Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния вопроса и выбор направления исследований 11
1.1. Анализ состава строительных отходов 11
1.2. Особенности проектирования, строительства и эксплуатации полигонов для твердых бытовых отходов 20
1.3. Анализ методик расчета выбросов пыли в атмосферу от неорганизованных источников 28
1.4. Особенности организации мониторинга состояния окружающей природной среды при эксплуатации полигонов ТБО 31
1.5. Обоснование и выбор направления исследований 33
1.6. Выводы по первой главе 35
ГЛАВА 2. Теоретическая оценка и экспериментальные исследования влияния на состояние воздушной среды неорганизованных источников выбросов пыли на полигонах ТБО 37
2.1. Характеристика объекта проведения исследований 37
2.2. Анализ процессов распространения пыли в воздушной среде на территории полигона ТБО 41
2.3. Экспериментальные исследования закономерностей распространения пыли в атмосферном воздухе при выгрузке строительных отходов из мусоровоза 51
2.3.1. Методика проведения экспериментов 51
2.3.2. Результаты экспериментальных исследований 55
2.4. Экспериментальная оценка запыленности атмосферного воздуха при работе бульдозера на рабочей карте полигона 63
2.5. Экспериментальные исследования процессов распространения пылевых частиц при хранении измельченных строительных отходов и грунта 66
2.6. Выводы по второй главе 75
ГЛАВА 3. Исследования дисперсного состава и аэродинамических свойств пыли, образующейся при размещении строительных отходов на полигоне 76
3.1. Классификация пыли строительных материалов по дисперсности 76
3.2. Результаты дисперсионного анализа пыли, образующейся при размещении строительных отходов на полигоне 79
3.3. Математическая обработка результатов дисперсионного анализа 83
3.4. Определение скорости оседания пыли, поступающей в окружающую среду при размещении строительных отходов на полигоне 91
3.5. Выводы по третьей главе 99
ГЛАВА 4. Практическая реализация результатов исследований 101
4.1. Определение концентраций частиц PM10 и PM2,5 для выбросов пыли, образующейся при размещении строительных отходов на полигоне 101
4.2. Уточнение значений коэффициентов, принимаемых при расчетах выбросов в атмосферу от неорганизованных источников 105
4.3. Разработка инженерно-технических решений для снижения выбросов пыли в атмосферу при дроблении строительных отходов 108
4.4. Выводы по четвертой главе 117
Заключение 118
Библиографический список
- Особенности проектирования, строительства и эксплуатации полигонов для твердых бытовых отходов
- Анализ процессов распространения пыли в воздушной среде на территории полигона ТБО
- Результаты дисперсионного анализа пыли, образующейся при размещении строительных отходов на полигоне
- Уточнение значений коэффициентов, принимаемых при расчетах выбросов в атмосферу от неорганизованных источников
Особенности проектирования, строительства и эксплуатации полигонов для твердых бытовых отходов
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: - анализ качественного состава строительных отходов; - анализ особенностей проектирования, строительства и эксплуатации полигонов для твердых бытовых отходов и промышленных отходов IV-V классов опасности для окружающей природной среды; - анализ действующих методик для расчета массы пылевых выбросов в атмосферу от неорганизованных источников; - анализ особенностей организации мониторинга состояния окружающей природной среды при эксплуатации полигонов ТБО; - анализ закономерностей распространения в окружающей среде пыли, выделяющейся от неорганизованных источников полигонов ТБО; - экспериментальные исследования по выявлению закономерностей распространения в окружающей среде пыли, образующейся при размещении строительных отходов на полигоне ТБО; - исследование дисперсного состава и аэродинамических характеристик пыли, поступающей в атмосферный воздух при осуществлении различных операций, связанных с размещением строительных отходов на полигоне (разгрузка, уплотнение отходов, формирование промежуточного изолирующего слоя и т.д.);; - выбор математического аппарата и проведение на его основе обработки экспериментальных данных дисперсионного анализа; - определение концентраций частиц РМ10 и РМ2,5 для пыли, поступающей в воздушную среду при размещении отходов строительства на полигоне; - уточнение значений поправочных коэффициентов, используемых в соответствии с действующими методиками для расчета массы выбросов пыли в атмосферу от неорганизованных источников; - разработка инженерно-технических мероприятий по снижению пылевыделений в процессе дробления строительных отходов, теоретическая и экспериментальная оценка их эффективности.
