Для обеспечения требуемого уровня экологической безопасности объектов городского хозяйства необходимо проводить комплекс мероприятий по контролю и мониторингу их состояния [5,10], а также изучать закономерности формирования различных факторов, оказывающих негативное воздействие на элементы окружающей среды [3, 6, 9]. Состояние атмосферного воздуха в современных городах является одним из наиболее важных факторов, определяющих уровень экологической безопасности городских территорий [5]. Нормирование запыленности атмосферного воздуха городских территорий предусматривает ограничение максимально разового, среднесуточного и среднегодового состояния содержания пыли в атмосфере. Причем, начиная с 2010 г. нормируется содержание не только общей концентрации пыли, но и отдельно содержание мелкодисперсных частиц с размером менее 10 мкм (PM10) и менее 2,5 мкм (PM2,5) (ГН 2.1.6.2604-10).
Содержание пылевых частиц, как в атмосферном воздухе, так и в воздухе помещений, существенно различается по своим характеристикам (концентрация, размеры частиц, физические, химические и биологические характеристики пыли) для различных территорий и зданий даже в пределах одного населенного пункта [4, 7, 8, 11, 14, 15]. Одним из наиболее значительных источников формирования запыленности территорий современных городов являются промышленные предприятия. Нами проводятся исследования вклада предприятий по производству хлебобулочных изделий в общую запыленность прилегающих территорий [12]. Актуальность данных исследований обусловлена тем, что:
данные предприятия располагаются практически во всех городах;
– пищевая пыль помимо традиционного фиброгенного действия на органы дыхания, при попадании в организм способна оказывать также и биологическое воздействие.
В данной работе представлены экспериментальные исследования аэродинамических характеристик пищевой пыли (отобранной в зоне действия хлебокомбината). Исследования основных свойств пылевых частиц позволяют обосновывать подбор пылеулавливающего оборудования для конкретного производства, а следовательно, существенно уменьшать поступление пыли в атмосферный воздух.
Результаты исследования и их обсуждение
Определение аэродинамических характеристик пыли необходимо при проектировании конструктивных особенностей пылеулавливающих аппаратов для достижения их максимальной эффективности.
К основным аэродинамическим параметрам пыли относятся эквивалентный диаметр пылевых частиц, геометрический коэффициент формы, скорость витания пылевых частиц, скорость оседания и т.п. Эквивалентный диаметр пылевой частицы неправильной формы представляет собой диаметр шара с объемом равным объему исследуемой частицы, или же диаметр круга с площадью равной площади проекции пылевой частицы. Эквивалентный диаметр вычисляется по формуле
, (1)
где Vч – объем вещества пылевой частицы.
В пылеулавливании размеры пылевых частиц характеризуют величиной, которая определяет скорость ее осаждения. Данной величиной является седиментационный диаметр частицы, то есть диаметр шара, значения скорости осаждения и плотности которого равны скорости осаждения и плотности пылевой частицы неправильной формы [13].
Коэффициент формы пылевой частицы kф показывает разницу между ее фактическим размером dф и эквивалентным диаметром пылевой частицы dф:
kф = dф/dэ. (2)
Скорость витания пылевой частицы представляет собой скорость потока, при которой частица будет находиться в равновесии [13].
Исследование аэродинамических свойств частиц пыли выполнялось при использовании метода двойного пофракционного оседания с последующим анализом ее дисперсного состава и построением зависимостей скорости оседания от эквивалентного диаметра частицы пыли в вероятностно-логарифмической сетке.
Данный метод основывается на диспергировании анализируемой пробы измельченного материала в верхней части столба дисперсионной среды. Фракции наиболее тяжелых и крупных частиц из верхнего слоя дисперсионной среды выпадают в первую очередь. Пройдя за определенное время (τ высоту столба (Н), они оседают на дне седиментационного цилиндра. Скорость оседания частиц определяется по формуле
ω = Н/τ. (3)
Зная скорость оседания, всегда можно найти наименьший диаметр осевших к моменту τ частиц и по массе осадка определить процент частиц с диаметром меньше δ.
