Wrocław jako oczyszczalnia zero?energetyczna - Eko-DOk

zero-energetyczna oczyszczalnia, oszczędzanie energii,
oczyszczanie ścieków, optymalizacja
Mateusz MUSZYŃSKI-HUHAJŁO*
WROCŁAW JAKO OCZYSZCZALNIA ZEROENERGETYCZNA – SFERA MARZEŃ CZY REALNA
ALTERNATYWA?
Oczyszczalnie ścieków jako niezbędne elementy, działające w służbie całemu społeczeństwu są dużymi konsumentami energii z wielkimi możliwościami jej oszczędzania i ograniczania zużycia. Istniejące za granicą zero energetyczne oczyszczalnie dają podstawy do dyskusji nad podobnymi rozwiązaniami w Polsce. Wzrost populacji, coraz wyższe wymagania dotyczące oczyszczonych ścieków
oraz rosnące problemy z dostępem do wody stawiają coraz wyższe wymagania wobec oczyszczalni
co nieuchronnie spowoduje wzrost zapotrzebowania na energię. Istnieje wiele różnych rozwiązań
technologicznych oraz konfiguracji urządzeń oczyszczających ścieki, co decyduje o tym, że zapotrzebowanie energetyczne każdego zakładu oczyszczania ścieków jest jego indywidualną cechą. Poniższa
praca przedstawia, oparte na literaturze dotyczącej podobnych problemów z innych zakładów, rozważania nad możliwościami oszczędzania energii na Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków „Janówek” na
etapie biologicznego oczyszczania oraz możliwościami zwiększenia produkcji energii przy wykorzystaniu ścieków dopływających do oczyszczalni.
1. WSTĘP
W dzisiejszych czasach ogólnoświatowym trendem w każdej dziedzinie życia jest dążenie do energooszczędności. Zjawisko to jest związane z wyczerpującymi się zasobami
paliw kopalnych i wzrostem świadomości obywateli dotyczącej konieczności racjonalizacji zużycia energii. W krajach rozwiniętych zapotrzebowanie na energię oscyluję wokół
wartości 6 kW/osobę z czego jedynie 0,15 kW przeznaczone jest na oczyszczanie ścieków
[7]. Oczywiste jest więc, że stworzenie samowystarczalnych energetycznie oczyszczalni
ścieków nie będzie lekarstwem na światowe problemy, jednak jedynie działania mające na
__________
* Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej, Wybrzeże S. Wyspiańskiego
27, 50-370 Wrocław, [email protected]
440
M. MUSZYŃSKI-HUHAJŁO
celu optymalizację zużycia w każdej dziedzinie życia pozwolą na osiągnięcie globalnych
celów. Oszczędzanie energii nigdy nie będzie również nadrzędnym celem w dziedzinie
oczyszczania ścieków, istnieje jednak wiele możliwości zmniejszenia energochłonności
bez negatywnego wpływu na jakość ścieków oczyszczonych. W pracy wybrano Wrocławską Oczyszczalnię Ścieków (WOŚ), która jest jednym z największych tego typu zakładów
w Polsce i ciągła optymalizacja jej pracy musi być prowadzona ze względu na ogromne
nakłady finansowe przeznaczane na funkcjonowanie, a w dobie kryzysu i stagnacji gospodarczej wszelkie oszczędności przybierają na znaczeniu. Dodatkowo tak duży i nowoczesny zakład posiada szereg realnych możliwości ograniczenia swoich wydatków energetycznych, dlatego analizowane w pracy rozwiązania stanowią realną alternatywę/wsparcie
dla obecnie stosowanych rozwiązań.
2. CHARAKTERYSTYKA WOŚ
2.1. ZUŻYCIE ENERGII NA OCZYSZCZALNI
Dobowe zapotrzebowanie na energię elektryczną WOŚ kształtuje się w granicach
53 MWh. Rozkład energii na poszczególne urządzenia i instalacje ciągu technologicznego jest zgodny z charakterystyką oczyszczalni o podobnej przepustowości i technologii: 60% na napowietrzanie, 12% na Wydzielone Komory Fermentacyjne (WKF),
10% na pompowanie ścieków i recyrkulacje, 7% na oświetlenie i inne, 6% zużywają
prasy i zagęszczacze osadów, natomiast 5% na oczyszczanie w części mechanicznej.
