man in blue with helmet

Uzdatnianie wody w przyszłości

Energia w centrum uwagi

Uzdatnianie wody znajduje się w samym środku głębokiej przemiany i zyskuje coraz większe znaczenie na całym świecie. Woda jest coraz bardziej deficytowym towarem, który nie jest dostępny w wystarczających ilościach, zwłaszcza dla ludzi w biedniejszych krajach. Rosnące zapotrzebowanie ze strony przemysłu, rolnictwa i wytwarzania energii elektrycznej prowadzi do coraz większych „wąskich gardeł”. Nawet jeśli takie problemy, jak niedobór wody mają w kraju niewielkie znaczenie, oszczędzanie zasobów i odpowiedzialne korzystanie z wody jest ważnym tematem na przyszłość. Kluczową rolę odgrywa dostępność wody w procesie jej uzdatniania. Około 80% ścieków na świecie nadal nie jest oczyszczanych, choć w wielu przypadkach jest to technicznie możliwe. W perspektywie długoterminowej istnieje zatem znaczny potencjał istotnego ograniczenia zużycia wody w przemyśle.

Wykorzystanie potencjału przyszłości w uzdatnianiu wody

Równocześnie – zwłaszcza w krajach uprzemysłowionych – kwestia efektywności energetycznej staje się przedmiotem uwagi. Oczyszczalnie ścieków uważane są za pożeracze energii, głównie ze względu na energochłonne procesy zachodzące w reaktorze biologicznym. W kontekście ambitnych celów w zakresie ochrony klimatu i rosnących cen energii elektrycznej, efektywność energetyczna w zakresie uzdatniania wody będzie stanowić w przyszłości jedną z kluczowych kwestii.

Zwłaszcza w dziedzinie technologii energetycznych w osadnikach udowodniono, że niezawodne technologie służące trwałemu ograniczeniu zużycia energii elektrycznej już istnieją i są bardzo atrakcyjne ekonomicznie z punktu widzenia operatora. Inwestycje w nowoczesne technologie wentylacyjne zwracają się bardzo szybko, zwłaszcza w starszych oczyszczalniach ścieków, i bez większego wysiłku poprawiają rentowność oczyszczalni. Uzdatnianie wody przyszłości ma daleko idące możliwości w zakresie łagodzenia niedoborów wody, odpowiedzialnego wykorzystania surowców i zmniejszenia zużycia energii. Przykładem o wielkim potencjale jest wytwarzanie energii ze ścieków.

Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła ze ścieków

Jednym z najważniejszych zagadnień przyszłości w dziedzinie uzdatniania wody jest wytwarzanie energii ze ścieków. Każdy metr sześcienny ścieków zawiera cztery razy więcej energii niż potrzeba do jego oczyszczenia – teoretycznie więc oczyszczalnia ścieków może wyprodukować więcej energii niż jej sama zużywa. Zasada, na której opiera się to rozważanie, jest prosta: Cząstki stałe zawarte w ściekach, takie jak fekalia, papier toaletowy lub inne zanieczyszczenia, zasadniczo można wykorzystywać w biogazowni do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Z powodzeniem stosuje się już dziś technologie wykorzystywane w tym procesie, jednakże nadal oferują znaczny potencjał rozwoju. Z tego powodu nowe technologie mające na celu zwiększenie wydajności spalania osadów ściekowych są obecnie badane i testowane jako prototypy – z bardzo obiecującymi wynikami.

Zanim potencjał wytwarzania energii ze ścieków zostanie w pełni wykorzystany, trzeba pokonać jeszcze kilka przeszkód. Jednym z wyzwań jest znaczne zwiększenie proporcji cząstek stałych, które można usunąć ze ścieków przed właściwym procesem oczyszczania. Można to osiągnąć poprzez dodanie polimerów, które ułatwiają zbrylanie się osadu.

Energochłonne oczyszczalnie ścieków – tutaj też można zaoszczędzić

Dla uzdatniania wody w przyszłości temat efektywności energetycznej ma ogromne znaczenie. Z jednej strony operatorzy oczyszczalni ścieków stoją w obliczu coraz bardziej rygorystycznych wymogów środowiskowych narzucanych przez polityków, z drugiej natomiast muszą przeciwdziałać wzrostowi cen energii elektrycznej poprzez wdrażanie środków zwiększających efektywność. Aby zrozumieć znaczenie efektywności energetycznej w osadnikach, warto przyjrzeć się bilansowi energetycznemu oczyszczalni ścieków.

