Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego

Wydział Inżynierii i Kształtowania Środowiska

Katedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska

Zakład Meteorologii i Klimatologii

OCHRONA POWIETRZA

Projekt 1

Ocena oddziaływania na jakość powietrza atmosferycznego zakładu przemysłowego usytuowanego na skraju miasta

Cel ćwiczenia:

1. Ustalenie stężenia maksymalnego zanieczyszczenia SO₂ na powierzchni ziemi S_max i sprawdzenie czy nie zostały przekroczone wartości dopuszczalne,

2. Obliczenie odległości wystąpienia stężenia maksymalnego X_max,

3. Sprawdzenie czy nie zostały przekroczone wartości dopuszczalne stężenia zanieczyszczenia w obrębie planowanych budynków Sm-bud,

4. Ustalenie krytycznej wartości emisji, dla której nastąpi przekroczenie wartości dopuszczalnych stężenia,

5. Wykreślenie pionowego rozkładu stężenia zanieczyszczeń dla stanu równowagi wybitnie chwiejnej (A), obojętnej (D) oraz stałej (F).

Wstęp:

Wiadomości ogólne

SO₂ - nieorganiczny związek chemiczny z grupy tlenków niemetali. Bezbarwny gaz o ostrym, gryzącym i duszącym zapachu, silnie drażniący drogi oddechowe. Występuje w powietrzu w różnych postaciach. Największym zagrożeniem jest kwas siarkowy(VI), który powstaje w wyniku rozpuszczenia suchego kwasu w wodzie. Powoduje to powstawanie tzw. kwaśnych opadów atmosferycznych. Dla wielu obszarów Polski problem tzw. kwaśnych deszczy jest bardzo poważny, zwłaszcza dla świata roślinnego. Dla przykładu: stężenie rzędu 20 g/m3 jest szkodliwe dla lasów szpilkowych, a powyżej 50 g/m3 powoduje drugi stopień uszkodzenia lasów, gdy dopuszczalne u nas stężenie SO2 wynosi 100 g/m3.

Stężenie dwutlenku siarki osiąga różne wartości. Największe stężenie jest zimą ze względu na pogarszanie się warunków meteorologicznych (brak wiatrów, gęsta mgła itp.). Może być on przenoszony przez wiatr na znaczne odległości (nawet ponad 1000 km) w ciągu 2-4 dni. Jako związek chemicznie niestabilny przechodzi w procesach fotochemicznych do utlenionej postaci SO3. Jako bezwodnik kwasu reaguje z wodą przechodząc w kwas siarkowy (H2SO4 ). W rejonach przemysłowych stężenie SO2 w powietrzu zwykle nie przekracza w pewnej odległości od emitera 105 mg/m3. Jednak stężenie SO2 w niektórych punktach wielu miast przekracza w krytycznych warunkach 2 i 3-krotnie dopuszczalną normę 0.35 mg/m3.

Wpływ na środowisko

Dwutlenek siarki jest trujący dla zwierząt i szkodliwy dla roślin. Ma własności bakteriobójcze i pleśniobójcze. Jest jednym z głównych zanieczyszczeń powietrza. Powstaje w wyniku spalania węgla, benzyny, ropy. SO₂ reaguje z tlenem atmosferycznym i przechodzi w SO3. Ten zaś wraz z cząsteczkami wody tworzy H2SO4 i w ten sposób powstają tzw. kwaśne deszcze, niszcząco działające na roślinność (umieranie lasów).
Dwutlenek siarki jest toksyczny dla różnych roślin i może powodować widoczne oznaki obrażeń i / lub zmniejszenie plonów niektórych upraw. Dwutlenek siarki emitowany w wystarczających ilościach na niskim poziomie lub mielone może łączyć się z wilgocią z powietrza powoduje stopniowe uszkodzenie niektórych materiałów budowlanych (np. wapień) w roztworze kwasu, które stanowią, że stopniowo rozpuszcza się kamieniarskich jeśli jest nieustannie narażony.

Dwutlenek siarki gazu rozpuszcza się w kropelki wody w chmurach, powodując deszcz się bardziej kwaśne, że zwykle. Zanieczyszczenia można przewozić tysiące kilometrów z powodu wprowadzenia wysokich kominów rozpraszania zanieczyszczeń wysoko w atmosferze. Kwaśne deszcze wpływają na naturalną równowagę rzek, jezior i gleb.

