Kommunal rening av avloppsvatten energihantering

Hållbar energihushållning inom avloppsvattensektorn tillämpar konceptet hållbar hushållning på energin som ingår i rening av avloppsvatten . Den energi som används av avloppsvattensektorn är vanligtvis den största delen av energin som förbrukas av stadsvatten- och avloppsverken. De stigande kostnaderna för el, bidraget till utsläppen av växthusgaser från energisektorn och det växande behovet av att mildra den globala uppvärmningen, driver avloppsvattenbolagen att tänka om sin energihantering, anta mer energieffektiva tekniker och processer och investera i förnybar energi på plats. generation.

Betydelse

Bland vatten- och avloppstjänsterna i en stad är avloppsrening vanligtvis den mest energiintensiva processen.

Avloppsreningsverk är utformade med syftet att behandla det inkommande avloppsvattnet till en bestämd kvalitet innan det släpps ut i en vattenförekomst igen, utan reell oro för energiförbrukningen för reningsenheterna i en anläggning. Dessa anläggningar spelar den viktiga rollen för att skydda inte bara vattensystemen utan också människors hälsa , och förhindrar utsläpp av patogener som normalt finns i det kommunala avloppet. Trots avloppsvattenanläggningarnas nyckelroll kan energiförbrukningen inte längre ignoreras på grund av dess bidrag till utsläppen av växthusgaser och behovet av att minska utsläppen för att mildra den globala uppvärmningen, som fastställdes genom Kyotoprotokollet 1997 och senast av Paris . Avtal . Dessutom råder osäkerhet kring energikostnaderna. Eftersom energikostnaderna för ett avloppsvattenverk representerar den näst högsta kostnaden efter arbete, skulle en ökning av energitakten ytterligare öka en kommuns driftsbudget och följaktligen servicepriserna för konsumenterna.

Därför är det viktigt för avloppssektorn att investera i strategier för att begränsa efterfrågan på energi från nätet för att minska både kostnader och utsläpp av växthusgaser.

Globala utmaningar

Befolkningstillväxt , urbanisering , klimatförändringar och ökande efterfrågan på naturresurser är bland de framtida största utmaningarna för den urbana avloppssektorn.

Befolkningstillväxt och urbanisering

Världens befolkning och befolkningstäthet i tätorter förväntas växa med 32 % respektive 66 % till 2050. En ökning av befolkningen förväntas öka mängden avloppsvatten och avloppsslam som kräver rening. För att hantera en större volym avlopps- och avloppsslam är det nödvändigt att uppgradera befintliga avloppsvattenanläggningar och uppsamlingsnäten för att samla upp, lagra och behandla den förväntade extra volymen. En ökning av volymen innebär därför höga framtida investeringskostnader för en sektor som har en låg kostnadstäckningsgrad. Som visat av Mizuta finns det dessutom ett direkt samband mellan mängden avloppsvatten som renas och energiförbrukningen i ett avloppsreningsverk. Därför förväntas en ökning av energiefterfrågan med uppgraderingen av befintliga avloppsvattenanläggningar och byggandet av nya för att klara framtida befolkningsökning.

Klimatförändring

Växthusgasutsläppen från mänskliga aktiviteter har nästan fördubblats mellan 1970 och 2010. Ökningen av växthusgaser hålls ansvarig för de klimatförändringar som har orsakat effekter på naturliga system över alla kontinenter och hav. I synnerhet har klimatförändringarna påverkat vattnets kretslopp , ökat nederbördsintensiteten och variationen, vilket på så sätt ökar riskerna för översvämningar och torka i många områden. De förändringar som har påverkat vattnets kretslopp har haft betydande effekter på de akvatiska ekosystemen, vilket ökar och förvärrar de stressfaktorer som redan påverkar dessa system. Näringsmängdsbelastning representerar en av dessa stressfaktorer eftersom det, med förändringen i nederbördsmönster, förväntas en betydande ökning av näringsämnen som kommer in i akvatiska ekosystem på grund av ökade erosionshändelser och frekventa översvämningar av avloppssystem. Eftersom avloppsreningsverk släpper ut det renade avloppsvattnet i akvatiska ekosystem , påverkar målnäringsbelastningen för dessa ekosystem graden av rening som ett reningsverk måste utföra på avloppsvattnet innan det får släppa ut det. Högre inhemska nivåer av näringsämnen i de mottagande vattendragen tvingar avloppsreningsverken att utföra strängare borttagning av näringsämnen från avloppsvattnet innan de kasseras. Förutom strängare utsläppsgränser kommer framtida standarder för för närvarande oreglerade föroreningar med största sannolikhet att införas. Kombinationen av strängare gränser och nya reningskrav kan ytterligare öka det redan betydande energibehovet för dessa anläggningar.

