Zależność pomiędzy zużyciem energii elektrycznej w fazie aktywnej, a wielkością porcji

W celu rozróżnienia wyników z dwóch serii pomiarowych na wszystkich wykresach zastosowano ten sam schemat kolorów punkt zielony – letnia seria pomiarowa, niebieski – seria zimowa, kolor szary zarezerwowano dla zaznaczenia na wykresach obliczonej efektywności energetycznej wyrażanej w kWh/m³ lub kWh/kg_ład_us (szczegółowa analiza efektywności energetycznej rozdział 9.3.2)

Rys. 9-11 Zależność pomiędzy wielkością porcji, a zużyciem energii elektrycznej przez SBR3 w 2017r.

y = 0.1485x + 43.334 R² = 0.0355 y = 13.084x^-0.679

R² = 0.1263

0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55

50 55 60 65 70 75 80

140 145 150 155 160 165 170

kWh/m3

kWh/porcja

m³/porcja pomiar z serii letniej pomiar z serii zimowej efektywności energetyczna

97 Analiza wyników przeprowadzonych pomiarów potwierdziła przyjętą hipotezę – istnieje proporcjonalna zależność pomiędzy wielkością porcji ścieków surowych przetwarzanych przez reaktor, a zużyciem energii elektrycznej przez dany reaktor. Zależność ta jest jednakże słabo widoczna w przypadku porcji ścieków o zbliżonej wielkości (ΔV<50m³). Porównanie wyników dla obu reaktorów z osobna, a także całego Ciągu Technologicznego nr 2 (CT2) wyraźnie ukazuje istnienie przyjętej zależności, a także konieczność badania jej przy odpowiednio dużym ΔV[m³]. Jeśli by brać pod uwagę jedynie sam reaktor nr 3, uzyskane wyniki, przedstawione na wykresie 29 nie wykazują jakiegokolwiek trendu.

Zarówno chmura punktów, współczynnik korelacji kWh-m³ = 0,2075 czy współczynnik determinacji R² = 0,0355 dla funkcji liniowej y = 0,1485x + 43,334 „opisującej” rozważaną zależność wskazują na brak zależności, lub niezwykle słabą zależność pomiędzy wielkością porcji, a zużyciem energii.

W przypadku wyników dla SBR3 nie zaobserwowano też żadnej zależności pomiędzy porą roku, a zużyciem energii.

Obserwowany brak zależności jest jedynie pozorny. W przypadku reaktora nr 4, czy też wyników sumarycznych dla obu reaktorów tworzących CT2 rozważana zależność proporcjonalna staje się dużo bardziej widoczna. Chmura punktów na wykresie 30 SBR4, współczynnik korelacji kWh-m³ = 0,9400 czy współczynnik determinacji R² = 0,8400 dla funkcji liniowej y = 0,2194x + 34,087 opisującej rozważaną zależność wskazują na istnienie proporcjonalnej zależności, pomiędzy wielkością porcji, a zużyciem energii. Należy zaznaczyć, że pomimo wysokiego współczynnika korelacji, a także R², uzyskane równanie charakteryzuje się wyrazem wolnym o znacznej wartości. Taka kombinacja danych wskazuje na istnienie proporcjonalnej, lecz niekoniecznie liniowej zależności. Uzyskane dopasowanie jest również zbyt niskie, żeby odrzucić hipotezę o istnieniu innych czynników mających wpływ na zużycie energii przez reaktor w trakcie fazy aktywnej. W przypadku wyników dla SBR4 istnieje wyraźna różnica pomiędzy wynikami pomiarów z serii letniej i zimowej, jest ona w dużej mierze wynikiem interwencji człowieka w związku z zaobserwowanymi nieprawidłowościami w cyklu pracy reaktora. Niemniej jednak zwiększenie objętości porcji trafiających do reaktora w przypadku SBRa 4 miało decydujący wpływ na wzrost zużycia energii elektrycznej przez ten reaktor. Pozostałe czynniki w tym teoretyzowane różnice sezonowe wynikające z charakterystyki klimatycznej Polski, jeśli miały jakikolwiek wpływ, był on zbyt mały by być wyraźny przy tak istotnym wpływie wielkości porcji na obserwowane zużycie energii.

