Według badania przeprowadzonego przez Niemiecką Agencję Środowiska, oczyszczalnie ścieków odpowiadają za około 1% całkowitego zużycia energii elektrycznej w Niemczech. To, co początkowo brzmi jak bardzo niewielki odsetek, oferuje jednak bardzo atrakcyjny potencjał oszczędności z punktu widzenia poszczególnych operatorów oczyszczalni ścieków. Typowym przykładem potencjału oszczędności w oczyszczalniach ścieków jest napowietrzanie zbiorników. Na przykład najnowocześniejsze technologie dmuchaw i technologia sterowania oparta na zapotrzebowaniu mogą zoptymalizować pod względem energetycznym energochłonny proces napowietrzania zbiornika i znacząco zwiększyć efektywność ekonomiczną zbiornika oczyszczającego przy stosunkowo niewielkim wysiłku.
Ten punkt wyjścia jest szczególnie interesujący dla miast i gmin. Rzut oka na zapotrzebowanie energetyczne operatorów komunalnych oczyszczalni ścieków pokazuje, że oczyszczalnie ścieków w miastach i gminach mają znaczny udział (ok. 20%) w całkowitym zużyciu energii elektrycznej. Zatem uzdatnianie wody odgrywa w tej kwestii główną rolę, wyprzedzając szkoły, szpitale, zakłady wodociągowe oraz innych gminnych i miejskich odbiorców energii.
Potencjał oszczędności energii oczyszczalni ścieków jest często niedoceniany. Wiele oczyszczalni ścieków nadal działa w oparciu o niewyregulowane i nieefektywne systemy napowietrzania, które odpowiadają za dużą część całkowitego zużycia energii elektrycznej. Jednak z dzisiejszego punktu widzenia niewyregulowane i niezależne od zapotrzebowania napowietrzanie w oczyszczalniach ścieków jest technicznie przestarzałe. Od kilku lat na rynku dostępne są wysokowydajne systemy, takie jak turbodmuchawy, dmuchawy rotacyjne i sprężarki rotacyjne. Zapewniają one nie tylko większą wydajność same w sobie i mogą pracować w szerokim zakresie częściowego obciążenia, ale mogą także pracować razem w celu uzyskania optymalnej wydajności ogólnej. Umożliwia to optymalną reakcję na zmiany obciążenia w profilu zapotrzebowania zbiornika i znaczną redukcję kosztów energii.
W naszym przewodniku nie tylko omówimy znaczenie technologii napowietrzania dla efektywności ekonomicznej oczyszczalni ścieków, ale także zwrócimy uwagę na potencjał technologii dmuchaw pracujących w oparciu o zapotrzebowanie. Ponadto pokażemy, w jaki sposób operatorzy zbiorników oczyszczania ścieków mogą zoptymalizować swoje reaktory napowietrzające, od wstępnej analizy po sterowanie blokujące.
Znaczenie technologii napowietrzania dla efektywności ekonomicznej oczyszczalni ścieków
Każdego roku oczyszczalnie ścieków zużywają gigantyczną ilość energii elektrycznej, wynoszącą około 4400 gigawatogodzin (GWh). Jest to mniej więcej tyle samo, ile wynosi roczna produkcja nowoczesnej elektrowni węglowej i przekłada się na roczne emisje CO2 na poziomie około 3 milionów ton. Dlatego też zwiększenie efektywności energetycznej oczyszczalni ścieków przynosi korzyści nie tylko ich operatorom – często miastu lub gminie – ale także środowisku.
Jeśli chodzi o zwiększenie efektywności energetycznej procesów w oczyszczalniach ścieków, głównym przedmiotem rozważań jest napowietrzanie. W wielu przypadkach zapotrzebowanie na energię dmuchaw zainstalowanych w zbiorniku napowietrzającym wynosi od 60 do 80 procent całkowitego zapotrzebowania zakładu. Jakie jednak znaczenie ma technologia napowietrzania dla oczyszczalni ścieków?
Zbiorniki napowietrzające stanowią główny etap oczyszczania w oczyszczalni ścieków. Wykorzystują one systemy napowietrzania, aby wprowadzić tlen z powietrza do zbiornika i pobudzić rozwój mikroorganizmów tlenowych. Mikroorganizmy te rozkładają zanieczyszczenia organiczne i tworzą pochłaniający zanieczyszczenia osad czynny, który jest następnie oddzielany od oczyszczonych ścieków w osadnikach wtórnych i zawracany do zbiornika osadu czynnego lub wykorzystywany jako osad ściekowy. Ponadto wprowadzony tlen odpowiada za utlenienie azotu amonowego zawartego w ściekach do azotanu i tym samym przygotowanie go do usunięcia przez mikroorganizmy.
