Přehled o úspoře energie a uhlíkové redukci provzdušňovacích systémů v čistírnách odpadních vod
Ke konci roku 2020 měla Čína 4 326 komunálních a vyšších čistíren odpadních vod (ČOV), které ročně upravovaly 65,59 miliardy metrů krychlových odpadních vod s roční spotřebou elektřiny 33,77 miliardy kWh, což představuje 0,45 % celkové národní spotřeby elektřiny. V roce 2020 byla jednotková spotřeba elektřiny na metr krychlový upravené vody 0,405 kWh/m³ pro ČOV zavádějící standard A nebo vyšší „Standard vypouštění znečišťujících látek pro čistírny komunálních odpadních vod“ (GB 18918-2002) a 0,375 kWh/m³ vyvinuté pro země s průměrem stupně A. Tyto hodnoty jsou výrazně vyšší, než jsou průměrné hodnoty uvedené níže. Přestože průměrná koncentrace přitékajících znečišťujících látek v čínských ČOV je nižší než 50 % ve srovnání s vyspělými zeměmi, je jednotková spotřeba elektřiny na odstraněnou znečišťující látku minimálně o 100 % vyšší. Proto v čínských ČOV zůstává značný potenciál pro úsporu energie a snížení uhlíku.
Emise uhlíku z ČOV zahrnují přímé a nepřímé emise. Podle „Technické specifikace pro nízko{1}}uhlíkové hodnocení provozu čistíren odpadních vod“ (T/CAEPI 49-2022) se přímé emise uhlíku skládají především z CH₄, N₂O a CO₂ ze spalování fosilních paliv. Nepřímé emise zahrnují emise spojené s nakupovanou elektřinou, teplem a chemikáliemi. Jak je definováno Mezivládním panelem pro změnu klimatu (IPCC), CO₂ emitovaný z procesu biologické degradace při čištění odpadních vod není zahrnut do účtování emisí uhlíku. Mezi různými uhlíkovými emisními prvky v ČOV má spotřeba elektřiny největší podíl. Jiang Fuhai et al. na základě vzorku 10 ČOV zjistili, že váha příspěvku spotřeby elektřiny k emisím uhlíku se pohybovala od 31 % do 64 %. Hu Xiang et al., analyzující 22 ČOV v povodí jezera Chaohu, uvedli, že emise uhlíku ze spotřeby elektřiny představovaly 61,55 % až 73,56 %. Čím nižší je koncentrace přítoku a čím vyšší je standard odtoku, tím vyšší je podíl přímých emisí uhlíku, zejména těch ze spotřeby elektřiny. Aerační systémy spotřebují více než 50 % celkové elektrické energie ČOV. Provozní účinnost aeračních systémů má přímý dopad na odstraňování dusíku a fosforu. Nadměrné provzdušňování vede ke zbytečné spotřebě endogenních zdrojů uhlíku v odpadní vodě, snižuje účinnost biologického odstraňování dusíku a fosforu, čímž se zvyšuje dávkování externích zdrojů uhlíku a chemikálií na odstraňování fosforu, což zase zvyšuje emise uhlíku ze spotřeby chemikálií. V důsledku toho je úspora energie v aeračních systémech klíčem ke snížení uhlíku v ČOV, takže výzkum technologií pro úsporu energie v aeračních systémech je velmi významný.
1. Důvody vysoké spotřeby energie v aeračních systémech čínských ČOV
1.1 Skutečné zatížení je nižší než návrhové zatížení
Nízká zátěž přítoku zahrnuje jak nízký průtok, tak nízkou koncentraci znečišťujících látek. Je to primární příčina nadměrného provzdušňování. Nadměrné provzdušňování nejen zvyšuje spotřebu elektřiny, ale také nadměrně vyčerpává endogenní zdroje uhlíku v odpadní vodě a zvyšuje koncentrace rozpuštěného kyslíku v anaerobních a anoxických nádržích, což zhoršuje odstraňování dusíku a fosforu. To vyžaduje zvýšené dávkování zdrojů uhlíku a chemikálií na odstraňování fosforu, což zvyšuje související emise uhlíku.
