21
CHƯƠNG III
KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ.
I- CHUYỂN ĐỔI VẬT CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ:
Theo định luật bảo toàn vật chất thì vật chất chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng
khác, di chuyển từ nơi này sang nơi khác chứ không tự sinh ra hay mất đi.
Giả thiết rằng ta có một khu vực nghiên cứu có một giới hạn nào đó, ví dụ như
không khí trong 1 căn ph
òng hay không khí trên 1 khu đô thị… Một chất theo dòng không
khí đi vào khu vực nghiên cứu sẽ xảy ra các tình huống:
-Bị tiêu hủy trong không gian đó (biến thành chất khác).
-Tích l
ũy lại trong không gian đó mà không thay đổi tính chất.
-Đi ra khỏi khu vực nghiên cứu mà không thay đổi tính chất.
Tuân theo quy luật bảo toàn vật chất ta có:
Lượng đi vào = lượng chất tiêu hủy + lượng chất tích lũy + lượng chất đi ra.
Trong tự nhiên, không phải chất nào cũng tuân thủ đúng các quá trình này. Do vậy,
chúng ta có các trường hợp sau:
A-Hệ thống bảo toàn vật chất ổn định:
Đây là trường hợp đơn giản nhất. Không gian nghiên cứu không xảy ra các trường
hợp tiêu hủy hay tích tụ chất ô nhiễm. Khi đó ta có:
Lượng chất đi vào = lượng chất đi ra. (16)
Trường hợp này chỉ xảy ra trong trường hợp hệ thống nghiên cứu không có hay có
khả năng tích lũy hay tiêu hủy chất ô nhiễm nhỏ không đáng kể.
-VD: không gian của 1 phòng A thông với phòng kế bên B và C. Không khí đi vào
phòng A từ phòng B với lưu lượng L
B
và nồng độ CO
2
là C
B

hóa học, sinh học nên lượng vật chất không được bảo toàn trong quá trình phát tán.
Khi đó biểu thức của hệ thống sẽ phải là:
Lượng đi vào = Lượng đi ra + Lượng bị tiêu hủy.
Nếu cho rằng chất ô nhiễm phân bố đồng đều trong không gian nghiên cứu và
lượng chất bị tiêu hủy tỷ lệ với lượng chất ô nhiễm có trong không gian nghiên cứu, ta có
thể viết như sau:
Lượng bị ti
êu hủy = K.C.V (18)
V
ới: K- hệ số tiêu hủy chất ô nhiễm luôn mang dấu âm (-)
C- n
ồng độ chất ô nhiễm trong không gian xét
V- thể tích không gian xét.
Xét biến thiên lượng chất ô nhiễm theo thời gian, ta có thể viết phương trình vi
phân:
(19)
C
L C L C
L
B B C C





CK
dt
dC

22

3
.
C-H
ệ thống không bảo toàn vật chất và không ổn định:
Trong thực tế chúng ta gặp rất nhiều mô hình trong điều kiện không ổn định, tức là
có s
ự lưu tồn chất ô nhiễm trong không gian xét. Bản thân sự phát thải chất ô nhiễm và
lượng không khí đi qua không gian xét liên tục biến đổi theo thời gian. Trong trường hợp
đó, người ta t
ìm cách đơn giản bài toán để có thể giải được. Mô hình toán của hệ thống
này có dạng cơ bản là:
Lượng đi vào = Lượng đi ra + Lượng lưu tồn + Lượng phân hủy.
II- CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SỰ KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM
TRONG KHÍ QUYỂN:
A/Các yếu tố khí hậu :
1-Ảnh hưởng của gió:
Gió gây ra các dòng chảy rối không khí ở lớp sát mặt đất. Nhờ có gió chất ô nhiễm
được khuếch tán rộng ra l
àm cho nồng độ chất ô nhiễm giảm xuống rất nhiều so với ban
đầu. Gió l
à nhân tố đặc biệt quan trọng trong việc khuếch tán bụi và hơi hóa chất nặng hơn
không khí.
Gió có th
ể khuếch tán chất ô nhiễm, làm giảm nồng độ ban đầu vì nó thường gây
các dòng chảy rối của không khí sát mặt đất. Khác với các dòng chảy tầng xuất hiện khi
gió yếu, dòng chảy rối của không khí được đặc trưng bằng việc xáo trộn các phần tử khí ở
các lớp sát cạnh nhau. Do các xáo trộn này, các phần tử chất ô nhiễm cũng được nhanh
chóng di chuyển sang các lớp không khí lân cận. Kết quả là sự khuếch tán chất ô nhiễm
mạnh mẽ hơn, hiệu quả hơn.
Phải ghi nhận rằng gió luôn luôn có xu hướng thay đổi chiều thổi tới và tốc độ

