Staten, kommunerne og forsyningsvirksomhederne er i fuld gang med at se på mulighederne for at få Danmark i mål med den såkaldte 20-20-20 aftale indgået mellem EU-landene i Berlin i 2007. Aftalen indebærer, at alle EU-lande har forpligtiget sig til at reducere deres CO2-udledning med minimum 20% og øge andelen af vedvarende energi til minimum 20% inden 2020.
Forsyningsvirksomhederne spiller her en vigtig rolle, da danske renseanlæg er blandt de store energisyndere, og historisk set har spildevandsrensning altid haft et stort ressourceforbrug, en stor udledning af CO2 og en stor affaldsproduktion i form af spildevandsslam.
Der er derfor nu stor fokus på hvor meget energi, der kan hentes ud af spildevandet, og der spekuleres af mange rådgivere og leverandører i om renseanlæggene kan blive energineutrale eller endda direkte energiproducenter.
For at få svar på dette spørgsmål sammensatte Krüger i sommeren 2010 en intern specialistgruppe, der skulle klarlægge hvor meget nutidig teknologi kan forbedre energibalancen på et ganske almindeligt renseanlæg.
Referenceanlægget
Gruppens arbejde tog udgangspunkt i et referenceanlæg belastet med "normalt" sammensat husspildevand, det vil sige spildevand med et C:N forhold på 10-12 (forholdet mellem spildevandets indehold af organisk stof og kvælstof)[1].
Energiforbruget (opgjort som elforbrug) skulle ligeledes være repræsentativt, så det baseredes på DONG's undersøgelse fra 2002, hvor et typisk dansk renseanlæg - uden primær bundfældningstank, med overfladebeluftere og uden energi indvinding fra slamudrådning - forbruger ca. 52 kWh/år pr. personækvivalent (PE)..
Første skridt - mere slam!
Specialistgruppens første tiltag på referenceanlægget, og dermed første skridt mod det energiproducerende renseanlæg, var at få produceret så meget primærslam og aktivt slam til udrådning som muligt. En stor slamproduktion er nødvendig af følgende årsager;
- Slammet repræsenterer det største energipotentiale på renseanlægget, så jo mere slam, des større energipotentiale
- Jo mere slam der tages fra spildevandet, jo mindre energi bruges der på at omdanne spildevandets organiske stof til CO2.
Med andre vil der for hvert kg CO2, der ikke produceres i forbindelse med spildevandsrensningen, være en potentiel mulighed for at producere mere gas, og dermed grøn energi. Der foreligger altså et væsentligt uudnyttet energipotentiale for referenceanlægget taget i betragtning af, at den organiske fraktion i normalt sammensat husspildevand udgør ca. 80 % af det samlede iltforbrug i referenceanlæggets biologiske behandlingsdel, og at mere end halvdelen af dette iltforbrug kan betegnes som en procesteknisk overflødig omsætning af organisk stof til CO2.
Svenske renseanlæg er i dag storleverandører af "fordonsgas", det vil sige gas, der bruges som brændstof til biler. Gasproduktionen er øget ved blandt andet at fælde kraftigt i primærtankene, for herved at maksimere produktionen af primærslam til slamudrådningen. Energimæssigt er dette en rigtig god idé - lavt energiforbrug i luftningstankene og stor gasproduktion.
Dog har mange svenske renseanlæg overskredet en grænse, hvor der tages så meget organisk stof ud af spildevandet, så at blandt andet kvælstoffjernelsen ikke forløber tilfredsstillende. De nye skærpede kvælstofkrav fra EU stiller derfor svenskerne i et dilemma - mindre gas eller bedre kvælstofreduktion? Udfordringen er på de fleste renseanlæg løst med en efterdenitrifikation, hvor store mængder af COD-holdige produkter doseres til de biologiske processer.
På baggrund af eksemplet fra Sverige gælder det altså om at finde en mellemvej, hvor både spildevandsrensningens kvalitet og energiproduktionen tilgodeses. Betingelsen er derfor at levere præcis den mængde organisk stof til den biologiske behandlingsdel, der er nødvendig - ikke ét gram mere.
En særdeles velegnet løsning er den nyeste generation af værktøjer til onlinestyring, der er kendetegnet ved at ligge i et niveau over SCADA systemet - og ikke i PLC niveau - som tilfældet er mange steder i dag.
Styringskompleksiteten, hvad angår algoritmer og databehandling, er således ikke længere begrænset til PLC'ens muligheder. Resultatet er mere intelligent og skarpere styring af de mikrobiologiske processer, der kan presses endnu mere end før, hvilket gør det langt nemmere at tilgodese både gasproduktion og en stabil, effektiv kvælstoffjernelse.
