- SelectedWorks

From the SelectedWorks of Robert Oleniacz
April, 2014
Wykorzystanie atmosferycznego modelu dyspersji
Calpuff do oceny oddziaływania na jakość
powietrza planowanego Zakładu Termicznego
Przekształcania Odpadów Komunalnych w
Krakowie
Mateusz Rzeszutek
Robert Oleniacz
Available at: http://works.bepress.com/robert_oleniacz/62/
WYKORZYSTANIE ATMOSFERYCZNEGO MODELU
DYSPERSJI CALPUFF DO OCENY ODDZIAŁYWANIA
NA JAKOŚĆ POWIETRZA PLANOWANEGO ZAKŁADU
TERMICZNEGO PRZEKSZTAŁCANIA ODPADÓW
KOMUNALNYCH W KRAKOWIE
Mateusz Rzeszutek1, Robert Oleniacz2
1.
Wstęp
Proces termicznego przekształcania odpadów komunalnych stanowi element
systemu gospodarki odpadami, który umożliwia skuteczne ograniczenie ilości
deponowanych opadów na składowiskach. W wyniku prowadzenia tego procesu
powstają gazy odlotowe zawierające liczne substancje zanieczyszczające powietrze
atmosferyczne. Gazy te przed uwolnieniem do atmosfery są jeszcze oczyszczane w
odpowiedniej instalacji. Emisja z tego typu zakładów podlega również ścisłej kontroli
poprzez działania monitoringowe oraz nie może przekraczać wartości standardów
emisyjnych określonych w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia
2011 r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji [5].
Zgodnie z obowiązującymi przepisami tego typu nowo budowane instalacje
wymagają wykonania oceny oddziaływania na środowisko. W przypadku oceny
wpływu na jakość powietrza przeprowadza się ją z wykorzystaniem technik
matematycznego modelowania dyspersji zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym.
W polskim ustawodawstwie za obowiązujący model obliczeń poziomów substancji w
powietrzu uznaje się tzw. model smugi Gausa opierający się na formule Pasquilla
uwzględniającej tylko podstawowe czynniki topograficzne i meteorologiczne [1, 3, 4].
W niniejszej pracy w celu określenia wpływu na jakość powietrza planowanego
Zakładu Termicznego Przekształcania Odpadów Komunalnych (ZTPOK) w Krakowie
skorzystano ze średnio zawansowanego systemu modeli CALMET/CALPUFF wraz
z towarzyszącymi im preprocesorami przygotowania danych meteorologicznych
i geofizycznych. W ww. systemie modelowania zakłada się, że w ciągu pewnego
przedziału czasu (∆t) zostaje wyrzucona zadana masa zanieczyszczeń powietrza
atmosferycznego, a uwolniony obłok przemieszczenia się wewnątrz siatki
obliczeniowej zgodnie z wektorami pola wiatru [9, 10, 13]. Dyfuzję obłoku opisują
współczynniki poziomej i pionowej dyspersji. Uwzględniane są efekty związane
z częściowym zanikiem smugi w warstwie inwersyjnej, odchyleniem smugi na szczycie
1
Mgr inż., AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra
Kształtowania i Ochrony Środowiska.
2
Dr inż., AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra
Kształtowania i Ochrony Środowiska.
41
emitora czy obniżeniem położenia przemieszczającego się obłoku wyniku suchej
i mokrej depozycji substancji stałych i gazowych [10, 12].
2.
Charakterystyka obiektu badań
Planowany do wybudowania końcem 2015 roku ZTPOK w Krakowie położony
będzie w dzielnicy XVIII Nowa Huta na działkach nr 64/32, 64/10, 64/17 i 64/41 (obręb
43) o łącznej powierzchni 5,7057 ha. Składać się będzie on z dwóch niezależnych linii
spalania o maksymalnej wydajności 14,1 Mg/h i minimalnym czasie pracy w ciągu roku
7800 godzin oraz instalacji zestalania i chemicznej stabilizacji popiołów lotnych
i instalacji waloryzacji żużla i odzysku metali żelaznych i nieżelaznych [11, 14].
