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
    • 15
      luty
      W dziale „Bilans LZO” dodaliśmy stronę o wprowadzaniu danych o LZO do Krajowej bazy (KOBiZE). Opisaliśmy dwie podstawowe metody: - Metoda 1 „źródło-surowiec”: umożliwia poprzez zdefiniowanie oddzielnych wskaźników emisji dla różnych rodzajów związków zawartych w preparacie wskazanie różnych stawek opłat w zakładce „Opłaty”, która stanowi podstawę wykazu informacji o zakresie korzystania ze środowiska oraz o wysokości należnych opłat, - Metoda 2 „wskaźniki zastępcze dla instalacji”: umożliwia znaczące ograniczenie czasu na wprowadzenie danych do KOBiZE poprzez wyznaczenie zastępczego wskaźnika emisji odniesione do ogólnego parametru charakteryzującego pracę instalacji w ciągu roku, np. wielkości produkcji, albo łącznego zużycia surowców. Sposób wprowadzania danych w kolejnych krokach dla metody 1 i 2 przedstawiliśmy na przykładach liczbowych, wraz z analizą wymagań prawnych zawartych w art. 285 ust. 3 ustawy Prawo ochrony środowiska oraz art. 288 ust. 1 pkt 2.
    • 10
      luty
      W dziale „Obliczenia emisji” umieściliśmy kalkulator obliczeń ilości zanieczyszczeń zatrzymanych lub zneutralizowanych w urządzeniach oczyszczających, którą należy raportować w Dziale 4 sprawozdania GUS OS-1. Obliczenia są wykonywane na podstawie danych o skuteczności urządzenia „η” i emisji „E”. Artykuł zawiera wyprowadzenie wzoru obliczeniowego, kalkulator oraz formułę umożliwiającą dodanie algorytmu do arkusza excel. Całość dostępna jest na stronie http://wszystkooemisjach.pl/434/obliczenia-zanieczyszczen-zatrzymanych-lub-zneutralizowanych-w-urzadzeniach-oczyszcza
    • 08
      luty
      Monitoring odorów, system antyodorowy, eliminacja lub minimalizowanie uciążliwości zapachowej to tylko niektóre tematy przewidziane do prezentacji w trakcie 31. Konferencji Eksploatacja i rekultywacja składowisk odpadów, która odbędzie się 23-25 marca 2021 r. w Wiśle oraz on-line. Organizator - firma Abrys przewidziała również prezentacje dotyczące systemu odgazowania składowiska i zagrożeń pożarowych. Szczegółowe informacje znajdują się na stronie http://skladowiskowa.abrys.pl/
    NEWSLETTER:
    Jeśli chcesz otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach zapisz się
     
    DPF SNCR EcoeXhaust oczyszczanie spalin
    emisje KOBiZE i opłaty za korzystanie ze środowiska za 2020 rok - warsztaty on-line
    Warsztaty doskonalące z obliczeń rozprzestrzeniania zanieczyszczeń w powietrzu
    Operat FB

    Terminy najbliższych warsztatów:

    Data
    Godzina
    02.03.2021 r. 800 ÷ 1600
    03.03.2021 r.
    800 ÷ 1600 brak miejsc 


    Warsztaty z obliczeń emisji za rok 2020
    Warsztaty z modelowania stężeń

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

    EPA [LDAR] Consent Decree Entered to Resolve Clean Air Act Violations at the ABC Coke Facility in Tarrant, Alabama (24.02.2021)

    JRC: Clean Mobility: New report on conformity factors for Real Driving Emissions (22.02.2021)

    JRC emisje z samochodów
    ©JRC

    EPA [układy chłodnicze z amoniakiem] U.S. EPA penalizes Salinas, California company over violating Clean Air Act chemical safety requirements (17.02.2021)

    MKiŚ: Deklaracje dotyczące przyznania kontyngentów na przywóz fluorowanych gazów cieplarnianych - HFC w 2022 r. (12.02.2021)

    MKiŚ: Sprawozdania w zakresie F-GAZÓW i SZWO do Bazy Danych Sprawozdań (10.02.2021)

    EPA [emisje z remontu instalacji] EPA penalizes Shell for Anacortes refinery release (10.02.2021)

    EPA [emisje LZO z magazynowania odpadów] EPA settles with Emerald Kalama Chemical, LLC over hazardous waste handling, storage violations (08.02.2021)

    GDOŚ: Polsko-niemieckie spotkanie ws. transgranicznego oddziaływania na środowisko (29.01.2021)

    WIOŚ: Awaria dopalacza termicznego w Vesuvius w Skawinie (28.01.2021)

    U.S. EPA [emisje z pochodni] Dow Chemical Company and Two Subsidiaries Will Reduce Harmful Air Pollution at Four Chemical Plants (27.01.2021)

    U.S. EPA [układy chłodnicze z amoniakiem] EPA Reaches Settlement with Des Moines Cold Storage Co. Inc. for Alleged Clean Air Act Violations (27.01.2021)

    IOŚ: III FORUM INNOWACYJNOŚCI  „Klimat wobec wyzwań XXI wieku” zaproszenie na 29 stycznia 2021 r.

