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
    • 05
      listopad
      W Monitorze Polskim (poz. 1038) opublikowane zostało Obwieszczenie Ministra Środowiska z dnia 3 października 2018 r. w sprawie wysokości stawek opłat za korzystanie ze środowiska na rok 2019. W stosunku do roku 2018 nieznacznej zmianie ulegną jednostkowe stawki opłat za gazy lub pyły wprowadzane do powietrza (tabela A) oraz stawki ryczałtowe (tabela B, C, D, E) załącznika nr 2 do rozporządzenia. © Pixabay
    • 05
      październik
      W Dzienniku Ustaw (poz. 1890 - 1893) opublikowane zostały 4 rozporządzenia Ministra Energii z dnia 27 września 2018 r. dotyczące paliw stałych: - w sprawie wymagań jakościowych dla paliw stałych, - w sprawie sposobu pobierania próbek paliw stałych, - w sprawie metod badania jakości paliw stałych, - w sprawie wzoru świadectwa jakości paliw stałych. Rozporządzenia stanowią akty wykonawcze do ustawy z dnia 25 sierpnia 2006 r. o systemie monitorowania i kontrolowania jakości paliw (Dz. U. z 2018 r. poz. 427, 650, 1654 i 1669). © Pixabay
    • 01
      październik
      W Monitorze Polskim (poz. 923) opublikowane zostało coroczne Obwieszczenie Ministra Środowiska w sprawie wykazu miast o liczbie mieszkańców większej niż 100 tysięcy i aglomeracji, w których wartość wskaźnika średniego narażenia przekracza wartość pułapu stężenia ekspozycji… Spośród 30  ocenianych aglomeracji i miast dla 16 wartość wskaźnika średniego narażenia uległa zmniejszeniu (min. dla aglomeracji Wrocławskiej, Warszawskiej), 4 zwiększeniu, a 10 nie uległa zmianie. Pierwszy raz w historii ocen dla  miasta Wałbrzycha i aglomeracji lubelskiej wskaźnik średniego narażenia nie przekroczył pułapu stężenia ekspozycji wynoszącego 20 µg/m3.  Najwyższą wartość wskaźnika w roku 2017 określono dla aglomeracji krakowskiej (32 µg/m3) oraz górnośląskiej (30 µg/m3). Najniższą dla miasta Koszalina (13 µg/m3). Zobacz szczegółowe zestawienie wskaźników
    NEWSLETTER:
    Jeśli chcesz otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach zapisz się
     
    Operat FB
    szkolenie f-gazy
    szkolenia rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń
    Szkolenia Obliczenia emisji
    Szkolenia Bilans LZO
    OZE Energiczny Obywatel

    Zobacz komunikaty JRC / US EPA / EEA / NIK:

    NIK: O jakości powietrza w Polsce i Europie na COP24 (07.12.2018)

    NIK zanieczyszczenie powietrza
    © NIK

    EPA Proposes 111(b) Revisions to Advance Clean Energy Technology (06.12.2018)

    EPA Finalizes RFS Volumes for 2019 and Biomass Based Diesel Volumes for 2020 (30.11.2018)

    EPA, Wheeler Rock Products settle Clean Air Act permit violations (29.11.2018)

    Fact-Check: Obama Administration Pushed "Worst-Case Scenario" In Climate Assessment (28.11.2018)

    EEA: Annual mean PM2.5 concentrations observed at background stations, 2016 (22.11.2018)

    PM2,5 tło stacje tła EEA
    © EEA

    EEA: 90.4 percentile of daily mean PM10 concentrations observed at background stations, 2016 (22.11.2018)

    PM2,5 tło stacje tła EEA percentyl
    © EEA

    EEA: Progress of EU transport sector towards itsenvironment and climate objectives (22.11.2018)

    EEA: Electric vehicles from life cycle and circular economy perspectivesTERM 2018: Transport and Environment Reporting Mechanism (TERM) repor (22.11.2018)

    EPA Takes Steps to Improve Regulations for Wood Heaters (21.11.2018)

    NIK: Kto truje w Łęgnowie - rejon dawnych bydgoskich Zakładów Chemicznych „Zachem”? (19.11.2018)

    EPA Continues Work to Protect Community Near the Tonawanda Coke Facility (15.11.2018)

    EPA Announces Availability of $1.5 Million in Environmental Justice Small Grants (15.11.2018)

