Obliczenia emisji z oczyszczalni ścieków

    emisja oczyszczalnia ściekówNiektóre obiekty oczyszczania ścieków mogą stanowić źródło emisji do powietrza atmosferycznego o istotnej skali, od kilku do kilkuset ton rocznie. Poniżej opisujemy metodologię obliczeń emisji z oczyszczalni ścieków przemysłowych zawierających związki organiczne. Przedstawiony model obliczeniowy US EPA (AP-42 „Waste Water Collection, Treatment And Storage”) jest obecnie najbardziej zaawansowanym spośród dostępnych algorytmów uniwersalnych, które pozwalają na wyznaczenie emisji z wielu różnych rodzajów obiektów na podstawie parametrów ich pracy oraz rodzajów i stężeń zanieczyszczeń zawartych w ściekach. Model emisji US EPA pozwala na ustalenie indywidulanej szybkości ulatniania poszczególnych substancji. Szybkość ta zależy od następujących czynników:

    • stężenia substancji w ściekach,
    • własności fizykochemicznych związków (min. szybkości dyfuzji w fazie ciekłej i gazowej),
    • parametrów fizycznych określanych odrębnie dla każdego elementu instalacji, takich jak:
      • powierzchnia zbiornika,
      • głębokość,
      • charakter pracy (zbiornik przepływowy, zbiornik opróżniany okresowo),
      • czas retencji,
      • temperatura,
      • strumień objętości ścieków,
    • prędkości wiatru.

    Metodyka US EPA uwzględnia również mechanizmy hamujące emisję substancji do atmosfery, takie jak obecność filmu olejowego na powierzchni ścieków oraz mechanizmy „konkurencyjne” do dyfuzji i konwekcji, to jest biodegradację substancji.

    Do źródeł, z których emisję można wyznaczyć za pomocą modelu US EPA należą takie układy oczyszczalni ścieków jak komory zbiorcze, separatory tłuszczów i olejów, osadniki, komory czerpne, komory denitryfikacji i nitryfikacji, zbiorniki sedymentacyjne oraz zbiorniki uśredniające i otwarte kanały ściekowe.

    Algorytm US EPA obejmuje następujące kroki:

    KROK 1.  Ustalenie wzorów do obliczenia emisji.
    KROK 2.  Ustalenie parametrów każdego zbiornika i parametrów ścieków.
    KROK 3.  Ustalenie parametrów fizyko-chemicznych zanieczyszczeń zawartych w ściekach.
    KROK 4.  Obliczenie współczynników wnikania masy.
    KROK 5.  Obliczenie emisji.

    KROK 1: Ustalenie wzorów do obliczenia emisji

    Algorytm wyboru wzorów obliczeniowych przedstawia poniższy schemat. Według algorytmu określa się wzór dla każdego zbiornika oczyszczalni oraz każdego kanału otwartego.

    oczyszczalnia ścieków emisja obliczenia

    W poniższej tabeli przedstawiono kilka przykładów klasyfikacji zbiorników oczyszczalni stanowiących źródła emisji niezorganizowanej do powietrza:

    Źródło emisji
    Klasyfikacja zbiornika
    Zbiornik napowietrzany
    Zbiornik biologicznie aktywny
    Obecność warstwy oleju na powierzchni ścieków
    Zbiornik przepływowy
     Separator oleju
    TAK
    NIE
    TAK
    TAK
     Komora zbiorcza
    NIE
    NIE
    NIE
    TAK
     Osadnik wstępny
    NIE
    TAK
    NIE
    TAK
     Zbiornik wyrównawczy
    NIE
    TAK
    NIE
    TAK
     Reaktor denitryfikacji
    NIE
    TAK
    NIE
    TAK
     Reaktor nitryfikacji
    TAK
    TAK
    NIE
    TAK
     Osadnik wtórny
    NIE
    TAK
    NIE
    TAK
     Zbiornik wyrównawczy
    NIE
    TAK
    NIE
    TAK
     Kanał ścieków oczyszczonych
    NIE
    TAK
    NIE
    TAK


    Dalszy sposób postępowania przedstawiamy na przykładzie obliczeń emisji fenolu z jednego z układów oczyszczalni - komory zbiorczej.

