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
    • 09
      grudzień
      W minionym tygodniu opublikowane zostały dwie ważne decyzje wykonawcze Komisji Europejskiej ustalające konkluzje BAT dla następujących sektorów:  - 04.12.2019 r.: konkluzje BAT w odniesieniu do przemysłu spożywczego, produkcji napojów i mleczarskiego (decyzja nr 2019/2031; Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 313/60). Konkluzje BAT obejmują produkcję pasz i produkcję etanolu, o których mowa w załączniku I do dyrektywy IED 2010/75/UE oraz niektóre oczyszczalnie ścieków. Decyzja wykonawcza Komisji EU nie obejmuje natomiast produkcji mączki rybnej i żelatyny - 03.12.2019 r.: konkluzje BAT w odniesieniu do spalania odpadów (decyzja nr 2019/2010; Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 312/55)
    • 06
      listopad
      Strona pt. Zmiana systemu opłat została uzupełniona o komentarz do przygotowania raportu KOBiZE za rok 2019, który będzie stanowił podstawę naliczenia opłaty za korzystanie ze środowiska w roku 2019 w zakresie emisji substancji do powietrza (zmiana wprowadzona ustawą z dnia 4 lipca 2019 r. o zmianie ustawy o systemie handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych oraz niektórych innych ustaw Dz. U. poz. 1501). Rekomendacja obejmuje zapewnienie spójności pomiędzy sprawozdaniem opłatowym i KOBiZE w sposób umożliwiający uniknięcie potrzeby weryfikacji opłaty. Oprócz dwóch metod (podziału emisji i wskaźników zastępczych) wskazano różnice w klasyfikacji związków według stawek opłat i KOBiZE.
    NEWSLETTER:
    Jeśli chcesz otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach zapisz się
     
    Szkolenie KOBiZE i opłaty za korzystanie ze środowiska za rok 2019
    Szkolenie Rozprzestrzenianie zanieczyszczeń w powietrzu Poznań 2020
    Operat FB

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

    U.S. EPA settlement with facility in Los Angeles will help local students breathe easier (06.01.2020)

    EEA: Emissions of air pollutants from large combustion plants in Europe (06.01.2020)

    LCP emisje SO2 EEA
    © EEA

    EPA Jumpstarts Administrator Wheeler’s Cleaner Trucks Initiative (06.01.2020)

    NIK: Kłopoty z prądem (30.12.2019)

    EPA Completes Indoor Air Sampling and Mitigation at Properties Near Former Hancock Manufacturing Co. Site in Toronto, Ohio (19.12.2019)

    EEA: Renewables crucial for EU decarbonisation, but technology choices matter for air quality (19.12.2019)

    Klimat Zanieczyszczenie powietrza EEA Polska
    © EEA

    EPA Region 4 Smart Sectors program to engage businesses in achieving better environmental outcomes (19.12.2019)

    EPA Outlines Efficient Federal Coal Ash Permitting Program in New Proposal, Approves Second State Coal Ash Permit Program for Georgia (19.12.2019)

    EEA: Cumulative global fleet of battery electric vehicles (BEV) and plug-in hybrid electric vehicles (PHEV) in different parts of the world (19.12.2019)

    Zanieczyszczenie powietrza samochody elektryczne
    © EEA

    EPA Offers Existing Owners of Upstream Oil and Natural Gas Facilities the Opportunity to Perform Self-Audits to Return to Compliance (19.12.2019)

    EPA Fulfills Another Trump Administration Promise: Finalizes RFS Volumes for 2020 and Biomass Based Diesel Volumes for 2021 (19.12.2019)

    EEA: Percentile 90.4 of daily mean PM10 concentrations observed at traffic stations, 2017 (17.12.2019)

    PM10 Zanieczyszczenie powietrza w Polsce
    © EEA

    EEA: Emerging chemical risks in Europe – PFAS (16.12.2019)

    PFSa zanieczyszczenie powietrza EEA
    © EEA

    EPA proposes air quality plan for oil and gas emissions on the Uintah and Ouray Indian Reservation (16.12.2019)

    EEA: Share of renewable energy in gross final energy consumption in Europe (16.12.2019)

