1. Skład powietrza atmo., definicje zanieczyszczeń powietrza i ich klasyfikacja (emisja,
unos, jednostki, wartość normatywna, stan dopuszczalny, zanieczyszczenie powietrza)
Składnik
Zawartość w częściach milionowych (ppm)
objętościowo
Nazwa
Symbol
Azot
N
2
780840 ± 0,04
Tlen
O
2
209480 ± 0,02
Argon
Ar
9340 ± 0,01
Dwutlenek węgla
CO
2
325
Neon
Ne
18
Hel
He
5
Metan
CH4
2
Krypton
Kr
1
Wodór
H
2
0,5
Podtlenek azotu
N
2
O
0,3
Ksenon
Xe
0,08
Ozon
O
3
0,02 – 10
Amoniak
NH
3
0,04
Jod
J
2
0,01
Dwutlenek azotu
NO
2
0,01
Dwutlenek siarki
SO
2
0,001
Tlenek węgla
CO
0,05 – 0,2
Para wodna
H
2
O
Ilość zmienna
Zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego to jego składniki naturalne – jeśli ich udziały
w powietrzu są wyższe od zawartości określonych składem powietrza czystego, bądź, nawet
w dowolnie małych udziałach, składniki obce, które nie występują w składzie naturalnym
powietrza. Powietrze atmosferyczne będzie nadmiernie zanieczyszczone wtedy, kiedy udziały
znajdujących się w nim zanieczyszczeń przekroczą progowe wartości stężeń, określane przez
służby nadzoru sanitarnego jako wartości najwyższych dopuszczalnych stężeń (NDS).
Zanieczyszczenie (wg ustawy) - rozumie się przez to emisję, która jest szkodliwa dla zdrowia ludzi
lub stanu środowiska, powoduje szkodę w dobrach materialnych, pogarsza walory estetyczne
środowiska lub koliduje z innymi, uzasadnionymi sposobami korzystania ze środowiska,
Emisja (wg ustawy) - wprowadzane bezpośrednio lub pośrednio, w wyniku działalności człowieka,
do powietrza, wody, gleby lub ziemi:
a) substancji,
b) energii, takich jak ciepło, hałas, wibracje lub pola elektromagnetyczne,
Unos (U) – jest to masa powstających zanieczyszczeń w trakcie określonego procesu (np. spalania
paliw) i wprowadzanych do przewodów odprowadzających gazy odlotowe. W odniesieniu do
spalania paliw unos jest masą zanieczyszczeń, które są unoszone znad paleniska poza kocioł.
Emisja (E) – jest to ta część unosu, która wprowadzana jest do powietrza atmosferycznego, czyli
jest to unos pomniejszony o masę zatrzymanych zanieczyszczeń (Z) w urządzeniu do oczyszczania
gazów odlotowych.
E = U - Z
E = U∙(1 - η)
gdzie: η – sprawność oczyszczania urządzenia
Jednostką unosu i emisji jest stosunek jednostki masy zanieczyszczeń do jednostki energii
(użytecznej bądź energii zawartej w paliwie) lub jednostki czasu lub też jednostki zużytego paliwa
(masy bądź jego objętości), np.:
kg∙GJ
-1
kg∙h
-1
kg∙Mg
-1
kg∙m
-3
kg/(10
6
m
3
)
Schemat blokowy wyjaśniający różnicę pomiędzy unosem a emisją na przykładzie spalania
paliw
Standardy emisyjne - rozumie się przez to dopuszczalne wielkości emisji
Dopuszczalny stan zanieczyszczeń – w przypadku występowania obok siebie kilku szkodliwych
substancji zdolnych do kojarzenia swoich oddziaływań, stan zanieczyszczenia atmosfery może być
uznany za dopuszczalny z punktu widzenia ochrony środowiska naturalnego, jeżeli spełniona jest
następująca zależność:
gdzie:
S
max
i – maksymalne stężenie i – tego zanieczyszczenia na poziomie ziemi,
NDS i – najwyższe dopuszczalne stężenie i – tego zanieczyszczenia
w powietrzu atmosferycznym,
n – liczba rozpatrywanych zanieczyszczeń
W przypadku sumowania działań współwystępujących zanieczyszczeń K = 1, w przypadku
synergizmu K < 1, a antagonizmu K >
1.
2. Skojarzone efekty działania toksycznego współwystępujących zanieczyszczeń
Wprowadzanie do powietrza atmosferycznego dość dużych ilości różnorodnych aktywnych
związków chemicznych (zanieczyszczeń) jest okazją do wzajemnych kontaktów poszczególnych
atomów, co może często prowadzić do wywołania zjawiska skojarzenia efektów działania
1
2
paliwo + O
2
energia
unos
e
m
is
ja
gdzie: 1 – kocioł
2 – urządzenie oczyszczające gazy
spalinowe
∑
i=1
n
S
max
i
NDS i
K
toksycznego współwystępujących zanieczyszczeń.
•
Typowym przykładem może tu być gr. -OH (hydroksylowa), występująca w wielu
związkach chemicznych zanieczyszczających powietrze atmosferyczne . Grupa ta
wprowadzona do węglowodorów alifatycznych zmniejsza ich aktywność, która maleje wraz
z liczbą wprowadzonych grup -OH, Stąd alkohole wielowodorotlenowe są zazwyczaj mniej
napastliwe niż jednowodorotlenowe. Przeciwny jest natomiast kierunek działania grupy
hydroksylowej w stosunku do węglowodorów aromatycznych. W takich przypadkach
zazwyczaj toksyczność związku chemicznego znacznie wzrasta: np. Fenol jest bardziej
toksyczny niż benzen.