    Przykładowa komora zbiorcza jest zbiornikiem przepływowym, nienapowietrzanym, bez warstwy oleju na powierzchni ścieków i biologicznie nie­akty­wnym. Ścieżkę określenia wzorów ilustruje poniższy rysunek.

    obliczenia emisji z oczyszczalni ścieków

    Zgodnie z klasyfikacja EPA dla przykładowej komory zbiorczej właściwe jest zastosowanie następujących wzorów:

    • indywidualny współczynnik przenikania masy w fazie ciekłej (kl [m/s]): zależność nr 1,
    • indywidualny współczynnik przenikania masy w fazie gazowej (kg [m/s]): zależność nr 2,
    • współczynnik przenikania masy składnika z fazy ciekłej do fazy gazowej (K [-]): zależność nr 7,
    • emisja substancji do powietrza (E [g/s]): zależność nr 12.

    KROK 2: Ustalenie parametrów zbiornika i parametrów ścieków

    Przykładową komorę zbiorczą oraz przepływające przez nią ścieki charakteryzują następujące parametry:

    Symbol parametru
    Nazwa parametru
    Jednostka
    Wartość
    Komora zbiorcza
    Q
     Strumień objętości ścieków
    m3/s
    1,0
    D
     Głębokość zbiornika
    m
    10
    A
     Powierzchnia zbiornika 
    m2
    200
    Co, fenol
     Stężenie początkowe fenolu w fazie ciekłej
    g/m3
    4,0
    T
     Temperatura ścieków
    K
    301


    KROK 3: Ustalenie parametrów fizyko-chemicznych zanieczyszczeń zawartych w ściekach

    Dane o właściwościach fizyko-chemicznych fenolu, powietrza, wody oraz pozostałe para­metry niezbędne do wyznaczenia wielkości emisji przyjęto zgodnie z tabelą 4.3-4 zawartą w doku­mencie Waste Water Collection, Treatment And Storage EPA-AP42:

    Symbol parametru
    Nazwa parametru
    Jednostka
    Wartość
    Fenol
    Dw, fenol
     Współczynnik dyfuzji fenolu w wodzie 
    cm2/s
    9,10 x 10-6
    Da, fenol
     Współczynnik dyfuzji fenolu w powietrzu
    cm2/s
    8,20 x 10-2
    H, fenol  
     Stała Henry’ego dla fenolu
    atm-m3/mol
    4,54 x 10-7

     

    Symbol parametru
    Nazwa parametru
    Jednostka
    Wartość
    rL
     Gęstość wody
    g/cm3
    1,0
    mL
     Lepkość wody
    g/cm-s
    8,93 x 10-3
    ra
     Gęstość powietrza
    g/cm3
    1,20 x 10-3
    ma
     Lepkość powietrza
    g/cm-s
    1,81 x 10-4
    Dether
     Współczynnik dyfuzji eteru w wodzie
    cm2/s
    8,50 x 10-6
    R
     Uniwersalna stała gazowa
    atm-m3/gmol-K
    8,21 x 10-5


    KROK 4: Obliczenie współczynników wnikania masy:

    Indywidualny współczynnik wnikania masy fenolu w fazie ciekłej kl (zależność nr 1):

    kl = (2.78 × 10-6)(Dw, fenol/Dether)2/3

    kl = (2.78 × 10-6)( 9,10 × 10-6 / 8,50 × 10-6)2/3

    kl = 2,91 × 10-6 m/s

    Indywidualny współczynnik wnikania masy fenolu w fazie gazowej kg (zależność nr 2):

    kg = (4.82 × 10-3)(U10)0.78 (ScG)-0.67 (de)-0.11; gdzie :