Skutki oddziaływania So₂ na zdrowie

Dwutlenek siarki atakuje najczęściej drogi oddechowe i struny głosowe. Wdychanie SO₂  powoduje skurcze oskrzeli. Długotrwałe oddychanie powietrzem z zawartością SO₂ , nawet w niskich stężeniach, powoduje uszkodzenie dróg oddechowych, prowadzące do nieżytów oskrzeli częste przypadki tego schorzenia stwierdzono w badaniach epidemiologicznych mieszkańców miast o zanieczyszczonym powietrzu. Dwutlenek siarki, po wniknięciu w ściany dróg oddechowych , przenika do krwi i dalej do całego organizmu; kumuluje się w ściankach tchawicy i oskrzelach oraz wątrobie, śledzionie, mózgu i węzłach chłonnych. Duże stężenie SO₂ w powietrzu może prowadzić do zmian w rogówce oka.

Wartości dopuszczalne:

Wartość dopuszczalna jednogodzinna (D₁)

D₁ = 350 µg/m³

Wartość dopuszczalna dobowa (D₂₄)

D₂₄ = 350 µg/m³

Alarmowy poziom substancji w powietrzu:

D₁ = 500 µg/m³

Obliczenia:

Emisja ciepła :

Efektywna wysokość emitora:

H = h+Δh

Prędkość wiatru na wysokości wylotu emitora:

dla h ≤ 300 m

Prędkość wiatru w warstwie od z = h do z = H :

dla H ≤ 300 m

Współczynniki poziomej dyfuzji atmosferycznej A oraz pionowej dyfuzji atmosferycznej B:

,

Stężenie maksymalne substancji gazowej uśrednione dla 1 godziny S_max:

Stężenie to występuje w stosunku do emitora w odległości x_m:

Obliczenia powyższych parametrów przedstawiono w tabeli dla 6 stanów równowagi atmosfery (przyjmując u_a = 1 i u_a = 2m/s dla każdej z nich)

A – równowaga silnie chwiejna

B – równowaga chwiejna

C – równowaga lekko chwiejna

D – równowaga obojętna

E – równowaga lekko stała

F – równowaga stała

Stała	Stan równowagi atmosfery
	A
m	0,080
a	0,888
b	1,284
g	1,692
C1	0,213
C2	0,815

Dane do projektu:

d [m]	h [m]	v [m/s]	Ts [K]	zo [m]	to [ °C]
0,15	30	2	318	0,5	8,1
ha [ m]	x [m]	hbud [m]	Emax [mg/s]	Q [kJ/s]	D1[mg/m3]
14	105	15	900	1,45	350

Tabela 1

stan równowagi	ua [m/s]	uh [m/s]	Δh [m]	H [m]	us [m/s]	A	B	Smax [µg/m³]	Xm [m]
A	1	1,06	0,44	30,44	0,985	0,85286	0,06542	106,8	97,45
	2	2,13	0,19	30,19	1,97	0,85357	0,06554	54,2	96,71
	3	3,19	0,04	30,04	2,95	0,85403	0,06561	36,5	96,24
B	1	1,12	0,42	30,42	0,978	0,67279	0,13922	146,1	99,64
	2	2,23	0,17	30,17	1,953	0,67352	0,13947	74,2	98,73
	3	3,35	0,03	30,03	2,927	0,67393	0,13961	49,9	98,24
	4	4,46	0,00	30,00	3,903	0,67401	0,13964	37,5	98,14
	5	5,58	0,00	30,00	4,878	0,67401	0,13964	30,0	98,14
C	1	1,16	0,40	30,40	0,973	0,58744	0,20978	157,5	117,83
	2	2,32	0,14	30,14	1,94	0,58818	0,21016	80,1	116,60
	3	3,48	0,02	30,02	2,91	0,58855	0,21035	53,9	116,00
	4	4,64	0,00	30,00	3,88	0,58861	0,21038	40,5	115,91
	5	5,81	0,00	30,00	4,85	0,58861	0,21038	32,4	115,91
	6	6,97	0,00	30,00	5,82	0,58861	0,21038	27,0	115,91
	7	8,13	0,00	30,00	6,80	0,58861	0,21038	23,1	115,91
	8	9,29	0,00	30,00	7,77	0,58861	0,21038	20,2	115,91
D	1	1,23	0,38	30,38	0,971	0,50863	0,31818	150,5	168,34
	2	2,46	0,12	30,12	1,94	0,50938	0,31877	76,7	166,22
	3	3,69	0,01	30,01	2,90	0,50970	0,31902	51,6	165,34
	4	4,91	0,00	30,00	3,87	0,50973	0,31904	38,7	165,25
	5	6,14	0,00	30,00	4,84	0,50973	0,31904	31,0	165,25
	6	7,37	0,00	30,00	5,80	0,50973	0,31904	25,8	165,25
	7	8,60	0,00	30,00	6,77	0,50973	0,31904	22,1	165,25
	8	9,83	0,00	30,00	7,74	0,50973	0,31904	19,4	165,25
	9	11,06	0,00	30,00	8,71	0,50973	0,31904	17,2	165,25
	10	12,28	0,00	30,00	9,67	0,50973	0,31904	15,5	165,25
	11	13,51	0,00	30,00	10,64	0,50973	0,31904	14,1	165,25
E	1	1,32	0,35	30,35	0,972	0,44226	0,46758	121,8	308,10
	2	2,64	0,09	30,09	1,94	0,44302	0,46846	62,3	303,23
	3	3,96	0,00	30,00	2,90	0,44328	0,46876	41,8	301,54
	4	5,27	0,00	30,00	3,87	0,44328	0,46876	31,4	301,54
	5	6,59	0,00	30,00	4,84	0,44328	0,46876	25,1	301,54
F	1	1,40	0,33	30,33	0,976	0,40219	0,60052	94,3	564,08
	2	2,80	0,07	30,07	1,94	0,40295	0,60164	48,3	553,43
	3	4,20	0,00	30,00	2,91	0,40316	0,60195	32,4	550,53
	4	5,59	0,00	30,00	3,88	0,40316	0,60195	24,3	550,53