1.1.1 Nízký průtok
Obvykle v prvních letech po výstavbě ČOV přítok často nedosáhne projektované kapacity z důvodu zaostávajícího městského rozvoje nebo výstavby kanalizační sítě. Kromě toho v oblastech s kombinovaným kanalizačním systémem nebo regionech se silným promícháváním dešťové vody a splašků je průtok za suchého-počasí výrazně nižší než průtok za vlhkého-počasí, což má za následek velké výkyvy průtoku. To vyžaduje přesnější regulaci a kontrolu rychlosti provzdušňování; jinak je běžné-provzdušňování během období nízkého-průtoku, což ovlivňuje účinnost odstraňování uhlíku, dusíku a fosforu a zvyšuje spotřebu elektřiny i chemikálií.Obrázek 1ukazuje rozdíly v objemu čištění odpadních vod ve městě Changsha mezi obdobím sucha a období dešťů. Objem ošetření za mokra-je o 30–40 % vyšší než v období sucha. Sezónní výkyvy v objemu ošetření vyžadují přesnější řízení aeračního systému.
1.1.2 Nízká koncentrace přítoku
Skutečné koncentrace znečišťujících látek v čínských komunálních ČOV jsou obecně mnohem nižší než projektované hodnoty. Při návrhu ČOV je kvalita přítoku obvykle založena na středně-až{2}}dlouhodobých-projekcích s kompletními kanalizačními sítěmi. Podle „Standardu pro navrhování venkovního inženýrství odpadních vod“ (GB 50014-2021) je pětidenní biochemická spotřeba kyslíku (BSK₅) pro domácí odpadní vodu vypočítána na 40–60 g/(osoba·d), obvykle 40 g/(osoba·d). Při vypouštění odpadních vod na hlavu 200–350 l/(osoba·d) ve většině měst se návrhová koncentrace BSK₅ obvykle pohybuje od 110 do 200 mg/l. Statistiky ukazují, že 68 % ČOV v Číně má skutečný roční průměr přítoku BSK₅ nižší než 100 mg/l, přičemž 40 % má roční průměr nižší než 50 mg/l. Z pohledu koncentrace přítoku versus požadované provzdušňování má většina čínských ČOV provzdušňovací systémy navržené s „nadměrným motorem pro malý vozík“-nakonfigurovaným s vysokokapacitními-dmychadly, zatímco skutečná spotřeba vzduchu je nízká. Tato konfigurace snadno vede k převzdušnění a zvýšené spotřebě energie.
1.2 Nepřiměřená konfigurace množství provzdušňovacího zařízení
Mnoho ČOV má nepřiměřeně nakonfigurováno počet jednotek provzdušňovacího zařízení, protože nezohledňují časté provozní podmínky nízkého-zátěže. Například mnoho malých a středních-ČOV obvykle konfiguruje dmychadla v provedení „pohotovostní režim pro 2 + 1“ (celkem 3), což je optimální za podmínek projektovaného průtoku a kvality. Za podmínek nízkého zatížení však může provoz i jednoho dmychadla na jeho minimální výkon způsobit nadměrné-provzdušňování a zvýšenou spotřebu energie. Zatímco instalace frekvenčních měničů (VFD) nebo jiných prostředků ke snížení přívodu vzduchu může zabránit nadměrnému-provzdušňování, tato opatření mohou přesunout provoz dmychadla mimo oblast vysoké{10}}účinnosti, snížit účinnost a plýtvat energií. Vzhledem k obecně nízkým koncentracím přítoku by měly být zváženy strategie, jako je zvýšení počtu dmychadel při současném snížení kapacity jednotlivých jednotek, aby byly splněny potřeby regulace poptávky po vzduchu během období nízkého-zátěže. V minulosti vedly omezené rozpočty a vysoké náklady na dovážené-výkonné dmychadla k menšímu počtu{15}}konfigurací jednotek. S vyspělou domácí technologií vysoce výkonných dmychadel{17}}a nižšími náklady jsou nyní příznivé podmínky pro optimalizaci konfigurací dmychadel s cílem dosáhnout úspory energie a snížení emisí uhlíku.
1.3 Nízká účinnost provzdušňovacího zařízení
Některé starší ČOV, postavené na technologii své doby, používají provzdušňovací zařízení s nízkou{0}}účinností a vysokou{1}}spotřebou energie-. Podle současných technologických standardů a norem energetické účinnosti jsou zařízení jako Rootsova dmychadla, vícestupňová nízkootáčková odstředivá dmychadla, diskové provzdušňovače a kartáčové provzdušňovače považována za zařízení s nízkou účinností-, která se obvykle pohybuje od 40 % do 65 % účinnosti-o 15 % až 40 % nižší než u moderních vysokorychlostních{13} odstředivek. Navíc v ČOV, které používají jemné-bublinkové rozptýlené provzdušňování v anaerobních-anoxických-oxických (A₂/O) nebo anoxicko-oxických (A/O) procesech, stárnutí nebo ucpávání difuzorů snižuje účinnost přenosu kyslíku a zvyšuje odpor, čímž se zvyšuje spotřeba energie dmychadla.
