From the SelectedWorks of Robert Oleniacz. April, 2014

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 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

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. Emitor Współrzędne emitorów w UTM X [km] Y [km] Wysokość [m] Średnica [m] Wysokość podstawy emitora [m n.p.m.] E1 434,121 5545,654 80 1,6 193 E2 434,134 5545,555 80 1,6 193 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. 67782 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 0,6903 513,6 Chlorowodór (HCl) 10,184 0,6903 513,6 Dwutlenek siarki (SO 2 ) 50,921 3,452 2568 Tlenek węgla (CO) 50,921 3,452 2568 Tlenki azotu (NO x ) jako NO 2 203,684 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 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 0,6164 27,12 0,6164 1,233 0,6164 0,6164 1,233 1,233 44

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

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 3 241,97 200 1,51 40 SO 2 μg/m 3 60,48 350 0,38 20 CO μg/m 3 60,48 30000 0,38 - PM10 μg/m 3 12,09 280 0,076 40 HCl μg/m 3 12,09 200 0,076 25 Hg ng/m 3 61 700 0,38 40 Cd ng/m 3 46 520 0,29 5 Tl ng/m 3 15 1000 0,095 130 Sb ng/m 3 23 23000 0,14 2000 As ng/m 3 12 200 0,072 200 Pb ng/m 3 480 5000 3,01 500 Cr ng/m 3 12 20000 0,072 2500 Co ng/m 3 23 5000 0,14 400 Cu ng/m 3 12 20000 0,072 600 Mn ng/m 3 23 9000 0,072 1000 Ni ng/m 3 12 230 0,14 20 V ng/m 3 12 2300 0,14 250 PCDD/PCDF fgteq/m 3 121-0,757-5. 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

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, 35-45. [2]. 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. [3]. Mazur M.: Systemy ochrony powietrza. Wyd. AGH, Kraków 2004. [4]. 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. [5]. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia 2011 w sprawie standardów emisyjnych z instalacji. Dz. U. 2011, Nr 95, poz. 558. [6]. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 września 2012 r. w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu. Dz. U. 2012, poz. 1031. [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, 13-17. [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, 2013. [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, 2000. [10]. Scire J.S., Strimaitis D.G., Yamartino R J.: A User's Guide for the CALPUFF Dispersion Model, Concord, 2000. [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, 2009. [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, 195-205. [14]. Witryna internetowa Krakowskiego Holdingu Komunalnego S.A. w Krakowie, http://www.khk.krakow.pl/. 47