odory, odoranty, olfaktometria, oczyszczalnie ścieków komunalnych Radosław BARCZAK, Andrzej KULIG * KLASYFIKACJA METOD BADAWCZYCH STOSOWANYCH W OCENIE ODDZIAŁYWANIA ZAPACHOWEGO OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW KOMUNALNYCH W artykule przedstawiono przegląd i klasyfikację metod badawczych, stosowanych w ocenie oddziaływania zapachowego oczyszczalni ścieków komunalnych: dynamiczną olfaktometrię niebezpośrednią, olfaktometrię terenową, japoński test trójkątowy, skalowanie intensywności zapachu, chromatografię, klasyczną chemię analityczną, metody czujnikowe, inspekcje terenowe, ankietyzację, modelowanie rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń, odpędzenie całkowite składników lotnych. Zostały przedstawione metody analityczne, gdzie mierzone są stężenia poszczególnych związków chemicznych (odorantów), sensoryczne, gdzie czujnikiem jest nos ludzki (pomiary odorów) oraz sensoryczno-instrumentalne, gdzie próbuje się symulować ludzki narząd węchu za pomocą zespołu czujników. W opisywanych metodach badawczych wykorzystywane mogą być pomiary wykonywane w źródle - pomiary unosu, emisji odorów lub odorantów oraz w pewnej odległości od źródła - pomiary imisji. Uzyskanie wyników imisji związków chemicznych lub stężeń zapachowych jest możliwe dzięki metodom bezpośrednim oraz niebezpośrednim. Metody bezpośrednie polegają na wykonaniu pomiarów stężeń związków chemicznych lub stężeń zapachowych w danej odległości od źródła zapachu. W metodach niebezpośrednich wykorzystuje się m.in. dane emisyjne, pochodzące ze źródła zapachu, jako dane wyjściowe do modeli rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń powietrza. 1. KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA METOD BADAWCZYCH STOSOWANYCH W OCENIE ODDZIAŁYWANIA ZAPACHOWEGO OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW KOMUNALNYCH 1.1. KATEGORIE METOD BADAWCZYCH Na terenie Polski znajduje się ponad 2000 oczyszczalni ścieków komunalnych o przepływie dobowym ścieków powyżej 100 m 3 /dobę [7]. Instalacje te bardzo często * Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska, Katedra Ochrony i Kształtowania Środowiska, ul. Nowowiejska 20, 00-653 Warszawa.
66 R. BARCZAK, A. KULIG znajdują się w bliskim sąsiedztwie miejsc bytowania ludzi, co powoduje stale zwiększającą się liczbę skarg na ich uciążliwość zapachową. Obiekty będące elementami ciągu technologicznego są na ogół różnymi typami źródeł odorantów (m.in. źródła punktowe, powierzchniowe, niezorganizowane, okresowe). W ocenie oddziaływania zapachowego oczyszczalni ścieków komunalnych stosowane są różne metody badawcze. Należy rozróżnić trzy podstawowe kategorie metod [6, 14]: Analityczne, gdzie mierzone są stężenia poszczególnych związków chemicznych przy zastosowaniu różnych metod chemii analitycznej, np. kolorymetria, chromatografia. Wykonywane są pomiary odorantów; Sensoryczne, gdzie czujnikiem jest nos ludzki i mierzone może być np. stężenie zapachowe, jakość hedoniczna zapachu, częstotliwość występowania. Nos ludzki wykorzystywany jest np. w olfaktometrii dynamicznej, badaniach terenowych, skalowaniu intensywności zapachu. Wykonywane są pomiary odorów; Sensoryczno-instrumentalne, gdzie próbuje się symulować nos ludzki za pomocą zespołu czujników, np. elektroniczny nos. Wykonywane są zarówno pomiary odorantów, jak i odorów. 1.2. METODY CHEMII ANALITYCZNEJ Chemia analityczna umożliwia identyfikację i ilościowe określenie związków chemicznych odorantów, występujących w obiektach uciążliwych zapachowo oraz w ich okolicy. Zaletami tych technik są: obiektywność, powtarzalność i dokładność [11]. Identyfikacja i ilościowe określenie poszczególnych odorantów nie przekłada się bezpośrednio na wywoływane wrażenie węchowe [9]. W ocenie oddziaływania zapachowego oczyszczalni ścieków komunalnych często wybierane są poszczególne związki jako substancje wskaźnikowe, np. NH 3, indol czy H 2 S [5]. 1.2.1. CHROMATOGRAFIA Chromatografia gazowa (GC) może być stosowana do określenia jakościowego i ilościowego składników mieszaniny gazów, np. ze źródeł emisji zapachu, w celu określenia stężenia tzw. substancji wiodącej w mieszaninie, która może wywoływać określoną reakcję na zapach lub uciążliwość dla otoczenia [15]. Analiza GC, w połączeniu ze spektrometrią mas (GC/MS), umożliwia identyfikację licznych substancji, które stanowią mieszaninę odorantów [21]. W otoczeniu obiektów, takich jak oczyszczalnie ścieków, gdzie występuje bardzo wiele związków, GC umożliwia oznaczanie dużej ilości związków jednorazowo [4].
