Water Treatment in the Future
Water treatment is undergoing a profound transformation and is gaining in importance worldwide. Water is an increasingly scarce commodity. Particularly in poorer countries, it is not available in sufficient quantities. Bottlenecks are becoming more and more severe due to growing demand on the part of industry, agriculture and energy generation. Although problems such as water scarcity are of limited relevance here in Germany, a responsible, resource-saving approach to water is an important issue for the future. Water treatment plays a key role in the subject of water availability. Around 80 percent of waste water worldwide still goes untreated , though in many cases, treating it would be technically possible. In the long term there is therefore considerable potential for significantly reducing the level of consumption of water by industry.
Exploiting the potential of the water treatment of the future
Využití potenciálu úpravy vody budoucnosti
Současně se zaměřujeme na energetickou účinnost, zejména v průmyslových zemích. Úpravny odpadních vod jsou díky energeticky náročným procesům v provzdušňovacích nádržích považovány za skutečné žrouty energie. Na pozadí ambiciózních cílů v oblasti ochrany klimatu a rostoucích cen energie se energetická účinnost při úpravě vody stane jednou z hlavních otázek budoucnosti.
Zejména v oblasti energetických technologií pro nádrže na čištění odpadních vod je zřejmé, že spolehlivé technologie pro udržitelné snížení nákladů na energii již existují a z pohledu provozovatelů jsou vysoce atraktivní. Investice do moderní ventilační technologie se vyplácejí velmi rychle a zlepšují účinnost zařízení bez zbytečných nákladů, zejména v případě starších úpraven vody. Úprava vody budoucnosti má dalekosáhlý potenciál ke zmírnění nedostatku vody, podpoře odpovědného nakládání se surovinami a snižování spotřeby energie. Příkladem s velkým potenciálem pro budoucnost je výroba energie z odpadní vody.
Particularly in the area of energy technology for waste water treatment tanks, it is clear that reliable technologies for sustainably reducing energy consumption already exist and are highly attractive from the operator’s point of view. Investments in modern ventilation technology pay off very quickly and improve plant efficiency without undue expense, especially in the case of older water treatment plants. The water treatment of the future holds far-reaching potential for mitigating water scarcity, promoting responsible management of raw materials and decreasing energy consumption. An example with major potential for the future is the generation of energy from waste water.
Výroba elektřiny a tepla z odpadní vody
Jedním z nejdůležitějších problémů budoucnosti v oblasti úpravy vody je výroba energie z odpadní vody. Princip této myšlenky je jednoduchý: Pevné látky obsažené v odpadních vodách, jako jsou exkrementy, toaletní papír nebo jiné částice, mohou být obecně použity v bioplynových stanicích k výrobě elektrické energie a tepla. Technologie pro tento proces již byly úspěšně použity, ale stále ještě existuje dostatek prostoru pro růst. Z tohoto důvodu jsou v současné době zkoumány a testovány nové technologie zaměřené na zvýšení spalování kalů ve formě prototypů – se slibnými výsledky.
Než se však naplno využije potenciál odpadních vod při výrobě energie, je ještě třeba překonat mnoho překážek. Jednou z výzev je výrazně zvýšit procento pevných látek, které mohou být extrahovány z odpadní vody před vlastním procesem čištění. Toho lze dosáhnout například přidáním polymerů, které způsobují shlukování kalu.
Waste water treatment plants as veritable power guzzlers – energy can be saved here
Úpravny odpadních vod jako skuteční žrouti energie – zde lze ušetřit energii
Energetická účinnost je nejdůležitějším problémem pro úpravu vody budoucnosti. Na jedné straně se provozovatelé čistíren odpadních vod setkávají s neustále přísnějšími předpisy na ochranu životního prostředí ze strany politiků. Na druhé straně musí zavádět opatření k potlačení rostoucích cen elektřiny. Abychom pochopili důležitost energetické účinnosti nádrží na čištění odpadních vod, musíme se podívat na energetickou bilanci úpravny.
Přibližně 10 200 úpraven odpadních vod instalovaných v Německu spotřebuje ročně zhruba 4 400 gigawatthodin (GWh) elektrické energie. To odpovídá specifické spotřebě 35 kWh/populační ekvivalent za rok. Úpravny odpadních vod jsou proto stále zodpovědné za zhruba 0,7 % energie spotřebované v Německu.
Ukazuje se, že provzdušňování je zdaleka největším spotřebitelem u téměř všech čistíren odpadních vod s kalovými procesy. Zatímco procento energie spotřebované čistírnami s aerobní stabilizací kalu je mezi 60 a 80 %, u čistíren s vyhníváním kalu se jedná o zhruba 50 %. Navíc jsou zde další spotřebitelé energie, kteří však nejsou tak významní jako proces odkalování. Shrnutí hlavních spotřebitelů energie:
The roughly 10,200 waste water treatment plants installed in Germany use a total of approximately 4,400 gigawatt hours (GWh) of electrical energy per year. This corresponds to a specific consumption of 35 kWh/population equivalent per year. Waste water treatment plants therefore still account for around 0.7% of the power consumed in Germany.