    ScG  - liczba Schmidta (faza gazowa) dla fenolu

    ScG = μa/(raDa, fenol) = 1,81 × 10-4 / (1,20 × 10-3 × 8,20 × 10-2) = 1,84

    de (średnica efektywna (zastępcza)) = 2(A/p)0.5 = 2(200/p)0.5 = 15,96 m

    kg  = (4.82 × 10-3)(3,0)0.78 (1,84)-0.67 (15,96)-0.11

    kg = 5,57 × 10-3 m/s

    Stała równowagi między fazą gazową, a fazą ciekłą K (zależność nr 7):

    K = (kl Keq kg) / (Keq kg + kl ); gdzie :

    Keq (współczynnik podziału)

    Keq = H, fenol   /(RT) = 4,54 × 10-7 / (8,21 × 10-5  × 301) = 1,84 × 10-5

    K = (2,91 × 10-6  × 1,84 × 10-5 × 5,57 × 10-3) / (1,84 × 10-5 × 5,57 × 10-3 + 2,91 × 10-6)

    K = 9,9 × 10-8 m/s

    W analogiczny sposób postępuje się z każdą z substancji znajdujących się w ściekach. Należy ustalić indywidu­alne współ­czyn­niki wnikania masy w fazie ciekłej (kl) i w fazie gazowej (kg), które wykorzystuje się do wyznaczenia stałych równowagi (K) między fazą gazową i ciekłą.

    KROK 5: Obliczenie emisji fenolu z komory zbiorczej (zależność nr 12)

    E,fenol (g/s) = K CL A ; gdzie :

    C(stężenie fenolu w fazie ciekłej, g/m3)

    CL = Q Co, fenol/(KA + Q) = 1,0 × 4,0 / (9,9 × 10-8 × 200 + 1,0) = 4,0 g/m3

    E,fenol = 9,9 x 10-8 × 4,0 × 200

    E,fenol = 7,9 × 10-5 g/s, co odpowiada 0,00028 kg/h.

    Emisja fenolu z przykładowej komory zbiorczej oczyszczalni wynosi 0,00028 kg/h. Roczna emisja fenolu z tego źródła wynosi 0,0025 Mg/rok. Przykład zbiornika wybranego do prezentacji metody US EPA charakteryzuje niska skala emisji, wynikająca z własności fizyko-chemicznych fenolu, niewielkiego stężenia substancji w ściekach oraz parametrów pracy zbiornika. Emisje o dużej skali charakteryzują ścieki o wysokiej koncentracji substancji o dużej wartości stałej równowagi między fazą gazową, a fazą ciekłą (K) oraz zbiorniki o dużych powierzchniach lub zbiorniki o dużych przepływach i silnym napowietrzaniu ścieków.

    W analogiczny sposób do przedstawionego powyżej przykładu wykonuje się obliczenia emisji z każdego ze zbiorników lub kanałów oczyszczalni oraz dla każdej substancji znajdującej się w ściekach w stężeniu mogącym powodować emisję do powietrza.

    Modele uproszczone

    Oprócz przedstawionego modelu US EPA w literaturze dostępnych jest wiele modeli uproszczonych do obliczania / szacowania emisji z oczyszczalni ścieków, między innymi metoda T.T. Shena. Niektóre z dostępnych modeli wielokrotnie zawyżają wielkość emisji do powietrza. Przed zastosowaniem modelu uproszczonego zalecamy co najmniej sprawdzenie warunku logicznego, zgodnie z którym obliczona emisja nie powinna być większa niż masa substancji zawarta w ściekach, odpowiadająca iloczynowi strumienia ścieków i stężenia początkowego.

