Uciążliwość zapachowa a parowanie ścieków

Zestawienia zawarte w [1] szeroko prezentują fakty dotyczące uciążliwości zapachowej dla otoczenia poszczególnych obiektów średnich i dużych oczyszczalni ścieków w Polsce. Pokazują duże zróżnicowanie odczuwalnych uciążliwości zapachowych z poszczególnych obiektów w ich ciągu ściekowym.

Natomiast przedstawione w artykule bezpośrednie porównanie uciążliwości zapachowej poszczególnych obiektów ze strumienia ściekowego, w ramach tych samych grup wielkości oczyszczalni, jak i pomiędzy obiektami tego samego rodzaju w obu grupach, umożliwiło naświetlenie przyczyn uciążliwości i ich zróżnicowania oraz określenie powiązań tych uciążliwości z parowaniem z lustra ścieków. Wiąże się to z takimi parametrami obiektów, jak głębokość, powierzchnia lustra ścieków, sfalowanie powierzchni lustra ścieków czy etap oczyszczania ścieków, to jest z ilością zanieczyszczeń organicznych wprowadzanych do danego obiektu w jednostce czasu hydraulicznego zatrzymania ścieków w obiekcie.

W celu jednoznacznego porównania uciążliwości zapachowej dla otoczenia od poszczególnych obiektów należałoby porównywać ustalenia dokonane w jednakowym czasie lub w tych samych warunkach atmosferycznych, zwłaszcza dla obiektów otwartych.

Parowanie z lustra ścieków jest w swojej istocie fizycznie podobne do parowania z lustra wody. Jednak parowanie ścieków niesie dla otoczenia inne implikacje, niż to ma miejsce w przypadku parowania czystej wody, związane z ewentualną uciążliwością dla otoczenia przedostających się do atmosfery (wraz z parą wodną) złowonnych odorantów, szczególnie tych z niskimi progami wyczuwalności (patrz dalej: progi wyczuwalności odorantów) oraz tych szkodliwych dla zdrowia ludzi przebywających w środowisku o dużym ich stężeniu, w szczególności np. siarkowodoru (rys. 1).

Obecnie wiele obiektów technologicznych oczyszczalni ścieków bytowych z ciągu ściekowego (takich jak osadniki wstępne, komory oczyszczania i osadniki wtórne, czy z ciągu osadowego, jak zagęszczacze, otwarte komory fermentacyjne czy stacje przeróbki osadów), jest szczelnie przykrywanych. Niemniej jednak mają one mniej lub bardziej skomplikowane instalacje, przez które powietrze z zanieczyszczeniami gazowymi, zapachowymi i mikroorganicznymi przechodzi i w większym lub mniejszym stopniu oczyszczone wprowadzane jest do powietrza atmosferycznego.

Zdaniem autora przy określaniu ilości wody odparowywanej z powierzchni swobodnego zwierciadła ścieków w obiektach zakrytych można skorzystać z danych na temat ilości odparowywanej wody z niecek basenowych w krytych pływalniach sportowych czy rekreacyjnych.

Ilość wody odparowywanej z jednostki powierzchni z lustra wody w jednostce czasu, czyli natężenie parowania, może być wskaźnikiem dotyczącym możliwej obecności uciążliwych zanieczyszczeń zapachowych w parującej wodzie z technologicznych obiektów oczyszczalni ścieków bytowych.

Z powodu niedostępności informacji nt. intensywności parowania wody i innych składników ze ścieków, poniżej przytoczone zostaną dostępne literaturowe dane liczbowe dot. parowania wody z niecek basenowych w warunkach podobnych do panujących w obiektach ciągu ściekowego oczyszczalni ścieków.

Jak wspomniano, na natężenie i ilość odparowywanej wody ma wpływ cały szereg czynników i parametrów, głównie takich jak:

• prężność pary nasyconej i pary wodnej nad zwierciadłem wody,
• przepływ powietrza ponad lustrem wody/ścieków w powiązaniu z:
• napełnieniem/głębokością danego obiektu wypełnionego wodą,
• faktem, czy lustro wody jest spokojne, czy sfalowane,
• temperatura wody i powietrza.

W przypadku odkrytych zbiorników ze ściekami bytowymi na zasięg ich uciążliwości zapachowej dla otoczenia istotny wpływ ma również przemieszczanie się mas powietrza wynikające z różnic ciśnień atmosferycznych czy z różnic gęstości powietrza ponad zbiornikami i w ich otoczeniu.