    EEA zanieczyszczenie powietrza energia ze źródeł odnawialnych
    © EEA

    EPA: U.S. Refiners to Deliver Cleaner Marine Diesel Fuel with Key Regulatory Change (11.12.2019)

    U.S. EPA, U.S. Department of Justice Settle with Kern Oil & Refining Co. for Violations at Bakersfield Refinery (10.12.2019)

    EEA: Maximum ozone hole area (09.12.2019)

    dziura ozonowa
    © EEA

    EPA Seeks Input on National Emission Standards for Hazardous Air Pollutants: Ethylene Oxide Commercial Sterilization and Fumigation Operations (05.12.2019)

    EEA: The European environment —state and outlook 2020 Knowledge for transition to a sustainable Europe (04.12.2019)

    Zobacz bieżące artykuły w Atmospheric Environment:

    Effects of European emission reductions on air quality in the Netherlands and the associated health effects

    Chemical nature of zinc in size fractionated particulate matter from residual oil combustion - A comparative study

    Ecotoxicity, genotoxicity, and oxidative potential tests of atmospheric PM10 particles

    Assessment of mean annual NO2 concentration based on a partial dataset

    Adaptive spatial sampling design for environmental field prediction using low-cost sensing technologies

    Zobacz EUR-Lex:

    Wyrok Trybunału Sprawiedliwości z dnia 24 października 2019 r. – Komisja Europejska/Republika Francuska (Sprawa C-636/18) - Systematyczne i ciągłe przekroczenie wartości dopuszczalnych dla dwutlenku azotu (NO2) w określonych francuskich strefach i aglomeracjach (23.12.2019)

    Wyrok Trybunału Sprawiedliwości z dnia 24 października 2019 r. (Sprawa C-212/18) - Wykorzystanie jako biopaliwa do zasilania elektrowni produktów chemicznej obróbki zużytych olejów roślinnych (23.12.2019)

    ETS – Nota dotycząca wejścia w życie Umowy między Unią Europejską a Konfederacją Szwajcarską w sprawie powiązania ich systemów handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych (20.12.2019)

    DECYZJA RADY (UE) 2019/2135 z dnia 21 listopada 2019 r. w sprawie stanowiska, jakie ma być zajęte, w imieniu Unii Europejskiej, na trzecim posiedzeniu Konferencji Stron Konwencji z Minamaty w sprawie rtęci w odniesieniu do przyjęcia decyzji dotyczącej stopniowego zaprzestania stosowania amalgamatu stomatologicznego i zmiany załącznika A do tej konwencji (13.12.2019)

    DECYZJA RADY (UE) 2019/2119 z dnia 21 listopada 2019 r. w sprawie stanowiska, jakie ma być zajęte, w imieniu Unii Europejskiej, na trzecim posiedzeniu Konferencji Stron Konwencji z Minamaty w sprawie rtęci w odniesieniu do przyjęcia decyzji ustanawiającej progi dla odpadów rtęciowych, o których mowa w art. 11 ust. 2 tej konwencji (11.12.2019)

    ROZPORZĄDZENIE PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY (UE) 2019/2089 z dnia 27 listopada 2019 r. zmieniające rozporządzenie (UE) 2016/1011 w odniesieniu do unijnych wskaźników referencyjnych transformacji klimatycznej oraz unijnych wskaźników referencyjnych dostosowanych do porozumienia paryskiego, a także ujawniania informacji dotyczących wskaźników referencyjnych w związku z kwestiami dotyczącymi zrównoważonego rozwoju (09.12.2019)

    DECYZJA WYKONAWCZA KOMISJI (UE) 2019/2079 z dnia 27 listopada 2019 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 2020 r. (06.12.2019)

    DECYZJA WYKONAWCZA KOMISJI (UE) 2019/2031 z dnia 12 listopada 2019 r. ustanawiająca konkluzje dotyczące najlepszych dostępnych technik (BAT) w odniesieniu do przemysłu spożywczego, produkcji napojów i mleczarskiego zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/75/UE (04.12.2019)

    DECYZJA WYKONAWCZA KOMISJI (UE) 2019/2010 z dnia 12 listopada 2019 r. ustanawiająca konkluzje dotyczące najlepszych dostępnych technik (BAT) zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/75/UE w odniesieniu do spalania odpadów (03.12.2019)