ngày cao; ngắn nhất là 10h30' và dài nhất là 11h30'. Càng vào phía nam độ dài ngày càng kéo dài hơn. Trên mọi miền một năm có 2 lần mặt trời đi qua thiên đỉnh, khi đó tia nắng gần như chiếu thẳng góc với mặt đất. Cường độ bức xạ mặt trời cao nhất đạt tới 1,6 ÷ 1,8 Calo/cm2 phút. Lượng tán xạ rất lớn, chiếm tới hơn 50% tổng xạ mặt trời. Nguyên nhân là do trời mây nhiều và độ ẩm cao. Chỉ trong những ngày trời trong xanh lượng tán xạ mới giảm xuống 30 ÷ 40 %. 2 - Gió: Gió là hệ quả của hoạt động tương tác qua lại giữa các tâm cao áp và thấp áp trong bầu khí quyển. Các khối không khí dịch chuyển từ tâm cao áp sang tâm thấp áp tạo thành gió. Tùy thuộc vào địa hình và nhiệt độ vùng nó đi qua mà gió có mang hay không mang theo mây, mưa và dông. Gió được biểu thị bởi 3 đặc trưng cơ bản: -Hướng gió: chia thành 16 hướng từ 4 hướng cơ bản: Đông, tây, Nam, Bắc. -Tốc độ chuyển động: theo vận tốc chia thành các cấp. -Tần suất là tỷ số giữa số lần xuất hiện gió trên hướng đó với số liệu toàn bộ quan trắc được. Bảng 1-1: Phân cấp gió. Cấp gió Hiện tượng nhận biết Tốc độ Tốc độ km/h m/s Cấp 0 Lặng gió, các vật trên mặt đất đứng yên. 105 >29,2 Trở lên -Người ta quan trắc gió tại các trạm khí tượng và thể hiện trên Hoa Gió theo từng thời kỳ hay theo mùa. Chữ số giữa vòng là tần suất lặng gió. Chiều dài mỗi hướng là tần suất của hướng. Có thể có thêm cánh đuôi trên mỗi hướng với qui ước 1 đuôi = 1m/s chĩ tốc độ trung bình trên hướng đó trong khoảng thời gian quan trắc. -Thông thường gió đổi hường theo mùa và biến đổi tốc độ theo thời gian trong ngày. Ban đêm, gió gần mặt đất có tốc độ rất nhỏ và tăng dần khi mặt trời mọc và lớn nhất vào buổi trưa và sau đó giảm dần. Chỉ những ngày nhiều gió và ngày có trời mây u ám thì gió ít biến đổi. 7
8. Bảng 1-2: Số liệu gió trạm TÂN SƠN NHẤT - trung bình năm: TS lặng B ĐB Đ ĐN gió % TS V TS V TS V TS V 11,2 12,8 2,6 9,6 2,2 11,7 2,6 17,4 2,2 N TN T TB TS V TS V TS V TS V 12,6 3,8 13,2 3 16,7 3 5,9 2,8 TS- tần suất gió theo hướng % V – Tốc độ trung bình trên hướng m/s CHƯƠNG II MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ - NGUỒN THẢI – CHẤT Ô NHIỄM TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG I- CÁC CHẤT GÂY Ô NHIỄM MTKK VÀ TÁC HẠI: 1/- Ôxit lưu huỳnh: Trong hai loại oxýt lưu huỳnh thì sunfurơ SO2 đáng được quan tâm hơn cả vì có số lượng lớn hơn nhiều so với anhyđric sunfuric: SO3. Hai loại khí này sinh ra nhiều nhất là do đốt than đá và sản phẩm dầu mỏ có chứa lưu huỳnh. SO2 là chất khí không màu, có vị hăng cay khí nồng độ trên 1ppm Khi khuếch tán trong khí quyển, SO2 bị oxi hóa thành SO3 hay muối sunfat, chúng sẽ tách khỏi không khí rơi xuống mặt đất theo nước mưa. Đây là nguyên nhân gây ra các trận mưa acide phá hoại thảm thực vật trên mặt đất gần các khu công nghiệp. Khi con người hít phải khí có nồng độ SOx cao, SOx sẽ hòa tan trong các nước bọt ở trong miệng, dịch ở màng phổi, tạo thành acide kích thích hệ hô hấp, gây tổn thương niêm mạc ở cơ quan hô hấp, tạo ra các chứng bệnh ở đường hô hấp. Các giọt nước mưa hòa tan SOx tạo các loại acide sẽ làm hư hỏng mùa màng, hư hỏng các công trình xây dựng do hòa tan CaCO3 trong kết cấu xây dựng. SOx là nguyên nhân chính gây ô nhiễm loại YOKKAICHI.( Tháng 6/1963 thành phố YOKAICHI bị ô nhiễm nặng bởi bụi , khí SOx , H2S làm số bệnh nhân bị ngộp thở , đau nhói ngực tăng cao bất bình thường). 2/-Dioxit cacbon: Cacbonic được sinh ra do sự hô hấp của động vật, do đốt nhiên liệu và do các hoạt động của núi lửa. Khi khuếch tán trong khí quyển, một phần CO2 được thực vật và nước biển hấp thu, một phần nhỏ theo nước mưa rơi xuống đất và phần còn lại sẽ tồn tại trong khí quyển. Khi nồng độ cacbonic qua cao sẽ gây ảnh hưởng cho môi trường. Hiện nay CO2 được xem là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ không khí trên trái đất. 3/- Cacbon oxit CO: CO sinh ra trong quá trình cháy không hoàn toàn nhiên liệu gốc cacbon như than, củi, dầu, khí đốt CO là khí không màu, không mùi, trong không khí CO bị oxi hóa chậm thành CO2. CO có khả năng hòa tan vào nước mưa và rơi xuống đất. Sự nguy hại chủ yếu của CO cho con người và động vật là vì CO có ái lực rất mạnh với hồng cầu trong máu dẫn tới các tai biến gây tử vong vì thiếu ô xy trong máu. Hỗn hợp CO trong không khí ở nồng độ giới hạn sẽ trở thành hỗn hợp cháy nổ.CO là loại khí đặc biệt nguy hiểm cho các thiết bị lọc bụi tĩnh điện khi lọc khói lò nung hay khí thải lò đốt tích lũy trong không gian kín. 4/-NOx: Oxýt Nitơ có nhiều loại nhưng thường gặp nhất là NO và NO2. Chất khí này được hình thành khi Nitơ và oxy trong không khí kết hợp với nhau ở điều kiện nhiệt độ cao. Do 8
9. vậy nó chỉ thường thấy ở các khu công nghiệp và đô thị lớn. Trong khí quyển, NO2 kết hợp với các gốc OH trong không khí để tạo thành HNO3. Khi trời mưa NO2 và các phân tử HNO3 theo nước mưa rơi xuống đất làm giảm độ PH của nước mưa. NOx và CO2 là nguyên nhân gây ra hiện tượng ô nhiễm kiểu los angeles: Là một kiểu ô nhiễm đặc trưng do khói thải xe hơi gây ra với cường độ lớn gặp lúc thời tiết không thuận lợi cho việc khuếch tán và rửa sạch chất ô nhiễm trong không khí.(Mùa hè năm 1951 . 400 người chết , nhiều ngàn người ngứa mắt do không khí ô nhiễm khói xe hơi thải ra tích tụ trên đường phố gặp khi thời tiết không thuận lợi cho khuyếch tán chất ô nhiễm.) Con người tiếp xúc lâu với NO2 ở 0.06 ppm sẽ gia tăng các bệnh về đường hô hấp. Người ta nhận biết được mùi của NO2 khi trong không khí có chứa NO2 với nồng độ lớn hơn hoặc bằng 0.12 ppm .Với nồng độ ở 5 ppm, NO2 gây tác hại cho bộ máy hô hấp sau vài phút và ở nồng độ từ 1.5 đến 50 ppm. NO2 sẽ gây nguy hại cho tim phổI trong vài giờ. 5/-Clo và HCl: Clo và HCl có nhiều ở xung quanh các nhà máy hóa chất đặc biệt là các phân xưởng sản xuất NaOH bằng cách điện phân muối ăn NaCl. Clo còn thấy ở các nhà máy sản xuất nhựa tái sinh , các lò đốt rác thải có chứa chất dẻo. Do Clo dễ hòa tan vào nước nên thường gây kích thích cho vùng trên của đường hô hấp khi nồng độ Clo trong không khí cao. Khi tiếp xúc với Clo ở nồng độ cao, người thường xanh xao, vàng vạch, nhiều bệnh tật, cây cối chậm phát triển hay dễ chết. Trên tầng cao khí quyển, gốc Clo trong hợp chất FREON được giải phóng sẽ làm tan rã các phân tử khí ô-dôn O3 , làm thủng lớp vỏ ô-dôn bảo vệ trái đất khỏi bức xạ tử ngoại. 6/-Chì: Chì được dùng nhiều trong công nghiệp, người ta được biết tới 150 nghề và trên 400 quá trình công nghệ có sử dụng chì. Chì rất độc cho người và động vật. Chỉ với nồng độ 0.182 mg/lít không khí, đã đủ gây ngộ độc chì dẫn đến chết xúc vật sau 18h tiếp xúc. Chì trong không khí dưới dạng bụi nhỏ do các quá trình sản xuất gây ra. 7/-Hyđrô cacbon: Là tên gọi chung của các hợp chất hợp thành từ hyđrô và cacbon. Hyđrô cacbon trong không khí có nguồn gốc từ thiên nhiên do quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ, như mêtan, etylen, Trong không khí ở các thành phố và khu công nghiệp, hyđrô cacbon có trong không khí do khí thải của các lò đốt sản phẩm dầu mỏ, khí thải động cơ nổ, và còn do bay hơi của các sản phẩm dầu mỏ trong quá trình vận chuyển, tồn trữ và sử dụng. Các loại thường gặp là etylen, benden, xilen, toluen Tuỳ thuộc vào bản chất hoá học.HC tác hại khác nhau tới người , gia súc và thực vật trong môi trường có chứa HC. 8/-Bụi: Những hạt bụi có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 0,1μm không lưu lại trong hệ thống hô hấp của con người. Loại từ 1 đến 5μm sẽ bám dính vào phế nang phổi. Loại lớn hơn 5μm được đọng lại phần trên hệ hô hấp. Tùy theo bản chất hóa học bụi có các tác hại gây bệnh khác nhau. Thường ta gặp các nhóm: +Bụi gây nhiễm độc (chì, thủy ngân) +Bụi gây dị ứng (bụi bông gai, phấn hoa, lông thú vật, ) +Bụi gây nhiễm trùng. +Bụi gây xơ phổi: bụi than, aniăng, silíc, Bụi còn gây tác hại tới máy móc, thiết bị, tăng độ hao mòn, tăng tốc độ ăn mòn kim loại trong không khí. 9
