Tài liệu Kiểm soát ô nhiễm không khí pgs-ts nguyễn đình tuấn, th.s nguyễn thanh hùng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN PGS.TS. NGUYỄN ĐINH TUẤN (Chủ biên) Th S. NGUYỄN THANH HÙNG KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH 2007 LỜI NÓI ĐẦU Ô nhiễm không khí là một vấn đề môi trƣờng nóng bỏng tại hầu hết các đô thị trên thế giới hiện nay. Việt nam là một nƣớc đang phát triển với tốc độ “nóng”, vì vậy các vấn đề môi trƣờng, trong đó có môi trƣờng không khí đang trở nên bức xúc. Khí thải từ các hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải, thƣơng mại, dịch vụ và sinh hoạt của con ngƣời đã xuất hiện hoặc gia tăng nồng độ các chất độc hại có trong môi trƣờng không khí làm ảnh hƣởng tới sức khỏe con ngƣời, động, thực vật, góp phần làm hƣ hại tài sản trên bình diện toàn cầu, khí thải từ các hoạt động nói trên còn gây nên những vấn đề lớn trên bình diện toàn cầu nhƣ mƣa axit, sự suy giảm tầng ôzôn, sự nóng lên của trái đất... Vì vậy việc kiểm soát ô nhiễm không khí là vô cùng cần thiết và cấp bách. Giáo trình kiểm soát ô nhiễm không khí đƣợc biện soạn nhằm mục đích phục vụ cho đối tƣợng chính là sinh viên đại học, sinh viên cao học các ngành khoa học môi trƣờng, quản lý môi trƣờng và công nghệ môi trƣờng. Sinh viên các chuyên ngành khác và các cán bộ khoa học kỹ thuật cũng có thể sử dụng giáo trình này nhƣ một tài liệu tham khảo phục vụ công tác nghiên cứu hoặc thiết kế các công trình xử lý khí thải. Giáo trình trình bày một cách khá đầy đủ các nội dung liên quan đến kiểm soát ô nhiễm không khí nhƣ ngăn ngừa ô nhiễm từ nguồn phát sinh, hệ thống thu gom và vận chuyển khí thải, các kỹ thuật và thiết bị xử lý khí thải... Để thực hiện giáo trình này tác giả đã nhận đƣợc sự trợ giúp một phần kinh phí từ Dự án “Tăng cƣờng năng lực đào tạo và nghiên cứu khoa học cho Viện Môi trƣờng và Tài nguyên – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh” do SDC tài trợ. Tác giả cũng nhận đƣợc sự giúp đỡ về mặt kỹ thuật trong việc chuẩn bị bản thảo từ Th.S Nguyễn Thị Thục Thùy, KS. Nguyễn Viết Vũ, KS. Giang Hữu Tài, KS. Châu Ngọc Cẩm Vân. Nhân dịp sách đƣợc xuất bản tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các tổ chức, cá nhân đã có những đóng góp cho việc ra đời của giáo trình này. Tuy đã có nhiều năm hoạt động đào tạo và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực ô nhiễm không khí nhƣng kiến thức có hạn cho nên giáo trình này không tránh khỏi nhƣng thiếu sót và hạn chế. Tác giả mong muốn nhận đƣợc ý kiến đóng góp của bạn đọc để có thể hoàn thiện hơn cho những lần tái bản sau này. Thay mặt các tác giả PGS.TS. Nguyễn Đinh Tuấn 1 MỤC LỤC CHƢƠNG 1 ........................................................................................................................ 0 CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ ...................0 1.1 BIỆN PHÁP KIỂM SOÁT TẠI NGUỒN .................................................................. 0 1.1.1 Biện pháp dùng công nghệ sạch ......................................................................... 0 1.1.2 Bố trí nguồn ........................................................................................................ 1 1.1.3 Cách ly nguồn ..................................................................................................... 3 1.2 BIỆN PHÁP PHÁT TÁN PHA LOÃNG ................................................................... 3 1.2.1 Khái niệm về sự phát thải ................................................................................... 3 1.2.2 Mô hình phát thải cho nguồn thải cao (Mô hình chùm khói Gaussian) ............. 6 1.2.2.1 Nguyên tắc cơ bản ...................................................................................... 6 1.2.2.2 Phƣơng trình cơ bản của mô hình chùm khói Gaussian ............................. 7 1.2.2.3 Các giả thiết trong GPM .............................................................................8 1.2.2.4 Các thông số phát tán ..................................................................................9 1.2.2.5 Tốc độ gió .................................................................................................11 1.2.2.6 Nồng độ ở mặt đất..................................................................................... 12 1.2.2.7 Cột khói và nền ......................................................................................... 12 1.2.3 Mô hình phát tán cho nguồn thải thấp .............................................................. 15 1.2.3.1 Khái niệm về nguồn thải thấp ...................................................................15 1.2.3.2 Xác định nồng độ ô nhiễm do các nguồn thấp dạng ống khói, ống thải khí và cửa mái thông gió nhà công nghiệp gây ra. ...................................................... 16 1.2.3.3 Nguồn đƣờng ............................................................................................ 24 1.2.3.4 Nguồn mặt.................................................................................................28 CHƢƠNG 2 ...................................................................................................................... 32 THÔNG GIÓ VÀ VẬN CHUYỂN KHÔNG KHÍ ........................................................ 32 2.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN ............................................................................. 32 2.2 PHÂN LOẠI ............................................................................................................ 32 2.2.1 Hệ thống thông gió cấp..................................................................................... 33 2.2.2 Hệ thống thông gió thải .................................................................................... 33 2.2.2.1 Sự chênh lệch nhiệt độ không khí bên trong và bên ngoài nhà (do có nhiệt thừa Qth) ................................................................................................................35 2.2.2.2 Tác động của gió qua nhà .........................................................................35 2.2.2.3 Tác động đồng thời của nhiệt thừa Qth và gió..........................................35 2.3 TÍNH TOÁN LƢU LƢỢNG THÔNG GIÓ ............................................................. 36 2.3.1 Tính toán lƣu lƣợng thông gió chung ............................................................... 36 2.3.1.1 Lƣu lƣợng thông gió khử nhiệt thừa ......................................................... 36 2.3.1.2 Lƣu lƣợng thông gió khử hơi nƣớc thừa................................................... 37 2.3.1.3 Lƣu lƣợng thông gió cho nhà dân dụng .................................................... 37 2.3.1.4 Lƣu lƣợng thông gió khử ô nhiễm ............................................................ 