Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор и выбор направления исследования 13
1.1 Характеристика пыли городских агломераций 13
1.2 Анализ исследований загрязнения мелкодисперсной пылью атмосферы городов 21
1.3 Анализ состава и физико-механических свойств грунтов, вскрываемых при земляных работах (на примере г. Волгограда) 23
1.4 Технические средства, уменьшающие воздействие пыли на окружающую среду 32
1.5 Выбор направления исследования 39
1.6 Выводы по первой главе 39
ГЛАВА 2 Исследования дисперсного состава в неорганизованных выбросах пыли при производстве земляных работ 41
2.1 Методы и средства для исследования дисперсного состава пыли в воздушной среде при проведении земляных работ 41
2.2 Характеристика дисперсного состава пыли грунтов г.Волгограда 44
2.3 Районирование территории г. Волгограда по массовой доле пылевой фракции в воздухе при земляных работах на дисперсных грунтах 55
2.4 Исследование выбросов пыли в атмосферу при проведении земляных операций на различных глубинах разработки дисперсных грунтов 59
2.5 Выводы по второй главе 62
ГЛАВА 3 Теоретические и экспериментальные исследования пылевыделения строительных отвалов из дисперсных грунтов 64
3.1 Анализ процесса формирования отвалов при земляных работах 64
3.2 Исследования пылевыделения дисперсных грунтов с помощью аэродинамической трубы 3.3. Испытание в аэродинамической трубе устройств для снижения выноса пыли 79
3.4. Изучение пылевыделения с отвалов в естественном залегании и с использованием техногенных покрытий 80
3.5. Теоретические основы для моделирования динамики пылевоздушных потоков при проведении землеройных работ 83
3.6. Выводы к третьей главе 94
ГЛАВА 4 Разработка мероприятий по улучшению экологической обстановки при строительных работах и практическая реализация результатов исследований 96
4.1 Обеспечение способа снижения выноса пыли в окружающую среду со строительной площадки 96
4.2 Разработка способа очистки твердых поверхностей после проведения строительных работ 99
4.3 Разработка способа очистки территорий, загрязненной мелкодисперсной пылью 102
4.4 Разработка способа защиты от пыли окружающей среды в зонах отвалов грунтов и накоплений строительного и техногенного характера 105
4.5 Разработка способа сохранения грунтового массива при проведении строительных работ 108
4.6. Методика моделирования динамики воздушных потоков при земляных работах на базе специализированного ГИС-приложения 113
4.7 Расчет социального и экономического эффекта 117
4.8 Выводы по четвертой главе 121
Список литературы 126
- Анализ состава и физико-механических свойств грунтов, вскрываемых при земляных работах (на примере г. Волгограда)
- Районирование территории г. Волгограда по массовой доле пылевой фракции в воздухе при земляных работах на дисперсных грунтах
- Испытание в аэродинамической трубе устройств для снижения выноса пыли
- Разработка способа очистки твердых поверхностей после проведения строительных работ
Введение к работе
Актуальность избранной темы. Земляные работы составляют до 20% всех видов строительных операций. Они связаны с вскрытием грунтового массива, его перемещением, формированием отвалов, и как следствие, изменением физико-механических свойств, что приводит к интенсивному пылевыделению. Дисперсные грунты охватывают значительную территорию юга России и являются основной составляющей при строительной деятельности. При проведении земляных работ на дисперсных породах уровень запыленности превышает предельно-допустимые концентрации.
Особенно опасны для среды обитания человека частицы с размерами менее 2,5 мкм (РМ2,5) и не более 10 мкм (РМ10), относящиеся к мелкодисперсным и обладающие высокой, проникающей, адсорбционной способностью с возможностью поглощения вредных примесей, содержащихся в различных газах. Системы обеспыливания во время проведения земляных работ, как правило, не используются. Такие работы часто проводятся в черте города, что приводит к загрязнению окружающей среды внутри кварталов, придомовых территорий, зон отдыха, офисов, квартир и др.
Механизм возникновения пылепереноса и распространения пыли в городской среде при проведении земляных работ изучен слабо. Существующие методики расчета по переносу пыли от рыхлых грунтовых массивов, в том числе перемещенного грунта, не учитывают особенности физико-механических свойств породы и характеристики мелкодисперсной пыли.
Система контроля и оценки дисперсного состава и концентрации частиц именно малых размеров в воздухе зон проведения земляных работ на дисперсных грунтах в настоящее время отсутствует, что не позволяет объективно оценить степень воздействия пыли на качество окружающей природной среды городской агломерации. Поэтому актуальными являются исследования характера загрязнения воздушной среды городской территории при земляных строительных работах.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Степень разработанности темы диссертационного исследования. Исследование дисперсного состава пылевого аэрозоля, поведения пылевых частиц в условиях внешних воздействий, исследование ряда задач, связанных со снижением концентрации пыли в окружающей среде, совершенствование техники обеспыливания нашло отражение в работах В.Н. Азарова, Н.Я. Авдеев, В.И. Беспалова, Е.И. Богуславского, В.Е. Глузберга, Н.Ф. Гращенкова, В.В. Дьякова, В.К. Журавлева, В.П. Журавлева, Г.С. Забурдяева, И.Г. Ищука, Б.Ф. Кирина, Ф.С. Клебанова, П.А. Коузов, В.В. Кудряшова, И.Ф. Ливчака, И.Н. Логачева, К.И. Логачева, С.И. Луговского
С.И., А.Б. Лукьянова, Е.П. Медникова, М.А. Менковского, Н.В.