98

Rys. 9-12 Zależność pomiędzy wielkością porcji, a zużyciem energii elektrycznej przez SBR4 w 2017r.

Rys. 9-13 Zależność pomiędzy wielkością porcji, a zużyciem energii elektrycznej przez CT2 w 2017r.

y = 0.2194x + 34.087

130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340

kWh/m3

99 Zestawienie wyników dla CT2 daje wyniki zbieżne z obserwacjami poczynionymi dla reaktora nr 4.

W przypadku całego Ciągu Technologicznego nr 2, rozważana zależność proporcjonalna jest widoczna.

Chmura punktów na rysunku 9-13, współczynnik korelacji kWh-m³ = 0,9271 czy współczynnik determinacji R² = 0,8631 dla funkcji liniowej y = 0,3787x + 17,969 opisującej rozważaną zależność wskazują na istnienie proporcjonalnej zależności, pomiędzy wielkością porcji, a zużyciem energii.

Należy zaznaczyć, że dla wyników uzyskanych dla CT2 można obliczyć funkcje: kwadratowe, wykładnicze, logarytmiczne, o zbliżonym lub większym współczynniku dopasowania R². Jednakże funkcje te charakteryzują się dużymi wyrazami wolnymi W>|100| i/lub znaczną wielkością współczynnika a funkcji (a > 40). Jedyną funkcją o minimalnie lepszym dopasowaniu niż użyta funkcja liniowa, jest funkcja potęgowa y = 0,8861x^0,8782, przy R² = 0,8909. Taki wzór funkcji potęgowej, generuje niemalże wykres funkcji liniowej (funkcja potęgowa y= axⁿ+b, gdzie n=1, jest funkcją liniową). Zebrane dane nie pozwalają na odrzucenie hipotezy ani o potęgowym ani o liniowym charakterze badanej zależności. Jednakże, zbieżność kształtów funkcji liniowej i potęgowej pozwala założyć względnie wprost proporcjonalną zależność pomiędzy wielkością porcji ścieków, a zużyciem energii elektrycznej na potrzeby procesów oczyszczania w fazie aktywnej reaktora. Natomiast fakt, że nie jest to zależność idealnie liniowa oznacza istnienie innych czynników mających wpływ na zużycie prądu przez reaktor(y).

9.4.2 Efektywność energetyczna procesów oczyszczania ścieków w ujęciu jakościowym W trakcie przygotowywania materiałów i danych do tego i kolejnych podrozdziałów rozważano dwa podstawowe podejścia do określenia efektywności energetycznej procesów oczyszczania w ujęciu jakościowym:

1. podejście niezależne – efektywność energetyczna redukcji stężenia danego zanieczyszczenia wyrażana współczynnikiem – ered_x w kWh/ ^mg

dm³zredukowane,

2. podejście zależne – efektywność energetyczna usuwania ładunku danego zanieczyszczenia wyrażana współczynnikiem – eŁ_us_x w kWh/Ł_us_x [kg/d].

Oba podejścia mają pewne wady i zalety wywodzące się z tych samych źródeł. Podejście niezależne, pozwala wprost określić ilość energii elektrycznej zużywanej na zredukowanie stężenia danego zanieczyszczenia czy to w ujęciu porcjowym czy jednostkowym. Obliczona w ten sposób efektywność energetyczna zależy wprost od efektywności procesów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków i jest niezależna od przepływu (wielkości porcji) mającego istotny wpływ na wielkość zużycia energii.

