Efektywność energetyczna w ujęciu jakościowym: ChZT, BZT5, Nog

9. Analiza wyników

9.4 Efektywność energetyczna procesów oczyszczania w warunkach eksploatacyjnych

9.4.7 Efektywność energetyczna w ujęciu jakościowym: ChZT, BZT5, Nog

Obserwowaną w sezonie letnim niestabilność pracy reaktora 4 przekładającą się na istotne wahania wartości wskaźnika eQ, widać również podczas analizy danych zebranych do obliczenia efektywności energetycznej w ujęciu jakościowym (kWh/kg_x_us), z jedną istotną różnicą. W ujęciu jakościowym w przypadku obu reaktorów ciągu technologicznego nr 2, zaobserwowano istotne wahania efektywności energetycznej procesów usuwania zanieczyszczeń, niezależnie od rozpatrywanego rodzaju zanieczyszczenia (ChZT, BZT5, Nog). Zgodnie z oczekiwaniami wykresy efektywności energetycznej w czasie wskaźników eŁ_ChZT i eŁ_BZT5 charakteryzują się zbliżonymi wartościami i podobną zmiennością w czasie. Przy czym, ze względu na niemalże 100% skuteczność usuwania związków łatwo rozkładalnych biologicznie opisywanych wspólnie wskaźnikiem BZT5, nie będzie on szczegółowo omawiany. Wykresy eŁ_BZT i eŁ_ChZT, celowo zestawiono ze sobą, jako kolejny argument na rzecz odchodzenia od powszechnego stosowania wskaźnika BZT5 w toczącej się od dłuższego czasu debacie.

Wskaźnik eQ_BZT5 charakteryzuje się większym zakresem wartości skrajnych, a także większą zmiennością od wskaźnika eŁ_ChZT, jednakże ze względu na konieczność usuwania ze ścieków również związków trudnorozkładalnych biologicznie (ChZT), a także gwałtownego przyrostu oczyszczalni małych i średnich usuwających również związki biogenne ze ścieków, energia elektryczna zużywana na usuwanie BZT5 zawiera się w energii potrzebnej do usunięcia ze ścieków ChZT (i/lub Nog). Jedyne możliwe scenariusze, gdzie obliczona zmienność w czasie efektywności energetycznej usuwania BZT5 będzie się istotnie różnić od efektywności energetycznej usuwania ChZT to poważne błędy pomiarowe i/lub obliczeniowe, albo katastrofalne nieprawidłowości w pracy badanego obiektu, przy których potencjalne rozbieżności pomiędzy wskaźnikami eŁ_BZT5 i eŁ_ChZT można uznać za nieistotne.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

2017.07.04 2017.07.06 2017.07.10 2017.07.17 2017.07.19 2017.07.24 2017.07.26 2017.07.31 2017.08.02 2017.08.09 2017.11.20 2017.11.22 2017.11.22 2017.11.27 2017.11.29 2017.12.04 2017.12.06 2017.12.06 2017.12.06 2017.12.11 2017.12.11 2017.12.13 2017.12.13 2017.12.18 2017.12.20

kWh porcja

kWh/m³ _CT2 _SBR3 _SBR4 _{SBR3_kWh} _{SBR4_kWh}

116

Rys. 9-24 Efektywność energetyczna procesów oczyszczania w trakcie letniej i zimowej serii pomiarowej w 2017r mierzona wskaźnikiem eŁ_ChZT [kWh/kg_ChZT_us]

Rys. 9-25 Efektywność energetyczna procesów oczyszczania w trakcie letniej i zimowej serii pomiarowej w 2017r mierzona wskaźnikiem eŁ_BZT5 [kWh/kg_BZT5_us]

kWh

kWh porcja

kWh/kg_us _CT2 _SBR3 _SBR4 _{SBR3_kWh} _{SBR4_kWh}

117 Porównanie wykresów eQ i eŁ_ChZT potwierdza wysuwane przypuszczenia o wpływie więcej niż jednego czynnika na efektywność energetyczną procesów usuwania ścieków.

