R E C E N Z J A. rozprawy doktorskiej Pana mgr. inż. Piotra Sobczyńskiego pt.:

Transkrypt

1 dr hab. inż. Jacek Piekarski, prof. PK Wydział Inżynierii Lądowej, Środowiska i Geodezji Politechnika Koszalińska R E C E N Z J A rozprawy doktorskiej Pana mgr. inż. Piotra Sobczyńskiego pt.: Określenie czynników determinujących wielkość emisji odorów ze źródeł powierzchniowych zlokalizowanych na terenie oczyszczalni ścieków 1. Podstawa formalna recenzji Recenzję opracowano w związku z pismem Pana dr. hab. inż. Jana Danielewicza, prof. PWr. - Dziekana Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej, Nr W7/858/2016 z dnia roku oraz na podstawie umowy o dzieło. 2. Charakterystyka rozprawy Recenzowaną rozprawę poświęcono udowodnieniu tezy, że wielkość emisji odorów z osadników wstępnych charakteryzuje się dużą zmiennością w zależności od parametrów dopływających na osadniki ścieków oraz że wielkość emisji odorów z osadników wstępnych ma znaczący wpływ na zasięg oddziaływania zapachowego oczyszczalni ścieków. Pracę stanowi tekst rozprawy zawarty w 2 częściach (10 rozdziałów), w łącznej liczbie 160 stron. W rozprawie można wyróżnić w I części teoretycznej: wprowadzenie (rozdział 1); koncepcję badań zmienności emisji odorów z osadników wstępnych (rozdział 2) oraz prezentację uciążliwości zapachowej oczyszczalni ścieków (rozdział 3). W II zasadniczej części badawczej Autor przedstawił badania zmienności emisji odorów oraz zasięgu oddziaływania zapachowego osadników wstępnych (rozdział 4); wyniki badań i ich dyskusję (rozdział 5); wnioski końcowe (rozdział 6) oraz bibliografię, odpowiednie spisy i załączniki do pracy. 3. Ocena celowości podjęcia tematu Podjęcie przez Autora tematu rozprawy wydaje się uzasadnione i wynika głównie

2 ze względów utylitarnych, tzn. zwiększenia dokładności obliczeń modelowych źródeł powierzchniowych pasywnych oraz optymalizacji procesu decyzyjnego w sprawie oddziaływania zapachowego oczyszczalni ścieków komunalnych. Wiąże się to z tym, że badania zmienności emisji odorów ze źródeł powierzchniowych pasywnych nie były realizowane w sposób kompleksowy. Istniejące modele matematyczne dotyczą jednostkowo odorantów, natomiast brakuje modelu odnoszącego się do wpływu podstawowych parametrów (np. temperatury, odczynu oraz chemicznego zapotrzebowania tlenu, obciążenia hydraulicznego osadników oraz temperatury powietrza), na wielkość emisji odorów jako mieszaniny. W szczególności chodzi o to, że wyniki badań pozwolą prawidłowo szacować wielkość emisji odorów z obiektów powierzchniowych pasywnych, dostarczą dokładnych danych emisyjnych dla modeli dyspersji zanieczyszczeń w powietrzu i przez to niewątpliwie zwiększą wiarygodność szacowania zasięgu oddziaływania zapachowego obiektu. 4. Merytoryczna ocena rozprawy W pracy zostały przyjęte następujące cele szczegółowe: a) określenie zakresu zmienności emisji odorów z osadników wstępnych oczyszczalni ścieków komunalnych, b) analiza wpływu podstawowych parametrów dopływających ścieków oraz parametrów pracy wybranego źródła na wielkość emisji odorów, c) określenie wpływu zmienności emisji z osadników wstępnych w cyklu rocznym na szacowanie zasięgu oddziaływania oczyszczalni ścieków komunalnych, d) identyfikacja zakresu zmienności emisji odorów z osadników wstępnych i określenie znaczenia jej wpływu na wyniki obliczeń numerycznych. Uwzględniając tezę i sformułowane cele, w pracy omówiono w poszczególnych rozdziałach następujące zagadnienia. W rozdziale 3. Doktorant dokonał przeglądu literatury, przedstawiając ogólną charakterystykę oczyszczalni ścieków w Polsce, słusznie zwracając uwagę, że przypadku dużych miast obiekty takie zlokalizowane są najczęściej na przedmieściach. Skutkiem tego jest rosnąca liczba skarg okolicznych mieszkańców oraz konflikty z właścicielami oczyszczalni. Według Doktoranta rozwiązaniem problemu jest stworzenie mapy zasięgu oddziaływania zapachowego oczyszczalni oraz oczywiście minimalizacja emisji odorów. Na tej podstawie (podrozdział 3.2) opisał problemy zapachowe sieci kanalizacyjnych, w szczególności odniósł się do genezy związków odorotwórczych, zwracając w tym miejscu uwagę, że czynnikami wpływającymi na liczbę związków złowonnych są: temperatura, odczyn, prędkość przepływu, rodzaj 2

