Методические подходы к учёту скорости оседания различных пылевых фракций для задач оценки экспозиции населения мелкодисперсными частицами

Май Ирина Владиславовна; Макс Анастасия Александровна; Загороднов Сергей Юрьевич; Чигвинцев Владимир Михайлович

УДК 614.715; 504.064

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К УЧЁТУ СКОРОСТИ

ОСЕДАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ПЫЛЕВЫХ ФРАКЦИЙ ДЛЯ ЗАДАЧ ОЦЕНКИ ЭКСПОЗИЦИИ НАСЕЛЕНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНЫМИ ЧАСТИЦАМИ

1 Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, г. Пермь 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Поступила в редакцию 09.10.2012

В статье предложен метод по уточнению значений коэффициента скорости оседания твердых частиц в зависимости от их размера и формы. Представлены примеры расчётов экспозиции населения мелкодисперсными частицами.

Ключевые слова: коэффициент оседания, дисперсный состав, скорость оседания, расчёты рассеивания

При проведении расчетной оценки экспозиции населения твердыми компонентами выбросов в соответствии с действующей в Российской Федерации «Методикой расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» (ОНД-86) одним из параметров расчета является безразмерный коэффициент скорости оседания частиц (F) [1]. Скорость оседания частиц зависит как от свойств частиц (размер, форма), так и от свойств среды, в которой частицы осаждаются. Соответственно установление значения коэффициента F в зависимости от размера частиц пылевых выбросов, позволяет более точно оценить значения формируемых максимальных концентраций.

Материалы и методы. Учёт скорости оседания частиц при проведении расчётов рассеивания основан на положениях ОНД-86, где рассматриваются два подхода к определению безразмерного коэффициента F для пылевых выбросов:

- при отсутствии данных о дисперсном составе выбросов значение коэффициента F принимается по среднему значению эксплуатационной степени очистки. В случае тонкой очистки выбросов (средний эксплуатационный коэффициент

Май Ирина Владиславовна, доктор биологических наук, профессор. E-mail: [email protected] Макс Анастасия Александровна, научный сотрудник. E-mail: [email protected]

Загороднов Сергей Юрьевич, научный сотрудник. Email: [email protected]

Чигвинцев Владимир Михайлович, научный сотрудник. E-mail: [email protected]

очистки не менее 90%) значение коэффициента Б рано 2; при средней очистке (средний эксплуатационный коэффициент очистки от 75 до 90%) Б=2,5; при грубой очистке (средний эксплуатационный коэффициент очистки менее 75%) и при отсутствии очистки Б=3. Кроме того, в ОНД-86 рассматриваются некоторые частные случаи, когда Б=3. Как показывает практика, в большинстве случаев при установлении значения коэффициента Б руководствуются именно этим подходом.

- при установленном дисперсном составе выбросов значение коэффициента Б устанавливается в зависимости от безразмерного отношения А (1):

F = vg / um

(1)

где vg (м/с) - скорость оседания, которая соответствует скорости оседания частиц с диаметром при условии, что масса всех частиц с диаметром больше составляет 5% общей массы частиц; uM (м/с) - опасная скорость ветра (определяется расчётным путём в соответствии с п. 2.9 ОНД-86 или по результатам расчётов при определении максимальных приземных концентраций с использованием унифицированных программ расчёта загрязнения атмосферы (УПРЗА), реализующих положения ОНД-86).

В условиях свободного падения скорость движения частиц постоянна, при этом аэродинамическое сопротивление, действующее на частицу, становится равным её массе. Если выбрасываемая газовоздушная смесь состоит из мелких частиц, сопоставимых по размерам с длиной

свободного пробега молекул газа, то взаимодействие с этими молекулами приводит к броуновскому движению, которое накладывается на процесс осаждения, приводя к смещению (витанию) частиц. По имеющимся зависимостям в работах авторов А.Г. Ветошкин, К.Р. Таранцев, А.Я. Корольченко [2, 4] определены скорости осаждения частиц различных размеров и их смещение при броуновском движении. Авторами отмечается, что скорость осаждения и величина броуновского движения соизмеримы для частиц с размерами примерно 0,5 мкм и меньше. С уменьшением размера частиц скорость осаждения резко снижается и возрастает броуновское смещение. Поэтому высокодисперсные частицы газовоздушных смесей практически не осаждаются, а благодаря броуновскому движению перемещаются в любом направлении (витают). Скорость осаждения частицы сферической формы в области действия закона Стокса определяется по формуле (2):

^ =

10 8 ** р*

Р* 8

18* )

(2)

где см/с - скорость оседания частиц м/с = vg'*10-2); g = 981 см/с2 - ускорение силы тяжести; мкм - диаметр частиц; р, г/см3 - плотность частиц; ) г/см*с - динамическая вязкость среды.