Szczytowe zapotrzebowanie na energię cieplną to 70MWh/d, na co składa się:
25 MWh/d na ogrzewanie budynków oraz ciepło niezbędne dla fermentacji
w WKF – 45 MWh/d. Niedawno wybudowana i obecnie będąca w fazie rozruchu
suszarnia osadów wymaga 160 MWh/d energii potrzebnej na odparowanie wody
z odwodnionego osadu, z czego około 100 MWh/d będzie odzyskiwanych. Maksymalne dobowe zapotrzebowanie całego zakładu na energię elektryczną oraz cieplną
wynosi około 180 MWh/d.
2.2 UKŁAD TECHNOLOGICZNY
WOŚ to uruchomiony w 2001 roku obiekt stosujący metodę oczyszczania ścieków
przy pomocy osadu czynnego. Po wstępnym podczyszczeniu w części mechanicznej
(kraty, piaskowniki, osadniki wstępne) ścieki przepływają do części biologicznej składającej się kolejno z komory denitryfikacji osadu, anaerobowej, anoksycznej, dwóch
komór denit/nit i tłokowej komory tlenowej wyposażonej w napowietrzanie drobnopęcherzykowe. Ostatnim elementem ciągu ściekowego jest sedymentacja wtórna po
Wrocław jako oczyszczalnia zero-energetyczna – sfera marzeń czy realna alternatywa?
441
reaktorze biologicznym. Osad wstępny oraz nadmierny po odpowiedniej obróbce (zagęszczeniu, odwodnieniu) kierowane są do zamkniętych komór fermentacyjnych,
gdzie prowadzona jest fermentacja mezofilowa i w efekcie produkowany jest gaz fermentacyjny zawierający metan. Gaz fermentacyjny utylizowany jest w generatorach
CHP, a powstała energia wykorzystywana jest na potrzeby WOŚ. Pod koniec 2012
roku zakończono modernizację, w wyniku której maksymalny przepływ dobowy
zwiększył się do 140 000 m3/d oraz uruchomiono suszarnię osadu przefermentowanego.
2.3 CHARAKTERYSTYKA OCZYSZCZANYCH ŚCIEKÓW
Do WOŚ docelowo dopływał będzie ładunek wynoszący (w przeliczeniu) 1 000
000 RLM, co przekłada się na około 140 000 m3/d ścieków. Wartości stężeń zanieczyszczeń na jednego równoważnego mieszkańca prezentują się następująco: ChZT
110 g/m3; azot 11 g/m3; fosfor 2 g/m3; zawiesiny organiczne 180 g/m3; zawiesiny mineralne 50 g/m3. Energia chemiczna zawarta w dopływających na WOŚ związkach
organicznych wynosi 429 MWh/d (3,9 kWh/kg ChZT), a więc ponad 8 razy więcej niż
aktualne zapotrzebowanie na energię elektryczną WOŚ. Bilans związków organicznych dla WOŚ przedstawiono na schemacie (Rys.1).
Rys. 1 Strumienie dobowego ładunku ChZT na WOŚ (wartości w t ChZT/d).
Zgodnie z literaturą, z 1g ChZT na drodze fermentacji mezofilowej (przy standardowej instalacji) uzyskujemy 0,35 dm3N CH4, co pozwala uzyskać około 21 400 m3
CH4/d spalanego w kogeneratorach [6].