38 2.3.2 Tính toán lƣu lƣợng thông gió cục bộ .............................................................. 42 2.3.2.1 Chụp hút ....................................................................................................42 2.3.2.2 Miệng hút trên thành bể ............................................................................43 2.4 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ỐNG DẪN KHÔNG KHÍ ............................................ 44 2.4.1 Ống dẫn không khí ........................................................................................... 44 2.4.2 Tính toán thiết kế hệ thống ống dẫn không khí ................................................ 46 2.4.2.1 Các phƣơng trình cơ bản ...........................................................................46 2 2.4.2.2 Tổn thất áp suất trong đƣờng ống ............................................................. 46 2.4.2.3 Các phƣơng pháp tính toán tổn thất áp suất của hệ thống ống dẫn không khí .......................................................................................................................... 49 2.4.2.4 Trình tự tính toán ...................................................................................... 49 CHƢƠNG 3 ...................................................................................................................... 53 KỸ THUẬT XỬ LÝ BỤI.................................................................................................53 3.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN ............................................................................. 53 3.1.1 Bụi và các đặc tính của bụi ............................................................................... 53 3.1.2 Thiết bị xử lý bụi và đặc tính của thiết bị ......................................................... 55 3.2 THIẾT BỊ THU BỤI THEO NGUYÊN LÝ TRỌNG LỰC VÀ QUÁN TÍNH ........ 56 3.2.1 Khái niệm cơ bản :............................................................................................ 56 3.2.2 Buồng lắng bụi ................................................................................................. 56 3.2.3 Thiết bị thu bụi kiểu tấm chớp ......................................................................... 58 3.2.4 Xyclon .............................................................................................................. 58 3.2.4.1 Xyclon đơn................................................................................................ 59 3.2.4.2 Xyclon tổ hợp ........................................................................................... 61 3.3 THIẾT BỊ LỌC BỤI ................................................................................................ 62 3.3.1 Khái niệm cơ bản .............................................................................................. 62 3.3.2 Thiết bị lọc bụi túi vải ...................................................................................... 63 3.3.3 Lƣới lọc bụi ...................................................................................................... 65 3.3.4 Lƣới lọc thùng quay ......................................................................................... 66 3.3.5 Lƣới lọc bụi bằng giấy...................................................................................... 66 3.3.5 Thiết bị lọc dạng xơ sợi .................................................................................... 67 3.4 THIẾT BỊ THU BỤI THEO PHƢƠNG PHÁP ƢỚT............................................... 67 3.4.1 Khái niệm cơ bản .............................................................................................. 67 3.4.2 Buồng rửa khí ................................................................................................... 68 3.4.3 Tháp rửa khí...................................................................................................... 68 3.4.4 Xyclon ƣớt ........................................................................................................ 69 3.4.5 Thiết bị sủi bọt .................................................................................................. 70 3.4.6 Thiết bị thu bụi tẩm dầu.................................................................................... 71 3.4.7 Thiết bị thu gom bụi dùng venturi .................................................................... 72 3.5 THIẾT BỊ THU GOM BỤI BẰNG ĐIỆN ............................................................... 73 3.6 LỰA CHỌN THIẾT BỊ THU BỤI ........................................................................... 76 CHƢƠNG 4 ...................................................................................................................... 77 XỬ LÝ HƠI KHÍ ĐỘC BẰNG PHƢƠNG PHÁP HẤP THỤ .....................................77 4.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................ 77 4.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SỰ HẤP THỤ ............................................................ 79 4.2.1 Cân bằng pha trong hệ khí - lỏng ..................................................................... 79 4.2.2 Quy luật động học ............................................................................................ 80 4.3 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ........................................................................................... 87 4.3.1 Tháp đệm .......................................................................................................... 87 4.3.2 Tháp mâm (Plate Tower) .................................................................................. 91 4.3.3 Các buồng phun (Spray Chambers) .................................................................. 93 4.3.4 Thiết bị lọc khí Venturi (Venturi Scrubber) ..................................................... 94 4.3.5 Thiết bị lọc khi dạng phun tia (Jet Scubber) .................................................... 94 4.2.6 Các thiết bị rửa ƣớt ........................................................................................... 95 4.4 NHỮNG KHÁI NIỆM THIẾT KẾ CHUNG ........................................................... 96 3 4.4.1 Chiều cao và số đơn vị truyền khối .................................................................. 98 4.4.2 Số mâm của tháp ............................................................................................ 100 4.4.3 Lựa chọn thiết bị ............................................................................................. 100 4.4.4 Lựa chọn dung môi hấp thụ ............................................................................ 100 4.4.5 Các số liệu về sự cân bằng của hệ lỏng - khí ................................................ 