Proces spalania prowadzony będzie przy temperaturze 850°C w piecu rusztowym
z zintegrowaną komorą dopalania spalin. Komora powinna zapewnić wymagany czas
przebywania spalin w odpowiedniej temperaturze. W zakresie oczyszczania spalin
przewiduje się zastosowywanie metody selektywnej redukcji niekatalitycznej (SNCR)
dwutlenku azotu. Stosowana będzie również metoda półsuchej redukcji kwaśnych
zanieczyszczeń w połączeniu z metodą strumieniowo-pyłową polegającą na wtrysku
węgla aktywnego do kanału spalinowego przed reaktorem oraz zatrzymaniu suchej
pozostałości w filtrze workowym. Zastosowanie powyższych metod powinno zapewnić
odpowiednią skuteczność oczyszczania spalin z par metali ciężkich, dioksyn i furanów,
tlenków siarki i azotu, chlorku i fluorku wodoru oraz pyłów. Oczyszczone gazy
odlotowe zawierające odpowiednie poziomy zanieczyszczeń powietrza odprowadzane
będą do atmosfery przy pomocy dwóch identycznych emitorów o wysokości 80 m
i średnicy 1,6 m [8, 11].
3.
Przygotowanie danych wejściowych do modelu
3.1. Dane przestrzenne
Dane przestrzenne terenu stanowią informację wejściową dla tzw. preprocesorów
przygotowania danych geofizycznych. Programy te wycinają zdefiniowany zakres
danych, a następnie przeliczają na odpowiedni układ współrzędnych w efekcie tworząc
plik danych wejściowych modelu CALMET, zawierający wymagane parametry
topograficzne wykorzystywane w procesie obliczeniowym [9, 13].
Dane przestrzenne numerycznego modelu terenu pozyskano z bazy danych SRTM3
(Shuttle Radar Topography Mission) o rozdzielczości 3” (około 90 m). Model terenu
SRTM3 został opracowany na podstawie informacji zebranych w trakcie
międzynarodowej misji kosmicznej prowadzanej przez Agencję Kosmiczną Stanów
Zjednoczonych. Natomiast dane przestrzenne pokrycia terenu pozyskano z bazy danych
CLC 2006 (Corine Land Cover 2006) o rozdzielczości 100 m. Baza danych CLC 2006
powstała w ramach projektu realizowanego przez Europejską Agencję Ochrony
Środowiska. Dane CLC 2006 wymagają uprzedniej obróbki w tym reklasyfikacji klas
42
pokrycia terenu. Szerszy opis metodyki implementacji danych pokrycia terenu CLC
2006 można znaleźć w pracy [7].
3.2. Dane meteorologiczne
Procesor CALMET wymaga wprowadzenia szeregu odpowiednio sformatowanych
danych meteorologicznych pochodzących z wielu stacji naziemnych oraz
aerologicznych [9]. W ramach niniejszej pracy zdecydowano się na wykorzystanie
danych meteorologicznych za okres marzec 2005 roku, przetworzonych przy pomocy
aplikacji „Meteorologia” opracowanej przez P. Szczygłowskiego w ramach pracy
doktorskiej [12]. Charakterystykę stacji naziemnych oraz aerologicznych
przygotowanych na potrzeby obliczeń siatki meteorologicznej zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Charakterystyka stacji meteorologicznych naziemnych i aerologicznych wykorzystanych w
obliczeniach trójwymiarowej siatki meteorologicznej.
ID Stacji
Nazwa Stacji
Współrzędna
UTM X [km]
Współrzędna
UTM Y [km]
Wysokość
anemometru
[m]
Typ stacji
12566
Kraków
414,143
5548,215
14
Naziemna
12560
Katowice
359,496
5566,061
14
Naziemna
11111
Bielsko-Biała
358,078
5519,758
14
Naziemna
12374
Legionów
497,279
5805,530
-
Aerologiczna
12425
Wrocław
215,833
5744,603
-
Aerologiczna
11520
Praga
310,000
5560,900
-
Aerologiczna
11952
Poprad
449,562
5431,020
-
Aerologiczna
Obliczenia pól czynników meteorologicznych i rozprzestrzeniania się
zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym wykonano w trójwymiarowej siatce
obliczeniowej o rozdzielczości 100100 m. Przyjęto obszar obliczeniowy o wymiarach
2626 km, obejmujący prawie całą Aglomerację Krakowską z emitorami obydwu linii
spalania znajdującymi się w centrum tego obszaru. Współrzędne lewego dolnego
narożnika siatki obliczeniowej wynosiły: x = 420,000, y = 5532,000 (układ odniesienia:
WGS 84 / UTM strefa 34).