10. II- CÁC LOẠI NGUỒN THẢI CHẤT GÂY Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÍ: A.Nguồn thải công nghiệp: Nền công nghiệp ở nước ta ngày ngày càng phát triển tạo ra nhiều sản phẩm hàng hóa cho xã hội. Các khu công nghiệp, các nhà máy mọc lên với số lượng nhiều, qui mô lớn làm thay đổi cả bộ mặt xã hội theo cả hai chiều tích cực và tiêu cực, trong đó phải kể đến vấn đề ô nhiễm môi trường. Hoạt động của công nghiệp tăng cao sẽ kéo theo việc tăng chất thải vào môi trường khí. Khi lượng chất thải đủ nhiều để phá vỡ chu trình cân bằng vật chất của môi trường, làm cho môi trường bị ô nhiễm. Nguồn thải gây ô nhiễm của các ngành công nghiệp gồm: a.Công nghiệp năng lượng: Công nghiệp năng lượng gồm 3 ngành chính: Điện - Than - Dầu khí 1. Ngành điện: ngành điện của nước ta có cơ cấu các nhà máy phát điện là: - Thủy điện 66% là ngành không gây ô nhiễm môi trường khí nhưng tiềm ẩn khả năng biến đổi môi trường - sinh thái vùng hồ chứa nước và thủy vực vùng hạ lưu. -Nhiệt điện: 21% -Tuabin khí và điezen: 13% Các nhà máy nhiệt điện dùng than làm nhiên liệu có lượng tiêu hao than từ 0,4 ÷ 0,8 kg/kwh. Nguồn cung cấp than là các mỏ than vùng đông bắc. Theo TS Phạm Ngọc Đăng: năm 1993 các nhà máy tiêu thụ gần 480.000 tấn than và thải ra khí quyển 6.713 tấn khí SO2; 2.724 tấn NOx; 277,9 × 103 tấn CO2 và 1491 tấn bụi. Đây là nguồn gây ô nhiễm rất lớn nhưng việc khắc phục còn rất khó khăn và tốn kém. Các nhà máy dùng dầu F.O làm nhiên liệu chủ yếu tập trung ở phía nam như Thủ đức - Cần thơ - Hiệp phước. Nguồn khí thải chủ yếu là CO và SOx do trong dầu F.O hàm lượng lưu huỳnh rất cao (tới 3%). Với các nhà máy dùng khí làm nhiên liệu thì nguồn gây ô nhiễm không khí chỉ là CO2, NO2. 2. Ngành khai thác than: Ngành khai thác than ít có nguy cơ trực tiếp gây ô nhiễm không khí, có chăng chỉ có nguồn phát sinh bụi từ các tuyến vận chuyển, phân loại than mà thôi. Ngành này tiềm ẩn khả năng làm biến đổi môi trường - sinh thái vùng khai thác do cây cối bị triệt phá, đất đá bị đào xới 3. Ngành khai thác dầu khí: Nguồn phát thải chất ô nhiễm là việc đốt bỏ khí đồng hành và những sự cố dò rỉ khí đốt trên các tuyến vận chuyển, sử dụng. b.Công nghiệp hóa chất: 1.Hóa chất cơ bản: chúng ta ít có nhà máy sản xuất hóa chất cơ bản lớn , nhất là ở khu vực phía nam. Nhưng có một số nhà máy công nghiệp khác có theo dây chuyền sản xuất hóa chất xút - clo trên cơ sở điện phân muối ăn. Tại những cơ sở này, hơi Clo được thải bỏ tự do vào không khí là một nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Tùy theo các dạng sản phẩm làm ra mà các cơ sở sản xuất hóa chất cơ bản có chất thải làm ô nhiễm môi trường khí. Ví dụ: SO2 từ công nghệ sản xuất acide sunfuric; clo từ công nghệ điện phân muối ăn. 2. Phân hóa học: nguồn ô nhiễm lớn nhất tại các nhà máy phân hóa học là bụi, sau đó là hơi SO2 và fluo nếu là dây chuyền sản xuất super lân, hay NH3, CO2 nếu là sản xuất phân đạm. 3. Thuốc trừ sâu: các nhà máy thuốc trừ sâu ở nước ta có hai dạng chính là thuốc trừ sâu dạng lỏng và rắn. Ở các nhóm clo hữu cơ và lân hữu cơ là loại có độc tính cao. Trong quá trình pha chế, đóng gói thành phẩm, có hơi thuốc trừ sâu bay hơi vào không khí gây ô nhiễm môi trường khí. Ngoài ra phải kể tới bụi ở các dây chuyền sản xuất thuốc bột 10
11. và hột bay vào môi trường không khí. Tuy khối lượng không nhiều nhưng khí thải của các xí nghiệp này rất độc hại nên cần đặc biệt chú ý. c. Công nghiệp luyện kim: Cả nước chỉ có một nhà máy luyện gang từ quặng sắt ở Thái nguyên, nhà máy này vừa luyện gang và luyện cốc, khí thải của nhà máy chứa nhiều CO, CO2, CyHx, SOx, NH3 và bụi Hiện nay nhà máy sản xuất với năng suất rất thấp. Thường gặp nhất là lò luyện thép Hồ quang ở cả miền nam và miền bắc. Khi hoạt động, lò luyện thường làm ô nhiễm khu xung quanh vì khói bụi của quá trình sản xuất. Trong khí thải của lò, lượng CO cho tới 15% – 20% (thể tích); H2 chiếm 0.5% - 35%.Tải lượng bụi trung bình tính theo thành phẩm là 6-9Kg/tấn thép hay 3~10g/m3 khí thải. Thành phần chủ yếu của bụi là oxýt sắt, ngoài ra còn có oxít măng gan, canxi, ma nhê Đây đang là nguồn gây ô nhiễm đáng kể nhất ở các khu công nghiệp, chưa kể tới trong các nhà máy này còn có các lò nung đốt dầu FO thải ra môi trường các loại khí độc hại đặc trưng. Cùng ở dạng này ta còn gặp các lò sản xuất đất đèn, đá mài Cũng là loại lò nung dùng hồ quang điện. Chúng ta còn phải chú ý đến khí thải của hàng trăm cơ sở nấu đúc kim loại nằm trong khu vực dân cư .Các loại lò này thường dùng dầu FO và than đá làm nhiên liệu,nấu lại kim loại và phế liệu nên khói thải của các cơ sở thường làm ô nhiễm khu vực xung quanh. d. Công nghiệp vật liệu xây dựng: 1. Sản xuất xi măng: Hiện chúng ta đang có rất nhiều nhà máy sản xuất xi măng. Bao gồm hai công nghệ chính là xi măng lò đứng công suất thấp, chất lượng thấp, sản xuất thô sơ và xi măng lò quay có công suất và chất lượng cao. Khí thải từ lò nung xi măng có hàm lượng bụi, CO, CO2, Fluor rất cao và cỏ khả năng gây ô nhiễm nếu không được kiểm soát tốt. Hiện tại, vấn đề ô nhiễm môi trường do bụi và khói ở một vài nhà máy xi măng vẫn đang chưa được giải quyết. 2. Sản xuất gạch đất nung: Tại các cơ sở công nghiệp lớn, gạch đất nung trong các lò tuy-nen dùng nhiên liệu là dầu DO hay FO, các nhà máy này phát thải vào không khí chất gây ô nhiễm do đốt dầu vẫn đang tồn tại, còn chưa được giải quyết triệt để. Chất gây ô nhiễm là tro bụi, CO2, SOx. Tại các lò gạch thủ công dùng trấu, củi, than làm ô nhiên liệu,do đặc tính công suất nhỏ, ở rải rác nên khí thải chứa tro bụi, CO2 ảnh hưởng tới các nhà dân lân cận. Khi tập trung thành các làng nghề thì vấn đề sẽ trở nên bức xúc hơn. 3. Sản xuất gạch gốm, đồ gốm sứ: Các nhà máy sản xuất gạch ceramic có nguồn phát thải lớn chất gây ô nhiễm vào không khí là tháp sấy Kaolin và lò nung. Trong khí thải thường chứa: CO, CO2, Fluor, SOx Lò nung thải khí thải đốt nhiên liệu dầu mỏ trừ các xí nghiệp có lò nung dùng gaz. Bụi từ dây chuyền cân trộn nghiền cao line và phụ gia. e. Khí thải chất ô nhiễm từ lò đốt: Lò đốt nhiên liệu là tên gọi chung cho tất cả các loại như lò hơi, lò nung, lò rèn, buồng sấy dùng để đốt nhiên liệu rắn hay lỏng lấy nhiệt lượng phục vụ cho nhu cầu sản xuất, đời sống. Quá trình cháy trong lò sẽ sinh ra khí thải có nồng độ CO2, CO, SOx, NOx và tro bụi. Tùy theo đặc điểm của mục đích sử dụng mà khí thải của lò đốt còn mang theo các chất ô nhiễm đặc trưng khác. Khi tính toán lắp dựng lò đốt và ống thải không hợp lý, khí thải lò đốt sẽ làm ô nhiễm không khí vùng lân cận dưới chiều gió. Cần phải có sự chú ý đặc biệt tới lò đốt rác thải vì ngoài khí thải do cháy nhiên liệu còn có khí thải do các thành phần của rác cháy hay bốc hơi vào khí thải. 11
