CC BY
19экология воздушной среды и космического пространства
ecology of air atmosphere and space
Статья поступила в редакцию 16.09.13. Ред. рег. № 1761
УДК 502. 3 : 504.5 : 69
The article has entered in publishing office 16.09.13 . Ed. reg. No. 1761
О ПЫЛЕВОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ОТ ПЛОЩАДНЫХ И НЕСТАЦИОНАРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
И. В. Поляков
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет Ул. Академическая, 1, г. Волгоград, 400074, Россия Тел.: (8442) 96-98-26, факс (8442) 97-49-33, e-mail: info@vgasu.ru
Заключение совета рецензентов: 22.09.13 Заключение совета экспертов: 28.09.13 Принято к публикации: 03.10.13
Концентрация пыли в производственных зонах выполнения земляных работ зачастую превышает ПДК в несколько раз, соответственно необходимо учитывать и нормировать рабочее время пребывания на ней персонала, рекомендовать приравнивание процесса к опасному для здоровья человека. В связи с вышеуказанным, необходима разработка дополнительных мероприятий и норм оценки дисперсного состава и концентрации частиц малых размеров, и учет их при проектирование и выполнении работ. В работе на примере технологического процесса захоронения отходов на полигонах рассмотрен объем образования пылевого загрязнения, дисперсный состав, модель перемещения загрязнителя.
Ключевые слова: пылевое загрязнение, контроль дисперсного состава пыли, земляные работы, метод рассечения пыли, крупные и мелкие фракции пыли, компьютерное моделирование, эксплуатация полигонов, концентрация пыли, перенос загрязняющих примесей.
ON DUST AIR POLLUTION FROM AREAL AND NON-STATIONARY SOURCES
I.V. Polyakov
Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering
1 Academic St., Volgograd, 400074, Russia Tel.: (8442) 96-98-26, fax (8442) 97-49-33, e-mail: info@vgasu.ru
Referred: 22.09.13 Expertise: 28.09.13 Accepted: 03.10.13
The concentration of dust in the production areas of the excavation is often higher than the MAC in a few times, respectively, must be considered and limited working time spent on personnel, recommend equalization process in hazardous to human health. In connection with the above, the need for further measures and evaluation standards of composition and concentration of the dispersed particles of small size, and record them in the design and execution of works. On the example of the process of waste disposal in landfills considered the volume of formation of dust pollution, particulate composition, contaminant transport model.
Keywords: dust pollution, control of particulate dust, earthworks, the method of dissection of dust, large and small fractions of dust, computer modeling and operation of landfills, dust concentration, the transfer of contaminants.
Сведения об авторе: аспирант кафедры инженерной графики и систем метрологии Волгоградского архитектурно-строительного университета.
Область научных интересов: защита окружающей среды от воздействия пылевого загрязнения, обеспечение экологической безопасности при строительстве крупных промышленных комплексов. Публикации: 4.
Илья Владимирович Поляков
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Введение
Основным этапом строительства нового объекта является выполнение земляных работ, таких как снятие, перемещение, складирование грунта, разработка котлованов, траншей, резервов грунта, вертикальная планировка, отсыпка насыпей и т.д. Данный вид работ характеризуется наибольшим пылевыделением в процессе производства, а также промежуточных этапах (этапах простоя) нахождения земляного полотна в открытом, «незащищенном» состоянии, которое подвергается естественному высушиванию и эрозии, что также можно считать источником загрязнения атмосферы. Постоянный процесс пыления возникает в процессе эксплуатации объектов, связанных с разработкой грунта, как например полигон твердых и бытовых отходов, в технологический процесс которого входит уплотнение и пересыпка слоев захоро-няемых отходов грунтом. При строительстве крупных промышленных комплексов нередким требованием для застройщика служит возведение полигонов твердых бытовых отходов для возможности размещения и захоронения отходов в период строительства и производственного процесса основного объекта.
В процессе выполнения земляных работ воздействию пылевого загрязнения подвергается рабочая зона строительной площадки и прилегающие к ней территории. В процессе проектирования объекта строительства необходимо учитывать физические и механические свойства грунтов в районе проведения работ, так как все строительные характеристики определяются совокупностью данных параметров. В Российской и зарубежной практике нормированию подлежит содержание частиц пыли, содержащейся в атмосферном воздухе, размером не более 2,5 мкм (РМ 2,5) и 10 мкм (РМ 10), наибольшую опасность для здоровья человека оказывают частицы пыли малого размера. Как известно, с 2010 г. ПДК для нормируемых частиц РМ 2,5 и РМ 10 максимальноразо-вая концентрация составляет 160 и 300 мкг/м3 соответственно.