Uciążliwość dla otoczenia związana z parowaniem ścieków – odory

Powodem wyczuwalnych uciążliwości jest najczęściej obecność w otoczeniu oczyszczalni ścieków bytowych tzw. złowonnych zapachów, czyli odorów we wdychanym powietrzu, nawet przy ich bardzo małym stężeniu (tab.1).

Zagrożenie emisją odorów

Potencjalne zagrożenie dla otoczenia emisją odorów i zanieczyszczeń mikrobiologicznych z poszczególnych obiektów oczyszczalni ścieków bytowych zestawiono w tab. 2 i tab. 3. Uwaga: szczegółowe dane na temat liczby poszczególnych urządzeń oczyszczalni ścieków w Polsce z uciążliwością zapachową zostały przedstawione w [1].

Liczba obiektów a uciążliwość zapachowa dla otoczenia

W tab. 4, tab. 5itab. 6 zawarto porównanie liczby obiektów oczyszczalni ścieków ze strumienia ściekowego z uciążliwością zapachową dla otoczenia w Polsce. 

Na potrzeby tego porównania przeliczono odpowiednio wybrane przedmiotowe dane dla obiektów ze strumienia ściekowego ujętych w [1] i zestawiono na tej podstawie liczbę piaskowników, osadników wstępnych, tlenowych komór biologicznego oczyszczania ścieków i osadników wtórnych uciążliwych zapachowo oraz wyspecyfikowano przyczyny zróżnicowania uciążliwości zapachowej wiążące się odpowiednio z intensywnością parowania wody.

Temperatury powietrza i ścieków

Powszechnie wiadomo, że różnice temperatur powietrza i wody mają wpływ na intensywność parowania wody. Temperatury te znajdują odzwierciedlenie w sposób jawny lub ukryty we wszystkich przywołanych dalej wzorach na intensywność parowania wody z niecek krytych basenów kąpielowych.

W przypadku odkrytych komór ze ściekami parowanie wody ma też wpływ na zmniejszenie gęstości powietrza ponad lustrem ścieków w stosunku do powietrza suchego. W połączeniu ze zmianą różnic temperatur ścieków i powietrza w skali roku może to zmienić długość okresów, w których zachodzi wertykalna emisja bioaerozoli (dających uciążliwość zapachową) do atmosfery, natomiast na zasięg ich wyczuwalności wpływa jeszcze różnica ich stężeń i horyzontalne ruchy mas powietrza [3].

Na marginesie: fakt mniejszej gęstości powietrza wilgotnego od powietrza suchego należałoby uwzględniać w projektowaniu kanalizacji podciśnieniowej w części dotyczącej przewidywanej ilości natężenia powietrza potrzebnego do uzyskania odpowiedniego natężenia przepływu ścieków.

Czy i w jakim stopniu parowanie wody ze ścieków może mieć wpływ na bilans oczyszczanych ścieków, można będzie orientacyjnie wywnioskować na podstawie przytoczonych poniżej intensywności odparowywanej wody z basenów kąpielowych dla określonych warunków, po uwzględnieniu wielkości powierzchni lustra ścieków w analogicznych warunkach fizycznych (m.in. temperatury) i hydraulicznych (tj. głębokość czy sfalowanie powierzchni) w komorze ze ściekami i w niecce basenu kąpielowego.

Czytaj też: Odzysk ciepła ze ścieków w pralniach przemysłowych >>>

Parowanie ze swobodnej powierzchni wody

Poniżej zdefiniowano pokrótce czynniki uwzględniane przy obliczeniach ilości wody odparowywanej z niecek basenów kąpielowych.

Prężność pary wodnej to ciśnienie, jakie wykazuje para. Prężność pary nasyconej (tab. 7) zależy od temperatury, kształtu powierzchni rozdziału faz i obecności gazu obojętnego ponad tą powierzchnią.

• Wilgotność powietrza bezwzględna to gęstość pary wodnej zawartej w powietrzu, wyraża się ja w gramach pary na metr sześcienny powietrza.
• Wilgotność powietrza względna to ilość pary wodnej rzeczywiście zawartej w powietrzu w stosunku do tej ilości pary wodnej, która w danych warunkach mogłaby się pomieścić w powietrzu.