Klasyfikacja metod badawczych stosowanych w ocenie oddziaływania zapachowego 67 1.2.2. KLASYCZNE METODY CHEMII ANALITYCZNEJ W analizie jakościowej i ilościowej związków odorowych stosowane są również metody klasycznej chemii analitycznej. Najbardziej popularne są metody aspiracyjne, w których badane zanieczyszczenie wyodrębnia się w czasie przepuszczania powietrza przez filtr selektywny. Analiza ogranicza się do pojedynczych związków chemicznych. 1.3. DYNAMICZNA OLFAKTOMETRIA NIEBEZPOŚREDNIA W 1999 roku została ustanowiona norma europejska Air quality - Determination of odour concentration by dynamic olfactometry, która po niewielkich zmianach obowiązuje obecnie w większości krajów europejskich, w tym w Polsce [13]. Procedura pomiaru stężenia zapachowego metodą olfaktometrii dynamicznej zgodnie z normą PN-EN 13725:2007 Jakość powietrza - Oznaczanie stężenia zapachowego metodą olfaktometrii dynamicznej została opisana przez Kośmider [8]. 1.4. OLFAKTOMETRIA TERENOWA Oznaczanie małych (poniżej 10 ou E /m 3 ) i szybkozmiennych wartości stężenia zapachowego w przygruntowej warstwie powietrza nie może być wykonywane zgodnie z normą PN-EN 13725:2007. Oznaczenia takie, czyli terenowe pomiary zapachowej jakości powietrza, mogą być wykonywane np. metodą dynamicznych rozcieńczeń do progu wyczuwalności, wykonywanych in situ z użyciem olfaktometrów terenowych [2]. 1.5. ROZCIEŃCZENIA STATYCZNE, JAPOŃSKI TEST TRÓJKĄTOWY Techniki rozcieńczeń statycznych znalazły zastosowanie m.in. w japońskim teście trójkątowym, który jest jedną z metod oceny różnic. Panelowi, składającemu się przynajmniej z 6 osób, prezentowane są trzy jednakowo wyglądające worki z powietrzem. Zadaniem panelu jest wskazanie, który z worków jest zanieczyszczony analizowanym wonnym gazem, wprowadzonym do worka za pomocą strzykawki. Metoda ta jest zalecana przez japońskie Ministerstwo Środowiska [18]. 1.6. SKALOWANIE INTENSYWNOŚCI ZAPACHU Skalowania intensywności zapachu należą do metod terenowych pomiarów zapachowej jakości powietrza. Metody te polegają na ocenie natężenia określonych cech jakościowych przy użyciu w różny sposób definiowanych skal, takich jak skale werbalne, liczbowe, graficzne lub skale wzorców [9].