Мензелинцевой, В.А. Минко, B.C. Никитина, Н.В. Перцева, Г.А. Позднякова,
Г.И. Ромашов, В.И. Саранчука, В.Ф. Сидоренко, H.A. Страховой, A.A.
Цыцуры, Л.А. Шварцмана, М.И. Шиляева, Е.А. Штокмана и др. авторов. В
связи с развитием городов в мировой практике появился целый ряд
исследований, касающихся загрязнений атмосферного воздуха
мелкодисперсной пылью. Можно выделить работы следующих
исследователей: Б. Барратта, Р. Бурки, Д. Грина, В. Гросса, И. Гулда, Р. Ларсена, Х. Лонга, А. Маккея, П. Моргенштерн, Т. Окита, Т. Руана, Н. Розе, Г. Фуллера, С. Юнге. Из зарубежных авторов, занимающихся вопросами атмосферной диффузии, следует отметить в первую очередь работы О.Г. Сеттона. Эти вопросы рассматривались также в работах Р. Маккортина, Е. Хьюстона, Г. Хольцворта, М. Хиго. Вопрос пылевого загрязнения воздушной среды городов при земляных работах в строительстве изучен слабо, особенно это относится к мелкодисперсной пыли.
Цель работы - повышение экологической безопасности, связанной со снижением загрязнения воздушной среды городов при проведении земляных работ.
На основании выбранной цели были сформулированы следующие
задачи:
исследование дисперсного состава пыли в воздушной среде городов при проведении земляных работ на дисперсных грунтах (глинистых, лессовых, супесчаных и искусственных грунтах);
уточнение методики определения выбросов мелкодисперсной пыли (РМ10, РМ2,5) в атмосферу от неорганизованных источников при земляных работах;
проведение экспериментальных исследований концентрации мелких фракций пыли (РМ10, РМ2,5) в воздухе и обобщение данных о дисперсном составе, аэродинамических характеристиках и основных физико-химических свойствах пыли при проведении земляных работ;
- проведение экспериментальных исследований аэродинамических
характеристик пыли и определение параметров процесса выветривания для
различных типов дисперсных грунтов с использованием методов
микроскопии и седиментации, а также исследований на лабораторной
аэродинамической трубе;
исследование процесса пылевыделения в зависимости от глубины выработки грунтового массива и характера подстилающих пород;
разработка методики районирования территории города (на примере г. Волгограда) по массовой доле пылевой фракции в воздухе при земляных работах на дисперсных грунтах;
- теоретическое и экспериментальное исследование пылевыделения
строительных отвалов из дисперсных грунтов и разработка методики
моделирование процессов динамики воздушных потоков при земляных работах на базе специализированного ГИС-приложения;
- разработка эффективных систем снижения распространения пылевого
облака при проведении земляных работ на городских территориях.
Основная идея работы состояла в теоретической и экспериментальной оценке содержания в воздушной среде мелкодисперсной пыли РМ10 и РМ2,5 для контроля и мониторинга качества воздушной среды в крупных мегаполисах при проведении земляных работ на дисперсных грунтах различных типов.
Научная новизна работы:
- получены характеристики фракционного состава пыли РМ10 и РМ2,5 с
использованием микроскопического анализа в совокупности с методом
седиментации при выполнении земляных работ в зонах залегания глинистых,
лессовых, супесчаных и искусственных грунтов;
получены в результате экспериментальных исследований с применением лабораторной аэродинамической трубы уравнения регрессии для определения весовой доли пылевой фракции в материале и доли пыли, переходящей в аэрозоль, которые соответствуют коэффициентам К1 и К2, существующей методики по расчету выбросов от неорганизованных источников в промышленности строительных материалов, в зависимости от скорости ветра, влажности и массы отвала;
уточнены динамические модели и получены зависимости, характеризующие концентрацию пыли в воздушной среде в зонах земляных отвалов различных видов дисперсных грунтов;
разработана методика моделирование процессов динамики воздушных потоков при земляных работах на базе разработанного специализированного ГИС-приложения для расчета пылевого загрязнения в жилых массивах и промышленных зонах; при проектировании новых и реконструкции существующих сооружений и производств; при прогнозе последствий аварийных ситуаций на городских объектах, требующих проведения земляных работ;
разработаны принципы районирования территории города по массовой доле пылевой фракции в воздухе при земляных работах на дисперсных грунтах;
предложены эффективные системы снижения распространения пылевого облака при проведении земляных работ в зонах дисперсных грунтов.
Теоретическая значимость работы:
- получены расчетные зависимости, характеризующие дисперсный
состав пыли в зонах земляных отвалов для различных типов дисперсных
грунтов;
- показано, что фракционный состав пыли подчиняется гипотезе А.Н.
