Разработка модели поступления загрязняющих веществ с открытых поверхностей испарения в атмосферный воздух Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ЭКОЛОГИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011

%

ЭКОЛОГИЯ

УДК 5023 А. Е. ГАГЛОЕВА

В. В. БАЖЕНОВ

Омский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПОСТУПЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ С ОТКРЫТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИСПАРЕНИЯ

В АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ_______________________

Статья посвящена разработке модели по определению количества вредных веществ, вьщеляющихся с открытых водных поверхностей. Для верификации модели проведен эксперимент на действующих очистных сооружениях г. Омска.

Ключевые слова: модель, загрязняющие вещества, испарение.

Предприятия по очистке сточных вод и водопод-готовке помимо воздействия на гидросферу также в значительной степени оказывают влияние и на атмосферный воздух, вследствие выделения загрязняющих веществ (ЗВ) с открытых поверхностей испарения. Согласно существующему в РФ законодательству, такие выбросы подлежат контролю и нормированию, а предприятия обязаны производить плату за негативное воздействие на атмосферный воздух. Считается, что установление для предприятия пре-

дельно допустимого выброса и взимание платы является достаточным условием как для поддержания состояния окружающей среды на должном уровне, так и для стимулирования предприятий к внедрению природоохранных мероприятий.

В настоящее время инженерами-экологами предприятий при расчётах выбросов повсеместно используются методики, разработанные в 80-90-е годы прошлого столетия. Как следствие, расчёты изобилуют разного рода усредняющими коэффициентами, не-

обходимыми в основном для упрощения и ускорения проведения расчётов без использования ЭВМ. Очевидно, что подобного рода упрощения не учитывают особенностей работы технологического оборудования на предприятии, что приводит к неизбежным погрешностям в расчётах выбросов вредных веществ и, как следствие, к неконтролируемому загрязнению окружающей среды и ухудшению качества жизни населения. Кроме того, используемые в настоящее время методики по своим возможностям на порядок отстают от современного технического уровня и часто требуют для проведения расчёта данные дорогостоящих инструментальных измерений.

В результате этого наблюдается проблема: предприятие не имеет возможности чётко определить и, тем более, спрогнозировать на будущее свое воздействие на окружающую среду для расчёта затрат на внедрение природоохранного мероприятия, а дорогостоящие аналитические измерения, в условиях рыночной экономики, способны свести к нулю какой-либо экономический эффект от снижения выбросов.

Следовательно, для разрешения проблемы необходимо применение нового подхода к определению выбросов ЗВ, который, с одной стороны, обеспечит получение оперативных и достоверных данных и, с другой — будет способен проводить прогноз воздействия на окружающую среду по имеющимся данным о метеоусловиях в районе расположения предприятия.

Нами была разработана математическая модель, позволяющая определить поступление в атмосферный воздух ЗВ в результате их выделения с открытых поверхностей испарения.

Количество выделяющихся в атмосферный воздух ЗВ функционально связано с их содержанием в сточной воде, температурой воды, площадью открытой водной поверхности, температурой окружающего воздуха и скоростью ветра.

Также выделение ЗВ, содержащихся в водоеме, в атмосферный воздух в значительной мере зависит от их химических свойств. При этом может наблюдаться несколько вариантов поведения вещества в воде:

1. ЗВ могут растворяться в воде и образовывать новые химические связи, как, например, хлориды, которые вследствие гидролиза образуют раствор хлорводорода в воде, который будет частично выделяться в атмосферный воздух.

2. ЗВ могут смешиваться с водой и образовывать только межмолекулярные связи, как, например, ацетон, плотность которого ниже плотности воды. В результате ацетон будет постоянно испаряться с водной поверхности.

3. ЗВ могут образовывать эмульсии на поверхности воды, как, например, нефтепродукты, которые в виде скоплений плавают на водной поверхности и испаряются в атмосферный воздух.

4. ЗВ, состоящие из тяжелых фракций, которые оседают на дно и не оказывают непосредственного воздействия на атмосферный воздух.

Предлагаемая нами модель определения количества загрязняющих веществ, выделяющихся с открытой поверхности испарения, основывается на методе теплового баланса, с помощью которого мы определяли массу испаряющейся жидкости. Согласно [1]:

H — турбулентный теплообмен водной поверхности с атмосферой;

Le' E — затраты тепла на испарение воды;

G — теплообмен между водными слоями.

Теплозапас водной массы вычислялся по измеренным значениям температуры воды в начале и в конце расчетного периода, теплоемкости и плотности воды и средней глубины объекта исследования:

W =р' CT ■ H ■ S,

S 1 в ср '

здесь р — плотность воды, кг/м3;

C — теплоемкость воды, Дж/кг К;

Тв — температура воды, К;

Нср — средняя глубина объекта, м;

S — площадь объекта, м2.