101 4.4.6 Tỉ lệ pha lỏng / pha khí ................................................................................... 101 4.4.7 Đƣờng kính tháp và độ giảm áp ..................................................................... 101 4.5 ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ ĐỂ XỬ LÝ KHÍ THẢI TẠI NGUỒN ..... 105 4.5.1 Làm sạch khí khỏi SO2 ................................................................................... 105 4.5.2 Làm sạch khí thải khỏi H2S, CS2 và mercaptan ............................................. 118 4.5.3 Tách oxyt nitơ từ khí thải ............................................................................... 122 4.5.4 Làm sạch khí thải khỏi các halogen và hợp chất ............................................ 127 4.5.5 Tách khí CO từ khí thải .................................................................................. 134 4.6 GIẢI HẤP ĐỂ THU HỒI CÁC KHÍ ĐÃ BỊ HẤP THỤ......................................... 141 CHƢƠNG 5 ....................................................................................................................143 XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ...........................................143 5.1 GIỚI THIỆU .......................................................................................................... 143 5.2 NGUYÊN LÝ CHUNG ......................................................................................... 144 5.3 LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA HẤP PHỤ .............................................................. 146 5.3.1 Sự cân bằng khi hấp phụ ................................................................................ 150 5.3.2 Qui luật động học của quá trình hấp phụ: ...................................................... 153 5.3.3 Giải hấp .......................................................................................................... 161 5.4 CHẤT HẤP PHỤ ................................................................................................... 162 5.4.1 Các tính chất ................................................................................................... 162 5.5 THIẾT BỊ VÀ CÁC KIỂU HỆ THỐNG ................................................................ 166 5.5.1 Thiết bị............................................................................................................ 166 5.5.2 Các kiểu hệ thống hấp phụ ............................................................................. 168 5.5.3 Thu hồi chất hấp phụ và bỏ chất bị hấp phụ ................................................... 172 5.6 NHỮNG ÁP DỤNG ĐỂ KIỂM SOÁT NGUỒN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ.......... 172 5.6.1 Ảnh hƣởng của các biến số quá trình ............................................................. 172 5.6.2 Các quá trình đặc trƣng .................................................................................. 174 CHƢƠNG 6 ....................................................................................................................190 XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỐT VÀ XÖC TÁC ..........................190 6.1 GIỚI THIỆU .......................................................................................................... 190 6.2 NGUYÊN LÝ QUÁ TRÌNH ĐỐT......................................................................... 190 6.3 LÒ ĐỐT BỔ SUNG ............................................................................................... 192 6.3.1 Lò đốt bổ sung dùng nhiệt .............................................................................. 192 6.3.2 Lò đốt bổ sung có xúc tác : ............................................................................. 193 6.3.3 Thu hồi nhiệt................................................................................................... 194 6.4 LÒ NUNG.............................................................................................................. 196 6.5 LÒ LỬA ................................................................................................................. 196 6.6 XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG CÁC PHƢƠNG PHÁP XÚC TÁC ............................. 197 6.7 QUY LUẬT ĐỘNG HỌC CÁC PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ ....................... 199 6.8 TÁCH OXYT NITƠ BẰNG CHẤT XÚC TÁC RẮN ........................................... 205 6.8.1 Khử ở nhiệt độ cao có xúc tác ........................................................................ 205 6.8.2 Khử có xúc tác chọn lọc khí oxyt nitơ............................................................ 206 6.8.3 Phân hủy oxyt nitơ bằng phƣơng pháp khử dị thể ......................................... 207 4 6.8.4 Phân hủy NOx bằng phƣơng pháp khử đồng thể và dị thể không có xúc tác . 207 6.9 TÁCH KHÍ SO2 BẰNG PHẢN ỨNG CÓ XÚC TÁC ........................................... 209 6.10 PHƢƠNG PHÁP TIẾP TỤC XỬ LÝ KHÓI ....................................................... 210 6.11 TÁCH CÁC CHẤT HỮU CƠ BẰNG PHẢN ỨNG CÓ XÚC TÁC ................... 210 6.12 XỬ LÝ CO BẰNG PHƢƠNG PHÁP XÚC TÁC ................................................ 211 6.13 XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG NHIỆT ĐỘ CAO ...................................................... 212 CHƢƠNG 7 ....................................................................................................................214 KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TỪ NGUỒN DI ĐỘNG .............................214 7.1 PHÂN LOẠI NGUỒN DI ĐỘNG ......................................................................... 214 7.2 KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TỪ Ô TÔ................................................. 215 7.2.1 Kỹ thuật kiểm soát sự thải .............................................................................. 215 7.2.2 Kiểm soát sự bay hơi của nhiên liệu............................................................... 216 7.2.3 Kiểm soát khí thải của các loại ô tô thông dụng ............................................ 