Основная идея работы состоит в: использовании многозвенных линейных сплайнов для аппроксимации данных дисперсионного анализа пыли строительных отходов; применении вероятностно-стохастического подхода для теоретической оценки закономерностей распространения в окружающей среде пыли, выделяющейся от неорганизованных источников полигонов ТБО.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальные исследования в натурных и лабораторных условиях, обработку экспериментальных данных методами математической статистики.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов, доказана применением классических положений механики аэрозолей и аэродинамики при моделировании изучаемых процессов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в промышленных условиях, с результатами других авторов.
Научная новизна работы: - на основе вероятностно-стохастического подхода получены аналитические зависимости, описывающие закономерности распространения пылевых частиц в атмосферном воздухе при размещении строительных отходов на полигоне ТБО; - на основе результатов натурных исследований получены зависимости, характеризующие процесс распространения «облака пыли», образующегося при разгрузке мусоровозов; - экспериментально установлены зависимости, описывающие с учетом скорости ветра закономерности распространения частиц пыли в окружающей среде при различных процессах, связанных с размещением отходов строительства на полигоне (выгрузка отходов, их уплотнение, формирование промежуточного изолирующего слоя из измельченных строительных отходов и грунта, открытое хранение измельченных строительных отходов и грунта); - получены данные о дисперсном составе пыли, образующейся в процессах размещения строительных отходов на полигоне, и показана целесообразность применения способа интерполяции функции пофракционного распределения массы с помощью приближения многозвенными линейными сплайнами для обработки результатов дисперсионного анализа исследуемой пыли; - по результатам экспериментальных исследований проведена оценка скорости оседания частиц пыли строительных отходов; - получены аналитические и экспериментальные зависимости для оценки эффективности и аэродинамического сопротивления системы обеспыливания дробилки строительных отходов. Практическое значение работы: - уточнены значения поправочных коэффициентов, используемых в соответствии с действующими методиками для расчета массы выбросов пыли в атмосферу от неорганизованных источников; - в существующей методике по определению величины пылевых выбросов в атмосферу предложены дополнительные коэффициенты для оценки доли мелкодисперсной пыли фракций РМ10 и РМ2,5 в общей массе выбросов; - разработаны рекомендации по расчету загрязнения воздушной среды мелкодисперсной пылью РМ10 и РМ2,5 при функционировании полигонов ТБО; - разработана схема компоновки системы обеспыливания дробилки строительных отходов.
Анализ процессов распространения пыли в воздушной среде на территории полигона ТБО
Так, Марчуком Г.И. рассмотрено уравнение диффузии при оценке загрязнения атмосферы и гидросферы [68]. Это позволило решать задачи выбора рационального размещения промышленных предприятий с учетом выбросов действующих объектов. Перенос вредностей в атмосфере исследован в работах Берлянда М.Е. и других авторов [20, 21, 53, 76, 108]. Диффузионные модели явились основой при разработке инженерных методик расчета загрязнений атмосферы промышленными источниками [57, 76, 77, 83].
При рассмотрении наличия источника образования частиц Райстом П. в работе [100] приводится уравнение диффузии в пылевом потоке ЯГ" - коэффициент оседания частиц пыли. В известных работах по механике многофазных сплошных сред [62, 74] рассматриваются процессы переноса твердых частиц, и приведенные авторами решения связаны с применением вычислительной техники. В работе [75] отмечено, что детальное описание взаимодействий внутри и между гетерогенных сред очень сложно. Поэтому для получения практических результатов необходимо использовать рациональные обобщения, приводящие к решаемым уравнениям.
Применение статистических подходов для составления математических моделей при решении задач обеспыливания рассмотрены в [114, 127]. В работах [105, 117] рассматривается возможность применения стохастических методов для решения конкретных физических задач.
Богуславским Е.И. разработан и Азаровым В. Н развит вероятностно-стохастический подход [3, 26], который предполагает рассмотрение процесса массопереноса в рассматриваемом объеме как процесса вероятностного. дР v1 др Vі РХ ST At ST д2Р
В этом выражении первая, вторая и третья составляющие правой части описывают детерминированные процессы. Последняя составляющая учитывает стохастические явления. Для определения скорости движения частиц Wi может быть использована система обыкновенных дифференциальных уравнений. Параметр рх использован для учета интенсивности локальных источников и стоков. С помощью коэффициента At и времени т;- учитываются процессы коагуляции, поглощения и рождения частиц по длине траектории. Для определения коэффициента диффузии btj могут использоваться различные способы [26].
