A szennyvíztisztítás energiahatékonysága Energy efficiency of the municipal sewage treatment
Bányai Zsuzsanna, Fazekas Bence, Pitás Viktória, Kárpáti Árpád, Környezetmérnöki Intézet Pannon Egyetem, 8200 Egyetem u. 10 Summary Some Hungarian wastewater treatment plants heaving operational capacities >6000m3/d municipal wastewater purification and anaerobic sludge digestion provided the data for the evaluation. The specific electric energy consumption of these plants was less than 0,75 kWh/m3 treated wastewater. More than half of this figure (6065%) was used of the oxygen supply (fine bubble aeration), thus saving of the aeration can result the highest decrease of the electricity demand. The pumping and the mixing requires nearly the same amount of energy (0,045-0,14 kWh/m3, 0,04-0,08 kWh/m3) depending on the type if mixers used. The anaerobic excess sludge digestion and biogas utilization for electricity generation can improve the energy balance of the plants. In average approximately 40-50% of the total energy consumed can be covered from the energy of the biogas. Increase of the biogas yield (generated electricity) and the decrease of the energy demand can improve the energy balance of the plants. Minimization of the energy input can consequently be met on two ways: mainly with digesting more sludge (or other biodegradable wastes), or improving the efficiency of the appliances of fluid and air mixing and transport. More efficient aeration/mixing systems can be used for the purpose. Separate N removal from sludge liqueur can also decrease oxygen requirement and increase the methane yield. The amount of sludge for digestion can be increased either inside the plant or with transportation of raw material for that from outside. Néhány anaerob iszaprothasztóval rendelkező, >6000 m3/d hidraulikus terheléssel működő szennyvíztisztító üzemelési tapasztalatait próbálja az anyag összegezni. Az összegyűjtött adatokból a szennyvíztisztítás energiafelhasználására vonatkozó információkat nyertünk és rávilágítottunk az üzemen belül a legnagyobb fogyasztókra. A tisztítás során alkalmazott rendszerek/technológiák folyamatos fejlődésének eredményeként egyes területeken lehetőség van a felhasznált villamos és a hőenergia csökkentésre. Az újszerű megoldások eredményeként mindemellett az iszaprothasztás során nyert biogáz mennyisége is növelhető. Ez a telepek energiamérlegének további javulását eredményezi. Eredményeink szerint a tisztítás villamos energia költségének mintegy 60-65%-át a levegőztetés teszi ki, így az itt elért megtakarítások jelentkeznek a legnagyobb hatással a tisztítás teljes energiafelhasználásában. Nagy megtakarítást jelentenek a biotechnológiai fejlesztések is, mely esetén az anaerob rothasztó iszapvizének szeparált, nitriten keresztül történő kezelése, valamint rothasztásra kerülő iszap előzetes ultrahangos kezelése.
Bevezetés
Szennyvíztelepek energiaigénye
Az energiaárak növekedésével és a környezetvédelmi célok előtérbe kerülésével párhuzamosan napjaink ipari technológiáiban kiemelkedő szerep jut az energiafelhasználás csökkentésének, racionalizálásának. Nincs ez máshogy az egyik legnagyobb iparosított biotechnológiai ágazatban, a szennyvíztisztításban sem. Cikkünknek egy a szennyvíztisztítók által kitöltött kérdőív adott alapot, mely a tisztítók energiafelhasználásáról és a biogáz hasznosításának lehetőségeiről kérdezett. A vizsgált telepek többsége 6000 – 12000 m3 /nap terhelésűek és anaerob iszaprothasztóval is rendelkeznek.
Az üzemi tapasztalat az, hogy a tisztítást megvalósító berendezések energiaigénye az év teljes időszakában gyakorlatilag állandó, azonban a szociális épületek, illetve a rothasztó fűtési igénye (ahol van iszaprothasztó) csak a hidegebb hónapokban jelentkezik. Ez az energiaigény azonban egyáltalán nem hanyagolható el. A szennyvíztelepek az energiaigényüket több forrásból fedezhetik. A magyarországi szennyvíztisztító telepek legnagyobb hányada a villamos, illetve gázhálózatra csatlakozva fedezi energiaigényét, egyes esetekben pedig megújuló energiákat is felhasználnak.