Den intelligente onlinestyring vil få følgende opgaver:
- Design af spildevand med det formål at sikre mest mulig primærslam uden samtidig at forringe spildevandsrensningen
- Maksimering af aktivt slamproduktionen fra den biologiske behandling uden samtidig at forringe spildevandsrensningen
Tiltagene betyder, at referenceanlæggets energibalance forbedres væsentligt og elforbruget falder fra 52 til 36 kWh/PE/år. En gasmotor til intern produktion af el vil reducere renseanlæggets netto-elforbrug til 13 kWh/PE/år. Det er en gevinst der er til at føle.
Renseanlæg der ikke har muligheden for at producere primærslam og udrådne slammet anbefales at overveje alternativet. En ny forbehandling kunne eksempelvis være i form af en primærtank eller et kompakt filteranlæg. Også de mindre renseanlæg kan være med her. Der findes i dag filterenheder og mini-rådnetanke, der er skræddersyede til renseanlæg ned til 7.000 PE! De større renseanlæg opfordres til at integrere en intelligent onlinestyring og udføre de nødvendige øvrige tiltag, der skal til for at designe spildevandet helt til grænsen.
Næste skridt - mere energi ud af slammet
At komme det energiproducerende renseanlæg et skridt nærmere kræver en teknologi, der kan få endnu mere energi ud af slammet end ved nutidens konventionelle slamudrådning.
Der findes allerede i dag mange teknologier til at øge gasproduktionen fra slam, og langt de fleste er baseret på at slammet "slås i stykker" før det ledes til rådnetanken, for herved at gøre det organiske stof mere tilgængeligt for de gasproducerende bakterier.
Imidlertid var det nærliggende for Krügers interne specialistgruppe at tage udgangspunkt i et nyt koncept, der er udviklet af Krüger og som netop nu afprøves på Hillerød Renseanlæg. Konceptet indeholder en 1. udrådning efterfulgt af en afvanding samt termisk hydrolyse ved 160 °C, hvorefter slammet gennemgår en 2. udrådning (DLDTM - Digester Lysis Digester). Specialistgruppen har konservativt antaget at denne proces ville øge den konventionelle gasproduktion med 25 % selv om forventningerne til DLD-processen er langt højere.
Med en dobbelt udrådning vil den interne belastning fra rejektvandet blive endnu højere end den i forvejen er, hvorfor der skal tænkes i decentral rejektvandsbehandling primært for at aflaste den biologiske behandlingsdel. Det har her vist sig at være en fordel at anvende den såkaldte deammonifikationsproces i kombination med flydende bæremateriale (MBBR teknologi), der er særdeles velegnet til at behandle "varmt" spildevand med højt ammoniumindhold (> 200 mg/l). Energimæssigt vil der være tale om en halvering af det iltforbrug, der ellers skulle være brugt til at behandle rejektvandet i den biologiske behandlingsdel.
Tiltagene i det andet skridt på vejen til en bedre energibalance medfører at elforbruget, der efter tiltagene i første skridt kom ned på 13 kWh/PE/år nu er kommet ned på ca. 6 kWh/PE/år. Det endelige niveau afgøres af den ekstra gasproduktion, der kan hentes ud af slammet, for eksempel via DLD processen.
Det energineutrale renseanlæg
De to første skridt har reduceret elforbruget på referenceanlægget fra 52 til 6 kWh/PE/år, og anlægget er dermed meget tæt på at blive energineutralt. Til gengæld er grænsen for hvad der energimæssigt kan hentes ud af normalt sammensat husspildevand også nået.
Næste øvelse for Krügers interne specialistgruppe var derfor at finde nye veje til at opnå en yderligere forbedret energibalance på referenceanlægget. Valget faldt på følgende initiativer, der hver især vil medføre energineutralitet:
- Nyt design af luftningstanke og -udstyr
- Brændselsceller i stedet for gasmotor
I beluftningen i den biologiske behandlingsdel anvender referenceanlægget overfladebeluftere i form af rotorer, hvor luften piskes ned i ca. 3-4 m dybe procestanke udformet som ringkanaler. Rotorerne kan producere ca. 1,8 kg O2 pr. kWh, hvis de kører med optimal neddykning, og ca. 1,6 kg O2 pr. kWh, hvis de ikke er optimerede.
En ombygning af procestankene til dybe tanke (6-8 m for mindre anlæg og 10-12 m for store) vil i kombination med et stort antal membrandiffusorer, der dækker så meget af bundarealet som muligt, kunne øge energiudnyttelsen til ca. 4,0 kg O2 pr. kWh.
Det er her vigtigt at vælge den rigtige blæsertype, da en kapselblæser bliver ineffektiv ved vanddybder over 4 m, hvorimod en turboblæser er langt højere grad bevarer effektiviteten ved store vanddybder. Turboblæseren kan anvendes på renseanlæg med en kapacitet ned til 7.000 PE, og de fleste kan derfor godt være med i dette tiltag.
Hvis der tages højde for bundbeluftningens dårligere iltoverførsel fra luft til spildevandet (alfafaktoren), svarer den samlede energibesparelse på beluftningen til ca. 48 %. Besparelsespotentialet bekræftes af mange undersøgelser, blandt andet også af en undersøgelse lavet af DANVA og Energisparefonden i 2008, hvor der refereres til et tysk renseanlæg, der opnåede en besparelse på 52 % ved skift fra overflade- til bundbeluftning i 4,5 m dybe procestanke.