Рассмотрим особенности процессов пылевыделения от неорганизованных источников полигона ТБО, используя вероятностно-стохастический подход.
Как показал проведенный анализ, основными источниками выделения пыли на таких объектах являются разгрузочные и погрузочные процессы, а также открытое хранение измельченных строительных отходов и грунта, необходимых для формирования промежуточного изоляционного слоя.
Для постановки задачи при рассмотрении процессов переноса пыли используем две подмодели: - параллельное направлению складируемого материала и ветра движение воздуха вокруг стационарного источника; - перпендикулярное направлению складируемого материала и ветра движение воздуха вокруг стационарного источника.
Унос частиц пыли с поверхности складируемого материала происходит под действием воздушных потоков после наступления равнодействия сил, действующих на частицу и удерживающих ее. При преобладании сил первой группы происходит отрыв от поверхности складируемого материала [26].
Экспериментально установлено, что для частиц, имеющих размеры 50-100 мкм и более, критическая скорость потока уменьшается при уменьшении размеров, тогда как для более мелких частиц отмечается повышение критической скорости при уменьшении размеров [26].
Пылевые частицы отрываются от поверхности слоя и движутся вверх при сравнительно низких скоростях потока. Одновременно слой уплотняется потоком, образуются обтекаемые профили, унос пылевых частиц прекращается. Возобновление процесса уноса возможно уже при значительно больших значениях скорости. После этого процесс повторяется в той же последовательности. При очень больших скоростях воздушного потока с поверхности материала уносятся целые агрегаты частиц, в результате чего поверхность становится более неровной, что, в свою очередь, облегчает процесс последующего вырывания агрегатов [3, 26].
При открытом хранении складируемые материалы подвергаются воздействию метеорологических факторов, поэтому по истечении определенного времени интенсивность уноса пыли с поверхности уменьшается и наступает процесс стабилизации.
Таким образом, при анализе процессов распространения пыли в рассматриваемом случае можно выделить: - максимальную величину выброса (при преобладании воздействия внешних сил над силами, удерживающими пылевую частицу на поверхности); - минимальную величину выброса (в случае, обратном предыдущему); - среднюю величину выброса (основная масса пылевого потока вынесена с поверхности и наступает период стабилизации процесса уноса пылевых частиц).
Разгрузка доставляемых на полигонов отходов производится путем опрокидывания кузова мусоровоза и высыпания на площадку с твердым покрытием. В этом случае концентрация и фракционный состав образующейся пыли будет зависеть от нескольких факторов. К их числу следует отнести: высоту падения отходов; их скорость в момент соприкосновения с твердой поверхностью; количество, плотность, влажность, механическая прочность кусков; параметры потока отходов в месте удара о поверхность.
Высота падения отходов из автотранспорта может колебаться от 1,5 до 2,0 м. Разделим процесс пылеобразования при разгрузке отходов на четыре стадии (рисунок 2.6). Сначала происходит взаимодействие воздушного потока с потоком ссыпающихся отходов. В результате этого выделяющаяся пыль распространяется веером в различных направлениях. Затем поток отходов взаимодействует с плоской поверхностью площадки. Пыль, выделяющаяся при ударе, растекается веерной струей на некоторое расстояние, и меняет направление своего движения (вертикально вверх). Далее происходит взаимодействие с образовавшимся конусом (кучей) уже разгруженных отходов и выброс пылевых частиц из конуса. На этих двух стадиях внутри образовавшегося конуса создается повышенное давление (вследствие нагнетания в конус эжектируемого воздуха), под действие которого воздух выделяется из конуса и выносит с собой пылевые частицы.
Результаты дисперсионного анализа пыли, образующейся при размещении строительных отходов на полигоне
Как правило, пыль строительных материалов представляет собой смесь частиц различных неорганических веществ [3, 8, 29, 57, 92, 110, 112, 113, 121], которые различаются между собой по размерам и форме пылевых частиц, по плотности и другим свойствам, которые определяются поведение пыли в воздухе.
В разные годы разными исследователями [69, 127] были представлены классификации аэрозольных систем, в том числе и пыли, по дисперсности. Однако до сих пор не разработана единая общепринятая классификация аэрозолей по дисперсности.