•
Gr. -SO
3
H (sulfonowa) i -COOH (karboksylowa) nie wykazują tak bardzo konkretnego
działania biologicznego działanie ich wydaje się ukierunkowane głównie na zwiększanie
rozpuszczalności i zmniejszanie tą drogą toksyczności, niezależnie od sposobu wiązania.
•
Gr. -CN (cyjanowa) odznacza się dużą toksycznością, przy czym oddziaływanie jej jest
tym silniejsze im łatwiej jest ona uwalniana. Jednym z istotnych elementów toksyczności
grupy cyjanowej jest duża zdolność do połączeń z grupami -SH (tiolowymi) aminokwasów
(same grupy tiolowe na ogół osłabiają trujące działanie) przez co dochodzi do blokowania
procesów enzymatycznych niezbędnych do normalnego rozwoju biologicznego komórek.
•
Gr. -NH
2
(aminowa) i -NO
2
(nitrowa) są zazwyczaj zaliczane do silnie trujących.
Jeśli będziemy rozpatrywać sytuację, w której do organizmu żywego wchłania się jednocześnie
kilka substancji toksycznych znajdujących się w powietrzu, to działania mogą być następujące:
•
Niezależne – przejawia się brakiem jakichkolwiek współzależności pomiędzy
współwystępującymi zanieczyszczeniami i jako takie występuje dość rzadko.
•
Sumujące - Najczęstsze. Przykładem mogą być następujące układy zanieczyszczeń:
dwutlenek siarki – fenol,
dwutlenek siarki – fluorowodór,
siarkowodór – dwusiarczek węgla,
etylen – propylen – butylen – amylen,
furfurol – metanol – etanol,
mieszanina par mocnych kwasów mineralnych (HCl, H
2
SO
4
, HNO
3
).
•
Synergetyczne (potęgujące) – potęgowanie działania toksycznego jednej substancji przy
jednoczesnym występowaniu innej. Rzadsze od działania sumującego. Synergizm może być
wykazywany zarówno przez substancje o podobnym działaniu (np. morfina – skopolamina,
mieszaniny środków nasennych), jak i o różnym (kofeina – barbiturany). Wśród
zanieczyszczań powietrza działanie synergiczne stwierdzono w odniesieniu do układu
dwutlenek siarki – dwutlenek azotu. Powszechnie znaną substancją wywołującą
potęgowanie objawów zatrucia jest alkohol etylowy, który ma właściwości synergetyczne
w odniesieniu do wielu związków chemicznych.
•
Antagonistyczne (przeciwstawne) - przeciwstawne zjawisko do synergizmu. Przejawia się
osłabieniem działania trucizny wobec innej substancji toksycznej. Rozróżniamy dwa rodzaje
antagonizmu:
1. chemiczny – zmniejszenie toksyczności jest wynikiem reakcji chemicznych zachodzących
pomiędzy poszczególnymi substancjami trującymi.
2. farmakologiczny – polega na przeciwstawnym działaniu farmakodynamicznym
poszczególnych trucizn na ustrój z pominięciem bezpośredniej reakcji chemicznej pomiędzy
nimi.
Możliwość skojarzonego działania powinna być zawsze uwzględniana przy ocenie stopnia skażenia
atmosfery. W przeciwnym razie mogą być popełniane błędy, których skutki mogą stać się nie
odwracalne.
3. Klasyfikacja źródeł emisji zanieczyszczeń
Ogólnie źródła zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego można podzielić na wynikające
z naturalnego działania samej przyrody, bez udziału człowieka, i na źródła spowodowane
działalnością ludzką, z włączeniem jego naturalnych procesów życiowych, dla pierwszej grupy
przyjęto nazwę źródła naturalne, dla drugiej źródła sztuczne powstawania zanieczyszczeń
powietrza atmosferycznego.
Ze względu na sposób wprowadzania zanieczyszczeń do atmosfery omawiane źródła umownie
dzielą się na źródła zorganizowane i niezorganizowane. Zorganizowane są te źródła emisji które
wprowadzają zanieczyszczenia do atmosfery za pośrednictwem odpowiednich urządzeń
technicznych (kominy, wyrzutnie wentylacyjne, odpowietrzniki itp.) zwanych emitorami.
Niezorganizowane są natomiast wszystkie pozostałe źródła, które nie mają wyżej wymienionych
emitorów, a wprowadzanie zanieczyszczeń w ich przypadku jest samorzutnym zdarzeniem
przypadkowym.
Ponieważ źródła naturalne nie są organizowane przez człowieka, tym samym należą w całości do
źródeł niezorganizowanych. Natomiast w obrębie źródeł sztucznych można wyróżnić zarówno
źródła o charakterze zorganizowanym, jak i niezorganizowanym.
