Uzdatnianie wody w przyszłości
Uzdatnianie wody przechodzi głęboką transformację i na całym świecie zyskuje na znaczeniu. Woda jest towarem coraz bardziej deficytowym. Szczególnie w biedniejszych krajach nie jest dostępna w wystarczających ilościach. Rosnące zapotrzebowanie ze strony przemysłu, rolnictwa i wytwarzania energii powoduje powstawanie coraz większej liczby „wąskich gardeł”. Chociaż problemy takie jak niedobór wody mają w Niemczech ograniczone znaczenie, odpowiedzialne i zasobooszczędne podejście do wody jest kwestią istotną dla przyszłości. Uzdatnianie wody odgrywa kluczową rolę w kwestii dostępności wody. Około 80 procent ścieków na całym świecie nadal pozostaje nieoczyszczonych, chociaż w wielu przypadkach ich oczyszczenie byłoby technicznie możliwe. W dłuższej perspektywie istnieje zatem znaczny potencjał wyraźnego ograniczenia poziomu zużycia wody przez przemysł.
Wykorzystanie potencjału przyszłościowego uzdatniania wody
Jednocześnie centrum uwagi, zwłaszcza w krajach uprzemysłowionych, przenosi się na efektywność energetyczną. Ze względu na energochłonne procesy zachodzące w zbiornikach napowietrzających, oczyszczalnie ścieków są uważane za prawdziwych pożeraczy energii. W kontekście ambitnych celów w zakresie ochrony klimatu oraz rosnących cen energii, efektywność energetyczna w uzdatnianiu wody stanie się jednym z najważniejszych zagadnień przyszłości.
Zwłaszcza w obszarze technologii energetycznych obsługujących zbiorniki oczyszczania ścieków udowodniono, że istnieją już niezawodne technologie umożliwiające zrównoważone ograniczenie zużycia energii i są one bardzo atrakcyjne z punktu widzenia operatora. Inwestycje w nowoczesną technologię wentylacyjną zwracają się bardzo szybko i zwiększają wydajność oczyszczalni bez zbędnych wydatków, zwłaszcza w przypadku starszych stacji uzdatniania wody. Przyszłościowe uzdatnianie wody ma dalekosiężny potencjał w zakresie ograniczania niedoborów wody, wspierania odpowiedzialnego zarządzania surowcami i zmniejszania zużycia energii. Przykładem o dużym potencjale na przyszłość 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; z czysto teoretycznego punktu widzenia oczyszczalnia ścieków mogłaby zatem wytwarzać więcej energii, niż sama zużywa. Takie podejście bazuje na jednej prostej zasadzie: Substancje stałe zawarte w ściekach, takie jak fekalia, papier toaletowy lub inne zanieczyszczenia, zasadniczo można wykorzystywać w instalacjach biogazu do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Technologie wykorzystywane w tym procesie są już z powodzeniem stosowane, ale nadal mają duży potencjał rozwoju. Z tego względu nowe technologie, mające na celu zwiększenie wydajności spalania osadów ściekowych, są obecnie badane i testowane jako prototypy – z bardzo obiecującymi wynikami.
Zanim jednak dojdzie do pełnego wykorzystania potencjału ścieków w wytwarzaniu energii, należy pokonać jeszcze wiele przeszkód. Jednym z wyzwań jest znaczne zwiększenie odsetka substancji stałych, które można wyodrębnić ze ścieków przed właściwym procesem oczyszczania. Można to osiągnąć poprzez dodanie polimerów, które ułatwiają zbrylanie się osadu.
Energochłonne oczyszczalnie ścieków – tu można zaoszczędzić
Najważniejszą kwestią dla przyszłości uzdatniania wody jest efektywność energetyczna. Z jednej strony operatorzy oczyszczalni ścieków stoją w obliczu coraz bardziej rygorystycznych przepisów środowiskowych wprowadzanych przez polityków. Z drugiej strony muszą wprowadzić środki zwiększające efektywność, aby przeciwdziałać rosnącym cenom energii elektrycznej. Aby zrozumieć znaczenie efektywności energetycznej w zbiornikach oczyszczania ścieków, warto przyjrzeć się bilansowi energetycznemu oczyszczalni.
Około 10 200 oczyszczalni ścieków funkcjonujących w Niemczech zużywa łącznie około 4400 gigawatogodzin (GWh) energii elektrycznej rocznie. Odpowiada to zużyciu jednostkowemu wynoszącemu 35 kWh na równoważną liczbę mieszkańców rocznie. Dlatego też oczyszczalnie ścieków w dalszym ciągu wykorzystują około 0,7% energii zużywanej w całych Niemczech.
Okazuje się, że głównym obszarem zużycia w prawie wszystkich oczyszczalniach ścieków wykorzystujących procesy osadowe jest zdecydowanie napowietrzanie. Tlenowa stabilizacja osadów zużywa od 60% do 80% całej energii zakładu, a w przypadku instalacji z fermentacją osadów odsetek ten wynosi około 50%. Ponadto są też inne obszary konsumpcji energii, nie tak znaczące jak proces osadowy. Główne obszary konsumpcji energii w skrócie:
Spojrzenie na średnie zużycie energii w tych zakładach pokazuje, że największy potencjał ograniczenia zużycia energii leży w napowietrzaniu reaktorów biologicznych oraz w pracujących ciągle przepompowniach w obszarze wlotowym, pośrednim urządzeniu podnoszącym i cyrkulacji wewnętrznej. Najważniejszą rolę odgrywa napowietrzanie reaktorów biologicznych, dlatego też ten aspekt zostanie szczegółowo omówiony w dalszej części.