216 7.2.3.1 Công tác giám sát môi trƣờng không khí................................................217 7.2.3.2 Kiểm tra khói thải của xe ........................................................................217 7.2.3.3 Biện pháp sử dụng nhiên liệu sạch .........................................................218 7.2.3.4 Hạn chế sự bay hơi của nhiên liệu ..........................................................218 7.2.3.5 Biện pháp kỹ thuật để tăng cƣờng sự cháy. ............................................218 7.2.3.6 Các biện pháp hỗ trợ khác ......................................................................218 5 CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống tọa độ của mô hình chùm khói Gaussian và phân bố nồng độ trong chùm khói............................................................................................................................. 6 Hình 1.2: Sự “phản xạ” của chùm khói ở mặt đất đƣợc giả thiết cho nguồn ảo ở chiều cao hiệu dụng He âm. .................................................................................................................8 Hình 1.3: Hàm tốc độ gió theo chiều cao (ứng với độ ổn định khí quyển) khác nhau ......11 Hình 1.4: Chiều cao hiệu dụng của ống khói (He) ............................................................. 13 Hình 1.5: Sự hạ khói đầu ống thải vì tốc độ xả quá nhỏ .................................................... 15 Hình 1.6: Biểu đồ xác định hệ số k phụ thuộc vào độ cao tƣơng đối H của nguồn thải. Độ cao tƣơng đối H của nguồn thải đƣợc xác định theo chú thích 1 đã ghi trên đây .............22 Hình 1.7: Biểu đồ xác định các hệ số S, S1, S2, S3 và S4 ................................................... 22 Hình 1.8: Biểu đồ xác định hệ số m phụ thuộc vào thông số b .........................................23 Hình 1.9: Sơ đồ tính toán của nguồn đƣờng ......................................................................24 Hình 1.10: Sơ đồ chuyển động của khí khi gió thổi ngang qua đƣờng phố ...................... 27 Hình 1.11: Đô thị hình chữ nhật và mô hình “hộp cố định” ..............................................30 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống thông gió cấp ............................................................................33 Hình 2.2: Hệ thống thông gió thải ..................................................................................... 34 Hình 2.3: Hệ thống thông gió cấp và thải ..........................................................................35 Hình 2.4: Thông gió tự nhiên do chênh lệch nhiệt độ ....................................................... 35 Hình 2.5: Thông gió tự nhiên do tác dụng của gió ............................................................ 35 Hình 2.6: Thông gió tự nhiên dƣới tác dụng của gió và nhiệt thừa ...................................36 Hình 2.7: Chụp hút trên nguồn ô nhiễm ............................................................................42 Hình 2.8: Chụp hút trên sàn hoặc băng chuyền .................................................................43 Hình 2.9: Nguồn tự do trƣớc mặt miệng hút......................................................................43 Hình 2.10: Miệng hút trên thành bể ................................................................................... 44 Hình 2.11: Các loại ống dẫn không khí .............................................................................45 Hình 2.12: Ống dẫn không khí trong nhà công nghiệp...................................................... 45 Hình 2.13: Hệ số hiệu chỉnh tổn thất áp suất (n) đối với ống có độ nhám k=0,1mm ........48 Hình 3.1: Nguyên lý làm việc của buồng lắng bụi. ........................................................... 56 Hình 3.2: Giới thiệu một số buồng lắng bụi ......................................................................58 Hình 3.3: Nguyên lý hoạt động của xyclon .......................................................................59 Hình 3.4: Hai dạng xyclon đơn .......................................................................................... 59 Hình 3.5: Xyclon tổ hợp ....................................................................................................61 Hình 3.6: Thiết bị lọc bụi túi vải ........................................................................................ 63 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý lắp đặt lƣới lọc ........................................................................65 Hình 3.8: Cấu tạo lƣới lọc thùng quay ...............................................................................66 Hình 3.9: Cấu tạo thiết bị lọc bụi bằng giấy ......................................................................67 Hình 3.10: Buồng rửa khí ..................................................................................................68 Hình 3.11: Tháp lọc rửa khí ............................................................................................... 69 Hình 3.12: Xyclon ƣớt .......................................................................................................70 Hình 3.13: Thiết bị sủi bọt .................................................................................................71 Hình 3.14: Thiết bị thu bụi tẩm dầu ................................................................................... 71 Hình 3.15: Thiết bị thu bụi dùng ventury ..........................................................................72 Hình 3.16: Sơ đồ cấp nƣớc vào ventury ............................................................................73 Hình 3.17: Sơ đồ cấu tạo thiết bị thu bụi tĩnh điện ............................................................ 74 6 Hình 3.18: Cực phóng điện ................................................................................................ 74 Hình 3.19: Một số dạng tấm thu bụi ..................................................................................74 Hình 3.20: Cách thức phân phối dòng khí .........................................................................75 Hình 3.21: Thiết bị thu gom bằng điện hai vùng ............................................................... 75 Hình 4.1: Cấu tạo của một tháp đệm điển hình .................................................................88 Hình 4.2: Một số dạng vật liệu đệm điển hình...................................................................88 Hình 4.3: Độ giảm áp pha khí qua lớp vật liệu đệm khô ................................................... 90 Hình 4.4: Tƣơng quan giữa độ giảm áp pha khí đối với các vật liệu đệm thông dụng .....90 Hình 4.5: Hai dạng mâm thông dụng .................................................................................91 Hình 4.6: Sơ đồ hoạt động của tháp mâm chóp .................................................................92 Hình 4.7: Một dạng buồng phun điển hình ........................................................................94 Hình 4.8: Thiết bị lọc khí kiểu Venturi ..............................................................................94 Hình 4.9: Thiết bị lọc khí dạng phun tia ............................................................................95 Hình 4.10: Thiết bị hấp thụ khí 4 bậc ................................................................................95 Hình 4.11: Độ giảm áp theo tốc độ bề mặt đối với một số bậc hấp thụ ............................ 