При расчете скорости осаждения частицы, плотностью воздуха пренебрегаем. Динамическая вязкость воздуха () определяется по формуле (3):

) = 1.75*10_4 *

(273 + г)' 273е

0.683

(3)

где г, 0С - температура газа. Тогда формула (2) приобретает вид (4):

^ =

1.46*10 4 *й2 *р*8

(273 + г Г

(4)

Как показывают натурные исследования [5, 6] зачастую пылевые частицы промышленных выбросов имеют форму, отличную от шарообразной. Для учёта формы частиц в формулу, описывающую закон Стокса вводится эквивалентный диаметр (йэкв), который определяется через коэффициент % (табл. 1).

В соответствии с п. 2.5 ОНД-86 исходя из соотношения vg/мм принимаются следующие значения коэффициента Б (табл. 2).

Таблица 1. Значение коэффициента % для частиц различной формы

Форма частиц Значение %

шаровая 1

округлённая с неровной 2,4

поверхностью

продолговатая 3

пластинчатая 5

для смешанных тел 2,9

Таблица 2. Значения коэффициента Б в зависимости от параметров

Параметр Коэффициент оседания ¥

< 0,015 1,0

0,015 < < 0,03 1,5

> 0,03 2,0-3,0 с учетом степени очистки

В силу неоднородности распределения частиц выбросов различных производственных процессов по фракциям и различную скорость оседания частиц разных размеров и формы рекомендуется конкретизировать значения коэффициента Б для различных значений соотношения vg/мм , что позволит более достоверно определять значения призменных концентраций частиц различных размеров при проведении расчетов. Устанавливать значение коэффициента Б в зависимости от соотношения vg/мм рекомендуется с использованием графика, представленного на рис. 1.

Рис. 1. График зависимости коэффициента Б от соотношения vg/мм

Представленный график описывается уравнением: ^ = * 66, (6). В случае, если

ит

установленное значение коэффициента Б<1 -при определении максимальных приземных концентраций принимаем Б=1. Если установленное значение коэффициента Б>3 - при определении максимальных приземных концентраций принимаем Б= .

Полученные результаты. Появление данных о дисперсном составе выбросов повышает требования к последующему использованию этой информации [5, 6]. Предложенные подходы были апробированы на примере оценки загрязнения от

выбросов машиностроительного предприятия. Так, при обработке стали Р18 на заточном станке В3-18 (диаметр заточного круга 150 мм), в атмосферный воздух выбрасываются частицы фракции РМ10 2,67% от общего объема частиц.

Твердые частицы менее 10 мкм

ПДК = 0,3 мг/мЗ СП - Номинальные - Лето

Концентрация в долях ПДК Масштаб 1:6000

ш « ш Ж

! \ * ?

/ *0 А — \ ч

/ / / V "а,э Ч \

: 1 / \\ \ \ :

= //// V« | ) !

\ А \ '1 и, 5 // / / 1

! \ \\ / !

\ /

0.

* ИМЛиин.ийщАНМ^л

С.И Рклетгойобььггы + Темаашс К ЗА

а)

Твердые частицы менее 10 мкм

ПДК = 0,3 мг/мЗ СП-Номинальные-Лето

Концентрация в ДОЛЯХ ПДК Масштаб 1:6000

б)

Твердые частицы менее 10 мкм

ПДК= 0.3 мг/мЗ СП - Номинальные - Лето

Концентрация В ДОЛЯХ ПДК Масштаб 1:6000

•о А - X \

: / х 'м -- ч \ :

7 / / / / "а,а ^ \ \ \

/ / / \ \ ^ \ \

5 (((( «Ь.и | /ОД 1 ■

\ \ / / / г

= \ \ \ / / г

\ ч 7 /

\ у /

5

*

• ИММгмя.кАиЬНОЛш''' + ТМ**аАИЗА

в)