68 R. BARCZAK, A. KULIG 1.7. ANKIETYZACJA Celem ankiety jest określenie w jak najbardziej wiarygodny sposób związku między zanieczyszczeniami odorowymi a uciążliwością zapachową. Podczas zastosowania badań ankietowych (ankiet) określany jest stopień uciążliwości zapachowej na wybranym obszarze [16]. Do głównych podejść metodycznych, wykorzystujących ankietyzację, zaliczyć należy: regularne ankietowanie pojedynczych przypadkowych osób na badanym obszarze (ankiety ustne), regularne powtarzające się ankietowanie zespołu wyłonionego z mieszkańców badanego obszaru (ankiety pisemne), badania ankietowe przeprowadzane w formie telefonicznej oraz analiza skarg ludności [10]. Analiza wyników badań ankietowych umożliwia określenie rodzaju/charakteru emitowanego zapachu, terytorialnego zasięgu jego oddziaływania oraz wpływu odorów na jakość życia ludności zamieszkującej tereny przyległe do źródła emisji [17]. 1.8. INSPEKCJE TERENOWE Oznaczenia małych i szybkozmiennych wartości stężeń zapachowych w przygruntowej warstwie powietrza mogą być wykonane metodą pośrednią, na podstawie sensorycznych ocen intensywności zapachu in situ, bez pobierania próbek (metoda ekstrapolacyjna) [9]. Dzięki prostocie metody każdy człowiek o standardowo dla populacji czułym węchu może brać udział w badaniach [19]. W pomiarach terenowych zespół oceniający może ustalić maksymalną odległość od źródła, dla której zapach jest wyczuwalny [12]. 1.9. ODPĘDZENIE CAŁKOWITE SKŁADNIKÓW LOTNYCH W przypadkach, kiedy odoranty emitowane są ze źródła cieczowego, można zmierzyć ilość substancji zapachowych OEC (Odorants Emission Capacity). OEC jest całkowitą ilością odorantów, wyrażoną w ou/m 3 cieczy, która może być wyemitowana z 1 metra sześciennego cieczy w warunkach standardowych [3]. Wielkość ta może być również przedstawiana jako ilość pojedynczych odorantów, np. siarkowodoru (H 2 S Emission Capacity) i wyrażana, np. w mg/m 3, jako całkowita ilość H 2 S, która może być wyemitowana z 1 metra sześciennego cieczy w warunkach standardowych. 1.10. METODY CZUJNIKOWE Istotnym kierunkiem rozwoju metod pomiarowych jest rozwój urządzeń typu elektronicznego nosa. Urządzenia takie po właściwej kalibracji umożliwiają klasy-
Klasyfikacja metod badawczych stosowanych w ocenie oddziaływania zapachowego 69 fikację zapachów i pomiar ich intensywności, umożliwiając eliminację ocen olfaktometrycznych na rzecz pomiarów instrumentalnych [1, 15]. Ze względu na wysokie progi detekcji metody czujnikowe nadają się lepiej do oceny zapachowej jakości powietrza unoszonego/emitowanego niż powietrza w warunkach imisyjnych [20]. 1.11. MODELOWANIE ROZPRZESTRZENIANIA SIĘ ZANIECZYSZCZEŃ Stężenia zapachowe lub stężenia odorantów w punktach receptorowych mogą być oszacowane z zastosowaniem odpowiednich matematycznych modeli dyspersji zanieczyszczeń w atmosferze [11]. Modelowanie jest narzędziem stosowanym do szacowania, a nie do dokładnego odzwierciedlenia rzeczywistej sytuacji, intensywności, częstotliwości oraz kierunku rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń. Dane nt. unosu/emisji odorów/odorantów mogą służyć do szacowania imisji. W przypadku znajomości rozkładu stężeń odoru lub odorantu w określonych warunkach meteorologicznych, możliwe jest określenie wartości emisji tych zanieczyszczeń dla emitorów o zdefiniowanych parametrach (m.in. dotyczących położenia i charakterystyki terenu), przy wykorzystaniu rozwiązania w modelu receptorowym tzw. odwrotnego zadania transportu. 