1.4 Nerozumná konfigurace míchadel v biologických nádržích
V oxidačních příkopech s povrchovými provzdušňovači slouží zařízení jak provzdušňovací, tak směšovací/vytlačovací funkci. Toto je rozumný návrh za podmínek návrhového zatížení. Za podmínek nízkého-zátěže však může být nutné omezit nebo zastavit provzdušňování, ale aby se zabránilo usazování kalu nebo separaci kapalných-pevných látek, je třeba udržovat dostatečnou rychlost proudění, což vynucuje nepřetržitý provoz provzdušňovačů a způsobuje nadměrné-provzdušňování, špatné odstraňování živin a plýtvání energií. Pro energeticky-účinnější provoz při nízké zátěži by měly být oxidační příkopy vybaveny správně konfigurovanými ponornými míchadly.
V procesech A₂/O a A/O jsou aerobní nádrže obvykle zcela pokryty jemnými -bublinkovými difuzory bez vyhrazených mixérů, které spoléhají na dostatečné provzdušňování, aby se zabránilo usazování. Při nízké zátěži může omezení provzdušňování nebo provádění přerušovaného provzdušňování, aby se předešlo nadměrnému-provzdušňování, snadno vést k usazování kalu, což ovlivní zpracování. Pro efektivnější provoz při nízkém zatížení by aerobní nádrže A₂/O a A/O měly zvážit přidání vhodných mixérů.
2. Technické přístupy pro úsporu energie a redukci uhlíku v aeračních systémech ČOV
2.1 Výměna za vysoce-účinné provzdušňovací zařízení
ČOV, které stále používají zařízení s nízkou{0}}účinností, jako jsou Rootsova dmychadla, vícestupňová nízkootáčková odstředivá dmychadla, kotoučové provzdušňovače nebo kartáčové provzdušňovače nebo ty s velmi zastaralým a neefektivním zařízením, by měly provádět hodnocení energetické účinnosti z hlediska-úspory energie a vysoce účinného snížení uhlíku{5} a nahradit je novými,{5}} časem.{5} V současné době se vysokorychlostní dmychadla, jako jsou jednostupňová vysokorychlostní-odstředivá dmychadla, dmychadla s magnetickými ložisky a dmychadla se vzduchovými ložisky, používaná ve velkých ČOV, v současnosti běžně pyšní účinností mezi 80 % a 85 %. Na trhu však v současné době postrádají malé-vysokorychlostní{14}}kapacitní odstředivá dmychadla. ČOV s kapacitou pod 2 000 m³/den stále spoléhají na méně účinná zařízení, jako jsou Rootsova dmychadla, s účinností obecně mezi 40 % a 65 %, což ukazuje na významný potenciál pro zlepšení. Proto je vývoj účinnějších malých{21}}provzdušňovacích zařízení smysluplný pro úsporu energie a snížení uhlíku v malých ČOV.
2.2 Převod z povrchového provzdušňování na jemné-provzdušňování rozptýlené bublinami
Při vhodné hloubce vody je jemné-provzdušňování rozptýlené bublinami energeticky-účinnější než povrchové provzdušňování. Přeměna oxidačních příkopů z povrchových na jemné -bublinkové rozptýlené provzdušňování může přinést dobré výsledky-úspor energie. Z realizovaných projektů modernizace tyto přeměny nejen dosahují významných úspor energie, ale také zlepšují účinnost biologického odstraňování živin. Studie Chen Chao zaznamenala, že po přeměně jedné ČOV se celková spotřeba elektřiny snížila o 24,7 %, zatímco míra odstraňování amoniakálního dusíku, CHSK a celkového fosforu se zvýšila o 30,39 %, 5,39 % a 2,09 %. Xie Jici a kol. vykázala úsporu energie 0,09–0,12 kWh/m³ po podobné přeměně s významným zlepšením účinnosti biologického odstraňování živin. Při provzdušňování pomocí jemných bublin je účinnost přenosu kyslíku lineárně pozitivně korelována s hloubkou vody. Pod určitou kritickou hloubkou může být jeho účinnost nižší než provzdušňování povrchu. Obecně platí, že hloubka vody větší než 4 m je považována za vhodnou podmínku pro přeměnu oxidačních příkopů na jemnobublinkovou difúzní aeraci.