Około 10 200 zainstalowanych w Niemczech oczyszczalni ścieków zużywa łącznie około 4400 gigawatogodzin (GWh) energii elektrycznej rocznie – odpowiada to konkretnemu zużyciu 35 kWh/LM rocznie. Oczyszczalnie ścieków stanowią zatem około 0,7% zużycia energii elektrycznej w Niemczech.

W niemal wszystkich oczyszczalniach ścieków z procesami biologicznymi napowietrzanie jest zdecydowanie najważniejszym odbiorcą. Podczas gdy udział całkowitego zużycia energii elektrycznej w zakładach z tlenową stabilizacją osadu wynosi 60-80%, w zakładach z fermentacją osadu nadal wynosi on około 50%. Ponadto istnieją inne procesy pobierające energię, ale ich waga nie zbliża się do znaczenia procesu reaktora biologicznego. Najważniejsi odbiorcy energii elektrycznej w pigułce:

  • Recyrkulacja wewnętrzna DN
  • Wstępne odwadnianie
  • Odwadnianie końcowe
  • Pośrednie urządzenie podnoszące
  • Wsparcie RLS
  • Obieg denitryfikacji (DN)
  • Napowietrzanie filtra piaskowego
    • Napowietrzanie reaktora biologicznego
    • Filtr kabinowy
    • Wciągnik ślimakowy wlotowy
    • Cyrkulacja w zbiorniku fermentacyjnym

    Spojrzenie na średnie zużycie energii elektrycznej w tych zakładach pokazuje, że znaczny potencjał redukcji zużycia energii leży przede wszystkim w napowietrzaniu reaktora biologicznego oraz w ciągle pracujących przepompowniach, takich jak wlot, pośrednie jednostki podnoszące lub recyrkulacja wewnętrzna. Ważną rolę odgrywa w szczególności napowietrzanie reaktorów biologicznych, dlatego też aspekt ten zostanie szczegółowo omówiony później.

    Ukierunkowanie na zużycie energii – dalsze działania na rzecz zwiększenia efektywności

    Wykorzystanie osadów ściekowych lub gazu fermentacyjnego do wytwarzania energii i ciepła oraz zwiększenie efektywności energetycznej reaktorów biologicznych nie są jedynymi środkami na drodze do przyszłościowego uzdatniania wody. Dalsze potencjały wynikają np. z włączenia energii odnawialnych do systemu energetycznego oczyszczalni ścieków.

    Przykładowo możliwe jest zainstalowanie ogniw słonecznych lub turbin wiatrowych na terenie oczyszczalni ścieków w celu dalszego zwiększenia udziału energii własnej w całkowitym zużyciu energii elektrycznej. Oczywiście należy zauważyć, że środki te podlegają takim samym warunkom brzegowym jak w innych lokalizacjach, a także iż rentowność inwestycji zależy od panujących warunków, takich jak lokalne nasłonecznienie i warunki wiatrowe.

    Wykorzystanie kolektorów słonecznych do generowania ciepła jest szczególnie przydatne dla instalacji bez fermentacji osadu, które jednak w przyszłości prawdopodobnie będzie odgrywać podrzędną rolę. Zakłady stosujące tlenową stabilizację osadów zwykle i tak mają nadwyżkę ciepła w porze letniej, więc środek ten nie jest istotny dla tych oczyszczalni. Kolejne działania w zakresie energooszczędnego projektowania instalacji uzdatniania wody mają na celu wykorzystanie energii zawartej w dopływie i odpływie z oczyszczalni.. Potencjał tego rozwiązania jest jednak ograniczony, ponieważ różnica wysokości jest bardzo mała, a nakład na produkcję energii nieproporcjonalny do związanego z tym wkładu.

    Szczególnie w większych zakładach z istniejącą spalarnią osadów ściekowych zaleca się stosowanie materiału przesianego jako dodatkowego paliwa w celu dalszego zwiększenia efektywności energetycznej. Potencjał tej technologii jest jednak ograniczony przez zastosowanie spryskiwaczy, które zmniejszają ilość skratek.

    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.

    Zorientowana na zapotrzebowanie technika wentylacyjna – miara wysokiej wydajności

    Działania w zakresie wentylacji biologicznej są szczególnie atrakcyjną opcją zwiększenia efektywności ekonomicznej ze względu na wysokie zużycie energii. Ponieważ napowietrzanie stanowi od 60 do 80% całkowitego zapotrzebowania na energię, w zależności od oczyszczalni, proces napowietrzania ma szczególne znaczenie dla uzdatniania wody w przyszłości.