1
Villamos energia A villamos energiát főként a szennyvíztelepi elektromos berendezések működtetéséhez használják fel. A legnagyobb felhasználást jellemzően a levegőztetési igény jelenti. A levegőigény mértékét legfőképpen a nyers szennyvíz paraméterei és a tisztítási technológia, valamint az elvárt tisztítási hatásfok befolyásolja. A levegőztető rendszerek általában 1,5-2,5 kg O2/kWh fajlagos hatásfokkal képesek az oxigén bevitelére, de már léteznek olyan megoldások is melyek esetében 5-6 kg O2/kWh-val számolhatunk [1, 2]. Egy, a hazai viszonyok között jellemző összetételű szennyvíznél, ha hagyományosan tervezett A2/O technológiát alkalmaznak, akkor az eleveniszapos rendszer biológiai átalakításainak oxigénigénye 0,35-0,45 kWh/m3 nyers szennyvíz körül változik. Az oxigénbevitel igényt ugyanakkor a levegőztető rendszer kialakítása, és a levegő beoldódásának a hatásfoka is nagyban befolyásolja, amiért is a levegőbevitel energiaigénye a tisztításnál a legnagyobb részarányú. A levegőztetés villamos energia igénye így mintegy 55-65 % között alakul az összes villamos energia felhasználáshoz képest. Másik nagy energiafogyasztó a keverés. Erre főként az anaerob, anoxikus medencékben, valamint az iszaprothasztásnál van szükség. Villamos energia fogyasztása a szennyvíz vonalon főleg a kevert reaktortér hányadtól (szennyvíz mennyiségétől függő anaerob és anoxikus térfogathányad) és a keverés típusától függ. Az utóbbiak 2-8 W/m3 reaktortér elektromos áramfelvétel igénnyel működnek. Az ebből származó villamos energiafogyasztás széles tartományban mozog, átlagosan mintegy 0,015-0,06 kWh/m3 szennyvíz értékre adódik (HRTbiol 1 nap, 30%-os kevert reaktortérfogat-arány). Mindez az eleveniszapos terek és az anaerob iszaprothasztás összes villamos energia felhasználásnak körülbelül 2-9%-át jelenti. Az anaerob rothasztásnál a keverés további, mintegy 0,03-0,08 kWh/m3 nyers szennyvíz villamos energia igényt jelent (HRTroth 30 nap). Ezzel az értékkel megnövekedett keverés villamos
energia igénye, így a teljes villamos energia igénynek mintegy 5-15%-a. Szintén nagy villamos energia fogyasztó csoport a telepen belül üzemeltetett szivattyúk és átemelők. Ez egy hagyományos kialakítású telep esetén mintegy 0,04-0,08 kWh/m3 nyers szennyvíznek adódik, amely így mintegy 8-15%-át teszi ki a telep teljes villamos energia igényének. Az előbbieken túl az ülepítők, iszapsűrítők, víztelenítők üzemeltetése, a szabályzás (műszerek beavatkozók) energia felhasználása, valamint a létesítmények világítása során felhasznált energia további, igen változó mértékű villamos energiaigényt jelent. Egy telepen a melegebb hónapokban csak a rothasztónak van fűtési igénye. Ekkor tehát a többi fogyasztó kizárólagosan villamos energiát használ. A hidegebb időszakokban viszont jelentkezik a fűtési igény, ami a gyakorlatban azt jeleni, hogy télen a telep üzemeltetésének a villamos energia igénye a telep teljes energiaigényének csak mintegy a 60-65%-a. Gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy egy lakossági szennyvíztisztítónak, ahol KOI eltávolítás és nitrifikáció/denitrifikáció is történik, az összes villamos energia igénye 0,45-0,75 kWh/m3 nyers szennyvíz körül alakul. Ennek az energiaigénynek a 55-65%-a levegőztetésre fordítódik, további 5-15 %-ot jelent a keverés, valamint hasonló nagyságrendet a szivattyúk, átemelők üzemeltetése (8-15%) is. Hőenergia A legtöbb telepen vezetékes fölgázt használnak a hőenergia igény fedezésére. Olyan telepeken, ahol anaerob iszaprothasztás nem történik, ott a hőenergia igény csak a szociális/ipari épületek fűtési igényét jelenti Azonban az anaerob rothasztóval is rendelkező telepeken a hidegebb hónapokban a rothasztó tornyok fűtése is jelentős tétel. A rothasztás során keletkező biogáz, annak kazánokban történő elégetésével, illetve gázmotorokban történő hasznosításával és a motor
2