Żródła zanieczyszczeń powietrza
Naturalne
Sztuczne
Niezorganizowane
Zorganizowane
Niezorganizowane
Procesy
spalania
Procesy
wytwórcze
- erozja
- ruchy tektoniczne
- wulkany
- inne
- paleniska
- silniki spalinowe
- hutnictwo
- koksownictwo
- gazownictwo
- chemia
- górnictwo
- procesy jądrowe
- inne
- hałdy
- wysypiska
- inne
4. Zanieczyszczenia charakterystyczne dla wybranych gałęzi gospodarki:
–
energetyczne spalania paliw
Jednym z najczęściej spotykanych procesów, które są jednocześnie powszechnymi sztucznymi
źródłami emisji zanieczyszczeń powietrza jest spalanie różnych gatunków spalin. Największą
emisją odznaczają się zakłady energetyczne. Większość tych zanieczyszczeń pochodzi z cieplnych
elektrowni zawodowych. Ilość i rodzaj zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery podczas procesu
spalania zależy przede wszystkim od rodzaju i stanu spalanego paliwa, warunków spalania
i wydajności urządzeń, a także od skuteczności urządzeń oczyszczających wytworzone spaliny
przed ich wprowadzeniem do atmosfery.
W procesie spalania paliw stałych (które przeważają w globalnym krajowym bilansie użytkowania
paliw) główne powstające zanieczyszczenia to:
•
pyły,
•
dwutlenek siarki – kontakt z dostatecznie dużymi stężeniami tego gazu może wywołać
silne podrażnienie błon śluzowych. Przy dłuższym oddziaływaniu nawet niewielkich stężeń,
straty w przyroście masy drzewnej drzew iglastych mogą dochodzić nawet do 20% . Innym
wyraźnie negatywnym zjawiskiem wywoływanym nadmierną emisją SO2 do atmosfery
i jego częściową przemianą w SO3 jest coraz częściej notowany wyraźny wzrost
kwasowości opadów deszczowych, poważnie zagrażający stabilizacji ekologicznej
mniejszych jezior, stawów i rzek.
•
dwutlenek węgla – cięższy od powietrza, działa podobnie jak szyba w cieplarniana,
przyśpieszając topnienie lodowców górskich i polarnych. Nie jest trucizną lecz wzrost jego
stężenia w powietrzu powyżej pewnej granicy może mieć degenerujący wpływ na zmysły
i organizm człowieka.
•
tlenek węgla – jest rezultatem niepełnego spalania węgla pierwiastkowego zawartego
w paliwie. Działanie toksyczne tlenku węgla polega na dużej podatności do wiązania się
z hemoglobiną krwi. Powstająca karboksyhemoglobina jest połączeniem znacznie
trwalszym niż oksyhemoglobina . Oddychanie powietrzem zawierającym tlenek węgla może
stać się przyczyną ciężkich zatruć powodowanych niedotlenieniem organizmu.
•
tlenki azotu – tworzą się w wysokiej temperaturze jaka panuje w jądrze płomienia komory
paleniskowej. W tych warunkach zachodzi częściowe utlenianie azotu zawartego
w powietrzu i azotu zawartego w paliwie. Efektem tych przemian jest tworzenie tlenku
i dwutlenku azotu.
N
2
+ O
2
↔ 2 NO – 181,1 kJ
2 NO + O
2
↔ 2 NO
2
+ 113,9 kJ
Z powyższych równań wynika iż, reakcja syntezy tlenku azotu jest silnie endotermiczna – sprzyja
jej wysoka temperatura. Wzrost temperatury umożliwia zarazem rozpad dwutlenku azotu na tlenek
azotu i tlen. Te przeciwstawne energetycznie reakcje wyjaśniają istnienie w spalinach obu tlenków
azotu określanych jako NOx .
Wśród wielu rożnych związków jakie mogą powstać w trakcie pirolizy (proces rozkładu
termicznego substancji prowadzony poprzez poddawanie ich działaniu wysokiej temperatury, ale
bez kontaktu z tlenem i innymi czynnikami utleniającymi.) substancji pochodzenia organicznego,
znajdują się również substancje, które działając przez dłuższy czas na skórę lub narządy
wewnętrzne, mogą wywoływać zmiany nowotworowe. Dotychczas stwierdzono, że istnieje kilkaset
substancji które wykazują właściwości rakotwórcze. Szczególne działania rakotwórcze wykazują
niektóre wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), wśród których do najlepiej
i najwcześniej poznanych należą: dwubenzenoantracen, benzopiren i metylocholantren. Związki te
wykrywane są zarówno w wysokowrzących frakcjach ropy naftowej i smoły pogazowej, jak i w
substancjach smolistych powstających w trakcie spalania paliw stałych. Wśród
wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych zawartych w substancjach smolistych,
emitowanych do atmosfery w trakcie energetycznego spalania węgla kamiennego, udział związków
kancero i mutagennych dochodzi do 60%.
Zanieczyszczenia z elektrowni opalanej olejem opałowym:
•
dwutlenek siarki
•
tlenki azotu
•
cząstki stałe
•
węglowodory
•
aldehydy
•
tlenek węgla
Zanieczyszczenia z elektrowni opalanej gazem ziemnym:
•
dwutlenek siarki
•
tlenki azotu
•
cząstki stale
•
aldehydy
Podczas spalania paliw ciekłych i gazowych podstawowymi zanieczyszczeniami emitowanymi do
atmosfery są tlenki azotu i dwutlenek siarki. Natomiast podczas spalania paliw stałych, wśród
głównych składników spalin współmierny udział mają także pyły emitowane w postaci lotnych
popiołów.
–
zanieczyszczenia motoryzacyjne (silniki wysoko i nisko prężne)
Zagrożenie stwarzane przez spaliny silników jest tym większe, jeśli zważyć, że ich toksyczne
składniki są wydalane bezpośrednio do atmosfery, często na obszarach gęsto zaludnionych, gdzie
zabudowa znacznie ogranicza naturalną wymianę powietrza.