3 oraz intensywność procesów biochemicznych ścieków oraz wentylacja kanałów. Następnie (podrozdział 3.3) przedstawił uciążliwość zapachową urządzeń oczyszczalni ścieków opisując źródła emisji odorów: punktowe, powierzchniowe aktywne i pasywne oraz kubaturowe. Słusznie zwrócił uwagę na fakt, że w zależności od parametrów dopływających ścieków, przyjętych rozwiązań technologicznych oraz warunków meteorologicznych wielkość emisji związków odorotwórczych, jak również odorów jako ich mieszaniny z podobnych urządzeń technologicznych na różnych obiektach może się znacznie różnić. Odniósł się do badań (w których był współautorem) emisji odorów z obiektów zlokalizowanych na terenie Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków wskazując, że źródła powierzchniowe pasywne, ze względu na dużą powierzchnię (np. osadniki wstępne) mają największy udział w całkowitej emisji odorów. W dalszej kolejności (podrozdział 3.4) Doktorant szczegółowo opisał czynniki wpływające na wielkość emisji ze źródeł powierzchniowych pasywnych oczyszczalni ścieków. Powołując się na literaturę stwierdził, że ze względu na skomplikowany skład oraz liczbę czynników odgrywających istotną rolę w transporcie zanieczyszczeń gazowych z cieczy do powietrza, wyznaczenie rzeczywistej emisji odorów jest bardzo skomplikowane. Następnie podjął próbę opisu mechanizmu emisji odorów do atmosfery, powołując się między innymi na stałą Henry ego (dot. lotności związków chemicznych) oraz kryterialną liczbę Schmidta. Wskazał, że najbardziej istotnymi parametrami w aspekcie pomiarów emisji odorów są: temperatura ścieków (wzrost temperatury skutkuje obniżeniem napięcia powierzchniowego oraz wzrostem dyfuzji molekularnej, co wpływa na wzrost emisji), odczyn (wzrost zakwaszenia ścieków skutkuje wzrostem emisji siarkowodoru), biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (istnieje związek pomiędzy wartościami BZT5, a odczytami elektronicznego nosa wartość współczynnika korelacji na poziomie 90%) oraz turbulencja ścieków i prędkość wiatru nad powierzchnią zwierciadła ścieków. Po przedstawieniu wybranych parametrów zmiennych niezależnych (podrozdział 3.5) obszernie zaprezentował metody badawcze wykorzystywane w ocenie oddziaływania zapachowego, tj. metodę analityczną przy wykorzystaniu chromatografii gazowej, zwracając uwagę, że zbyt wysoka granica oznaczalności metody skutkuje brakiem oznaczalności odorantów o niskich progach wyczuwalności węchowej; metodę czujnikową, tzw. elektroniczny nos, której możliwości na skutek zastosowania ograniczonych algorytmów znacznie odbiegają od ludzkiego zmysłu węchu; metodę terenową (in situ) opartą o scentometry w sytuacji zmiennych emisji odorów oraz metodę dynamicznej olfaktometrii niebezpośredniej, która według Doktoranta jest najbardziej miarodajna, chociaż również obarczona błędem i tak jak pozostałe metody, dostarczająca wyniki które nie są powtarzalne (czynnik ludzki). Ponadto (podrozdziale 3.6) opisał metody określania zasięgu oddziaływania zapachowego z zastosowaniem 3