hűtéséből származó hővel a hőenergia igény csaknem minden esetben 100%-ban kielégíthető. A hőenergia igény főleg a külső hőmérséklettől függ. Elmondható, hogy többnyire október végétől április elejéig szükséges a szociális/ipari épületek fűtése, míg a rothasztó is ekkor igényel jelentősebb fűtést. A többi hónapban fűtőhőt csak a rothasztás igényel, az is lényegesen kisebb mennyiségben. Gyakorlati tapasztalatok szerint, az olyan telepeken, ahol iszaprothasztás is történik, a fűtési hónapokban a hőenergia igény körülbelül 0,47 kWh/m3 tisztított szennyvíz, ami az összes energiaigény 35- 42%-a. Nyáron értelemszerűen ez csaknem nulla, hacsak nem használják fel a termelődő hőenergiát iszapszárításra. Megújuló energia A hagyományos értelemben vett megújuló energia igény a telepek kialakításából adódóan a legtöbb esetben közvetlenül nem jelentkezik. Ezeket az energiákat arra használhatják fel, hogy villamos és/vagy hőenergiát állítsanak belőlük elő. Megújuló energiaforrás, amely rendelkezésre állhat, az iszaprothasztás során keletkező biogáz. A biogáz kazánban történő égetésekor hőenergiát, gázmotorban való felhasználásakor, pedig villamos valamint a motor hűtéséből pedig hőenergiát nyernek. Mindezek hasznosítása a hőenergiánál a már említett vonalakon, a villamos energiánál pedig a levegőztetés energiaigényének a kiváltásával a külső energiaigény csökkentése érdekében történik. Hazánkban egyetlen olyan szennyvíztisztító működik, ahol a legnagyobb mennyiségben rendelkezésre álló megújuló energiát, a napenergiát hasznosítják a víztelenített iszap szárításához (szolár-szárítás). Ahol ilyen rendszer üzemel, az iszapszárítás technológia tervezésének ez az energiaigény a kulcsparamétere. Napenergia szárításhoz való használatának legnagyobb hátránya, hogy a téli időszakban segéd hőforrásra van szükség. Ezt a hazánkban üzemelő egyetlen szolár szárítóban eddig nem oldották meg az említett fűtőhő hasznosításával. A gyakorlatban a felhasznált napenergia mennyisége egy szolár-
szárítóban 0,21-0,34 kWh/m3 tisztítandó szennyvíz folyamatos iszapszárítást tervezve. Ekkora hőmennyiség azonban nyáron csak a Nap sugárzásának az energiájából is rendelkezésre áll. Ennek megfelelően jól tervezett szolár–szárítókban jó üzemeltetés mellett a nyári időszakban akár 6070 % szárazanyag tartalom is könnyedén elérhető [3]. Más kérdés, hogy a hivatkozott hazai üzemben a télen keletkező iszapmennyiséget is nyáron kell leszárítani, ami végül is kisebb átlagos szárazanyag tartalom elérését teszi csak lehetővé. Szennyvíztelepek energiatermelése A szennyvíztisztító telepeknek elvben számos lehetőségük van energia termelésre, energia visszanyerésre a szennyvízben levő szerves anyag energiájának a hasznosításával. Ez a gyakorlatban az anaerob iszaprothasztás során nyerhető biogáz hasznosítását (villamos és/vagy hőenergia) jelenti. A biogáz mennyisége és minősége nagyban függ a rothasztásra feladott iszap mennyiségétől és minőségétől, valamint a rothasztás körülményeitől, szabályozásától. A keletkező biogáz fűtőértéke a metántartalomtól függően (50 - 60 v/v %) 22 – 23 MJ/m3 körüli. Viszonylagosan nagy fűtőértéke révén alkalmas kazánokban, gázmotorokban való elégetésre, hasznosításra. A szakirodalom szerint 1 kg rothasztóban eltávolított KOI-ból 0,35-0,38 Nm3CH4 keletkezik (vegyes szennyvíziszap esetén) [4]. A saját gyakorlati tapasztalatainkat is figyelembe véve így mintegy 0,65-1,0 kWh/m3 nyers szennyvíz nyerhető vissza az iszap rothasztásával, ami természetesen átalakítási veszteségek nélkül értendő. Villamos energia Egy átlagos szennyvízminőséget véve példaként, a fentiek alapján kiszámolható, hogy 0,2-0,4 kWh/m3 tisztított szennyvíz mennyiségű energia állítható elő így, ha a rothasztási hatásfokot 50 %-osnak (az iszap szerves anyag tartalmára számolva), a gázmotor villamos hatásfokát pedig 40 %-osnak tekintjük. Az elméleti számításokkal
3