    Modelowanie retrospektywne, iteracje

    Jedną z ogólnych metod wyznaczania emisji niezorganizowanej są obliczenia na podstawie stężeń substancji w powietrzu (imisji) wykonanych w ściśle określonych warunkach meteorologicznych, w pewnej odległości od źródła emisji. Uzyskanie minimalnego, akceptowanego poziomu wiarygodności obliczeń z zastosowaniem metodyki zawartej w rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 r. w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu (Dz.U. Nr 16, poz. 87) wymaga spełnienia poniższych warunków:

    • uzyskanie wyników pomiarów imisji dla stanu ustalonego (model smugi ustalonej) dla:
    • jednego kierunku wiatru,
    • stałej prędkości wiatru,
    • danych o stanie równowagi atmosfery (jeżeli nie jest możliwe oszacowanie na podstawie obserwacji wysokości podstawy chmur, analiza profilu temperatury za pomocą SODARu RASS),
    • wykluczenie zatarcia obrazu imisji przez oddziaływanie innych źródeł, według zaleceń normy PN-EN 15445 Niekontrolowana i rozproszona emisja w sektorze przemysłowym – Ocena źródeł emisji pyłu z zastosowaniem odwróconego modelowania dyspersji (RDM); EN 15445:2008 Fugitive and diffuse emissions of common concern to industry sectors – Qualification of fugitive dust sources by Reverse Dispersion Modelling.

    W artykule wykorzystano zdjęcia na licencji 123rf.com

    Aktualności
    • 07
      styczeń
      Strony portalu uzupełniliśmy o artykuł z metodologią sprawdzania substancji pod kątem wartości odniesienia. Obejmuje ona postępowanie w trzech krokach: - sprawdzenia nr CAS (strona pozwala na przeszukiwanie;  wszystkie wartości zostały wpisane bezbłędnie) - weryfikacji względem 13 grup, dla których nie określono nr CAS - weryfikacji potrzeby stosowania kilku kryteriów dla jednej emisji (np. dla pyłu i żelaza w przypadku pyłu ze szlifowania stali) Artykuł zawiera również komentarze wiążące wartości odniesienia z dopuszczalnymi poziomami substancji w powietrzu.
    • 22
      grudzień
      Wydawca magazynu Biomasa przy wsparciu ekspertów i analityków branży biogazowej i OZE opublikował syntetyczny raport o aktualnym stanie polskiego rynku biogazu, obejmujący 4 kluczowe obszary uwarunkowań: prawnych, gospodarczych, finansowych i substratów. W raporcie oceniono sytuację w szerokim spektrum biogazowni, w tym w rolnictwie, biogazu ze składowisk komunalnych i oczyszczalni ścieków. Raport zawiera wyjątkowo cenne analizy trendów, zarówno parametrów technologicznych, między innymi rodzajów i struktury substratów oraz efektywności produkcji, jak i uwarunkowań realizacji inwestycji i optymalizacji zysków. „Biogaz w Polsce – raport 2020” jest bezpłatnym opracowaniem, które można pobrać ze strony: https://magazynbiomasa.pl/biogaz-w-polsce-raport-2020-dzis-premiera-publikacji/ © Magazyn Biomasa
    • 10
      listopad
      Obwieszczenie Ministra Klimatu z dnia 9 września 2020 r. w sprawie wysokości stawek opłat za korzystanie ze środowiska na rok 2021 (M. P. poz. 961) zostało sprostowane.  Poprawiono błąd braku stawki dla spalania paliw w silnikach spalinowych (załącznik nr 2 tabela D lp. 32) „silniki w innych pojazdach samochodowych o dopuszczalnej masie całkowitej do 3,5 Mg i w motorowerach”. Zamiast braku stawki dla oleju napędowego ON (kolumna 7) obowiązuje stawka 22,21 zł. Obwieszczenie Prezesa Rady Ministrów z dnia 2 listopada 2020 r. o sprostowaniu błędu dostępne jest na stronie: https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=WMP20200001015
    NEWSLETTER:
    Jeśli chcesz otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach zapisz się
     
    DPF SNCR EcoeXhaust oczyszczanie spalin
    emisje KOBiZE i opłaty za korzystanie ze środowiska za 2020 rok - warsztaty on-line
    Warsztaty doskonalące z obliczeń rozprzestrzeniania zanieczyszczeń w powietrzu
    Operat FB
    targi EKOTECH 24-25.02.2021

