Стольберг Ф.В. Экология города (урбоэкология)

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 4. Воздушная среда города

191

+ Са О -> СаБО

+ MgO MgS0

В дальнейшем при взаимодействии с молекулярным кислородом сульфи-

ты переходят в соответствующие сульфаты.

В дождливую погоду возможен процесс окисления S0

после предвари-

тельной адсорбции их каплями атмосферной влаги. В процессе окисления

в жидкой фазе активное участие принимают ионы ОН' и Н0

~, которые

образуются в результате фотохимических превращений в слое облаков. Ко-

нечными продуктами окисления S0

как в растворе, так и в газовой фазе,

является серная кислота, которая образуется в виде мелкодисперсных аэро-

золей. Аэрозоли вымываются из атмосферы осадками и адсорбируются на

поверхности земли. Такие явления называются кислотными дождями. Водо-

родный показатель (рН) воды кислотных дождей менее 5,6.

В первые моменты после выброса диоксида серы в атмосфере практичес-

ки отсутствуют частицы серной кислоты и сульфатов. Со временем доля S0

в воздухе уменьшается, одновременно растет доля серы в виде H

и суль-

фатов. Количество серной кислоты в атмосфере достигает максимума спустя

10 часов после выброса, а сульфатов — через 30—40 часов.

Трансформация соединений азота в тропосфере. Соединения азота в атмос-

фере в основном представлены оксидами азота, аммиаком и солями аммо-

ния, а также азотной кислотой и нитритами.

Большинство естественных и антропогенных выбросов содержат оксид

азота N0. В тропосфере N0, взаимодействуя с гидропероксил-радикалом,

переходит в диоксид азота:

NO + Н

0 -> N0

+ ОН'.

Окисление оксида азота происходит также при взаимодействии с озоном:

NО+Оз N0

+ 0

Под действием солнечного излучения происходит обратная реакция — часть

диоксида азота разлагается с образованием оксида азота и атома кислорода:

->N0+ 0\

Атомарный кислород приводит к образованию в атмосфере озона.

В результате взаимодействия диоксида азота с гидроксильным радикалом

происходит образование азотной кислоты:

+ ОН' HNO

Основное количество азотной кислоты выводится из тропосферы с ат-

мосферными осадками в виде растворов HNO

и ее солей.

Часть азотной кислоты разлагается с образованием диоксида или триок-

сида азота, которые вновь включаются в атмосферный цикл его соединений:

HN0

ОН' + N0

HN0

+ ОН' Н

0 + Ж>

192 Экология города

Среди нитратов, присутствующих в атмосфере, основное количество со-

ставляет азотнокислый аммоний NH

}

, который образуется при взаимо-

действии аэрозолей соответствующих кислот с NN

}

и его аэрозолями. Соеди-

нения аммония выводятся из атмосферы с атмосферными осадками и в ре-

зультате процессов сухого осаждения.

4.3.3. Смоги

Смог (от английского smoke — дым, fog — туман) — атмосферное явле-

ние, наступающее при совпадении определенных метеорологических усло-

вий и высокой степени загрязненности воздушного бассейна. Различают сле-

дующие виды смогов: фотохимический, лондонский и ледяной.

Фотохимический смог образуется в ясную солнечную погоду, при низкой

влажности, температуре выше +30° С, полном отсутствии ветра и высокой

загрязненности воздуха. При фотохимическом смоге наблюдается появление

голубоватой дымки или беловатого тумана и связанное с этим ухудшение

видимости. Основными химическими соединениями, обеспечивающими вы-

шеперечисленные свойства смога, являются озонид углерода и пероксиацил-

нитраты (ПАН), образующиеся в результате химических реакций находящих-

ся в воздухе углеводородов с оксидами азота и углерода под воздействием

солнечной радиации (фотохимический эффект).

Смог вызывает у людей раздражение органов чувств, химически дей-

ствует как окислитель (усиливает коррозию металлов, приводит к растрес-

киванию резины).

Фотохимический смог характерен для таких городов, как Днепропетровск,

Донецк, Запорожье.