2. KLASYFIKACJA METOD BADAWCZYCH STOSOWANYCH W OCENIE ODDZIAŁYWANIA ZAPACHOWEGO OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW KOMUNALANYCH Na podstawie przeglądu literaturowego zebrano informację o metodach badawczych wykorzystywanych w ocenie oddziaływania zapachowego oczyszczalni ścieków komunalnych. Próba ich sklasyfikowania została przedstawiona na rysunku 1, gdzie pola szare przedstawiają możliwe miejsca pomiarów odorantów lub odorów. Szare strzałki przedstawiają kierunek migracji odorów, począwszy od źródła zapachu. Linią przerywaną zaznaczono zbiór metod badawczych, w których wykorzystuje się pomiary odorów, linią przerywaną i kropkowaną zbiór metod wykorzystujących pomiary odorantów, pole obwiedzione linią przerywaną i linią przerywaną kropkowaną oznacza metody wykorzystujące zarówno pomiary odorantów, jak i odorów. Okręgi przedstawiają metody modelowania rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń. Strzałki z czarnym grotem ukazują prognozowanie imisji w oparciu o dane wejściowe do modelu stanowiące wyniki pomiarów odorów lub odorantów w obiekcie badań, natomiast strzałki z białym grotem prognozowanie unosu/emisji zanieczyszczeń z wykorzystaniem danych imisyjnych oraz rozwiązania tzw. odwrotnego zadania transportu.
70 R. BARCZAK, A. KULIG 3. WNIOSKI W praktyce dobór metod badawczych stosowanych w ocenie oddziaływania zapachowego oczyszczalni ścieków komunalnych często jest uzależniony od celu badań, którym może być np. modernizacja technologii lub rozwiązywanie problemów społecznych (ograniczanie skarg). Wybór metody zależy również od możliwości technicznych (np. dostęp aparatury), czasowych i finansowych. Stosowanie różnych metod badawczych stwarza możliwość szerokiej interpretacji wyników badań, co w połączeniu z brakiem przepisów prawnych i standardów zapachowej jakości powietrza powoduje problemy z oceną zapachowej jakości powietrza. Rys. 1 Klasyfikacja metod badawczych stosowanych w ocenie oddziaływania zapachowego oczyszczalni ścieków komunalnych LITERATURA [1] BOURGGEOIS W., STUETZ R.M., Use of a chemical sensor array for detecting pollutants in domestic wastewater, Water Research, 2002, Vol. 36, No. 18, 4505-4512. [2] BRANDT R.C., ELLIOTT H.A., ADVIENTO-BORBE M.A.A., WHEELER E.F., KLEINMAN P.J.A., BEEGLE D.B., Field olfactometry assessment of dairy manure land application methods, American Society of Agricultural and Biological Engineers Annual International Meeting, 2008, 6744.
Klasyfikacja metod badawczych stosowanych w ocenie oddziaływania zapachowego 71 [3] FRECHEN F., KöSTER W., Odour emission capacity of wastewaters Standardization of measurement method and application, Water Science and Technology, 1998, Vol. 38, No. 3, 61-69. [4] GODAYOL A., ALONSO M., BESALU E., SANCHEZ J.M., ANTICO E., Odour-causing organic compounds in wastewater treatment plants: Evaluation of headspace solid-phase microextraction as a concentration technique, Journal of Chromatography A, 2011, Vol. 1218, No. 30, 4863-4868. [5] GOSTELOW P., PARSONS S.A., Hydrogen sulphide measurement, [w:] Odours in Wastewater Treatment. Measurement, Modeling and Control, pod red. R.M. Stuetz, F. Frechen, IWA Publishing, Aliance House, London 2001, 120-129. [6] GOSTELOW P., PARSONS S.A., STUETZ R.M., Odour measurements for sewage treatment works, Water Research, 2001, Vol. 35, No. 3, 579-597. [7] GŁÓWNY URZĄD STATYSTYCZNY, Ochrona środowiska 2011,Warszawa 