96 Hình 4.12: Đồ thị nồng độ điển hình .................................................................................97 Hình 4.13: Làm khô không khí bằng H2SO4 .....................................................................97 Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý của tháp hấp thụ ....................................................................97 Hình 4.15: Qui trình xử lý và thu hồi các khí có tính công nghệ cao ..............................142 Hình 7.1: Sơ đồ kiểm soát khí thải từ động cơ ...............................................................217 7 CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Sơ đồ chung loại độ ổn định Pasquill ..................................................................9 Bảng 1.2: Giá trị các hằng số a, b, c, d ..............................................................................10 Bảng 1.3: Công thức tính toán nồng độ ô nhiễm do các nguồn thấp gây ra ...................... 17 Bảng 1.4: Hệ số B‟ theo công thức (49) ............................................................................26 Bảng 1.5: Hệ số thực nghiệm trong công thức (55) ....................................................... 29 Bảng 2.1: Hệ số ô nhiễm của nhà máy chế biến thịt (g/tấn sản phẩm) .............................. 38 Bảng 2.2: Hệ số ô nhiễm của nhà máy xay bột mì (g/tấn nguyên liệu) ............................. 39 Bảng 2.3: Hệ số ô nhiễm của công đoạn hàn điện sắt thép (mg/ một que hàn) .................39 Bảng 2.4: Hệ số ô nhiễm của công đoạn hàn hoặc cắt kim loại bằng hơi (g / Fe2O3 / lít oxy) .....................................................................................................................................39 Bảng 2.5: Hệ số ô nhiễm của nhà máy sản xuất tôn tráng kẽm(g/ tấn SP) ........................ 39 Bảng 2.6: Hệ số ô nhiễm của nhà máy gốm sứ (g / tấn vật nung) .....................................40 Bảng 2.7: Hệ số ô nhiễm của nhà máy gạch (g / tấn gạch nung).......................................40 Bảng 2.8: Hệ số ô nhiễm của nhà máy chế biến gỗ (kg / tấn NL) .....................................40 Bảng 2.9: Hệ số phát thải khí trung bình của các quá trình đốt cháy trong một số ngành kinh tế.................................................................................................................................40 Bảng 2.10: Hệ số hiệu chỉnh tổn thất áp suất khi nhiệt độ thay đổi ..................................48 Bảng 2.11: Vận tốc không khí trong ống dẫn đối với hệ thống TG và ĐHKK (m/s) .......50 Bảng 2.12: Vận tốc không khí trong ống dẫn đối với hệ thống hút bụi ............................ 50 Bảng 3.1: Vận tốc lắng của hạt bụi .................................................................................... 54 Bảng 3.2: Vận tốc cực đại cho phép trong dòng khí.......................................................... 57 Bảng 3.3: Hiệu quả làm sạch bụi của buồng lắng bụi nhiều ngăn ứng với các kích thƣớc hạt khác nhau ..................................................................................................................... 57 Bảng 3.4: Hƣớng dẫn lựa chọn thiết bị thu bụi..................................................................76 Bảng 4.1: Độ hòa tan một số khí trong nƣớc .....................................................................80 Bảng 4.2: Độ hòa tan của một số khí trong nƣớc ở áp sƣất thƣờng ..................................81 Bảng 4.3: Một vài ví dụ về hệ thống hấp thụ trong kiểm soát ô nhiễm không khí .........102 Bảng 4.4: Đặc tính sinh SO2 của một số loại than đá ......................................................110 Bảng 4.5: Đặc tính của các chất hấp thụ H2S ..................................................................117 Bảng 4.6: Thành phần khí chứa flor trong sản xuất phân lân ..........................................127 Bảng 4.7: Thành phần dung dịch amoniac - đồng ...........................................................134 Bảng 4.8: Lƣợng tối thiểu N2 lỏng (m3) để làm sạch 150 m3 khí thải chứa 6% khí CO .136 Bảng 4.9: Hệ số Henry (H) theo nhiệt độ ........................................................................137 Bảng 4.10: Hằng số cân bằng K ......................................................................................137 Bảng 4.11: Tỉ lệ tƣơng ứng nồng độ của CO2, K2CO3 và KHCO3 ..................................138 Bảng 4.12: Độ hòa tan của một số muối của K và Na (g/100g dung dịch trong nƣớc)...138 Bảng 4.13: Độ hấp thụ khí CO2 và MEA (mol CO2 / mol MEA) ...................................139 Bảng 4.14: Độ hòa tan của Na2CO3 và Ca(HCO3) ..........................................................141 Bảng 5.1: Diện tích bề mặt và kích thƣớc lỗ xốp của các chất hấp phụ ..........................162 Bảng 5.2: Các thông số kỹ thuật điển hình của than hoạt tính dùng để lọc khí ..............164 Bảng 5.3: Tẩm chất hấp phụ ............................................................................................166 Bảng 5.4 Các quá trình thải ra các khí có mùi có thể hấp phụ đƣợc ...............................175 Bảng 5.5: Các giai đoạn trong quá trình Reinluft ............................................................176 Bảng 7.1: Hệ số ô nhiễm của xe hơi (kg/1.000 lít xăng) .................................................214 8 CHƢƠNG 1: CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ CHƢƠNG 1 CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ Để kiểm soát không khí từ các nguồn cố định, có thể áp dụng riêng rẽ hoặc kết hợp đồng thời các biện pháp nhƣ sau: - Biện pháp kiểm soát tại nguồn. - Biện pháp phát tán pha loãng vào khí quyển. - Biện pháp xử lý trƣớc khi thải ra môi trƣờng. Chƣơng này trình bày những vấn đề liên quan đến hai biện pháp đầu, riêng biện pháp xử lý sẽ đƣợc trình bày chi tiết trong các chƣơng sau. 1.1 BIỆN PHÁP KIỂM SOÁT TẠI NGUỒN 1.1.1 Biện pháp dùng công nghệ sạch Đây là biện pháp tích cực nhất để hạn chế ô nhiễm không khí, sử dụng sản xuất sạch đồng thời vừa tiết kiệm đƣợc nguyên, nhiên liệu vừa hạn chế đƣợc lƣợng chất thải thải ra môi trƣờng. Nội dung của sản xuất sạch rất đa dạng, phong phú, đƣợc trình bày trong những giáo trình chuyên ngành. Phần này chỉ trình bày một số nội dung chủ yếu, thiết thực nhất. + Thay đổi nguyên liệu, nhiên liệu Để giảm bớt mức độ ô nhiễm không khí, chúng ta có thể áp dụng biện pháp thay thế các nhiên liệu, nguyên liệu thải ra nhiều chất độc bằng các nguyên liệu, nhiên liệu thải ra ít chất độc hơn. Nhƣ việc thay thế dầu FO (chứa nhiều lƣu huỳnh) bằng dầu DO (chứa ít lƣu huỳnh), hay là thay thế than đá, dầu đốt bằng khí thiên nhiên sẽ giảm đáng kể lƣợng SO2 và bụi chứa trong khí thải. Biện pháp này có nhƣợc điểm là làm