Forecasting the environmental effects of air pollution with landfill gas in residential areas

Cover Page

Abstract


In the article the prediction of ecological consequences of contamination of components of the landfill gas air to a residential building, located on the territory close to the landfill. A method for calculating the dispersion of landfill gas taking into account the influence of the building, based on the numerical solution of differential equations, heat transfer, Reynolds, exponential distribution, supplemented by corresponding models of turbulence, initial and boundary conditions. The technique allows to take into account the spatial heterogeneity of landfills and rolling pins as the source of the pollutant, as well as the process of penetration of polluted air into the interference. Performed software implementation and verification of the method on the example of the range “Novoselki” (Saint Petersburg) and the adjacent warehouse buildings and residential complex for the most unfavourable wind conditions taking into account the averaging over time. The ecological and toxicological analysis of landfill gas taking into account its main components, and also the analysis of carcinogenic and noncarcinogenic risk at chronic influence on the abstract person living in the room in which the air polluted by landfill gas penetrates is carried out. The results can be used to determine the amount of maximum permissible emissions of landfill gas components, the scale moat sanitary protection zones of landfills and dumps, detecting the identification of the most polluted places on the street and indoors, the health risk assessment of residents as a result of chronic action of toxic substances, the syndrome of “sick building” caused by penetration of contaminated air into the room through openings in the walling, the solution of applied problems of ecological safety of construction, housing and communal services and public health.


