Энергия сточных вод

ОСНОВНОЕ РУКОВОДСТВО: ЭНЕРГИЯ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД

Сточные воды, которые обычно воспринимаются как проблема, обладают значительным потенциалом в качестве возобновляемого источника энергии. В этом руководстве мы исследуем преимущества и ценность сточных вод, выходящие за рамки их традиционного восприятия как отходов.

Увидеть сточные воды за пределами отходов

Сточные воды, которые часто ошибочно воспринимаются как простые отходы, содержат ценные органические вещества, необходимые питательные вещества и богатые энергией соединения. Несмотря на негативное восприятие, ежедневно во всем мире образуются миллионы кубометров, что представляет собой огромный резервуар неиспользованных ресурсов для производства возобновляемой энергии и рекуперации ресурсов. Переход к признанию сточных вод ценным ресурсом, а не обременительным побочным продуктом, не только способствует экологической устойчивости, но и открывает многообещающие экономические возможности.

"Переход от линейной модели управления сточными водами к циклическому экономическому подходу обещает кардинальные изменения в очистке сточных вод".

Очистка сточных вод занимает центральное место в городской инфраструктуре и играет незаменимую роль в охране здоровья населения и сохранении целостности окружающей среды. Тем не менее, традиционные подходы к очистке сточных вод часто имеют узкую направленность, уделяя приоритетное внимание удалению загрязняющих веществ и патогенов, при этом упуская из виду скрытые ресурсы, заложенные в потоках сточных вод. Перенеся этот подход с управления отходами на повышение эффективности использования ресурсов, можно получить существенные экологические и экономические выгоды.

Переход от линейной модели управления сточными водами к циклическому подходу, при котором сточные воды рассматриваются как ценный вклад, а не как одноразовый продукт, обещает кардинальный сдвиг в методах очистки сточных вод.

Благодаря внедрению инновационных технологий и стратегий стратегического управления водоканалы могут использовать энергию, питательные вещества и органические вещества, присутствующие в сточных водах, для разработки устойчивых решений и содействия регенеративному подходу к использованию ресурсов.

Процессы, связанные с получением энергии из сточных вод: анаэробное сбраживание

Для использования энергии из сточных вод используется несколько процессов, каждый из которых использует различные механизмы для преобразования органического вещества в полезную энергию.

Анаэробное сбраживание - это биологический процесс, который происходит в среде, лишенной кислорода, где разнообразный консорциум микроорганизмов участвует в расщеплении органических веществ, присутствующих в сточных водах.

Эти микроорганизмы, включая бактерии и археи, управляют сложной серией биохимических реакций, превращая сложные органические соединения в более простые молекулы. Краеугольным камнем этого процесса является микробиологическое разложение органических веществ с образованием множества побочных продуктов, в первую очередь биогаза.

Биогаз, основной продукт анаэробного сбраживания, представляет собой газообразную смесь, состоящую в основном из метана и диоксида углерода, наряду со следовыми количествами других газов, таких как сероводород и азот. Этот универсальный источник энергии обладает огромным потенциалом для различных применений, являясь устойчивой альтернативой традиционному ископаемому топливу. Содержание метана в биогазе, в частности, делает его отличным кандидатом для использования в качестве топлива для отопления, промышленных процессов или выработки электроэнергии.

Используя энергию, запасенную в органических веществах, анаэробное сбраживание способствует сокращению объема твердых частиц в сточных водах и предлагает ощутимый путь к достижению энергетической самодостаточности.

Этот преобразующий процесс не только смягчает воздействие на окружающую среду, связанное с традиционной очисткой сточных вод, но и представляет собой жизнеспособный способ получения возобновляемой энергии в виде биогаза.

Микробиологические топливные элементы (МФК)

МФЦ меняют ландшафт очистки сточных вод и производства энергии. Используя возможности микробных сообществ, эти инновационные устройства с поразительной эффективностью преобразуют органические соединения, содержащиеся в сточных водах, в электричество.

В основе MFCS лежат симбиотические отношения между микроорганизмами и электродами. Поскольку микроорганизмы расщепляют органические вещества в сточных водах, они высвобождают электроны как естественный побочный продукт своих метаболических процессов. Затем эти электроны направляются по внешней цепи к электроду, генерируя электрический ток.

"Избыточной энергии достаточно для удовлетворения энергетических потребностей всего водного цикла".

Этот поток электронов, которому способствуют специализированные посредники или проводящие материалы, служит основой для выработки электроэнергии в МФУ. Результат? Чистая и возобновляемая энергия, которую можно использовать для множества применений, от питания мелкомасштабной электроники до пополнения электросети.