Оценка свойств грунта, как основания под будущее сооружение, осуществляется на предпроектной стадии на этапе инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий, при которых оцениваются основные характеристики грунтов, участвующие в расчете оснований фундаментов и конструкций сооружений. При расчете технической части проектной документации в разделе планировочной организации земельного участка определяются объемы снятия слоя растительного грунта, места складирования для дальнейшей рекультивации нарушенных земель, размеры и объемы насыпи или выемки, коэффициент уплотнения и т.д. В разделе охраны окружающей среды при расчете степени влияния на атмосферный воздух учитываются загрязнители, образующиеся при сгорании топлива в машинах-механизмах и незначительное образование пыли при работе с грунтами, хотя объем образования и, соот-
ветственно, степень воздействия пыли на организм человека намного выше. Меньшему выделению продуктов сгорания углеводородов способствует также разработка методов выполнения земляных работ с наибольшей эффективностью использования машин и механизмов в соответствии со СНиП и ГОСТ на стадии рабочей документации и проектов производства работ. Применение данных методик и норм приводит, соответственно, к наименьшему расходованию горюче-смазочных материалов, при сгорании которых и образуются продукты загрязнения атмосферного воздуха. Но проектом не предусматривается образование огромного количества пылевых частиц в воздушной среде рабочей зоны, а также переносимых ветровыми потоками на прилегающие территории, где даже в случае удаленного расположения от селитебной застройки располагаются строительные городки, пункты питания и помывки рабочих. Также не предусматриваются периоды нахождения открытой территории, освобожденной от слоя растительного грунта с дерновой прослойкой травяных и кустарниковых растений, защищающих атмосферный воздух от пылевы-деления. Высушивание и выветривание с образованием пылевых потоков, переносимых воздушными массами, характерно для районов с засушливым климатом и сильными ветрами.
Район исследования и экспериментальные исследования
Районом с подобными климатическими условиями является Волгоградская область. Преимущественно для Волгоградской области характерны почвы с породами эолово-делювиального происхождения, их образование связано с процессами выветривания и почвообразования в условиях сухого климата. Данные почвы характеризуются высоким содержанием пылевых частиц крупностью от 0,05 до 0,005 мм (более 50%). Для оценки содержания частиц пыли малого размера в рабочей зоне и окружающей среде не существует систем контроля дисперсного состава и ее концентрации.
Расчет параметров и определение характеристик пылевого загрязнения в процессе производства работ по технологической пересыпке слоев твердых бытовых отходов при эксплуатации полигонов были проведены на основе опытных исследований на суглинках в Котельниковском районе Волгоградской области. Гранулометрический состав данных пород характеризуется высоким содержанием пылеватых фракций (0,05-0,005 мм) - в среднем составляет 56,3% и большим содержанием песчаной фракции (0,05-2,0 мм) - в среднем 23,2-56,3%. Влажность грунтов в пределах рассматриваемой территории изменяется в широких пределах 0,03-0,3. Влажность грунта является одним из важнейших показателей, влияющих на мощность выброса, область распространения частиц пыли в атмосфере и рабочей зоне при выполнении земляных работ.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Определение высоты подъема частиц пыли, максимальное удаление частиц пыли от зоны работы строительной техники (бульдозер) через временные интервалы проводилось на основе факторного эксперимента 3x3, где скорость разработки грунта выбрана с интервалом 0,5 м/с, скорость ветра с интервалом 5 м/с, влажность грунта с интервалом 10%. В качестве функций отклика приняты: высота выброса частиц пыли Н, м; максимальное удаление частиц пыли через интервал времени Ь1 = 1 мин; максимальное удаление частиц пыли через интервал времени Ь2 = 3 мин.
При подстановке данных, полученных в результате эксперимента, полиномами второго порядка с учетом статистической значимости коэффициентов регрессии получены следующие эмпирические зависимости:
Н = 3,210 - 0,362V - 0,018Кв - 0,055ф + +0,322Кр2 + 0,003V2 - 0,001ф2 - 0,0003КрКвф;
Ц =-4,21 + 3,887Кр + 2,691Кв + 0,731ф + +2,206Кр2 + 0,021Кв2 - 0,032ф2 - 0,056КрКвф;
Ц =-16,277 +17,366V + 6,937V + 1,555ф--1,068Кр2 - 0,185V2 - 0,063ф2 - 0,104КрКвф.