Колмогорова для мелких фракций, однако на всем диапазоне размеров
частиц гипотеза не подтверждается;
- впервые дана характеристика дисперсных грунтов по степени
пылевыделения при выполнении земляных работ на различной глубине
разработки с учетом характера подстилающих отложений;
Практическая значимость работы:
- разработана методика районирования территории города по массовой
доле пылевой фракции в воздухе при земляных работах на дисперсных
грунтах для крупных мегаполисов юго-востока Русской платформы;
- разработана на базе теоретических и экспериментальных
исследований методика моделирования динамики воздушных потоков при
земляных работах на базе специализированного ГИС-приложения;
- разработаны эффективные системы снижения распространения
пылевого облака при проведении земляных работ на территориях,
сложенных дисперсными грунтами, позволяющие строительным
организациям сократить расходы на строительство по сравнению с
типовыми методами защиты, на которые получены патенты (Пат. RU 139 131
U1 РФ; Пат. RU 150 465 U1 РФ; Пат. RU 132 807 U1 РФ).
Реализация результатов работы:
разработанные «Рекомендации по снижению интенсивности пылевыделения при инженерном освоении городских территорий в зонах выполнения земляных работ» приняты для использования при расчетах загрязнения атмосферного воздуха мелкодисперсной пылью ООО «Ассоциация Экотехмониторинг»;
результаты исследований и рекомендации по обеспечению оптимального инженерного освоения городских территорий приняты для подбора технических средств при проведении земляных работ ООО «Термоатлант»;
- рекомендации по расчету концентрации пыли РМ10 и РМ2,5 в выбросах
в атмосферу на строительных объектах, где проводятся земляные работы
переданы в ООО «Ассоциация Экотехмониторинг» для использования при
расчетах загрязнения атмосферного воздуха;
- на строительной площадке ООО «АльянсРесурсГрупп» в г.
Волгограде прошло опытно-промышленные испытания разработанное
пылезащитное устройство;
- разработанная схематическая карта районирования территории г.
Волгограда по массовой доле пылевой фракции в воздухе при земляных
работах на дисперсных грунтах внедрена и используется при проектных
работах ООО «ПТБ ПСО Волгоградгражданстрой»;
- материалы диссертационной работы использованы НОУ СПО
«Волгоградский колледж газа и нефти» ОАО «Газпром» при проведении
лекционных и практических занятий по курсу «Экологические основы
природопользования» по образовательной программе 21.02.03 «Сооружения и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ».
Методология диссертационного исследования включала в себя общепринятые для технических наук эмпирические, абстрактно-логические, монографические методы, системный подход и математическое моделирование. Теоретические положения проверялись экспериментальными исследованиями.
Методы диссертационного исследования: анализ различных методов проведения дисперсного анализа пыли, натурные, маршрутные, лабораторные (экспериментальные исследования с использованием микроскопии, седиментации и лабораторной аэродинамической трубы) и вычислительные исследования, с использованием методов математического и имитационного моделирования, а также методов разработки программных приложений. При экспериментальных работах применялось планирование эксперимента с использованием временного дрейфа.
В качестве положений, выносимых на защиту, можно выделить, что:
дисперсный состав верхнехвалынских-современных лессовых пород, лессовых пород валдайского горизонта и глинистых грунтов морского и аллювиального происхождения для мелкодисперсной пыли подчиняется гипотезе А.Н. Колмогорова о логарифмически нормальном распределении и описывается логарифмически нормальным законом;
для супесчаных и искусственных грунтов гипотеза А.Н. Колмагорова не подтверждается, а интегральная функция распределения массы по диаметрам для частиц мелкодисперсной пыли по диаметрам может быть описана в вероятностно-логарифмической сетке двузхвенной ломанной;
- экспериментально полученные параметры d50 и а для всех видов
дисперсных грунтов достоверно характеризуют фракционный состав пыли
при проводимых на них земляных работах;
- экспериментально полученные данные достоверно описывают доли мелкодисперсной пыли в воздухе при земляных работах: на глинистых грунтах РМ10 - 2-8%, РМ2 5 - 0-0,4%; на песчаных и супесчаных грунтах РМ10 - 7-22%, РМ25 - 0,3-0,7%; на лессовых грунтах РМ10 - 8-100%, РМ25 - 0,5-1,8%; на искусственных грунтах РМ10 - 45-95%, РМ2 5 - 0,4-1,8%;
- выделение и последовательное подразделение дисперсных грунтов на
соподчиненные части, отличающиеся высокой степенью однородности
характеристик по массовой доле пылевой фракции позволяет провести
районирование территории г. Волгограда по массовой доле пылевой фракции
в воздухе при земляных работах на дисперсных грунтах.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций соответствует современным требованиям, обоснована применением классических положений теоретического анализа, экспериментальным и вычислительным моделированием исследуемых процессов, с применением математической теории планирования экспериментов, подтверждена
проверкой критериями для оценки воспроизводимости опытов, адекватности математических моделей для экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных, промышленных, полевых и маршрутных исследованиях.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: VI, IX международной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград, 2008, 2011); Втором Всероссийском конкурсе инновационных проектов «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектов» (Уфа, 2008); Всероссийской научной конференции «Малышевские чтения» (Старый Оскол, 2013); Всероссийской научной конференции «Динамические процессы в современном социокультурном пространстве России» (Волжский, 2014, 2015); Межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и студентов (Волжский, 2013, 2014, 2015), 3-ем Национальном научном форуме «Актуальные процессы в гидросфере» (Кисловодск, 2015).
