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
    • 21
      listopad
      W związku z opublikowaniem w Dzienniku Urzędowym Unii Europejskiej decyzji wykonawczej Komisji ustanawiającej konkluzje BAT dla przetwórstwa metali żelaznych zaktualizowaliśmy stronę główną konkluzji BAT w dziale Prawo: Prawo / Konkluzje BAT W tabeli terminów zostały dodane daty: - przeprowadzenia obowiązkowej analizy warunków pozwolenia zintegrowanego: do dnia 4 maja 2023 r. - obowiązkowego dostosowania instalacji do wymagań konkluzji BAT: do dnia 4 listopada 2026 r.
    • 02
      listopad
      Opublikowane w Monitorze Polskim stawki opłat za korzystanie ze środowiska na rok 2023 dodaliśmy do stron portalu: - Opłaty za wprowadzanie gazów lub pyłów do powietrza: zmiany stawek opłat - Prawo: opłaty za wprowadzanie gazów i pyłów do powietrza Stawki opłat za gazy lub pyły wprowadzane do powietrza na rok 2023 będą na poziomie nieznacznie wyższym niż dla roku 2022 (średnio o 5,2%). Podstawę stawek opłat dla roku 2023 stanowi Obwieszczenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 7 października 2022 r. w sprawie wysokości stawek opłat za korzystanie ze środowiska na rok 2023 (M. P. poz. 1009) oraz Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 22 grudnia 2017 r. w sprawie jednostkowych stawek opłat za korzystanie ze środowiska (Dz. U. poz. 2490).
    • 06
      październik
      Serdecznie zapraszamy na szkolenia zaplanowane w sesji jesiennej br.: - Specjalista ds. Emisji - Bilans LZO - Rozprzestrzenianie zanieczyszczeń w powietrzu Cykl szkoleń w sesji jesiennej rozpoczyna szkolenie Specjalista ds. Emisji, które odbędzie się w dniach 29-30.11.2022 r. Szkolenie poprowadzi prof. Agnieszka Goroncy, Bartosz Kuśmidrowicz i Konrad Jabłoński. Szczegółowe informacje o szkoleniu zamieściliśmy na stronie http://wszystkooemisjach.pl/494 W pierwszym tygodniu grudnia odbędzie się szkolenie z Bilansów LZO. Webinarium live 6.12.2022.  Warsztaty on-line 7.12.2022. Szczegóły szkolenia zostały zamieszczone na stronie https://wszystkooemisjach.pl/492 Jesienny cykl szkoleń zamyka szkolenie z obliczeń rozprzestrzeniania zanieczyszczeń w powietrzu, które odbędzie się 13.12.2022 Webinarium live oraz 14.12.2022 Warsztaty on-line. Szkolenie poprowadzi Bartosz Kuśmidrowicz oraz Ryszard Samoć. Szczegółowe informacje o szkoleniu na stronie https://wszystkooemisjach.pl/490
    NEWSLETTER:
    Jeśli chcesz otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach zapisz się
     
    Szkolenie Bilans LZO 2022
    Szkolenie z obliczeń Rozprzestrzeniania zanieczyszczeń w powietrzu 2022
    Szkolenie Specjalista ds. Emisji 2022
    Operat FB

    Program zwiększania kompetencji i Szkolenia zamknięte

    Warsztaty on-line

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

    EPA [PFAS] Highlights Important Progress in Protecting Communities from PFAS (17.11.2022)

    EPA [metan] and PEMEX Announce Collaboration to Reduce Methane Emissions (14.11.2022)

    U.S. EPA [metan] Biden-Harris Administration Strengthens Proposal to Cut Methane Pollution to Protect Communities, Combat Climate Change, and Bolster American Innovation (11.11.2022)

    IPPC Bureau: The Commission Implementing Decision establishing the BAT conclusions for the ferrous metal processing industry has been published in the Official Journal of the European Union (04.11.2022)

    EPA [tlenek etylenu] to Hold Open House Meeting in Santa Teresa, New Mexico on Health Risks from Ethylene Oxide Emissions (27.10.2022)

