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
      listopad
      Przedstawiamy wyrok WSA w Warszawie oceniający postępowanie w sprawie podjęcia działalności po wstrzymaniu użytkowania instalacji eksploatowanej bez wymaganego pozwolenia na wprowadzanie gazów lub pyłów do powietrza. Kluczowym dla orzeczenia zagadnieniem jest błędna odmowa przymiotu strony właścicielom nieruchomości zlokalizowanych w zasięgu oddziaływania emisji na powietrze atmosferyczne. W ocenie WSA skarżący z racji uciążliwości zapachowej wynikającej z wprawienia przedsiębiorstwa w ruch, legitymują się aktualnym realnym interesem prawnym w jej rozstrzygnięciu. Winni zatem być stroną postępowania dotyczącego zgody na podjęcie działalności przez instalację.
    • 28
      listopad
      Artykuł zawiera omówienie zmian w ustawie Prawo ochrony środowiska jakie zostały wprowadzone opublikowaną 27 października 2017 r. w Dzienniku Ustaw ustawą z dnia 15 września 2017 r. o zmianie ustawy Poś. Zakres opisanych zmian obejmuje między innymi wprowadzenie trzeciej zasady łączenia (sumowania mocy), ustanowienie obowiązku wydania decyzji o warunkach i wielkościach emisji z instalacji wymagających zgłoszenia, których dotyczy trzecia zasada łączenia, zmianę zakresu zgłoszenia instalacji oraz wniosku o wydanie pozwolenia na wprowadzanie gazów lub pyłów do powietrza i pozwolenia zintegrowanego, utworzenie Rejestru średnich źródeł spalania paliw oraz wprowadzenie obowiązku uwzględnienia w projekcie uchwały w sprawie programu ochrony powietrza analizy potrzeb ustalenia wielkości dopuszczalnych emisji z niektórych źródeł na poziomie niższym niż standardy emisyjne.
    • 25
      październik
      Przedstawiamy postanowienia WSA w Szczecinie w sprawie skarg na wezwania do złożenia wniosków o zmianę pozwolenia zintegrowanego w związku z dostosowaniem instalacji do wymogów decyzji wykonawczej Komisji ustanawiającej konkluzje BAT. Artykuł obejmuje postanowienia z dnia: 18.10.2017 r. (II SA/Sz 1041/17), 17.10.2017 r. (II SA/Sz 1039/17) oraz 13.10.2017 r. (II SA/Sz 1140/17). W uzasadnieniu postanowień WSA w Szczecinie wskazał akty lub czynności, które mogą być przedmiotem skargi i ocenił charakter prawny wezwania na podstawie art. 215 ust. 4 pkt 2 ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska. WSA uznał, że wezwanie nie ma postaci rozstrzygnięcia, z którego wynikają dla posiadacza pozwolenia zintegrowanego bezpośrednio skutki prawne władczego działania organu, a także nie wynika z nich możliwość poddania tego zalecenia egzekucji administracyjnej lub wprost sankcji. Z tego względu wezwanie nie podlega zaskarżeniu do sądu administracyjnego. Władczym rozstrzygnięciem byłaby  dopiero decyzja administracyjna w przedmiocie cofnięcia lub ograniczenia pozwolenia zintegrowanego bez odszkodowania, którą organ może wydać na podstawie art. 195 ust. 1 pkt 5 ustawy Poś, jeśli prowadzący instalację nie wystąpił z wnioskiem, o którym mowa w art. 215 ust. 4 pkt 2. W toku postępowania administracyjnego, w którym taka decyzja byłaby wydana, jak i w toku ewentualnego postępowania sądowoadministracyjnego, dotyczącego tej decyzji, skarżąca Spółka byłaby uprawniona do kwestionowania zaistnienia obowiązku dostosowania warunków pozwolenia zintegrowanego do zaleceń wynikających z nowych regulacji prawnych.
    NEWSLETTER:
    Jeśli chcesz otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach zapisz się
     
    Operat FB
    szkolenie modelowanie
    f-gazy
    OZE Energiczny Obywatel

    Zobacz komunikaty JRC / US EPA / EEA / NIK:

    EEA: Dieselisation - share of diesel cars in the total passenger car fleet (05.12.2017)


    © EEA

    EEA: Size of the vehicle fleet (05.12.2017)


    © EEA

    EEA: Final energy consumption by mode of transport (05.12.2017)


    © EEA

    EPA Launches Cross-Agency Effort to Address PFAS (04.12.2017)

    EPA Finalizes RFS Volumes for 2018 and Biomass Based Diesel Volumes for 2019 (30.11.2017)

    EEA: Distance to emission reduction commitment (30.11.2017)


    © EEA

    EEA: Exposure of ecosystems to acidification, eutrophication and ozone (23.11.2017)

    JRC: Air Quality Atlas for Europe: mapping the sources of fine particulate matter (16.11.2017)


    © JRC

    EEA: European Air Quality Index: current air quality information at your finger tips (16.11.2017)


    © EEA

    EPA: U.S. Seafoods to take action to prevent further releases of ozone-depleting substances in Alaska (16.11.2017)

    JRC: EU Emissions Trading System: landmark agreement between Parliament and Council delivers on EU's commitment to turn Paris Agreement into reality (09.11.2017)

    Zobacz bieżące artykuły w Atmospheric Environment:

    Field evaluation of vegetation and noise barriers for mitigation of near-freeway air pollution under variable wind conditions (02.12.2017)

    Air quality and pollutant emissions in the Moscow megacity in 2005–2014 (01.12.2017)

    Estimating representative background PM2.5 concentration in heavily polluted areas using baseline separation technique and chemical mass balance model (02.12.2017)

    Heterogeneous ozonation reactions of PAHs and fatty acid methyl esters in biodiesel particulate matter (28.11.2017)

    Guided episodic sampling for capturing and characterizing industrial plumes (27.10.2017)

    Zobacz EUR-Lex:

    Skarga Rządu Polskiego do Trybunału Sprawiedliwości przeciwko Komisji o stwierdzenie nieważności decyzji wykonawczej 2017/1442 ustanawiającej konkluzje BAT w odniesieniu do dużych obiektów energetycznego spalania (04.12.2017)

    Decyzja wykonawcza Komisji 2017/1984 z dnia 24 października 2017 r. określająca, zgodnie z rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady nr 517/2014 w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych, wartości odniesienia na okres od dnia 1 stycznia 2018 r. do dnia 31 grudnia 2020 r. dla każdego producenta lub importera, który zgodnie z prawem wprowadził do obrotu wodorofluorowęglowodory od dnia 1 stycznia 2015 r. (04.11.2017)

    Europejska strategia na rzecz mobilności niskoemisyjnej (12.10.2017)

    Energia ze źródeł odnawialnych i rynek wewnętrzny energii elektrycznej (12.10.2017)

    Zarządzanie unią energetyczną i czysta energia (12.10.2017)

    Efektywność energetyczna i budynki (12.10.2017)

    Decyzja Komisji (UE) 2017/1797 z dnia 23 maja 2017 r. w sprawie pomocy państwa wdrożonej przez Niemcy na rzecz określonych konsumentów końcowych (obniżona dopłata kogeneracyjna), oraz którą Niemcy planują wdrożyć w celu rozszerzenia systemu wsparcia dla kogeneracji w odniesieniu do instalacji CHP używanych w sieciach zamkniętych (06.10.2017)