Na podstawie wyliczonych w tabeli 1, wartości stężenia maksymalnego SO₂ na powierzchni ziemi, możemy stwierdzić, że wszystkie otrzymane wyniki nie przekraczają dopuszczalnej wartości jednogodzinnej SO₂ wynoszącej 350 µg/m³. Wartość największa stężenia Smax wyniosła 157,5 µg/m³ i wystąpiła przy stanie równowagi lekko chwiejnej (przy ua = 1m/s). Wartość najmniejsza stężenia Smax wyniosła 14,1 µg/m³ i wystąpiła przy stanie równowagi obojętnej (przy ua = 11m/s). Oczywistym wnioskiem jest, że wraz ze wzrostem prędkości wiatru, w każdym stanie równowagi, malała wartość Smax .

Ustalenie krytycznej wartości emisji dla której nastąpi przekroczenie wartości (D₁).

Tabela 2

stan równowagi	ua [m/s]	H [m]	us [m/s]	σy	σz	Sxz [µg/m³]
A	1	30,42	0,985	53,17	25,76	111,14
	2	30,17	1,97	53,22	25,80	56,02
B	1	30,40	0,977	37,69	24,17	158,85
	2	30,14	1,95	37,73	24,21	80,16
C	1	30,39	0,973	29,98	19,88	201,22
	2	30,12	1,94	30,02	19,92	101,87
D	1	30,37	0,970	22,89	14,59	257,27
	2	30,10	1,94	22,93	14,62	131,34
E	1	30,34	0,971	16,99	10,09	270,66
	2	30,08	1,94	17,02	10,11	141,36
F	1	30,32	0,976	13,57	7,80	201,65
	2	30,06	1,94	13,59	7,82	108,46

Tabela 3

stan równowagi	ua [m/s]	H [m]	us [m/s]	A	B	z	σy	σz	Eg	Sxz
A	1,00	30,42	0,99	0,85454	0,06569	0	53,28	25,87	600	70,43
						10				72,23
						20				75,36
						30				74,91
						40				67,39
						50				53,37
						60				36,74
D	1,00	30,37	0,97	0,51031	0,31950	0	22,97	14,65	600	68,24
						10				117,82
						20				228,44
						30				292,37
						40				235,56
						50				119,12
						60				37,80
F	1,00	30,32	0,98	0,40388	0,60303	0	13,62	7,83	600	1,02
						10				31,62
						20				384,90
						30				916,96
						40				427,54
						50				39,02
						60				0,70

W tabeli 3 zostały wyliczone wartości stężenia Sxz na wysokościach z od 0 do 2h (60m), przy prędkości wiatru ua = 1m/s. Wartości te w 3 przypadkach przekraczają wartości dopuszczalne D₁. Są to przypadki dla stanów równowagi stałej. Wartość największa (916,96 µg/m³) wystąpiła dla stanu równowagi stałej przy z=30m.

Dokładny przebieg zmienności stężeń Sxz w zależności od wysokości z przedstawia wykres pionowego rozkładu stężenia.

Wykres pionowego rozkładu zanieczyszczeń

Wnioski końcowe:

Analizując oddziaływanie na jakość powietrza atmosferycznego zakładu przemysłowego emitującego w wyniku procesu technologicznego do atmosfery zanieczyszczenie SO2 można stwierdzić, że funkcjonowanie zakładu nie zagraża środowisku naturalnemu. Stężenia maksymalne SO2 na powierzchni ziemi Smax nie przekraczają wartości dopuszczalnych, a wartości dopuszczalne stężenia zanieczyszczenia w obrębie planowanych budynków Sm-bud zostały przekroczone tylko w trzech przypadkach.

Źródło:

www.naszaekologia.pl

www.ekoinfo.pl