    Jakie procesy zachodzą w reaktorze biologicznym?

    Aby zrozumieć przyczynę wysokiego zużycia energii w reaktorze biologicznym, krótko opiszemy procesy zachodzące w biologicznej oczyszczalni ścieków. W reaktorze biologicznym ze wstępnie oczyszczonych mechanicznie ścieków usuwane są rozpuszczone substancje organiczne oraz fosforany i związki azotu. Proces rozkładu odbywa się z pomocą mikroorganizmów, takich jak bakterie oraz osad czynny.

    Aby umożliwić biologiczne usuwanie fosforanów ze ścieków w pierwszym etapie, pierwsza część zbiornika jest utrzymywana w stanie niskiego wysycenia tlenem. Następnie poprzez wdmuchiwanie sprężonego powietrza do ścieków wprowadzana jest bardzo duża ilość tlenu. Dzięki wykorzystaniu tlenu bakterie rozmnażają się błyskawicznie i – przy dodatkowym użyciu rozpuszczonego środka strącającego – sprzyjają wiązaniu fosforanu z osadem biologicznym. Następnie osadza się on w osadniku wtórnym i można go transportować z powrotem do zbiornika napowietrzającego lub podawać do instalacji oczyszczania osadów. Wysokie zużycie energii podczas tego procesu powiązane jest z dostarczaniem dużych ilości sprężonego powietrza.

    Wyzwania i potencjał optymalizacyjny w technice napowietrzania

    Wyzwaniem w technice napowietrzania jest przede wszystkim przeciwdziałanie silnym wahaniom krzywych obciążenia i zmieniającym się stopniom zanieczyszczenia poprzez dostarczanie powietrza odpowiadającego chwilowemu zapotrzebowaniu. Starsze oczyszczalnie ścieków są często wyposażone w technologie dmuchaw, które zawsze dostarczają tę samą ilość tlenu, niezależnie od zapotrzebowania – choć nie zawsze jest to konieczne. Wyzwaniem jest więc z jednej strony wdrożenie wentylacji zgodnie z wymaganiami, z drugiej natomiast obsługa częściowych zakresów obciążeń profilu obciążenia z najlepszą możliwą efektywnością.

    W zakresie efektywnego energetycznie zaopatrzenia reaktorów biologicznych firma AERZEN stawia na gamę produktów, która składa się z jednej lub kilku technologii dmuchaw i jest stosowana w zależności od indywidualnych wymagań danej oczyszczalni ścieków. Takie podejście pozwala na osiągnięcie najlepszej możliwej wydajności w każdym momencie i optymalne wykorzystanie potencjału oszczędności.

    Portfolio składa się z Dmuchawa turbo, dmuchawy rotacyjne i sprężarki rotacyjne . Zaleta takiego rozwiązania jest oczywista: Każda z tych technologii posiada indywidualne zalety i mocne strony, które można dostosować do indywidualnych wymagań. Podczas gdy np. dmuchawa turbo przekonuje bardzo wysoką sprawnością energetyczną w punkcie konstrukcyjnym, maszyny z tłokami rotacyjnymi zachwycają szerokim zakresem regulacji i niemal stałą sprawnością w zakresie obciążenia częściowego. Sprężarka rotacyjna, jako hybryda, łączy w sobie zalety technologii dmuchawy i sprężarki w jednym urządzeniu. W zależności od zastosowania, wskazane jest zatem, aby w każdym przypadku wybrać połączenie różnych technologii lub najbardziej efektywną z możliwych. Istnieje możliwość instalacji nie tylko różnych technologii, ale również różnych rozmiarów urządzeń. W zależności od zastosowania, wskazane jest zatem, aby w każdym przypadku wybrać połączenie różnych technologii lub najbardziej efektywną z możliwych. Istnieje możliwość instalacji nie tylko różnych technologii, ale również różnych rozmiarów urządzeń. Jeżeli połączymy takie podejście z inteligentnym sterownikiem centralnym, efektem będą dalsze możliwości oszczędności energii.

    Praktyka pokazuje: oszczędność energii dzięki zoptymalizowanej wentylacji jest znaczna. Dla przykładu, oczyszczalnia ścieków w Rheda-Wiedenbrück mogła osiągnąć oszczędność kosztów energii w wysokości-40 000 EUR rocznie dzięki zainstalowaniu dmuchawy turbo AERZEN oraz dmuchawy hybrydowej Delta Hybrid.