Ze względu na zasadę pracy współczesnych silniki tradycyjne można podzielić na dwie zasadnicze
grupy:
•
silniki o zapłonie iskrowym (niskoprężne)
•
silniki o zapłonie samoczynnym (wysokoprężne)
Jako paliwo dla silników o zapłonie iskrowym stosowane są benzyny a dla silników o zapłonie
samoczynnym oleje napędowe.
Benzyny do silników o zapłonie iskrowym otrzymywane są w procesach destylacji ropy naftowej,
krakowania, reformowania oraz polimeryzacji i obejmują frakcje lżejsze, destylujące do
temperatury ok. 473 K. Jako najważniejsze własności – tak dla warunków eksploatacyjnych, jak
i dla wymagań ochrony atmosfery – charakteryzujące wysokojakościowe paliwa do silników
z zapłonem iskrowym należy wymienić odporność detonacyjną, temperaturę wrzenia, skład
frakcyjny oraz brak skłonności do tworzenia osadów, nagarów i trujących składników spalin.
Silniki o zapłonie samoczynnym wymagają paliw o niskiej temperaturze samozapłonu.
Do podstawowych substancji toksycznych wydalanych ze spalinami należą:
•
tlenek węgla,
•
tlenki azotu i siarki,
•
węglowodory,
•
aldehydy,
•
w przypadku paliw etylizowanych (czteroetylek ołowiu stosowany jako dodatek
przeciwstukowy, wykazujący zarazem zdolność do podwyższania liczby oktanowej
benzyny) ołów i jego związki.
Oprócz wyżej wymienionych zanieczyszczeń gazowych gazy spalinowe zawsze zawierają pewne
ilości cząstek stałych o rozdrobnieniu koloidalnym.
–
hutnictwo żelaza (koksownie, spiekalnie, wielkie piece)
Głównymi źródłami emisji zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego w hutnictwie żelaza i
stali – wśród oddziałów bezpośrednio produkcyjnych – są koksownie, spiekalnie i wielkie piece, a
wśród oddziałów pomocniczych – kotłownie.
KOKSOWNIE
•
pył
•
dwutlenek siarki
•
dwutlenek azotu
•
tlenek węgla
•
siarkowodór
•
węglowodory
•
fenol
•
amoniak
•
cyjanowodór
•
dwusiarczek węgla
•
chlor
•
benzen
•
ksylen
•
toluen
•
benzo(a)piren
SPIEKALNIE
•
dwutlenek siarki
•
dwutlenek azotu
•
tlenek węgla
•
fluorowodór H
2
F
2
oraz
•
czterofluorek krzemu
•
związki chloru, arsenu i cynku
WIELKIE PIECE
skład gazu wielkopiecowego
•
CO
•
CO
2
•
N
2
•
H
2
•
CH
4
•
pyły
oraz
•
dwutlenek siarki
•
tlenki azotu
•
cyjanki
•
brunatne dymy
STALOWNIE
z pieców martenowskich
pyły, w skład których wchodzą:
•
tlenki żelaza – od ok. 30% do ok. 95%
•
Na
2
O + K
2
O – 13,24%
•
CaO – 9,94%
•
Al
2
O
3
•
MgO
•
MnO
•
SiO
2
•
C
•
P
2
O
5
rzadziej
•
CuO
•
Cr
2
O
3
•
SnO
2
•
Sb
2
O
3
•
TiO
2
•
CaF2
ponadto składniki gazowe:
•
CO
2
– 14-18%
•
O
2
– 2-5%
•
CO – < 0,5%
•
SO
2
- < 0,5%
•
znaczne ilości NOx
–
hutnictwo miedzi (dlaczego emitują więcej SO2 niż huty żelaza)
Podstawowym surowcem do produkcji miedzi są rudy zawierające głównie siarczkowe związki
miedzi, przy czym do ważniejszych minerałów miedzi nalezą:
•
chalkopiryt
•
chalkozyn
•
bornit
•
kowelin
z innych minerałów można wymienić rudy płowe:
•
tenantyt
•
enargit
•
tetraedryt
Zawartość miedzi w rudach jest stosunkowo niewielka. Ponad 2% - rudy bogate, poniżej 0,7% -
rudy bardzo ubogie.
Podczas procesu prażenia siarka zawarta w rudzie utlenia się do dwutlenku siarki. Czynnikiem
utleniającym jest tlen z powietrza wprowadzany do pieca w ilości zapewniającej utrzymywanie się
się stężenia SO2 na poziomie nie niższym niż 4% obj. Taka bowiem koncentracja SO2 jest
wymagana w procesie produkcji kwasu siarkowego, który jest najczęściej stosowanym w hutach
miedzi sposobem na zagospodarowanie tego toksycznego gazu. Głównym składnikiem gazów
odlotowych z pieców konwertorowych jest SO2, powstający zarówno w głównej reakcji Tworzenia
miedzi metalicznej, jak i w szeregu reakcji pośrednich.
