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
    • 27
      marzec
      W minionym tygodniu (24.03) na stronie Biura IPPC zamieszczony został ostateczny projekt dokumentu referencyjnego BREF dla Rzeźni i przetwórstwa produktów ubocznych pochodzenia zwierzęcego „The Final Draft – Slaughterhouses and Animals By-products Industries”. Projekt zawiera ostateczną propozycję konkluzji BAT. The Final Draft – Slaughterhouses and Animals By-products Industries
    • 20
      marzec
      Przypominamy o konieczności dopełnienia do końca marca następujących obowiązków dotyczących emisji do powietrza w roku 2022: - przedłożenia marszałkowi województwa wykazu z danymi o korzystaniu ze środowiska oraz o wysokości należnych opłat - wniesienia opłaty za ww. korzystanie ze środowiska, w tym emisje - wprowadzenia sprawozdania PRTR - przedłożenia do KOBiZE zweryfikowanego rocznego raportu CO2 - niektórych obowiązków sprawozdawczych w zakresie f-gazów
    • 02
      marzec
      Na tegorocznych targach EKOTECH będzie można poznać, między innymi urządzenia do oczyszczania gazów odlotowych z zanieczyszczeń organicznych LZO produkowane przez firmę Katalizator oraz najnowsze modele rozdrabniaczy przemysłowych dla branży gospodarki odpadami. W trakcie dwóch dni targów zaplanowano szereg bezpłatnych wydarzeń towarzyszących skierowanych do przedstawicieli administracji publicznej, przedsiębiorców i przedstawicieli organizacji non-profit, w tym Międzynarodowe Forum Gospodarki Odpadami MIFOD „E3” ekologia-ekonomia-energetyka w gospodarce odpadami.
    NEWSLETTER:
    Jeśli chcesz otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach zapisz się
     
    Operat FB
    Katalizatory do redukcji LZO - Katalizator Grupa PONER

    Program zwiększania kompetencji i Szkolenia zamknięte

    Warsztaty on-line

    Zobacz komunikaty JRC/ IPPC Bureau / US EPA / EEA / NIK / ETO / GDOŚ / GIOŚ / WIOŚ / IOŚ / MKiŚ:

    IPPC Bureau: Ostateczny projekt konkluzji BAT w nowym dokumencie BREF dotyczącym Rzeźni i przetwórstwa produktów ubocznych  pochodzenia zwierzęcego „The Final Draft – Slaughterhouses and Animals By-products Industries” (24.03.2023)

    konkluzje BAT rzeźnie ubojnie przemysł mięsny
    © IPPC Bureau

    EPA [amoniak w układach chłodniczych] Settlement with Cold Storage Warehouse and Distribution Company Helps Make New Bedford and Hartford Communities Safer (22.03.2023)

    EPA [wykrywanie emisji LZO ze zbiorników za pomocą kamery na podczerwień] Announces Clean Air Act Violations for Permian Basin Company (22.03.2023)

    U.S. EPA [procedura sądowa natychmiastowego zabezpieczenia przed emisjami] United States Seeks Preliminary Injunction Against Denka Performance Elastomer to Immediately Reduce Chloroprene Emissions (20.03.2023)

    U.S. EPA [chloropren] LaPlace, St. John the Baptist Parish, Louisiana

    WIOŚ w Katowicach: awaria instalacji amoniaku w Zakładach Tłuszczowych BIELMAR – linia gaśnicza z kurtynami wodnymi do zapobiegania rozprzestrzenianiu się ewentualnej chmury amoniaku – w trakcie akcji ratowniczej przed zanieczyszczeniem rzeki Białej

    EPA [transport] and DOJ File Clean Air Act Complaint Against Diesel Spec Inc. for the Sale of Vehicle Emission “Defeat Devices” (17.03.2023)

    EPA [ozon, NOx, program „dobrego sąsiedztwa”] Announces Final “Good Neighbor” Plan to Cut Harmful Smog, Protecting Health of Millions from Power Plant, Industrial Air Pollution (15.03.2023)

    NIK o zapobieganiu pożarom miejsc gromadzenia odpadów (14.03.2023)

    NIK: Ciepło ucieka, czas ucieka - rozwój efektywnych systemów ciepłowniczych (09.03.2023)

    EPA [transport] Reaches Settlement with Two Indiana Companies to Halt Sales of Illegal Vehicle Emission Defeat Devices (08.03.2023)

    EPA [HFC] Announces Enforcement Actions to Control Hydrofluorocarbon Imports (02.03.3023)

    EPA [chloropren] and Justice Department File Complaint Alleging Public Health Endangerment Caused by Denka Performance Elastomer’s Carcinogenic Air Pollution (28.02.2023)

    EPA [emisje z elektrowni w 2022 roku] Releases 2022 Power Plant Emissions Data (24.02.2023)

    EPA [TSCA – ocena ryzyka skumulowanego oddziaływania chemikaliów o podobnych skutkach] Releases Proposed Approach for Considering Cumulative Risks under TSCA (24.02.2023)