W warunkach idealnych lub laboratoryjnych maksymalnie zbliżonych do idealnych byłaby to istotna zaleta tej metody, jednakże w warunkach rzeczywistych, gdzie na końcową efektywność procesów usuwania zanieczyszczeń wpływa mnóstwo czynników (nawet jeśli wpływ pojedynczych czynników jest pomijalny, ich sumaryczny wpływ jest zauważalny) wskaźnik ten nie oddaje w pełni rzeczywistej efektywności energetycznej procesów usuwania zanieczyszczeń. Zjawisko to wyraźnie ukazuje zestawienie ze sobą wartości jednostkowej efektywności energetycznej redukcji stężenia ChZT i azotu ogólnego z wartościami znajdujące się w tabeli 9-6. Porównanie jednostkowej efektywności energetycznej redukcji stężenia zanieczyszczeń z jednostkową efektywnością energetyczną usuwania ładunku zanieczyszczeń jednoznacznie pokazuje jak nawet niewielkie wahania efektywności procesów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków przekładają się na efektywność energetyczną wyrażaną wskaźnikiem eŁ. Im bardziej wrażliwy jest proces usuwania zanieczyszczeń tym wyraźniejsze są różnice i wielkość wahań efektywności energetycznej procesów usuwania ładunku zanieczyszczeń.

W przypadku reaktora nr 3, który w trakcie obu serii pomiarowych pracował w zbliżonych warunkach hydraulicznych proces usuwania związków opisywanych zbiorczo jako ChZT charakteryzował się wysoką stabilnością efektywności energetycznej określanej wskaźnikiem ered, jednakże nawet przy tak wysokiej stabilności procesu dla tej samej wartości ered efektywność energetyczna usuwania ładunku zanieczyszczeń ze ścieków podlegała istotnym wahaniom.

100 Tab. 9-6 Porównanie wartości wskaźników efektywności energetycznej opartych o redukcję stężenia danego typu zanieczyszczenia i wielkość ładunku usuniętego.

ChZT Nog

Na przykładzie reaktora nr 4, który nie pracował w równie stabilnych warunkach jak SBR3 widać jak istotnie różnić się mogą od siebie zarejestrowane wartości eŁ, dla różnych porcji ścieków przy tej samej wartości ered. Dla ered, = 0,03 kWh/mg/l_zredukowany, wskaźnik eŁ zawiera się w przedziale 0,17-0,53 kWh/kg_us. Omawiane zjawisko jest jeszcze wyraźniejsze jeśli spojrzymy na efektywność energetyczną usuwania azotu. Procesy usuwania azotu ze ścieków są bardziej wrażliwy na warunki w jakich są prowadzone niż proces(y) usuwania ChZT ze ścieków. Przekłada się to na znaczne rozbieżności pomiędzy wartościami wskaźników ered i eŁ.

W świetle przepisów prawa oczyszczalnie zobowiązane są do redukcji stężenia zanieczyszczeń do poniżej pewnej określonej wartości, lub do redukcji wyrażonej jako %stężenia w ściekach surowych.

Z punktu widzenia efektywności energetycznej istotniejsze jest jednak ile kWh energii elektrycznej potrzeba na usunięcie 1 kg zanieczyszczeń ze ścieków. Wskaźnik ered oparty tylko i wyłącznie o wielkość redukcji stężenia zanieczyszczeń nie opisuje w pełni efektywności energetycznej badanego

101 procesu, dlatego chcąc określić efektywność energetyczną procesów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków w warunkach eksploatacyjnych znacznie lepszym wskaźnikiem jest eŁ. Wskaźnik eŁ z definicji zależny jest od wielkości przepływu i wielkości redukcji stężenia danego zanieczyszczenia, pozwala on zatem na kompleksową ocenę efektywności energetycznej i dlatego został wybrany do dalszego szczegółowego omówienia. Wartości wskaźnika ered dostępne są w załączniku 6.

9.4.3 Zależność pomiędzy zużyciem energii elektrycznej w fazie aktywnej, a wielkością