tăng giá thành sản phẩm nên phạm vi áp dụng không đƣợc rộng rãi. CHƢƠNG 1: CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ + Thay đổi công nghệ Nội dung của biện pháp này là sử dụng những công nghệ tiên tiến tiêu hao ít nguyên liệu, nhiên liệu và thải ra ít chất ô nhiễm không khí hơn. Chẳng hạn trong công nghệ luyện thép: thay thế lò hồ quang bình thƣờng bằng lò tăng cƣờng oxy sẽ làm giảm hơi khói, CO2 và các hơi khí độc khác. + Vận hành đúng qui trình kỹ thuật Đây đúng là một biện pháp khống chế ô nhiễm không khí không đòi hỏi đầu tƣ trang bị thêm thiết bị nhƣng hiệu quả cao. Nếu thiết bị đƣợc lắp đặt, vận hành và bảo dƣỡng đúng qui định thì sẽ giảm đáng kể mức độ gây ô nhiễm không khí. 1.1.2 Bố trí nguồn Việc bố trí các nhà máy xí nghiệp có khả năng gây ô nhiễm không khí có ảnh hƣởng rất lớn đến mức độ gây ô nhiễm cho môi trƣờng không khí bao quanh. Để bố trí nguồn gây ô nhiễm, cần phải nghiên cứu các yếu tố khí tƣợng có tác động đến quá trình phát tán, vận chuyển không khí và việc bố trí qui hoạch dân cƣ cũng nhƣ các hoạt động thƣơng mại trong vùng, để có những quyết định phù hợp. Việc bố trí nguồn lại càng có ý nghĩa khi tập trung một số lƣợng đáng kể các nhà máy xí nghiệp trên một khu vực nhƣ khu công nghiệp hay đô thị. Đối với các khu công nghiệp việc bố trí các nguồn gây ô nhiễm nói chung phải dựa trên một số nguyên tắc nhƣ sau: + Phân cụm các nhà máy Khu công nghiệp thƣờng bao gồm nhiều loại hình công nghiệp khác nhau, trong số đó mức độ gây ô nhiễm nguồn nƣớc, ô nhiễm không khí của các nhà máy cũng khác nhau. Vì vậy, khi bố trí các nhà máy, cần chú ý việc phân chia thành các nhóm ngành có mức ô nhiễm nặng, trung bình, nhẹ hoặc ít ô nhiễm để bố trí thành các cụm gần nhau. Ví dụ, có thể bố trí thành các cụm nhƣ sau: Các nhà máy có nguy cơ gây ô nhiễm: các nhà máy sử dụng nhiều nhiên liệu là dầu FO, nhà máy sản xuất tôn tráng kẽm có nguy cơ gây ô nhiễm không khí, các nhà máy dệt nhuộm, xi mạ, chế biến lƣơng thực, thực phẩm, hóa chất, dƣợc phẩm, ... có nguy cơ gây ô nhiễm nƣớc. Các nhà máy ít có nguy cơ gây ô nhiễm: các nhà máy cơ khí, nhựa, chất dẻo, chế biến gỗ, các nhà máy lắp ráp các sản phẩm điện cơ, điện tử ít có nguy cơ gây ô nhiễm không khí, các nhà máy lắp ráp các sản phẩm điện tử, hàng tiêu dùng, ... ít có nguy cơ gây ô nhiễm do nƣớc thải. Các nhà máy gây ô nhiễm không đáng kể: các xí nghiệp dệt - sợi (không có nhuộm), may mặc, dụng cụ y tế, đồ dùng gia đình, các nhà máy giày dép, ... 1 CHƢƠNG 1: CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ + Khoảng cách bố trí Vị trí bố trí nhà máy có ảnh hƣởng rất lớn tới tình trạng ô nhiễm không khí trong khu công nghiệp. Khi bố trí khu công nghiệp, các nhà máy cần chú ý các yêu cầu sau: Khu công nghiệp phải đƣợc bố trí ở cuối hƣớng gió chủ đạo so với khu hành chánh - dịch vụ - thƣơng mại. Trong khu công nghiệp thì các nhà máy gây ô nhiễm nặng phải bố trí ở sau hƣớng gió so với các nhà máy ít gây ô nhiễm hoặc gây ô nhiễm nhẹ. Các nhà thấp tầng bố trí đầu hƣớng gió, nhà cao tầng ở cuối hƣớng gió. Trong từng nhà máy cũng cần quan tâm tới việc bố trí các bộ phận cho hợp lý nhƣ bố trí riêng biệt các khu sản xuất, khu phụ trợ, khu kho bãi, khu hành chính và có dãy cây xanh ngăn cách khu hành chính với các khu khác. Các hệ thống ống thải khí của nhà máy cần tập trung vào một khu vực tạo thuận lợi cho việc giám sát, xử lý. Khu vực bố trí trạm máy điện dự phòng, khu xử lý nƣớc thải tập trung, xử lý rác thải là những nơi phát sinh khí thải độc hại, gây mùi, cần đƣợc đặt cuối hƣớng gió chủ đạo, có khoảng cách ly thích hợp. + Vùng cách ly vệ sinh công nghiệp Vùng cách ly vệ sinh công nghiệp là vùng đệm giữa khu công nghiệp với khu dân cƣ. Kích thƣớc của vùng cách ly công nghiệp đƣợc xác định theo khoảng cách bảo vệ về vệ sinh mà các tiêu chuẩn nhà nƣớc cho phép. Tiêu chuẩn tạm thời về môi trƣờng của Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trƣờng (nay là Bộ Khoa học Công nghệ) đã qui định khoảng cách tối thiểu cho các loại hình sản xuất bao gồm : Tiêu chuẩn 17: Yêu cầu về khoảng cách bảo vệ vệ sinh đối với các thiết bị đốt nhiên liệu. Tiêu chuẩn 18: Yêu cầu về khoảng cách bảo vệ vệ sinh cho nhà máy nhiệt điện và lò hơi. Tiêu chuẩn 19 : Phân cấp các xí nghiệp về chiều rộng tối thiểu của khoảng cách bảo vệ vệ sinh. Tuy nhiên, tùy theo tần số hƣớng gió, chúng ta có thể xét chiều rộng khoảng cách ly rộng hoặc hẹp hơn. Trị số hiệu chỉnh đƣợc xác định theo công thức: Li = Lo x Pi / Po Trong đó: Li : Chiều rộng vùng cách ly cần xác định (m) theo hƣớng i. 2 CHƢƠNG 1: CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ Lo : Chiều rộng vùng cách ly lấy theo mức độ độc hại của từng nhà máy, lấy theo các tiêu chuẩn trên (m). Po : Tần suất gió trung bình tính đều cho mọi hƣớng (%). Pi : Tần suất gió trung bình thực tế của hƣớng i (%). Các tiêu chuẩn về khoảng cách bảo vệ vệ sinh nói trên là lấy theo các qui phạm Liên Xô trƣớc đây. Nếu thiết kế khu công nghiệp theo tiêu chuẩn đó thì sẽ chiếm rất nhiều diện tích xây dựng, không phù hợp với xu thế phát triển ngày nay. Để thu hẹp khoảng cách vệ sinh, phải áp dụng các biện pháp kỹ thuật, sử dụng các công nghệ xử lý chất thải, hạn chế sự phát tán chất ô nhiễm. Khi đó khoảng cách bảo vệ vệ sinh sẽ đƣợc thu nhỏ lại, tăng hiệu quả sử dụng đất. 1.1.3 Cách ly nguồn Đây cũng là một biện pháp để khống chế ô nhiễm không khí. Biện pháp cách ly nguồn có hai mức áp dụng khác nhau: + Cách ly nguồn tạm thời: Cách ly nguồn tạm thời hay nói cách khác là đóng cửa nguồn trong một thời gian là biện pháp áp dụng nhằm hạn chế ô nhiễm không khí khi nồng độ các chất ô nhiễm không khí do nguồn gây ra tăng cao, gây nguy hiểm cho sức khỏe của dân cƣ do những biến đổi bất lợi của thời tiết nhƣ nghịch đảo nhiệt, nghịch đảo áp suất hoặc những sự cố về nguyên vật liệu, thiết bị công nghệ hoặc thiết bị xử lý khí thải. + Cách ly nguồn vĩnh viễn: Cách ly nguồn vĩnh viễn hay đóng cửa nhà máy là biện pháp sử dụng khi không thể áp dụng các biện pháp khác để khắc phục tình trạng ô nhiễm không khí. Khi đó phải đóng cửa nhà máy hoặc di dời nhà máy tới khu vực đáp ứng đƣợc các yêu cầu về bảo vệ môi trƣờng. 