Награждена: медалью Министерства образования и науки РФ по итогам открытого конкурса по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах РФ (Приказ Федерального агентства по образованию от 15 июня 2009 г.); дипломом третей степени на XIV Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области; дипломом за представленную работу на Втором Всероссийском конкурсе инновационных проектов «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах».
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 19 печатных работах, в том числе 5 статьях - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ, 3 патента РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы: 155 страницы, в том числе: 140 страниц – основной текст, содержащий 20 таблиц, 57 рисунков и список литературы из 141 источника; 7 приложений на 15 страницах.
Анализ состава и физико-механических свойств грунтов, вскрываемых при земляных работах (на примере г. Волгограда)
Наземная, городская пыль представляет собой смесь поднятых в воздух частиц почвы, дорожных покрытий, дыма, сажи, растительных и животных организмов (спор, бактерий, плесеней и др.). Наибольшее содержание пыли отмечается в нижних слоях атмосферы, непосредственно прилегающих к поверхности земли (500-1000 м), в этой зоне число пылевых частиц в 1 см воздуха достигает несколько тысяч. С подъемом на высоту число пылевых частиц в единице объема воздуха значительно уменьшается, не превышая сотен в 1 см [63]. В российских и зарубежных литературных источниках пыль рассматривается как совокупность взвешенных в воздухе мелких твердых частиц, которые способны оседать при малых скоростях ветра и безветрии [40,66].
Исследование дисперсного состава пылевого аэрозоля, поведения пылевых частиц в условиях внешних воздействий, исследование ряда задач, связанных со снижением концентрации пыли в окружающей среде, совершенствование техники обеспыливания нашло отражение в работах В.Н. Азарова, Н.Я. Авдеев, В.И. Беспалова, Е.И. Богуславского, В.Е. Глузберга, Н.Ф. Гращенкова, В.В. Дьякова, В.К. Журавлева, В.П. Журавлева, Г.С. Забурдяева, И.Г. Ищука, Б.Ф. Кирина, Ф.С. Клебанова, П.А. Коузов, В.В. Кудряшова, И.Ф. Ливчака, И.Н. Логачева, К.И. Логачева, С.И. Луговского С.И., А.Б. Лукьянова, Е.П. Медникова, М.А. Менковского, Н.В. Мензелинцевой, В.А. Минко, B.C. Никитина, Н.В. Перцева, Г.А. Позднякова, Г.И. Ромашов, В.И. Саранчука, H.A. Страховой, A.A. Цыцуры, Л.А. Шварцмана, М.И. Шиляева, Е.А. Штокмана и др. авторов. В работах данных авторов использованы основополагающие концепции механики многофазных сред, аэродинамики, термодинамики, физической и коллоидной химии, основные принципы технологии реализации обеспыливания воздуха, совместно с анализом данных экспериментального аппарата.
В связи с развитием городов в мировой практике появился целый ряд исследований, касающихся загрязнений атмосферного воздуха мелкодисперсной пылью. Можно выделить работы следующих исследователей: Б. Барратта, Р. Бурки, Д. Грина, В. Гросса, И. Гулда, Р. Ларсена, Х. Лонга, А. Маккея, П. Моргенштерн, Т. Окита, Т. Руана, Н. Розе, Г. Фуллера, С. Юнге. Из зарубежных авторов, занимающихся вопросами атмосферной диффузии, следует отметить в первую очередь работы О.Г. Сеттона. Эти вопросы рассматривались также в работах Р. Маккортина, Е. Хьюстона, Г. Хольцворта, М. Хиго.
В классификации Международной организации стандартизации понятие пыль трактуется как совокупность твердых частиц, имеющих различную величину и генезис, способная некоторое время оставаться в воздухе (газе) в виде суспензии [82]. Для пыли характерны следующие параметрами: гранулометрический состав (размер частиц); дисперсность; форма частиц; химический состав; происхождение; санитарно-гигиеническое воздействие. Определен ряд показателей, определяющих воздействие пыли на организм человека: масса, химический состав, растворимость, дисперсность, форма и размер частиц, электрический заряд.
Один из главных параметров, который характеризует поведение пыли в атмосфере, является размер частицы. Он связан со значением диаметра частицы и имеет единицу измерения «микрометр» (мкм)), что соответствует 10-3 мм. Так как частицы пыли имеют различный характер возникновения и химический состав, то соответственно обладают самой разнообразной формой. Поэтому производя расчеты, связанные с загрязнением воздуха, считают, что все пылинки имеют шарообразную форму, их диаметры выбирают исходя из со скоростью оседания. То есть чешуйка с поперечником 50 мкм принимается за шарик диаметром 5 мкм и обладает низкой скоростью оседания [28]. Под понятием «скорость оседания» принято отношение высоты, с которой падает частица, ко времени ее падения [131]. Таким образом, частицы с большим диаметром обладают большей скоростью витания.