•
SO2
•
CO2
•
CO
•
O2
•
COS + H2S
•
NO2 + NO + N2
–
charakterystyczne zanieczyszczenia dla hut aluminium
•
tlenek węgla
•
dwutlenek węgla
•
dwutlenek siarki
•
siarkowodór
•
dwusiarczek węgla
•
czterofluorek krzemu
•
fluorowodór
•
inne
5. Wpływ zjawisk meteorologicznych na rozprzestrzenianie zanieczyszczeń
- pionowy gradient temperatur - typy smug zanieczyszczeń
- współczynnik dyfuzji atmosferycznej
- wpływ zmian prędkości i kierunku wiatru
W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że korzystne warunki meteorologiczne dla
rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń występują wtedy, gdy obserwuje się:
-niskie ciśnienie atmosferyczne
-dużą prędkość wiatru
-duże zachmurzenie
-opad atmosferyczny
Z kolei niekorzystne warunki meteorologiczne dla rozprzestrzeniania zanieczyszczeń panują
wtedy, gdy notuje się:
-wysokie ciśnienie atmosferyczne
-cisze lub małą prędkość wiatru
-niską temp. Powietrza zimą a wysoką latem
-duże nasłonecznienie latem
-występowanie inwersji termicznych
Pionowy gradient temperatury:
T
p
c
g
dz
dT
Γ
=
−
=
Zdefiniowana w ten sposób wielkość Γ
T
jest adiabatycznym pionowym gradientem temperatury i
wyraża stosunek przyrostu temp. cząstki powietrza do wartości przemieszczenia tej cząstki w
kierunku pionowym. Powyższa zależność odnosi się do powietrza suchego.
Dla powietrza wilgotnego:
1
'
<
Γ
=
−
=
k
c
g
k
dz
dT
T
p
gdzie:
- k – współczynnik zależny od temp i ciśnienia,
- dT- zmiana temperatury cząstki powietrza zachodząca w trakcie jej przemieszczenia,
- dz- wielkość przemieszczenia cząstki powietrza w kierunku pionowym,
- g- przyspieszenie ziemskie,
- c
p
– ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu
Pionowy gradient temperatury decyduje o kierunku przemieszczania się zanieczyszczeń.
W normalnych warunkach, kiedy wyższe warstwy powietrza są chłodniejsze od położonych niżej,
zanieczyszczenia występujące w pewnej objętości powietrza unoszone są ku górze. W przypadku
zaistnienia zjawiska inwersji, gdy temperatura powietrza wzrasta wraz z wysokością, siła wyporu
jest skierowana w dół i w tym jedynie kierunku mogą przemieszczać się zanieczyszczenia. Inwersje
temperatury stanowią naturalną barierę w transporcie gazów i pyłów. Hamują one dopływ do
powierzchni Ziemi zanieczyszczeń wyemitowanych z bardzo wysokich kominów (200 – 300
metrowych). W warunkach termicznych ułatwiony jest transport zanieczyszczeń na dalsze
odległości, dzięki czemu ulegają one rozcieńczaniu, co z kolei przyczynia się do zmniejszenia
zanieczyszczeń w otoczeniu receptorów - poziom imisji ulega obniżeniu. W przypadku niskich
źródeł, np. palenisk domowych, komunikacji samochodowej, lokalnych kotłowni inwersja
temperatury wykazuje niekorzystny wpływ na rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń. Uniemożliwia
bowiem ona ruch zanieczyszczeń ku górze, co powoduje ich kumulację w przyziemnej warstwie
atmosfery. Podnosi to wydatnie poziom imisji.
Współczynniki dyfuzji atmosferycznej:
Potwierdzony został wpływ dyfuzji molekularnej, który przejawia się tym, że profile przestrzenne
gęstości zanieczyszczeń są wygładzone. Dyspersja zanieczyszczeń zachodzi łatwiej, co wpływa na
obniżenie wartości gęstości. Można to zaobserwować dla małych prędkości wiatru. Jeżeli jednak
wiatr ma dużą prędkość, wówczas ten rodzaj dyfuzji jest mało istotny.
Jeżeli prędkość wiatru rośnie w profilu pionowym, wówczas widoczny jest wpływ dyfuzji
turbulencyjnej. Przejawia się on tym, że smuga zanieczyszczeń jest odchylana w kierunku do
powierzchni Ziemi.
Na wartość współczynników dyfuzji atmosferycznej oprócz warunków meteorologicznych ma
wpływ aerodynamiczna szorstkość terenu.
Prędkość wiatru i fluktuacje wiatru:
Na rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń wpływa także ruch powietrza. Należy pamiętać, iż na
obszarze miasta występuje modyfikacja kierunków i prędkości wiatru w stosunku do terenów
pozamiejskich. Wskutek znacznej szorstkości powierzchni prędkość wiatru ulega tu znacznemu
osłabieniu, w związku z czym przeważają wiatry słabe, do 2 m/s. Obserwując przebieg stężeń
zanieczyszczeń w miastach stwierdzono dwa maksima. Pierwsze występuje w warunkach ciszy
atmosferycznej i interpretowane jest jako wynik emisji zanieczyszczeń z niskich źródeł. Drugie
maksimum występuje przy prędkości wiatru 4-6 m/s, jest wywołane przez emisję z wyższych
źródeł położonych
w
dalszej
odległości
od
miasta.
Nie bez wpływu na stan czystości powietrza w mieście pozostaje zjawisko bryzy miejskiej. Ten
specyficzny typ cyrkulacji lokalnej, związany z obecnością miejskiej wyspy ciepła, powoduje
napływ do centrum miasta powietrza z obszarów zewnętrznych.
W przypadku, gdy na peryferiach miasta ulokowany jest przemysł do centrum będzie napływało
powietrze niosące z sobą ładunek zanieczyszczeń, przez co jakość powietrza w mieście zostanie
obniżona.
