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
    • 14
      kwiecień
      W Dzienniku Ustaw (poz. 680) opublikowane zostało Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 1 marca 2018 r. w sprawie standardów emisyjnych dla niektórych rodzajów instalacji, źródeł spalania paliw oraz urządzeń spalania lub współspalania odpadów. Rozporządzenie implementuje między innymi dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2015/2193 z dnia 25 listopada 2015 r. w sprawie ograniczenia emisji niektórych zanieczyszczeń do powietrza ze średnich obiektów energetycznego spalania.
    • 03
      kwiecień
      W Centralnej Bazie Orzeczeń Sądów Administracyjnych opublikowany został Wyrok WSA w Gliwicach z dnia 16 marca 2018 r. w sprawie ze skarg R. K., R. S. i "A" S.A. w K. na uchwałę Sejmiku Województwa Śląskiego z dnia 7 kwietnia 2017 r. nr V/36/1/2017 w przedmiocie ograniczenia eksploatacji instalacji, w których następuje spalanie paliw. Skarżący R. K., R. S. są mieszkańcami województwa śląskiego, którzy korzystają z tradycyjnych pieców węglowych, które nie spełniają parametrów instalacji, jakie zgodnie z zaskarżoną uchwałą są dopuszczone do stosowania, i będą zobowiązani do ich wymiany, jak również do niespalania paliw których użytkowanie zostało zabronione na mocy uchwały. Tym samym wg skarżących uchwała antysmogowa narusza ich prawa, w tym  konstytucyjną zasadę wolności i praw człowieka i obywatela. Rozpatrując skargę Wojewódzki Sąd Administracyjny w Gliwicach wskazał, że Konstytucja dopuszcza wprowadzenie ograniczeń w zakresie korzystania z wolności i praw konstytucyjnych, prawa i wolności jednostki nie mają charakteru absolutnego. Jak stanowi art. 31 ust. 3 Konstytucji RP - ograniczenia w zakresie korzystania z konstytucyjnych wolności i praw mogą być ustanawiane tylko w ustawie i tylko wtedy, gdy są konieczne w demokratycznym państwie dla jego bezpieczeństwa lub porządku publicznego, bądź dla ochrony środowiska, zdrowia i moralności publicznej, albo wolności i praw innych osób. Podstawą prawną przyjęcia przedmiotowej uchwały był art. 96 POŚ. Przepis ten dał sejmikom uprawnienie do wprowadzenia, w drodze uchwały, ograniczenia lub zakazów w zakresie eksploatacji instalacji, w których następuje spalanie paliw, w celu zapobieżenia negatywnemu oddziaływaniu na zdrowie ludzi lub na środowisko. Te ważne wartości chronione konstytucyjnie dopuszczają wprowadzenie ograniczeń w zakresie korzystania z wolności i praw, celem realizacji dobra wspólnego. Sąd nie podzielił również pozostałych zarzutów konstytucyjnych skarżących i oddalił skargę. Orzeczenie nie jest prawomocne.
    • 22
      luty
      W Dzienniku Urzędowym Unii Europejskiej (2018/C 054/05) opublikowana została Opinia Europejskiego Komitetu Regionów – Przegląd wdrażania polityki ochrony środowiska. Ocenie została poddana zarówno implementacja polityki i prawodawstwa UE, jak i ich stosowanie. Do następnego etapu przeglądu, zdaniem Europejskiego Komitetu Regionów, powinna zostać włączona ocena wdrażania dyrektywy w sprawie emisji przemysłowych. Pozytywnie oceniono zamiar Komisji Europejskiej, co do pogłębienia wiedzy o jakości administracji publicznej w poszczególnych krajach. Komitet zwraca się również do państw członkowskich, by ułatwiały dokonywanie lokalnych i regionalnych przeglądów wdrażania polityki ochrony środowiska odpowiadających przeglądom krajowym. Jednocześnie, zauważając ograniczone zasoby administracji lokalnej do wystarczającego rozwoju własnego know-how w zakresie wymogów regulacyjnych, Komitet wzywa państwa członkowskie oraz władze lokalne i regionalne do zadbania o to, by zasoby finansowe i ludzkie organów ds. środowiska odpowiadały przekazanym zadaniom. Wzywa władze lokalne i regionalne, by przy wsparciu ze strony państw członkowskich skorzystały z pomocy technicznej w ramach europejskich funduszy strukturalnych i inwestycyjnych w kontekście celu tematycznego 11, aby zwiększyły zdolność instytucjonalną i administracyjną swoich działów ochrony środowiska. Zachęca je również, by wykorzystały program wspierania reform strukturalnych UE do usprawnienia swych organów ds. środowiska. Wzywa władze lokalne i regionalne, by wspierały dobrowolne umowy sektorowe z kluczowymi sektorami przemysłowymi lub umowy między władzami publicznymi a podmiotami społecznymi w celu dostarczenia informacji, rozpoznania problemów i znalezienia rozwiązań. Podkreśla, że UE musi realizować bardziej stanowczą i skuteczną politykę ograniczania zanieczyszczeń u źródła w wielu obszarach polityki ochrony środowiska, gdyż bez tego niemożliwe będzie przestrzeganie różnych aktów prawodawstwa UE dotyczącego norm jakości środowiska na szczeblu lokalnym i regionalnym. Uznaje, że ograniczona dostępność danych nadal powoduje problemy związane z wdrażaniem polityki i prawodawstwa UE, i że władze lokalne i regionalne mają do odegrania kluczową rolę w gromadzeniu wiedzy i danych, dostarczaniu informacji ogółowi społeczeństwa i podnoszeniu świadomości wśród obywateli.
    NEWSLETTER:
    Jeśli chcesz otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach zapisz się
     