nyerhető adatokat a gyakorlati tapasztalataink is alátámasztják, melyek szerint 1 m3 szennyvízből 0,3-0,4 kWh állítható elő. Ez azt jelenti, hogy a szükséges villamos energia 40-50 %-ának előállítása lehetséges a tisztítás során keletkező szennyvíziszap anaerob rothasztásakor nyert biogáz gázmotoron történő hasznosításakor. Ez teljes mértékben fedezheti a levegőztetés energiaigényét. Az emellett keletkező hőenergia 100 %-ban fedezi a téli időszakban is az épületek és a rothasztó tornyok fűtésigényét. Hőenergia Fűtőhő a biogáz hasznosításával nyerhető. Hőenergia keletkezik a közvetlen elégetéskor, valamint a gázmotor hűtésekor is. Az olyan gázmotorok, melyekkel villamos energiát állítanak elő, és a hűtésük, hűtővizük gyűjtése megoldott, 8593 %-os energiahatékonysággal is működhetnek. Ebből a villamos energia 40%, a hőenergia pedig akár 53% is lehet. Ez azt jelenti, hogy 0,34-0,6 kWh/m3 szennyvíz hőenergia keletkezik. A biogázkazánok hatásfoka ennél nagyobb, elérheti a 95 %-ot is,. Ez 0,9-0,96 kWh/m3 szennyvíz értéket jelent. A hőenergia igény kazán használatakor is teljesen fedezhető, hátránya viszont, hogy az villamos energia termeléssel nem jár. Ilyenkor a melegebb időszakokban a felesleges gázmennyiség hasznosítás nélkül elfáklyázásra kerül, nagy veszteséget okozva ezzel a telepi energiamérlegben. Energiafelhasználás csökkentése/racionalizálása Az utóbbi néhány évtizedben az energiaárak növekedése arra kényszerítette a szennyvíztisztítókat, hogy optimalizálják energiafelhasználásukat. Egyik lehetőségük, hogy csökkentik a felhasználásokat technológiai átalakításokkal. A másik, hogy kiváltják külső energiafogyasztásuk egy részét megújuló energiák használatával. A technikai fejlődésnek köszönhetően valamennyi részművelet, berendezés energiafogyasztása egyre csökken. Mára már lehetőség van olyan levegőztetők, szivattyúk és
keverők beépítésére, melyeknek a fajlagos energiafogyasztása a régebbiekénél lényegesen kisebb. Ezekkel egy felújítást követően a telep energiafelhasználása is lényegesen csökkenthető. A villamos energia igényt, mint bemutattuk, főként a levegőztetés, a szivattyúk és a keverők fogyasztása határozza meg. Egy levegőztető rendszer fogyasztása széles skálán mozoghat. Egy 1,8 kg O2/kWh fogyasztással rendelkező levegőztető 0,45 kWh/m3 nyers szennyvíz energiafogyasztással rendelkezik, míg egy 4,5 kg O2/kWh levegőztető ezzel szemben 0,17 kWh/m3 nyers szennyvíz energiafelhasználást jelent [1, 2]. A finom buborékos levegőztetés teljesítménye mindenképpen kisebb, mint egy durva buborékos rendszeré, ezért finom buborékos levegőztetők használata mindenképpen csökkenti a villamos energia fogyasztást. A keverők helyes megválasztása szintén nagy energia megtakarítással járhat. A telepeken – főként az áruk miatt – a 8 W/m3 reaktor térfogat teljesítménnyel rendelkező banán-keverők terjedtek el. Ma már lehet olyan keverőket is beépíteni, melyeknél ez az érték 2 W/m3 reaktor térfogat. Ilyen keverőket építettek be a három évvel ezelőtt indított, kibővített bécsi szennyvíztisztító telepen a rekonstrukció során. A régi keverőknél 0,06 kWh/m3 nyers szennyvíz, a másodikban pedig 0,015 kWh/m3 nyers szennyvíz a fajlagos fogyasztás, vagy keverési energiaigény. A szivattyúk korszerűsítésével szintén jelentős energia megtakarítás érhető el. A legnagyobb fogyasztást a szivattyúzásnál a beérkezett szennyvíz felemelése jelenti. Ennél lehet a szivattyú helyes megválasztása a legtöbbet megtakarítani. Talán az egyik legolcsóbb megoldás ebben az esetben egy Archimedesi-csiga (csigás emelő alkalmazása), aminek legkisebb a fajlagos energiaigénye. Az iszap és belső recirkuláció tervezésénél törekedni kell a minimális emelőmagasságok elérésére, ami szintén komoly, de az előzőnél már csak kisebb energia megtakarítást jelenthet. Egy telepeken nemcsak a jó energiahasznosítású berendezések megválasztása hat pozitívan az energiamérlegre. Nemcsak a megtakarítások
4