Zużycie energii w oczyszczalniach ścieków jest zwykle wyrażane w kilowatogodzinach rocznie na RLM, gdzie RLM oznacza równoważną liczbę mieszkańców. Zwykle wartość ta maleje wraz ze wzrostem wielkości oczyszczalni ścieków, ponieważ można wykorzystać efekt skali. Niemiecka Agencja Środowiska podaje rzędy wielkości zużycia energii elektrycznej w oczyszczalniach ścieków, które można wykorzystać w celach orientacyjnych:
| RÓWNOWAŻNA LICZBA MIESZKAŃCÓW | JEDNOSTKOWE ZUŻYCIE ENERGII | |
|---|---|---|
| Klasa wielkości 1 | < 1000 | 75 kWh/(EW x a) |
| Klasa wielkości 2 | 1000 – 5000 | 55 kWh/(EW x a) |
| Klasa wielkości 3 | 5000 – 10 000 | 44 kWh/(EW x a) ) |
| Klasa wielkości 4 | 10 000 – 100 000 | 35 kWh/(EW x a) |
| Klasa wielkości 5 | > 100 000 | 32 kWh/(EW x a) |
Co ciekawe, pomimo mniejszego jednostkowego zapotrzebowania na energię, oczyszczalnie ścieków klas wielkości 4 i 5 odpowiadają za około 87 procent całkowitego zużycia energii elektrycznej. Oczyszczalnie ścieków tej wielkości stanowią jedynie około 22 procent z około 10 000 oczyszczalni ścieków, ale obsługują ponad 90 procent równoważnej liczby mieszkańców.
W typowej oczyszczalni ścieków największą część zapotrzebowania na energię stanowi oczyszczanie biologiczne i oczyszczanie wtórne. Jednak inne etapy procesu również wymagają energii elektrycznej:
- Oczyszczanie biologiczne i oczyszczanie wtórne 67%
- Oczyszczanie osadów 11%
- Filtracja flokulacyjna 8%
- Infrastruktura i pozostali odbiorcy 6%
- Systemy pompowania ścieków 5%
- Etap oczyszczania mechanicznego 3%
Z tego powodu optymalizacja energetyczna oczyszczania ścieków koncentruje się przede wszystkim na etapie oczyszczania biologicznego. Kompleksowa analiza 85 oczyszczalni ścieków w Nadrenii Północnej-Westfalii wykazała, że działania optymalizacyjne w zbiorniku napowietrzającym były szczególnie skuteczne, ponieważ przyniosły one około dwukrotnie większe oszczędności w porównaniu ze środkami podjętymi w innych obszarach.
Istnieje wiele możliwości optymalizacji technicznej i energetycznej etapu oczyszczania biologicznego. Obejmują one szeroki zakres opcji, od wymiany systemu dmuchaw, poprzez ukierunkowane udoskonalenie zarządzania operacyjnego i unikanie strat ciśnienia, aż po inwestycje w wysoce wydajną technologię pomp o niskiej podatności na zatykanie.
Obciążenie podstawowe, szczytowe i niskie – zasilanie w miarę potrzeb i nowoczesna technologia wentylacji
Zbiorniki napowietrzające oczyszczalni ścieków komunalnych i przemysłowych charakteryzują się w dużej mierze zmiennym profilem obciążenia. Fluktuacje ilości ścieków w ciągu dnia, zmieniające się poziomy opadów, wahania sezonowe i różny stopień zanieczyszczenia ścieków powodują zmienny profil zapotrzebowania, co czasami może skutkować nagłymi zmianami obciążenia. Dodatkowo należy uwzględnić sezonowe różnice temperatur, które również mają wpływ na wymaganą ilość tlenu atmosferycznego w zbiorniku osadu czynnego.
Nowoczesne koncepcje napowietrzania zbiorników osadu czynnego mają zatem na celu reagowanie na zmienny profil zapotrzebowania oczyszczalni ścieków za pomocą najbardziej wydajnej technologii napowietrzania dla każdego indywidualnego przypadku. Zalety turbodmuchaw, dmuchaw wyporowych i sprężarek rotacyjnych lobowych można zatem wykorzystać w ukierunkowany sposób do obsługi systemu wentylacji w punktach efektywnej pracy, zarówno przy zapotrzebowaniu na obciążenie podstawowe, jak i przy zapotrzebowaniu na obciążenie szczytowe i niskie.