12. B. Ô nhiễm giao thông: Cùng với đà phát triển của công nghiệp hóa, số lượng các phương tiện giao thông ngày càng nhiều. Vì vậy trên các tuyến giao thông đông đúc ở các đô thị thường xuất hiện vấn đề ô nhiễm không khí do bụi và khí thải của xe có động cơ gây ra. Đặc điểm của loại khí thải này là nguồn thải thấp, di động và không đều. Ở các tuyến có mật độ lưu thông cao khí thải hợp lại thành nguồn phát thải theo tuyến làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường hai bên đường. Những chất ô nhiễm đặc trưng của khí thải giao thông là bụi, CO, CyHx, SOx, chì, CO2 và Nox , Benzen. III- ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ KHÍ HẬU TỚI CON NGƯỜI. a/- Toả nhiệt của cơ thể: Con người có nhiệt độ trung bình toàn cơ thể là 370C. Trong quá trình tồn tại, có thể người ta luôn sản sinh ra nhiệt, lượng nhiệt này được các bộ phận chức năng điều hoà thân nhiệt thải ra môi trường không khí xung quanh. Lượng nhiệt cơ thể sinh ra và toả ra không khí phụ thuộc vào đặc điểm sinh lý, lứa tuổi, và cường độ vận động. Nó dao động từ mức 70 Cal/h cho trạng thái ngủ, 100 – 120 Cal/h cho người đọc sách, làm việc trí óc và tối đa là 420 Cal/h cho người lao động thủ công nặng nhọc. Lượng nhiệt do người thải ra truyền vào không khí bằng các cách thức như sau: + Theo hơi thở, không khí vào qua phổi sẽ được làm nóng và sao đó bay ra ngoài sẽ mang theo một lượng nhiệt của cơ thể. + Trao đổi nhiệt do làm nóng lớp không khí sát bề mặt da hay truyền qua quần áo làm nóng lớp không khí ngoài. Lượng truyền nhiệt này xảy ra dưới hình thức dẩn nhiệt và đối lưu. + Bay hơi mồ hôi trên bề mặt da và quần áo. Khi có cảm giác nóng, cơ quan điều chỉnh thân nhiệt sẽ kích thích tuyến mồ hôi tiết mồ hôi làm ước bề mặt da. Mồ hôi sẽ bay hơi vào không khí và mang theo nó lượng nhiệt hoá hơi nhận từ da. + Trao đổi bức xạ nhiệt với các bề mặt xung quanh. Bề mặt da( hay quần áo trên người) luôn trao đổi nhiệt bức xạ với các bề mặt khác ở xung quanh. Lượng nhiệt này có thể dương khi tổng lượng nhiệt phát xạ từ con người nhỏ hơn tổng lượng nhiệt hấp thụ từ bức xạ nhiệt của vật bao quanh và lượng nhiệt này có thể âm trong trường hợp ngược lại. Điều này thấy rõ khi con người ở dưới trời nắng hay gần các nguồn nhiệt lớn. - Cơ thể con người cảm thấy mát mẽ dể chịu khi thân nhiệt được giử vững tức là khi lượng nhiệt trong người sinh ra vừa cân bằng với lượng nhiệt trao đổi với môi trường khí. Cảm giác nóng bức xảy ra khi lượng nhiệt cơ thể sinh ra không toả hết ra ngoài mà phải sử dụng tới phương thức thoát mồ hôi để tránh thân nhiệt tăng cao. Cảm giác lạnh xảy ra khi lượng nhiệt cơ thể sinh ra nhỏ hơn lượng nhiệt trao đổi với môi trường. - Việc trao đổi nhiệt của con người phụ thuộc vào các yếu tố vật lý của không khí là: Nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió và nhiệt độ bức xạ của các vật thể quanh mình. Nhiệt độ bức xạ là giá trị trung bình diện tích nhiệt độ các bề mặt bao quanh. n ∑ ()ti × fi t = 1 bx n (9) f ∑ i 1 Khi nhiệt độ này > 35 0C thì cơ thể con người còn phải thải vào không khí lượng nhiệt xâm nhập vào con người qua con đường bức xạ. - Khi ở trong bầu khí nóng (có t & tR cao), oi bức và không thoáng đãng ( v nhỏ) con người cảm thấy nóng bức, toát mồ hôi, mất tập trung, giảm sức lao động và trí nhớ. Khi thân nhiệt tăng cao tới 42 – 43 0C có thể dẩn tới tử vong. 12
13. - Khi ở trong bầu không khí quá lạnh con người bị giá lạnh sẽ hạ thân nhiệt, cho tới khi thân nhiệt giảm tới 25 – 280C con người sẽ bị tử vong. - Bức xạ nhiệt cường độ cao chiếu trực tiếp vào người làm bề mặt da hấp thu và sẽ tăng cao nhiệt độ cục bộ. Hiện tượng rám nắng, cháy nắng, tróc da khi bị mặt trời chiếu sáng trực tiếp là kết quả tăng cao nhiệt độ mặt da tới mức bị phỏng nhẹ. Bức xạ mặt trời ngoài bức xạ nhiệt gây cảm giác nóng còn có bức xạ tử ngoại gây tổn thương da dẩn tới ung thư. b/-Điều kiện tiện nghi nhiệt của cơ thể. Quyết định 3733/2002-QĐ-BYT của Bộ Y tế ban hành một số thông số giới hạn các yếu tố vật lí của môi trường không khí mà con người lao động có thể chịu đựng được và có thể phục hồi sau khoảng nghỉ ngơi. Tuy nhiên đó không là các tham số cho khoảng thích nghi, dể chịu nhất của con người với môi trường. Qua nghiên cứu, các nhà khoa học thấy rằng: Các yếu tố vật lí của môi trường tác động đồng thời lên cảm giác nhiệt của con người, vì thế điều kiện ôn hoà, dể chịu của cảm giác nhiệt phải được xây dựng trên tác động đồng thời của 4 yếu tố t, j, v, tR. Hơn nữa cảm giác nhiệt của các cộng đồng người không hoàn toàn giống nhau do sự thích nghi môi trường khác nhau. Các nhà nghiên cứu môi trường khí hậu quan tâm đến một vài tổ hợp các thông số như sau: */- Hội thông gió cấp nhiệt và điều hòa không khí Mỹ để nghị dùng nhiệt độ hiệu quả tương đương làm thước đo nóng lạnh của môi trường khí hậu trong điều kiện nhiệt độ bức xạ không cao( không có bề mặt nhiệt độ lớn hay quá nhỏ). Nhiệt độ hiệu quả tương đương là một thông số đánh giá tổng hợp các giá trị nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió lên cảm giác nhiệt của con người. Nó xác định bằng biểu đồ từ 3 thông số nhiệt độ khô của không khí t, nhiệt độ ướt của không khí tu, tốc độ thông thoáng gió v. Cho con người Việt Nam, có nhà khoa học kiến nghị giới hạn từ 20 – 27 là khoảng giá trị nhiệt độ hiệu quả tương đương , tương ứng với cảm giác mát mẻ dễ chịu của người Việt Nam. Một cách gần đúng có thể xác định nhiệt độ hiệu quả tương đương qua công thức của Weeb. (10) T = 0,5 × (t + t ) − 1,94 × v td k u */-Để đánh giá đồng thời cả 4 yếu tố t, tu, tR, v lên cảm giác nhiệt của con người. Có nhà khoa học kiến nghị dùng các thông số: Chỉ số Kôrenkôv hay còn gọi là chỉ số điều kiện nhiệt: (11) ∑H = 0,24 × ()t + t + 0,1× d − 0,09 × (37,8 − t )× v k bx k Trong đó: o tk : nhiệt độ khô của không khí. C o tbx:: nhiệt độ bức xạ của môi trường. C d : dung ẩm. g/kg v : tốc độ gió m/s hay Chỉ tiêu tam cầu WBGT: TWBGT = 0,7 × tu + 0,2 × tcd + 0,1× tk (12) Trong đó : o tk : nhiệt độ khô của không khí. C o tu : nhiệt độ ướt của không khí. C o tcd : nhiệt độ cầu đen của môi trường không khí. C Theo BIJ: Loại lao động Nhẹ Trung bình Nặng TWBGT 30 26,7 25 13