It turns out that aeration is by far the main consumer for almost all the waste water treatment plants with sludge processes; while the percentage of power consumed by plants with aerobic sludge stabilisation is between 60% and 80%, it is still around 50% for plants with sludge digestion. Furthermore, there are other energy consumers that are not as significant as the sludge process. The main energy consumers at a glance:
Pohled na průměrnou spotřebu energie těchto čistíren ukazuje, že největší potenciál pro snížení spotřeby energie spočívá v provzdušňování provzdušňovacích nádrží a ve stále spuštěných čerpacích stanicích, například na vstupu, pomocném zvedacím mechanismu a vnitřní recirkulaci. Provzdušňování provzdušňovacích nádrží hraje nejdůležitější roli, proto bude toto hledisko později analyzováno podrobněji.
Zaměření na spotřebu energie: další opatření ke zvýšení účinnosti
Zvyšování energetické účinnosti provzdušňovacích nádrží a používání kalového plynu nebo bioplynu k výrobě energie a tepla nejsou jedinými opatřeními na cestě k úpravě vody budoucnosti. Další potenciál například spočívá v integraci systémů obnovitelných energií do energetických systémů úpraven odpadních vod.
It is possible, for instance, to install solar cells or wind turbines on the grounds of waste water treatment plants to further improve the ratio of generated energy to total energy consumption. At the same time, it should obviously be kept in mind that these measures are subject to the same constraints as other sites and the profitability of the investment depends on the prevailing conditions, such as local sunshine and wind conditions. Although the use of solar collectors to generate heat is also of particular interest for plants without sludge digestion, this approach will probably play only a subordinate role in the future. For plants with aerobic sludge stabilisation, there is already usually an excess of heat available in the summertime, which renders the measure superfluous for this type of waste water treatment plant. Other measures for ensuring energy-efficient water treatment in the future seek to use hydroelectric power in the inlets and outlets of the waste water treatment plant. This approach offers only limited potential, however, because the available fall height is low and the amount of energy generated does not justify the effort and expense.
Particularly in the case of larger plants with sludge incineration, it is recommended to use bar screen debris as an additional fuel source to further increase energy efficiency. However, the potential of this technology is limited by the use of bar screen debris washers, which reduce the accumulation of debris.
Demand-driven aeration technology: high-efficiency measures
z důvodu vysoké spotřeby energie. V závislosti na úpravně odpadních vod představuje provzdušňovací proces 60 až 80 % celkové energetické potřeby, a to je důvod, proč je provzdušňování obzvláště důležité pro čištění vody budoucnosti.
Co se děje v provzdušňovací nádrži?
Abychom pochopili, proč provzdušňovací nádrže spotřebovávají tolik energie, podívejme se krátce na procesy v biologickém čisticím systému. Provzdušňovací nádrže zbavují mechanicky předčištěnou odpadní vodu organických látek, jako jsou fosfáty a sloučeniny dusíku. Tento rozklad je ovlivněn mikroorganismy, jako jsou bakterie, provzdušněný kal.
K biologickému odstranění fosfátů z odpadní vody v prvním kroku je v první části nádrže udržována nízká hladina kyslíku. Do odpadní vody se pak zavádí velké množství kyslíku formou stlačeného vzduchu. Bakterie se díky kyslíku rychle množí, což způsobuje, že se fosfáty váží s biologickým kalem, když se kombinují s rozpuštěným srážedlem. Kal se pak rozkládá v dočišťovacích nádržích a může být přiváděn zpět do provzdušňovacích nádrží nebo dopraven do systému zpracování kalů. Tento proces využívá velké množství energie kvůli používání velkého množství stlačeného vzduchu.
Výzvy a potenciál pro optimalizaci provzdušňovací techniky
Výzva provzdušňovací technologie spočívá zejména v zajištění přívodu vzduchu na základě poptávky, schopného zvládnout závažné kolísání profilů zatížení a různé úrovně kontaminace. Starší čistírny odpadních vod jsou často vybaveny dmychadlovými technologiemi, které vždy dodávají stejné množství kyslíku bez ohledu na situaci dodávky, i když to není vždy nutné. Výzva proto spočívá v implementaci provzdušňování řízeného poptávkou na jedné straně a na straně druhé v co nejefektivnějších dodávkách pro rozsahy částečného zatížení profilu zatížení.
To efficiently supply energy to aeration tanks, AERZEN relies on a product portfolio that consists of one or more blower technologies implemented in accordance with the individual requirements of each waste water treatment plant. This approach makes it possible to achieve maximum efficiency and fully exploit the potential for savings.
The portfolio consists of turbo blowers, positive displacement blowers and rotary lobe compressors. The advantage is obvious: Each of these technologies has individual advantages and strengths, which can be tailored to the individual requirements. Whereas turbo blowers, for example, are impressively energy efficient by design, rotary piston machines excel in terms of adjustability and almost unvarying efficiency in the partial load range. As a hybrid, the rotary lobe compressor combines the advantages of blower and compressor technology in a single system. Depending on the application, it is advisable to choose either a combination of different technologies or the most efficient technology for the case at hand. At the same time, it is possible to install not only different technologies, but also different sizes. And additional potential for savings can be realised if this approach is combined with an intelligent global control system.
Experience has shown that substantial energy savings can be achieved through optimised aeration. For example, by installing an Aerzen turbo blower and a Delta hybrid, the Rheda-Wiedenbrück waste water treatment plant managed to save 40,000 euro in energy costs – per year.