Nærværende besparelse er tilknyttet en stor anlægsinvestering, og kan derfor forekomme uhensigtsmæssig for mange renseanlæg. Det er dog vigtigt, at designet af procestankene og beluftningsudstyret overvejes, når de eksisterende bygværker engang er nedslidte, eller i forbindelse med etableringen af et barmarksanlæg.
En anden måde at blive energineutral på er ved at forbedre udnyttelsen af renseanlæggets gasproduktion. I dag anvendes gasmotorer med en samlet virkningsgrad på ca. 80 %. Virkningsgraden til el kan på de nyeste modeller med den rette vedligeholdelse, tvinges op på noget der ligner 35-37 %. Resten af energien produceres som varme.
Gasmotorer vil sandsynligvis i nærmeste fremtid blive erstattet af brændselsceller, der producerer strøm ved at omdanne brint til vand. Man er blandt andet på Risø kommet langt, og et konservativt bud er, at el-virkningsgraden vil ligge på omkring 48 %. Denne bedre eludnyttelse er tilstrækkelig for vores referenceanlæg til at blive energineutral. Brændselscellerne er forbundet med mange ubesvarede spørgsmål, så som pris og levetid, men man undgår altså den store anlægsinvestering i en ny biologisk behandlingsdel.
Det energiproducerende renseanlæg
I det sidste skridt hen imod det energiproducerende renseanlæg er det nødvendigt at sortere små renseanlæg fra. Herudover må det antages, at renseanlæggets nye funktion vil forpligte i en sådan grad, at energiproduktionen ikke længere skal begrænses af spildevandsrensningen på basis af normalt sammensat husspildevand.
Krügers specialistgruppe valgte derfor at se på, hvor meget primærslam, der fysisk er muligt at tage ud af spildevandet ved anvendelse af en primærtank suppleret med kemisk fældning. Funktionen af de biologiske processer skulle herefter opretholdes ved dosering af en ekstern kulstofkilde.
Tiltaget medfører, at produktionen af primærslam øges med 20-25 %. Det heraf følgende behov for eksternt kulstof udgør ca. 6 kg COD/PE/år. Det skal her bemærkes, at det ekstra behov for kulstof allerede kan være inkluderet i råspildevandet. Det kræver blot et C:N forhold på 15-16 i stedet for de 10-12, der kendetegner normalt sammensat husspildevand.
Hvis referenceanlægget herudover gøres til et superanlæg, der både inkluderer nye dybe procestanke og brændselsceller, er det muligt at øge el produktionen på referenceanlægget til ca. 16 kWh/PE/år.
Den overskydende varmeproduktion kan udnyttes til at forsyne en del af et slamtørringsanlæg. Resten af varmebehovet dækkes af et hedoliekedel, der så forbruger noget af den producerede strøm. Gevinsten ved dette tiltag er, at renseanlægget producerer biobrændsel af høj kvalitet, der på et kraftvarmeværk vil resultere i en energiproduktion på ca. 15 kWh/PE/år. Sammenlagt vil referenceanlægget med slamtørring og slamforbrænding kunne resultere i en elproduktion på ca. 23 kWh/PE/år.
Et renseanlæg på 100.000 PE vil således være i stand til at forsyne ca. 550 husstande med strøm. Det er derfor ikke upassende at omdøbe fremtidens renseanlæg til kraftværk.
Konklusion
Krügers specialistgruppe har vist, at det er muligt at komme i mål med det energiproducerende renseanlæg. Vejen er ikke billig og ligetil hvis man vælger at tage hele turen. Men hvem siger at man skal gå hele vejen? Det må være op til de enkelte forsyningsvirksomheder at afgøre hvorvidt og hvor langt man vil gå.
Konklusionen er også at Danmarks eksisterende renseanlæg - store som små - kan blive energineutrale. Der foreligger ikke umiddelbart et økonomisk incitament i dette skridt, men renseanlæggene kan være vejen til at kommunerne og Danmark når EU's miljømål for udledningen af CO2 i 2020.
En anden vigtig ting at fremhæve må være, at forsyningerne i forbindelse med deres fremtidige strukturplanlægning inkluderer de nye muligheder og den nye viden, der findes. Her tænkes specielt på centraliseringsplanerne, hvor renseanlæggene bliver større og måske skal bygges fra bunden som barmarksanlæg. Både nye og eksisterende store renseanlæg kan blive aktive medspillere i fremtidens energiforsyning!
[1]Spildevandets C:N forhold er en vigtig forudsætning, da det organiske stof repræsenterer den potentielle energiressource der findes i spildevandet, hvorfor et højt C:N forhold vil forbedre muligheden for at opnå en god energi- og CO2 balance på renseanlægget. Et lavt C:N forhold vil derimod gøre det sværere at komme i mål.