14. 11/-Nồng độ cho phép của các loại bụi và hơi khí độc trong không khí. -Nồng độ chất độc hại: là đại lượng biểu thị lượng chất độc hại hòa lẫn vào không khí. Thường được ký hiệu C. đơn vị đo của C là mg/lít hay mg/m3. (TCVN). C còn được đo theo ppm thể tích. (cho môi trường khí) và ppm trọng lượng (cho môi trường nước). Công thức tính đổi đơn vị trong môi trường khí như sau: ppm × TLPT 273 P mg/ m 3 = × × (13) 22,4 273 + t 760 Trong đó: t- nhiệt độ 0C. p - áp suất khí quyển mmHg. TLPT – Trọng lượng phân tử của chất cần đổi. -Trị số nồng độ lớn nhất ghi nhận được trong quá trình quan trắc gọi là nồng độ tức thời. Trong tiêu chuẩn chất lượng môi trường thường dùng trị số nồng độ tức thời cho phép. Đây là nồng độ chất độc hại lớn nhất trong không khí mà không gây tác hại đối với con người. Về môi trường không khí , chúng ta đã có các tiêu chuẩn: - QCVN 02:2008/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải lò đốt chất thải rắn y tế. 30 -12 - 2008. - TCVN 5937 - 2005: chất lượng không khí. Tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh. - TCVN 5938 - 2005: chất lượng không khí. Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại trong không khí xung quanh. - TCVN 5939 - 2005: chất lượng không khí. Tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với bụi và chất vô cơ. - TCVN 5940 - 2005: chất lượng không khí. Tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với chất hữu cơ. - Quyết định 3733-2002- QĐ-BYT giới hạn cho phép các chất độc hại trong môi trường không khí ở cơ sở sản xuất. Gồn các thông số: +Nồng độ giới hạn cho phép chất độc trong không khí ở cơ sở sản xuất. +Nồng độ bụi giới hạn cho phép có trong không khí ở cơ sở sản xuất. +Vi khí hậu vùng làm việc. - Chỉ số AQI (Air quality index): Chỉ số chất lượng không khí (AQI) là chỉ số đại diện cho nồng độ của một nhóm các chất ô nhiễm gồm: CO, NO2, SO2, O3 và bụi nhằm cho biết tình trạng chất lượng không khí khu vực ven đường hoặc dân cư trong Thành phố. Phân loại: +Chỉ số AQI khu vực ven đường . + Chỉ số AQI khu vực dân cư . Chỉ số AQI và các lưu ý. Nhóm điểm Chất lượng không khí Ảnh hưởng sức khỏe 0 - 50 Tốt Không Nhóm nhạy cảm, đôi khi nên 51 - 100 Trung bình giới hạn thời gian ở ngoài nhà Nhóm nhạy cảm nên hạn 101 - 200 Kém chế thời gian ở ngoài 14
15. Nhóm nhạy cảm tránh ra ngoại 201 - 300 Xấu Những người khác nên hạn chế thời gian ở ngoài >300 Nguy hại Mọi người nên ở trong nhà Theo hướng dẫn của Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (US Federal Resgister Part III - EPA - 40 CFR Part 58 ), chỉ số AQI được tính toán dựa trên tiêu chuẩn hiện hữu về chất lượng không khí Việt Nam (TCVN - 5937 - 1995 ). Chất lượng không khí thường được đo bởi mạng lưới quan trắc ghi lại nồng độ của các chất ô nhiễm chính tại hơn một nghìn vị trí trong cả nước theo từng ngày. Những phương pháp này chuyển đổi vào giá trị AQI thông qua việc sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn được phát triển bởi EPA. Một giá trị AQI được tính toán cho từng chất ô nhiễm riêng lẻ cho một khu vực (Ozone sát đất, bụi, SO2, NO2, CO) theo số liệu nồng độ của các chất ô nhiễm dựa vào bảng giá trị tới hạn (bảng 1) và được tính thông qua công thức (1) dưới đây. I − I ()HI LO I p = ()CP − BPLO + I LO ()BPHI − BPLO Trong đó: Ip chỉ số AQI tương ứng với giá trị nồng độ của chất ô nhiễm Cp IHi giới hạn trên của khoảng giá trị AQI tương ứng với một khoảng cảnh báo μ ILo giới hạn dưới của khoảng giá trị AQI tương ứng với một khoảng cảnh BPHi giới hạn trên của khoảng giá trị nồng độ chất ô nhiễm p tương ứng với khoảng cảnh giá trị AQI cho mức cảnh báo tương ứng. BPLo giới hạn dưới của khoảng giá trị nồng độ chất ô nhiễm p tương ứng với khoảng cảnh giá trị AQI cho mức cảnh báo tương ứng Cp giá trị nồng độ của chất ô nhiễm p Bảng -2 Các ngưỡng nồng độ tương đương với AQI (theo TCVN 1995 – 5937) Giá trị AQI lớn nhất cho chất ô nhiễm riêng lẻ trở thành giá trị AQI của ngày hôm đó. 15
16. IV-KIỂM TOÁN NGUỒN THẢI: Kiểm toán nguồn thải là công tác thống kê tải lượng và dặc điểm các nguồn thải chất ô nhiễm trong một khu vực xem xét để phục vụ cho công tác quản lý , dự báo và kiểm soát ô nhiễm môi trường khí . Kiểm toán nguồn thải cần tiến hành song song với các công việc: Quan trắc khí tượng, phân tích thành phần khí quyển và xác lập các tham số của nguồn thải chất ô nhiễm vào không khí. Các tham số cần biết của nguồn thải chất ô nhiễm là: Lưu lượng khí thải; Nhiệt độ khí thải; Vị trí và đặc điểm của ngọn ống thải; Nồng độ từng chất ô nhiễm trong khí thải để qua đó có thể biết tổng lượng thải của mỗi chất ô nhiễm trong một đơn vị thời gian. Tuy vậy, không phải với nguồn thải nào cũng có thể biết hay đo được các tham số trên vì nhiều lý do khác nhau.Ví thế,người ta phải kiểm toán nguồn thải qua hệ số thải hay qua công thức kinh nghiệm hoặc lý thuyết. Hệ số phát thải là lượng thải chất ô nhiễm tính bình quân trên một đơn vị nhiên liệu tiêu hao hay trên một đơn vị thành phẩm làm ra. Hệ số thải được xác định qua tập hợp nhiều số liệu thống kê để rút ra hệ số chung. Bảng 1-3 và 1-4 là ví dụ về hệ số phát thải chất ô nhiễm không khí. Bảng 1-3: Hệ số thải chất ô nhiễm của nhà máy nhiệt điện đốt than angtraxit: Mức độ ĐV.(U) Hệ số phát thải ( kg/tấn ) xử lý Than Bụi SO2 NOx CO VOC Không có lọc bụi Tấn 5xA 19,5xS 9 0,3 0,055 Lọc bụi bằng cyclon Tấn 1,25xA 19,5xS 9 0,3 0,055 lọc bụi Tĩnh điện Tấn 0,36xA 19,5xS 9 0,3 0,055 Lọc bụi túi vải Tấn 0,01xA 19,5xS 9 0,3 0,055 Bảng 1-4: Hệ số thải chất ô nhiễm của xe ô-tô Loại xe ĐV. Bụi SO2 NOx CO VOC Xe ca và xe con 1000 km 0,07 2,05xS 1,19 7,72 0,83 (trung bình) Xe tải 1000 km 0,9 4,76 10,3 18,2 4,2 ( Trung bình ) Cũng có thể kiểm toán nguồn thải qua các công thức rút ra từ nghiên cứu thống kê hay từ các cân bằng hóa học Các công thức này bỏ qua phương pháp và công nghệ sản xuất . Ví dụ: - Xác định lượng SO2 thải ra khi đốt nhiên liệu có chứa lưu huỳnh : MSO = 20 × B × S Kg/h (14) 2 Trong đó: B- lượng nhiên liệu đốt (Tấn /h ) S- Hàm lượng lưu huỳnh ( % ) -Xác định lượng thải NOx của lò hơi: D M = 20 × B × k kg/h (15) NOX 1000 + Dk Dk – Công suất hơi ( tấn /h ) 16
