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
    • 28
      wrzesień
      Stronę „Wskaźniki średniego narażenia na pył PM2,5 w miastach Polski” uzupełniliśmy o wyniki klasyfikacji za rok 2019, opublikowane w obwieszczeniu Ministra Klimatu z dnia 8 września 2020 r. (M. P. 2020 poz. 799). W stosunku do roku 2018 zmniejszeniu uległa łączna liczba miast, w których stwierdzono przekroczenie pułapu stężenia ekspozycji 20 µg/m3 – z poziomu 18 w ocenie za rok 2018 do 14 za rok 2019. Szczegółowe zestawienie wartości wskaźników przedstawiamy na stronie http://wszystkooemisjach.pl/219/wskazniki-sredniego-narazenia-na-pyl-pm25-w-miastach-polski
    • 24
      lipiec
      W Centralnej Bazie Orzeczeń Sądów Administracyjnych opublikowany został Wyrok WSA w Poznaniu  z dnia 1 lipca 2020 r. (IV SA/Po 553/20) – stwierdzający nieważność miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego w zakresie zakazu stosowania pieców i trzonów kuchennych na paliwo stałe. WSA przyznał rację wojewodzie, który wskazał w skardze, że jedynie sejmik województwa może, w drodze uchwały, wprowadzić ograniczenia lub zakazy w zakresie eksploatacji domowych palenisk. Uzasadnienie decyzji sądu odnosi się do regulacji w zakresie prawa ochrony środowiska i planowania przestrzennego. Orzeczenie zostało dodane do strony http://wszystkooemisjach.pl/72/nsa-program-ochrony-powietrza
    • 23
      czerwiec
      Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (U.S. EPA) poinformowała o wniosku o dodanie 1-bromopropanu (CAS 106-94-5) do listy substancji normowanych w ustawie o czystym powietrzu (the Clean Air Act), ze względu na niebezpieczne własności substancji i powszechne wykorzystywanie w wielu produktach i procesach, w tym w czyszczeniu na sucho, czyszczeniu elektroniki i metali, procesach farmaceutycznych i produktach rolniczych oraz przy aplikacji klejów w sprayu. Substancji tej nie ma również obecnie w polskim systemie prawnym (standardów emisyjnych, standardów jakości powietrza i wartości odniesienia). Kryteria jakości powietrza w zakresie bromopochodnych węglowodorów ustalono jedynie dla bromoetanu (74-96-4) i bromometanu (74-83-9). Informacje o procedurze U.S. EPA dostępne są na stronach: https://www.epa.gov/newsreleases/washington-examiner-epa-add-new-hazardous-air-pollutant-list-regulated-substances-first https://www.epa.gov/newsreleases/epa-grants-first-ever-petition-add-hazardous-air-pollutants-list-under-clean-air-act
    NEWSLETTER:
    Jeśli chcesz otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach zapisz się
     
    Szkolenie z obliczeń rozprzestrzeniania zanieczyszczeń w powietrzu i sprawdzania dokumentacji - 28.10.2020 Webinarium / 29-30.10.2020 Warsztaty on-line
    Operat FB
    targi EKOTECH 24-25.02.2021
    Kongres biomasy 2020

    Zobacz komunikaty JRC / US EPA / EEA / NIK / GDOŚ / GIOŚ / WIOŚ / IOŚ / MK / MŚ:

    EPA settlement with MarkWest addresses Clean Air Act violations at Evans City, Pa. Plant (25.09.2020)

    WIOŚ Kraków: Jakość powietrza w Krakowie. Podsumowanie wyników badań (24.09.2020)

    EEA: Ozone depleting substances 2020 Publication (18.09.2020) 

    emisja ozonu EEA
    © EEA

    EPA Seeks Small Businesses Input on Risk Management Rulemakings for Methylene Chloride and 1-Bromopropane (16.09.2020)

    EEA: 2020 Industrial pollution country profiles (14.09.2020) 

    emisja PM10 Polska

    emisja PM2,5 Polska
    © EEA

    EPA - U.S. Reaches $1.5 Billion Settlement with Daimler AG Over Emissions Cheating in Mercedes-Benz Diesel Vehicles (14.09.2020)

    WIOŚ Kraków: Valeo – kontrole i działania WIOŚ (09.09.2020)

    JRC: Global CO2 emissions continue to rise but EU bucks global trend (09.09.2020)

    EEA: PM2.5 annual mean in 2018 (09.09.2020)

    PM2,5 2018 emisja
    © EEA

    U.S. EPA - CCS: In Cheyenne, EPA Announces Wyoming’s Primacy for Class VI Underground Injection Control Program, Highlights Final Power Plant Effluent Limitation Guidelines Rule (03.09.2020)

    EPA and DOJ Reach Settlement Agreement with Ferrellgas, Inc. to Prevent Chemical Accidents at Florida Facility (03.09.2020)

    EPA settlement penalizes Superior Concrete Materials For Clean Air Act violations at former D.C. location (02.09.2020)

    JRC: New rules on cleaner and safer cars start to apply across Europe (01.09.2020)

    EPA Air Monitoring Finds Limited Impacts to Air Quality Following Hurricane Laura (01.09.2020)

    EPA Urges Communities Affected by Hurricane Laura to Avoid Indoor Air Dangers (31.09.2020)