3. Technické přístupy pro úsporu energie a redukci uhlíku v aeračních systémech ČOV
3.1 Výměna za vysoce-účinné provzdušňovací zařízení
ČOV, které stále používají zařízení s nízkou{0}}účinností, jako jsou Rootsova dmychadla, vícestupňová nízkootáčková odstředivá dmychadla, kotoučové provzdušňovače nebo kartáčové provzdušňovače nebo ty s velmi zastaralým a neefektivním zařízením, by měly provádět hodnocení energetické účinnosti z hlediska-úspory energie a vysoce účinného snížení uhlíku{5} a nahradit je novými,{5}} časem.{5} V současné době se vysokorychlostní dmychadla, jako jsou jednostupňová vysokorychlostní-odstředivá dmychadla, dmychadla s magnetickými ložisky a dmychadla se vzduchovými ložisky, používaná ve velkých ČOV, v současnosti běžně pyšní účinností mezi 80 % a 85 %. Na trhu však v současné době postrádají malé-vysokorychlostní{14}}kapacitní odstředivá dmychadla. ČOV s kapacitou pod 2 000 m³/den stále spoléhají na méně účinná zařízení, jako jsou Rootsova dmychadla, s účinností obecně mezi 40 % a 65 %, což ukazuje na významný potenciál pro zlepšení. Proto je vývoj účinnějších malých{21}}provzdušňovacích zařízení smysluplný pro úsporu energie a snížení uhlíku v malých ČOV.
3.2 Převod z povrchového provzdušňování na jemné-provzdušňování rozptýlené bublinami
Při vhodné hloubce vody je jemné-provzdušňování rozptýlené bublinami energeticky-účinnější než povrchové provzdušňování. Přeměna oxidačních příkopů z povrchových na jemné -bublinkové rozptýlené provzdušňování může přinést dobré výsledky-úspor energie. Z realizovaných projektů modernizace tyto přeměny nejen dosahují významných úspor energie, ale také zlepšují účinnost biologického odstraňování živin. Studie Chen Chao zaznamenala, že po přeměně jedné ČOV se celková spotřeba elektřiny snížila o 24,7 %, zatímco míra odstraňování amoniakálního dusíku, CHSK a celkového fosforu se zvýšila o 30,39 %, 5,39 % a 2,09 %. Xie Jici a kol. vykázala úsporu energie 0,09–0,12 kWh/m³ po podobné přeměně s významným zlepšením účinnosti biologického odstraňování živin. Při provzdušňování pomocí jemných bublin je účinnost přenosu kyslíku lineárně pozitivně korelována s hloubkou vody. Pod určitou kritickou hloubkou může být jeho účinnost nižší než provzdušňování povrchu. Obecně platí, že hloubka vody větší než 4 m je považována za vhodnou podmínku pro přeměnu oxidačních příkopů na jemnobublinkovou difúzní aeraci.
3.3 Technologie přerušovaného provzdušňování
U ČOV s nízkou koncentrací přítoku kontinuální{0}}přerušované provzdušňování účinně řeší problémy se špatným odstraňováním živin a vysokou spotřebou energie způsobenou-provzdušňováním. Zahrnuje nepřetržitý přítok a odtok, zatímco provzdušňovací systém pracuje v cyklech zapnutí/vypnutí provzdušňování. Po výzkumu ARAKI et al. z roku 1986 o přerušovaném provzdušňování pro odstranění dusíku v oxidačních příkopech provedlo mnoho vědců experimentální studie. Hou Hongxun a kol. provedli v plném rozsahu{8}}test na ČOV o objemu 100 000 m³/d pomocí kontinuálního-proudění přerušovaného provzdušňování v oxidačním příkopu, čímž bylo dosaženo 20% zvýšení celkového odstranění dusíku, 49% zvýšení celkového odstranění fosforu a 21% snížení celkové spotřeby energie zařízení. He Quan et al. ve zkoušce oxidačního příkopu na ČOV o objemu 40 000 m³/d s použitím cyklu 2-hodiny zapnuto/2-hodiny vypnuto zjistili, že ve srovnání s kontinuálním provzdušňováním ušetřilo přerušované provzdušňování 42 % energie na provzdušňování, zvýšilo celkové odstranění dusíku o 9,6 % a v zimě o 9 % celkové množství fosforu.6 nízké-teploty. Zheng Wanlin et al., ve zkušebním procesu 40 000 m³/d ČOV A₂/O s použitím 3-hodinového cyklu zapnutí/3h vypnutí, udrželi stabilní kvalitu odpadní vody vyhovující normám a zároveň ušetřili 18,3 % spotřeby elektřiny. V současné době jsou aplikace kontinuálního přerušovaného provzdušňování v plném rozsahu stále omezené, přičemž zbývá několik technických problémů.