Na przykład turbomaszyna ma doskonałą wydajność przy parametrach projektowych, a maszyna wyporowa może być wykorzystywana z dobrą wydajnością w szerokim zakresie obciążenia częściowego. W przypadku wykorzystania zalet obu technologii powstaje koncepcja napowietrzania, która może być idealnie dostosowana do indywidualnych wymagań oczyszczalni ścieków i stanowi najlepsze możliwe rozwiązanie dla klienta.
Z tego względu firma AERZEN opracowała złożoną koncepcję, która umożliwia indywidualne i wysoce wydajne dostarczanie tlenu w dowolnym momencie. Zespół składający się z trzech produktów, znany również pod chwytliwą nazwą „Performance³”, umożliwia operatorom oczyszczalni ścieków połączenie najlepszej możliwej wydajności z maksymalnym bezpieczeństwem pracy, niezawodnością i niskimi kosztami.
Te trzy urządzenia zostały specjalnie zaprojektowane do zasilania zgodnego z zapotrzebowaniem dla obciążenia podstawowego, szczytowego i niskiego. Serie turbodmuchaw AT i TB charakteryzują się wyjątkową wydajnością przy parametrach projektowych i dlatego są stosowane przede wszystkim w zakresie obciążenia podstawowego. Do obsługi obciążeń szczytowych i niskich firma AERZEN wykorzystuje regulowane dmuchawy wyporowe z serii Delta Blower oraz sprężarki rotacyjne lobowe typu Delta Hybrid.
Dane techniczne portfolio Performance³ w skrócie:
| Technologia | Seria | Przepływ objętościowy | Zakres ciśnienia | Zakres regulacji |
|---|---|---|---|---|
| Turbodmuchawa | AT i TB | 300 – 16 200 m³/h | 400 – 1000 mbar | 40 – 100% |
| Dmuchawa wyporowa | Delta Blower | 30 – 15 000 m³/h | - 500 – 1000 mbar | 25 – 100% |
| Sprężarka rotacyjna | Delta Hybrid | 110 – 9000 m³/h | -900 – 1500 mbar | 25 – 100% |
Wydajna oczyszczalnia ścieków – krok po kroku
Aby umożliwić wiarygodną ocenę potencjału poprawy energetycznej technologii napowietrzania w zbiornikach oczyszczalni ścieków, należy w pierwszej kolejności przeprowadzić szczegółową analizę istniejącej technologii napowietrzania oraz profilu obciążenia. Szeroko zakrojone pomiary i analizy pozwalają zidentyfikować i określić ilościowo potencjał działań modernizacyjnych w zakresie oszczędności energii. Dzięki innowacyjnej usłudze AERaudit firmy AERZEN możliwa jest ukierunkowana optymalizacja wykorzystania i wydajności stacji dmuchaw.
Po etapie analizy następuje wdrożenie opracowanej koncepcji wentylacji przy pomocy systemu sterowania wysokiego poziomu. Systemy takie jak innowacyjny system sterowania maszynami AERsmart firmy AERZEN są w stanie idealnie rozdzielić ilości powietrza pomiędzy technologiami i wydajnością poszczególnych maszyn, zwiększając tym samym w sposób zrównoważony wydajność instalacji i zbliżając ją do teoretycznego optimum. Przez prostą optymalizację systemu sterowania można osiągnąć znaczny potencjał oszczędności, aż do 15%. System ten może obsługiwać, oprócz autorskiego zespołu Performance³, również produkty innych firm.
Unikalną cechą kompleksowego systemu sterowania AERsmart jest jego zdolność do dystrybucji wymaganego zapotrzebowania na tlen w dowolnym momencie w taki sposób, aby każdy punkt obciążenia mógł być obsługiwany w najbardziej efektywnym punkcie pracy. Sterownik wykorzystuje odpowiednie mapy właściwości i wydajności dmuchaw i wybiera tę kombinację technologii, która jest idealnie dopasowana do aktualnego punktu pracy.
Zasobooszczędne oczyszczanie ścieków na przykładzie Holzkirchen
Przykład oczyszczalni ścieków w Holzkirchen w imponujący sposób pokazuje, jak można przeprowadzić dokładne oczyszczanie ścieków w sposób zasobooszczędny i przyjazny dla środowiska. Oczyszczalnia ścieków pod Monachium obsługuje około 50 000 RLM i zużywa rocznie około 500 000 kWh energii elektrycznej. Dzięki zainstalowaniu zintegrowanego systemu sterowania AERsmart, oczyszczalni ścieków w Holzkirchen udało się idealnie wykorzystać zalety różnych technologii dmuchaw. Wynik: Oszczędność energii na poziomie około 10% i zmniejszenie rocznego zapotrzebowania na energię elektryczną o około 50 000 kWh.