2011. [8] KOŚMIDER J., Pomiary stężenia zapachowego metodą olfaktometrii dynamicznej zgodnie z PN- EN 13725:2007, Wodociągi - Kanalizacja, 2007, Vol. 10, No. 34-35. [9] KOŚMIDER J., MAZUR-CHRZANOWSKA B., WYSZYŃSKI B., Odory, PWN, Warszawa 2002. [10] KULIG A., SINICYN G., CZYŻKOWSKI B., LELICIŃSKA-SERAFIN K., HEIDRICH Z., PODEDWORNA J., Identification and survey of the sources of potential olfactory impact in municipal management in Poland, [w:] Chemistry for Agriculture, pod red. H. Góreckiego, Z. Dobrzańskiego, J. Hoffmana, J. Zwoździaka, Czech-Pol Trade, Czech Republic, 2008, 549-563. [11] LATOS M., KARAGEORGOS P., KALOGERAKIS N., LAZARIDIS M., Dispersion of odorous gaseous compounds emitted from wastewater treatment plants, Water, Air, and Soil Pollution, 2011, Vol. 215, No. 1-4, 667-677. [12] NICOLAS J., CRAFFE F., ROMAIN A.C., Estimation of odor emission rate from landfill areas using the sniffing team method, Waste Management, 2006, Vol. 26, No. 11, 1259-1269. [13] POLSKI KOMITET NORMALIZACYJNY, PN-EN 13725:2007 Jakość powietrza Oznaczanie stężenia zapachowego metodą olfaktometrii dynamicznej, Warszawa2007. [14] SCHULZ T.J., VAN HARREVELD A.P., International moves towards standardisation of odour measurement using olfactometry, Water Science and Technology, 1996, Vol. 34, No. 3-4, 541-547. [15] SOBCZUK H., GUZ Ł., WASĄG H., Czujniki tlenkowe w pomiarach zapachowych powietrza, Chemik Nauka-Technika-Rynek, 2009, Vol. 11, 440-443. [16] SÓWKA I., Metody identyfikacji odorotwórczych gazów emitowanych z obiektów przemysłowych, Prace Naukowe Instytutu Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej, Seria: Monografie, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2011. [17] SÓWKA I., ZWOŹDZIAK J., NYCH A., SZKLARCZYK M., SKRĘTOWICZ M., ZWOŹDZIAK P., Ocena uciążliwości zapachowej wybranego źródła przemysłowego na podstawie badań ankietowych, Chemik Nauka-Technika-Rynek, 2009, Vol. 11, 400-401. [18] UENO H., AMANO S., MERECKA B., KOŚMIDER J., Difference in the odor concentrations measured by the triangle odor bag method and dynamic olfactometry,water Science and Technology, 2009, Vol. 59, No. 7, 1339-1342. [19] VAN LANGENHOVE H., VAN BROECK G., Applicability of sniffing team observations: Experience of field measurements, Water Science and Technology, 2001, Vol. 44, No. 9, 65-70. [20] WITHERSPOON J.R., BARNES J.L., Comparison of methods used to measure odour at wastewater treatment plant fencelines, VDI Environmental Odour Management Conference - Cologne, 2004 Germany, http://www.nasalranger.com/media.cfm. [21] ZARRA T., NADDEO V., BELGIORNO V., REISER M., KRANERT M., Odour monitoring of small wastewater treatment plant located in sensitive environment, Water Science and Technology 2008, Vol. 58, No. 1, 89-94.
72 R. BARCZAK, A. KULIG CLASSIFICATION OF RESEARCH METHODS USED IN THE ODOUR IMPACT ASSESSMENT OF THE MUNICIPAL SEWAGE TREATMENT PLANT The article presents an overview and classification of research methods used in the odour impact assessment of the municipal sewage treatment plant. Analytical methods are presented, where the concentrations are measured with different chemical compounds (odorants), sensory, where the sensor is the human nose (odour measurements) and sensory-instrumental, where it is tried to simulate the human olfactory organ by means of the sensors. In the described research methods measurements can be used in the source and at some distance from the source.