Obliczenia emisji z oczyszczalni ścieków

Niektóre 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.

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.

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

• indywidualny współczynnik przenikania masy w fazie ciekłej (k_l [m/s]): zależność nr 1,
• indywidualny współczynnik przenikania masy w fazie gazowej (k_g [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 k_l (zależność nr 1):

k_l = (2.78 × 10^-6)(D_{w, fenol}/D_ether)^2/3

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

k_l = 2,91 × 10^-6 m/s

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

k_g = (4.82 × 10^-3)(U₁₀)^0.78 (S_cG)^-0.67 (d_e)^-0.11; gdzie :

S_cG  - liczba Schmidta (faza gazowa) dla fenolu

S_cG = μ_a/(r_aD_{a, fenol}) = 1,81 × 10^-4 / (1,20 × 10^-3 × 8,20 × 10^-2) = 1,84

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

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

k_g = 5,57 × 10^-3 m/s

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

K = (k_l K_eq k_g) / (K_eq k_g + k_l ); gdzie :

K_eq (współczynnik podziału)

K_eq = 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 C_L A ; gdzie :

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

C_L = Q C_{o, 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