Zużycie energii, efektywność energetyczna procesów oczyszczania w ujęciu naukowym

Zużycie energii i efektywność energetyczna, choć powiązane ze sobą to dwie odrębne kwestie. Wysokie zużycie energii wcale nie musi oznaczać niskiej efektywności energetycznej, analogicznie niskie zużycie energii nie przekłada się automatycznie na wysoką efektywność energetyczną. Wręcz przeciwnie, wzrostowi zużycia energii może towarzyszyć również wzrost efektywności energetycznej, tak jak miało to miejsce w przypadku zaobserwowanych w trakcie badań zmian efektywności energetycznej procesów oczyszczania w badanych reaktorach. Równocześnie wysoka wartość współczynnika korelacji pomiędzy czynnikiem „x” i zużyciem energii, nie musi wiązać się z równie wysoką wartością współczynnika korelacji pomiędzy czynnikiem „x”, a efektywnością energetyczną.

Analogicznie, czynnik „y” w zauważalny sposób wpływający na efektywność energetyczną, może mieć pomijalny wpływ na zużycie energii elektrycznej na potrzeby procesów oczyszczania ścieków.

Źródła amerykańskie określają jako najbardziej energochłonne klasyczne procesy usuwania azotu ze ścieków (nitryfikacja-denitryfikacja) (~48% zużycia energii elektrycznej obiektu, usuwanie ChZT/BZT5 ~40%, usuwanie fosforu ~12%), przeprowadzone badania wspierają tę tezę – procesy usuwania azotu wymagają długich sekwencji napowietrzania i mieszania reaktora tym samym istotnie zwiększają zużycie energii elektrycznej na potrzeby procesów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków.

124 Liczba zmiennych mających wpływ na zużycie energii oraz efektywność energetyczną procesów w połączeniu z kwestiami techniczno-eksploatacyjnymi oczyszczalni tworzy układ wzajemnych zależności i oddziaływań. Złożoność badanego zagadnienia jest na tyle duża, że przy obecnym stanie wiedzy nie jest możliwe wyznaczenie prostej, uniwersalnej funkcji zużycia energii, która pozwalałaby na sterowanie pracą dowolnej oczyszczalni w sposób gwarantujący maksymalizację wydajności procesów usuwania zanieczyszczeń przy jednoczesnej minimalizacji zapotrzebowania na energię.

Przeprowadzone badania wykazały, możliwość zaistnienia sytuacji, gdzie dominacja jednego czynnika w danym okresie czasu, czyni pozostałe składowe pozornie pomijalnymi. Dominujący wpływ jednego z czynników zawsze jest ograniczony czasowo (wraz z upływem czasu zmieniające się warunki pracy reaktora sprawiają, że dominujący czynnik lub czynniki zmieniają się). Zebrane dane i wykonane analizy potwierdzają, że nie jest możliwe stworzenie uproszczonego modelu reaktora, gdzie sterowanie zużyciem energii będzie oparte tylko i wyłącznie o jedną wielkość. Utworzenie i wykorzystanie w warunkach eksploatacyjnych adekwatnego, cyfrowego modelu reaktora, uwzględniającego wszystkie istotne interakcje pomiędzy głównymi czynnikami wpływającymi na zużycie energii i efektywność energetyczną procesów wymagałoby istotnego zwiększenia stopnia skomplikowania instalacji pomiarowej, a także rozbudowania układów sterujących pracą oczyszczalni. Technicznie jest to jak najbardziej możliwe, jednakże koszt budowy i eksploatacji tak zaawansowanej sieci pomiarowej w chwili obecnej znacząco przekracza możliwości większości operatorów wodno-ściekowych zarządzających gminnymi oczyszczalniami.

Sieć pomiarowa utworzona na potrzeby niniejszej rozprawy została wykorzystana do zrealizowania postawionych celów badawczych. Analizując zebrane dane udało się zweryfikować hipotezy o zależności zużycia energii od wybranego czynnika, lub wpływu wybranego czynnika na efektywność energetyczną procesów oczyszczania. W przypadku SBR4 dominujący wpływ na zużycie energii miała wielkość porcji ścieków, zarówno bezpośrednio jak i pośrednio poprzez większą zależność ładunku ścieków od zmiennej wielkości porcji niż zmienności stężeń zanieczyszczeń. Dominujący wpływ wielkości porcji na zużycie energii elektrycznej przez reaktor nr 4 widać wyraźne w ujęciu rocznym.