Лондонский смог формируется при влажности воздуха около 100%, темпе-

ратуре 0°С, длительной штилевой погоде и высокой концентрации продуктов

сгорания твердого и жидкого топлива (S0

, сажа, NO

и СО). Наблюдается

чаще в осенне-зимний период, характерен для умеренных широт с влажным

морским климатом. Смог получил свое название после происшедшей в сто-

лице Великобритании в декабре 1952 г. катастрофы, связанной с высокой

загрязненностью воздуха и длительным штилем в течение двух недель. В этот

период резко повысилось число легочных и сердечно-сосудистых заболева-

ний, смертность увеличилась более, чем в 10 раз. Подобные ситуации повто-

рялись в декабре 1956 и январе 1957 г. Благодаря принятым мерам по ограни-

чению пылегазовых выбросов загрязнение атмосферного воздуха в Лондоне

значительно снизилось. Так, в период 1952—1970 гг. выбросы сажи при отоп-

лении жилых домов сократились с 130 тыс. т в год до 10 тыс. т, а от промыш-

ленных предприятий с 50 тыс. т до 5,0 тыс. т в год. Сильный туман, который

образовался в декабре 1972 г., висевший над городом на протяжении двух

недель, на этот раз не вызвал серьезных последствий для населения.

Смог типа лондонского характерен для Мариуполя, Одессы и других при-

морских городов.

Раздел 4. Воздушная среда города

193

Ледяной смог характерен для городов, расположенных в высоких (северных)

широтах. Он образуется при температурах ниже — 30° С, полном штиле, высо-

кой влажности воздуха и наличии мощных источников загрязнения атмосферы.

При низкой температуре капельки водяного пара превращаются в кристаллики

льда (размером 5—10 мкм) и повисают в воздухе в виде густого белого тумана,

видимость уменьшается до 8—10 м. На кристалликах льда адсорбируются час-

тички и молекулы пылегазовых выбросов. Утяжеляясь, кристаллики льда опус-

каются в приземный слой. Дыхание в таком тумане становится невозможным.

Для Украины ледяной смог не характерен.

4.4. Мероприятия по защите воздушного бассейна

Мероприятия по обеспечению охраны атмосферного воздуха городской

среды можно условно разделить на следующие группы:

• организация санитарно-защитных зон;

• архитектурно-планировочные решения;

• инженерно-организационные мероприятия;

• безотходные и малоотходные технологии;

• технические средства и технологии очистки выбросов.

4.4.1. Санитарно-защитные зоны

Объекты, являющиеся источниками выделения в окружающую среду вред-

ных и с неприятным запахом веществ, следует отделять от жилой застройки

санитарно-защитной зоной (СЗЗ).

Размеры нормативной СЗЗ до границы жилой застройки устанавливают в

зависимости от мощности предприятия, особенностей технологического про-

цесса производства, характера и количества выделяемых в атмосферу вред-

ных и с неприятным запахом веществ. В соответствии с санитарной класси-

фикацией промышленных предприятий размеры санитарно-защитных зон ус-

танавливаются в пределах от 50 до 3000 м в зависимости от класса опасности

предприятия (табл. 4.6).

Таблица 4.6. Нормативные размеры санитарно-защитных зон

Класс опасности предприятия

Размер защитной зоны, м

I.A

3000

1.Б

1000

II 500

III 300

IV 100

194

Экология города

Предприятия с технологическими процессами, не приводящими к выде-

лению в атмосферу загрязняющих веществ, допускается размещать в преде-

лах жилых районов.

СЗЗ нельзя рассматривать как резервную территорию и использовать ее

для расширения промышленной площадки. На территории СЗЗ допускается

размещение объектов более низкого класса вредности, чем основное произ-

водство, — складов, гаражей, автостоянок и т.д.

Размер СЗЗ до границы жилой застройки следует устанавливать:

— для предприятий с технологическими процессами, являющимися ис-

точниками загрязнения атмосферного воздуха — непосредственно от

источника загрязнения (трубы, шахты, аэрационные фонари зданий,

места погрузки — разгрузки сырья);

— для предприятий с технологическими процессами, являющимися источ-

никами шума, вибрации, электромагнитных волн, радиочастот — от зда-

ний, сооружений и площадок, где установлено это оборудование;

— для электростанций, котельных — от дымовых труб.

Территория СЗЗ должна быть благоустроена и озеленена. При проекти-

ровании благоустройства СЗЗ необходимо сохранять существующие зеленые

насаждения. Со стороны селитебной территории надлежит предусматривать

полосу древесно-кустарниковых насаждений шириной не менее 50 м, а при

ширине зоны до 100 м — не менее 20 м.

Вблизи предприятий с большим количеством выбросов вредных веществ

санитарно-защитная зона формируется в виде аэродинамической системы,

состоящей из зеленых защитных полос и открытых пространств между ними.