3.3. Parametry emitora i wielkość emisji
Współrzędne lokalizacji i wymiary geometryczne emitorów dla obydwu linii
spalania planowanego ZTPOK w Krakowie przedstawiono w tabeli 2.
43
Tabela 2. Charakterystyka emitorów planowanego ZTPOK w Krakowie.
Współrzędne emitorów w UTM
X [km]
Y [km]
Wysokość
[m]
E1
434,121
5545,654
80
1,6
193
E2
434,134
5545,555
80
1,6
193
Emitor
Średnica
[m]
Wysokość podstawy
emitora [m n.p.m.]
Wielkości emisji z planowanego ZTPOK w Krakowie określono na podstawie
standardów emisyjnych obowiązujących dla instalacji spalania odpadów [5] oraz
obliczonego strumienia objętości spalin w odniesieniu do rzeczywistej zawartości tlenu
i warunków umownych (temperatura 273 K, ciśnienie 101,3 kPa, gaz suchy). Strumień
objętości spalin suchych dla jednej linii spalania odpadów komunalnych określono na
poziomie ok. 67782 m3/h. Został on obliczony na podstawie przyjętego średniego
składu pierwiastkowego części palnych zawartych w odpadach komunalnych. W tabeli
3 zestawiono wyniki obliczeń standardów emisyjnych średniodobowych (Sd24)
w przeliczeniu na rzeczywistą zawartość tlenu oraz maksymalne emisje dobowe (Ed)
i miesięczne (Em) dla jednej linii spalania.
Wielkość średniodobowego standardu emisji dla metali ciężkich została wyrażona
w postaci sumy niektórych metali. Bazując na stężeniach średniodobowych
poszczególnych metali w strumieniu spalin dla niektórych spalarni odpadów obecnie
pracujących w Europie [2] wyznaczono poziomy emisji dobowej (Ed) w odniesieniu do
sumarycznej emisji tych metali wynikającej ze standardów emisyjnych. Wyznaczone
emisje pochodzące z jednej linii spalania odpadów komunalnych dla rozpatrywanych
metali zestawiono w tabeli 4.
Tabela 3. Wyniki obliczeń wielkości emisji dla jednej linii spalania odpadów w ZTPOK w Krakowie.
Sd24 [mg/m3]
Ed [kg/h]
Em [kg/m-c]
Pył ogółem jako PM10
10,184
0,6903
513,6
Chlorowodór (HCl)
10,184
0,6903
513,6
Dwutlenek siarki (SO2)
50,921
3,452
2568
Tlenek węgla (CO)
50,921
3,452
2568
Tlenki azotu (NOx) jako NO2
203,684
13,81
10272
Cd + Tl
0,05092
0,003452
2,568
Hg
0,05092
0,003452
2,568
Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni +V
0,5092
0,03452
25,68
0,1018 ng/m3
6,903*10-9
5,136*10-6
Substancja
Dioksyny i furany (PCDD/PCDF) w
przeliczeniu na I-TEQ
Tabela 4. Przyjęte emisje poszczególnych metali ciężkich (jedna linia spalania)
Metal
Cd
Ed [g/h] 2,588
Tl
Sb
0,8625
1,233
As
Pb
Cr
Co
Cu
Mn
0,6164 27,12 0,6164 1,233 0,6164 0,6164
44
Ni
V
1,233
1,233
4.
Obliczenia dyspersji zanieczyszczeń w powietrzu
Obliczenia rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w powietrzu wykonano przy
pomocy wielowarstwowego gaussowskiego modelu obłoku CALPUFF. W obliczeniach
tych przyjęto stałą emisję na poziomie średniodobowego standardu emisyjnego (tabele
3 i 4), a więc na poziomie maksymalnym dobowym. Założono ciągłą i równoczesną
pracę obydwu linii spalania odpadów w okresie obliczeniowym wynoszącym jeden
miesiąc.