Zależność zużycia energii elektrycznej na potrzeby przetworzenia pojedynczej porcji ścieków od wielkości porcji można dość dokładnie (R² = 0,84) opisać równaniem y = 0,2194x + 34,087, obliczony współczynnik korelacji pomiędzy wielkością porcji, a zużyciem energii dla całego roku 2017 wynosi 0,9165. Uzyskane wyniki są na tyle dokładne, że nie ma podstaw do odrzucenia hipotezy o istnieniu proporcjonalnej zależności pomiędzy wielkością porcji, a zużyciem energii elektrycznej przez reaktor na potrzeby przetworzenia danej porcji ścieków. Jednakże wraz ze spadkiem różnic pomiędzy objętościami poszczególnych porcji maleje również wpływ tego czynnika na zmienność zużycia energii.

Nie można zatem mówić o zależności liniowej, a określenie dokładnej natury omawianej zależności wymaga dalszych badań. Rozpatrując osobno zimową i letnią serie pomiarową omawiana zależność nie jest aż tak wyraźna, szczególnie gdy analizuje się wyniki z serii zimowej, gdzie wielkość porcji była względnie stała w obu reaktorach. Współczynnik korelacji pomiędzy wielkością porcji, a zużyciem energii dla serii letniej i zimowej wynosi odpowiednio SBR4_lato = 0,8949, SBR4_zima = 0,0681.

Współczynniki zmienności wielkości porcji w reaktorze czwartym wyniosły odpowiednio: wsp_zmien.

lato = 22%, wsp_zmien. zima = 2%, dla całego roku 2017 wsp_zmien. = 35%. W przypadku SBR3 można mówić o praktycznie stałej wielkości porcji w sezonie letnim i minimalnej zmienności wielkości porcji w sezonie zimowym (współczynniki zmienności wyniosły odpowiednio: lato = 1%, zima =6%, rok 2017 = 5%), tym samym wpływ zmienności wielkości porcji na zmienność zużycia energii i efektywność energetyczną w reaktorze nr 3 oraz w reaktorze nr 4 trakcie zimowej serii pomiarowej był minimalny. W przypadku badanych reaktorów, jeżeli różnice objętości kolejnych porcji ścieków były mniejsze niż 25 m³ wpływ wielkości porcji na zużycie energii elektrycznej, a także na efektywność energetyczną procesów oczyszczania wyraźnie malał i stabilizował się. Można przyjąć, że każdy SBR posiada objętość porcji ścieków, przy której znacząco rośnie wpływ pozostałych czynników decydujących o efektywności energetycznej procesów oczyszczania ścieków, w szczególności wydajności procesów oczyszczania wyrażonej jako ładunek usunięty w kg_us.zanieczyszczeń/porcję Istotny udział wielkości porcji w wielkości ładunku usuniętego (większa porcja = większy ładunek dopływający = większy ładunek usunięty, z wyłączeniem sytuacji awaryjnych i drastycznego spadku efektywności usuwania zanieczyszczeń ze ścieków przez reaktor) utrudnia w warunkach rzeczywistych

125 (nielaboratoryjnych) precyzyjną ocenę wpływu wielkości ładunku usuniętego zanieczyszczeń na zużycie energii przez reaktor. „Wyeliminowanie” wielkości porcji jako czynnika umożliwiło dokładniejsze zbadanie wpływu pozostałych czynników: stężenia zanieczyszczeń oraz wydajności procesów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków na zużycie energii elektrycznej oraz efektywność energetyczną procesów usuwania zanieczyszczeń.

Dane zebrane podczas przeprowadzonych badań nie pozwalają na jednoznaczne odrzucenie tezy o istnieniu proporcjonalnej zależności pomiędzy wielkością ładunku usuniętego, a zużyciem energii elektrycznej na potrzeby procesów oczyszczania ścieków. Najprawdopodobniej zależność pomiędzy wielkością ładunku usuniętego, a zużyciem energii jest na tyle słaba, że łatwo o dominację innych czynników, w tym czynników nietechnologicznych. Wyniki analiz przeprowadzonych dla poszczególnych serii pomiarowych nie umożliwiły wyznaczenia wzorów funkcji opisujących poszukiwaną zależność (niezależnie od rozpatrywanego typu funkcji współczynnik dopasowania R² <0,25, z przeważającą liczbą wyników R² € [0,002-0,0,147] ). Obliczone współczynniki korelacji pomiędzy wielkością usuniętych poszczególnych ładunków zanieczyszczeń, a zużyciem energii nie dają jednoznacznych rezultatów (załączniki 6, 7). Najbardziej prawdopodobnym wytłumaczeniem uzyskanych wielkości jest zachwianie wydajności procesów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków zarejestrowane na początku letniej serii pomiarowej. W teorii korelacja pomiędzy wielkością ładunku usuwanego, a zużyciem energii powinna być nieujemna. Relatywnie duża ujemna korelacja zaobserwowana dla SBR3 jest najprawdopodobniej wynikiem istotnego wzrostu wydajności procesów usuwania ChZT i BZT5 ze ścieków pod koniec letniej serii pomiarowej. Przy względnie stałym zużyciu energii przez reaktor 3 zaobserwowany wzrost wydajności procesów przyczynił się do powstania tej nietypowej sytuacji. Pozostałe wielkości współczynników korelacji, nie pozwalają na jednoznaczne określenie charakteru zależności pomiędzy wielkością ładunku usuniętego, a zużyciem energii, są jednak na tyle duże, że nie można odrzucić możliwości istnienia proporcjonalnej zależności pomiędzy wielkością ładunku usuwanego, a zużyciem energii elektrycznej. Teoretyzowana zależność najprawdopodobniej istnieje, lecz jest na tyle słaba, że w warunkach rzeczywistych jest trudnoobserwowalna.