U procesů A₂/O využívajících provzdušňování jemnými{0}bublinami omezují široké použití přerušovaného provzdušňování dva faktory. Za prvé, vysokorychlostní odstředivá dmychadla generují vysoký-decibel, ostrý zvuk při spuštění; časté cyklování pro přerušovaný provoz vytváří hlukovou zátěž. Za druhé, časté cykly start{5}}stop u dmychadel s magnetickým/vzduchovým ložiskem způsobují, že se bez-ložiska opakovaně dotýkají pouzdra, což snadno vede k poškození ložisek, zvýšené poruchovosti a zkrácení životnosti.
Při aplikaci přerušovaného provzdušňování na oxidační příkopy nebo procesy A₂/O musí být zajištěna dostatečná rychlost míchání během období mimo{0}}provzdušňování, což může vyžadovat další míchadla, aby se zabránilo usazování kalu. Koncentrace amoniakálního dusíku se mohou během neprovzdušňování rychle zvyšovat, což představuje riziko okamžitého překročení. Proto je zapotřebí dalšího výzkumu, aby bylo možné vědecky nastavit a upravit provzdušňovací cykly, zlepšit úspory energie a odstranění znečišťujících látek a zároveň zabránit okamžitému překročení množství amoniakálního dusíku.
Obava ČOV z potenciálního okamžitého překročení amoniakálního dusíku je hlavní překážkou širokého použití přerušovaného provzdušňování. V lednu 2022 vydalo Ministerstvo ekologie a životního prostředí konzultaci k návrhu novely GB 18918-2002, která primárně navrhuje přidat maximální přípustné limity pro jednotlivá měření. Tyto navrhované limity jednotlivých měření jsou výrazně vyšší než původní denní průměrné limity, přičemž denní průměry zůstávají nezměněny. Například pro standard stupně A by bylo přijatelné jediné měření pod 10 mg/l (15 mg/l pod 12 stupňů), pokud denní průměr zůstane pod 5 mg/l (8 mg/l pod 12 stupňů). Pokud bude tento pozměňovací návrh implementován, mohl by pomoci řešit regulační obavy týkající se okamžitého překročení z přerušovaného provzdušňování a usnadnit jeho použití v procesech oxidačních příkopů.
3.4 Technologie přesného provzdušňování
Průtoky ČOV a koncentrace přítoku výrazně kolísají, a to i v průběhu dne, což způsobuje proměnlivou spotřebu vzduchu. Spoléhání se pouze na ruční nastavení-ztěžuje přesné ovládání a může ohrozit stabilitu kvality odtoku. S pokrokem v oblasti velkých dat a umělé inteligence se objevil koncept přesného provzdušňování. V některých ČOV byla použita přesná provzdušňovací technologie, která obvykle dosahuje 10–20% úspory energie v aeračních systémech. Kombinace přesného provzdušňování s dalšími modifikacemi procesu může přinést lepší výsledky. Zhu Jie a kol. implementovala precizní dovybavení provzdušňováním ve vícestupňovém A/O procesu ČOV, čímž bylo dosaženo 49,8% úspory energie v aeračním systému. Přesné a inteligentní provzdušňování představuje důležité budoucí směry pro úsporu energie a redukci uhlíku. V současné době existují omezení v{13}}schopnosti a přesnosti získávání a analýzy dat pro tyto systémy v reálném čase. Přesné ovládání dmychadel a ventilů v reálném čase{15} a přesné rozvody vzduchu jsou zapotřebí více technologických průlomů.
4. Závěr
Úspora energie v aeračních systémech je klíčem ke snížení uhlíku v ČOV. Hlavním důvodem vysoké spotřeby energie v čínských provzdušňovacích systémech ČOV je nízká zátěž, která snadno vede k nadměrnému-provzdušňování, plýtvání elektřinou a zvyšování emisí uhlíku jak z elektřiny, tak z chemikálií. Mezi další důvody patří stárnutí/nízká{3}}účinnost zařízení a nepřiměřená konfigurace provzdušňovacího a míchacího zařízení. Efektivní prostředky k dosažení úspory energie a snížení emisí uhlíku zahrnují nahrazení nízko{5}}účinnosti vysoce{6}}účinným provzdušňovacím zařízením, přeměnu povrchu na jemné -bublinkové rozptýlené provzdušňování a použití technologií, jako je kontinuální-proud, přerušované provzdušňování a přesné provzdušňování.