Pomimo stabilnej sytuacji hydraulicznej i niewielkiej zmienności wskaźnika eQ_SBR3 w roku 2017, efektywność energetyczna procesów usuwania ChZT przez reaktor nr 3 podlegała podobnym wahaniom jak w przypadku reaktora nr 4. W sezonie letnim eŁ_ChZT_SBR3 zawierał się w przedziale 0,60-0,11 kWh/kg_ChZT_us przy średniej 0,29 kWh/kg_ChZT_us i odchyleniu standardowym 0,17 kWh/kg_ChZT_us, natomiast w okresie zimowym było to odpowiednio 0,34-0,17 kWh/kg_ChZT_us , przy średniej 0,22 kWh/kg_ChZT_us i odchyleniu standardowym 0,05 kWh/kg_ChZT_us . Efektywność energetyczna usuwania ChZT przez reaktor nr 4 opisana jest wskaźnikiem eŁ_ChZT_SBR4. W sezonie letnim jego wartość zawierała się w przedziale 1,07-0,24 kWh/kg_ChZT_us, przy średniej 0,54 kWh/kg_ChZT_us i odchyleniu standardowym 0,33 kWh/kg_ChZT_us. W sezonie zimowym nastąpiła istotna poprawa efektywności energetycznej i stabilności procesów, wskaźnik eŁ_ChZT_SBR4, zawierał się w przedziale 0,37-0,17 kWh/kg_ChZT_us, przy średniej 0,23 kWh/kg_ChZT_us i odchyleniu standardowym 0,06 kWh/kg_ChZT_us.

Szczególnie interesującym okresem porównawczym dla wskaźników eQ i eŁ_ChZT jest fragment zimowej serii pomiarowej pomiędzy 04.12, a 20.12 2017 roku. Pracę obu reaktorów w oparciu o te wskaźniki można opisać jako stabilną, a efektywność energetyczną procesów jako wysoką (eŁ_ChZT dla obu reaktorów zawierał się w przedziale 0,17-0,25 kWh/kg_ChZT_us przy odchyleniu standardowym rzędu 0,02 kWh/kg_ChZT_us, wskaźnik eQ zawierał się w przedziale 053-0,35 kWh/m³ przy odchyleniu standardowym 0,04 kWh/m³). Jednakże dzięki wysokiej i stabilnej efektywności procesów usuwania ChZT ze ścieków (redukcja ładunku zanieczyszczeń rzędu ~98%ładunku ChZT w ściekach surowych) wahania zużycia energii przez reaktory miały minimalny wpływ na zmienność eŁ_ChZT, niezależnie od rozpatrywanego reaktora, podczas gdy wahania wielkości wskaźnika eQ wyraźnie powiązane są ze zmiennością zużycia prądu, niezależnie od rozpatrywanego reaktora. Sytuacja w sezonie letnim w przypadku wskaźnika eŁ_ChZT jest odwrotnością sytuacji zaobserwowanej w trakcie zimowej serii pomiarowej. Niestabilność procesów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków w istotnym stopniu wpływa na niestabilność efektywności energetycznej analizowanych procesów i wzrost zależności wskaźnika eŁ od zużycia energii.

