Odzysk ciepła ze ścieków oczyszczonych

W Polsce znajduje się około 1800 oczyszczalni ścieków komunalnych 1. Wiele z nich to nowoczesne obiekty wykorzystujące zaawansowane technologie, pozwalające na pozbycie się zanieczyszczeń zawartych w ściekach.

Zdjęcie nr 1 Oczyszczalnia ścieków 2

Odpowiednio oczyszczone ścieki, pozbawione wszelkich osadów i nieczystości oraz spełniające wszystkie rygorystyczne wymagania środowiskowe zazwyczaj trafiają do pobliskiej rzeki lub innego zbiornika wodnego. Dzieje się tak, dlatego że ścieki oczyszczone swoim składem chemicznym zbliżone są do II klasy czystości wód. W związku z czym „mogą być wykorzystywane, jako źródło zaopatrzenia w wodę hodowli zwierząt, do celów rekreacji, sportów wodnych i kąpielisk oraz do hodowli ryb z wyjątkiem łososiowatych”. 3

Ścieki oczyszczone są „odpadem” powstałym po całym procesie zachodzącym w oczyszczalni. Ze względu na ilość oraz temperaturę ścieki oczyszczone dysponują ogromnym potencjałem energetycznym, który w większości obiektów nie jest wykorzystywany.

Jednym z zastosowań ścieków oczyszczonych może być wykorzystanie ich przez lokalne zakłady ciepłownicze. Ze względu na wcześniej wspomniany potencjał energetyczny, ścieki oczyszczone są bardzo dobrym dolnym źródłem ciepła dla pomp ciepłą typu woda-woda. Odpowiednio przystosowane pompy ciepła umożliwiają bezpośrednią współpracę z siecią ciepłowniczą, co pozwala na poprawę efektywności całego systemu z wykorzystaniem OZE oraz ograniczenie emisji CO2.

Wysokotemperaturowa pompa ciepła typu woda-woda ChillHeat produkcji Oilon

Wysokotemperaturowe pompy ciepła typu woda-woda to urządzenia przeznaczone do zastosowania w przemyśle, hotelach, biurowcach oraz wszędzie tam, gdzie istnieje możliwość wykorzystania ciepła odpadowego (np. oczyszczalnie ścieków). Urządzenia pracują na czynnikach chłodniczych HFC o niskich współczynnikach GWP oraz ODP.

Dostępne są w trzech wariantach. W zależności od zastosowania istnieje możliwość wykorzystania sprężarek tłokowych, śrubowych oraz spiralnych (Copeland, Fusheng). Pojedyncza jednostka wyposażona jest w maksymalnie sześć kompresorów (w przypadku serii P). W celu płynnej regulacji mocy sprężarki mogą być wyposażone w inwertery.

Zdjęcie nr 2 Pompa ciepła ChillHeat Oilon: Seria P (z lewej), Seria S model 600+ (z prawej)

Każda jednostka wyposażona jest w subcooler z indywidualnymi przyłączami hydraulicznymi. Pozwala to na dodatkową poprawę efektywności oraz wzrost mocy cieplnej urządzenia. Urządzenia Oilon przystosowane są do pracy z wysokimi ciśnieniami roboczymi (powyżej 16 bar) oraz wysokimi różnicami temperatur na zasilaniu i powrocie do urządzenia, co daje możliwość bezpośredniego zasilania sieci.

Możliwość łączenia urządzeń w kaskady umożliwia tworzenie zestawów o łącznej mocy od kilkunastu kW do kilkudziesięciu MW.


Wykorzystanie ścieków oczyszczonych we współpracy z wysokotemperaturową pompą ciepła

Na wykresie poniżej przedstawiono przykładowy rozkład przepływu ścieków oczyszczonych w oczyszczalni ścieków obsługującej około trzydziestotysięczne miasto. W ciągu całego roku wartości przepływów utrzymują podobne wartości. Minimalna wartość przepływu ścieków oczyszczonych to 30,4 kg/s, maksymalna 97,8 kg/s, a średnia 68,2 kg/s.