Prędkość wiatru decyduje o tempie rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń, natomiast jego kierunek
odpowiedzialny jest za napływ zanieczyszczeń nad obszar badań z innych rejonów miasta.
Opady atmosferyczne
Proces, w którym substancje chemiczne są usuwane z atmosfery i osadzane na powierzchni
ziemi wraz z deszczem, mżawką, śniegiem, wodą chmurową i mgłą nazywamy mokrą depozycją.
Kwaśny deszcz to skutek wielu reakcji chemicznych zachodzących w powietrzu. Gazy emitowane
do atmosfery głównie na skutek spalania paliw kopalnych w elektrowniach i zakładach
przemysłowych, czyli SO
2
, NO
2
i NO, wchodzą w reakcje z rodnikami hydroksylowymi i atomami
tlenu, tworząc kwasy. Cząsteczki kwasów są bardzo higroskopijne (tzn. łatwo wchłaniają wodę), są
zatem dobrymi jądrami kondensacji i przyspieszają tworzenie się chmur. Następnie kwaśny deszcz
dociera do ziemi. Kwaśne gazy w połączeniu z mgłą mogą utworzyć kwaśną mgłę, w połączeniu ze
śniegiem - kwaśny śnieg itd.
Występowanie w dużych miastach niekorzystnych warunków meteorologicznych, jak mgła,
bezwietrzność może być przyczyną występowania zjawiska tzw. smogu, które charakteryzuje się
dużym stężeniem substancji szkodliwych, niebezpiecznych dla mieszkańców lub drzewostanu.
Zjawisko to wiąże się z istnieniem inwersji termicznej powietrza, która wpływa na tworzenie wielu
niekorzystnych warunków lokalnego klimatu. Powstające zjawiska meteorologiczne w postaci
niskich chmur warstwowych, utrzymywania mgieł, a przede wszystkim brak pionowych ruchów
powietrza mają zasadniczy wpływ na rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń, głównie: SO2, CO2,
CO, sadzy, dymów.
Na rys. pokazano niektóre konfiguracje dymów:
1.(rys. a) Taką postać dym przybiera wtedy, kiedy równowaga jest chwiejna, a wiatr na wysokości
kominów jest słaby 2-3 m/s. Pokazana na rysunku kłębiasta konfiguracja dymu informuje o tym, że
w powietrzu występują prądy termiczne.
2.(rys. b) Przy sile wiatru powyżej 4 m/s i warunkach jw. dym przybiera bardziej płaską postać
przypominającą fale morskie. Świadczy to o tym, że występuje termika naniesiona.
Przypomnijmy, że naniesiona termika występuje przy najściu nad nagrzaną ziemię chłodnych mas
powietrza, które się szybko nagrzewają i powstają kominy.
3.(rys c) Dym przybiera taką formę, jeśli powietrze znajduje się w równowadze stałej. W tym
przypadku, jak widać na wykresie po lewej stronie rysunku, pionowy gradient temperatury jest
mały i jeśli nie w całej atmosferze, to na pewno w dolnej jej części, na wysokości komina.
4.(rys. d) Taki kształt ma smuga dymu przy stałej równowadze i wietrze ponad 4 m/s. Okazuje się,
że ten dym jest podobny do dymu pierwszych typów, też ma charakter kłębiasty. Trzeba się teraz
przyjrzeć rodzajom tych skłębień. Drugi typ dymu jest bardziej skłębiony, przybiera zaokrąglone
kształty, czwarty rodzaj jest bardziej przyciśnięty w dół.
5.(rys e) Jeżeli w powietrzu inwersja znajduje się powyżej dymu to przybiera on kształt jak na
rysunku e. Jest on podobny z rys d. Przy braku wiatru dym wznosi się na niewielką wysokość i
rozpływa się w powietrzu.
6.(rys f) Taką postać przybiera dym, gdy inwersja sięga poniżej komina, a powyżej niego jest
chwiejna równowaga.
7.(rys. g) Gdy przy ziemi jest równowaga obojętna, ale zaraz powyżej komina zaczyna się inwersja
to dym wygląda jak na tym rysunku.
Latem jest to zwykłe zjawisko atmosferyczne dla wczesnych godzin. Inwersja powstaje w wyniku
nocnego wychłodzenia przyziemnej warstwy atmosfery.
Jednakże w chłodniejszej porze roku (wczesna wiosna, późna jesień) taka inwersyjna sytuacja może
powstać w wyniku napłynięcia ciepłych mas powietrza nad zimne podłoże i osiadania ich w wyżu.
W takiej sytuacji inwersja jest silna i kominy (termiczne) nie przebijają jej.
Dane meteorologiczne
Przy obliczaniu stanu zanieczyszczenia powietrza niezbędne są następujące dane meteorologiczne:
a) statystyka stanów równowagi atmosfery, prędkości i kierunków wiatru (róża wiatrów),
b) średnia temperatura powietrza dla okresu obliczeniowego (sezonu lub roku) - T
o
.
Wyróżnionych jest 36 różnych sytuacji meteorologicznych wynikających z 6 stanów równowagi
atmosfery, którym odpowiadają zakresy prędkości wiatru ze skokiem co 1 m/s (tablica 1.1.).
Tablica 1. 1. Sytuacje meteorologiczne
Stan równowagi atmosfery
Zakres prędkości wiatru u
a
[m/s]
1 - silnie chwiejna
1 - 3
2 - chwiejna
1 - 5
3 - lekko chwiejna
1 - 8
4 - obojętna
1 - 11
5 - lekko stała
1 - 5
6 - stała
1 - 4
Statystyki stanów równowagi atmosfery, prędkości i kierunków wiatru oraz średnie temperatury
powietrza T
0
zawiera katalog danych meteorologicznych opracowany przez państwową służbę
meteorologiczną.