    Operat FB
    Szkolenia Bilans LZO
    szkolenia rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń
    Szkolenia Obliczenia emisji
    OZE Energiczny Obywatel

    Zobacz komunikaty JRC / US EPA / EEA / NIK:

    EU: Clean air - Commission improves car emissions tests further (04.05.2018)

    emisja spalin
    © 123rf.com

    EEA: Reported data on large combustion plants covered by the Industrial Emissions Directive (04.05.2018)

    emisja LCP raportowanie
    © 123rf.com

    EEA: European Union Emissions Trading System (EU ETS) data (02.05.208)

    EEA: Air Quality e-Reporting (25.04.2018)

    EEA: Monitoring of CO2 emissions from passenger cars – Regulation (EC) No 443/2009 (24.04.2018)

    EPA: The U.S. Government and Pennsylvania Settle with MarkWest for Air Emission Violations at Natural Gas Facilities (24.04.2018)

    EEA: No improvements on average CO2 emissions from new cars in 2017 (23.04.2018)

    emisja spalin z samochodów
    © EEA

    Commission welcomes final vote on energy performance of buildings (18.04.2018)

    EPA: Latest Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks Shows Continued Progress (18.04.2018)

    JRC: Air quality  - EU action reduces pollution from shipping in European coastlines, cities and ports (16.04.2018)

    EEA: Tax breaks and incentives make Europeans buy cleaner cars (12.04.2018)

    Zobacz bieżące artykuły w Atmospheric Environment:

    Long-term monitoring of black carbon across Germany OPEN ACCESS

    A study of atmospheric mixing of trace gases by aerial sampling with a multi-rotor drone OPEN ACCESS

    The traffic emission-dispersion model for a Central-European city agrees with measured black carbon apportioned to traffic OPEN ACCESS

    Small-scale variations in ozone concentration in low mountains

    Zobacz EUR-Lex:

    emisje ekologiczne oznakowanieDecyzja Komisji  2018/680 z dnia 2 maja 2018 r. ustanawiająca kryteria oznakowania ekologicznego UE dla usług sprzątania pomieszczeń (04.05.2018)

    Wyrok Trybunału Sprawiedliwości z dnia 28 lutego 2018 r. (wniosek o wydanie orzeczenia w trybie prejudycjalnym) w sprawie oceny oddziaływania na środowisko po zrealizowaniu przedsięwzięcia wg nowej procedury, zgodnej z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2011/92/UE z dnia 13 grudnia 2011 r. w sprawie oceny skutków wywieranych przez niektóre przedsięwzięcia publiczne i prywatne na środowisko (23.04.2018)

    Wyrok Trybunału Sprawiedliwości z dnia 22 lutego 2018 r. – Komisja Europejska / Rzeczpospolita Polska: długotrwałe przekroczenie norm jakości powietrza (16.04.2018)

    smog Wrocław Polska
    © 123rf.com

    Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/410 z dnia 14 marca 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2003/87/WE w celu wzmocnienia efektywnych pod względem kosztów redukcji emisji oraz inwestycji niskoemisyjnych oraz decyzję (UE) 2015/1814 (19.03.2018)

    Rezolucja ustawodawcza Parlamentu Europejskiego z dnia 5 lipca 2016 r. w sprawie wymogów dotyczących wartości granicznych emisji i homologacji typu w odniesieniu do silników spalinowych wewnętrznego spalania przeznaczonych do niedrogowych maszyn ruchomych (16.03.2018)

    Komunikat Komisji dotyczący ekoprojektu dla klimatyzatorów i wentylatorów przenośnych oraz etykiet efektywności energetycznej dla klimatyzatorów (09.03.2018)

    Decyzja Rady (UE) 2018/219 z dnia 23 stycznia 2018 r. w sprawie zawarcia Umowy między Unią Europejską a Konfederacją Szwajcarską w sprawie powiązania ich systemów handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych (16.02.2018)

    Zawiadomienie dla przedsiębiorstw zamierzających w 2019 r. przywozić do Unii Europejskiej lub z niej wywozić substancje kontrolowane, które zubożają warstwę ozonową, oraz dla przedsiębiorstw zamierzających w 2019 r. produkować lub przywozić te substancje do nieodzownych zastosowań laboratoryjnych i analitycznych (15.02.2018)