Befolkningstillväxt och klimatförändringar ökar energibehovet för avloppsvattenanläggningar. Eftersom fossila bränslen fortfarande är den mest spridda energikällan, och tillhandahåller mer än hälften av det globala energibehovet, är avloppsvattensektorn fortfarande starkt beroende av fossilbränslebaserade energikällor. El, till exempel, hämtas från elnätet medan gas och diesel vanligtvis används på plats för uppvärmning och för att driva reservgeneratorer . Hög förbrukning av fossilbränsleenergi gör avloppsvattensektorn till en indirekt bidragsgivare till utsläpp av växthusgaser eftersom fossila bränslen är en av de största utsläpparna av växthusgaser och bidrar med 65 % av CO 2 -utsläppen _globalt .

Resursåtervinning

Trycket att minska utsläppen av växthusgaser för att mildra klimatförändringarna och den ökande efterfrågan på naturresurser tvingar avloppsvattensektorn att utveckla innovativa och mer effektiva metoder för att fungera. Avloppsvatten innehåller energi, näringsämnen och andra organiska och oorganiska resurser som framgångsrikt kan återvinnas och användas i ett brett spektrum av tillämpningar. Energi kan återvinnas som biogas och värme. Biogas är en energikälla med ett brett användningsområde, medan värme har visat sig vara värdefullt för uppvärmning och kylning av byggnader. Bland näringsämnena fosfat återvinnas som struvit för gödningsmedel, en mycket viktig tillämpning eftersom fosfatresurserna är begränsade och uttömbara. Komposterat avloppsslam kan användas i jordbruksmiljöer och stadsträdgårdar som jordförbättring. Förutom energi och näringsämnen kan avloppsvattnet från avloppsreningsverken återanvändas som kvalitetsbevattningsvatten både i jordbruks- och landskapsapplikationer. Återanvändning av behandlat vatten är särskilt värdefullt i länder med begränsade nederbördshändelser eller långa perioder av torka . Alla dessa möjligheter förändrar visionen om avloppsvattenhantering och avloppsreningsverkens roll. Avloppsreningsverk har potential att inte bara behandla avloppsvattnet utan också att bli resursåtervinningsanläggningar

Energi

Effektiva strategier som antagits av avloppsvattenverk för att minska energiförbrukningen och beroendet av fossilbränslebaserade energikällor inkluderar ökad energieffektivitet och generering av förnybar energi på plats.

Energieffektivitet

Sedan erkännandet av antropogena orsaker till klimatförändringar i slutet av 1980-talet och identifieringen av energisektorn som en av de främsta bidragsgivarna, har det gjorts en global ansträngning för att undersöka energiförbrukningen av mänskliga aktiviteter och deras indirekta bidrag till utsläpp av växthusgaser. I Europa genomfördes energianalysen av avloppsvattensektorn med huvudsakligen två strategier. Tyskland (MURL, 1999) och Schweiz (BUWAL, 1994) utvecklade till exempel energihanteringsmanualer för avloppsreningsverk och minskade deras energiförbrukning med 38 % respektive 50 %. Dessa manualer gav avloppsvattenverken energimål att uppnå. Å andra sidan främjade Österrike 1999 benchmarking som möjliggjorde en årlig jämförelse av avloppsreningsverkens energiprestanda. Denna jämförelse stimulerade en konkurrens mellan avloppsreningsverken och strävan att förbättra deras effektivitet, vilket ledde till att Österrike var ett av de första länderna i världen att uppnå energineutralitet inom avloppsvattensektorn. Energibenchmarking-processen har gjort det möjligt för reningsverk för avloppsvatten att identifiera sina mest energikrävande tillgångar och möjliga ineffektiviteter, och rikta in dem för att minska sitt energibehov. Till exempel har ineffektiviteten i luftningsprocessen som identifierats av flera studier möjliggjort utvecklingen av mer energieffektiva oxidationsenheter, med en möjlig energibesparing på cirka 20 % till 50 % i vissa fall enligt Frijns och en EPA- studie .