    NIK: Termomodernizacja budynków w Piekarach Śląskich (25.08.2020)

    EPA, U.S. Department of Defense, and State Partners Launch Technical Challenge Seeking Innovative Ways to Destroy PFAS in Firefighting Foam (25.08.2020)

    U.S. EPA: Administrator Wheeler, Congressman Hudson Highlight Trump Administration Action on PFAS at Roundtable in Fayetteville (25.08.2020)

    U.S. EPA Administrator Wheeler Statement on Cancellation of Bipartisan PFAS Destruction Research Squashed by Obama EPA Leadership (25.08.2020)

    U.S. EPA: In Maine, EPA Finalizes Action on Certain Marine Diesel Engines Providing Regulatory Relief for American Lobstermen and Pilot Boat Captains (20.08.2020)

    Zobacz bieżące artykuły w Atmospheric Environment:

    Indoor use of essential oils: Emission rates, exposure time and impact on air quality

    High-emitting vehicle identification by on-road emission remote sensing with scarce positive labels

    Yearlong measure- ments of monoter- penes and isoprene in a Mediterranean city (Athens): Natural vs anthropogenic origin

    Zobacz EUR-Lex:

    Decyzja wykonawcza Komisji (UE) 2020/1232 z dnia 27 sierpnia 2020 r. w sprawie zatwierdzenia funkcji wysokosprawnego generatora w 12-woltowych zespołach silnikowo-prądnicowych przeznaczonych do stosowania w samochodach osobowych i lekkich pojazdach użytkowych, w tym w niektórych hybrydowych pojazdach elektrycznych i pojazdach, które mogą być zasilane paliwami alternatywnymi, jako technologii innowacyjnej na podstawie rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2019/631 (28.08.2020)

    Decyzja wykonawcza Komisji (UE) 2020/1222 z dnia 24 sierpnia 2020 r. w sprawie zatwierdzenia energooszczędnego oświetlenia zewnętrznego pojazdu wykorzystującego diody elektroluminescencyjne jako technologii innowacyjnej umożliwiającej zmniejszenie emisji CO2 z lekkich pojazdów użytkowych zasilanych silnikiem spalinowym w odniesieniu do warunków NEDC zgodnie z rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2019/631 (27.08.2020)

    Rozporządzenie delegowane Komisji (UE) 2020/1203 z dnia 9 czerwca 2020 r. zmieniające załącznik I do rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2019/1021 odnośnie do wpisu dotyczącego kwasu perfluorooktanosulfonowego (PFOS) i jego pochodnych (18.08.2020)

    Decyzja wykonawcza Komisji 2020/1167 z dnia 6 sierpnia 2020 r. w sprawie zatwierdzenia, na podstawie rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2019/631, technologii stosowanej w wysokosprawnym 48-woltowym zespole silnikowo-prądnicowym połączonym z przetwornikiem 48 V/12 V DC/DC, przeznaczonym do stosowania w samochodach osobowych i lekkich pojazdach użytkowych z konwencjonalnym silnikiem spalinowym oraz niektórych samochodach osobowych i lekkich pojazdach użytkowych będących hybrydowymi pojazdami elektrycznymi jako technologii innowacyjnej (07.08.2020)

    Decyzja wykonawcza Komisji 2020/1168 z dnia 6 sierpnia 2020 r. zmieniająca decyzję wykonawczą (UE) 2016/587 w odniesieniu do energooszczędnego oświetlenia zewnętrznego pojazdów wykorzystującego diody elektroluminescencyjne w samochodach osobowych, które mogą być zasilane określonymi paliwami alternatywnymi (07.08.2020)

    Rozporządzenie Komisji 2020/1149 z dnia 3 sierpnia 2020 r. zmieniające załącznik XVII do rozporządzenia (WE) nr 1907/2006 Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie rejestracji, oceny, udzielania zezwoleń i stosowanych ograniczeń w zakresie chemikaliów (REACH) w odniesieniu do diizocyjanianów (04.08.2020)

    Decyzja wykonawcza Komisji (UE) 2020/1102 z dnia 24 lipca 2020 r. w sprawie zatwierdzenia […] technologii stosowanej w 48-woltowym wysokosprawnym zespole silnikowo-prądnicowym połączonym z przetwornikiem 48 V/12 V DC/DC przeznaczonym do stosowania w samochodach osobowych z konwencjonalnym silnikiem spalinowym i określonych hybrydowych samochodach osobowych z napędem elektrycznym oraz lekkich pojazdach użytkowych jako technologii innowacyjnej (27.07.2020)

    Rozporządzenie wykonawcze Komisji (UE) 2020/1079 z dnia 20 lipca 2020 r. w sprawie weryfikacji i korekty danych, o których mowa w rozporządzeniu (UE) 2018/956 w sprawie monitorowania i sprawozdawczości w odniesieniu do emisji CO2 z nowych pojazdów ciężkich i zużycia paliwa przez takie pojazdy (22.07.2020)

    Wyrok Trybunału Sprawiedliwości z dnia 30 kwietnia 2020 r. – Komisja Europejska / Rumunia  - Uchybienie zobowiązaniom państwa członkowskiego – Dyrektywa 2008/50/WE – Jakość otaczającego powietrza (20.07.2020)