Takie parametry ścieków oczyszczonych pozwalają na ich wykorzystanie, jako dolnego źródła ciepła dla wysokotemperaturowej pompy ciepła ChillHeat produkcji Oilon. Takie rozwiązanie umożliwia uzyskanie temperatury zasilania sieci na poziomie nawet 120 °C.

Temperatura ścieków oczyszczonych waha się od 12°C w okresie zimowym do 23°C w

okresie letnim.

Wykres nr 1 Przykładowy rozkład przepływu ścieków oczyszczonych w ciągu roku (źródło: materiały własne Gazuno)

Takie parametry ścieków oczyszczonych pozwalają na ich wykorzystanie, jako dolnego źródła ciepła dla wysokotemperaturowej pompy ciepła ChillHeat produkcji Oilon. Takie rozwiązanie umożliwia uzyskanie temperatury zasilania sieci na poziomie nawet 120°C.

W przypadku odzysku ciepła ze ścieków oczyszczonych jednostki powinny zostać dobrane na średni przepływ ścieków. Dobranie jednostek umożliwiających wykorzystanie maksymalnego przepływu w zdecydowanej większości przypadków będzie nieuzasadnione ekonomicznie oraz energetycznie.

Przykładowym rozwiązaniem w opisanej sytuacji może być zastosowanie dwóch zestawów składających się z trzech pomp ciepła Gazuno Oilon P450 każdy. Pierwsza z trzech szeregowo połączonych pomp ciepła w zestawie pracuje na czynniku R450A, pozostałe dwie na R1234ze. Takie rozwiązanie umożliwia produkcję wody grzewczej o temperaturze do 100°C. Każda z jednostek wyposażona jest w sprężarki inwerterowe, co zapewnia pełną możliwość regulacji wydajności i dopasowanie się do obecnie panującej sytuacji w sieci ciepłowniczej.

Schemat nr 1 Przykładowy schemat rozwiązania

Przy temperaturze -7°C zestaw umożliwia produkcję mocy grzewczej na poziomie 2,5 MW. Pozwala to na pokrycie znacznej części zapotrzebowania występującego na sieci. Ze względu na możliwość pracy z wysokimi różnicami temperatury zasilania i powrotu z urządzenia, jednostki pracują zgodnie z krzywą grzewczą systemu w ciągu całego okresu grzewczego.

Temperatura, do której schłodzimy ścieki nie będzie miała wpływu na sam proces oczyszczania. Z tego powodu nie ma dolnej granicy, która ograniczałaby proces odzysku ciepła. Należy jedynie pamiętać, aby nie doprowadzić do sytuacji, w której ścieki mogą zamarznąć.

Jako źródło szczytowe wykorzystywane byłyby obecnie istniejące kotły gazowe, natomiast ich stopień wykorzystania byłby dużo mniejszy – podstawę systemu stanowiłyby pompy ciepła.

W okresie letnim, kiedy pompy ciepła pracują z najwyższym współczynnikiem COP, są w stanie pokryć całkowite zapotrzebowanie na potrzeby c.w.u.

Zdjęcie nr 4 Parametry układu w zadanym punkcie pracy – temperatura zewnętrzna -10°C

Urządzenia Oilon przystosowane są do montażu wewnętrznego, co może stanowić wyzwanie w przypadku ich zastosowania w oczyszczalniach ścieków. Rozwiązaniem tego problemu jest możliwość zainstalowania urządzeń w kontenerach.

Zdjęcie nr 5 Pompa ciepła ChillHeat Oilon zainstalowana w kontenerze

Ważną kwestią jest również dobór wymiennika ciepła oddzielającego urządzenia od oczyszczonych ścieków. Pomimo tego, że ścieki pozbawione są cząstek stałych, ich skład chemiczny może powodować powstawanie osadu na wymienniku. Wymiennik ciepła powinien być przystosowany do pracy ze ściekami i sprawdzony pod kątem konkretnego zastosowania.

Oferta Gazuno

Gazuno posiada w ofercie również inne pompy ciepła, które bardzo dobrze spiszą się w zastosowaniu przemysłowym. Każdy przypadek rozpatrywany jest indywidualnie w celu znalezienia optymalnego rozwiązania.

Jeżeli są państwo zainteresowani zastosowaniem pomp ciepła w rozwiązaniach przemysłowych, zapraszamy do kontaktu.