    NIK: Polska bez szans na pozbycie się azbestu do końca 2032 roku (21.10.2022)

    EPA [tlenek etylenu] to Hold Open Houses and Community Meetings for New Tazewell Residents about Health Risks from Ethylene Oxide (20.10.2022)

    U.S. EPA [HFC] Biden Administration Continues Phasedown of Super-Pollutants to Combat Climate Change and Boost U.S. Manufacturing (20.10.2022)

    EPA [transport] Cracks Down on Sellers of ‘Defeat Devices’ that Increase Air Pollution (18.10.2022)

    IPPC Bureau: The IED Article 75 Committee gave a positive opinion on the draft Commission Implementing Decisions establishing BAT conclusions for the for the textiles industry (TXT) as well as for the common waste gas management and treatment systems in the chemical sector (WGC) through a written procedure (13.10.2022)

    EPA [transport] Fines Midwest Motors in Eureka, Missouri, for Alleged Automobile ‘Defeat Device’ Violations (13.10.2022)

    EPA [tlenek etylenu] community meeting to present update on ethylene oxide risk in Sandy, Utah (12.10.2022)

    EPA [tlenek etylenu] to Hold Open Houses and Community Meetings for Memphis Residents about Health Risks from Ethylene Oxide (11.10.2022)

    NIK: Czyste Powietrze – niewielkie efekty wielkiego programu (07.10.2022)

    Zobacz bieżące artykuły w Atmospheric Environment:

    A multiscale air quality and health risk modelling system: Design and application over a local traffic management case study

    Hydroxymethanesulfonate formation as a significant pathway of transformation of SO2

    Continental-scale Atmospheric Impacts of the 2020 Western U.S. Wildfires Open access

    Air quality impacts of electric vehicle adoption in California

    Use of a drone-based sensor as a field-ready technique for short-term concentration mapping of air pollutants: A modeling study

    Development and performance evaluation of a two-stage cascade impactor equipped with gelatin filter substrates for the collection of multi-sized particulate matter

    Zobacz EUR-Lex:

    Poprawki przyjęte przez Parlament Europejski w dniu 5 kwietnia 2022 r. w sprawie wniosku dotyczącego decyzji Parlamentu Europejskiego i Rady zmieniającej decyzję (UE) 2015/1814 w odniesieniu do liczby uprawnień, które mają zostać wprowadzone do rezerwy stabilności rynkowej na potrzeby unijnego systemu handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych do 2030 r. (15.11.2022)

    Decyzja wykonawcza Komisji (UE) 2022/2110 z dnia 11 października 2022 r. ustanawiająca konkluzje dotyczące najlepszych dostępnych technik (BAT) zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/75/UE w sprawie emisji przemysłowych, w odniesieniu do przetwórstwa metali żelaznych (04.11.2022)

    Regulamin ONZ nr 154 – Jednolite przepisy dotyczące homologacji lekkich pojazdów osobowych i użytkowych w odniesieniu do emisji objętych kryteriami, emisji dwutlenku węgla i zużycia paliwa lub pomiaru zużycia energii elektrycznej i zasięgu przy zasilaniu energią elektryczną

    Decyzja wykonawcza Komisji (UE) 2022/2087 z dnia 26 września 2022 r. potwierdzająca lub zmieniająca wstępne obliczenia średnich indywidualnych poziomów emisji CO2 oraz docelowych indywidualnych poziomów emisji dla producentów samochodów osobowych i lekkich (28.10.2022)

    Decyzja Urzędu Nadzoru EFTA nr 029/22/COL z dnia 9 lutego 2022 r. zmieniająca zasady merytoryczne w dziedzinie pomocy państwa przez wprowadzenie nowych Wytycznych w sprawie pomocy państwa na ochronę klimatu i środowiska oraz cele związane z energią z 2022 (27.10.2022)

    Decyzja wykonawcza Komisji (UE) 2022/1953 z dnia 7 października 2022 r. w sprawie emisji gazów cieplarnianych objętych decyzją Parlamentu Europejskiego i Rady nr 406/2009/WE przypadających na poszczególne państwa członkowskie za rok 2020 (17.10.2022)