Energochłonność miejskich oczyszczalni ścieków według amerykańskich danych literaturowych

Dotychczasowe rozważania, dotyczące energochłonności miejskich oczyszczalni ścieków, bazują na rzeczywistych danych uzyskiwanych z pracujących obiektów. Dane te w większości przypadków dotyczą całkowitego zużycia energii elektrycznej w oczyszczalni, co pozwala jedynie na określenie jednostkowej mocy zainstalowanej i jednostkowego zużycia energii elektrycznej w odniesieniu do ilości oczyszczanych ścieków, liczby mieszkańców obsługiwanych przez oczyszczalnię oraz ładunku BZT₅ wprowadzanego do obiektu.

Nie podjęto jak dotychczas, działań zmierzających do określenia jednostkowego zużycia energii elektrycznej w odniesieniu do poszczególnych procesów i związanych z tym urządzeń. Dane takie można znaleźć w książce pt.: Wastewater Engineering. Treatment and Reuse, której autorami są G. Tchobanoglous, F. L. Burton i H. D. Stensel. Jest to dzieło wydawane regularnie przez wydawnictwo Metcalf and Eddy Inc. Graw Hill. Rozdział 17. tej książki poświęcony jest zagadnieniom energetycznym dotyczącym oczyszczalni ścieków uwzględniających różne procesy technologiczne.

Autorzy książki przedstawili informacje dotyczące jednostkowego zużycia energii elektrycznej w odniesieniu do różnych urządzeń występujących w oczyszczalniach ścieków o różnych układach technologicznych. Dane te obejmują wskaźniki zużycia energii elektrycznej odniesione do ilości oczyszczanych ścieków i podane są w przedziale minimalnej i maksymalnej wartości, bez uwzględnienia wielkości oczyszczalni mierzonej ilością ścieków poddawanych oczyszczaniu.

Podstawowe dane dotyczące jednostkowego zużycia energii elektrycznej charakteryzujące różne urządzenia stosowane w miejskich oczyszczalniach ścieków zestawiono w tabeli 1. Łatwo zauważyć, że dane te obejmują, zarówno urządzenia występujące w konwencjonalnych oczyszczalniach ścieków, jak też urządzenia, które tylko sporadycznie pojawiają się w miejskich oczyszczalniach ścieków.

Z analizy danych zestawionych w tabeli 1. wynika, że podstawowe urządzenia mające istotny wpływ na energochłonność oczyszczalni ścieków, to reaktory biologiczne, reaktory membranowe, komory stabilizacji tlenowej oraz urządzenia do realizacji procesu odwróconej osmozy, bądź elektrodializy.

Biorąc pod uwagę dane przedstawione w tab. 1, na rys. 1 przedstawiono wyniki rozważań dotyczących miejskich oczyszczalni ścieków, w których zastosowana byłaby technologia osadu czynnego z usuwaniem tylko związków węgla organicznego oraz stabilizacja tlenowa osadu nadmiernego.

Przeprowadzone obliczenia wykazały, że jednostkowe zużycie energii elektrycznej w takich oczyszczalniach, kształtować się powinno w przedziale od 0,32 do 0,55 kWh/m³. Analizując strukturę zużycia energii elektrycznej łatwo zauważyć, że dominantą są reaktory z osadem czynnym, których udział w ogólnym zużyciu energii elektrycznej zawiera się w przedziale od 43,5 do 25,3% oraz komory tlenowej stabilizacji osadu, których udział to przedział od ok. 40 do ok. 58%. Już te dane świadczą o tym, że proces stabilizacji tlenowej osadu nadmiernego powinien być stosowany w przypadkach uzasadnionych technologicznie.

Na rys. 2 przedstawiono wyniki rozważań odniesione do miejskich oczyszczalni ścieków pracujących z zastosowaniem technologii osadu czynnego z usuwaniem związków węgla organicznego, azotu i fosforu oraz, tak jak poprzednio, tlenowej stabilizacji nadmiernego osadu czynnego. Analizując jednostkowe zużycie energii elektrycznej można zauważyć, że zużycie jednostkowe, to przedział od 0,41 do 0,64 kWh/m³. Są to wartości o ok. 20% wyższe niż w przypadku, gdy nie jest wymagane usuwanie azotu i fosforu.

Można zauważyć, jak poprzednio, że o zużyciu energii elektrycznej decydują reaktory biologiczne, których udział wynosi od ok. 56 do ok. 36%, jak też komory stabilizacji tlenowej, których udział zawiera się w przedziale od ok. 32 do ponad 50% ogólnego zużycia energii elektrycznej.

Wyniki obliczeń pokazane na rys. 1 i 2 wskazują na to, że oszczędności związane ze zużyciem energii elektrycznej dotyczą reaktorów biologicznych i sposobu stabilizacji nadmiernego osadu czynnego. Wysoka energochłonność procesu stabilizacji tlenowej osadu związana jest z koniecznością zastosowania reaktorów gwarantujących czas stabilizacji w zakresie od 20 do 30 dni oraz ciągłe podawanie tlenu i utrzymanie jego stężenia na poziomie nie niższym od 2 g O₂/m³.

Stosując zamiast stabilizacji tlenowej stabilizację mezofilową w wydzielonych komorach fermentacji można istotnie zmniejszyć zużycie energii elektrycznej, co pokazano na rys. 3. Wówczas to jednostkowe zużycie energii elektrycznej wahać się będzie w przedziale od 0,38 do 0,48 kWh/m³ i stanowić będzie ok. 80% zużycia energii przy zastosowaniu stabilizacji tlenowej.

W analizowanym rozwiązaniu technologicznym o zużyciu energii elektrycznej w największym stopniu decydują reaktory biologiczne przeznaczone do usuwania węgla organicznego, azotu i fosforu. Ich udział w zużyciu energii elektrycznej stanowi od ponad 61 do blisko 48% ogólnego zużycia energii elektrycznej. Udział procesu mezofilowej stabilizacji osadu ulega wówczas obniżeniu do poziomu od ok. 25 do ok. 33% ogólnego zużycia energii.

Podsumowując wyniki rozważań bazujących na danych pochodzących z amerykańskiego źródła literaturowego, można zwrócić uwagę, że oprócz rozważań o charakterze techniczno-ekonomicznym, należy bezwzględnie brać pod uwagę wyniki rozważań związanych ze spodziewanym zużyciem energii elektrycznej. Interesujące jest też spostrzeżenie, że według danych amerykańskich, maksymalne jednostkowe zużycie energii elektrycznej wynosi 0,64 kWh/m³, natomiast według danych krajowych średni wskaźnik ten wynosi 0,84 kWh/m³, przy czym ten drugi związany jest z całkowitym zużyciem energii elektrycznej w obiekcie, tzn. obejmuje również zużycie energii w pomieszczeniach socjalnych, oświetlenie terenu i inne niezbędne potrzeby zapewniające prawidłowe funkcjonowanie obiektu.

Jakub Wróblewski, Zbigniew Heidrich
Politechnika Warszawska, Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska

Źródło: Forum Eksploatatora 2/2019