    NIK o rozwoju sektora odnawialnych źródeł energii (15.11.2018)

    ICYMI: The Washington Post - EPA to Weigh Tougher Pollution Standards for Heavy-Duty Trucks (14.11.2018)

    NIK z Bankiem Światowym - Na ratunek czystemu powietrzu (12.11.2018)

    EEA: Netherlands - Industrial pollution profile 2018 (09.11.2018)

    EEA: Sweden - Industrial pollution profile 2018 (09.11.2018)

    EPA Settlement with Yonkers Dry Cleaner Means Company to Operate as “Green” Facility (08.11.2018)

    EPA: MPLX LP To Cut Harmful Air Pollution At Natural Gas Processing Facilities Improving Air Quality For Communities In Six States (01.11.2018)

    Zobacz bieżące artykuły w Atmospheric Environment:

    Impacts of ambient temperature, DPF regeneration, and traffic congestion on NOx emissions from a Euro 6-compliant diesel vehicle equipped with an LNT under real-world driving conditions

    Machine learning-based rapid response tools for regional air pollution modelling

    Validation of ammonia diffusive and pumped samplers in a controlled atmosphere test facility using traceable Primary Standard Gas Mixtures

    Flaring emissions in Africa: Distribution, evolution and comparison with current inventories

    MAX-DOAS measurements and vertical profiles of glyoxal and formaldehyde in Madrid, Spain

    Global changes in the diurnal cycle of surface ozone

    Evaluating near-roadway concentra- tions of diesel-related air pollution using RLINE

    Zobacz EUR-Lex:

    Decyzja wykonawcza Komisji (UE) 2018/1876 z dnia 29 listopada 2018 r. w sprawie zatwierdzenia, na podstawie rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 510/2011, technologii stosowanej w wysokosprawnych alternatorach 12-woltowych przeznaczonych do stosowania w lekkich samochodach dostawczych napędzanych przez konwencjonalny silnik spalinowy jako technologii innowacyjnej umożliwiającej zmniejszenie emisji CO2 pochodzących z lekkich samochodów dostawczych (30.11.2018)

    Decyzja wykonawcza Komisji (UE) 2018/1855 z dnia 27 listopada 2018 r. w sprawie emisji gazów cieplarnianych objętych decyzją Parlamentu Europejskiego i Rady nr 2009/406/WE przypadających na poszczególne państwa członkowskie za rok 2016 (28.11.2018)

    Rozporządzenie Komisji (UE) 2018/1832 z dnia 5 listopada 2018 r. zmieniające dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Rady 2007/46/WE, rozporządzenie Komisji (WE) nr 692/2008 i rozporządzenie Komisji (UE) 2017/1151 w celu udoskonalenia badań i procedur homologacji typu w odniesieniu do lekkich pojazdów pasażerskich i użytkowych, w tym badań i procedur dotyczących zgodności eksploatacyjnej i emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach jazdy, a także wprowadzenia urządzeń służących do monitorowania zużycia paliwa i energii elektrycznej (27.11.2018)

    DECYZJA RADY (UE) 2018/1730 z dnia 12 listopada 2018 r.  dotycząca stanowiska, które należy zająć w imieniu Unii Europejskiej na drugim posiedzeniu Konferencji Stron Konwencji z Minamaty w sprawie rtęci w związku z przyjęciem wytycznych w sprawie przejściowego składowania rtęci innej niż rtęć odpadowa w sposób bezpieczny dla środowiska (16.11.2018)

    WSPÓLNE PRZEDSIĘWZIĘCIE NA RZECZ TECHNOLOGII OGNIW PALIWOWYCH I TECHNOLOGII WODOROWYCH 2 - publikacja końcowych sprawozdań finansowych za rok budżetowy 2017 (14.11.2018)

    WSPÓLNE PRZEDSIĘWZIĘCIE CZYSTE NIEBO 2 - publikacja końcowych sprawozdań finansowych za rok budżetowy 2017 (14.11.2018)

    Sprawozdanie specjalne Trybunału Obrachunkowego nr 24/2018 Wykorzystanie wychwytywania i składowania dwutlenku węgla oraz innowacyjnych odnawialnych źródeł energii w projektach demonstracyjnych na skalę komercyjną w UE – w ostatnim dziesięcioleciu nie zostały osiągnięte zamierzone postępy (29.10.2018)