Представляя характеристику содержания пыли в атмосферном воздухе, исследователи указывают на различный процентный состав. В источниках [22,36] отмечается, что в атмосферном воздухе содержатся (по массе) твердые частицы размером: 100-1000 мкм около 8%; 10-100 мкм около 60%; менее 1мкм около 5%; менее 2,5 мкм около 10%. Н.Ф. Райме указывает на содержание пыли в атмосферном воздухе диапазоном от 1 до 100 мкм [66]. В научной литературе [38, 110] указывается на средний размер частиц пыли в атмосфере равный 7-8 мкм. Р.И. Грабовский, Г. Фелленберг предлагают твердые частицы, выявленные в атмосферном воздухе, разделять на пыль (размер частиц более 1 мкм) и твердые аэрозоли (размер частиц менее 1 мкм) [27,103]. Зарубежные стандарты разделяют частицы пыли на 3 основные группы: респирабельные с диаметром частиц до 5 мкм; трахеобронхеальные с диаметром частиц от 5 до 10 мкм и ингалируемые, составляющие весь диапазон размеров частиц, содержащихся в воздухе.
Некоторые исследователи выделяют понятие «почвенные частицы», которые образуются в воздушном пространстве в результате процесса выветривания горных пород и почв. В справочнике по промышленной патологии они характеризуются размером от 1 мкм до 100 мкм [81], в литературе [2] почвенные частицы делятся на следующие фракции: 50-100 мкм – песок; 50-1 мкм – пыль; 1-0,1 мкм – ил.
Пыль по характеру возникновения классифицируется как дисперсионная и конденсационная. Дисперсионную пыль можно отнести к промышленной пыли, она образуется путем рассеяния в воздушной среде мелкодисперсной пыли при распылении химических веществ, процессах сверления, дробления, шлифования, и т.д. Данные частицы имеют большой размер и неправильную форму, которая может быть различной: аморфной, кристаллической, волокнистой и др. [39]. Исходя из гигиенических норм, наиболее опасной является волокнистая пыль (асбестовая, стеклянная, металлическая, растительная), ее длина во много раз превышает другие размеры [121]. Конденсационная пыль формируется при переходе газа в твердое состояние, при этом частицы характеризуются, как правило правильной формой (обычно шарообразной) [80,119]. В научной литературе [63] отмечается, что частицы сферической формы быстрее увлажняются, чем частицы, имеющие неправильную форму с шероховатой поверхностью.
Размер частиц пыли характеризуется дисперсностью, которая представляет собой отношение общей поверхности всех частиц к их суммарному объему или массе (чем выше дисперсность частиц, тем меньше их размер), характеризует характер пребывания частиц в воздухе, физико-химическую активность, возможность проникновения, отложения и накопления в органах дыхания человека [42].
По данным справочника по промышленной патологии [81] дисперсность частиц промышленной пыли представлена тремя группами: грубая (более 10 мкм), микроскопическая – 0,25-10 мкм; субмикроскопическая – менее 0,25 мкм. По дисперсности частицы почвенной пыли классифицируются на: крупные – 10-50 мкм; средние – 5-10 мкм; мелкие – 1-5 мкм [2]. По классификации Е.П. Медникова пыль делиться только на тонкодисперсную (менее 20 мкм) и грубодисперсную (более 20 мкм) [43].
Образование пыли обусловлено природными или естественными процессами, а также носит техногенный характер, являясь результатом деятельности человека [20,62,110]. Природная пыль, образующаяся на земной поверхности, является постоянной составной частью атмосферы и ее основное количество сосредоточено до высоты 500 м.
Районирование территории г. Волгограда по массовой доле пылевой фракции в воздухе при земляных работах на дисперсных грунтах
Как отмечалось в гл. 1, гранулометрический состав грунта, вынимаемый при земляных работах и исследованный различными авторами, коренным образом отличается от дисперсного состава пыли в воздушной среде при проведении земляных работ. Исследования дисперсного состава пыли осуществлялись микроскопическим анализом и методом оседания. Седиментационный метод исследования пыли позволяет определить аэродинамические свойства частиц методом пофракционного оседания с построением зависимостей скорости оседания. При проведении исследований применена методика микроскопического анализа дисперсного состава пыли с применением ПК [14]. Данная методика рекомендована к использованию для контроля мелкодисперсной пыли именно при образовании в процессе проведения различных технологических и производственных процессах, в частности, при строительно-отделочных работах. Исследования выполнялись в программе «SPOTEXPLORER V1.0». Система реализована с использованием сервера баз данных Inter Base Serverc использованием языка программирования Miсrosoft Visual Basik 6.0 и Miсrosoft Visual Basik for Application 5.0. Метод для исследования дисперсного состава пыли включал: а) фотографирование образцов, увеличенных под микроскопом в 200-2000 раз; б) обработку фотографий с помощью графического редактора; в) расчет медианного диаметр по площади, занимаемой пылевидной частицей; г) определение количества частиц различного размера (рис. 2.1). Расчётным путем производился подсчёт количества частиц на каждом снимке, затем строились интегральные кривые в вероятностно-логарифмической сетке. Программа позволяет работать в пакетном режиме, что дает возможность обрабатывать подряд множество файлов микрофотографий с эталоном и математически обрабатывать как множество файлов, так и каждый в отдельности. Графический способ оформления результатов исследования основан на построении интегральных функций распределения по диаметрам частиц. По оси абсцисс откладываются значения диаметров (dч, мкм), а по оси ординат – выраженные в процентах значения интегральной функции распределения частиц соответствующего размера. Рис. 2.1 – Микрофотография дисперсного состава пыли искусственных грунтов в атмосферном воздухе Метод включает диспергацию анализируемой пробы измельченного материала в верхней части столба дисперсионной среды [37]. Для определения аэродинамических характеристик пыли методом седиментометрии в воздушной среде в качестве прибора использовался воздушный седиментометр [12].