17. Hoặc trong một số trường hợp tính từ phương trình lý thuyết. Ví dụ: Khi đốt dầu F.O. chứa 3% S ,lượng SO2 sinh ra như sau: S + O2 = SO2 32,06 + 2 x 16 = 64,06 Khi đốt 32,06 g S ta sẽ thu được 64,06 g SO2.Trong 1 tấn dầu có chứa 30kg S,khi đốt sẽ sinh ra lượng khí SO2 là : (64,06 x 30) / 32,06 = 59,94 kg SO2 / t Nhìn chung số liệu kiểm toán nguồn thải có mức độ chính xác rất khiêm tốn.Tuy nhiên số liệu này rất cần cho công tác quản lý , dự báo và kiểm soát ô nhiễm môi trường. V. ĐO ĐẠC CHẤT Ô NHIỄM TRONG ỐNG THẢI. Việc xác định lượng phát thải chất gây ô nhiễm môi trường không khí trong ống thải nhằm mục đích kiểm toán môi trường, tính kiểm tra phát thải chất gây ô nhiễm tới vùng dưới gió của ống thải; và kiểm tra nồng độ chất gây ô nhiễm trong ống thải với các tiêu chuẩn phát thải cho phép. Chất gây ô nhiễm môi trường không khí có rất nhiều loại, tuy thế chỉ phân làm hai loại khi tiến hành đo đạc, đó là: Bụi và các chất dạng hơi khí. 1. Đo nồng độ bụi trong ống thải: Bụi là các hạt rắn khuyếch tán trong dòng khí có khối lượng và trọng lượng riêng khác nhiều với môi trường khí. Khi chuyển động trong dòng khí, hạt bụi chịu chi phối rất nhiều của các lực quán tính, lực lý tâm và lực ma sát với dòng khí nên khi lấy mẫu khí để xác định nồng độ bụi cần phải có các yêu cầu riêng. Đo đạc nồng độ bụi trong ống thải thường phải tiến hành lấy mẫu khí lẫn bụi từ trong ống thải và đưa ra các thiết bị phân tích đặt ngoài ống. Sơ đồ hệ thống như sau: Lưu lượng kế Ống lấy mẫu Ống thải Máy hút khí Bộ lọc nước Bộ thu hạt bụi H : Sơ đồ khối hệ thống đo đạc nồng độ chất ô nhiễm trong ống thải. ƒ Ống lấy mẫu thường là một ống tròn rỗng bằng kim loại như đồng hay INOX có đường kính chừng 6 ~ 12mm, một đầu thường được uốn cong 90o còn đầu kia để thẳng và nối với ống dẫn khí hút về các thiết bị khác. Khi thu mẫu bụi, đầu ống uốn cong được hướng sao cho miệng ống vuông góc với chiều đi tới của dòng khí. ƒ Đầu ống lấy mẫu bụi có cấu tạo đặc biệt, mép ống có cạnh vát sắc để làm giảm dòng chảy rối phát sinh tại đầu ống ảnh hưởng tới kết quả đo. ƒ Bộ thu hạt bụi ở nhiệt độ thường là các màng lọc hiệu quả cao để thu các hạt bụi trong dòng khí thu được. Bằng cách so sánh trọng lượng màng trước và sau khi lọc, người ta 17
18. có được lượng bụi thu được trên màng lọc và từ đó biết được nồng độ bụi trong ống thải. Khi khí thải có nhiệt độ cao, người ta phải dùng các loại màng lọc bằng vật liệu đặc biệt hoặc phương pháp khác. Hình 2: Hình dạng đầu lấy mẫu bụi trong ống và ảnh hưởng của tốc độ lấy mẫu tới kết quả. ƒ Bộ lọc hạt nước là thiết bị bảo vệ các phần tử tiếp theo trên hệ thống tránh bị các tác động xấu của nước ngưng trong hệ thống khi đo đạc khí thải của lò đốt. Nó sẽ không cần thiết nếu đo dòng khí thải có nhiệt độ và độ ẩm không cao, các ống thải khí của hệ thồng hút bụi. ƒ Lưu lượng kế là thiết bị cần thiết để chỉ báo và điều chỉnh lưu lượng khí hút trong hệ thống vì đầu vào lưu lượng kế thường gắn liền với van điều chỉnh lưu lượng khí. ƒ Máy hút khí là máy hút không khí thông thường có đủ lưu lượng và áp suất hút yêu cầu cho hệ thống. ƒ Ngoài các thiết bị cơ bản kể trên, khi tiến hành đo, người ta còn phải có thêm nhiệt kế để đo nhiệt độ dòng khí và đồng hồ bấm thời gian hay timer tự đóng ngắt hệ thống đo để định lượng lượng khí thải đã hút. Nơi lấy mẫu bụi trong ống thải cần chọn là mặt cắt có dòng chảy đều trên toàn mặt cắt ngang để đảm bảo nồng độ bụi cũng đồng đều tại mọi điểm. Mặt cắt như thế thường có ở vị trí khoảng 2/3 chiều dài các đoạn ống thẳng, đứng, nằm giữa các chi tiết cút, đổi tiết diện hay chạc ba một khoảng cách 8~10 lần đường kính ống. Trước khi đo đạc nồng độ bụi trong ống thải, nhất thiết phải biết tốc độ dòng khí trong mặt cắt muốn đo đạc bằng cách đo đạc hay tính từ lưu lượng hệ thống đã biết. Đây là yếu tố có tính quyết định tới kết quả đo đạc vì muốn có kết quả đúng như thực tế thì tốc độ dòng khí đi vào đầu ống lấy mẫu bụi phải vừa bằng với tốc độ dòng khí đi bên ngoài (được gọi là chế độ đẳng tốc). Ở chế độ đẳng tốc đó, các hạt bụi sẽ không bị đổi hướng di chuyển khi đi qua mặt cắt có đầu ống lấy mẫu. Nếu tốc độ trong đầu ống lấy mẫu nhỏ hơn tốc độ bên ngoài sẽ sinh ra hiện tượng rẽ dòng khí ở trước đầu ống lấy mẫu bụi. Hiện tượng này sẽ làm giảm số hạt bụi đi vào trong đầu ống lấy mẫu. Trong trường hợp ngược lại, tốc độ trong đầu ống lấy mẫu lớn hơn tốc độ bên ngoài sẽ sinh ra hiện tượng thu dòng khí ở trước đầu ống lấy mẫu bụi. Hiện tượng này sẽ làm tăng số hạt bụi đi vào trong đầu ống lấy mẫu. Những hiện tượng đó sẽ làm sai lạc kết quả đo đạc. Lưu lượng khí lấy mẫu đo trên lưu tốc kế được tính như sau: L = v × f × 60000 l/ph Trong đó: L – Lưu lượng lấy mẫu (lít / phút). 18
19. v – Tốc độ dòng khí tronbg ống ( m /s). f – Tiết diện ngang đầu lấy mẫu (m2 ). Ví dụ: Ống khói có đường kính D=320 mm Thải khói có lưu lượng L=3.500 m3/h. Tính lưu lượng lấy mẫu như sau: Tốc độ khí trong ống khói: 3500 v = = 12,1 m/s 0,322 ×π 3600 × 4 Với đường kính đầu lấy mẫu d = 10 mm, Lưu lương khí lấy mẫu cần thiết là: 2 π × 0,01 l = 12,1× × 60.000 = 57 l/ph Chú ý: Lượng khí lấy mẫu 4không phải là lượng khí đưa vào công thức tính nồng độ bụi vì sự khác biệt về nhiệt độ. Khi tính nồng độ bụi phải thêm vào hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ khí thải trong chế độ đo đạc khác 0oC. Sơ đồ khối quy trình đo đạc như hình vẽ sau. Giấy lọc Ống thải Sấy khô Đầu lấy mẫu Để nguội Bộ lọc hạt bụi Sấy khô Cân Để nguội Bộ tách hạt nước Cân Van Lưu lượng Máy hút kế khí H : Sơ đồ khối đo nồng độ bụi trong ống thải. 2. Đo nồng độ hơi khí độc trong ống thải: Các chất ô nhiễm ở dạng hơi và khí khuyếch tán tốt trong không khí nên khi di chuyển trong ống thải, nồng độ chất ô nhiễm đồng đều trong toàn bộ không gian ống thải. Vì thế, việc đo đạc nồng độ chất ô nhiễm trong ống thải tương tự như đo trong môi trường không khí xung quanh. Vị trí lấy mẫu nên ở mặt cắt ngang ống có dòng chảy đều đặn, Đầu lấy mẫu có thể có hướng bất kỳ và lấy mẫu ở mọi tốc độ. Lưu lượng khí lấy mẫu phải tuân thủ 19
20. các thường quy kỹ thuật chuyên ngành. Đặc biệt khi đo hơi khí có nồng độ cao thì phải qua hấp thu nhiều bậc để có giá trị đo gần với thực tế. Ống thải Đầu lấy mẫu Dung dịch Bộ hấp hấp phụ thu khí Bộ hấp thu khí Bộ hấp Xử lý thu khí mẫu Van Máy so màu Lưu lượng Máy hút kế khí H 3: Sơ đồ khối đo nồng độ hơi khí độc trong ống thải. 20
21. CHƯƠNG III KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ. I- CHUYỂN ĐỔI VẬT CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ: Theo định luật bảo toàn vật chất thì vật chất chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác, di chuyển từ nơi này sang nơi khác chứ không tự sinh ra hay mất đi. Giả thiết rằng ta có một khu vực nghiên cứu có một giới hạn nào đó, ví dụ như không khí trong 1 căn phòng hay không khí trên 1 khu đô thị Một chất theo dòng không khí đi vào khu vực nghiên cứu sẽ xảy ra các tình huống: -Bị tiêu hủy trong không gian đó (biến thành chất khác). -Tích lũy lại trong không gian đó mà không thay đổi tính chất. -Đi ra khỏi khu vực nghiên cứu mà không thay đổi tính chất. Tuân theo quy luật bảo toàn vật chất ta có: Lượng đi vào = lượng chất tiêu hủy + lượng chất tích lũy + lượng chất đi ra. Trong tự nhiên, không phải chất nào cũng tuân thủ đúng các quá trình này. Do vậy, chúng ta có các trường hợp sau: A-Hệ thống bảo toàn vật chất ổn định: Đây là trường hợp đơn giản nhất. Không gian nghiên cứu không xảy ra các trường hợp tiêu hủy hay tích tụ chất ô nhiễm. Khi đó ta có: Lượng chất đi vào = lượng chất đi ra. (16) Trường hợp này chỉ xảy ra trong trường hợp hệ thống nghiên cứu không có hay có khả năng tích lũy hay tiêu hủy chất ô nhiễm nhỏ không đáng kể. -VD: không gian của 1 phòng A thông với phòng kế bên B và C. Không khí đi vào phòng A từ phòng B với lưu lượng LB và nồng độ CO2 là CB và không khí từ phòng C với lưu lượng Lc và nồng độ CO2 là Cc . Không khí từ phòng A được quạt hút thải ra ngòai. Vậy lượng khí phải hút ra ngoài và nồng độ CO2 ở khí thải là bao nhiêu ? Nếu chúng ta thừa nhận đây là hệ thống bảo toàn ổn định nghĩa là: lưu lượng không khí và lượng CO2 đi ra khỏi phòng A phải bằng lượng đi vào. Do vậy: L = LB + Lc LxC = LBxCB + LcxCc LCLC× + C = BBCC × (17) L B-Hệ thống vật chất ổn định không bảo toàn: Trên thực tế, chất ô nhiễm phát tán trong không khí thường tham gia các phản ứng hóa học, sinh học nên lượng vật chất không được bảo toàn trong quá trình phát tán. Khi đó biểu thức của hệ thống sẽ phải là: Lượng đi vào = Lượng đi ra + Lượng bị tiêu hủy. Nếu cho rằng chất ô nhiễm phân bố đồng đều trong không gian nghiên cứu và lượng chất bị tiêu hủy tỷ lệ với lượng chất ô nhiễm có trong không gian nghiên cứu, ta có thể viết như sau: Lượng bị tiêu hủy = K.C.V (18) Với: K- hệ số tiêu hủy chất ô nhiễm luôn mang dấu âm (-) C- nồng độ chất ô nhiễm trong không gian xét V- thể tích không gian xét. Xét biến thiên lượng chất ô nhiễm theo thời gian, ta có thể viết phương trình vi phân: dC = −K ×C dt (19) 21