    WIOŚ: Wyniki pomiarów stężeń styrenu po pożarze w Zakładach Chemicznych Synthos (22.01.2021)

    MKiŚ: Zasady rozliczania emisji gazów cieplarnianych za rok 2020 w ramach EU ETS (22.01.2021)

    WIOŚ: Pożar odpadów niebezpiecznych w Kaczycach (22.01.2021)

    Zobacz bieżące artykuły w Atmospheric Environment:

    NOx depolluting performance of photocatalytic materials in an urban area – Part I: Monitoring ambient impact

    An experiment-based impulse response method to characterize airborne pollutant sources in a scaled multi-zone building

    Sensitivity analysis of O3 formation to its precursors-Multifractal approach

    Zobacz EUR-Lex:

    Decyzja Komisji (UE) 2021/355 z dnia 25 lutego 2021 r. dotycząca krajowych środków wykonawczych w odniesieniu do przejściowego przydziału bezpłatnych uprawnień do emisji gazów cieplarnianych zgodnie z art. 11 ust. 3 dyrektywy 2003/87/WE Parlamentu Europejskiego i Rady (notyfikowana jako dokument nr C(2021) 1215) (26.02.2021)

    Rozporządzenie delegowane Komisji (UE) 2021/277 z dnia 16 grudnia 2020 r. zmieniające załącznik I do rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2019/1021 dotyczącego trwałych zanieczyszczeń organicznych w odniesieniu do pentachlorofenolu oraz jego soli i estrów (23.02.2021)

    Komunikat rządu Rzeczypospolitej Polskiej dotyczący dyrektywy 94/22/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie warunków udzielania i korzystania z zezwoleń na poszukiwanie, badanie i produkcję węglowodorów – Ogłoszenie o złożeniu wniosku o udzielenie koncesji na poszukiwanie i rozpoznawanie oraz wydobywanie metanu występującego w złożu węgla kamiennego (23.02.2021)

    Komunikat rządu Rzeczypospolitej Polskiej dotyczący dyrektywy 94/22/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie warunków udzielania i korzystania z zezwoleń na poszukiwanie, badanie i produkcję węglowodorów – Ogłoszenie o złożeniu wniosku o udzielenie koncesji na poszukiwanie i rozpoznawanie oraz wydobywanie metanu występującego w złożu węgla kamiennego (23.02.2021)

    ROZPORZĄDZENIE DELEGOWANE KOMISJI (UE) 2021/115 z dnia 27 listopada 2020 r. zmieniające załącznik I do rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2019/1021 w odniesieniu do kwasu perfluorooktanowego (PFOA), jego soli i związków pochodnych (02.02.2021)

    Trybunał Sprawiedliwości: Sprawa C-320/19: Wyrok Trybunału (piąta izba) z dnia 3 grudnia 2020 r. (wniosek o wydanie orzeczenia w trybie prejudycjalnym złożony przez Verwaltungsgericht Berlin – Niemcy) – Ingredion Germany GmbH / Bundesrepublik Deutschland [Odesłanie prejudycjalne – Środowisko naturalne – Dyrektywa 2003/87/WE – System handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych – Artykuł 3 lit. h) – Nowe instalacje – Artykuł 10a – Przejściowy system przydziału bezpłatnych uprawnień do emisji – Decyzja 2011/278/UE – Artykuł 18 ust. 1 lit. c) – Poziom działalności związanej z paliwami – Artykuł 18 ust. 2 akapit drugi – Wartość odpowiedniego współczynnika wykorzystania zdolności produkcyjnych] (01.02.2021)

    Zawiadomienie dla przedsiębiorstw zamierzających wprowadzać wodorofluorowęglowodory luzem do obrotu w Unii Europejskiej w 2022 r. (22.01.2021)

    Sprostowanie do decyzji Komisji (UE) 2015/886 z dnia 8 czerwca 2015 r. zmieniającej decyzję 2014/312/UE ustanawiającą ekologiczne kryteria przyznawania oznakowania ekologicznego UE farbom i lakierom wewnętrznym i zewnętrznym (21.01.2021)

    Sprostowanie do decyzji Komisji (UE) 2016/397 z dnia 16 marca 2016 r. zmieniającej decyzję 2014/312/UE ustanawiającą ekologiczne kryteria przyznawania oznakowania ekologicznego UE farbom i lakierom wewnętrznym i zewnętrznym (21.01.2021)

    Sprostowanie do decyzji Komisji 2014/312/UE z dnia 28 maja 2014 r. ustanawiającej ekologiczne kryteria przyznawania oznakowania ekologicznego UE farbom i lakierom wewnętrznym i zewnętrznym (21.01.2021)

    Sprostowanie do rozporządzenia Komisji (UE) 2019/1939 z dnia 7 listopada 2019 r. zmieniającego rozporządzenie (UE) nr 582/2011 w odniesieniu do pomocniczych strategii emisji (AES), dostępu do informacji z OBD pojazdu oraz informacji dotyczących naprawy i obsługi technicznej pojazdów, pomiaru emisji w okresach rozruchu zimnego silnika oraz użytkowania przenośnych systemów pomiaru emisji (PEMS) na potrzeby pomiaru liczby cząstek stałych odnośnie do pojazdów ciężkich (15.01.2021)