Analiza zebranych danych daje silne przesłanki wspierające przyjęte założenie, o istnieniu proporcjonalnej zależności pomiędzy wydajnością procesów usuwania zanieczyszczeń, a ich efektywnością energetyczną. Należy podkreślić, że w przypadku stałej wysokiej wydajności procesowej, obserwowane wielkości współczynników korelacji powinny być mniejsze niż w przypadku gdy wydajność procesów oczyszczania podlega pewnym wahaniom. Jest to sytuacja analogiczna jak w przypadku ustabilizowania wielkości porcji ścieków trafiających do rektora.

Nie stwierdzono mierzalnego wpływu warunków termicznych (temperatury otoczenia, lub temperatury ścieków) na efektywność procesów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków, a w konsekwencji na zużycie energii przez reaktory i efektywność energetyczną procesów oczyszczania ścieków. Nie można jednoznacznie wykluczyć wpływu tego czynnika na efektywność energetyczną reaktorów w przyszłości, jednakże w warunkach w jakich prowadzone były badania wpływ pozostałych czynników był przeważający. Wpływ pozostałych czynników był na tyle znaczący, że wydajność procesów usuwania azotu ze ścieków była wyraźnie większa w trakcie trwania zimowej serii pomiarowej w porównaniu do serii letniej.

Omówione powyżej czynniki, można zbiorczo, nazwać „czynnikami technologicznymi”, choć wielkość porcji ścieków można zaliczyć zarówno do grupy czynników technologicznych jak i czynników

„techniczno-eksploatacyjnych” (operator oczyszczalni zawsze ma, a przynajmniej powinien mieć pełną kontrolę nad wielkością porcji ścieków trafiającą do SBRów). Drugim czynnikiem o podobnie dualnym charakterze jest czas trwania fazy aktywnej reaktora. Czynnik ten wykazuje wysoką korelację z wielkością zużycia energii elektrycznej przez reaktor w fazie aktywnej (wielkości współczynnika korelacji w zakresie 0,83-0,95). W oderwaniu od pozostałych danych czynnik ten może służyć jedynie do stwierdzenia czy podczas trwania fazy aktywnej reaktora jedno, lub kilka z obsługujących reaktor urządzeń elektrycznych było aktywne lub nie. Przy sztucznie przedłużonym czasie przeznaczonym na sedymentację i dekantację ścieków oczyszczonych wartość współczynnika korelacji pomiędzy zużyciem energii a czasem trwania fazy aktywnej będzie maleć. Przy takim scenariuszu istnieje jednak

126 realne ryzyko zagniwania osadu czynnego, wtórnego zanieczyszczenia ścieków oczyszczonych i wystąpienia szeregu niekorzystnych zjawisk z tym związanych, które bardzo szybko wpłyną na pozostałe parametry jakościowe pracy obiektu. Stąd wykluczając sytuacje bardzo poważnych odstępstw od normy, należy się spodziewać wysokiej korelacji pomiędzy całkowitym czasem trwania fazy aktywnej pracy reaktora, a zużyciem energii elektrycznej przez tenże. Sumaryczny czas fazy aktywnej reaktora nie jest zatem niezbędny przy ocenie jego efektywności energetycznej w ujęciu technologicznym, dużo istotniejsza jest tu szczegółowa sekwencja pracy reaktora. Inaczej jest jednakże w ujęciu techniczno-eksploatacyjnym, łączny czas trwania fazy aktywnej, a raczej proporcja czasu faz aktywnej i pasywnej pracy reaktora mają istotne znaczenie dla efektywności energetycznej obiektu.

10.3 Zużycie energii, efektywność energetyczna obiektu w ujęciu