6. Aerodynamiczna szorstkość podłoża
Każda powierzchnia jest aerodynamicznie szorstka. Współczynnik szorstkości mający wymiar
wysokości oznaczamy jako z
0
. Używane jest także określenie wysokości szorstkości. Nie należy
tego jednak rozumieć bezpośrednio jako wysokość geometryczną przeszkód. Współczynnik z
0
jest
miarą przeciętnych wielkości zawirowań strugi powietrza, wywołanych przez elementy
zakłócające przepływ.
Współczynnik aerodynamicznej szorstkości terenu z
o
wyznacza się na podstawie map
topograficznych. Dla pojedynczego źródła lub zespołu złożonego ze źródeł wysokości mniejszej
niż 50 metrów zalecana jest mapa topograficzna w skali 1:25.000, a dla źródeł wyższych - mapa w
skali 1:100.000.
Aerodynamiczny współczynnik szorstkości terenu z
0
ma wymiar długości i uwzględnia wpływ
pokrycia powierzchni na intensywność rozpraszania zanieczyszczeń w atmosferze. Elementy o
zróżnicowanej wysokości mają bezpośredni wpływ na poziomy ruch mas powietrza, rozdzielając je
na poszczególne strumienie i powodując zawirowania turbulencyjne.
Współczynnik z
0
można wyznaczyć 3 metodami:
- planimetryczną (dzielimy teren na podobszary o określonej szorstkości i wyznaczamy średni
współ. szorstkości i z
0
jako średnią ważoną)
- prostych równoległych (podobne wyniki jak metoda prostych równoległych)
- pęku prostych (wykreślamy proste, np. co 5º , z punktu posadowienia emitora, przecinają one
obszary o różnych wart z
0
. Sumujemy długości odcinków przecinających obszary o tych samych
wart. z
0
liczymy średni wpół jako średnią ważoną)
7. Wysokość efektywna źródła emisji
H=h+∆h
Efektywna wysokość emitora H jest wysokością wyniesienia smugi zanieczyszczeń ponad poziom
terenu. Zależy ona od wysokości emitora h oraz od termiczno-dynamicznego wyniesienia smugi
ponad wylot z emitora
∆h- może przyjmować różne wartości, zależnie od warunków wyrzutu gazów (np. prędkość) oraz
od warunków meteorologicznych.
W praktyce wys efektywną obliczamy ze wzoru gdzie istotne jest tylko ∆h=
h
u
K
K – parametr emitora (zależy od kierunku wylotu gazów, prędkości wylotu oraz wielkości ładunku
ciepła unoszonego przez gazy)
u
h
- prędkość wiatru na wysokości emisji (wylot zanieczyszczenia).
8. Podstawowe modele obliczeniowe stanu zanieczyszczenia powietrza
Ze względu na swoją prostą budowę,
łatwy dostęp do danych oraz proste
obliczenia przy pomocy programów
komputerowych, najbardziej znanym
i powszechnie stosowanym jest
gaussowski model Pasquilla. Główną
wadą tego modelu jest niska
dokładność wyników (mogą być
obarczone pewnym błędem),
wynikająca z wielu zastosowanych
uproszczeń. Mimo to, model ten obowiązuje jako podstawowa formuła do obliczania
rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w wielu krajach, w tym także w Polsce.
Modele niegaussowskie, zwane również numerycznymi, cechują się równaniami dyfuzji
całkowanymi numerycznie (najlepszy sposób rozwiązania nieliniowego równania dyfuzji w pełnej
postaci) W modelu Eulera pole prędkości V(r, t) zmienne w przestrzeni r[x, y, z] i czasie t, jest
przedstawione w każdym punkcie badanego obszaru, w nieruchomym układzie współrzędnych.
Metoda Eulera jest oparta na wykorzystaniu zasady zachowania masy substancji. Model Lagrange’a
polega na wprowadzeniu ruchomego układu współrzędnych. W tej metodzie obserwator porusza się
wraz z powietrzem z prędkością V i utrzymuje w ten sposób kontakt z tymi samymi cząsteczkami
powietrza w zadanym okresie czasu.
9. Kryteria stosowalności modeli dyfuzyjnych i dyfuzyjno-grawitacyjnych
Przy określeniu przestrzennego rozkładu pyłów wprowadzanych do powietrza powinno się
wyznaczyć:
- stężenie pyłu (zawieszonego w powietrzu atmosferycznym [mg/m
3
])
- masę pyłu (opadającego na powierzchnię ziemi [t/km
2
] w ciągu roku lub miesiąca)
Obrazują one proces rozdziału całej masy wprowadzonego pyłu na ziarna opadające pod wpływem
grawitacji na ziemię oraz ziarna dyfundujące w powietrzu będące przez dłuższy czas w stanie
zawieszonym.
Konsekwencją tego podziału są 2 modele obliczeniowe: dyfuzyjny (wzory Suttona i Pasquille) i
uwzględniający oddziaływanie sił grawitacyjnych (wzory Bosanqueta, Carem, Halton, Krieb).