jelentenek energianyereséget, hanem a termelhető energia mennyisége is meghatározó. Hazánkban a szennyvíztisztító telepek esetében csak a biogáz termeléséről beszélhetünk, mint energiatermelésről. A biogázból nyerhető energia növelésére több lehetőség is van. Egyik lehetőség, hogy növeljük a szennyvízmennyiségre számítható fajlagos biogáz hozamot. Ezt tehetjük úgy is, hogy növeljük a rothasztásra feladott iszap fajlagos mennyiségét. Tehetjük ezt belső forrásból, de elérhetjük külső, főként élelmiszeriparból származó koncentrált technológiai folyadékok, iszapok beszállításával is. Az első a szerves anyag oxidációja mértékének, valamint a denitrifikációra felhasznált szerves anyag mennyiségének a csökkentésével lehetséges. Mindegyik a szennyvíz tisztítási technológiájának a részleges változtatását igényli. A primer iszapok fajlagos biogáz hozama nagyobb mint a szekunder iszapé. Mennyiségét tehát növelni célszerű. Korlátot szab azonban ennek a főágon történő denitrifikáció szerves tápanyag igénye. Ez a korlát tolható ki jelentősen, ha az iszapvíz ammónium tartalmát szeparáltan (mellékágon) alakítják nitrogénné. Ilyenkor kevesebb szerves tápanyag kell a főági denitrifikációhoz, s kisebb lesz értelemszerűen a szekunder iszaphozam is. A több primer iszapból ezzel növelhető a rothasztás metántermelése. A telepek nitrogén terhelésének a körülbelül 20 %-át a rothasztott iszap visszavezetett iszapvízének a nitrogén tartalma teszi ki. Az iszapvizet az SHARON-ANAMOX, illetve DEAMON eljárással kezelni lehet, amihez ideális az iszapvíz KOI/TKN aránya is. Ezeknél az eljárásoknál a nitrogén eltávolítása nitriten keresztül történik ammónium elektron akceptorként történő felhasználásával (autotrof átalakítás) [5-7]. Ez azt eredményezi, hogy nem kell szerves anyag a nitrátból történő redukcióhoz, ami így nem csökkenti a szerves anyag oxidációját, redukáltságának mértékét. Ez azt jelenti, hogy a főágon eltávolítandó nitrogén 20 %ának megfelelő arányban nem rontjuk a szerves anyag energiatartalmát. Tehát primer iszapként ennyivel több szerves anyag frakció távolítható el a
szennyvíz tisztításánál. A főágon a denitrifikáció mindig csak 80 % körüli, ami ugyancsak növeli a rendszer oxigénigényét a mellékági nitrogén eltávolításhoz képest, hiszen sok oxigént visz a nitrát magával a tisztított vízbe. Lehetőség van a biogáz hozam és így közvetetten a belőle nyerhető energia növelésére a rothasztásra feladott iszap ultrahangos kezelésével is. Az ultrahanggal a szennyvíziszap sejtfal anyaga és sejtközi állománya is egyaránt roncsolható, kisebb méretű, könnyebben bontható szerves anyagok keletkeznek. A rothasztóra feladott iszap ultrahangos kezelése közel 30 %-os biogáz hozam növekedést eredményez rövidebb átlagos rothasztási idő mellett, csökkentve ezzel a fajlagos rothasztó-térfogat igényt is. [8]. Irodalomjegyzék [1]http://dynamox.com/pdf/Aeration%20with%20D ynamOx.pdf [2] http://www.wastewater.com/pdf/127.pdf [3] Radács, A. – Sulák, V. – Buzsáki, K. – Nagy, E. Szennyvíziszap szárítás napenergia felhasználásával,Bakonykarszt Víz- és Csatornamű Rt., Tanulmány, Veszprém (2009) [4] Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering, 3rd Ed., ISBN 0-07-041690-7 (1991) [5] Rosenwinkel, K.H. – Cornelius, A., Deammonification in the moving-bed process for the treatment of wastewater with high ammonia content. Chem. Eng. Tech.., 28 (1) 49-52. (2005) [6] Wett, B., Development and implementation of a robust deammonification process. Wat. Sci. Tech., 56 (7):81-88. (2007) [7] Abma, W. R. – Schultz, C. E. – Mulder, J. W. van der Star, W. R. – Strous, M. - Tokutomi, T. van Loosdrecht, M. C., Full-scale granular sludge Anammox process. Wat Sci Tech., 55 (8-9) 27-33. (2007) [8] Neis, U. - Nickel, K. - Lundén, A., Improving anaerobic and aerobic degradation by ultrasonic disintegration of biomass. Journal of Environmental Science and Health Part A V. 43, 1-5. (2008)
5