Относительно критерия Фишера расчетные значения находятся на уровне доверительной вероятности а = 0,95, принятого для инженерных экспериментов, что говорит о применимости данного расчета [1].
Результаты эксперимента показали, что наибольшая высота выброса, а также удаление частиц пыли от зоны работы бульдозера при влажности ф = 10%. Таким образом, проведение земляных работ в жаркий летний период при минимальной влажности грунта приводит к увеличению запыленности и продолжительному нахождению мелкодисперсной пыли во взвешенном состоянии. Еще одним фактором распространения является ветровая нагрузка, способная переносить «пылевое облако» при скорости более 5 м/с и влажности менее 15% на расстояние более 50 м, где могут располагаться стационарные рабочие места, временные строительные городки, пункты питания и помывки рабочих, что приводит к превышению ПДК содержания пыли в воздухе.
Математическая модель расчета перемещения пылевого загрязнения
Для расчета переноса пыли при перемещении грунта применена математическая модель, основанная на численном интегрировании системы нестационарных уравнений в частных производных. Данная модель рассмотрена с помощью программного комплекса «ЭкоПром», предназначенного для ком-
пьютерного моделирования процесса переноса загрязнителей от источников выбросов. В основе программы заложены геоинформационная система и математическая модель для описания трехмерной динамики загрязнителей при конкретно задаваемых параметрах воздушной среды. Математическая модель описывает процесс переноса загрязняющих примесей с учетом основных физических факторов по формуле[2]:
dt =-V[V (r, t)pk ] + V(( (r, t)Vpt) +
+Q (r, t )-a(r, t )Pk,
(1)
где р^ - плотность примеси; г - радиус-вектор; t -время; V - вектор скорости ветра, Q (г, t) - совокупность источников рассматриваемой примеси, а -параметр, описывающий время гравитационного осаждения пыли, У = (Э/Эх, Э/Эу, Э/Эг) - дифференциальный векторный оператор набла, Б (г, t) - тензор турбулентной диффузии, зависящий от состояния атмосферы (скорости ветра и амплитуды турбулентных пульсаций этой скорости).
Источники загрязнения определяются функцией Q, которая определяет временную динамику выбросов и их параметры.
Запишем (1) в декартовой системе координат:
I=ЭХ Vt ^ Vt )р]+£( t ^ р)+
+ ^((у (г,t) Vр) + -ЭЭТ2Г(( Гt)'Vр) + 2 (г,t) -- а(г,^)р.
ду2
Величины Бх, Бу, являются эмпирическими параметрами, учитывающими состояние атмосферы и рельеф местности [2].
Коэффициент диффузии Б на небольших высотах линейным образом зависит от величины скорости
ветра, не обращаясь, однако, в ноль при V = 0. По-
этому:
D = -
\Dm
|D„
при \V\ > Vml при\v\ < Vm
(2)
Время естественного осаждения частиц пыли под действием силы тяжести определяется по формуле:
a = -
W H,
(3)
где Н - толщина приземного слоя атмосферы, м; Ж -скорость осаждения частицы, м/с.
Скорость осаждения частицы вычисляется по формуле:
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
W =
d2 ( P„ - P ) g
(4)
D (d ) =
кр V ч
0,
если d4 < dp ;
100 -100100 - D(dч), если d> d; (5)
100 - D(dp ) 4 p
DM (dч ) =
где Рп - плотность частицы, кг/м ; Рг - плотность газовой среды, кг/м3; ё - диаметр частицы, м; -динамическая вязкость газовой среды, Па-с [3].
Определение дисперсного состава пыли
В ходе исследования также проведен анализ запыленности и дисперсного состава от неорганизованных источников выбросов, а также проведен анализ существующих методов его описания. Зависимости распределения массы частиц пыли по диаметрам описаны в научных трудах А.Н. Колмогорова, П.А. Коузова, Г.И. Ромашова, П. Розина, Е. Рамблера, И. Свенсона, Н.Я. Авдеева, К. С. Шифрина, Ж. Петрояль и др., исследования которых доказывают, что пыль, образующаяся при проведении земляных работ, подчиняются логарифмически-нормальному закону распределения. Однако в более поздних работах В.В. Недина, О.Д. Нейкова, И.Н. Логачева, В.А. Минко, Е.И. Богуславского, В.Н. Азарова и других исследователей доказано, что для пыли, поступающей в атмосферный воздух из технологического оборудования, характерно логарифмически-нормальное распределение [1]. Позднее в работах В.Н. Азарова показано, что для данной пыли наиболее применимо усеченное логарифмически-нормальное распределение.