Analogiczną sytuacje zaobserwowano w przypadku zmienności w czasie wskaźnika eŁ_Nog. W trakcie letniej serii pomiarowej zarejestrowano znaczne wahania wielkości, zimowa seria charakteryzowała się natomiast wysoką stabilnością procesów usuwania zanieczyszczeń, zarówno pod kątem efektywności usuwania azotu ogólnego jak i efektywności energetycznej. W okresie letnim pomimo stabilnej sytuacji hydraulicznej i niewielkiej zmienności wskaźnika eQ_SBR3 w roku 2017, efektywność energetyczna procesów usuwania azotu ogólnego przez reaktor nr 3 podlegała podobnym wahaniom jak w przypadku reaktora nr 4. W sezonie letnim eŁ_Nog_SBR3 zawierał się w przedziale 5,09-2,76 kWh/kg_Nog_us przy średniej 3,44 kWh/kg_Nog_us i odchyleniu standardowym 0,73 kWh/kg_Nog_us, natomiast w okresie zimowym było to odpowiednio 3,02-1,31 kWh/kg_Nog_us , przy średniej 2,16 kWh/kg_Nog_us i odchyleniu standardowym 0,45 kWh/kg_Nog_us . Efektywność energetyczna usuwania Nog opisana przez reaktor nr 4 opisana jest wskaźnikiem eŁ_Nog_SBR4. W sezonie letnim jego wartość zawierała się w przedziale 9,22-5,20 kWh/kg_Nog_us, przy średniej 6,43 kWh/kg_Nog_us i odchyleniu standardowym 1,63 kWh/kg_Nog_us. W sezonie zimowym nastąpiła istotna poprawa efektywności energetycznej i stabilności procesów, wskaźnik eŁ_Nog_SBR4, zawierał się w przedziale 2,86-1,40 kWh/kg_Nog_us, przy średniej 2,16 kWh/kg_Nog_us i odchyleniu standardowym 0,45 kWh/kg_Nog_us. Różnice w wartościach bezwzględnych pomiędzy wskaźnikami eŁ_ChZT i eŁ_Nog choć znaczące nie świadczą o nieprawidłowościach. Uwzględniając wszystkie pomiary wskaźnik eŁ_ChZT zawierał się w przedziale 0,11-1,07 kWh/kg_us, czyli najniższa zarejestrowana efektywność energetyczna procesów usuwania ChZT ze ścieków jest i tak wyższa niż najwyższa zarejestrowana efektywność energetyczna procesów usuwania azotu ogólnego ze ścieków eŁ_Nog = 1,31 kWh/kg_us. Nie są to jednak wielkości, które można porównywać wprost. Przede wszystkim procesy usuwania azotu ze ścieków są procesami bardziej złożonymi od procesów potrzebnych by usunąć ze ścieków zanieczyszczenia zbiorczo opisywane wskaźnikiem ChZT.

118 Ze względu na swoją złożoność i specyficzne warunki w jakich muszą być prowadzone, procesy te są bardziej wrażliwe na wszelkie zmiany warunków w jakich przebiegają, a zatem trudniej utrzymać stałą wysoką stabilność usuwania azotu ze ścieków niż ChZT. Istotny wpływ ma różnica w wielkości ładunków zanieczyszczeń w ściekach surowych, a także efektywności procesów usuwania azotu wyrażona ładunkiem usuniętym w kg_Nog/d. Średnio w 2017r do oczyszczalni trafiało

~500kg_ChZT/d, przy zaledwie ~50kg_Nog/d, gdzie średnia dobowa wielkość ładunku usuwanego wynosiła odpowiednio ~483kg_ChZT/d przy ~44kg_Nog/d. W obu przypadkach ładunek ChZT jest około 10 krotnie większy od ładunku Nog. Dodatkowo, część energii opisanej wskaźnikiem eŁ_ChZT zawiera się w wartości wskaźnika eŁ_Nog dla tej samej próby. Niezależnie od tego czy redukcja ChZT następuję wprost w wyniku napowietrzania ścieków w trakcie trwania fazy nitryfikacji, czy część ChZT wykorzystywana jest przez mikroorganizmy jako źródło węgla do procesów usuwania azotu ze ścieków.

W trakcie przeglądu literaturowego nie znaleziono, taniej, skutecznej i łatwej do zastosowania w warunkach rzeczywistych metody określania proporcji usuwanego ChZT w ramach procesów samodzielnych i procesów powiązanych z usuwaniem ze ścieków azotu ogólnego i dalej określenia rzeczywistej proporcji energii zużywanej na usuwanie azotu ogólnego do energii zużywanej na usuwanie ChZT w ramach procesów usuwania azotu ogólnego. Próba samodzielnego opracowania metody, która spełniałaby oczekiwane kryteria aplikacyjne również nie dała wystarczająco dobrych rezultatów, ani dostatecznej gwarancji uzyskania poprawnych wartości. Określenie takiej proporcji nie było jednakże przedmiotem niniejszego doktoratu, dlatego nie podjęto dalszych prób rozwiązania tej kwestii. Należy pamiętać, że kwestia ta, choć niewątpliwie interesująca i zasługująca na osobne badania nie jest czynnikiem, który uniemożliwiałby ocenę efektywności energetycznej procesu/obiektu.