Рис. 2. Изолинии рассеивания частиц РМ10 с применением различных коэффициентов оседания Б: а) Б=1,5; б) Б=1,2; в) Б=1,0

Коэффициент оседания, рассчитанный в соответствии с прилагаемым выше алгоритмом, принимает значение равное 1,2. При использовании положений ОНД-86 для случая, когда дисперсный состав известный, значение коэффициента было бы принято 1,5, при отсутствии -было бы равно 1. Модельные расчёты рассеивания, выполненные с использованием программного комплекса «РОСА» версия 3.2. показали, что изменение коэффициента существенно влияет по результаты оценки уровня загрязнения при моделировании рассеивания выбросов (рис. 2).

Установлено, что при Б=1,2 расстояние, на котором достигается величина, к примеру 0,4 ПДК, составляет более 420 м, тогда как при значении Б=1,5 расстояние не превышает 300 м. Следует отметить, что расстояние 50, 100, 150 м порой могут оказаться значимыми с правовой и гигиенической точки зрения, например, при установлении размеров санитарно-защитных зон или при выборе места для строительства жилых зданий. На текущий момент принципиально важным является накопление данных о доле частиц с разными размерами и формой, что позволит выполнять корректное моделирование загрязнения, и, соответственно повысит надежность оценки экспозиции населения пылями, в том числе наиболее опасными - мелкодисперсными.

Выводы: предложенные подходы, основанные на установлении физически обоснованного коэффициента оседания пылевых частиц разных фракций, позволяют повысить корректность оценки приземных концентраций твердых веществ, в том числе размерами менее 10 мкм (PM10) при проведении расчетов рассеивания примесей в выбросах промышленных предприятий. Качественная оценка загрязнения в свою очередь является основой снижения неопределенностей при оценке экспозиции и рисков для здоровья населения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. ОНД-86 Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Общесоюзный нормативный документ / ГГО им. Воейкова. - Л., 1987. 64 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. Ветошкин, А.Г. Технология защиты окружающей среды (теоретические основы). Учебное пособие. Под. ред. А.Г. Ветошкина / А.Г. Ветошкин, К.Р. Таранцева. - Пенза: Изд-во Пенз. технол. ин-та, 2003. 267 с.

Ветошкин, А.Г. Процессы и аппараты пылеочист-ки. Учебное пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2005. 210 с.

Корольченко, А.Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. - М.; Химия, 1986. 216 с. Май, И.В. Оценка потенциального загрязнения атмосферного воздуха мелкодисперсными частицами в зоне расположения машиностроительного предприятия / И.В. Май, С.Ю. Загороднов, АА. Макс, М.Ю. Загороднов // Вестник ПНИПУ. Урбанистика. 2012. №2(6). С. 109-118.

Макс, А.А. Количественный анализ компонентного и фракционного состава пылей выбросов машиностроительных производств как основа оценки пылевой экспозиции населения / А.А. Макс, С.Ю. Загороднов, М.Ю. Загороднов // Фундаментальные и прикладные аспекты анализа риска здоровью населения: материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Роспотребнадзора: в 2 т. / под общей ред. акад. РАМН Г.Г. Онищенко, акад. Н.В. Зайцевой. 2012. Т. 1. 405 с.

Методическое пособие по расчёту, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух (дополненное и переработанное). - СПб, 2012. 37 с.

METHODICAL APPROACHES TO THE ACCOUNT OF VARIOUS DUST FRACTIONS LANDING SPEED FOR PROBLEMS OF THE ASSESSMENT OF EXPOSITION ON THE POPULATION BY FINELY DIVIDED PARTICLES

1 Federal Scientific Center of Medical-preventive Technologies of Management Risks

to the Population Health, Perm 2 Perm National Research Polytechnical University

In article the method on specification the values of coefficient of firm particles landing speed depending on their size and form is offered. Examples of calculations the exposition on the population by finely divided particles are presented.

Key words: landing coefficient, disperse structure, landing speed, dispersion calculations

Irina May, Doctor of Biology, Professor. E-mail: [email protected] AnastasiyaMaks, Research Fellow. E-mail: [email protected] Sergey Zagorodnov, Research Fellow. E-mail: [email protected] Vladimir Chigvintsev, Research Fellow. E-mail: [email protected]