Ostateczne kryterium doboru to rozmiar (do 10 µm zawieszone, a powyżej opadające) i gęstości
ziaren oraz związana z tym prędkość opadania (uwzględniająca v wiatru)
10. Minimalna wysokość źródła emisji - definicje i zasada oznaczania
Minimalna wysokość źródła (emitora) jest to wysokość zapewniająca już na tyle skuteczne
rozprzestrzenianie zanieczyszczeń, że maksymalnie możliwe stężenia zanieczyszczeń nie będą
przekraczały stężeń dopuszczalnych. (ograniczenie wysokości projektowanych kominów).
Wyznaczamy ją na podstawie wzoru, który uwzględnia: emisje zanieczyszczeń, dopuszczalne
stężenie i stężenie tła oraz czynniki meteorologiczne.
11. Emisja dopuszczalna - definicja i zasada wyznaczania
Emisja dopuszczalna - rodzaj i ilość substancji dopuszczonych do wprowadzenia do powietrza w
gazach odlotowych w określonym czasie, ustalona dla jednostki organizacyjnej przez właściwy
organ administracji rządowej. Dopuszczalną emisję ustala się jako stężenie substancji
zanieczyszczających w gazach odlotowych lub jako roczną ilość substancji zanieczyszczających dla
jednostki organizacyjnej. Często definiowana statystycznie przez ustalenie limitu wielkości emisji
lub limitu stężenia (przy określonym rozcieńczeniu) w stosunku do istniejącego tła.
1. Dopuszczalne do wprowadzania do powietrza rodzaje i ilości substancji zanieczyszczających,
zwane dalej "dopuszczalną emisją", ustala się w przypadku wprowadzania tych substancji do
powietrza przez urządzenia techniczne (emitory) na okres nie dłuższy niż 10 lat.
2. Dopuszczalną emisję ustala się dla każdego urządzenia, w którym zachodzą procesy
technologiczne lub są prowadzone operacje techniczne powodujące powstawanie substancji
zanieczyszczających (źródła substancji zanieczyszczających), emitora oraz jednostki
organizacyjnej i wyraża się jako:
1) natężenie przepływu masy substancji zanieczyszczających w kg/h (g/h) lub stężenie
substancji zanieczyszczających w gazach odlotowych w mg/m
3
w stanie suchym w warunkach
normalnych - w temperaturze 273 K i ciśnieniu 101,3 kPa,
2) roczną ilość substancji zanieczyszczających w Mg/rok dla jednostki organizacyjnej.
Ustalając dopuszczalną emisję, należy uwzględniać w szczególności:
1) rodzaj i parametry procesu technologicznego i operacji technicznej,
2) rodzaje i parametry surowców stosowanych w procesie technologicznym i operacji
technicznej,
3) warunki wprowadzania substancji zanieczyszczających do powietrza, w tym charakterystykę
emitorów,
4) urządzenia ochronne ograniczające wprowadzanie substancji zanieczyszczających do
powietrza,
5) usytuowanie stanowisk do pomiaru ilości substancji zanieczyszczających wprowadzanych do
powietrza,
6) pracę źródeł substancji zanieczyszczających i urządzeń ochronnych w innych niż zwyczajne
warunkach eksploatacji.
1. Dla substancji zanieczyszczających oraz procesów technologicznych i operacji technicznych, dla
których nie zostały określone dopuszczalne do wprowadzania do powietrza ilości substancji
zanieczyszczających, dopuszczalną emisję ustala się na poziomie nie powodującym przekraczania
dopuszczalnych wartości stężeń substancji zanieczyszczających w powietrzu, określonych w
rozporządzeniu Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 28
kwietnia 1998 r. w sprawie dopuszczalnych wartości stężeń substancji zanieczyszczających w
powietrzu
2. Dopuszczalną emisję dla jednostek organizacyjnych znajdujących się na obszarze, na którym
pomiary wykazują przekroczenia dopuszczalnych wartości stężeń substancji zanieczyszczających
w powietrzu w odniesieniu do roku, z zastrzeżeniem ust. 3, ustala się na poziomie niższym niż
przewidziany w rozporządzeniu Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa
z dnia 8 września 1998 r. w sprawie wprowadzania do powietrza substancji zanieczyszczających z
procesów technologicznych i operacji technicznych, jednak nie niższym niż określony w tym
rozporządzeniu dla źródeł nowych.
3. Jeżeli obliczenia stanu zanieczyszczenia powietrza dla źródeł substancji zanieczyszczających, z
których gazy odlotowe z procesów spalania paliw wprowadzane są do powietrza emitorami
wysokości nie mniejszej niż 100 m, wykażą przekroczenia dopuszczalnych wartości stężeń
substancji zanieczyszczających w powietrzu w odniesieniu do roku, dopuszczalną emisję ustala się
na poziomie niższym niż przewidziany w rozporządzeniu, o którym mowa w ust. 2, jednak nie
niższym niż określony w tym rozporządzeniu dla źródeł nowych.
12. Pojęcie ochrony czynnej i pozornej
a) ochrona bierna (pozorna) – zwiększenie wysokości emisji H, poprzez zwiększenie wysokości
emitora (budowanie większych kominów)
- zwiększamy przestrzeń
- zwiększamy rozcieńczenie, lecz emisja zanieczyszczeń jest ciągle taka sama.
b) ochrona czynna – zmniejszenie emisji zanieczyszczeń.
- mniejsza ilość zanieczyszczeń wprowadzona do powietrza.
Należy preferować ochronę czynną. Ochrona pozorna jest jedynie dla ewentualnego poprawienia
sytuacji (po zmniejszaniu emisji).