442
M. MUSZYŃSKI-HUHAJŁO
3. MOŻLIWOŚCI I KIERUNKI ROZWOJU
3.1. PRODUKCJA NITRYFIKANTÓW – PROCES „BABE”
Pierwszą możliwością poprawy bilansu energetycznego jest maksymalizacja ChZT
trafiającego do komór fermentacyjnych poprzez zmniejszenie utlenianego ładunku
ChZT w procesach biochemicznych w reaktorze biologicznym [5]. Cel ten można
osiągnąć poprzez zmniejszenie wieku osadu, co jest często niemożliwe ze względu na
potrzebę zapewnienia wydajnej nitryfikacji. Bilans azotu na oczyszczalniach ścieków
miejskich pokazuje, że znaczny ładunek azotu jest zawracany do ciągu ściekowego
w postaci odcieków pochodzących z gospodarki osadowej. Proces BABE (ang. BioAugmentation Batch Enhanced) jest jedną z form nowoczesnego zagospodarowania
takich odcieków. Technologia ta polega na produkcji bakterii nitryfikacyjnych na
strumieniu odcieków, w przeznaczonym do tego wydzielonym reaktorze wsadowym
i ich dawkowaniu do ciągu osadu czynnego. Dzięki doprowadzaniu ciepłych (>25°C)
odcieków z gospodarki osadowej, zapewnieniu odpowiedniego napowietrzania i wymieszania, uzyskuje się szybki wzrost dużej masy bakterii nitryfikacyjnych, które są
wraz z całą zawartością reaktora kierowane do ciągu ściekowego, co pozwala na
utrzymanie aktywności nitryfikacji nawet w niskich temperaturach lub obniżenie
wieku osadu przy temperaturach wyższych i intensyfikację produkcji gazu fermentacyjnego [4]. W wyniku zastosowania tego procesu, możliwe jest również ograniczenie
napowietrzania w części komory aerobowej w celu promocji denitryfikacji i zwiększenia skuteczności usuwania azotu ze ścieków. Poniżej, na Rysunku 2. zaprezentowano schemat przedstawiający działanie procesu BABE [6].
Rys. 2 Schemat instalacji i działanie układu z zastosowaniem systemu BABE
Wrocław jako oczyszczalnia zero-energetyczna – sfera marzeń czy realna alternatywa?
443
Proces ten został skutecznie wdrożony na holenderskiej oczyszczalni
s-Hertogenbosch, gdzie udowodniono możliwość zastosowania go w pełnej skali
technicznej [1]. Pozwolił on na ograniczenie ładunku azotu dopływającego do ciągu
ściekowego o 11%, jak również przyczynił się do wzrostu aktywności nitryfikacji
w bloku biologicznym o 23%, co w konsekwencji przełożyło się na obniżenie stężenia
azotu w ściekach oczyszczonych [1]. Koszt zmniejszenia dobowego ładunku azotu
w odpływie o 1 kg dzięki zastosowaniu procesu BABE był około 2,5 razy mniejszy
niż taki sam efekt osiągany przy użyciu konwencjonalnych metod.
3.2. ANAMMOX
Na początku lat 90-tych w osadzie czynnym odkryto bakterie przeprowadzające
proces beztlenowego utleniania amoniaku. Posiadają one unikatowy metabolizm,
dzięki któremu wykorzystują azot amonowy i azotyny (wytworzone w drodze częściowej nitryfikacji), które na drodze reakcji chemicznych są konwertowane do formy
azotu gazowego. Zapotrzebowanie energetyczne tego procesu jest 70% niższe, ponieważ wymagana ilość powietrza stanowi jedynie 30% w stosunku do metody konwencjonalnej, dodatkowo proces ten jest całkowicie autotroficzny [8]. Z punktu widzenia
dotychczasowej technologii opierającej się na nitryfikacji i denitryfikacji jest to więc
w dużej mierze droga „na skróty” i ogromna szansa na ograniczenie energochłonności
oczyszczalni.
Rys. 3 Usuwanie azotu na drodze tradycyjnej i w reakcji Anammox.
Niestety wysoka wrażliwość na różne czynniki oraz niewielkie szybkości przyrostu
tych bakterii obecnie uniemożliwiają całkowite zastąpienie tradycyjnych metod usuwania azotu w skali WOŚ. Możliwe jest jednak stosowanie tego procesu na odciekach
pochodzących z gospodarki osadowej (jako alternatywy dla procesu BABE). Dzięki
zastosowaniu reaktora SBR (proces DEMON), w którym podczas trwającego 8 godzin
cyklu zachodzą kolejne etapy: napełnianie, reakcja (częściowa nitryfikacja oraz beztlenowe utlenianie azotu amonowego), sedymentacja i dekantacja. Zastosowanie tego
procesu pozwoliłoby na usunięcie w bardzo opłacalny sposób praktycznie całego dobowego ładunku azotu zawracanego do ciągu ściekowego z węzła gospodarki osado-