Введение. Свалочный газ представляет собой газовую смесь, образующуюся в результате разложения на полигонах и свалках твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО и ПО), представляющую опасность для окружающей среды. В составе свалочного газа помимо метана и углекислого газа могут присутствовать аммиак, бензол, сероводород, бенз(а)пирен, фенол, ксилол, диоксины, меркаптаны, эфиры, алкинбензолы и другие экотоксиканты. В условиях уплотнительной городской застройки расположение зданий, в том числе жилых и торговых комплексов, нередко оказывается в зоне негативного влияния полигонов и свалок. На практике соблюдение границ санитарно-защитных зон часто не обеспечивает соблюдение требований к качеству воздуха в застройке. В результате в зоне влияния полигонов создается неблагоприятная экологическая обстановка. Стандартная методика [1], действующая в настоящее время на территории РФ, а также ее прототип ОНД-86, реализованные в программном комплексе УПРЗА «Эколог», не учитывают процесс проникновения загрязненного воздуха в помещения, не предназначены для расчета рассеивания загрязняющих веществ от пространственно-неоднородных источников и прогнозирования экологических последствий загрязненности воздуха. Цель исследования - прогнозирование экологических последствий загрязненности воздуха свалочным газом в жилой застройке. Методы и результаты исследования. Расчет диффузии пассивной примеси концентрацией c, мг/м3, производится по уравнению ¶c ¶t + Ñ(cV - kxyz Ñc) ws ¶( c) ¶z = I , (1) → где t - время, с; V → = V (u; v; w) - вектор скорости движения воздуха, м/с; I - эмиссия вещества, мг/(м2с); kxyz = diag{kx; ky; kz} - кинематическая турбулентная вязкость, s м2/с; w→ - скорость оседания или подъема примеси в воздухе, м/с. При расчете поля скоростей движения наружного воздуха приняты допущения, что среда является изотермической и несжимаемой. Для расчетов применяются следующие подходы. 1. При большом удалении полигона от здания используется система уравнений Навье - Стокса для несжимаемой вязкой жидкости: V ⎡ ( Т ) ⎤ ⎧ ¶ ⎨ + r(V ×Ñ)V = Ñ h ÑV + ÑV - p ⎪r ¶t ⎣ ⎦, (2) ⎩ ⎪ÑV = 0 где ρ - плотность, кг/м3; η - динамическая вязкость, Па·с; p - давление, Па. Для определения турбулентной структуры потока система (2) дополняется метеорологической моделью турбулентности Дж. Смагоринского: ⎧⎪k ⎨ k x = ky = k = ÄxÄykбаз Äz 2 / Ä2 / Ä2 , (3) ⎩⎪ z баз где Δ - масштаб ячейки, м; kбаз - базовый коэффициент турбулентной вязкости, м2/с, определяемый по формулам ⎧⎪kф kбаз = ⎨ § eÄ2 Def 1- Ri / 2, Ri < 1 . (4) ⎪⎩kф, Ri ³ 1 Масштаб Δ прямоугольных ячеек размерами Δx, Δy, Δz определяется как: § при умеренной анизотропии сетки Ä = 3 ÄxÄyÄz; (5) § при сильной анизотропии сетки Δ = max{Δx; Δy; Δz}, (6) где kф = 1-15 м2/с; ε = 0,1-0,4 - константа Смагоринского; Def - диссипативная или деформационная функция: 2 ⎛ ¶u ⎞ 2 ⎛ ¶v ⎞ 2 ⎛ ¶w ⎞ 1 ⎡⎛ ¶v 2 ¶u ⎞ ⎛ ¶w 2 ¶v ⎞ ⎛ ¶u 2 ¶w ⎞ ⎤ Def = ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ + ⎢⎜ + ⎟ + ⎜ + ⎟ + ⎜ + ⎟ ⎥; (7) ⎝ ¶x ⎠ ⎝ ¶y ⎠ ⎝ ¶z ⎠ 2 ⎢⎣⎝ ¶x ¶y ⎠ ⎝ ¶y ¶z ⎠ ⎝ ¶z ¶x ⎠ ⎥⎦ Ri - критерий Ричардсона, определяемый по формуле Ri = g ¶ ⎛ Т ⎜ +[g ф (z) - ga ⎞ ]⎟ /[Def ]2 , (8) ¶z ⎝Tф ⎠ где γф(z) = -dTф/dz - градиент фоновой температуры, °/м; T - температура воздуха в расчетной точке, К; Tф - фоновая температура, К; γa = 0,01 °/м - адиабатический градиент; Ri » 0 при T » Tф. 2. При проведении аэродинамических расчетов непосредственно вблизи застройки модель Смагоринского может давать ложные результаты. В связи с этим вблизи препятствий формируются дополнительные расчетные подобласти (рис. 1), в которых для расчетов используется уравнение Рейнольдса, дополненное моделью турбулентности «k-ε»: ⎧ ¶V r0 + r0 (V ×Ñ)V = Ñ ⎡(h+ h )(ÑV + ÑV T )- p⎤ ⎪ ⎪ ¶t ⎣⎢ t ⎥⎦ ⎪ÑV = 0 ⎪ ⎪ ¶k Т 2 ⎪ ⎨r0 ¶t + r0V Ñk - Ñ[(h+ ht / sk )Ñk] = 0,5ht (ÑV + ÑV ) -r0e , (9) ⎪ ¶e e Т 2 e2 ⎪ ⎪r0 ¶t + r0V Ñe = Ñ[(h+ ht / se )Ñe] = 0,5Ce1 k ht (ÑV + ÑV ⎪h = r C k 2 / e ) -r0Ce2 k ⎩ t 0 m где k - кинетическая энергия турбулентности; ε - скорость диссипации турбулентности; Cη = 0,09; Cε1 = 1,44; Cε1 = 1,92; σk = 1; σε = 1,3. Кинематическая турбулентная вязкость определяется по выражению kxyz = ηt/ρ0. (10) Рис. 1. Построение дополнительной расчетной подобласти вблизи зданий [Figure 1. The construction of additional settlement subareas in close proximity to buildings] В помещениях зданий расчет вентиляционных течений производится с помощью системы уравнений Навье - Стокса и теплопроводности в приближении Буссинеска - Обербека: r0 ¶ + r0 (V ×Ñ)V = Ñ h(ÑV + ÑV )- p⎦ + r0 g[b (T -T0 ) -1] ⎧ ¶V ⎡ T ⎤ ⎣ t ⎪ ⎢ ⎥ T ⎪ ⎪ ¶Т ⎨rcp ¶t - Ñ(lÑT ) + rcpV ÑT = Q , (11) ⎪ ⎪ÑV = 0 ⎪ ⎩ где ρ0 - плотность воздуха, кг/м3, при некой равновесной температуре Т0, К; βT - коэффициент термического расширения воздуха, К-1; →g - ускорение свободного падения, м/с2; cp - изобарная теплоемкость, Дж/(кг К); l - коэффициент теплопроводности Вт/(м·К); Q - источник или сток тепла, Вт/м2. Для численного решения приведенных дифференциальных уравнений задаются соответствующие начальные и граничные условия. Влияние полигона или свалки как источника примеси определяется с помощью уравнения [2] I = 11574,07mZ/(TтеплVпол), (12) где m - эмиссия свалочного газа, т/год (рассчитывается по методике АКХ имени К.