22. Giải phương trình vi phân trên , ta có : (20) C = C × ekt O Trong đó: Co-Nồng độ chất ô nhiễm tại thời điểm bắt đầu xét t = 0. Phương trình biến thiên nồng độ theo thời gian này cho ta thấy : Nồng độ chất ô nhiễm chỉ bằng không khi thời gian kéo dài vô tận. C→ 0 khi t→ ∝ Kết quả là biểu thức toán học của hệ thống ổn định không bảo toàn là: Lượng nhiễm vào = Lượng ô nhiễm + K.C.V -VD: một phòng hút thuốc có thể tích 500m3 có lượng thải khí formaldehyde (HCHO) từ khói thuốc lá là 140mg/h. Phòng được thông gió với lưu lượng 1000m3/h. Hay xác định nồng độ formaldehyde trong không khí nếu cho rằng hệ số chuyển đổi -1 formaldehyde thành CO2 là 0.4 h . Giả thiết rằng nồng độ formaldehyde đồng đều trong phòng và bằng nồng độ trong khí ra khỏi phòng C. Ta có thể viết biểu thức toán cho hệ thống như sau: Lượng đi vào = lượng đi ra + K.C.V 140 = 1000 x C + 0.4 x 500 x C 140 = 1200 x C → C = 0.117 mg/m3. C-Hệ thống không bảo toàn vật chất và không ổn định: Trong thực tế chúng ta gặp rất nhiều mô hình trong điều kiện không ổn định, tức là có sự lưu tồn chất ô nhiễm trong không gian xét. Bản thân sự phát thải chất ô nhiễm và lượng không khí đi qua không gian xét liên tục biến đổi theo thời gian. Trong trường hợp đó, người ta tìm cách đơn giản bài toán để có thể giải được. Mô hình toán của hệ thống này có dạng cơ bản là: Lượng đi vào = Lượng đi ra + Lượng lưu tồn + Lượng phân hủy. II- CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SỰ KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ QUYỂN: A/Các yếu tố khí hậu : 1-Ảnh hưởng của gió: Gió gây ra các dòng chảy rối không khí ở lớp sát mặt đất. Nhờ có gió chất ô nhiễm được khuếch tán rộng ra làm cho nồng độ chất ô nhiễm giảm xuống rất nhiều so với ban đầu. Gió là nhân tố đặc biệt quan trọng trong việc khuếch tán bụi và hơi hóa chất nặng hơn không khí. Gió có thể khuếch tán chất ô nhiễm, làm giảm nồng độ ban đầu vì nó thường gây các dòng chảy rối của không khí sát mặt đất. Khác với các dòng chảy tầng xuất hiện khi gió yếu, dòng chảy rối của không khí được đặc trưng bằng việc xáo trộn các phần tử khí ở các lớp sát cạnh nhau. Do các xáo trộn này, các phần tử chất ô nhiễm cũng được nhanh chóng di chuyển sang các lớp không khí lân cận. Kết quả là sự khuếch tán chất ô nhiễm mạnh mẽ hơn, hiệu quả hơn. Phải ghi nhận rằng gió luôn luôn có xu hướng thay đổi chiều thổi tới và tốc độ thổi. Mặc dù có những thống kê theo dõi chặt chẽ cho phép xác định các giá trị và phương hướng tức thời cũng như tần suất ở mỗi cấp gió và hướng gió.Việc xem xét hướng gió nhằm phục vụ cho mục đích quy hoạch vị trí nguồn thải, cố tránh cho nguồn thải chất ô nhiễm đứng đầu hướng gió chủ đạo các khu dân cư, các công trình quan trọng. 2- Độ ẩm và mưa: 22
23. Trong điều kiện có độ ẩm lớn, các hạt bụi sẽ dính kết vào nhau thành hạt lớn và rơi nhanh xuống đất. Tuy vậy, các vi sinh vật trong không khí phát triển nhanh chóng, bám theo các hạt bụi khuếch tán rộng xuống chiều dưới gió. Mưa có tác dụng rửa sạch môi trường khí. Hạt mưa kéo theo hạt bụi, hấp thu một số chất ô nhiễm và rơi xuống đất. Do đó, ở các vùng không khí có chứa chất ô nhiễm nhiều, nước mưa cũng mang theo chất ô nhiễm làm ảnh hưởng tới môi trường đất và nước phía dưới. Trong cơn mưa, lớp không khí trên cao trút các hạt nước xuống thành mưa nên có xu hướng nóng lên, ngược lại nước mưa rơi xuống mặt đất sẽ bốc hơi, thu nhiệt của mặt đất và lớp không khí sát mặt đất nên có thể xảy ra hiện tượng nghịch nhiệt, không có lợi cho việc khuếch tán chất ô nhiễm vào không khí. B- Ảnh hưởng của địa hình, nhà cửa 1- Khái niệm chung: Khi có một luồng gió di chuyển song song với mặt đất và va vào tường chắn vuông góc với chiều gió. Ở mặt trước tường, không khí bị dồn nén lại làm tăng áp suất tỉnh của không khí tại đó. Ap suất tĩnh này có xu hướng đẩy dòng gió lên cao. Mặt sau bức tường do gió bị cản lại làm áp suất tĩnh giảm xuống. Kết quả là một vùng xoáy quẩn xuất hiện sau tường chắn, kéo dài theo chiều gió tới một khoảng cách nào đó trên mặt đất ,tại đó gió mới lấy lại được vận tốc và hướng cũ. Vùng xoáy quẩn này được gọi là vùng bóng rợp khí động của tường chắn. Qua nghiên cứu, người ta đã xác định được bóng rợp khí động của tường chắn có chiều cao h như hình vẽ sau: Trong vùng bóng khí động, tốc độ di chuyển của gió rất nhỏ không khí trao đổi với không khí vùng xung quanh kém dễ gây các hiện tượng tích tụ chất ô nhiễm. H 2-1: Quy luật bóng khí động sau tường chắn. L/h 1 2 3 4 5 6 7 8 H/h 1.7 2.1 2 1.8 1.2 0.7 0.4 0 Đối với nhà cửa đứng độc lập do có các ô văng, lỗ cửa thông gió nên quy luật của bóng rợp khí động có phần nào thay đổi theo xu hướng giảm chiều cao và chiều xa của vùng bóng rợp khí động. Khi có nhiều công trình nối tiếp nhau theo chiều gió, công trình phía trước sẽ ảnh hưởng đến công trình phía sau. Quy luật của bóng rợp khí động cũng sẽ đổi khác. Để xác định đúng bóng rợp khí động của nhà, người ta làm mô hình và xem xét trong ống khí động hay máng thủy lực. Sau đây là một vài trường hợp đơn giản đã được nghiên cứu: 23
24. Nhà đứng độc lập có chiều ngang hẹp. Nhà được coi là được đứng độc lập nếu phía đầu gió của ngôi nhà, công trình cao nhất có khoảng cách tới nó tối thiểu là 8 tới 10 lần chiều cao. Phía dưới gió của ngôi nhà khoảng 8 đến 10 lần chiều cao nhà không có ngôi nhà nào kế cận. Nhà được xem có chiều ngang hẹp khi chiều ngang nhà nhỏ hơn hoặc bằng 2.5 chiều cao. Khi đó bóng khí động của ngôi nhà có chiều cao 1.8h và chiều dài 6h phía sau và trên ngôi nhà.(hình a) Nhà đứng độc lập có chiều ngang rộng. Khi chiều ngang b lớn hơn 2.5h. Bóng khí động của nhà gồm hai khu vực như hình vẽ. Nhà đứng gần nhau, gió thổi vào khu nhà thì không gian giữa hai dãy nhà sẽ có vùng gió quẫn. Nếu nhà đầu gió có chiều ngang hẹp thì vùng gió quẫn có chiều dài 8h. Nếu nhà rộng thì một phần mái nhà không nằm trong vùng quẫn gió. 2- Ảnh hưởng của địa hình với sự phân tán chất ô nhiễm: Ở các vùng địa hình không bằng phẳng, có đồi, có gò việc phân tán chất ô nhiễm có biểu hiện phụ thuộc vào địa hình rất rõ nét bởi vì phân bố hướng và tốc độ gió rất khác so với địa hình vùng bằng phẳng, xuất hiện các vùng xoáy quẩn ở dưới các lũng sâu, phía sau các đồi gò dốc cũng như có thể có các luống gió lạnh trượt dọc theo các triền dốc xuống các thung lũng. Vì vậy, khi xem xét khả năng phát tán chất ô nhiễm ở các vùng này cần phải xem xét vị thế thực tế của nơi đặt nguồn thải với các điều kiện gió địa phương chứ không thể dùng số liệu chung của toàn khu vực cho đài khí tượng thông báo. VD: Cụ thể là nhà máy nhiệt điện Ninh Bình do khi thiết kế không lường hết được điều kiện địa hình nên đã gây ô nhiễm môi trường cho thị xã Ninh Bình vào mùa gió Nam – Đông Nam. 24