Работа на экспериментальной установке (рис.2.2) осуществлялась следующим образом. Каждая проба исследуемой пыли взвешивалась, навеска составляла 50 мг. Затем она равномерно укладывалась на лист фильтровальной бумаги. Распыление смеси осуществлялось резким воздушным толчком в верхней части трубы в распыливающем устройстве, далее пыль попадала в верхнюю часть седиментационного цилиндра, где оседала на ленте транспортера.
Экспериментальная установка: 1 - седиментационный цилиндр высотой Н = 1140 мм, диаметром d = 160 мм; 2 - подставка; 3 ленточный транспортер; 4 - распыливающее устройство Сначала из верхнего слоя исследуемой среды, в основном, выпадают фракции наиболее тяжелых и крупных частиц, которые, пройдя к определенному времени высоту столба , оседают на липкую ленту под седиментационным цилиндром, расположенную на ленточном транспортере. Лента транспортера плавно перемещается по горизонтали под седиментационным цилиндром через задаваемые промежутки промежутки времени, в данной установке они составляли 2 сек. Для закрепления пыли на ленте использовался защитный слой самоклеющейся бумаги. Затем оседают более мелкие и пылевидные фракции.
По скорости оседания =/ находятся наименьший, наибольший и средний диаметр осевших к моменту частиц и по массе осадка определяется процент частиц, имеющих диаметр меньше [37]. Используя программу «SPOTEXPLORER V1.0» можно определить дисперсный состав осевшей пыли через различные промежутки времени и получить стохастические построить зависимости для скорости оседания частиц от эквивалентного диаметра. Кроме того, возможно получение зависимости функций распределения мелкодисперсных частиц от скорости оседания.
При производстве земляных работ главным параметром, влияющим на степень пылевыделения, а также обоснованием для подбора машин, механизмов, способов ведения землеройных операций является характер и физико-механические свойства грунтов.
В качестве объекта для исследований выбран г. Волгоград, характерной особенностью которого является: своеобразие климата; определенные особенности атмосферной циркуляции, с преобладанием погод антициклонального типа с частым образованием приземных инверсий; значительную повторяемость высоких скоростей ветра при блокирующих процессах и прохождении атмосферных фронтов; хорошо выраженный широтный перенос воздушных масс; разреженная растительность; преобладание дисперсных горных пород, в частности глинистых, лессовых пород, супесчаных и искусственных грунтов, имеющих, в связи с засушливостью климата и высокой испаряемостью значительную чувствительность к изменению влажности. Земляные работы ведутся в теплый период, когда грунт «размораживается» [83,107] (рис.2.3) и усиливается ветер, приводящий к переносу пыли далеко от зоны разработки (рис. 2.4), что увеличивает уровень загрязнению воздуха г. Волгограда.
Анализ динамики заболеваемости дыхательных органов населения г. Волгограда показывает значительное снижение уровня здоровья населения, что, несомненно, связано с ухудшением экологической обстановки. В атмосферном воздухе г. Волгограда экологами отмечалось повышенное содержание пыли (1,3 ПДК). По данным официальной статистики, в перечне заболеваемости населения Волгоградской области, болезни органов дыхания за последнее десятилетие занимают первое место, в их структуре на хронические обструктивные болезни легких приходится 13,3%. Волгоград является крупным индустриальным центром, с производствами, загрязняющими атмосферный воздух, что создает условия формирования факторов риска развития бронхеальной патологии (Квартовкина, Смоленов, 1999).
Испытание в аэродинамической трубе устройств для снижения выноса пыли
Проведенные исследования с учетом временного дрейфа и рандомизации [5,26,27,69] позволили получить значения коэффициентов К1 и К2 для дисперсных грунтов (Приложение). Воспроизводимость опытов определялась на основании критерия Кохрена (G-критерия) (Приложение). По всем видам дисперсных грунтов опыты, проведенные на лабораторной аэродинамической трубе, оказались воспроизводимыми. Оценка значимости полученных коэффициентов регрессии производилась по критерию Стьюдента для уровня значимости q=0,5 при принятой для технических экспериментов доверительной вероятности Р=0,95. Адекватность уравнений регрессии проверялась сопоставлением расчетного и табличного (при заданных q и числе степеней свободы) значений критерия Фишера F, представляющего собой отношение дисперсии адекватности к ошибке опыта. Выполнение во всех случаях условия Fр Fm свидетельствует об адекватности полученной нелинейной модели [11,72].
Важным показателем выбросов пыли в атмосферу является гранулометрический состав грунтов, в частности, процентное содержание пылеватых частиц. Согласно классификации Н.А. Качинского [84] к мелкой пыли относятся частицы с размером 0,005-0,001 мм. Они характеризуются очень слабой связанностью и способны легко переноситься в воздухе.
Наиболее неустойчивым к ветровой нагрузке грунтом является искусственный грунт, имеющий неоднородный состав и высокий процент пылеватой фракции, весовая доля пылевой фракции колеблется от 2,34 % до 4,89 % и зависит от интенсивности ветра. Верхнечетвертичные лессовые породы валдайского горизонта и современные супесчаные грунты также склонны к пылевыделению, особенно при высоких скоростях ветрового потока. Весовая доля пылевой фракции данных дисперсных грунтов составляет от 1,12 % до 2,35 % от двух килограммовой навеки (100 %), что связано с особенностями гранулометрического состава грунтов и физико-механическими свойствами.