Д. Памфилова); Z - высота массива отходов, м; Ттепл - период года, дней, во время которого Tф > 273,15 К; Vпол - объем полигона или свалки, м3. Эмиссию веществ, поступающих в помещение за счет неплотности ограждающей конструкции (оконный блок), можно найти как [2] I = γcпритΔp/(ρнRu), (13) где γ - коэффициент пересчета разовой концентрации в среднесуточную [3]; сприт - разовая концентрация загрязняющего вещества в приточном воздухе, мг/м3; Δр - перепад давлений воздуха между наружной и внутренней поверхностями ограждающих конструкций, Па; ρн - плотность наружного воздуха, кг/м3; Ru - сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций, кг/(м2 с). Эмиссию загрязняющих веществ, поступающих в помещение через открытое окно или вентиляционный клапан, можно найти как c = γcприт. (14) На входной границе наружной расчетной области профиль скорости ветра задается уравнением Кармана: u = u*ln[(z - Нср + z0/C)/z0]/ς, (15) где u* - скорость ветра, м/с; Нср - средняя высота препятствий на пути ветра, м; z0 - шероховатость поверхности, м; ς = 0,4 - коэффициент Кармана; С - коэффициент сопротивления, м. Скорость поступления приточного воздуха принимается равномерной по всей площади оконного блока и определяется как Vi = Δp/(ρнRu). (16) Постановка задачи принята стационарной, ее решение выполняется с использованием метода установления. Программная реализация модели выполнена в среде ComsolMultiphysics 3.5a для наиболее неблагоприятного метеорежима для полигона «Новеселки» (г. Санкт-Петербург), на расстоянии 500 м от которого расположен автомобильный завод «Ниссан Мэнуфэкчуринг Рус», а на расстоянии 5 км - жилой комплекс «Дом на Нижне-Каменской улице» (рис. 2). Рис. 2. Расположение полигона «Новоселки», завода «Ниссан Мэнуфэкчуринг Рус» и жилого комплекса «Дом на Нижне-Каменской улице» [Figure 2. The location of the “Novoselki” landfill, plant “Nissan Manufacturing Rus” and residential complex “Apartment house on the Nizhne-Kamenskaya street”] 358 обсуждение. На рис. 3 приведены результаты расчетов концентраций аммиака и бензола в зоне влияния полигона «Новоселки». Более детальный результат расчетов концентраций аммиака и бензола вблизи жилого комплекса приведен на рис. 4. Расчеты загрязнения воздуха аммиаком и бензолом также произведены для помещений здания на первом этаже жилого дома с наветренной и подветренной сторон (рис. 5). Результаты расчетов приведены на рис. 6 и 7. Результаты расчетов концентраций сравнивались с замерами, произведенными с газоанализатором УГ-2. В табл. 1 сравнение разовых приземных концентраций в наружном воздухе приведено в долях ПДК максимальной разовой (ПДКмр), в табл. 2 - среднесуточных концентраций в центре помещения с наветренной стороны в долях ПДК среднесуточной (ПДКсс). Рис. 3. Поле разовых приземных концентраций аммиака (а) и бензола (б), мг/м3, в районе полигона «Новоселки» (11.03.2014) [Figure 3. Field of single surface concentrations ammonia (a) and benzene (б), mg per m3, near the landfill “Novoselk” (11.03.2014)] Рис. 4. Поле разовых приземных концентраций аммиака (а) и бензола (б), мг/м3, вблизи жилого комплекса (11.03.2014) [Figure 4. Field a single ground level concentrations ammonia (a) and benzene (б), mg per m3, near the residential compound (11.03.2014)] Рис. 5. Места расположения исследуемых помещений в многоквартирном доме: 1 - с наветренной стороны; 2 - с подветренной стороны [Figure 5. Locations of the studied premises in an apartment building: 1 - on the windward side; 2 - on the leeward side] Рис. 6. Поле среднесуточных концентраций аммиака (а) и бензола (б), мг/м3, в помещении с наветренной стороны (11.03.2014) [Figure 6. Field of average daily concentrations of ammonia (a) and benzene (б), mg per m3, in the room from the windward side (11.03.2014)] Рис. 7. Поле среднесуточных концентраций аммиака (а) и бензола (б), мг/м3, в помещении с подветренной стороны (11.03.2014) [Figure 7. Field of average daily concentrations of ammonia (a) and benzene (б), mg per m3, in the room from the leeward side (11.03.2014)] Значения разовых приземных концентраций компонентов свалочного газа в наружном воздухе, доли ПДКмр, полученные различными способами Таблица 1 Компонент свалочного газа ПДКмр [4] Вблизи складов автомобильного завода Вблизи жилого комплекса Экспериментальное Расчетное Экспериментальное Расчётное Аммиак 0,2 61,5 ± 15,4 75,0 24,5 ± 6,1 34,5 Бензол 0,3 39,7 ± 9,9 47,3 16,74 ± 4,2 1,7 Table 1 The value of a single near-surface concentrations of components of landfill gas in the outer air, the share of the maximum single MPC, obtained in different ways Component of landfill gas Maximum single MPC [4] Near the warehouses of the automobile plant Near the residential complex Experimental Calculated Experimental Calculated Ammonia 0.2 61.5 ± 15.4 75.0 24.5 ± 6.1 34.5 Benzene 0.3 39.7 ± 9.9 47.3 16.74 ± 4.2 1.7 Таблица 2 Значения среднесуточных концентраций компонентов свалочного газа в воздухе в центре помещения с наветренной стороны, доли