На основе результатов анализа дисперсного состава пыли в воздухе зоны разработки грунта определено, что фракционный состав пыли зависит от различных факторов, соответственно процесс можно назвать случайным [4, 5]. В ходе исследования, для определения дисперсного состава пыли при выполнении работ по перемещению грунта, рассмотрена возможность применения метода «рассечения». Несмотря на то, что мелкие фракции преобладают по количественному составу, кривая, описывающая функцию прохода пыли, зависит от доли крупных фракций. Изменение параметров технологического процесса и параметров воздушной среды влияет на распространение крупных частиц. В основе метода «рассечения», разработанного В.Н. Азаровым, доказано, что дисперсный состав мелких фракций постоянен, а их распределение от общего количества частиц пыли позволяет определить функцию прохода пыли независимо от случайного появления в пробе частиц пыли крупных размеров [5].
Функция прохода для совокупности частиц крупных и мелких фракций пыли определяется по (5) и (6) соответственно:
100 D(d4 ), если d4 < dp ; D(dp) V чЛ ч p' (6)
0,
если d„ > dp.
Результаты дисперсного анализа и применения метода «рассечения» для пыли, выброшенной в атмосферный воздух при эксплуатации полигона ТБО показаны на рис. 1 и 2.
0(УЧ), % 99
2 3 5
Dfd ), % 99,9
10 20 30 50 90
d, мкм
99 95
60
50
20
5 2 0,5 0,1
I Г
f
1-
/ /
/ *
J i
/ * * /
. я f< /
•
■ ' - A
у f ^ у
• •V i * " J
10 20 b
d , мкм
100
Рис. 1. Графики: a - функции перехода и b - применения метода «рассечения» для частиц пыли, образующихся при проведении земляных работ перед отвалом бульдозера при скорости ветра V = 0,1-0,6 м/с Fig. 1. Graphs of a - transition and b - application of "dissection" method for generated dust during excavation in front of bulldozer blade at wind speed Vw = 0.1-0.6 m/s
a
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Dfd}, % 99
Dffi 1
99,9
99 95
80
50
20
5
2
0,5 0,1.
10 20 30 SO 90
d. M км
?
10
20
d. M км 100
b
Исследования подтверждают, что метод «рассечения» для кривых, описывающих дисперсный состав, может быть применен, для чего получено следующее уравнение [5]:
°(d■
0-(x - af/lo2
dx.
(7)
Основные результаты исследования обобщены в таблице:
"Скорость ветра Ув, м/с а o dp
0,1-0,6 16-18 0,95-1,1 15
5-10 10-13 0,85-0,95
Рис. 2. Графики: a - функции перехода и b - применения метода «рассечения» для частиц пыли, образующихся при проведении земляных работ перед отвалом бульдозера при скорости ветра V = 5-10 м/с Fig. 2. Graphs of a - transition and b - application of "dissection" method for generated dust during excavation in front of bulldozer blade at wind speed Vw = 5-10 m/s
Пробы отбирались перед отвалом бульдозера.
Заключение
Концентрация пыли в производственных зонах выполнения земляных работ зачастую превышает ПДК в несколько раз, соответственно необходимо учитывать и нормировать рабочее время пребывания в них персонала, рекомендовать приравнивание процесса к опасному для здоровья человека. В связи с вышеуказанным, необходима разработка дополнительных мероприятий, норм оценки дисперсного состава и концентрации частиц малых размеров, и учет их при проектировании и выполнении работ. Также необходимо рекомендовать применение практических средств защиты от распространения пыли, таких как пылеподавление на границах участка проведения работ с помощью гидрозавес, дождевальных установок или холодного парообразования, создания зеленых зон, лесонасаждений в соответствии с проектом санитарно-защитной зоны на начальных этапах работ, размещения строительных городков и пунктов питания рабочего персонала за пределами санитарно-защитных зон площадок строительства. Необходимо учитывать тип, свойства и характеристики грунтов, которые являются важнейшим критерием для выбора способов производства работ, машин и механизмов, а также основным параметром, влияющим на мощность и распространение пылевых выбросов при производстве работ, связанных с разработкой грунта.
d
a
Список литературы
1. Азаров В.Н., Новиков В.С., Маринин Н.А. Анализ пыли, поступающей в атмосферу, при разработке грунта бульдозерно-рыхлительным оборудованием // Интернет-Вестник ВолгГАСУ; Сер.: Поли-матическая. 2011. Волгоград: ВолгГАСУ. Вып 2(16). С. 1-4.