Zużycie energii w centrum uwagi: dalsze działania zwiększające efektywność
Zwiększanie efektywności energetycznej zbiorników napowietrzających i wykorzystanie osadów lub gazów fermentacyjnych do wytwarzania energii i ciepła nie są jedynymi środkami do uzdatniania wody w przyszłości. Dodatkowy potencjał stanowi na przykład włączenie energii odnawialnych do systemów energetycznych oczyszczalni ścieków.
Na terenie oczyszczalni ścieków można np. zainstalować ogniwa słoneczne lub turbiny wiatrowe, co jeszcze bardziej poprawi stosunek energii wyprodukowanej do całkowitego zużycia energii. Należy oczywiście pamiętać, że działania te podlegają takim samym ograniczeniom, jak w innych lokalizacjach, a opłacalność inwestycji uzależniona jest od panujących warunków, takich jak lokalne warunki nasłonecznienia i wiatru. Chociaż wykorzystanie kolektorów słonecznych do wytwarzania ciepła również jest niezwykle interesujące, zwłaszcza w przypadku zakładów bez fermentacji osadów, to prawdopodobnie będzie odgrywać w przyszłości jedynie drugorzędną rolę. Instalacje opierające się na tlenowej stabilizacji osadu w okresie letnim zwykle mają nadwyżkę ciepła, co sprawia, że w przypadku tego typu oczyszczalni ścieków stosowanie takich środków staje się bezzasadne. Dalsze środki zapewniające w przyszłości efektywne energetycznie uzdatnianie wody mają na celu wykorzystanie energii hydroelektrycznej na dopływie i odpływie z oczyszczalni ścieków. Potencjał tego rozwiązania jest jednak ograniczony, ponieważ różnica wysokości jest bardzo mała, a ilość wytworzonej energii nie uzasadnia podejmowanego wysiłku i ponoszonych kosztów.
Szczególnie w przypadku większych instalacji ze spalaniem osadów zaleca się wykorzystanie materiału przesianego przez sita prętowe jako dodatkowego paliwa w celu dalszego zwiększenia efektywności energetycznej. Potencjał tego rozwiązania technologii jest ograniczony ze względu na stosowanie płuczek sit prętowych, które ograniczają ilość skratek.
Technologia napowietrzania dostosowana do zapotrzebowania: wysokowydajne rozwiązania
Jakie procesy zachodzą w reaktorze biologicznym?
Aby zrozumieć, dlaczego zbiorniki napowietrzające zużywają tak dużo energii, przyjrzyjmy się pokrótce procesom zachodzącym w instalacji oczyszczania biologicznego. 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, wchodzących w skład osadu czynnego.
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 dużej ilości tlenu bakterie szybko się namnażają, i – przy dodatkowym użyciu rozpuszczonego środka strącającego – sprzyjają wiązaniu fosforanów z osadem biologicznym. Następnie osad rozkłada się w zbiornikach wtórnych i można go z powrotem przetransportować do zbiornika napowietrzającego lub do instalacji oczyszczania osadu. Proces ten wymaga dużej ilości energii ze względu na wprowadzenie dużych ilości sprężonego powietrza.
Wyzwania i możliwości optymalizacji w technologii napowietrzania
Wyzwanie stojące przed technologią napowietrzania polega głównie na zapewnieniu dostarczania powietrza w ilości odpowiedniej do zapotrzebowania, z uwzględnieniem dużych wahań profili obciążenia i zmiennego poziomu zanieczyszczeń. Starsze oczyszczalnie ścieków są często wyposażone w typy dmuchaw, które zawsze dostarczają tę samą ilość tlenu, niezależnie od zapotrzebowania – chociaż nie zawsze jest to konieczne. Wyzwaniem jest zatem z jednej strony wdrożenie napowietrzania dopasowanego do zapotrzebowania, 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 reprezentujących jedną lub kilka technologii, stosowanych w zależności od indywidualnych wymagań danej oczyszczalni ścieków. Takie podejście pozwala osiągnąć maksymalną efektywność i w pełni wykorzystać potencjał oszczędności.
Produkty te obejmują turbodmuchawy, dmuchawy wyporowe i sprężarki rotacyjne lobowe. Korzyść jest oczywista: Każda z tych technologii ma wyjątkowe zalety i mocne strony, które można dostosować do indywidualnych wymagań. Przykładowo, turbodmuchawy są z założenia imponująco energooszczędne, a urządzenia z tłokiem obrotowym wyróżniają się szerokim zakresem regulacji i niemal niezmienną wydajnością w zakresie częściowego obciążenia. Sprężarka rotacyjna lobowa, jako hybryda, łączy w sobie zalety technologii dmuchawy i sprężarki w jednym urządzeniu. W zależności od zastosowania zaleca się kombinację różnych technologii lub wybór jednej technologii, najbardziej wydajnej w danym przypadku. Jednocześnie możliwe jest instalowanie nie tylko różnych technologii, ale także różnych rozmiarów urządzeń. Dodatkowy potencjał oszczędności można uzyskać łącząc powyższe podejście z inteligentnym globalnym systemem sterowania.