Наименьший процент пыли при земляных работах связан с глинами морского генезиса, весовая доля пылевой фракции которых колеблется от 0,05 % до 1,94 %. Они имеют высокие показатели плотности и влажности и обладают значительным содержанием глинистых минералов. Выявлено значительное пылевыделение в верхней выветрелой поверхностной толще глинистых грунтов, обладающих низкими показателями влажности и плотности. Процесс выветривания глин сопровождается возникновением вторичных минералов, хорошо подверженных интенсивному пылевыделению.
Адекватность полученных уравнений регрессии проверялась сопоставлением расчетного и табличного (при заданных q и числе степеней свободы) значений критерия Фишера F, представляющего собой отношение дисперсности адекватности к ошибке опыта. Выполнение во всех случаях условия Fp Fm: для уравнения (3.4) (Fp =3,27 3,89 Fm =4,07); для уравнения (3.6) (F =3,09 3,96 F =4,07) свидетельствуют об адекватности полученной нелинейных моделей [11,27] (Приложение). Полученные подобным образом расчетные зависимости для коэффициента весовой доли пылевой фракции в дисперсном грунте К1 и доли пыли, переходящей в аэрозоль К2 различных дисперсных пород сведены в таблицу 3.9. Таблица 3.9 - Экспериментальные зависимости для нахождения коэффициента весовой доли пылевой фракции в дисперсном грунте К1 и доли пыли, переходящей в аэрозоль К2 различных дисперсных грунтов Результаты эксперимента показали, что наибольший процент выноса пыли с отвала зависит от показателей влажности и его размера (массы). В
В лабораторную аэродинамическую трубу был помещен стенд (рис. 3.11), представляющий собой экран в виде сетчатого элемента (рис. 3.12), укрепленного в треугольный сплошной каркас.
Выявлено, что наибольший процент пыли удерживает сетчатый экран с ячеистой структурой равной 0,5 мм. Экраны с ячеистыми структурами 0,25 и 0,1 мм являются слишком плотными. На строительном объекте ветровой поток будет стремиться обогнуть такую преграду.
Для определения относительной запыленности атмосферного воздуха в зоне формирования отвала, сложенного лессовыми грунтами проведен ряд экспериментальных работ. Создали восемь экспериментальных площадок на территории строительных объектов г. Волгограда (ул. Советская, 23; пр. Столетова, 32; ул. Караванная, 86; ул. Иртышская, 34, 84; ул. Республиканская, 16; ул. Репина, 2; ул. Инициативная, 39). На каждой площадке размещалась стойка со стеклянной поверхностью. На предметное стекло с глубокими ячейками нанесли по капле воды и установили в зоне отвала на сутки (рис. 3.14). Была измерена ареометром скорость ветра (рис. 3.14), она составляла 3-5 м/с.
Таким образом, большая часть частичек пыли растворилась в азотной кислоте (на предметном стекле осталось от 7 до 10 штук частиц пыли). Соединения водно-растворимых солей (табл. 1.3), содержащиеся в лессовых породах от 0,02 до 2,6%, легко подверглись процессам растворения, часть вступила в химическую реакцию. Данный эксперимент подтверждает также высокую степень карбонатности лессовых грунтов [79], где карбонаты содержатся в виде «рубашек», образующих вместе с первичными частицами микроагрегаты. При обработке кислотой карбонатная оболочка растворяется [79] и остается блок кварца. Таким образом, при переносе за пределы строительного объекта частицы грунтового массива являются загрязняющими веществами в составе атмосферного воздуха.
На отвале использовалось пылезащитное устройство, представляющего собой защитный сетчатый экран, размещенный по всей его площади. Были организованы восемнадцать площадок, где отбирались пробы капель воды после суточного ожидания (рис. 3.17). Рисунок 3.17 – Дисперсный состав пыли переотложенных лессовых грунтов, накрытых защитным сетчатым элементом (площадка № 4) (16 частиц пыли)
Получено и зафиксировано актом испытаний (Приложение), что использование пылезащитных устройств, в виде сетчатых конструкций, накрывающих отвалы, способно максимально стабилизировать пылящие поверхности земляных, строительных или техногенных отвалов в зоне строительной площадки независимо от характера ветровой нагрузки.
Рассмотрим математические модели, способствующие расчету запыленности воздушной среды в результате проведения земляных работ: 1) Модель приземного слоя атмосферы. Модель учитывает метеорологические и климатические условия (направление и силу ветра, температуру воздуха, конвективное состояние атмосферы). Конвективное состояние приземного слоя определяется в первую очередь вертикальным градиентом температуры. Скорость и направление ветра может, как задаваться пользователем, так и рассчитываться на основе газодинамического моделирования воздушных потоков над рассматриваемой территорией [19]. 2) Модель динамики загрязняющих примесей. Расчет динамики распространения примесей учитывает основные физические факторы, определяющие этот процесс: ветровая нагрузка, диффузионный перенос, осаждение и повторное загрязнение. Значения коэффициентов турбулентной диффузии задаются на основе стандартной модели ОНД-86 [47].
