From the SelectedWorks of Robert Oleniacz. April, 2014

Transkrypt

1 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:

2 WYKORZYSTANIE ATMOSFERYCZNEGO MODELU DYSPERSJI CALPUFF DO OCENY ODDZIAŁYWANIA NA JAKOŚĆ POWIETRZA PLANOWANEGO ZAKŁADU TERMICZNEGO PRZEKSZTAŁCANIA ODPADÓW KOMUNALNYCH W KRAKOWIE Mateusz Rzeszutek 1, Robert Oleniacz 2 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

3 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

4 pokrycia terenu. Szerszy opis metodyki implementacji danych pokrycia terenu CLC 2006 można znaleźć w pracy [7] 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 Kraków 414, , Naziemna Katowice 359, , Naziemna Bielsko-Biała 358, , Naziemna Legionów 497, ,530 - Aerologiczna Wrocław 215, ,603 - Aerologiczna Praga 310, ,900 - Aerologiczna Poprad 449, ,020 - Aerologiczna Obliczenia pól czynników meteorologicznych i rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym wykonano w trójwymiarowej siatce obliczeniowej o rozdzielczości m. Przyjęto obszar obliczeniowy o wymiarach 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) Parametry emitora i wielkość emisji Współrzędne lokalizacji i wymiary geometryczne emitorów dla obydwu linii spalania planowanego ZTPOK w Krakowie przedstawiono w tabeli 2. 43

5 Tabela 2. Charakterystyka emitorów planowanego ZTPOK w Krakowie. Emitor Współrzędne emitorów w UTM X [km] Y [km] Wysokość [m] Średnica [m] Wysokość podstawy emitora [m n.p.m.] E1 434, , ,6 193 E2 434, , ,6 193 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 m 3 /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 (S d24 ) w przeliczeniu na rzeczywistą zawartość tlenu oraz maksymalne emisje dobowe (E d ) i miesięczne (E m ) 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 (E d ) 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. Substancja S d24 [mg/m 3 ] E d [kg/h] E m [kg/m-c] Pył ogółem jako PM10 10,184 0, ,6 Chlorowodór (HCl) 10,184 0, ,6 Dwutlenek siarki (SO 2 ) 50,921 3, Tlenek węgla (CO) 50,921 3, Tlenki azotu (NO x ) jako NO 2 203,684 13, Cd + Tl 0, , ,568 Hg 0, , ,568 Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni +V 0,5092 0, ,68 Dioksyny i furany (PCDD/PCDF) w przeliczeniu na I-TEQ 0,1018 ng/m 3 6,903*10-9 5,136*10-6 Tabela 4. Przyjęte emisje poszczególnych metali ciężkich (jedna linia spalania) Metal Cd Tl Sb As Pb Cr Co Cu Mn Ni V E d [g/h] 2,588 0,8625 1,233 0, ,12 0,6164 1,233 0,6164 0,6164 1,233 1,233 44

6 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 (S 1m ) i stężeń średnich jednomiesięcznych (S śr. ), które odniesiono do odpowiednich wartości odniesienia: jednogodzinnych (D 1 ) i średniorocznych (D a ) [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 S 1m powyżej wartości odniesienia D 1, 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 S 1m uzyskano powyżej wartości odniesienia D 1, był dwutlenek azotu (NO 2 ). Częstość przekroczeń poziomu dopuszczalnego D 1 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 S 1m wystąpiły na poziomie wielokrotnie mniejszym od odpowiednich wartości odniesienia D 1 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 (S śr. ) w powietrzu otrzymano także na poziomie wielokrotnie mniejszym od dopuszczalnych stężeń średniorocznych lub wartości odniesienia dla okresu roku kalendarzowego D a. 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

7 Tabela 5. Zestawienie wyników obliczeń stężeń jednogodzinnych (S 1m ) i średnich stężeń jednomiesięcznych (S śr. ) w powietrzu wraz z wartościami odniesienia: jednogodzinnymi (D 1 ) i średniorocznymi (D a ) Substancja Jednostka S 1m D 1 S śr. D a NO 2 μg/m 3 241, ,51 40 SO 2 μg/m 3 60, ,38 20 CO μg/m 3 60, ,38 - PM10 μg/m 3 12, , HCl μg/m 3 12, , Hg ng/m ,38 40 Cd ng/m ,29 5 Tl ng/m , Sb ng/m , As ng/m , Pb ng/m , Cr ng/m , Co ng/m , Cu ng/m , Mn ng/m , Ni ng/m ,14 20 V ng/m , PCDD/PCDF 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 NO 2. 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

8 Literatura [1]. Bogacki M., Oleniacz R.: Referencyjna metodyka modelowania poziomów substancji w powietrzu na tle innych modeli obliczeniowych. Inżynieria Środowiska, tom 9, 2004, z. 1, [2]. European Commission, Integrated Pollution Prevention and Control, Reference Document on the Best Available Techniques for Waste Incineration. Sewilla, [3]. Mazur M.: Systemy ochrony powietrza. Wyd. AGH, Kraków [4]. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 r. w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu. Dz. U , Nr 16, poz. 87. [5]. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia 2011 w sprawie standardów emisyjnych z instalacji. Dz. U. 2011, Nr 95, poz [6]. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 września 2012 r. w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu. Dz. U. 2012, poz [7]. 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, [8]. 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, [9]. Scire J.S., Robe F.R., Fernau M.E., Yamartino R J.: A User's Guide for the CALMET Meteorological Model (Version 5), Concord, [10]. Scire J.S., Strimaitis D.G., Yamartino R J.: A User's Guide for the CALPUFF Dispersion Model, Concord, [11]. 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, [12]. Szczygłowski P.: Ocena przydatności wybranych modeli gaussowskich w obliczeniach stanu zanieczyszczenia powietrza. Praca doktorska. AGH, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, 2007 (niepublikowana). [13]. 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, [14]. Witryna internetowa Krakowskiego Holdingu Komunalnego S.A. w Krakowie, 47