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
    • 19
      czerwiec
      6 maja 2019 r. opublikowany został wyrok Trybunału Sprawiedliwości z dnia 13 marca 2019 r. w sprawie Rzeczpospolita Polska - Parlament Europejski, Rada Unii Europejskiej (C-128/17) ze skargi o stwierdzenie nieważności Dyrektywy 2016/2284 dot. redukcji krajowych emisji niektórych rodzajów zanieczyszczeń atmosferycznych. Trybunał w całości oddalił skargę Polski na dyrektywę NEC. Artykuł zawiera wyjaśnienia Ministerstwa dotyczące implementacji dyrektywy NEC i braku ryzyka uruchomienia mechanizmu określonego w art. 195 ust. 1 pkt 4 Prawa ochrony środowiska, zgodnie z którym pozwolenie może zostać cofnięte lub ograniczone bez odszkodowania, jeżeli nastąpiło przekroczenie krajowych pułapów emisji, o których mowa w art. 15 ust. 1 ustawy z dnia 17 lipca 2009 r. o systemie zarządzania emisjami gazów cieplarnianych i innych substancji.
    • 12
      czerwiec
      W Centralnej Bazie Orzeczeń Sądów Administracyjnych opublikowany został Wyrok WSA w Gdańsku z dnia 28 maja 2019 r. (II SA/Gd 181/19) w sprawie ze sprzeciwu od decyzji SKO uchylającej decyzję organu I instancji i kierującej do ponownego rozpatrzenia sprawę o wydanie decyzji o środowiskowych uwarunkowaniach przedsięwzięcia polegającego na rozdrabnianiu materiału pochodzącego z rozbiórki budynków. Orzeczenie cenne z uwagi na czytelny opis błędów postępowania sądowo-administracyjnego, jak i komentarze do analiz merytorycznych. Poruszone przez SKO i WSA kwestie dotyczą, między innymi możliwości odmowy wydania decyzji o środowiskowych uwarunkowaniach przedsięwzięcia w sytuacji braku miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego, interpretacji zasady zrównoważonego rozwoju, zapewnienia oceny merytorycznej przewidywanego oddziaływania na środowisko poprzez instytucję biegłego oraz znaczenie konfliktu społecznego w postępowaniu o decyzję środowiskową. © Pixabay
    • 06
      marzec
      Zapraszamy na Konferencję Paliwa z odpadów, która odbędzie się w dniach 19 – 21 marca br. w Katowicach. Problematyka paliw z odpadów staje się obecnie  kluczowa w gospodarce odpadami wraz z polepszaniem technologii segregacji. Konferencja od lat stanowi  największą w Polsce platformę wymiany informacji na temat wytwarzania i wykorzystywania paliw z odpadów. Wśród wielu ciekawych tematów, zaplanowanych przez organizatora – ABRYS Sp. z o.o. znajdzie się między innymi prezentacja stanowiska ministerstwa Środowiska w sprawie perspektyw zagospodarowania frakcji energetyczne w lokalnych ciepłowniach.
    NEWSLETTER:
    Jeśli chcesz otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach zapisz się
     
    Operat FB
    szkolenia rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń
    Szkolenia Bilans LZO
    Szkolenia Obliczenia emisji

    Zobacz komunikaty JRC / US EPA / EEA / NIK / MŚ:

    JRC: The future of road transport – what we will drive, if we still drive at all (21.06.2019)

    GIOS: Warsztaty IMPEL w ramach projektu dotyczącego wdrażania dyrektywy o emisjach przemysłowych (21.06.2019)

    EPA Meets with Oneida Nation to Discuss Important Step to Further Protect Children from Exposure to Lead-Contaminated Dust (21.06.2019)

    EPA: Sinclair Oil to pay $1.6 million penalty and install additional pollution controls at Sinclair, Wyoming Refinery (20.06.2019)

    pochodnia emisja PM10

    EPA Finalizes Affordable Clean Energy Rule, Ensuring Reliable, Diversified Energy Resources while Protecting our Environment (19.06.2019)

    EEA: Adaptation challenges and opportunitiesfor the European energy system (18.06.2019)

    EEA system energetyczny Europy PM10
    © EEA

    EPA Issues Clean Air Act Permit for Veolia’s Hazardous Waste Incinerator in Sauget, Illinois (18.06.2019)

    EPA starts treating groundwater at vapor intrusion site in Southeast Grand Rapids, Michigan (13.06.2019)