• Szybkość/intensywność parowania – masa cieczy wyparowywanej w jednostce czasu z jednostki powierzchni, wyrażona np. w g/s/cm²; zależy m.in. od rodzaju cieczy i powierzchni, rośnie ze wzrostem temperatury cieczy.
• Ciepło parowania – ilość ciepła, którą należy dostarczyć w danej temperaturze i pod określonym ciśnieniem, żeby jednostkę masy cieczy przeprowadzić w parę; zależy od rodzaju substancji i temperatury, wyraża się je w J/mol lub cal/g (tab. 8).

Parowanie ze swobodnej powierzchni ścieków

Ponieważ, w zależności od etapu oczyszczania, woda stanowi ok. 98–99% ścieków, a w strumieniu ściekowym stopniowo maleje zawartość zanieczyszczeń organicznych, to z powierzchni ścieków w decydującej mierze paruje woda oraz substancje o dużej uciążliwości zapachowej (patrz tab.1). Dlatego ilość odparowywanej wody i substancji odorowych jest bezpośrednią przyczyną występowania zróżnicowania uciążliwości zapachowej poszczególnych obiektów ze strumienia ściekowego.

Jednostkowy strumień odparowywanej wody ze swobodnego lustra ścieków

Dla przykładowego obliczenia jednostkowego strumienia parowania wody ze swobodnego lustra ścieków posłużono się wzorem VDI [4]:

(1)

gdzie:

S_pw – strumień odparowującej wody, kg/(h m2);

β_a, β_b – współczynnik odparowania wody: 7 dla niecek używanych i nieużywanych (przy głębokości <1,35 m) i odpowiednio 28 dla niecek nieużywanych (przy głębokości >1,35 m) lub 40 dla niecek używanych (przy głębokości >1,35 m), m/h;

R_o – stała gazowa pary wodnej = 461,52 J/(kg K);

T – średnia arytmetyczna z temperatury wody basenowej i powietrza, K;

p_wn – ciśnienie nasycenia pary wodnej przy temperaturze wody basenowej, Pa;

p_w – ciśnienie pary wodnej w powietrzu hali basenowej, Pa.

Przyjęto, że:

T = 303;

p_wn = 4243 Pa;

p_w = 1440 Pa

i dla β_a, β_b odpowiednio 7, 28 i 40 m/h;

otrzymano następujące wyniki S_pw:

0,14; 0,56 i 0,80 kg/(h m²).

Dla porównania poniżej przytoczono wielkości strumienia odparowywanej wody ze swobodnego lustra wody w krytych nieckach basenowych.

Zestawienie wyników obliczeń jednostkowego strumienia parowania wody dla krytych niecek basenowych z innych wzorów [6]

Parametry przyjęte do obliczenia strumienia odparowywanej wody z basenów to:

• temperatura wody t_w= 28°C = 301 K,
• temperatura powietrza t_p = 30°C = 303 K,
• temperatura warstwy granicznej (między wodą a powietrzem) t_pw = 28°C,
• prędkość powietrza w strefie przebywania ludzi w = 0,2 m/s = 0,72 km/h,
• wilgotność względna powietrza w hali basenowej φ_p. = 60%,
• zawartość wilgoci w powietrzu w hali basenowej x_p. = 16 g/kg,
• zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym (średnio) x_w = 11 g/kg.

Prężność pary nasyconej w temperaturze powietrza 303 K wynosi 31,824×133,3224 Pa = 4242,9 Pa. Wyniki obliczeń podano w tab. 9 i tab.10.

Orientacyjne prędkości parowania wody z krytych zbiorników ścieków komunalnych

W celu wykorzystania znanych wzorów na parowanie wody w krytych pływalniach do obliczenia strumienia odparowywanej wody z lustra zbiorników ścieków komunalnych w tab. 11 i tab. 12 zestawiono charakterystyki tych zbiorników oraz temperatury ścieków i powietrza. Służy to ustaleniu sytuacji, dla których taki zamiar mógłby być zasadny, i ewentualnemu potwierdzeniu prawdopodobnych przyczyn uciążliwości zapachowej i mikrobiologicznej obiektów dla otoczenia.

Do wzorów przytoczonych w [6] odpowiednie temperatury podawane są w kelwinach. W tab. 13 podano temperatury ścieków i powietrza przeliczone ze stopni Celsjusza na kelwiny, do wykorzystania obliczenia intensywności parowania wody ze swobodnej powierzchni ścieków w poszczególnych porach roku.