    U.S. EPA [monitoring powietrza po katastrofie kolejowej] Statement from Regional Administrator Debra Shore on the East Palestine Train Derailment (14.02.2023)

    EPA [transport] Reaches Settlement with Indiana Company to Halt Sales of Illegal Vehicle Emission Defeat Devices (14.02.2023)

    Zobacz bieżące artykuły w Atmospheric Environment:

    Sources and risk assessment of atmospheric Hg during the 2022 Beijing Olympic Winter Games

    Determining the filtration effectiveness of non-standard respiratory protective devices by an ad-hoc laboratory methodology

    Seasonal evolution of aerosol loading and its vertical distribution in northeastern China from long-term satellite observations and model reanalysis

    Premature deaths related to urban air pollution in Poland

    Zobacz EUR-Lex:

    Wyrok TSUE w sprawie C-342/21 z dnia 9 lutego 2023 r. – Komisja Europejska/Republika Słowacka [Uchybienie zobowiązaniom państwa członkowskiego – Środowisko naturalne – Dyrektywa 2008/50/WE – Jakość otaczającego powietrza – Artykuł 13 ust. 1 i załącznik XI – Systematyczne i trwałe przekraczanie wartości dopuszczalnych mających zastosowanie do pyłu zawieszonego PM10 w określonych strefach Słowacji – Artykuł 23 ust. 1 – Załącznik XV – „Jak najkrótszy” okres przekraczania tych wartości dopuszczalnych – Odpowiednie środki (27.03.2023)

    Zalecenie Komisji z dnia 14 marca 2023 r. Magazynowanie energii – Podstawa zdekarbonizowanego i bezpiecznego systemu energetycznego UE (20.03.2023)

    Rozporządzenie wykonawcze Komisji (UE) 2023/592 z dnia 16 marca 2023 r. zmieniające rozporządzenie wykonawcze (UE) 2019/244 nakładające ostateczne cło wyrównawcze na przywóz biodiesla pochodzącego z Argentyny (17.03.2023)

    Konkluzje Rady w sprawie umiejętności i kompetencji na potrzeby transformacji ekologicznej (14.03.2023)

    Opinia Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego „Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego, Rady, Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego i Komitetu Regionów »Działanie na rzecz przyszłości bez azbestu: europejskie podejście do kwestii zagrożeń dla zdrowia związanych z azbestem«” – Wniosek dotyczący dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady zmieniającej dyrektywę 2009/148/WE w sprawie ochrony pracowników przed zagrożeniem związanym z narażeniem na działanie azbestu w miejscu pracy (16.03.2023)

    Opinia Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego „Strategia przemysłowa dla sektora technologii morskich” (16.03.2023)

    Rozporządzenie Komisji (UE) 2023/443 z dnia 8 lutego 2023 r. zmieniające rozporządzenie (UE) 2017/1151 w odniesieniu do procedur homologacji typu w zakresie emisji dla lekkich pojazdów pasażerskich i użytkowych (02.03.2023)

    Zawiadomienie dla przedsiębiorstw zamierzających w 2023 r. przywozić do Unii Europejskiej lub z niej wywozić substancje kontrolowane, które zubożają warstwę ozonową, oraz dla przedsiębiorstw zamierzających w 2024 r. produkować lub przywozić te substancje do nieodzownych zastosowań laboratoryjnych i analitycznych w 2024 r. (27.02.2023)

    Zawiadomienie Komisji – Wytyczne dotyczące stwierdzania obecności urządzeń ograniczających skuteczność działania w odniesieniu do emisji zanieczyszczeń pochodzących z pojazdów lekkich homologowanych w rzeczywistych warunkach jazdy (RDE), z pojazdów ciężkich oraz dotyczące zabezpieczenia przed ingerencją (24.02.2023)

    Decyzja Komisji z dnia 21 grudnia 2022 r. zlecająca centralnemu administratorowi dziennika transakcji Unii Europejskiej wprowadzenie zmian w tabelach krajowego rozdziału uprawnień Czech, Danii, Niemiec, Irlandii, Hiszpanii, Francji, Włoch, Łotwy, Węgier, Niderlandów, Rumunii i Szwecji do dziennika transakcji Unii Europejskiej (21.02.2023)

    Sprawa C-125/20: Wyrok Trybunału z dnia 22 grudnia 2022 r. – Komisja Europejska/Królestwo Hiszpanii [Uchybienie zobowiązaniom państwa członkowskiego – Środowisko naturalne – Dyrektywa 2008/50/WE – Jakość otaczającego powietrza – Artykuł 13 ust. 1 – Załącznik XI – Systematyczne i ciągłe przekraczanie wartości dopuszczalnych dwutlenku azotu (NO2) w niektórych strefach i aglomeracjach Hiszpanii – Artykuł 23 ust. 1 – Załącznik XV – „Jak najkrótszy” okres przekroczenia (13.02.2023)