Generering av förnybar energi

Ökad energieffektivitet har gjort det möjligt för avloppsreningsverk att följa utsläppsgränserna, vilket minskar energibehovet med upp till 50 % utan att påverka reningsprestandan. Energieffektivitetsstrategier i sig är dock inte tillräckliga för att uppnå oberoende från elnätet och fossilbränslebaserade energikällor. För att uppnå energineutralitet har flera studier tittat på möjligheten att integrera en mängd olika förnybara energikällor i avloppsreningsverk. Själva avloppsvattnet är en energibärare och en teoretisk beräkning, baserad på avloppets egenskaper, visar att sammansättningen av den inbäddade energin är 80 % termisk energi och 20 % kemisk energi. Den termiska energin kan återvinnas som värme medan den kemiska energin återvinns som biogas.

Generering av förnybar energi på plats, förutom ökad energieffektivitet, har redan gjort det möjligt för minst tolv anläggningar världen över att inte bara uppnå energineutralitet utan också producera mer energi än de behöver. Energieffektiviseringsprogram och förnybar energiproduktion har visat sig vara framgångsrika för att minska avloppsvattensektorns beroende av energinätet, minska reningskostnaderna och den miljöpåverkan som är förknippad med nätanslutningen.

Fördelar med förnybar energiproduktion på plats

Produktion och återvinning av energi på plats erbjuder många fördelar som bidrar till drift- och förvaltningskostnadsminskning av behandlingsprocesserna, intäktskälla, bidrag till avfallshanteringen och kostnaderna förknippade med det samt ökad motståndskraft vid strömbrist.

En av de främsta fördelarna med energiproduktion på plats är det mindre stränga beroendet av elnätet och kostnadsreduktionen i samband med det. Beroende på graden av förnybar energiproduktion kan avloppsreningsverk koppla från stamnätet när elen är som dyrast, vanligtvis under rusningstid och helt enkelt undvika det högre priset för dessa perioder. När inmatningstariffer är på plats kan avloppsreningsverken sälja el till nätet och minska kostnaderna genom kostnadstäckning av den sålda energin. I vissa fall erbjuder energiföretag program för efterfrågesvar , där ett avloppsvattenföretag ges ett ekonomiskt incitament om det kopplar bort på begäran av energiföretaget. Detta hjälper energibolagen att minska efterfrågan på energitopparna och minskar riskerna för strömavbrott, och det är en inkomstkälla för avloppsvattenverken.

I länder där ett mål för förnybar energi har införts gör produktionen av förnybar energi det möjligt för avloppsvattensektorn att få ett certifikat för varje kraftenhet de producerar. Certifikaten köps sedan av elhandlarna, som lämnar in dem varje år för att uppfylla reglerna för förnybar energi.

En annan fördel med produktion av förnybar energi, i synnerhet av biogas från avloppsslam , är bidraget till avfallshanteringen. I själva verket innebär återvinningen av den kemiska energin en minskning av avloppsslamvolymen. En mindre volym avloppsslam är billigare att transportera och bortskaffa, vilket minskar driftskostnaderna.

Dessutom kan en diversifierad portfölj av energikällor bidra till en mer motståndskraftig reaktion vid energibrist och nätproblem.

Hinder för produktion av förnybar energi på plats

Trots de många fördelarna som generering av förnybar energi på plats erbjuder, upplever avloppsvattenverken flera svårigheter med att integrera förnybar energi i sina anläggningar.

Från en undersökning gjord av Beca framkom att en av de största hindren är att energiproduktion inte är kärnverksamheten för avloppsvattenverk och projekt för förnybar energi kommer med tekniska utmaningar och höga initiala investeringskostnader. Dessutom uppvisar varje anläggning skillnader och det kräver en skräddarsydd lösning för varje situation, vilket gör det svårt att generalisera lösningen för hela sektorn. Det finns en brist på riktlinjer och färdplaner att följa, så varje kraftverk måste skapa specifika lösningar för sina avloppsreningsverk.

Det föränderliga priset på el kopplat till priset på fossila bränslen kan påverka avkastningstiden på investeringen samtidigt som det snabbt föränderliga regulatoriska panoramat ökar osäkerheten i investeringen och det ekonomiska värdet av den. Detta kan skapa en ohållbar situation, där investeringar i förnybara projekt endast kan ske när det finns subventioner från regeringen.

I den specifika situationen för biogasproduktion kan dålig förvaltning öka de flyktiga utsläppen av växthusgaser, vilket minskar miljöfördelarna med förnybar energiproduktion.