Ciśnienie nasycenia pary wodnej przy temperaturze ścieków:

• 280 K – ok. 8,05 mm Hg, tj. 8,05×133,3224 Pa = 1073,2 Pa;
• 288,5 K – ok. 13,79 mm Hg, tj. 13,79×133,3224 Pa = 1838,3 Pa.

Podsumowanie

Zarówno całe oczyszczalnie ścieków, jak i, co przedstawiono powyżej, ich poszczególne obiekty mogą być uciążliwe zapachowo dla otoczenia.

W artykule skoncentrowano się na obiektach strumienia ściekowego oraz obiektach z przełomu oczyszczania mechanicznego i biologicznego, oraz ich parametrach rzutujących na ilość odparowywanej wody z lustra ścieków jako głównej przyczyny takiej uciążliwości.

Wraz z wodą odparowują lub ulatniają się do powietrza atmosferycznego zanieczyszczenia zwane odorantami. Powiązanie potencjalnej ilości odparowywanej wody z progami wyczuwalności poszczególnych odorantów w powietrzu mogłoby dać przesłanki do prognozowania uciążliwości zapachowej poszczególnych otwartych obiektów z ciągu ściekowego na etapie projektowania w oparciu o wzory na parowanie wody z niecek zamkniętych basenów kąpielowych, dokumentować potrzebę ich hermetyzacji i projektowania wentylacji przestrzeni pomiędzy lustrem ścieków a przykryciem.

Powyżej zestawione dane procentowe dotyczące uciążliwości zapachowej poszczególnych obiektów ze strumienia ściekowego z przełomu oczyszczania mechanicznego i biologicznego opracowano na podstawie wyników badań oczyszczalni średnich i dużych w Polsce, przedstawionych w pracy [1]. Umożliwiają one pokazanie pewnych oczywistych i nieoczywistych prawidłowości, które są następstwem ilości odparowywanej wody i etapu oczyszczania ścieków (to jest z zawartością zanieczyszczeń biologicznych i zawiesiny), a mianowicie:

z zakresu objętego wnioskowaniem mniejszy procent obiektów zamkniętych jest uciążliwy zapachowo w porównaniu z takimi samymi obiektami otwartymi (patrz tab. 4 i tab. 5);

w przypadku obiektów ze sfalowaną powierzchnią ścieków ilość odparowywanej wody będzie w sposób naturalny większa od tej z obiektów o takiej samej funkcji i wielkości, ale z niesfalowanym lustrem ścieków (patrz tab. 9, tab.10 i tab. 11);

procent obiektów uciążliwych zapachowo z etapu wstępnego oczyszczania ścieków jest większy w porównaniu z takimi samymi obiektami oczyszczania biologicznego (patrz tab. 6);

w wyrażonej w procentach liczbie obiektów uciążliwych zapachowo duży udział mają obiekty z największą powierzchnią lustra ścieków, pomimo że przechowywane są w nich ścieki o większym stopniu oczyszczenia (patrz tab. 6);

w tab. 7, tab. 8 i tab. 13 podano wielkości fizyczne z przeznaczeniem do ich ewentualnego wykorzystania w indywidualnych obliczeniach intensywności parowania czy ilości odparowywanej wody w faktycznych warunkach, ze wzorów autorów wymienionych w tab. 9.

Wszystkie powyższe prawidłowości wiążą się z intensywnością odparowywanej wody, powierzchnią lustra ścieków i jego stanem w obiektach ze strumienia ściekowego oczyszczalni ścieków.

Literatura

1. Szynkowska M., Zwoździak J., Współczesna problematyka odorowa, PWN, 2010.
2. Odor and Corrosion Control in Sanitary Sewage Systems and Treatment Plants, WWBKD M43 USPA ORD, EPA 625/1-85-O/8,1985.
3. Borowski J., Mechanizmy emisji zanieczyszczeń, „Wodociągi-Kanalizacja” nr 5/2013, s. 84–89.
4. Więcek H., Wentylacja hal basenowych. Obliczenia wg znowelizowanych wytycznych VDI 2009, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2008, s. 94–98.
5. Gnatowski S., Fizyka. Część I, PWN, 1970.
6. Ratajczak K., Kunicki B., Parowanie wody w krytych basenach pływackich, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2016, s. 40–44.

Czytaj też: Ciśnieniowe techniki membranowe w oczyszczaniu ścieków przemysłowych i odcieków z wysypisk komunalnych >>>