Перед выполнением эксперимента пыль, отобранная на территории хлебокомбината, просушивалась, взвешивались пробы по 50 мг, наносились на чистый лист бумаги и равномерно по нему распределялись. Навеску исследуемой пыли, равномерно распределённую по листу бумаги, пропускали через верхнюю часть седиментационного цилиндра, где под действием силы тяжести частицы оседали в неподвижном воздухе. Частицы с различной скоростью падения оседали на бумажной ленте, уложенной на ленточный транспортер. Лента транспортера рывком перемещалась на величину диаметра седиментационного цилиндра за равные промежутки времени, которые составляют 2, 4, 6, 8, 10, 12 секунд. После каждого опыта производилось определение массы осевшей пыли. Затем выполнялся анализ дисперсного состава пыли, выделяющейся на предприятии по производству хлебобулочных изделий методом микроскопии [1, 2]. С помощью компьютерной программы по площади, занимаемой пылевидной частицей, рассчитывается её медианный диаметр и определяется количество частиц различного размера. Математическая обработка полученных результатов выполнялась в соответствии с методикой [2].
Результаты цифрового фотографирования увеличенных под микроскопом частиц пыли до и после обработки программой AdobePhotoShop 4.0 представлены на рис. 1–6.
Рис. 1. Пылеоседание частиц через 2 с
Рис. 2. Пылеоседание частиц через 4 с
Рис. 3. Пылеоседание частиц через 6 с
Рис. 4. Пылеоседание частиц через 8 с
Рис. 5. Пылеоседание частиц через 10 с
Рис. 6. Пылеоседание частиц через 12 с
Рис. 7. Интегральные кривые массы частиц пыли по диаметрам, представленные в вероятностно-логарифмической сетке: n – для частиц пыли, представленных на рис. 1; n – для частиц пыли, представленных на рис. 2; n – для частиц пыли, представленных на рис. 3; n – для частиц пыли, представленных на рис. 4; n – для частиц пыли, представленных на рис. 5; n – для частиц пыли, представленных на рис. 6
Скорости витания частиц
|
Время, с |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
|
d50, мкм |
123,3 |
103,9 |
103 |
70,5 |
42 |
38 |
|
Скорость витания, м/c |
0,74 |
0,37 |
0,25 |
0,19 |
0,148 |
0,12 |
Результаты анализа дисперсного состава пыли, осевшей за различные периоды времени, представлены в виде интегральных кривых массы частиц по диаметрам в вероятностно-логарифмической сетке на рис. 7.
Таким образом, медианный диаметр частиц пыли, осевших через 2 с, составляет 123,3 мкм; через 4 с – 103,9 мкм; через 6 с – 103 мкм; через 8 с – 70,5 мкм; через 10 с – 42 мкм; через 12 с – 38 мкм. Результаты расчетов, скорости витания частиц, выполненные по формуле (1), сведены в таблицу.
На основании представленных результатов исследований установлено, что крупность оседающих пылевых частиц с течением времени уменьшается. Учитывая данные распределения частиц пыли по диаметрам, представленные в работе [12], можно сделать вывод, что более мелкие частицы пыли, прежде всего относящиеся в фракциям РМ10 и РМ2,5, способны распространяться на значительные расстояния от источников загрязнения, таким образом, проектируя пылеулавливающее оборудование, следует обращать особое внимание на улавливание данных частиц для предотвращения их поступления в атмосферный воздух. Таким образом, при уточнении границ санитарно-защитных зон данных предприятий необходимо учитывать возможные распространения мелкодисперсной пыли на значительные удаления от источников загрязнения.
Выводы
1. При проектировании конструкции пылеулавливающих устройств для предприятий по производству хлебобулочных изделий необходимо учитывать аэродинамические характеристики пыли (эквивалентный диаметр, геометрический коэффициент формы, скорость витания частицы и т.п.), с целью повышения их эффективности и снижения запыленности атмосферного воздуха.
2. Крупность оседающих пылевых частиц со временем уменьшается. Таким образом, более крупные пылевые частицы содержатся в атмосферном воздухе на прилегающей к источнику загрязнения территории, более мелкие фракции, представляющие наибольшую опасность для здоровья человека, способны распространяться на значительные расстояния от источника загрязнения.
3. Одним из основных требований к пылеулавливающему оборудованию должна быть его способность улавливать мелкодисперсную пыль.
4. При определении санитарно-защитной зоны для предприятий по производству хлебобулочных изделий рекомендуется учитывать аэродинамические характеристики пищевой пыли.