References
1. Azarov V.N., Novikov V.S., Marinin N.A. Analiz pyli, postupaûsej v atmosferu, pri razrabotke grunta bul'dozerno-ryhlitel'nym oborudovaniem // Internet-Vestnik VolgGASU; Ser.: Polimaticeskaâ. 2011. Volgograd: VolgGASU. Vyp 2(16). S. 1-4.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
2. Белослудцев А. А., Гусаров Д.В., Еремин М.А., Кузьмин Н.М., Хоперсков А.В., Храпов С.С. Информационно-компьютерный комплекс для моделирования динамики примесей от предприятий химической промышленности // Вестник ВолГУ. 2009. Серия 1. Вып. 2. С. 95-102.
3. Храпов С.С., Хоперская А.В., Еремин М.А. Компьютерное моделирование экологических систем: монография. Волгоград. 2010.
4. Азаров В.Н, Сергина Н.М. Методика микроскопического анализа дисперсного состава пыли с применением ПК: депонированная рукопись №1332-В2002. 15.07.2002.
5. Азаров В.Н. Комплексная оценка пылевой обстановки и разработка мер по снижению запыленности воздушной среды промышленных предприятий: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Ростовский гос. строительный университет. Ростов-на-Дону. 2004.
2. Belosludcev А.А., Gusarov D.V., Eremin М.А., Kuz'min N.M., Hoperskov А^., Hrapov S.S. Informacionno-komp'üternyj kompleks dla modelirovania dinamiki primesej ot predpriatij himiceskoj promyslennosti // Vestnik VolGU. 2009. Seria 1. Vyp. 2. S. 95-102.
3. Hrapov S.S., Hoperskaa А.^, Eremin М.А. Komp'üternoe modelirovanie ekologiceskih sistem: monografia. Volgograd. 2010.
4. Аzarov V.N, Sergina N.M. Metodika mikroskopiceskogo analiza dispersnogo sostava pyli s primeneniem PK: deponirovannaa rukopis' №1332-V2002. 15.07.2002.
5. Аzarov V.N. Kompleksnaa ocenka pylevoj obstanovki i razrabotka mer po snizeniü zapylennosti vozdusnoj sredy promyslennyh predpriatij: avtoref. dis. ... d-ra tehn. nauk. Rostovskij gos. stroitel'nyj universitet. Rostov-na-Donu. 2004.
Транслитерация по ISO 9:1995
с---* — TATA — (_XJ
ПОДПИСКА НА РОССИЙСКИЕ НАУЧНЫЕ ЖУРНАЛЫ
eLIBRARY.RU
Научная Электронная Библиотека продолжает кампанию по подписке на отечественную научную периодику в электронном формате на 2014 г. Полнотекстовая коллекция включает журналы по всем отраслям современного знания. Всего на платформе eLIBRARY.RU сейчас размещено более 14 млн научных статей и публикаций. На платформе eLIBRARY.RU доступны электронные версии более 2500 российских научно-технических журналов, в том числе более 1300 журналов в открытом доступе.
Десятилетиями научные организации, вузы и библиотеки оформляли подписку на печатные версии этих журналов, а теперь они стали доступны в электронном виде на платформе eLIBRARY.RU:
Российские журналы на платформе eLIBRARY.RU представлены в виде нескольких коллекций:
• Журналы издательства НАУКА • Российские журналы на eLIBRARY.RU • • Журналы Дальневосточного отделения РАН •
• Журналы Самарского государственного технического университета •
• Реферативные журналы ВИНИТИ • Реферативные журналы ИНИОН •
• Реферативные журналы ЦНСХБ •
Полный перечень подписных журналов представлен в Каталоге 2014 г.
Оформить годовую подписку на текущие и архивные выпуски журналов, приобрести отдельные номера изданий могут частные лица и организации любой формы собственности и вида деятельности - университеты, институты РАН и других академий, отраслевые НИИ и научные центры, библиотеки, государственные органы и коммерческие структуры. Российские журналы доступны теперь в электронном виде не только отечественным, но и зарубежным подписчикам. Научная Электронная Библиотека работает со всеми, кого интересует научная периодика.
Для того чтобы получить доступ к подписным изданиям, необходимо зарегистрироваться на сервере eLIBRARY.RU и подписать Лицензионное соглашение, которое регламентирует порядок и правила работы и использования электронных ресурсов.
Заявки на подписку, вопросы, комментарии направляйте в отдел маркетинга и продаж
Тел.: 7 (495) 935 0101 Факс: 7 (495) 935 0002 Email: sales@elibrary.ru
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