25. III-PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SỰ KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ A. Phân loại các nguồn thải chất ô nhiễm: 1-Theo chiều cao nguồn thải chất ô nhiễm: Nguồn thải thấp là nguồn thải đặt trong vùng bóng khí động của công trình hay thấp hơn chiều cao giới hạn như sau: -Với nhà có chiều ngang hẹp đứng độc lập: Hgh = 0,36 x b1 + 2,5 x H -Với nhà có chiều ngang rộng đứng độc lập:Hgh = 0,36 x b1 + 1,7 x H -Với nhóm nhà: Hgh = 0,36 x( b1 + X ) + H b1-Khoảng cách từ tường hậu tới nguồn thải X-khoảng cách các nhóm nhà H-chiều cao nguồn thải Nguồn thải cao : là nguồn thải có H>Hgh 2 -Theo kích thước nguồn: Nguồn điểm:Là nguồn có kích thước nhỏ gọn trong không gian như các ống thải khi hay ống khói Nguồn đường:Là nguồn thải chất ô nhiễm kéo dài trên một mặt phẳng.Như cửa mái nhà công nghiệp Nguồn diện: Là nguồn thải chất ô nhiễm trải đều trên một mặt phẳng. Nguồn không gian: Là nguồn thải chất ô nhiễm trải đều trong một không gian. 3 -Theo nhiệt độ khí thải phân thành: Nguồn nóng từ ống thải nồi hơi, lò nung, Nguồn nguội từ ống thải các hệ thống thông gió 4 - Theo bản chất chất ô nhiễm: Nguồn thải hơi và khí Nguồn thải bụi chưa được xử lý tới 90% Nguồn thải bụi đã được xử lý tới 90% B. Phương trình vi phân cơ bản khuếch tán chất ô nhiễm vào môi trường khí: Ta xét một ống thải chất ô nhiễm vào không khí ở độ cao h, dưới tác dụng của gió, luồng khí thải qua miệng ống sẽ bị uốn cong theo chiều gió. Đồng thời cho tác dụng xáo trộn và khuếch tán của không khí xung quanh với luồng khí thổi ra, tiết diện luồng khí dần dần được mở rộng ra như thành một chiếc loa tạo thành một hình khói theo chiều gió từ miệng ống thải. Các chất ô nhiễm lan chuyền chủ yếu trong vệt khói này có nồng độ cao nhất ở tâm luồng và giảm dần theo chiều di chuyển tới biên của vệt khói trừ các hạt bụi kích thước lớn phân ly khỏi dòng khí thải và rơi gần chân ống thải. Người ta quan sát thấy góc mở rộng của vệt khói trong phạm vi 10 – 20o. Nếu đặt một hệ trục tọa độ có tâm tại tâm ống khói, trục Oz theo chiều cao ống khói và Ox trùng theo chiều gió thổi Oy theo phương vuông góc với Ox trên mặt phẳng nằm ngang mặt đất. Giả thiết rằng đây là hệ ổn định và bảo toàn với gió thổi song song với mặt đất, Taylor (1915) và Schmidt (1917) xây dựng lý thuyết khuếch tán chất khí và bụi lơ lửng trong không khí với phương trình vi phân tổng quát như sau: ∂C ∂C ∂ ⎛ ∂C ⎞ ∂ ⎛ ∂C ⎞ ∂ ⎛ ∂C ⎞ + u × = ⎜kx × ⎟ + ⎜k y × ⎟ + ⎜kz × ⎟ ()21 ∂t ∂x ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝ ∂y ⎠ ∂z ⎝ ∂z ⎠ Trong đó: C_ Nồng độ chất ô nhiễm trong không khí. x,y,z_ Tọa độ điểm xét. k_ Hệ số khuếch tán rối theo các phương x,y,z. u_ Tốc độ gió. 25
26. Năm 1932, Sutton O.G dựa theo lý thuyết của Taylor và cho rằng sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm trong quá trình lan toả tuân theo luật phân bố chuẩn Gauss và đưa ra kết quả. M ⎡ ⎛ y 2 z 2 ⎞⎤ C = × exp⎢− ⎜ + ⎟⎥ ()22 x,y,z π × u × x 2−n × S × S ⎜ S 2 × x 2−n S 2 × x 2−n ⎟ y z ⎣⎢ ⎝ y z ⎠⎦⎥ Số mũ n có giá trị n = 0 ÷ 1 và xác định theo trường vận tốc gió theo chiều đứng. Sy Sz : Hệ số khuyếch tán rối theo phương Y và Z. Năm 1963, Berliand M.E. giải phương trình và thu được kết quả cho việc xác định nồng độ C ở lớp sát mặt đất. M ⎡ u × H 1+n y 2 ⎤ C = × exp − 1 − 23 x,y 3/ 2 ⎢ 2 ⎥ () 2 × ()1+ n × k1 × x × π × ko ⎣ k1 × ()1+ n × x 4 × ko × x ⎦ Với : M- Lưu lượng chất ô nhiễm. k1- Hệ số khuếch tán rối. u- Vận tốc gió ở độ cao 1m. k0 = 0,5~1m khi khí quyển không ổn định và 0,1~1m khi khí quyển ổn định. n = 0,15 ~ 0,2. C. Giới thiệu phương pháp tính toán: 1. Phương pháp của Sutton-Pasquill (pp Gauss): ( Còn gọi là mô hình thống kê kinh nghiệm) Dạng công thức phổ biến nhất mà Sutton và Passquill đưa ra là: M ⎛ y 2 ⎞ ⎪⎧ ⎡ ()z − H 2 ⎤ ⎡ ()z + H 2 ⎤ ⎪⎫ C = × exp ⎜ − ⎟ × exp − + exp − x, y, z ⎜ 2 ⎟ ⎨ ⎢ 2 ⎥ ⎢ 2 ⎥(24)⎬ 2 × π × σ y × σ z × u ⎝ 2 × σ y ⎠ ⎩⎪ ⎣ 2 × σ z ⎦ ⎣ 2 × σ z ⎦ ⎭⎪ Khi xác định nồng độ chất ô nhiễm gần mặt đất thì xem z = 0. Khi đó ta có: M ⎡ 1 ⎛ y 2 H 2 ⎞⎤ (25) C = × exp ⎢− × ⎜ + ⎟⎥ x,y,z=0 π × σ × σ × u 2 ⎜ σ 2 σ 2 ⎟ y z ⎣⎢ ⎝ y z ⎠⎦⎥ Trong đó: C - Nồng độ chất ô nhiễm tại vị trí có tọa độ x,y,z. u - Vận tốc gió. σy,σz - Hệ số khuếch tán rối theo các phương y,z tương ứng với sai phương chuẩn của hàm phân phối Gauss. H - Chiều cao hiệu quả của ống khói. Hệ số khuếch tán σy, σz là sai lệch chuẩn của hàm khuếch tán Gauss theo phương ngang và đứng. Hệ số σy, σz phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn thải và tính ổn định của khí quyển. Hệ số này được xác định theo biểu đồ thực nghiệm của Gifford xây dựng năm 1960. Cấp ổn định của khí quyển được phân thành 6 cấp theo Turner như sau: Tốc độ gió Ban ngày theo nắng chiếu Ban đêm theo độ mây trên cao 10m Mạnh Trung bình Yếu Nhiều mây Ít mây (m/s) (1) (2) (3) > cấp 4/8 ≤ 3/8 < 2 A A-B B E F 2 ÷ 3 A-B B C E F 3 ÷ 5 B B - C C D E 5 ÷ 6 C C ÷ D D D D 26
27. > 6 D D D D D Chú ý: 1- Là nắng mùa hè, mặt trời có góc cao > 600. 2- Là nắng mùa hè, trời có mây và trong sáng, góc cao mặt tời là 30 ÷ 600. 3- Nắng buổi chiều mùa thu hay ngày mùa hè có mây, mặt trời ở góc cao 15 ÷ 350. 4- Độ mây được xác định bằng mức mây che phủ bầu trời. Đây là phương pháp tính toán được sử dụng nhiều ở các nước phương Tây. Công thức để xác định biến thiên nồng độ chất gây ô nhiễm trên mặt đất theo trục x (với y = z = 0) là những điểm có nồng độ cao hơn các điểm kế bên theo phương y như sau: M − H 2 (26) C = × exp 2 π × u ×σ y ×σ z 2 ×σ z Trên hình vẽ là biểu đồ do TURNER (1970) lập biểu diễn mối quan hệ giữa Ky Kz và Khoảng cách X phụ thuộc vào độ ổn định của khí quyển. Tốc độ gió u : Gió thường có trị số tốc dộ u thay đổi theo chiều cao.Người ta biểu diễn thay đổi đó bằng biểu thức: p u ⎛ z1 ⎞ = ⎜ ⎟ uo ⎝ z o ⎠ (27) Trong đó : u0 và u1 tốc độ gió ở 2 điểm khác cao độ zo và z1 độ cao ở 2 điểm p – Số mũ Hệ số p cho mặt đất gồ ghề : Cấp ổn định của khí quyển Diễn giải p A Rất không ổn định 0.15 B Không ổn định điển hình 0.15 C Không ổn định nhẹ 0.2 27