W tabeli 5 zestawiono otrzymane dla przyjętego okresu obliczeniowego wyniki
obliczeń powodowanych w powietrzu maksymalnych stężeń jednogodzinnych (S1m)
i stężeń średnich jednomiesięcznych (Sśr.), które odniesiono do odpowiednich wartości
odniesienia: jednogodzinnych (D1) i średniorocznych (Da) [4, 6].
Zgodnie z obowiązującymi przepisami prawnymi, pierwszym punktem oceny
wpływu instalacji na jakość powietrza jest porównanie wyników obliczeń stężeń
substancji zanieczyszczających w powietrzu z odpowiadającymi im poziomami
dopuszczalnymi [6] lub wartościami odniesienia [4]. W przypadku uzyskania wartości
stężeń maksymalnych jednogodzinnych S1m powyżej wartości odniesienia D1, sprawdza
się, czy częstość występowania tych przekroczeń mieści się w dopuszczalnym zakresie.
Z uwagi na jednomiesięczny okres obliczeniowy, częstość ta była odnoszona tylko do
tego okresu czasu. Jak wynika z tabeli 5, jedyną substancją, dla której stężenia S1m
uzyskano powyżej wartości odniesienia D1, był dwutlenek azotu (NO2). Częstość
przekroczeń poziomu dopuszczalnego D1 wynosiła jednak zaledwie 0,134 %
analizowanego okresu obliczeniowego, czyli gdyby częstość ta utrzymywała się na
podobnym poziomie w pozostałych miesiącach roku, mieściłoby się to w zakresie
dopuszczalnej częstości przekroczeń 0,2 % czasu roku. W przypadku pozostałych
substancji uzyskane wyniki obliczeń maksymalnych stężeń jednogodzinnych S1m
wystąpiły na poziomie wielokrotnie mniejszym od odpowiednich wartości odniesienia
D1 lub tła tych substancji obserwowanego na terenie aglomeracji miejskoprzemysłowych w sytuacji braku poziomów dopuszczalnych lub wartości odniesienia w
powietrzu (dotyczy np. dioksyn i furanów – PCDD/PCDF).
Wartości stężeń średnich miesięcznych (Sśr.) w powietrzu otrzymano także na
poziomie wielokrotnie mniejszym od dopuszczalnych stężeń średniorocznych lub
wartości odniesienia dla okresu roku kalendarzowego Da. Zestawione w tabeli 5
wartości wskazują zatem, że w przypadku większości analizowanych substancji wpływ
ich emisji z planowanego ZTPOK w Krakowie na jakość powietrza można uznać za
pomijalnie mały.
45
Tabela 5. Zestawienie wyników obliczeń stężeń jednogodzinnych (S1m) i średnich stężeń jednomiesięcznych
(Sśr.) w powietrzu wraz z wartościami odniesienia: jednogodzinnymi (D1) i średniorocznymi (Da)
Substancja
Jednostka
S1m
D1
Sśr.
Da
NO2
μg/m3
241,97
200
1,51
40
SO2
μg/m3
60,48
350
0,38
20
CO
μg/m3
60,48
30000
0,38
-
PM10
μg/m3
12,09
280
0,076
40
HCl
μg/m3
12,09
200
0,076
25
Hg
ng/m3
61
700
0,38
40
Cd
ng/m3
46
520
0,29
5
Tl
ng/m3
15
1000
0,095
130
Sb
ng/m3
23
23000
0,14
2000
As
ng/m3
12
200
0,072
200
Pb
ng/m3
480
5000
3,01
500
Cr
ng/m3
12
20000
0,072
2500
Co
ng/m3
23
5000
0,14
400
Cu
3
12
20000
0,072
600
3
23
9000
0,072
1000
3
12
230
0,14
20
12
2300
0,14
250
121
-
0,757
-
ng/m
Mn
ng/m
Ni
ng/m
3
V
ng/m
PCDD/PCDF
5.