Но влияние МФЦ выходит за рамки традиционных очистных сооружений. Эти универсальные устройства предлагают перспективные решения для децентрализованных систем очистки сточных вод и автономного производства энергии. В отдаленных или ограниченных в ресурсах районах, где отсутствует централизованная инфраструктура, МФЦ обеспечивают устойчивый подход как к управлению сточными водами, так и к выработке энергии.

Используя энергетический потенциал, присущий сточным водам, МФЦ позволяют сообществам удовлетворять потребности в санитарии, одновременно производя экологически чистую электроэнергию.

Термический гидролиз

Термический гидролиз помогает обеспечить беспрецедентное извлечение энергии из органических веществ в сточных водах.

Органические соединения в сточных водах подвергаются воздействию высоких температур и давлений, вызывая реакции гидролиза, которые расщепляют сложные молекулы до более простых форм. Термическое разложение подготавливает органическое вещество для эффективного разложения микробами на последующих этапах очистки.

Ускоряя расщепление органических веществ, термический гидролиз ускоряет последующие процессы, такие как анаэробное сбраживание. Результат? Повышенная биодоступность осадка, что приводит к более высоким показателям производства биогаза и максимальному извлечению энергии из сточных вод.

Термический гидролиз также потенциально позволяет сократить объем осадка и повышает общую эффективность процесса. Расщепляя стойкие соединения, он облегчает эксплуатационные задачи и повышает экологичность систем очистки сточных вод.

Как работают энергосберегающие водоочистные сооружения

Энергосберегающие водоочистные сооружения работают, используя комбинацию самогенерирующих источников энергии и возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, ветряные турбины или гидроэлектростанции для выработки электроэнергии.

В своих процессах очистки они используют передовые и энергоэффективные технологии, включая высокоэффективные насосы, двигатели и системы фильтрации. Кроме того, некоторые установки используют анаэробное сбраживание для расщепления органических веществ, таких как осадок сточных вод, с получением биогаза, который можно улавливать и использовать в качестве возобновляемого источника энергии.

"В совокупности эти инициативы позволили снизить потребление электроэнергии примерно на 1 ГВт-ч в год".

Комбинированные системы теплоэнергетики (ТЭЦ) часто интегрируются для одновременного производства электроэнергии и тепла из одного источника топлива, что обеспечивает максимальную энергоэффективность. Эти установки могут также включать технологии для извлечения энергии из самих сточных вод, такие как микрогидротурбины, которые вырабатывают электроэнергию за счет потока сточных вод по трубам.

Для непрерывного мониторинга потребления и производства энергии используются сложные системы мониторинга и управления, позволяющие операторам определять области для улучшения и максимального повышения энергоэффективности.

Модернизация за 165 миллионов евро позволит станции очистки сточных вод на юге Франции вырабатывать в два раза больше энергии, чем потребляет, а также воды для сельского хозяйства и промышленности.

Ведущие коммунальные предприятия: Орхус Ванд

Несколько стран и коммунальных предприятий приняли концепцию выработки энергии из сточных вод, внедряя инновационные технологии и стратегии для максимального извлечения ресурсов.

Датская водоканальная компания "Орхус Ванд" эксплуатирует энергосберегающую станцию очистки сточных вод. Благодаря усовершенствованным системам анаэробного сбраживания и комбинированной теплоэнергетики (ТЭЦ) водоканал не только выходит на самообеспечение, но и вырабатывает избыточную энергию.

За последнее десятилетие на станции очистки сточных вод в Марселисборге коммунальным предприятиям удалось сократить потребление электроэнергии на 25%. Одновременно увеличилось производство энергии, в результате чего станция теперь производит на 50% больше электроэнергии, чем потребляет.

Избыточной энергии достаточно для удовлетворения энергетических потребностей всего водного цикла, включая производство, распределение питьевой воды, а также сбор и очистку сточных вод.

Компания Aarhus Vand внедрила различные энергосберегающие технологии для достижения этих результатов. К ним относятся усовершенствованная система управления SCADA, новый турбокомпрессор, очистка осадка на основе процесса anammox и оптимизация системы мелкопузырчатой аэрации.

В совокупности эти инициативы позволили снизить потребление электроэнергии примерно на 1 ГВт-ч в год. Кроме того, предприятие значительно улучшило производство энергии за счет внедрения энергоэффективных биогазовых двигателей на ТЭЦ. Кроме того, был установлен теплообменник с целью подачи избыточного тепла в сеть централизованного теплоснабжения, что составляет около 2 ГВт-ч в год.

Подход Орхус Ванд подчеркивает эффективность и рентабельность очистки сточных вод на более крупных объектах. Объединяя операции на меньшем количестве, но более крупных установках, организация не только снижает эксплуатационные расходы и техническое обслуживание, но и упрощает процессы управления.