444
M. MUSZYŃSKI-HUHAJŁO
wej. W przypadku wprowadzania tej technologii na WOŚ, dobowe zużycie energii na
usunięcie azotu zawartego w odciekach zmaleje z około 8,8 MWh do nieco ponad
3 MWh.
3.3. SYMULTANICZNA NITRYFIKACJA-DENITRYFIKACJA
Nitryfikacja i denitryfikacja to, w istniejącym na WOŚ układzie technologicznym,
fundamentalne procesy dla usuwania azotu z oczyszczanych ścieków. Zgodnie z literaturą, możliwe jest osiągnięcie stanu, w którym oba te procesy zachodzą w tym samym reaktorze i nazywane są jednoczesną lub symultaniczną nitryfikacjądenitryfikacją (SND), którą osiągamy utrzymując w komorze niskie stężenie tlenu
około 0,5g O2/m3. W takich warunkach, utlenianie azotu amonowego zachodzi na
powierzchni, natomiast denitryfikacja wewnątrz kłaczków osadu, gdzie panują warunki anoksyczne (Rysunek 4) [2]. Nitryfikacja jest procesem dwuetapowym: w pierwszej
fazie bakterie AOB (ang. ammonia-oxidizing bacteria) utleniają jony amonowe do
azotynów, natomiast faza druga polega na utlenianiu jonów azotynowych do azotanów
przez bakterie NOB (ang. nitrite-oxidizing bacteria). Kolejnym etapem przemian azotu
jest denitryfikacja. Bakterie denitryfikacyjne redukują pochodzące z nitryfikacji azotany do azotynów, by te z kolei redukować do postaci azotu atmosferycznego. Być
może możliwe jest prowadzenie procesu SND na drodze skróconej nitryfikacji/denitryfikacji, tzn. z pominięciem II fazy (Rysunek 4), poprzez stworzenie warunków ograniczających rozwój populacji bakterii NOB, przy jednoczesnym promowaniu
aktywności bakterii AOB. Cel ten można osiągnąć zapewniając w reaktorze odpowiednio krótkie cykle napowietrzania (bakterie NOB „nie nadążają” dostosowywać
swojego metabolizmu do zmiennych warunków tlenowych) [9] lub utrzymując odpowiednio niskiego stężenia tlenu (na tyle niskiego by nie dopuścić do rozwoju NOB,
które potrzebują wyższych stężeń tlenu od AOB; wartość rzędu
0,3g O2/m3).
Rys. 4 Przemiany azotu z pominięciem II fazy nitryfikacji (1) oraz schemat SND w kłaczkach osadu (2).
Dzięki zastosowaniu SND na drodze skróconej nitryfikacji/denitryfikacji zmniejszone zostaje zużycie związków organicznych o 40%, a także o 25% zmniejsza ilość
zużytego tlenu na nitryfikację. W ogólnym rozrachunku pozwoliłoby to zaoszczędzić
Wrocław jako oczyszczalnia zero-energetyczna – sfera marzeń czy realna alternatywa?
445
około 4 MWh/d energii elektrycznej. Warto wspomnieć, że implementacja tego procesu wraz z systemem BABE pozwoliłoby na osiągnięcie jeszcze lepszej skuteczności
usuwania azotu.
3.4. INNE ŹRÓDŁA ENERGII I MOŻLIWOŚCI OSZCZĘDZANIA
Napowietrzanie, jako proces stanowiący największy odsetek zużycia energii elektrycznej musi być optymalizowany. Istotne wydaje się poprawienie stopnia wykorzystania tlenu dzięki wdrożeniu metody regeneracji dyfuzorów opracowanej we współpracy z Politechniką Wrocławską, a także stworzenie wydajnego systemu sterowania
procesem napowietrzania. Dodatkowo na WOŚ znajduje się około 1,2 ha powierzchni
dachowych, które są doskonałym miejscem dla zamontowania paneli słonecznych.
Taka inwestycja pozwoliłaby na produkcje energii rzędu 1,4 MWh/d . Możliwe jest
również wykorzystanie energii kinetycznej ścieków oczyszczonych. Doskonałym
przykładem jest oczyszczalnia Dresden-Kaditz, gdzie na odpływie z oczyszczalni
zamontowano swego rodzaju elektrownię wodną napędzaną dzięki energii potencjalnej wody wynikającej z różnicy poziomów między osadnikami wtórnymi a odbiornikiem. Podobne przedsięwzięcie na WOŚ dałoby ponad 2,7 MWh produkowanej energii elektrycznej w ciągu doby.