    Terminy najbliższych warsztatów:

    Data
    Godzina
    19.01.2021 r.
    800 ÷ 1600
    26.01.2021 r.
    800 ÷ 1600   brak miejsc
    27.01.2021 r.
    termin dodatkowy
    800 ÷ 1600   brak miejsc
    28.01.2021 r.
    termin dodatkowy
    800 ÷ 1600
    02.02.2021 r.
    800 ÷ 1600
    09.02.2021 r.
    800 ÷ 1600


    Warsztaty z obliczeń emisji za rok 2020
    Warsztaty z modelowania stężeń

    Zobacz komunikaty JRC / US EPA / EEA / NIK / ETO / GDOŚ / GIOŚ / WIOŚ / IOŚ / MKiŚ:

    U.S. EPA [PFAS] EPA Takes Action to Investigate PFAS Contamination (14.01.2021)

    U.S. Epa - United States and Toyota Motor Company reach agreement for decade-long noncompliance with clean air act reporting requirements (14.01.2021)

    U.S. EPA [ryzyko awarii przemysłowych] Big West Oil, LLC resolves chemical risk management violations at North Salt Lake facility Company corrects Clean Air Act deficiencies to reduce risk of accidental release of flammable mixtures and hydrofluoric acid (14.01.2021)

    MKiŚ: Konsultacje społeczne w ramach przeglądu dyrektywy w sprawie emisji przemysłowych (11.01.2021)

    WIOŚ: Pożar w zakładach chemicznych Synthos (08.01.2021)

    U.S. EPA [czterochloroetylen i n-metylopirolidon] EPA Seeks Small Business Input on Risk Management Rulemakings for Perchloroethylene and n-Methylpyrrolidone (05.01.2021)

    NIK: Kogo NIK skontroluje w 2021 r. [kontrola funduszy szkoleniowych i audyt systemu dofinansowań programu „Czyste powietrze” (04.01.2021)

    EPA [emisje z transportu]: EPA Increases Clarity, Eases Implementation of Heavy Duty Vehicle Regulations while Proposing further Improvements (28.12.20202)

    U.S. EPA [redukcja emisji CO2]: Trump EPA Finalizes First Greenhouse Gas Emissions Standards for Aircraft, Codifies Record of Reducing the Most GHGs in U.S. History (28.12.20202)

    EPA [standardy ozonu w powietrzu]: EPA Finalizes Ozone NAAQS, Retaining Current Standards (23.12.2020)

    MKiŚ: Informacja o ważności uprawnień do emisji w ramach systemu handlu uprawnieniami EU ETS (22.10.2020)

    U.S. EPA [amoniak w systemach chłodniczych] Fines BC Systems for Violating Chemical Accident Prevention Requirements at Arizona and California Facilities (22.12.2020)

    EPA [trwałe zanieczyszczenia] Finalizes Action Protecting Americans from PBT Chemicals (22.12.2020)

    MKiŚ: Informacja o postępowaniach wszczętych na podstawie wniosku o przydział uprawnień do emisji dla instalacji nowych, na okres rozliczeniowy od dnia 1 stycznia 2013 r. do dnia 31 grudnia 2020 r. (22.10.2020)

    EPA [usprawnienie systemu zabezpieczeń finansowych dla chemikaliów] Proposal Increases Flexibility, Reduces Burden under TSCA Fees Program (21.12.2020)

    EEA: Consumption of controlled ozone-depleting substances ODSs (18.12.2020)

    EPA [PFAS] Releases Interim Guidance on Destroying and Disposing of Certain PFAS and PFAS-Containing Materials (18.12.2020)

    Zobacz bieżące artykuły w Atmospheric Environment:

    A Vehicle Activity-based Windowing approach to evaluate real-world NOx emissions from Modern Heavy-duty Diesel Trucks

    Drivers of severe air pollution events in a deep valley during wintertime: A case study from the Arve river valley, France

    Identification of potential sources of elevated PM2.5-Hg using mercury isotopes during haze events