    Dekontaminacja gruntu i wód gruntowych Czterochloroetylen PER LZO EPA
    © Pixabay

    EEA: Observed trend in heating and cooling degree days 1981-2017 (11.06.2019)

    zanieczyszczenie powietrza PM10 EEA dni grzewcze

    © EEA

    JRC: Recovery of critical and other raw materials from mining waste and landfills (04.06.2019)

    emisja niezorganizowana PM10 JRC hałdy
    © JRC

    EPA: Administrator Wheeler Signs Final Rule to Add Reporting Exemption Under EPCRA for Air Emissions from Animal Waste (04.06.2019)

    EPA Delivers on President Trump’s Promise to Allow Year-Round Sale of E15 Gasoline and Improve Transparency in Renewable Fuel Markets (31.05.2019)

    bioetanol EPA zanieczyszczenie powietrza
    © pixabay

    EEA: Reported data on large combustion plants covered by the Industrial Emissions Directive (29.05.2019)

    EEA: The European Pollutant Release and Transfer Register (E-PRTR), Member States reporting under Article 7 of Regulation (EC) No 166/2006 (23.05.2019)

    EPA Spring 2019 Agenda of Regulatory and Deregulatory Actions Shows Commitment to Strong Environmental Protection and Regulatory Reform (22.05.2019)

    EPA and DOJ Proposed Settlement improves safety of Chelsea, Massachusetts facility dealing with dangerous chemicals (22.05.2019)

    U.S. EPA settles with Del Monte Fresh Produce for ammonia release and emergency response violations in Sanger, California (20.05.2019)

    EEA: European Union Emissions Trading System (EU ETS) data from EUTL (09.05.2019)

    Roczne oceny jakości powietrza za rok 2018 dostępne na portalu „Jakość Powietrza” (07.05.2029)

    Zobacz bieżące artykuły w Atmospheric Environment:

    Size-resolved hygroscopi- city of ambient submicron particles in a suburban atmosphere

    Wintertime decoupling of urban valley and rural ridge hydrological processes revealed through stable water isotopes

    Trends of surface maximum ozone concentrations in Switzerland based on meteorological adjustment for the period 1990–2014

    Regional air pollution mixtures across the continental US

    Low-cost sensors and microscale land use regression: Data fusion to resolve air quality variations with high spatial and temporal resolution

    Trend reversal from high-to-low and from rural-to-urban ozone concentrations over Europe

    Zobacz EUR-Lex:

    Sprawozdanie specjalne nr 8/2019 – „Energia wiatrowa i słoneczna w produkcji energii elektrycznej – do osiągnięcia celów unijnych potrzebne są istotne działania” (07.06.2019)

     DECYZJA WYKONAWCZA RADY UE 2019/814 z dnia 17 maja 2019 r. upoważniająca Włochy do stosowania na określonych obszarach geograficznych obniżonych stawek opodatkowania oleju gazowego oraz gazu płynnego używanych do celów grzewczych zgodnie z art. 19 dyrektywy 2003/96/WE (21.05.2019)

    KOMUNIKAT KOMISJI Publikacja całkowitej liczby uprawnień do emisji znajdujących się w obiegu w 2018 r. do celów rezerwy stabilności rynkowej w ramach unijnego systemu handlu uprawnieniami do emisji ustanowionego dyrektywą 2003/87/WE (16.05.2019)

    Opinia Europejskiego Komitetu Regionów – W kierunku ósmego unijnego programu działań w zakresie środowiska EAP (16.05.2019)

    DECYZJA DELEGOWANA KOMISJI  2019/708 z dnia 15 lutego 2019 r. uzupełniająca dyrektywę 2003/87/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w zakresie wskazania sektorów i podsektorów uznanych za narażone na ryzyko ucieczki emisji w okresie 2021–2030 (08.05.2019)

    Wyrok Trybunału z dnia 13 marca 2019 r. — Rzeczpospolita Polska/Parlament Europejski, Rada Unii Europejskiej - Skarga o stwierdzenie nieważności - Dyrektywa (UE) 2016/2284 - Redukcja krajowych emisji niektórych rodzajów zanieczyszczeń atmosferycznych (06.05.2019)

    Zawiadomienie dla przedsiębiorstw zamierzających wprowadzać wodorofluorowęglowodory luzem do obrotu w Unii Europejskiej w 2020 r. (06.05.2019)