Полосы целесообразно размещать под углом 80—90° к основному направле-

нию ветра. При этом зона проветривается по многочисленным каналам в

горизонтальном направлении. Завихрение воздуха за полосами способствует

образованию восходящих потоков и рассеиванию выбросов в наиболее высо-

ких слоях атмосферы. Одновременно защитные полосы и газонные покры-

тия задерживают пыль и аэрозоли, поглощают вредные газы.

Размеры СЗЗ уточняются при расчетах рассеивания пылегазовых выбро-

сов (см. разд. 4.3.1) и могут оказаться больше или меньше нормативных.

Если расчетный размер СЗЗ больше нормативного, то принимаются меры

для снижения объема пылегазовых выбросов или размер СЗЗ устанавливает-

ся в соответствии с расчетным.

При нахождении промышленного предприятия внутри жилой застройки

и невозможности обеспечить соблюдение размеров СЗЗ в соответствии с нор-

мативами необходимо обеспечить степень очистки пылегазовых выбросов до

уровня ПДК на границе предприятия.

Полученные по расчету размеры СЗЗ должны уточнятся для различных

направлений ветра в зависимости от результатов расчета загрязнения атмосферы

и среднегодовой розы ветров района расположения предприятия по формуле:

, . Р

Раздел 4. Воздушная среда города

195

где / — расчетный размер СЗЗ, м; L

— расчетный размер участка местности в

данном направлении, где концентрация веществ (с учетом фоновой) превыша-

ет ПДК с.е., м ; р — среднегодовая повторяемость направления ветров рас-

сматриваемого румба, %; р

— повторяемость направлений ветров одного рум-

ба при круговой розе ветров, %. Например, при восьмирумбовой розе ветров

4.4.2. Архитектурно-планировочные мероприятия

К архитектурно-планировочным относятся мероприятия, связанные с

выбором площадки для строительства промышленного предприятия, взаим-

ным расположением предприятия и жилых кварталов, взаимным расположе-

нием цехов предприятия, устройством зеленых зон.

Промышленный объект должен быть расположен на ровном, возвышен-

ном, хорошо проветриваемом месте (рис. 4.6).

а)

Рис. 4.6. Пример размещения промышленного объекта: а — разрез; б — план

1 — жилая застройка; 2 — цеха предприятия; 3 — точечный высокий источник (дымовая

труба); 4 — линейные источники (аэрационные фонари); 5 — граница населенного пунк-

та; 6 — средняя роза ветров теплого периода года; 7 — факелы выбросов загрязняющих

веществ при направлении ветра в сторону жилой застройки

7»

196

Экология города

Площадка жилой застройки должна быть размещена ниже предприятия

(Н

<Н,), в противном случае преимущество высоких труб для рассеивания

вредных выбросов сводится на нет.

Источники загрязнения атмосферы желательно располагать за чертой

населенных пунктов и с подветренной стороны от жилых массивов по сред-

ней розе ветров теплого периода года, чтобы выбросы уносились в сторону от

жилых кварталов.

Расстояние между производственными зданиями при удалении вредных

веществ через аэрационные фонари должно быть больше восьми высот впе-

реди отстоящего здания, если оно широкое (/ >8h), и десяти, если оно узкое

(/ >10h). В этом случае загрязняющие вещества не будут накапливаться в

межкорпусной зоне.

Цехи, выделяющие наибольшее количество загрязняющих веществ, сле-

дует располагать на краю производственной территории со стороны, проти-

воположной жилому массиву.

Расположение цехов должно быть таким, чтобы при направлении ветра в

сторону жилых кварталов их выбросы не объединялись.

Важное место занимают методы фитомелиорации с использованием зеленых

насаждений (подробнее см. разд. 5.3), облесение и задернение территорий.

Зеленые насаждения являются эффективными биофильтрами. При про-

хождении запыленного воздуха через кроны деревьев и кустарников, а также

через травянистую растительность он очищается от пыли благодаря осажде-

нию аэрозольных частиц на поверхности листьев и стеблей растений.

Кроме того, зеленые насаждения могут поглощать и газообразные приме-

си. Например, 10 кг листьев дерева (в пересчете на сухую массу) за период с

мая по сентябрь поглощают следующее количество сернистого газа: тополь —

180 г, липа — 100 г, береза — 90 г., клен — 20—30 г. Для лесостепи поглоти-

тельная способность зеленых насаждений составляет 700—1000 кг/га. В райо-

нах, где выпадает большее количество осадков, поглотительная способность

зеленых насаждений возрастает.