4 dyspersji zanieczyszczeń w powietrzu. Nawiązując do tematu zaprezentował zróżnicowanie regulacji prawnych w wybranych krajach UE oraz dokumentach regulacyjnych Wielkiej Brytanii. Na tej podstawie odniósł się do polskiego projektu ustawy o przeciwdziałaniu uciążliwości zapachowej oraz stanu faktycznego. Następnie jako alternatywę efektywniejszą kosztowo i czasowo w stosunku do badań terenowych w punktach receptorowych, opisał programy prognostyczne w postaci modeli rozprzestrzeniania zanieczyszczeń w powietrzu, szczególnie zwracając uwagę na rekomendowany przez EPA model AERMOD. W II części badawczej (podrozdział 4.1) Doktorant opisał obiekt badań, tj. Wrocławską Oczyszczalnię Ścieków, a w szczególności osadniki wstępne. Przedstawił metodykę badań zmienności emisji odorów (podrozdział 4.2), w której między innymi zaprezentował parametry zmienne niezależne, tj.: chemiczne zapotrzebowanie tlenu, temperaturę i odczyn ścieków, temperaturę i wilgotność powietrza oraz ciśnienie atmosferyczne. Parametrem zmiennym wynikowym było stężenie zapachowe, którego pomiar jest niezwykle pracochłonny. W dalszej części opisał metodę pomiarów wymienionych parametrów oraz dodatkowo sposób obliczania czasu przetrzymania ścieków w osadniku. Badania realizowane były od października 2014 do listopada 2015 roku. Następnie zaprezentował (podrozdział 4.3) metody analizy oddziaływania zapachowego z zastosowaniem modelu AERMOD. Doktorant przedstawił szczegółowo sposób przygotowania danych, przy wykorzystaniu preprocesorów: meteorologicznego AERMET, ukształtowania terenu AERMAP oraz właściwości powierzchni terenu AERSURFACE. Dane meteorologiczne pochodziły ze stacji Wrocław Strachowice z 2015 roku. Do obliczeń numerycznych założono pracę 4 osadników przez cały rok. Ponadto obliczenia przeprowadzono dla 5-ciu wariantów emisji. W rozdziale 5 Doktorant przedstawił i omówił wyniki badań. W pierwszej kolejności (podrozdział 5.1) zaprezentował w postaci tabelarycznej (tab. 13) wartości badanych parametrów, tj. stężenia zapachowego, jednostkowej emisji odorów, chemicznego zapotrzebowania tlenu, odczynu, temperatury ścieków, czasu przetrzymania oraz temperatury powietrza. Na podstawie tabeli sporządził wykresy przedstawione na rysunkach Tak jak to opisał w przeglądzie literatury, również i jego wyniki emisji odorów charakteryzowały się znaczną rozpiętością. Na podstawie badań stwierdził, że najwyższa emisja odorów miała miejsce w miesiącach letnich sierpień i wrzesień, a najniższa w lutym (różnica ponad 43-krotna). Dzięki notatkom z prowadzonych pomiarów, Doktorant odrzucił pomiary nietypowe, mogące generować wyniki obarczone błędem (3 pomiary). Na podstawie pozostałych danych wykonał analizę korelacyjną (Pearsona) stwierdzając, że istnieje istotna współzależność liniowa jedynie 4