Пылью называют дисперсионные аэрозоли с твердыми частицами независимо от их дисперсности [127]. При этом дисперсность аэрозолей изменяется в огромном интервале – от 0,01 мкм до 104 мкм. Возможностью длительного самостоятельного существования весьма малых частиц определяется нижний предел. Крупные частицы достаточно быстро оседают под действием гравитационных сил, поэтому во взвешенном состоянии практически не наблюдаются, этим ограничивается верхний предел [127].
Согласно предложенной Н.А. Фуксом «естественной классификации», которая основана на закономерностях распределения аэрозолей и на их физико-химических свойствах, по дисперсности аэрозоли можно разделить на [127]: - высокодисперсные аэрозоли с радиусом частиц до 0,5 мкм; имеют следующие характеристики: сопротивление движение и скорость осаждения пропорциональны квадрату радиуса; рассеяние света частицами пропорционально г6; броуновское движение преобладает над оседанием под действием гравитации; - грубодисперсные аэрозоли с размером частиц более 10 мкм; характеризуются значительным преобладанием оседания над броуновским движением; - аэрозольные системы со средней дисперсностью частиц (от 0,5 до 10 мкм); выделяются в отдельную группу, имеют переходные свойства.
В 1962 г. предложена классификация пыли по номограмме, нанесенной на двойную логарифмическую сетку [15, 17, 85]. Позже эта номограмма перенесена на вероятностно-логарифмическую сетку [36], на которой
Расположение интегральной кривой прохода в той или иной зоне номограммы означает принадлежность исследуемой пыли к соответствующей классификационной группе. Очень часто кривые распределения имеют вид ломаных линий, или могут располагаться несимметрично по отношению к границам классификационной группы. Тем не менее, этим не затрудняется определение группы дисперсности.
В своей классификации Медников Е.П. [69] делит пыли только на тонкодисперсные (с размерами менее 20 мкм) и грубодисперсные (с размерами более 20 мкм).
Очевидно, что несмотря на некоторые различия в классификациях, многие авторы называют мелкодисперсной или тонкодисперсной пыль, частицы которой имеют размеры до 20 мкм. 3.2 Результаты дисперсионного анализа пыли, образующейся при размещении строительных отходов на полигоне
Для оценки фракционного состава пыли, поступающей в атмосферный воздух при размещении строительных отходов на полигоне, были отобраны пробы при проведении описанных выше технологических операциях, т.е. при выгрузке строительных отходов из самосвала, уплотнении отходов бульдозером на рабочей карте, формировании промежуточного изолирующего слоя из измельченных строительных отходов и из грунта, открытое хранение измельченных строительных отходов и грунта. При этом пробы отбирались при поступлении на полигон отходов, образующихся при проведении разных видов строительных операций: - строительно-монтажные работы (бой кирпича, бетона, деревянные изделия и т.д.); - мобильное производство строительных материалов (БРУ, изготовление блоков) (просыпи песка, цемента, щебня и т.д.); - отделочные работы (гипс кусковой и порошкообразный, силикатная масса и т.д.). Отбор проб осуществлялся по стандартной методике [43] с использованием стандартного комплекта пылезаборного оборудования. Дисперсионной анализ проводился методом микроскопии [36, 60] по методике [6, 7, 8]. Результаты дисперсионного анализа приведены на рисунках 3.2-3.8 для перечисленных выше процессов.
Полученные данные свидетельствуют о том, что пыль, выделяющаяся от строительных отходов при их размещении на полигоне, является полидисперсной, и содержит все фракции, которые по существующим классификациям (п.п. 3.1), относятся к мелкодисперсной, среднедисперсной и крупнодисперсной пыли.
Уточнение значений коэффициентов, принимаемых при расчетах выбросов в атмосферу от неорганизованных источников
Хотя при таких значениях К несколько уменьшается степень очистки в аппарате ВЗП [107, 108], но при этом возрастает расход и, следовательно, скорость пылевоздушной смеси в циклоне, что обусловливает повышение его эффективности и, соответственно, увеличение эффективности установки обеспыливания в целом.
С другой стороны, наименьшее аэродинамическое сопротивление отмечается при производительности установки 1,5 м3/с L0 2 м3/с или 5400 м3/ч L0 7200 м3/ч. Дальнейшее повышение расхода подаваемой на очистку пылевоздушной смеси, хотя и обеспечивает снижение величины сист, но приводит к возрастанию аэродинамического сопротивления.