1.2 BIỆN PHÁP PHÁT TÁN PHA LOÃNG 1.2.1 Khái niệm về sự phát thải Các mô hình tính toán sự phát tán các chất ô nhiễm không khí là biểu diễn toán học của các quá trình lan truyền, khuếch tán các chất ô nhiễm kết hợp với số lƣợng và đặc trƣng của các nguồn thải, các dữ liệu về thời tiết nhằm mục đích tính toán nồng độ các chất ô nhiễm. Việc sử dụng mô hình tính toán có nhiều ƣu điểm nhƣ sau: - Rẻ hơn đo đạc. - Có thể tính kết quả cho nhiều phƣơng án khác nhau và dễ dàng so sánh kết quả. - Có thể dùng để đánh giá sự tác động tƣơng đối của một nguồn riêng biệt mà không thể xác định bằng đo đạc. 3 CHƢƠNG 1: CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ - Có khả năng dự báo tác động của một hoạt động nào đó lên môi trƣờng không khí. Các mô hình tính phát tán các chất ô nhiễm không khí thƣờng đƣợc xây dựng theo những kích thƣớc khác nhau của không gian và thời gian. Việc chia các quá trình trong khí quyển thành các qui mô không gian là tùy thuộc ngƣời thực hiện và không có quy tắc nhất định. Các quá trình khí tƣợng ở phạm vi này có liên kết với các quá trình ở phạm vi khác. Trong các vấn đề về chất lƣợng không khí, ngƣời ta thƣờng xem xét các qui mô không gian sau (giới hạn giữa các qui mô không rõ ràng và có khi chồng chéo lên nhau): a. Qui mô toàn cầu (>2000km). b. Qui mô lục địa, trong các tài liệu của Mỹ qui mô lục địa đƣợc coi là qui mô vùng (500 - 2000km). c. Qui mô trung (10 - 500 km) d. Qui mô đô thị hay qui mô vùng (500m - 20 km). e. Qui mô địa phƣơng hay qui mô nhỏ (0 - 1000m). Qui mô toàn cầu Các vấn đề nhƣ suy thoái ozon tầng bình lƣu và hiệu ứng nhà kính xảy ra trên qui mô toàn cầu. Điển hình ở qui mô này là hiện tƣợng tuần hoàn chung. Tất cả các lớp khí quyển theo phƣơng đứng đều tham gia vào vấn đề này. Qui mô thời gian sử dụng trong mô hình cho các hiện tƣợng ở qui mô này là mùa hay năm. Các quá trình cụ thể nhƣ sự hình thành mây và mƣa thƣờng ít đƣợc xem xét hoặc hoàn toàn không tính đến. Qui mô lục địa Một trong những vấn đề ở qui mô lục địa là mƣa axit. Sự lƣu chuyển không khí ở qui mô này là do sự chênh lệch áp suất ở qui mô lớn và chủ yếu liên quan đến tầng biên hành tinh, mặc dù vẫn có sự xáo trộn vào tầng đối lƣu tự do. Thời gian trong qui mô này thƣờng là vài tháng đến một năm. Qui mô trung Qui mô liên vùng, còn gọi là qui mô trung, là qui mô mà sự phát thải của đô thị hay khu công nghiệp qui mô lớn (nhƣ khu Rijnmond, khu Ruhr ở Đông Âu, vùng đông dân nhƣ Thƣợng Hải, Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh) giữ vai trò quan trọng. Sự hình thành khói mùa hè (hay khói mù quang hóa) là một ví dụ tiêu biểu cho các quá trình ở qui mô này. Mô hình các quá trình ở qui mô trung rất phức tạp vì không thể bỏ qua các quá trình qui mô lớn cũng nhƣ các quá trình qui mô nhỏ. Kích thƣớc thời gian ở qui mô này là vài giờ tới vài ngày. 4 CHƢƠNG 1: CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ Qui mô đô thị hay vùng Các vấn đề ở qui mô đô thị hay vùng chủ yếu là tác động của các khu công nghiệp cỡ trung lên các khu dân cƣ. Ở góc độ rộng hơn, sự tƣơng tác giữa các mục đích sử dụng đất (ví dụ vấn đề ô nhiễm môi trƣờng do nông nghiệp) cũng đƣợc coi là một vấn đề thuộc qui mô đô thị hay vùng. Ở qui mô này, chỉ có tầng xáo trộn là đáng chú ý. Qui mô địa phƣơng hay qui mô nhỏ Các vấn đề thuộc qui mô địa phƣơng là vấn đề đặc trƣng bởi quan hệ trực tiếp giữa một nguồn (nguồn đơn) với môi trƣờng xung quanh nó. Ví dụ tác động của một con đƣờng lên khu dân cƣ, vấn đề mùi ở xung quanh nhà máy giấy, tác động của nhà máy điện lên chất lƣợng không khí của địa phƣơng... Các vấn đề này ở mức độ một tỉnh, quận hay thành phố. Thời gian tính toán thƣờng là một vài phút tới một vài giờ. Các đặc tính của sự phát tán ở phạm vi địa phƣơng hay vùng Nhƣ đã trình bày ở trên, kích thƣớc theo phƣơng ngang ở qui mô này lớn nhất là vài chục km, trong khi theo phƣơng đứng thƣờng không vƣợt quá tầng xáo trộn. Đặc trƣng của sự phát tán ở qui mô địa phƣơng là chất ô nhiễm không khí không hoàn toàn trộn lẫn với không khí xung quanh trong tầng xáo trộn; có sự khác biệt lớn về nồng độ theo phƣơng ngang cũng nhƣ phƣơng đứng. Cùng với sự biến thiên theo không gian này, còn có sự biến thiên lớn về nồng độ theo thời gian trong những khoảng thời gian ngắn (từ vài phút đến vài giờ). Về các mô hình tính toán, nói chung ngƣời ta chia bốn loại mô hình dựa vào ứng dụng của chúng: - Mô hình thống kê hay mô hình kinh nghiệm: sử dụng các hệ thức thống kê giữa nồng độ ở một vế và dữ liệu nồng độ khác hay các biến môi trƣờng ở vế kia. Thƣờng chúng chỉ có giá trị khi so sánh với các dữ liệu từ thực nghiệm. - Mô hình Gaussian hay mô hình kiểu chùm khói: dựa trên cơ sở lý thuyết sự phát tán, còn gọi là phân phối ngẫu nhiên của các chất ô nhiễm do sự xáo trộn; mô hình này chỉ áp dụng trong qui mô địa phƣơng. - Mô hình Lagrangia: trong đó nồng độ của một túi khí là một hàm của thời gian theo dòng chuyển lƣu (trung bình) trong khí quyển; mô hình Lagrangian chủ yếu đƣợc sử dụng trong qui mô trung và qui mô lục địa. - Mô hình Eularian: ở đây nồng độ trong một hay nhiều hộp cố định là hàm của thời gian; các hộp này đƣợc giữ cố định trong không gian; loại mô hình này áp dụng cho qui mô không gian lớn hơn qui mô địa phƣơng. Trong cuốn sách này không đề cập đến mô hình này. 5 CHƢƠNG 1: CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ Nội dung của chuyên đề này chủ yếu đề cập tới mô hình tính toán cho một số trƣờng hợp nhƣ mô hình Gaussian dùng cho nguồn điểm và mô hình tính toán cho nguồn thấp. 1.2.2 Mô hình phát thải cho nguồn thải cao (Mô hình chùm khói Gaussian) 1.2.2.1 Nguyên tắc cơ bản Đặc điểm của mô hình chùm khói Gaussian (thƣờng viết tắt là GPM - Gaussian Plume Model) là cột khói lấy trung bình theo thời gian. Trên thực tế là không thể mô tả chính xác cột khói theo thời gian. GPM dùng một hệ tọa độ có gốc đặt ở vị trí của nguồn phát trên mặt đất (hình 1.1). Trục x nằm ngang theo phƣơng gió thổi (có thể cuối hƣớng gió), trục y nằm ngang nhƣng vuông góc với phƣơng gió và trục z thẳng đứng (có thể hƣớng lên trên). Đƣờng tâm cột khói (hay trục khói) nằm ngang và song song với trục x nhƣng ở độ cao hiệu dụng của nguồn (He). Mô hình Gaussian giả thiết là phân bố nồng độ vuông góc với trục chùm khói đạt giá trị cực đại ở tâm và giảm ở hai bên. Vì chùm khói đƣợc nâng lên cao hơn mặt đất, phân bố Gaussian này đƣợc quan sát cả phƣơng nằm ngang (song song với trục y) và phƣơng thẳng đứng (song song với trục z). Chiều rộng trên phƣơng ngang của chùm khói đƣợc đặc trƣng bằng khoảng cách giữa trục chùm khói và điểm thuộc đƣờng cong Gaussian theo phƣơng y (gọi là y, tính bằng m). Tƣơng tự, với chiều rộng trên phƣơng thẳng đứng đƣợc đặc trƣng bằng thông số z, cũng tính bằng m. Các kích thƣớc của chùm khói đƣợc gọi là các thông số phát tán. Các giá trị của thông số tăng khi khoảng cách từ nguồn tăng và phụ thuộc nhiều vào độ ổn định của khí quyển: các giá trị này nhỏ ở điều kiện ổn định và lớn khi không ổn định. Hình 1.1: Hệ thống tọa độ của mô hình chùm khói Gaussian và phân bố nồng độ trong chùm khói 6 CHƢƠNG 1: CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 1.2.2.2 Phƣơng trình cơ bản của mô hình chùm khói Gaussian Q 2 U y C x , y , z . He exp z y2 2 2 x exp (z H e )2 2 y 2 exp z (z 2 H e )2 2 z Trong đó: Cx,y,z.He : nồng độ trung bình ở điểm (x, y, z) do tải lƣợng phát tán Q từ nguồn điểm ở chiều cao hiệu dụng He ( g/m3) x : khoảng cách trên trục x theo phƣơng gió thổi (m) y : khoảng cách trên trục y vuông góc với