    Zobacz EUR-Lex:

    Sprostowanie do rozporządzenia Komisji (UE) 2019/1939 z dnia 7 listopada 2019 r. zmieniającego rozporządzenie (UE) nr 582/2011 w odniesieniu do pomocniczych strategii emisji (AES), dostępu do informacji z OBD pojazdu oraz informacji dotyczących naprawy i obsługi technicznej pojazdów, pomiaru emisji w okresach rozruchu zimnego silnika oraz użytkowania przenośnych systemów pomiaru emisji (PEMS) na potrzeby pomiaru liczby cząstek stałych odnośnie do pojazdów ciężkich (15.01.2021)

    Decyzja wykonawcza Komisji (UE) 2020/2181 z dnia 17 grudnia 2020 r. określająca limity ilościowe oraz przydział kontyngentów substancji kontrolowanych na podstawie rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1005/2009 w sprawie substancji zubożających warstwę ozonową na okres od dnia 1 stycznia do dnia 31 grudnia 2021 r. (notyfikowana jako dokument nr C(2020) 8996) (22.12.2020)

    Decyzja Komisji (UE) 2020/2166 z dnia 17 grudnia 2020 r. w sprawie określenia udziałów państw członkowskich w aukcjach w latach 2021–2030 w ramach unijnego systemu handlu uprawnieniami do emisji (notyfikowana jako dokument nr C(2020) 8945)  (21.12.2020)

    Opinia Europejskiego Komitetu Regionów – Nowy plan działania dotyczący gospodarki o obiegu zamkniętym (18.12.2020)

    Opinia Europejskiego Komitetu Regionów – Nowa strategia przemysłowa dla Europy (18.12.2020)

    Decyzja wykonawcza Komisji (UE) 2020/2126 z dnia 16 grudnia 2020 r. w sprawie ustalenia rocznych limitów emisji państw członkowskich na lata 2021–2030 zgodnie z rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/842 (17.12.2020)

    Rozporządzenie wykonawcze Komisji (UE) 2020/2084 z dnia 14 grudnia 2020 r. w sprawie zmiany i sprostowania rozporządzenia wykonawczego (UE) 2018/2067 w sprawie weryfikacji danych oraz akredytacji weryfikatorów na podstawie dyrektywy 2003/87/WE Parlamentu Europejskiego i Rady (15.12.2020)

    Rozporządzenie wykonawcze Komisji (UE) 2020/2085 z dnia 14 grudnia 2020 r. w sprawie zmiany i sprostowania rozporządzenia wykonawczego (UE) 2018/2066 w sprawie monitorowania i raportowania w zakresie emisji gazów cieplarnianych na podstawie dyrektywy 2003/87/WE Parlamentu Europejskiego i Rady (15.12.2020)

    Opinia Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego „Rynek uprawnień do emisji dwutlenku węgla: powstanie, struktura i wyzwania dla europejskiego przemysłu” (opinia z inicjatywy własnej) (11.12.2020)

    Zawiadomienie na temat ogólnounijnej liczby uprawnień na 2021 r. i rezerwy stabilności rynkowej w ramach unijnego systemu handlu uprawnieniami do emisji (11.12.2020)

    Decyzja wykonawcza Komisji (UE) 2020/2009 z dnia 22 czerwca 2020 r. ustanawiająca konkluzje dotyczące najlepszych dostępnych technik (BAT), zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/75/UE w sprawie emisji przemysłowych, w odniesieniu do obróbki powierzchniowej z wykorzystaniem rozpuszczalników organicznych, w tym konserwacji drewna i produktów z drewna produktami chemicznymi (09.12.2020)

    DECYZJA KOMISJI (UE) 2020/1802 z dnia 27 listopada 2020 r. ustanawiająca przewodnik użytkownika, w którym określa się działania konieczne do uczestnictwa w EMAS, zgodnie z rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1221/2009 w sprawie dobrowolnego udziału organizacji w systemie ekozarządzania i audytu we Wspólnocie EMAS (01.12.2020)