Если концентрация загрязняющих веществ превышает предельно допус-

тимую, она становится вредной для жизнедеятельности растений и может

привести к их гибели. Наиболее газоустойчивые деревья — гледичия (ака-

ция), дуб, ива, клен.

4.4.3. Инженерно-организационные мероприятия

Основные виды инженерно-организационных мероприятий состоят в

следующем.

Снижение интенсивности и организация движения автотранспорта. Для

этого ведется строительство объездных и окружных дорог вокруг городов и

населенных пунктов, устройство развязок пересечений дорог на разных уров-

нях, организация на основных городских магистралях движения по типу

"зеленая волна".

Раздел 4. Воздушная среда города

197

Увеличение высоты дымовых труб. Чем выше труба, тем лучше рассеива-

ние пылегазовых выбросов в атмосфере. Если дымовая труба высотой 100 м

позволяет рассеивать вредные вещества в радиусе до 20 км, то труба высотой

250 м увеличивает радиус рассеивания до 75 км. Самая высокая в мире дымо-

вая труба высотой более 400 м построена на медно-никелевом комбинате в

Садбери в Канаде.

Следует учитывать, что при выбросах через высокие дымовые трубы по-

вышается общее фоновое загрязнение воздуха. С увеличением высоты трубы

резко возрастает ее стоимость, поэтому на практике не рекомендуется стро-

ительство труб более 150 м.

Повышение скорости движения газов в дымовой трубе. Это способствует уве-

личению начального подъема выбросов, улучшению условий их рассеивания.

С другой стороны, при этом возрастает гидравлическое сопротивление дымовой

трубы и соответственно удельные энергозатраты на транспортировку газов.

4.4.4. Малоотходные и безотходные технологии

Внедрение безотходных и малоотходных технологий является наиболее

перспективным мероприятием, позволяющим коренным образом снизить

уровень загрязнения воздушного бассейна.

Наиболее перспективными направлениями в области снижения газооб-

разных отходов предприятий являются:

• переход предприятий теплоэнергетики с твердого топлива на природ-

ный газ, что позволяет существенно снизить уровень загрязнения ат-

мосферного воздуха пылью и сернистыми соединениями;

• отказ от применения этилированного бензина и внедрение в качестве

автомобильного топлива природного газа;

• совершенствование топочного пространства и топливных горелок энер-

гетических котлов, оптимизация процесса сжигания топлива, что по-

зволит снизить выбросы оксидов азота в атмосферу;

• снижение энергоемкости производства и использование вторичных энер-

горесурсов в виде горячей воды и горячих газов.

4.4.5. Технические средства и технологии очистки выбросов

Очистка пылегазовых выбросов является основным мероприятием по за-

щите и восстановлению воздушного бассейна.

Существуют различные методы очистки выбросов от твердых, жидких и

газообразных примесей. На основе этих методов разработано большое коли-

чество устройств и аппаратов, при комплексном использовании которых мо-

жет быть достигнута высокоэффективная очистка пылегазовых выбросов. В

целях экономии производственных площадей эти устройства и аппараты раз-

198

Экология города

мещают, как правило, в верхних ярусах цехового пространства. Извлеченные

из пылегазовых выбросов вещества обычно являются либо готовым продук-

том, либо ценным видом вторичного сырья.

Для очистки газов от твердых и жидких частиц применяют технологии

сухой инерционной очистки газов, мокрой очистки газов, фильтрации, элек-

тростатического осаждения.

Для очистки газов от газо- и парообразных компонентов применяют ме-

тоды абсорбции, адсорбции, термическую и термокаталитическую очистку,

биохимические реакторы.

К основным требованиям, предъявляемым к аппаратам пыле- и газоочи-

стки, относятся высокая эффективность и эксплуатационная надежность. Сле-

дует учитывать, что чем выше требуемая степень очистки газов и чем мельче

улавливаемые частицы, тем большими оказываются удельные капитальные

затраты на сооружение установок и расходы на их эксплуатацию.

Для обеспечения оптимального выбора технологии и конструкции аппа-

рата очистки выбросов проводится технико-экономическая оценка.

Газоочистные установки, как правило, не дают прямой прибыли. Возмож-

ность использовать улавливаемый продукт покрывает только незначительную часть

затрат. Поэтому в числе технико-экономических показателей следует учитывать

предотвращенный ущерб от возможного загрязнения атмосферного воздуха в слу-

чае отсутствия очистки, что создает предпосылки установления рентабельности и

ожидаемой прибыли от внедрения систем и аппаратов очистки выбросов.

Технико-экономическая оценка проводится путем сравнения показателей

внедряемого объекта пылегазоочистки с лучшими действующими аналогами.

