Ścieki jako źródło ciepła w oczyszczalniach ścieków

Abstrakt

Zapobieganie zmianom klimatu jest strategicznym priorytetem Unii Europejskiej. Aby ograniczyć emisję CO2 do atmosfery i przez to niekorzystny wpływ działalności człowieka na środowisko Parlament Europejski i Rada Unii Europejskiej opracowała i uchwaliła szereg dyrektyw. Poprawa efektywności energetycznej użytkowanych przez ludzi systemów jest priorytetowym zadaniem polityki Unii Europejskiej. W oczyszczalniach ścieków szeroko wykorzystywana jest energia uzyskiwana ze spalania otrzymywanych w nich: biogazu i osadów ściekowych, w niewielkim stopniu ciepło odzyskiwane ze ścieków. W artykule przedstawiono sposoby odzyskiwania ciepła ze ścieków i możliwości ich zastosowania w oczyszczalniach ścieków. Ciepło przekazywane w budynku zużywanej wodzie odprowadzane jest ze ściekami do kanalizacji i dalej do oczyszczalni ścieków. W większości oczyszczalni w Polsce, nie zostaje ono w żaden sposób zagospodarowane i odpływa z oczyszczonymi ściekami do odbiornika. Brak spożytkowania tego ciepła wynika z niskiej temperatury ścieków, jest ona wyższa od temperatury zimnej wody dostarczanej do budynków od kilku do kilkunastu stopni Celsjusza. Ogranicza to bardzo bezpośrednie wykorzystanie zawartego w nich ciepła za pomocą wymienników ciepła. W oczyszczalniach ścieków znajdują zastosowanie czynniki grzejne o wyższej temperaturze, potrzebne do ogrzewania, przygotowania ciepłej wody i na potrzeby technologiczne. Wyższą temperaturę podgrzewane go czynnika niż w wymiennikach ciepła można uzyskać za pomocą pomp ciepła, ścieki wtedy stanowią dla nich dolne źródło ciepła. Niestety temperatura ta nie może być zbyt wysoka ze względu na malejącą, wraz ze wzrostem temperatury w skraplaczu efektywność (współczynnik COP) pomp ciepła. Podstawą każdej analizy możliwości wykorzystania ciepła ze ścieków jest znajomość ich temperatury. Analizę przeprowadzono na przykładzie Oczyszczalni Ścieków Zdroje w Szczecinie, dla której, w poszczególnych dobach 2020 roku przedstawiono wyniki pomiarów temperatury ścieków. Pokazano też temperaturę wody ujmowanej w Ujęciu Miedwie zasilającym tereny spływu ścieków do tej Oczyszczalni, oraz średnią dobowej temperatury powietrza zewnętrznego. Dla poszczególnych miesięcy określono średnią dobową efektywność pozyskiwania ciepła za pomocą sprężarkowych pomp ciepła ze ścieków w oczyszczalni oraz z powietrza zewnętrznego. Efektywność pozyskiwania ciepła zależy od temperatury dolnego i górnego źródła ciepła. W artykule przedstawiono wyniki obliczeń efektywności, gdy dolnym źródłem ciepła są ścieki oraz powietrze zewnętrzne. Efektywność pozyskiwania ciepła ze ścieków jest większa niż w przypadku pozyskiwania ciepła z powietrza. Określono również względny wzrost efektywności pompy w przypadku gdy dolnym źródłem ciepła są ścieki a nie powietrze zewnętrzne.