ПДКсс, полученные различными способами Компонент свалочного газа ПДКсс [4] Значения, доли ПДКсс Экспериментальное Расчетное Аммиак 0,04 32,5 ± 8,1 32,5 Бензол 0,1 10,0 ± 2,5 12,0 Table 2 The average daily concentrations of landfill gas components in the air in the center of the room from the windward side, the proportion of MPC average daily, obtained in various ways Component of landfill gas MPC average daily [4] Values of the share of the average daily MPC Experimental Calculated Ammonia 0.04 32.5 ± 8.1 32.5 Benzene 0.1 10.0 ± 2.5 12.0 Теперь проанализируем последствия загрязненности воздуха свалочным газом в застройке. При длительном воздействии на человеческий организм метан способен вызывать асфиксию, изменение кровяного давления и головную боль [5]. Углекислый газ у человека и животных также способен вызывать асфиксию и кроме того возбуждающе действовать на дыхательные центры в головном мозге, что приводит к увеличению частоты и глубины дыхания [6]. Аммиак у людей и животных в больших концентрациях способен вызывать раздражение дыхательных путей, пульмонологические заболевания, тошноту, рвоту, повышенную нервную возбудимость, бессонницу и т.д. Сероводород при длительном вдыхании вызывает головную боль, слезотечение, раздражение в носу, при длительном воздействии - усталость, тошноту, головную боль [5]. Перечисленные симптомы, наблюдаемые у жильцов исследуемого дома, являются наиболее типичными при возникновении синдрома «больного здания». При этом без проведения соответствующих расчетов или замеров будет достаточно трудно установить истинную причину его появления и развития, так как некоторые компоненты свалочного газа не имеют запаха или имеют высокий обонятельный порог чувствительности (кроме аммиака и сероводорода). Оценить неканцерогенный риск R при хроническом воздействии экотоксикантов можно с помощью беспороговой модели воздействия [4]: bC R = 1- 0,84 K зПДК сс , (17) где С - среднесуточная концентрация загрязняющего вещества, мг/м3; b - коэффициент изоэффективности, величина которого зависит от класса опасности вещества (b = 2,4 для 1 класса, b = 1,31 для 2 класса, b = 1 для 3 класса, b = 0,86 для 4 класса); Kз - коэффициент запаса, величина которого зависит от класса опасности вещества (Kз = 7,5 для 1 класса, Kз = 6 для 2 класса, Kз = 4,5 для 3 класса, Kз = 3 для 4 класса). Некоторые компоненты биогаза, например бензол, обладают канцерогенным действием. Оценить индивидуальный канцерогенный риск CR которых можно, дополнив построенную математическую модель следующим уравнением [5] CR = 1 - e-SF·LADD, (18) где SF - фактор канцерогенного потенциала, кг день/мг; LADD - среднесуточная доза в течение жизни, мг/(кг день), определяемая как LADD = c × CR × ED × EF , 365BW × AT (19) где c - концентрация вещества в загрязненной среде, мг/м3; CR - скорость поступления воздействующей среды (воздуха), м3/день; ED - продолжительность воздействия, лет; EF - частота воздействия, дней/год; BW - масса тела человека, кг; AT - период усреднения экспозиции (для канцерогенов AT = 70 лет). Расчет рисков по имеющимся полям концентраций компонентов биогаза выполнен в программной среде Surfer 11. В качестве примера на рис. 8 и 9 приведе- ны результаты расчетов для исследуемого помещения с наветренной стороны. При этом для расчета канцерогенного риска, вызванного парами бензола при ингаляционном воздействии, рассматривается среднестатистический абстрактный взрослый житель массой 70 кг, вдыхающий 20 м3 воздуха в день на протяжении 337 дней в году (предполагается, что отпуск жилец проводит вне дома), проживающий в квартире в течение 70 лет. Рис. 8. Распределение неканцерагенного риска при хроническом воздействии аммиака (а) и бензола (б) в помещении с наветренной стороны (центральный разрез вдоль помещения) [Figure 8. Distribution of non-carcinogenic risk in chronic exposure to ammonia (a) and benzene (б) in the room from the windward side (central incision along the room)] Рис. 9. Распределение канцерогенного риска, вызванного парами бензола при ингаляционном воздействии в помещении с наветренной стороны (центральный разрез вдоль помещения) [Figure 9. Distribution of carcinogenic risk caused by benzene vapors under inhalation exposure in the room from the windward side (central incision along the room)] В помещении с подветренной стороны диапазон канцерогенного риска допустим для профессиональных групп, но не допустим для жильцов (10-4 < CR < < 10-3) [7]. Диапазон неканцерогенного риска при хроническом воздействии аммиака и бензола не приемлем ни для профессиональных групп, ни для жильцов (R > 10-3) [7]. Заключение. В данной работе выполнено прогнозирование экологических последствий загрязненности воздуха свалочным газом в жилой застройке. Использование предложенной методики расчета позволяет выявить наиболее загрязненные места, выполнить оценку экологических последствий загрязненности воздуха, рассчитать величину предельно допустимого выброса (ПДВ), размеров санитарно-защитных зон, что представляет практическую значимость в решении задач экологической безопасности строительства, ЖКХ, общественного здравоохранения.