Оценка эффективности систем пылегазоочистки проводится с использо-

ванием следующих показателей:

Степень или эффективность очистки газов — это отношение количества

уловленного загрязняющего вещества к количеству, поступающему в аппа-

рат, определяется по формуле:

М М - М С Q - С Q С Q

ул вх вых вх вых *-вых

вых *^вых

~ ~М~ ~ М ~~ С~0 ~

С Q '

вх вх вх ^вх вх вх

где М , М

нх

, Л/

ых

— соответственно количество уловленного в аппарате, вхо-

дящего и выходящего из аппарата загрязняющего вещества, кг/с; С

вх

, С

вых

—

концентрация загрязняющего вещества в единице объема сухого газа соот-

ветственно на входе и выходе из аппарата, г/м

; <2

ВХ

, (?

вых

— расход газа соот-

ветственно на входе и выходе из аппарата, м

При работе газоочистного аппарата без утечек и подсосов воздуха, суще-

ственного изменения температуры, давления и влажности Очищаемого газа

степень очистки определяется следующим образом:

, вых

?7 - 1 - -77- '

Раздел 4. Воздушная среда города

199

Коэффициент проскока — отношение количества загрязняющего веще-

ства, выходящего с выбросами из аппарата пылегазоочистки, к количеству,

поступившему в него:

Степень (эффективность) очистки и коэффициент проскока выражаются

в долях единицы или в %.

Эффективность улавливания частиц пыли (степень очистки) зависит от

ее дисперсного состава. В первую очередь улавливаются крупные частицы

пыли. Эффективность пылеулавливающего оборудования характеризуется до-

стигаемой фракционной или парциальной степенью очистки.

Фракционная степень очистки — отношение количества пыли данной фрак-

ции, уловленной в аппарате, к количеству входящей пыли той же фракции.

Парциальная степень очистки — отношение количества частиц данного

размера, уловленных в аппарате, к количеству частиц данного размера на

входе в аппарат.

Наиболее широко в практике применяются аппараты сухой инерционной

очистки газов. Принцип действия этих аппаратов состоит в осаждении пыли

в результате изменения направления и скорости движения счищаемого газо-

вого потока и ударения частиц пыли о стенки и поперечные преграды. Эти

аппараты отличаются простотой конструкции и изготовления.

Простейшими установками для улавливания крупнодисперсной пыли, ра-

ботающими по принципу гравитационного осаждения, являются пылеосадитель-

ные камеры. Они используются в качестве первой ступени очистки газов для

улавливания наиболее крупных частиц (30—100 мкм), позволяют избежать осаж-

дения пыли в газоходах и снижают нагрузку на последующие ступени очистки.

Устройство и принцип действия пылеосадительной камеры показаны на

рис. 4.7. Степень очистки зависит от времени пребывания частиц в камере.

Частицы, движущиеся в газовом потоке, опускаются под действием силы тя-

жести на дно бункера. Скорость газового потока в пылеосадительной камере

не должна вызывать уноса осевших частиц пыли. В зависимости от плотнос-

ти, формы и размера частиц она составляет 1,7—7,0 м/с.

Рис. 4.7. Пылеосадительная камера:

1 — входной патрубок; 2 — корпус; 3 — выходной патрубок; 4 — бункера для пыли

200

Экология города

К числу сухих инерционных пылеуловителей относятся жалюзийные, вен-

тиляторные и радиальные пылеуловители. Они эффективно улавливают час-

тицы размером от 20—30 мкм. Более тонкая очистка от пыли обеспечивается

с помощью циклонов. Циклон — один из широко распространенных пыле-

улавливающих аппаратов, предназначенный для улавливания частиц разме-

ром 5—20 мкм и более.

Устройство и принцип действия циклона показаны на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Циклон:

1 — входной патрубок; 2 — цилиндрическая часть корпуса; 3 — коническая часть кор-

пуса; 4 — пылевыпускное отверстие; 5 — бункер для пыли; 6 — пылевой затвор;

7 — выхлопная труба; 8 — раскручивающая улитка; 9 — выходной патрубок; 10 — на-

клонная крышка

Вращение газового потока достигается путем его тангенсиального ввода

в циклон или путем использования специального завихрителя. В результате

действия центробежных сил частицы пыли, взвешенные в потоке газа, отбра-

сываются на стенки корпуса циклона и выпадают из потока. Очищаемый

поток газа, освобожденный от пыли, продолжая вращаться, изменяет направ-