Кроме того, внедрение энергосберегающих технологий оказывается разумной инвестицией, приводящей как к финансовой экономии, так и к снижению воздействия на окружающую среду.

Ведущие коммунальные предприятия: Hamburg Wasser

Между тем немецкое коммунальное предприятие Hamburg Wasser также добилось значительных успехов в производстве энергии из сточных вод. Используя передовые технологии анаэробного сбраживания и внедряя эффективные процессы очистки осадка, предприятие минимизирует потребление энергии при максимальной ее рекуперации. Интеграция возобновляемых источников энергии, таких как биогаз и солнечная энергия, еще больше повышает устойчивость операций по очистке сточных вод.

Инновационные подходы, принятые Hamburg Wasser, работают за счет разделения трех отдельных потоков сточных вод: черной воды из туалетов, серой воды из душевых кабин и умывальников и дождевой воды. Эти потоки собираются и обрабатываются отдельно, с акцентом на очистку черной воды в качестве основного элемента.

"Избыточной энергии достаточно для удовлетворения энергетических потребностей всего водного цикла".

Используя вакуумную сеть протяженностью 3,7 км, черная вода из туалетов транспортируется на склад, расположенный в промышленном парке Дженфельдер, Австралия. Здесь он подвергается ферментации вместе с сопутствующим субстратом в ферментере, в результате чего получается биогаз. Затем биогаз преобразуется в электроэнергию и тепло с помощью комбинированной теплоэлектростанции.

Этот процесс дает примерно 450 000 киловатт-часов электроэнергии и 690 000 киловатт-часов тепла в год, что эквивалентно энергетическим потребностям 225 домохозяйств в электроэнергии и 70 домохозяйств в тепле, исходя из среднего потребления в Гамбурге.

“Такой подход не только сокращает выбросы CO2, но и обеспечивает самодостаточность в энергоснабжении района, в котором он работает”, - сказала Натали Лерой, доктор медицинских наук из Hamburg Wasser.

Сингапур и США

Национальное агентство водных ресурсов Сингапура PUB внедрило инновационные технологии для максимального извлечения ресурсов из сточных вод. Проект Tuas Nexus, завершение которого запланировано на 2025 год, объединяет очистку сточных вод с энергетикой и производством продуктов питания.

Объединяя очистные сооружения с установками по рекультивации воды и системами производства возобновляемой энергии, PUB стремится достичь большей энергетической самодостаточности и оптимизации ресурсов.

"Используя потенциал возобновляемых источников энергии в потоках сточных вод, водоканалы могут сыграть решающую роль в продвижении переходного процесса".

Тем временем Агентство по охране окружающей среды США (EPA) также поддерживает инициативы в области исследований и разработок, направленные на повышение выработки энергии из сточных вод.

Посредством таких программ, как Закон о финансировании водной инфраструктуры и инновациях (WIFIA) и Государственный возобновляемый фонд чистой воды (CWSRF), EPA предоставляет финансирование и техническую помощь водоканалам, стремящимся внедрить технологии рекуперации энергии. Эти инициативы способствуют инновациям и устойчивому развитию в водном секторе, способствуя внедрению решений в области возобновляемых источников энергии.

Будущее энергетики сточных вод

Происходит смена парадигмы, когда сточные воды рассматриваются не просто как отходы, а как ценный ресурс для производства возобновляемой энергии. Этот сдвиг знаменует собой поворотный момент в управлении окружающей средой, демонстрируя неиспользованный потенциал очистных сооружений для устойчивого производства энергии.

Внедряя инновационные технологии, такие как анаэробное сбраживание, микробиологические топливные элементы и термический гидролиз, водоканалы по всему миру превращают свои объекты в центры повышения энергоэффективности. Эти достижения не только удовлетворяют собственные потребности в энергии, но и вносят излишки энергии в сеть, прокладывая путь к более устойчивому и низкоуглеродному будущему.

Вдохновленные историями успеха таких коммунальных предприятий, как Aarhus Vand в Дании и Hamburg Wasser в Германии, осуществимость и ощутимые выгоды производства энергии из сточных вод становятся все более очевидными. Эти инициативы подчеркивают преобразующее воздействие внедрения принципов экономики замкнутого цикла в управлении сточными водами, превращая обязательства в активы для устойчивого развития.

В условиях острой необходимости борьбы с изменением климата сточные воды являются многообещающим решением, обеспечивающим экологические и экономические выгоды в глобальном масштабе. Используя потенциал возобновляемых источников энергии в потоках сточных вод, водоканалы могут сыграть решающую роль в продвижении перехода к более устойчивому энергетическому будущему.