1. Определены значения концентраций частиц РМюи РМ2 5 для выбросов пыли, образующейся при размещении строительных отходов на полигоне.
2. По результатам экспериментальных исследований для пыли строительных отходов разного состава и происхождения уточнены значения поправочных коэффициентов, используемых при оценке массы выбросов в атмосферу от неорганизованных источников.
3. На основе экспериментальных данных предложено в существующей методике для определения величины пылевых выбросов в атмосферу использовать дополнительные коэффициенты, которые позволят определять долю мелкодисперсной пыли фракций РМю и РМ2j5 в общей массе выбросов.
4. Для снижения выбросов пыли, образующейся при дроблении строительных отходов на полигоне, для обслуживания дробилки предложена схема компоновки установки обеспыливания, и получена аналитическая зависимость для оценки коэффициента проскока.
5. По результатам опытно-промышленных исследований получены зависимости, характеризующие эффективность и аэродинамическое сопротивление предложенной установки обеспыливания при разных режимах работы.
6. Экспериментально установлено, что наибольшая эффективность и наименьшее аэродинамическое сопротивление обеспыливающей установки обеспечивается при изменении доли расхода пылевоздушной смеси, отсасываемой из бункера аппарата ВЗП, от объема поступающего в установку запыленного воздуха, в пределах 0,25 К 0,34 и при производительности установки в пределах 5400 м3/ч L0 7200 м3/ч.
В диссертационной работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований функционирования полигонов ТБО и строительных отходов как источников антропогенного воздействия на окружающие экосистемы. Основные выводы по работе
1. Проведенный анализ показал, что строительные отходы, характеризующиеся значительным разнообразием компонентного состава, как правило, размещаются на полигонах ТБО. Проведение связанных с этим операций (выгрузка из автотранспорта, дробление, сталкивание на рабочую карту, уплотнение, формирование промежуточных изолирующих слоев и т.д.) сопровождается значительным выделением многокомпонентной пыли в окружающую среду. Оценка объемов пылевых выбросов в атмосферу в подобных случаях проводится по действующим методикам, в которых расчетные коэффициенты отнесены к конкретным строительным материалам.
При проведении мониторинга состояния окружающей природной среды в период эксплуатации полигонов ТБО в соответствии с действующими в настоящее время нормативными документами не предусматривается оценка пылевого загрязнения атмосферы.
2. На основе вероятностно-стохастического подхода проведен анализ закономерностей распространения частиц пыли, выделяющейся при размещении отходов строительства на полигоне, и получены аналитические зависимости, описывающие эти процессы.
3. На основе экспериментальных исследований, выполненных в натурных условиях, установлены зависимости, характеризующие закономерности распространения частиц пыли в окружающей среде при проведении различных операций, связанных с размещением строительных отходов на полигоне (выгрузка отходов, их уплотнение, формирование промежуточного изолирующего слоя из измельченных строительных отходов и грунта, открытое хранение измельченных строительных отходов и грунта) при различных скоростях ветра. Также получены экспериментальные зависимости, позволяющие оценивать границы распространения «пылевого облака», образующегося при выгрузке отходов строительства.
4. По результатам дисперсионного анализа пыли строительных отходов с использованием теоремы Гаусса-Маркова разработана расчетная теоретическая модель для аппроксимации интегральной функции пофракционного распределения массы частиц четырехзвенным сплайном. Получены функции плотности распределения для случайных функций D(10 мкм) и(2,5 мкм), характеризующие долю частиц РМ10 и РМ2,5 в пыли отходов строительства.
5. По результатам дисперсионного анализа и экспериментальной оценки скорости оседания частиц пыли строительных отходов уточнены значения расчетных коэффициентов, учитывающих весовую долю пылевой фракции в материале и долю пыли, переходящей в аэрозоль, при определении объема пылевыделений по действующим методикам. Кроме того, на основе экспериментальных данных предложено в таких расчетах использовать дополнительные коэффициенты, которые позволят определять долю мелкодисперсной пыли фракций РМ10 и РМ2,5 в общей массе выбросов.
6. Для снижения пылевых выбросов в атмосферу при дроблении строительных отходов на полигоне разработана схема компоновки установки обеспыливания и получена аналитическая зависимость для оценки ее эффективности.