ài theo chiều gió tới một khoảng cách nào đó trên mặt đất ,tại đó gió
mới lấy lại được vận tốc và hướng cũ. Vùng xoáy quẩn này được gọi là vùng bóng rợp
khí động của tường chắn
.
Qua nghiên c
ứu, người ta đã xác định được bóng rợp khí động của tường chắn có
chiều cao h như hình vẽ sau:
Trong vùng bóng khí động, tốc độ di chuyển của gió rất nhỏ không khí trao đổi với
không khí vùng xung quanh kém dễ gây các hiện tượng tích tụ chất ô nhiễm.
H 2-1: Quy luật bóng khí động sau tường chắn.
L/h 1 2 3 4 5 6 7 8
H/h 1.7 2.1 2 1.8 1.2 0.7 0.4 0
Đối với nhà cửa đứng độc lập do có các ô văng, lỗ cửa thông gió nên quy luật của
bóng rợp khí động có phần nào thay đổi theo xu hướng giảm chiều cao và chiều xa của
vùng bóng rợp khí động.
Khi có nhiều công trình nối tiếp nhau theo chiều gió, công trình phía trước sẽ ảnh
hưởng đến công tr
ình phía sau. Quy luật của bóng rợp khí động cũng sẽ đổi khác.
Để xác định đúng bóng rợp khí động của nhà, người ta l
àm mô hình và xem xét trong ống
khí động hay máng thủy lực.
Sau đây là một vài trường hợp đơn giản đ
ã được nghiên cứu:
24
Nhà đứng độc lập có chiều ngang hẹp.
Nhà được coi là được đứng độc lập nếu phía đầu gió của ngôi nhà, công trình cao
nh
ất có khoảng cách tới nó tối thiểu là 8 tới 10 lần chiều cao. Phía dưới gió của ngôi nhà
kho
ảng 8 đến 10 lần chiều cao nhà không có ngôi nhà nào kế cận.

TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ
A. Phân loại các nguồn thải chất ô nhiễm:
1-Theo chiều cao nguồn thải chất ô nhiễm:
Nguồn thải thấp là nguồn thải đặt trong vùng bóng khí động của công trình hay
th
ấp hơn chiều cao giới hạn như sau:
-Với nhà có chiều ngang hẹp đứng độc lập: H
gh
= 0,36 x b
1
+ 2,5 x H
-V
ới nhà có chiều ngang rộng đứng độc lập:H
gh
= 0,36 x b
1
+ 1,7 x H
-V
ới nhóm nhà: H
gh
= 0,36 x( b
1
+ X ) + H
b
1
-Khoảng cách từ tường hậu tới nguồn thải
X-khoảng cách các nhóm nhà
H-chi
ều cao nguồn thải
Nguồn thải cao : là nguồn thải có H>Hgh

mặt đất, Taylor (1915) và Schmidt (1917) xây dựng lý thuyết khuếch tán chất khí và bụi lơ
lửng trong không khí với phương trình vi phân tổng quát như sau:
 
21



























C
zyx
Trong đó: C_ Nồng độ chất ô nhiễm trong không khí.
x,y,z_ Tọa độ điểm xét.
k_ Hệ số khuếch tán rối theo các phương x,y,z.
u_ Tốc độ gió.
26
Năm 1932, Sutton O.G dựa theo lý thuyết của Taylor và cho rằng sự phân bố nồng
độ chất ô nhiễm trong quá tr
ình lan toả tuân theo luật phân bố chuẩn Gauss và đưa ra kết
quả.
 