Радиационный баланс — это сумма прихода и расхода лучистой энергии, поглощаемой и излучаемой атмосферой. Для атмосферы радиационный баланс состоит из [2]:

— приходной части: поглощенной прямой и рассеянной солнечной радиацией и длинноволнового излучения водной поверхности;

— расходной части: противоизлучение атмосферы.

R =Q-I ф,

п эф'

где Rn — радиационный баланс, Вт;

Q — суммарная солнечная радиация, Вт;

1эф — эффективное излучение поверхности водоема (разность длинноволнового излучения воды и встречного излучения атмосферы).

Количество солнечной энергии, поступающей на водную поверхность, определялось по формуле [3]:

Q = S • K • S0 •

заход

• J cos(cos Нс • cos j • cos 5 + sin j • sin 5)dt,

восход

где So — солнечная постоянная Земли, равная 1365 Вт/м2 [3];

K — коэффициент, учитывающий часть солнечной энергии, которая рассеется в атмосфере.

Эффективное излучение поверхности водоема вычислялось по формуле [4]:

I ф = 1 -I ,

эф в а'

где I в — интенсивность излучения воды, Вт;

1а — встречное излучение атмосферы, Вт.

Согласно закону Стефана — Больцмана, интенсивность излучения воды прямо пропорциональна четвертой степени температуры излучаемого тела [5]:

I =§• а-Т4 Б,

вв

где 8 — поглощательная способность воды, характеризующаяся отношением излучения данной поверхности к излучению абсолютно черного тела; а — постоянная Стефана — Больцмана, равная 5,67.10-8 Вт/м2 К4;

Тв — температура воды, К.

Встречное излучение атмосферы, зависящее от температуры окружающего воздуха, влажности и балла облачности, вычислялось по формуле:

WS = R ±H±L ■ E±G,

S n e '

I =es T 4(1+С,'П2)' S,

a a воз ' 1a ' '

где — суммарное теплосодержание водной массы; Яп — радиационный баланс;

где Твоз — температура окружающего воздуха, К; п — балл облачности;

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011 ЭКОЛОГИЯ

ЭКОЛОГИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011

Метеорологические условия в районе расположения объекта

Время Скорость ветра, м/с Температура окружающей среды, °С Атмосферное давление, мм рт. ст.

9:00 3 + 22 747

12:00 2 + 23 745

15:00 2 + 23 745

18:00 2 + 22 745

С1д — коэффициент, зависящий от температуры воздуха,

С1д = 0.15 при Т < 273.15 < = 0.14 при Т>273.15; еа — коэффициент, зависящий от парциального давления:

= СеР1/7' ехр(350/ Твоз),

здесь Се — коэффициент, равный 0,22;

Твоз — температура окружающего воздуха, К;

Р — парциальное давление водяного пара, Па.

Согласно [6] теплообмен между водными слоями определялся по закону Фурье, как плотность теплового потока прямо пропорциональна градиенту температуры:

С=—1 дга<ЗТв' Б=— 1 (ЭТв /Эп) ■ Б,

где 1 — коэффициент теплопроводности, зависящий от температуры в данной точке, Вт/м К;

Тв — температура воды, К.

Согласно [7], турбулентный теплообмен поверхности озера с атмосферой определялся как:

Таблица 2

Концентрация загрязняющих веществ, полученная в ходе инструментальных замеров

И = р ■ с ■ А'(Т - Т ) 'V,

“ а р г ' в воз' '

где ра — плотность воздуха, кг/м3; ср — теплоемкость воды, Дж/кг К;

Тв — температура воды, К;

Твоз — температура воздуха, К;

V — скорость ветра, м/с;

А — коэффициент турбулентности.

После определения необходимых составляющих испарение (масса) загрязняющих веществ, выделяющихся с открытой водной поверхности, вычислялось по формуле:

Е = (Ш2±Яп±И±С)/Ье.

Определив массу ЗВ, испарившихся с водной поверхности в единицу времени, в дальнейшем представляется возможным использование этих данных при расчёте воздействия объекта исследования на атмосферный воздух с использованием методики ОНД-86 [8].

Для верификации предлагаемой модели был проведен эксперимент на действующих очистных сооружениях г. Омска. В качестве исследуемого объекта был выбран двухсекционный смеситель со следующими параметрами:

— длина — 66 м,

— ширина — 12 м,

— средняя глубина — 1,5 м.

Измерения проводились четыре раза в день с 9.00 до 18.00.

При проведении эксперимента фиксировались следующие метеорологические параметры: атмо-

Время Концентрация ЗВ, в долях ПДК

ацетон бензол

9:00 0,1 0,020

12:00 0,1 0,020

15:00 0,1 0,016

18:00 0,09 0,016

Среднее значение 0,1 0,018

Таблица 3

Концентрация ЗВ, полученная в ходе расчета по предлагаемой модели

Время Концентрация ЗВ, в долях ПДК

ацетон бензол

9:00 0,14 0,026

12:00 0,13 0,023

15:00 0,13 0,023

18:00 0,13 0,023

Среднее значение 0,13 0,023

Рис. 1. Точки замера концентраций загрязняющих веществ над водной поверхностью

сферное давление, относительная влажность воздуха, температура окружающей среды и скорость ветра. Для измерения указанных параметров использовался многофункциональный прибор «Метеометр МЭС-200». Данные о погодных условиях представлены в табл. 1.