3
fgTEQ/m
Podsumowanie
Ocena wpływu planowanego Zakładu Termicznego Przekształcania Odpadów
Komunalnych
w Krakowie
na jakość
powietrza
przy zastosowaniu
średniozaawansowanego modelu dyspersji CALPUFF wykazała, że zakład ten nie
powinien powodować istotnego pogorszenia jakości powietrza w Aglomeracji
Krakowskiej. Krótkotrwałe występowanie stężeń w powietrzu na poziomie zbliżonym
do wartości dopuszczalnej możliwe jest jedynie w przypadku maksymalnych stężeń
jednogodzinnych NO2. W przypadku pozostałych emitowanych substancji ich stężenia
w powietrzu powinny występować na poziomie wielokrotnie niższym od odpowiednich
wartości odniesienia. Obserwowany w Krakowie wysoki poziom tła PM10
i PCDD/PCDF w powietrzu wskazuje, że każda dodatkowa emisja tych substancji może
negatywnie oddziaływać na jakość powietrza, jednak emisja wyżej wymienionych
substancji z omawianego obiektu nie powinna tego stanu istotnie pogarszać.
46
Literatura
[1].
[2].
[3].
[4].
[5].
[6].
[7].
[8].
[9].
[10].
[11].
[12].
[13].
[14].
Bogacki M., Oleniacz R.: Referencyjna metodyka modelowania poziomów
substancji w powietrzu na tle innych modeli obliczeniowych. Inżynieria
Środowiska, tom 9, 2004, z. 1, 35-45.
European Commission, Integrated Pollution Prevention and Control,
Reference Document on the Best Available Techniques for Waste
Incineration. Sewilla, 2006.
http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/BREF/wi_bref_0806.pdf.
Mazur M.: Systemy ochrony powietrza. Wyd. AGH, Kraków 2004.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 r. w sprawie
wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu. Dz. U. 2010., Nr
16, poz. 87.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia 2011 w sprawie
standardów emisyjnych z instalacji. Dz. U. 2011, Nr 95, poz. 558.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 września 2012 r. w sprawie
poziomów niektórych substancji w powietrzu. Dz. U. 2012, poz. 1031.
Rzeszutek M.: Przygotowanie danych przestrzennych na potrzeby
modelowania rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w powietrzu
z wykorzystaniem modelu CALMET/CALPUFF. Prace Studenckiego Koła
Naukowego Geografów Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie Darmowe dane i open source w badaniach środowiska, tom 2, 2014, 13-17.
Rzeszutek M., Oleniacz R.: Zakład Termicznego Przekształcania Odpadów
Komunalnych w Krakowie – założenia projektowe i stan realizacji budowy.
Materiały z XI konferencji nt. „Dla miasta i środowiska – problemy
unieszkodliwiania odpadów”, Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej
Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2013.
Scire J.S., Robe F.R., Fernau M.E., Yamartino R J.: A User's Guide for the
CALMET Meteorological Model (Version 5), Concord, 2000.
Scire J.S., Strimaitis D.G., Yamartino R J.: A User's Guide for the
CALPUFF Dispersion Model, Concord, 2000.
Soxotec Polska Sp. z o.o.: Raport oddziaływania przedsięwzięcia na
środowisko dla przedsięwzięcia: Budowa Zakładu Termicznego
Przekształcania Odpadów przy ul. Giedroycia w Krakowie jako element
projektu Program Gospodarki odpadami komunalnymi w Krakowie,
Warszawa, 2009.
Szczygłowski P.: Ocena przydatności wybranych modeli gaussowskich w
obliczeniach stanu zanieczyszczenia powietrza. Praca doktorska. AGH,
Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, 2007
(niepublikowana).
Szczygłowski P., Marian M.: Zastosowanie modelu Calmet/Calpuff do
obliczeń poziomu stężeń zanieczyszczeń pochodzących z wysokich
emitorów punktowych. Inżynieria Środowiska, tom 10, 2005, z. 2, 195-205.
Witryna internetowa Krakowskiego Holdingu Komunalnego S.A.
w Krakowie, http://www.khk.krakow.pl/.
47