Arthur Valerevich Sauts

Saint-Petersburg University of Management Technologies and Economics

Author for correspondence.
Email: mining_expert@mail.com
SPIN-code: 5191-0602
44 Lermontovsky prospect, litera A, Saint Petersburg, 190103, Russian Federation

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Marketing and Social Communications Department, Private Educational Institution of Higher Education “Saint Petersburg University of Management Technologies and Economics”.

  • Order of the Ministry of Natural Resources and Environment of the Russian Federation of June 06, 2017 No. 273 On approval of calculation methods for dispersion of emissions of harmful (polluting) substances in the atmospheric air.
  • Sauts AV. Ensuring environmentally safe air regime of buildings located near landfills for solid household and industrial waste (dissertation of cand. tech. sciences). Saint Petersburg; 2014.
  • Teverovsky EI, Ternovsky IA. Permissible emissions of radioactive and harmful chemicals into the surface layer of the atmosphere. Moscow: Energoatomizdat Publ.; 1980.
  • Hygienic standard GN 2.1.6.3492-17. Maximum Permissible Concentrations (MPCs) of Pollutants in the Air of Urban and Rural Settlements.
  • Balakhchina TK. Assessment of the impact of landfill gas from solid waste landfills on humans. Physiology. The medicine. Human ecology. 2012;(2): 41—57.
  • Lazarev N, Levina E et al. Harmful substances in industry. Handbook for chemists, engineers and doctors. 7th ed., trans. and add: in 3 vol. Vol. III. Inorganic and elemental substances. Leningrad: Chemistry Publ.; 1977.
  • Plugotarenko NK, Chizhova VI, Petrov VV et al. Application of risk assessment techniques for environmental quality analysis. Technosphere Safety Technologies. 2014;2(54). http://www.agps2006.narod.ru/ttb/2014-3/30-03-14.ttb.pdf (access date: 25.03.2018).
  • Guideline R 2.1.10.1920-04. Guidelines for assessing the risk to public health from exposed chemicals that pollute the environment.

Views

Abstract - 102

PDF (Russian) - 75

PlumX


Copyright (c) 2018 Sauts A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.