4. PODSUMOWANIE
Rozwiązania omówione w artykule, stanowią jedynie możliwości oszczędzania czy
też produkcji energii w sposób który nie będzie wymagał drastycznej ingerencji
w istniejący układ technologiczny WOŚ. Istnieją również inne rozwiązania, wydają
się one obecnie nierealne biorąc pod uwagę ostatnią modernizację obiektu i związane
z nią koszty.
Tabela 1. Podsumowanie omówionych metod.
Rozwiązanie
Wymagania
Korzyści
BABE
reaktor do hodowli bakterii
obniżenie stężenia azotu w odpływie
taniej niż metodą konwencjonalną
Anammox
reaktor SBR do hodowli bakterii
oszczędność ok. 5 MWh/d
SND
zapewnienie odpowiednich warunków
tlenowych
oszczędność ok. 4 MWh/d
Energia wodna
budowa elektrownii wodnej
produkcja 2,7 MWh/d
Energia solarna
instalacja ogniw fotowoltanicznych
produkcja 1,4 MWh/d
446
M. MUSZYŃSKI-HUHAJŁO
Obserwując korzyści płynące z użytkowania omówionych rozwiązań na innych
oczyszczalniach, można śmiało stwierdzić, że są one do zrealizowania na dużej
oczyszczalni jaką jest WOŚ. Śledząc koszty inwestycyjne zrealizowanych projektów,
ocena kosztów implementacji tak nowoczesnych rozwiązań jest bardzo trudna i wymaga głębokiej analizy konkretnych zagadnień technicznych w warunkach WOŚ.
Niezaprzeczalnym faktem jest jednak ich skuteczność oraz wymierne korzyści (zestawione w Tabeli 1.) w postaci zwiększenia efektywności oczyszczalni przy jednoczesnym zmniejszeniu zapotrzebowania energetycznego o przynajmniej 13 MWh/d (25%
dobowego zużycia energii elektrycznej). Są to bez wątpienia pierwsze kroki jakie
należy wykonać na drodze do uzyskania pełnej niezależności energetycznej, która
w przyszłości zdaje się nieuchronną drogą rozwoju tego typu zakładów.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
HOMMEL B., van der ZANDT E., BERENDS D., CLAESSEN V.; First application of the BABE
process at ‘s-Hertogenbosch WWTP; WEFTEC, 2006, No. 6.
JU L.K., HUANG T., TRIVEDI H., Simultaneous nitrification and denitrification through
low-DO operation, WEFTEC, 2006, No. 6.
KATSOGIANNIS A.N, KORNAROS M., LYBERATOS G, Long term effect of total cycle time
and aerobic/anoxic phase ratio on nitrogen removal in sequencing batch reactor, Water Environment Research; 2002; 74, 4; pg. 324
LEU S.Y., STENSTROM M.K., Bioaugmentation to Improve Nitrification in Activated Sludge
Treatment, Water Enviroment Research, 2010, Vol. 82, No. 6, 524.
NOWAK O., KEIL S., FIMML C., Examples of energy self-sufficient municipal nutrient removal
plants, Water Science&Technology, 2011, Vol. 64, No. 2.
SALEM S., BERENDS D.H.J.G., HEIJNEN J.J., Van LOOSDRECHT M.C.M., Bio-augmentation
by nitrification with return sludge, Water Research, 2003, No. 37, 1794-1804.
SVARDAL K., KROISS H., Energy requirements for waste water treatment, Water Science&Technology, 2011, Vol. 64, No. 6.
WETT B., Development and implementation of a robust deammonification process, Water Science&Technology, 2010, Vol. 82, No. 6, 524.
ZHIGUO Y., OEHMEN A., YONGZHEN P., YONG M., KELLER J., Sludge population optimisation in biological nutrient removal wastewater treatment systems through on-line process control: a
re/view, Springer, 2008, No. 7, pg. 243-254
WROCŁAW AS AN ENERGY SELF-SUFFICIENT WWTP – DREAM OR REALITY?
Wastewater treatment plants are a small part of energy use in developed countries (2,5% of total energy usage), but nowadays, energy minimization is needed in every area of life. Wrocław WWTP is one
of the biggest wastewater treatment plants in Poland. This paper includes a short characteristic of this
facility and its capabilities of energy demand reduction such as: BABE process, Anammox process, simultaneous nitrification/denitrification, use of solar and hydro energy.