22exp
22
2
22
2
2
,,












 
 
 
23
4
1
exp
12
2
2
1
1
1
2/3
1
,















u - Vận tốc gió.

y
,
z
- Hệ số khuếch tán rối theo các phương y,z tương ứng với sai phương chuẩn
của hàm phân phối Gauss.
H - Chiều cao hiệu quả của ống khói.
Hệ số khuếch tán y, z là sai lệch chuẩn của hàm khuếch tán Gauss theo phương
ngang và đứng. Hệ số
y, z phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn thải và tính ổn định
của khí quyển. Hệ số này được xác định theo biểu đồ thực nghiệm của Gifford xây dựng
năm 1960.
Cấp ổn định của khí quyển được phân thành 6 cấp theo Turner như sau:
Ban ngày theo nắng chiếu Ban đêm theo độ mâyTốc độ gió
trên cao 10m
(m/s)
M
ạnh
(1)
Trung bình
(2)
Y
ếu
(3)
Nhi
ều mây
> cấp 4/8
Ít mây
 3/8


















































2
2
2
2
2
1
exp
zyzy
Hy
u
M


diễn thay đổi đó bằng biểu thức:
(27)
Trong đó : u
0
và u
1
tốc độ gió ở 2 điểm khác cao độ
z
o
và z
1
độ cao ở 2 điểm
p – Số mũ
Hệ số p cho mặt đất gồ ghề :
Cấp ổn định của khí quyển Diễn giải p
A Rất không ổn định 0.15
B Không ổn định điển hình 0.15
C Không ổn định nhẹ 0.2
p
oo
z
z
u
u







o
C/
100m
.( PHẠM NGỌC ĐĂNG)
-Trong thực tế có vài yếu tố ảnh hưởng tới hệ thống này là gió, địa hình và bức xạ
mặt trời.
-Khí quyển được coi là ổn định khi mà hệ số suy giảm nhiệt độ theo độ cao nhỏ
hơn hệ số suy giảm nhiệt độ đoạn nhiệt. Trong trường hợp n
ày một phần tử không khí
được sấy nóng l
ên, dãn nở ra và bay lên trên do tác dụng của áp suất thủy tĩnh. Phân tử đó
giảm nhiệt độ tuân theo hệ số suy giảm nhiệt độ đoạn nhiệt. Nhưng do hệ số suy giảm
nhiệt độ thực nhỏ hơn, nên tới lúc nào đó nhiệt độ của phần tử khí nhỏ hơn không khí
xung quanh, nó lại chuyển động theo chiều ngược lại. Kết quả là phần tử khí dao động lên
xu
ống ở mức nào đó.
-Khí quyển được coi là không ổn định khi hệ số suy giảm nhiệt độ theo chiều cao
lớn hơn hệ số suy giảm nhiệt độ đoạn nhiệt. Phần tử không khí bị nóng lên cứ tiếp tục bay
cao mãi.
-Khí quy
ển được coi là trung tính khi hai hệ số này bằng nhau.
Khi xác định được biến thi
ên nhiệt độ theo chiều cao của một vị trí, người ta có thể
xác định được độ cao xáo trộn cực đại của khu vực.
Độ cao xáo trộn cực đại : L
à chiều cao mà khối khí nóng có thể bay lên cho tới khi
nhiệt độ của khối khi bị giảm theo điều kiên đoạn nhiệt bằng với nhiệt độ không khí xung
quanh.
Bi
ến thiên nhiệt độ theo chiều cao bị thay đổi do một vài hiện tượng sau:

=120F
0,4
nếu F  55 m
4
/s
3
X
f
=50F
5/8
nếu F  55 m
4
/s
3
g – Gia tốc trọng trường ( m/s
2
).
r – Bán kính
ống thải ( m ).
V
s
– Vận tốc khí thải qua miệng ống ( m/s ) .
u – Tốc độ gió ở miệng ống thải ( m/s ).
T
k
– Nhiệt độ khí thải (
o
K ).
T
x

f
T
T
vrgF
u
XF
h
1
6,1
2
3/22/1
 
 
32
314,2
3/1















Cho ngu
ồn nguội , khi t  0 f > 100 m/s
2
.
0
C
(34)
Trong đó:
A – Hệ số điạ lý khu vực. A = 240
M – Lượng chất ô nhiễm thải g/s
F – Hệ số F=1 Khi thải chất ô nhiễm là khí
F=2 Khi th
ải bụi có hiệu quả lọc sạch không dưới 90%.
F=2,5 Khi thải bụi có hiệu quả lọc sạch 75~90%.
F=3 Khi thải bụi có hiệu quả lọc sạch 75%.
H – Chiều cao ống thải m
D – Đường kính miệng ống thải m
L – Lưu lượng khí thải m
3
/s
t – Chệnh lệch nhiệt độ khí thải .
o
C
m – H
ệ số không thứ nguyên .
n – H
ệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào v
m
.
Cho nguồn nóng có t > 0 f < 100 m/s



2
f0,34f0,10,67
1
m