28. D Trung tính 0.25 E Ổn định nhẹ 0.4 F Ổn định 0.6 Cho mặt đất bằng phẳng hay trên mặt nước lớn , hệ số p trong bảng được nhân thêm hệ số 0.56 cho mọi cấp ổn định của khí quyển. Tính ổn định của khí quyển: -Khí quyển trong tầng đối lưu càng lên cao, nhiệt độ càng giảm đi theo một hệ số suy giảm nhiệt độ. -Trong điều kiện lý tưởng, càng lên cao, khí áp càng giảm nên nhiệt độ cũng giảm o theo hệ số suy giảm nhiệt độ đoạn nhiệt. Hệ số này = 1 C/100m.( PHẠM NGỌC ĐĂNG) -Trong thực tế có vài yếu tố ảnh hưởng tới hệ thống này là gió, địa hình và bức xạ mặt trời. -Khí quyển được coi là ổn định khi mà hệ số suy giảm nhiệt độ theo độ cao nhỏ hơn hệ số suy giảm nhiệt độ đoạn nhiệt. Trong trường hợp này một phần tử không khí được sấy nóng lên, dãn nở ra và bay lên trên do tác dụng của áp suất thủy tĩnh. Phân tử đó giảm nhiệt độ tuân theo hệ số suy giảm nhiệt độ đoạn nhiệt. Nhưng do hệ số suy giảm nhiệt độ thực nhỏ hơn, nên tới lúc nào đó nhiệt độ của phần tử khí nhỏ hơn không khí xung quanh, nó lại chuyển động theo chiều ngược lại. Kết quả là phần tử khí dao động lên xuống ở mức nào đó. -Khí quyển được coi là không ổn định khi hệ số suy giảm nhiệt độ theo chiều cao lớn hơn hệ số suy giảm nhiệt độ đoạn nhiệt. Phần tử không khí bị nóng lên cứ tiếp tục bay cao mãi. -Khí quyển được coi là trung tính khi hai hệ số này bằng nhau. Khi xác định được biến thiên nhiệt độ theo chiều cao của một vị trí, người ta có thể xác định được độ cao xáo trộn cực đại của khu vực. Độ cao xáo trộn cực đại : Là chiều cao mà khối khí nóng có thể bay lên cho tới khi nhiệt độ của khối khi bị giảm theo điều kiên đoạn nhiệt bằng với nhiệt độ không khí xung quanh. Biến thiên nhiệt độ theo chiều cao bị thay đổi do một vài hiện tượng sau: Nghịch nhiệt bức xạ: -Do mặt đất có trao đổi nhiệt bức xạ với bầu trời nên về đêm, khi không có bức xạ mặt trời, mặt đất bức xạ nhiệt vào bầu trời và lạnh đi. Quá trình này thường bắt đầu từ tối, mạnh nhất vào đêm và và suy giảm dần khi trời sáng. Trong điều kiện mùa đông trời quang mây, nhiệt độ lớp không khí sát mặt đất thấp hơn cả các lớp phía trên sinh ra quá trình nghịch nhiệt bức xạ. Lớp nghịch nhiệt này có thể cao tới vài trăm mét vào sáng sớm. Nghịch nhiệt do tầng không khí nóng hạ thấp: -Là hiện tượng xảy ra khi không khí nóng hơn có áp suất cao chuyển động xuống dưới. Nhiệt độ khối khí cao hơn nhiệt độ không khí gần mặt đất. Hiện tượng này xảy ra ở bất cứ đâu ở độ cao từ vài trăm tới vài ngàn mét và xảy ra cùng với hệ thống thời tiết có áp suất cao. Do không khí chuyển động xuống dưới nên nhiệt độ tăng dần làm giảm mây và độ ẩm tương đối. Trời trong xanh nên dễ dẫn đến nghịch nhiệt bức xạ dưới tầng nghịch đảo nhiệt. Chiều cao hiệu quả của ống thải H : Chiều cao hiệu quả của ống thải H bằng: H = h + Δh (28) h – Chiều cao hình học của ống thải (m) Δh – Độ nâng cao của dòng khí thải . Là độ cao của luồng khí thải lên cao thêm do động năng tại miệng ống thải và do nhiệt độ khí thải cao hơn môi trường xung quanh.Hình trên là kết quả tính toán một ống thải có các chiều cao hiệu quả thải khác nhau: 28
29. Theo BRIGG (1972) kiến nghị, Δh tính như sau: Khi cấp ổn định của khí quyển là A ~ D : 1,6× F 1/ 2 × X 2 / 3 Δh = f u (29) ⎛ T ⎞ (30) F = g × r 2 × v × ⎜1− k ⎟ s ⎜ ⎟ ⎝ Tx ⎠ 0,4 4 3 Xf =120F nếu F ≥ 55 m /s 5/8 4 3 Xf =50F nếu F ≤ 55 m /s g – Gia tốc trọng trường ( m/s2 ). r – Bán kính ống thải ( m ). Vs – Vận tốc khí thải qua miệng ống ( m/s ) . u – Tốc độ gió ở miệng ống thải ( m/s ). o Tk – Nhiệt độ khí thải ( K ). o Tx – Nhiệt độ không khí xung quanh thải ( K ). Khi cấp ổn định của khí quyển là E ~ F : 1/3 ⎛ F ⎞ ΔH = 2,4×⎜ ⎟ ()31 ⎝u×S ⎠ g ⎛ ∂T ⎞ S = ×⎜ x + r⎟ ()32 Tx ⎝ ∂z ⎠ r – Độ giảm nhiệt độ đoạn nhiệt ( = 0,01 oC/m ) Phương pháp tính toán này lệ thuôc rất nhiều vào độ ổn định của khí quyển mà theo bảng phân cấp thì độ ổn định này lại thay đổi liên tục theo thời gian. Vì thế giá trị tính được gần như giá trị trung bình tức thời tại thời điểm xem xét. Sau đây là kết quả tính so sánh nồng độ chất gây ô nhiễm trên mặt đất trong vệt khí thải ở các độ ổn định khí quyển khác nhau : 29
30. 2. Phương pháp của Berliand và cộng sự: Từ kết quả giải phương trình vi phân của Taylor và dựa vào mô hình thống kê thủy động, Berliand và cộng sự đưa ra công thức tính toán sự phân tán chất ô nhiễm vào không khí như sau: Nồng độ cực đại Cm trên mặt đất dưới hướng gió của ống thải đơn ( Trục X ): Cho nguồn nóng có Δt > 0 f 100 m/s2.0C A× M × F × D × n Cm = mg / m 3 (34) 8× H × L × 3 H Trong đó: A – Hệ số điạ lý khu vực. A = 240 M – Lượng chất ô nhiễm thải g/s F – Hệ số F=1 Khi thải chất ô nhiễm là khí F=2 Khi thải bụi có hiệu quả lọc sạch không dưới 90%. F=2,5 Khi thải bụi có hiệu quả lọc sạch 75~90%. F=3 Khi thải bụi có hiệu quả lọc sạch 75%. H – Chiều cao ống thải m D – Đường kính miệng ống thải m L – Lưu lượng khí thải m3/s Δt – Chệnh lệch nhiệt độ khí thải . oC m – Hệ số không thứ nguyên . n – Hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào vm . Cho nguồn nóng có Δt > 0 f < 100 m/s2.0C 1 m = 0,67 + 0,1× f + 0,34 × 2 f (35) 30
31. Cho nguồn nguội , khi Δt ≤ 0 f > 100 m/s2.0C L × Δt (36) 3 v m = 0,65 × m / s H (37) v × D v =×13,s m / s (28) m H Vs – Tốc độ khí thải tại miệng ống thải. m/s Khi Vm ≤ 0,3 n = 3 Khi 0,3 ∠ Vm ∠ 2 n = 3 − ()Vm − 0,3 × (4,36 −Vm ) (38) Khi Vm > 2 n = 1 Nồng độ chất ô nhiễm trên trục X : 3 CX = S1 x Cm mg/m (39) Nồng độ chất ô nhiễm trên trục Y : 3 Cy = S2 x Cx mg/m (40) S1 - Hệ số giảm nồng độ chất ô nhiễm theo trục X so với nồng độ cực đại.Cm .Tra biểu đồ theo F và X/Xm. S2 - Hệ số giảm nồng độ chất ô nhiễm theo trục Y so với nồng độ cực đại.Cm .Tra biểu đồ theo u( Y/Xm). u – Tốc độ gió tính toán. m/s Khoảng cách xuất hiện Cm kể từ chân ống thải : Cho khí thải : Xm = do x H m (41) Trong đó do – Hệ số. Tra đồ thị theo Vm và f. [ ]. Hay tính: 5 − F Xm = d × H 4 0 (42) Trong đó: cho nguồn nóng f 2 Vm > 2 do = 7 × Vm × (1+ 0,28 × f ) (44) Cho nguồn nguội f =>100 Vm ≤ 2 d o = 11,4 × Vm (45) Vm > 2 d = 16,1× Vm o Vận tốc gió nguy hiểm: Chất ô nhiễm được khuyếch tán rộng là nhờ gió . Nhưng gió càng lớn càng làm giảm sự khuyếch tán theo chiều đứng của luồng khí thải . Luồng càng sớm tiếp xúc với mặt đất. Các nghiên cứu cho thấy tồn tại một tốc độ gió nguy hiểm Um làm xuất hiện nồng độ chất ô nhiễm cực đại trên mặt đất. Um được xác định như sau: Khi Vm ≤ 0,5 Um = 0,5 Khi Vm = 0,5 ~ 2 Um = Vm 31
32. Khi Vm > 2 Um = Vm× (1+ 0,12× f ) Trong cách tính này hệ số f được tính như sau : 2 3 vs × D f = 10 × 2 (46) H × Δt Với phương pháp này , ta có thể tính được lượng chất ô nhiễm cực đại cho phép thải ra từ một ống thải cho trước bằng cách thay [ C ] vào biểu thức (24) và (25) để xác định lượng M cho phép. Cả hai phương pháp tính này được dùng cho ống thải cao của nguồn đơn và nồng độ chất ô nhiễm ban đầu không có. Nếu trước gió có nguồn thải cao khác có khả năng ảnh hưởng tới khu vực đang xét thì phải tính cộng ảnh hưởng của hai nguồn thải. Biểu đồ xác định trị số S1 Biểu đồ xác định tri số S2 3. Tính nống độ chất ô nhiễm đồng thời do nhiều nguồn gây ra cho một điểm: n C = ∑ Ci 1 Trong đó: C – Nồng độ tại một điểm trên mặt đất (mg/m3). Ci – Nồng độ gây ra của nguồn thứ i. 32