5 pomiędzy emisją odorów i temperaturą ścieków (współczynnik korelacji 0,76). Ponieważ emisja odorów zależy jednocześnie od różnych parametrów, Doktorant określił wpływ temperatury ścieków oraz czasu przetrzymania ścieków w osadniku na zmienność emisji odorów z wykorzystaniem regresji wielorakiej (podrozdział 5.2). Niestety model statystyczny uzyskany w ten sposób niewystarczająco opisuje zjawisko zmienności emisji odorów z analizowanego obiektu. Wynika to prawdopodobnie z faktu, że w rozpatrywanym przedziale zmienności uwzględnionych parametrów zmiennych niezależnych zjawisko ma charakter nieliniowy. Dlatego w dalszej części badań (podrozdział 5.3), Doktorant podjął próbę określenia wpływu zmiany wartości wybranych parametrów zmiennych niezależnych na zmienność emisji odorów przy zastosowaniu sztucznych sieci neuronowych argumentując, iż w ten sposób można aproksymować różne nieliniowości bez konieczności znajomości postaci funkcji wynikowej. Analizy wykonał w pakiecie STATISTICA. Najlepsze zdolności predykcji wśród rozpatrywanych zmiennych niezależnych wykazały parametry: chemicznego zapotrzebowania tlenu, temperatury ścieków oraz czasu przetrzymania ścieków w osadniku. Spośród 250-ciu sieci neuronowych o strukturze MLP wstępnie wytypował 10 najdokładniejszych. Najlepszą jakością walidacji charakteryzowała się sieć MLP o funkcji aktywacji warstwy ukrytej tangens hiperboliczny oraz warstwy wyjściowej liniowej współczynnik korelacji 0,94 oraz determinacji 0,88. W zakończeniu tej części analiz numerycznych stwierdził, że emisja odorów jest niezwykle skomplikowana, dlatego najlepiej do opisu tego zjawiska stosować sieci neuronowe, jednocześnie wskazując, że większa liczba parametrów wejściowych pozwoli uzyskać jeszcze bardziej miarodajne wyniki. W dalszej części badań (podrozdział 5.4) Doktorant wykonał analizy porównawcze wielkości emisji odorów wyznaczone na podstawie rzeczywistych pomiarów emisji oraz analiz statystycznych na zasięg oddziaływania zapachowego osadników wstępnych z zastosowaniem modelu numerycznego AERMOD. Zgodnie z metodyką, analizy zrealizował dla 5-ciu wariantów emisji. Na rysunkach przedstawił rozkład częstości przekroczeń przyjętych progów stężenia zapachowego 1 oue/m 3 oraz 3,5 oue/m 3, jak również w postaci tabelarycznej zaprezentował maksymalny zasięg oddziaływania zapachowego analizowanego obiektu. Na podstawie analiz stwierdził, że przyjmowanie stałej emisji do obliczeń numerycznych w modelu AERMOD prowadzi do przeszacowania zasięgu oddziaływania nawet o około 300%. Porównywalne wyniki obliczeń Doktorant uzyskał w przypadku zmiennej emisji w cyklach miesięcznych, wyznaczonych na podstawie pomiarów oraz sztucznych sieci neuronowych. W tej sytuacji różnica w zasięgu oddziaływania zapachowego to tylko 30 m. Zdaniem Doktoranta jest to kolejny dowód na zastosowanie SSN do prognozowania emisji odorów z osadników wstępnych. 5

6 Przeprowadzone w pracy eksperymenty numeryczne wykazały, że metody numeryczne w postaci sztucznych sieci neuronowych oraz modeli cyfrowych mogą być zastosowane do wspomagania obliczeń w zakresie oddziaływania zapachowego źródeł powierzchniowych. W zakresie pracy zdefiniowano czynniki determinujące wielkość emisji odorów, które powinny pozwolić na ocenę zasięgu oddziaływania osadników wstępnych. Przeprowadzone eksperymenty numeryczne oraz dokonana weryfikacja uzyskanych wyników, pozwoliły Doktorantowi na wyciągnięcie poprawnych wniosków końcowych. W konsekwencji można stwierdzić, że rezultaty badań i wynikające z nich wnioski szczegółowe, zaprezentowane w doktoracie, w pełni dowodzą słuszności tezy przyjętej w niniejszej pracy. Reasumując merytoryczną ocenę rozprawy stwierdzam, że Pan mgr inż. Piotr Sobczyński określił czynniki determinujące wielkość emisji odorów ze źródeł powierzchniowych zlokalizowanych na terenie oczyszczalni ścieków w zakresie sformułowanym w tezie rozprawy. Zarysowane cele pracy zostały zrealizowane. Podejście do tematyki, znajomość metod badawczych świadczą o osiągnięciu przez Doktoranta poziomu dojrzałości naukowej i uzasadniają postawienie wniosku o opanowaniu przez Doktoranta umiejętności samodzielnego rozwiązywania problemów naukowych. Ponadto wykazał, że korzystając z wiedzy teoretycznej w dziedzinie badań jest zdolny do samodzielnej pracy naukowej, o czym świadczy rozwiązanie szeregu zagadnień związanych z emisją odorów. Wnioski przedstawione w recenzowanej rozprawie wynikają z badań i są poprawne. Podczas czytania i analizowania treści rozprawy nasunęły się uwagi redakcyjne oraz dyskusyjne. Najważniejsze z nich przedstawiam poniżej. Uwagi redakcyjne: W rozprawie znajdują się błędy interpunkcyjne, które nie mają znaczącego wpływu na pozytywną ocenę pracy. Brak numeracji wzorów matematycznych. Niepotrzebna spacja w jednostce temperatury jest np. 25 C, a powinno być 25 C. Brakuje spacji w jednostce ChZT jest go2/m 3, a powinno być g O2/dm 3. Na rysunku 4 brak wyjaśnienia użytych skrótów str. 27. Formuła matematyczna nieczytelna str. 31. Do rzeczowników policzalnych lepiej stosować słowo liczba, a nie ilość np. str. 32, 89, 109. Brak jednostek w opisie równania str. 49 i następne. 6