Разработка способа очистки твердых поверхностей после проведения строительных работ
Лоток имеет цилиндрическую форму и отверстие в верхней части. Он закрепляется боковыми гранями к торцевым частям вихревой камеры с помощью наружных выпускных вращающих лоток элементов. Лоток способен концентрировать мелкодисперсную пыль и благодаря вращающим элементам способен путем разворота освобождаться от накоплений. К лотку присоединена щетка, способствующая более тщательной уборке загрязняющих веществ.
Крупнодисперсная пыль и песчаные частицы будут попадать в накопитель через канал, расположенный ниже отверстия лотка. Над лотком вынесен трубопроводный элемент, соединенный с пылеуловителем. Воздушным потоком, созданным вентиляторным нагнетателем с приводом, пыль из лотка захватывается и направляется в пылеуловитель, где будет собираться и в последующем направляться на утилизацию. Загрязняющие вещества способны разделяться в накопителе благодаря существованию двух блоков и перегородке, состоящей в верхней части из сетчатой проволочной конструкции (1/2 перегородки) и плотного щита в нижней части (1/2 перегородки). Ближайший к началу загрязненного воздушного потока первый блок предназначен для сбора крупнодисперсной пыли и частиц самой крупной фракции. Следующий блок служит для сбора средней, например среднезернистой, мелкозернистой и пылеватой песчаной фракции. Мелкодисперсная пыль попадает в пылеуловитель. Кроме того, створки накопителя имеют автономный характер и способны открываться и удалять загрязненные вещества по мере накопления.
Благодаря тому, что в пылегазовый аэродинамический узел устанавливаются дополнительные элементы (щетка, лоток, разделение накопителя на два самостоятельных отсека), он имеет более высокий потенциал при уборке территорий, загрязненных мелкодисперсной пылью.
При проведении строительных работ образуются отвалы грунтов, накопления строительного и техногенного характера, как правило, содержащие пылеватые частицы. Отвалы и накопления имеют различную форму, высоту и подвержены ветровой нагрузке. Внедрение способов и средств борьбы с пылью на строительных объектах позволяет решать проблемы санитарно-гигиенического и экологического характера (профилактика развития профессиональной легочной патологии у рабочих, охрана окружающей среды от запыленности), а также технико-экономические задачи: увеличение производительности труда, снижение платежей за загрязнение окружающей среды и пр. Кроме того, проведенный эксперимент, описанный в гл.3, п.3.3. и акт испытаний (Приложение) позволяет автору предлагать к использованию для стабилизации пылящих поверхностей в зоне грунтовых земляных, строительных или техногенных отвалов и накоплений следующее устройство [56], независящее от характера ветровой нагрузки (рис. 4.6).
В зависимости от размеров отвала или накопления пылезащитных устройств может быть несколько, причем, кольца размещены по граням таким образом, что расстояния между кольцами одинаковы (расстояние Н) по всему периметру пылезащитного устройства 1 (рис. 4.7). Это сделано для того, чтобы пылезащитные устройства стыковались в любых направлениях (по длине или ширине) и полностью покрывали поверхность отвала или накопления. Пылезащитное устройство фиксируется путем использования закрепляющих элементов (рис. 4.8), которые вбиваются в подстилающую отвал поверхность. Пылезащитное устройство можно фиксировать в разных зонах отвала, закрепляя элементами через кольца, расположенные по центральной оси устройства, что позволяет максимально концентрировать пыль в зоне строительного объекта (рис. 4.7). Использование закрепляющих элементов создает более плотное соприкосновение пылезащитного устройства и отвала (рис. 4.8).
Пылезащитное устройство обладает низкими эксплуатационными расходами и легко устанавливается и демонтируется, не требует специальных наблюдений во время проведения строительных работ, удобно в транспортировке и хранении. Пылезащитное устройство окрашивается в яркие тона, что делает его заметным с дальнего расстояния и в условиях плохой видимости, таким образом, создается дополнительный элемент, предупреждающий о ведении строительных работ. Кроме того, пылезащитное устройство придает строительному объекту эстетически приятный вид.
На основании лабораторных испытаний, проведенных в аэродинамической трубе, а также опытно-промышленных испытаний в ООО «АльянсРесурсГрупп» (Приложение). Результаты исследования концентрации пыли в жилой зоне на расстоянии 20 м и 40 м от земляного отвала до и после применения способа защиты от пыли сведены в таблицу 3.9.
Инженерные подземные сети являются важнейшим элементом инфраструктуры городов, трубопроводные системы используются для снабжения промышленности, энергетики, транспорта и населения топливом, сырьем, водой и т.д. Часто прокладка таких систем связана с прохождением через грунтовые массивы (парковые и рекреационные природные территории, особоохраняемые зоны, лесопарки, аллеи и др.), которые, как правило, нарушаются и требуют длительного времени для восстановления.
Предлагается в таких зонах использовать техническое устройство, позволяющее прокладывать трубопровод или другие строительные элементы с минимальным воздействием на грунтовое тело. Транспортное средство состоит из двух частей, выполненных в виде опорных стоек (рис. 4.9). Стойки имеют элементы опоры на грунт, которые могут быть представлены в виде движителей: колес, сфер, гусениц и т.п., способны фиксироваться как тормозами, так и фиксирующим элементом, а также любым способом, широко известным в технике (рис. 4.10).