На исследуемом объекте фиксировались следующие параметры:

— температура воды

— концентрации ЗВ над водной поверхностью в точках, указанных на рис. 1.

Температура воды за весь период составляла + 18 °С.

Отбор проб газовоздушного потока вблизи двухсекционного смесителя осуществлялся с помощью наиболее точного из всех существующих в настоящее время методов контроля загрязнений — газовой хроматографии. Результаты определения концентраций загрязняющих веществ представлены в табл. 2.

1iO

I00-

O-

-50

1.131 ПрАПэн-З-ои (Ацетон)

О SO 100

1&J

*

{

/

\

ЯУ T ' ' . xi;i-1

\

Jila

X'

/

12-34-5073 ^

-50

150

100

о а-зб a io 0.20

С‘5ъекг 1-DQ предприятие вар.исх.д. 1; вар расч 1 пл.1<Ь=2ы)

РЛаешгаб 1 'Л 450

Рис. 2. Расположение расчётных точек и концентрация ацетона, создаваемая объектом исследования

Далее по вычисленным данным массы вредных веществ с помощью программы «Эколог», реализующей положения методики [8] была рассчитана концентрация загрязняющих веществ в точках отбора проб. Результаты расчёта представлены в табл. 3.

Расположение расчётных точек и концентрации ацетона представлены на рис. 2.

Как можно видеть по представленным выше данным, модель показала удовлетворительные результаты. При этом расчётные величины концентраций ЗВ в атмосферном воздухе, полученные с использованием модели, оказались в среднем 15-20 % больше определенных с помощью хроматографического метода контроля. В целом же порядок полученных данных совпадает, что говорит об адекватности работы модели.

Таким образом, предложенная нами модель может использоваться при контроле выбросов ЗВ от неорганизованных источников загрязнения и при этом обладает рядом преимуществ по сравнению с используемыми в настоящее время методиками, а именно:

1. Модель может быть адаптирована под автоматический расчёт с использованием ЭВМ, что в значительной степени снизит затраты предприятия на проведение экологического контроля.

2. Модель учитывает текущие погодные условия и их изменения АО времени, что позволяет проводить расчёт не только текущих выбросов ЗВ с поверхностей испарения, но и прогнозировать воздействие объектов на атмосферный воздух в будущем.

3. В модели сведено к минимуму использование усредняющих коэффициентов, что позволяет с минимальной погрешностью проводить контроль объектов воздействия на окружающую среду в режиме реального времени и, на основании полученных данных, принимать оперативные решения по управлению охраной окружающей среды на предприятии.

Библиографический список

1. Тихомиров, А. И. Термика крупных озер / А. И. Тихомиров. — Л. : Наука, 1982 . — 232 с.

2. Кондратьев, К. Я. Влияние облачности на радиацию и климат / К. Я. Кондратьев, В. И. Биненко. — Л. : Гидрометео-издат , 1984 . — 240 с.

3. Коган, В. Б. Равновесие между жидкостью и паром : справочное пособие / В. Б. Коган, В. М.Фридман, В. В. Кафаров. — Л. : Наука, 1991. — 500 с.

4. Семенченко, Б. А. Физическая метеорология : Учеб. для студентов вузов, обучающихся по направлению «Гидрометеорология» и специальностям «Гидрология», «Метеорология», «Океанология» / Б. А. Семенченко. — М. : Аспект-пресс, 2002. - 415 с.

5. Юдаев, Б. Н. Техническая термодинамика. Теплопередача / Б. Н. Юдаев. — М. : Высш. шк., 1988. — 479 с.

6. Беляев, Н. М. Основы теплопередачи / Н. М. Беляев. — Киев : Вища шк., 1989. — 343 с.

7. Ткачев, П. С. Гидрофизические процессы и расчеты теплообмена, испарения и льдообразования на водных объектах : учеб. пособие / П. С. Ткачев, А. М. Васильев. — Омск : Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2009. — 67 с.

8. ОНД-86. Методика расчета в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. — Л. : Гидрометеоиздат, 1987. — 64 с.

ГАГЛОЕВА Анжелика Ефремовна, аспирантка, ассистент кафедры «Промышленная экология и безопасность».

БАЖЕНОВ Владислав Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Промышленная экология и безопасность».

Адрес для переписки: e-mail: anzhelika.gagloe@ mail.ru

Статья поступила в редакцию 11.10.2010 г.

© А. Е. Гаглоева, В. В. Баженов

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011 ЭКОЛОГИЯ