Rys. 9-26 Efektywność energetyczna procesów oczyszczania w trakcie letniej i zimowej serii pomiarowej w 2017r mierzona wskaźnikiem eŁ_Nog [kWh/kg_Nog_us]

Oceniając efektywność energetyczną i stabilność procesów usuwania azotu ze ścieków należy zatem spodziewać się większych wahań co do wartości bezwzględnych wskaźnika eŁ_Nog, niż w przypadku wskaźników eŁ_ChZT czy eQ. Mając to na uwadze można określić efektywność energetyczną procesów usuwania azotu w trakcie zimowej serii pomiarowej jako wysoką i stabilną.

Zmienność w czasie wskaźnika eŁ_Nog, zarówno w większych odstępach czasu, jak i w ramach pojedynczej serii pomiarowej jest zbieżna z obserwacjami poczynionymi dla eŁ_ChZT.

kWh porcja

kWh/kg_us

SBR3 SBR4 CT2 SBR3_kWh SBR4_kWh

119 Efektywność procesów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków ma wpływ na efektywność energetyczną tychże, można zatem sterując procesami usuwania zanieczyszczeń poprawić ich efektywność energetyczną. Widać to wyraźnie na przykładzie danych zebranych pomiędzy 6-20 grudnia 2017, pomimo wzrostu całkowitego zużycia energii elektrycznej przez oba reaktory ciągu technologicznego nr 2, wzrosła również efektywność energetyczna procesów usuwania azotu. Zatem wzrost efektywności procesów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków był na tyle duży, że pomimo wzrostu ilości energii elektrycznej zużywanej w wyniku wzrostu wielkości usuwanych ładunków zanieczyszczeń energochłonność procesów zmalała.

Podsumowując, rozpatrywanie efektywności energetycznej na m3 czy kg ładunku usuniętego w funkcji przepływu lub ładunku usuniętego powinno zawsze skutkować powstaniem charakterystycznej chmury punktów układającej się w kształt zbliżony do funkcji potęgowej. Rozpatrując efektywność energetyczną w ten sposób można określić parametry pracy obiektu (reaktora), po przekroczeniu których dalsze próby zwiększenia efektywności energetycznej nie będą uzasadnione. Da się tu wyróżnić dwie główne przyczyny ekonomiczną: znaczące koszty modernizacji obiektu przy minimalnym zysku energetycznym, lub technologiczną (procesową): gwałtowny wzrost ryzyka destabilizacji procesów oczyszczania przy minimalnym zysku energetycznym. Zakładając poprawny bilans energetyczny obiektu (brak szeroko pojętego marnowania energii elektrycznej) takie ujęcie zagadnienia efektywności energetycznej pozwala wyróżnić dwie główne metody poprawy bilansu energetycznego procesów oczyszczania ścieków. Pierwsza metoda – techniczna, poprzez możliwość bezpośredniego sterowania zużyciem energii, przykładowo poprzez silniki elektryczne zespolone z VFD, lub pośredniego poprzez konsekwentną modernizacje obiektu i wymianę urządzeń na nowsze, o wyższej sprawności energetycznej. Jest to podejście wymagające istotnych nakładów finansowych i (na czas modernizacji) zaburzające pracę obiektu. Druga metoda – technologiczna, opiera się o możliwość sterowania procesami oczyszczania ścieków (większość oczyszczalni wyposażone jest w zaawansowane systemy automatyki przemysłowej). Im stabilniejsze (wszystkie lub większość urządzeń pracuje optymalnie, zużywając minimalną ilość energii potrzebną do ich pracy), lub sztywniejsze (brak możliwości regulowania mocy silników elektrycznych – silniki jednobiegowe, brak wykorzystania VFD) jest zużycie energii elektrycznej przez dany obiekt, tym większy będzie wpływ efektywności procesów oczyszczania na efektywność energetyczną obiektu. Badana oczyszczalnia jest dobrym przykładem, jak duży wpływ na zwiększenie efektywności energetycznej reaktorów może mieć poprawa efektywności procesowej.

9.5 Rozbieżność pomiędzy efektywnością energetyczną reaktorów, a efektywnością

W dokumencie POLITECHNIKA KRAKOWSKA. im. Tadeusza Kościuszki. Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki. Katedra Technologii Środowiskowych ROZPRAWA DOKTORSKA (Stron 115-119)