phƣơng gió thổi trên mặt phẳng ngang (m) z : chiều cao từ mặt đất (m) U : tốc độ gió trung bình ở độ cao He (m/s2) y : thông số phát tán theo phƣơng ngang (m) z : thông số phát tán theo phƣơng thẳng đứng (m) Q : tải lƣợng chất ô nhiễm phát tán ( g/s) He : chiều cao hiệu dụng (m) Biểu thức thứ nhất của vế phải phƣơng trình biểu diễn nồng độ của trục chùm khói. Nó đơn giản chỉ là lƣợng chất ô nhiễm phát ra trong một đơn vị thời gian (Q) phát tán vào thể tích khí trong một đơn vị thời gian (hàm của U và diện tích tiết diện của chùm khói 2 y z). Biểu thức thứ hai biểu diễn phân bố nồng độ Gaussian theo phƣơng y và biểu thức thứ ba biểu diễn phân bố nồng độ theo phƣơng z. Biểu thức thứ tƣ phức tạp hơn và đƣợc đơn giản hóa bằng cách giả thiết chùm khói không thể trải rộng xuống dƣới xa hơn ngay khi nó chạm mặt đất. Nếu không có biểu thức thứ tƣ, phƣơng trình xem nhƣ chùm khói tiếp tục đi xuống dƣới bề mặt đất. Thay vào đó, giả thiết rằng khói đƣợc phản xạ lại ngay tại mặt đất, một cách đơn giản để bổ sung giả thiết này vào mô hình là thừa nhận nguồn ảo có chiều cao hiệu dụng là He. Cấu trúc này đƣợc mô tả trên hình 1.2. 7 CHƢƠNG 1: CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ Hình 1.2: Sự “phản xạ” của chùm khói ở mặt đất đƣợc giả thiết cho nguồn ảo ở chiều cao hiệu dụng He âm. 1.2.2.3 Các giả thiết trong GPM GPM là giải pháp cho phƣơng trình phát tán rối (3 chiều) với một số giả thiết. Các giả thiết khi áp dụng mô hình GPM gồm : 1. GPM giả thiết các điều kiện tĩnh, nghĩa là các đặc tính dòng coi nhƣ không đổi theo thời gian. Điều này có nghĩa là thời gian trung bình phải nằm giữa các giới hạn sau: một mặt là cần dài đủ để đạt đƣợc trung bình thống kê của các dao động xáo trộn. Mặt khác, không quá dài để tránh các ảnh hƣởng do điều kiện thay đổi (sự đổi hƣớng gió, chuyển đổi giữa ngày và đêm). GPM có thể áp dụng đƣợc với thời gian trung bình từ vài phút tới vài giờ, thƣờng thời gian trung bình tiêu chuẩn đƣợc sử dụng là 1 giờ. 2. GPM giả thiết các trạng thái đồng nhất, nghĩa là đặc tính của khí quyển (trong một vùng đáng kể) không thay đổi theo không gian theo phƣơng ngang. Điều này có nghĩa là điều kiện phát tán giống nhau áp dụng cho toàn bộ chùm khói từ nguồn đến đối tƣợng tiếp nhận. Giả thiết này giới hạn khoảng cách từ nguồn phát mà vẫn áp dụng đƣợc mô hình: thời gian vận chuyển phải đảm bảo sao cho các điều kiện này không đổi. Thời gian vận chuyển nằm trong khoảng từ vài phút đến vài giờ, tƣơng ứng với khoảng cách từ vài trăm mét đến vài chục km. Thực tế ngƣời ta sử dụng giá trị nhỏ nhất là 100m và lớn nhất là 20 - 50 km. Giả thiết đồng nhất theo phƣơng thẳng đứng có nghĩa là tốc độ gió đƣợc sử dụng trong mô hình đại diện cho toàn bộ lớp khí quyển diễn ra quá trình khuếch tán. Vì tốc độ gió thay đổi lớn theo chiều cao trong lớp sát mặt đất nên GPM ít phù hợp cho mô tả mặt cắt nồng độ mức nền. Tuy nhiên, nồng độ mức nền có thể mô hình hóa thỏa đáng bằng GPM vì có sử dụng hệ số phát tán thực nghiệm ( y và z). 3. GPM bỏ qua sự phát tán rối theo hƣớng gió thổi (phƣơng x). Phép gần đúng này có nghĩa là cần có tốc độ gió tƣơng đối cao. Thực tế, ngƣời ta đề nghị tốc độ gió cần lớn hơn 1m/s. 8 CHƢƠNG 1: CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 4. GPM giả thiết rằng không có sự mất đi và tạo thêm các chất mới trong chùm khói. Điều này có nghĩa là mô hình không tính đến sự sa lắng hay biến đổi. Điều này thật sự không phải là vấn đề đáng chú ý đối với qui mô địa phƣơng, vì lƣợng không khí ô nhiễm mất đi khỏi chùm khói do quá trình lắng và chuyển đổi qua khoảng cách vài km không đáng kể so với tổng lƣợng khói. 1.2.2.4 Các thông số phát tán Nhƣ đã trình bày ở trên, các thông số phát tán - y và z - đƣợc tính cho phƣơng ngang và phƣơng đứng của cột khói. Theo phân bố Gaussian, nó phản ánh khoảng cách từ trục chùm khói, nơi mà nồng độ bằng 61% của nồng độ cực đại ở trục chùm khói. Các thông số này là hàm của độ ổn định khí quyển, khoảng cách từ nguồn và thời gian trung bình. Độ ổn định khí quyển Trong sách vở ngƣời ta đã thấy có nhiều phƣơng pháp phân loại độ ổn định khác nhau. Phƣơng pháp theo Pasquill xây dựng trên cơ sở không quá nhiều dữ liệu vật lý là một phƣơng pháp thô thƣờng đƣợc dùng trong các mô hình phát tán ô nhiễm không khí. Bảng 1.1 biểu diễn sơ đồ chung các loại độ ổn định khí quyển theo Pasquill (từ A: rất không ổn định đến F: rất ổn định). Loại trung lập, D, đƣợc giả thiết nhƣ là điều kiện mây che phủ suốt cả ngày và đêm. Bảng 1.1: Sơ đồ chung loại độ ổn định Pasquill Tốc độ gió ở khoảng cách 10m so với mặt đất (m/s) <2 2–3 3–5 5–6 >6 Đêm Mây che phủ Hầu nhƣ không Che phủ mỏng hay mây hay 8/3 50% có mây có mây E F D E D D D D Ngày Bức xạ mặt trời đến Mạnh Vừa phải Yếu A A-B B C C A-B B B-C C-D D B C C D D Định nghĩa độ bức xạ mặt trời đi vào “mạnh”, “vừa phải”, “yếu” là không rõ ràng. Nó phụ thuộc vào độ mây che phủ và độ cao của mặt trời (và vì vậy phụ thuộc vào vị trí trên mặt đất và thời gian trong ngày). Do đó, ở các nƣớc khác nhau sẽ sử dụng các sơ đồ riêng thu từ sơ đồ chung này cho nƣớc đó. Phân loại độ ổn định Pasquill có ƣu điểm là đơn giản và sử dụng các dữ liệu nói chung đƣợc đo ở nhiều trạm quan sát khí tƣợng. Nhƣợc điểm lớn của phƣơng pháp Pasquill là sự phân loại rất thô, không đề cập đến các dữ liệu nhƣ độ nhám bề mặt và đặc tính bề mặt khác (có ảnh hƣởng đến cân bằng bức xạ) và dẫn đến sự không liên tục khi thay đổi từ loại này sang loại khác. 9 CHƢƠNG 1: CÁC BIỆN PHÁP CHUNG ĐỂ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ Khoảng cách từ nguồn Trên cơ sở dữ liệu kinh nghiệm từ các thí nghiệm phát tán, ngƣời ta rút ra đƣợc các phƣơng trình mô tả thông số phát tán là hàm của khoảng cách so với nguồn. Ở “Mô hình quốc gia” của Hà Lan, các phƣơng trình sau đây, đƣợc dùng để tính y và z, là hàm theo khoảng cách về phía cuối gió, x (đối với thời gian trung bình là 1 giờ): y = a.xbz00,2 (1) Trong đó: x : khoảng cách (m) z0 : độ nhám (m) a và b : hằng số, khác nhau tùy từng loại độ ổn định khí quyển (xem bảng 1.2) z = c.xd . z0z0 với : Cz0 = (10.z 0 ) 0,53x (2) 0 , 22 (3) ở đây : Cz0 : hệ số điều chỉnh độ nhám c và d : hằng số, khác nhau tùy từng loại độ ổn định (xem bảng 1.2). Hằng số a, b, c, d nhƣ sau: Bảng 1.2: Giá trị các hằng số a, b, c, d Phân loại Đối với độ ổn định a A 1,96 B 1,36 C 0,768 D 0,470 E 0,359 F 0,238 Đối với y b 0.865 0,855 0,897 0,907 0,902 0,902 c 0,28 0,23 0,22 0,20 0,15 0,12 z d 0,90 0,85 0,80 0,76 0,73 0,67 Thời gian trung bình Thời gian trung bình càng tăng, phƣơng gió thay đổi với góc càng lớn. Điều này đơn giản, nghĩa là kích thƣớc chùm khói trên phƣơng ngang ở thời gian trung bình là 1 giờ lớn hơn là ở thời gian trung bình là 3 phút, do đó giá trị y phụ thuộc vào thời gian trung bình. Sự phụ thuộc này biểu diễn ở phƣơng trình sau: y (t1 ) t1 y (t 2 ) x t2 Ở đây : 10 P