7 Brak źródła tabeli 8 str. 52. Odczyn podano do 3 miejsc po przecinku str. 77, 83. W metodyce podano (str. 61), że mierzono wartości wilgotności powietrza i ciśnienia atmosferycznego. W tabeli 13 brakuje tych wartości str. 77. Wykresy w części badawczej mało czytelne, można było umieścić je w poziomie str. 79 i następne. Błędny odnośnik do rysunków jest 35 i 36, powinno być 37 i 38 str. 85. Błędna konstrukcja wykresów na rysunkach 45 i 46 wystąpiły wartości ujemne dla rozpatrywanych parametrów zmiennych niezależnych i wynikowego str. 95. Uwagi dyskusyjne: W przeglądzie literatury znajduje się dokładny opis większości parametrów zmiennych niezależnych. Natomiast brakuje uzasadnienia pomiaru wilgotności powietrza, ciśnienia atmosferycznego oraz czasu przetrzymania ścieków w osadniku. Brakuje opisu metodyki pomiaru zmiennych niezależnych środowiskowych. Doktorant wspomina tylko, że pomiar dokonywano przy pomocy miernika TESTO 435. W przypadku analiz regresji wielorakiej, Doktorant wybrał dwa parametry zmienne niezależne, tj. temperaturę ścieków oraz czas przetrzymania ścieków w osadniku twierdząc, że wykazują największe wartości współczynnika korelacji Pearsona (str. 85). Jednak największe wartości współczynnika korelacji Pearsona mają następujące parametry: temperatura ścieków (0,76), temperatura powietrza (0,65) oraz czas przetrzymania ścieków w osadniku (0,57) str. 84. Brakuje uzasadnienia, dlaczego temperaturę ścieków mierzono 10 cm pod powierzchnią zwierciadła? W przeglądzie literatury Doktorant opisał wskaźnik biochemicznego zapotrzebowania tlenu jako parametr, który odnosi się do jakości ścieków i co ważne dobrze koreluje z odczytami elektronicznego nosa. Dlaczego Doktorant w badaniach własnych zdecydował się zastąpić BZT5 wskaźnikiem ChZT? Przy regresji wielorakiej zakłada się, że zależność między zmiennymi niezależnymi, a zmienną zależną jest z natury liniowa. Czy Doktorant po niewystarczającej analizie regresji wielorakiej, próbował np. aproksymacji wielomianowej, logarytmicznej, trygonometrycznej czy też np. estymacji nieliniowej? Jakie dodatkowe parametry zmienne niezależne w aspekcie emisji odorów, można wprowadzić do obliczeń przy pomocy sztucznych sieci neuronowych? 7

8 5. Wniosek Przedstawiona przez Pana mgr. inż. Piotra Sobczyńskiego rozprawa doktorska pt.: Określenie czynników determinujących wielkość emisji odorów ze źródeł powierzchniowych zlokalizowanych na terenie oczyszczalni ścieków spełnia wymagania art. 11 Ustawy z dnia 12 września 1990 roku O tytule naukowym i stopniach naukowych w związku z art. 51 Ustawy z dnia 14 marca 2003 roku O stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki. Wobec tego wnoszę o dopuszczenie Doktoranta do publicznej obrony. Koszalin, wrzesień 2016 roku 8