Изучение использования возобновляемых источников энергии для работы фильтра сверкания

Возобновляемая энергия быстро меняет ландшафт очистки сточных вод, предлагая экономию эксплуатационных расходов, экологические преимущества и энергетическую безопасность. Системы фильтрации, зрелая и широко используемая технология биологической очистки, не являются исключением. Поскольку коммунальные службы сталкиваются с ростом цен на электроэнергию и более строгими правилами выбросов, интеграция возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, ветер и биогаз, в операции фильтрации просачивания стала все более привлекательной стратегией. В этой статье рассматривается, как возобновляемая энергия может питать системы фильтрации просачивания, конкретные доступные технологии, преимущества и проблемы принятия и будущие перспективы устойчивого управления сточными водами.

Понимание технологии фильтрации и ее энергетического профиля

Фильтры для просеивания представляют собой фиксированные пленочные биологические реакторы, которые удаляют органическое вещество из сточных вод. Сточных вод равномерно распределяются по пласту среды (камень, пластик или синтетические материалы) вращающимся распределительным рукавом. Микроорганизмы, прикрепленные к среде, потребляют загрязняющие вещества по мере того, как вода просачивается вниз, а очищенный сток собирается внизу. Вторичные осветители затем отделяют биомассу от чистой воды.

Энергетические потребности установки фильтров для просачивания не так высоки, как у систем с активированным осадком, но они по-прежнему значительны. Первичные потребители энергии включают:
• Сырьевые насосные и подъемные станции.
• Вращающийся распределительный рычаг (часто приводимый в действие гидравлическим давлением или электродвигателем.
• Насосы для рециркуляции для повышения эффективности обработки.
• Аэрационные или вентиляционные воздуходувки (в закрытых системах управления запахом).
• Обработка осадка и обезвоживание оборудования.
• Освещение, приборы и здание HVAC.

Типичное потребление энергии для фильтрующих установок колеблется от 0,2 до 0,5 кВтч на кубический метр очищенных сточных вод в зависимости от размера установки и конкретных факторов участка. Хотя это и ниже, чем активированный ил, это использование энергии по-прежнему представляет собой значительную эксплуатационные расходы и источник выбросов парниковых газов при питании от электросети на основе ископаемого топлива.

Понимание энергетического профиля фильтрующей установки является первым шагом к определению того, какие технологии использования возобновляемых источников энергии могут быть наиболее эффективно интегрированы.

Обоснование использования возобновляемых источников энергии при очистке сточных вод

Переход на возобновляемые источники энергии соответствует глобальным целям в области устойчивого развития, нормативным мандатам и финансовым стимулам. Многие страны установили агрессивные цели в области углеродной нейтральности, и водный сектор испытывает все большее давление, чтобы уменьшить свой углеродный след. Кроме того, затраты на электроэнергию часто составляют 15-30% операционного бюджета водоканала. Производя собственную чистую энергию, объекты могут блокировать предсказуемые затраты на энергию и снижать воздействие нестабильных тарифов на коммунальные услуги.

Экологические выгоды также существенны. По оценкам Агентства по охране окружающей среды США (EPA), на сектор водоснабжения и сточных вод приходится около 3-4% потребления электроэнергии в стране, и значительная часть этого приходится на ископаемое топливо. Переход на возобновляемые источники энергии напрямую сокращает выбросы CO2, SO2 и NOx, а также снижает другие экологические последствия, связанные с производством энергии.

Помимо экологического случая, возобновляемая энергия повышает устойчивость . Очистка сточных вод является критически важной услугой; отключения электроэнергии могут вызвать необработанные разряды или отключения установок. Возобновляемая генерация на месте, особенно в сочетании с хранением энергии, может обеспечить резервную мощность во время сбоев в сети, обеспечивая непрерывную работу.

Варианты возобновляемой энергии для операций фильтрации фильтров

Несколько возобновляемых технологий хорошо подходят для интеграции с фильтрующими установками. Выбор зависит от местоположения площадки, доступной земли или пространства крыши, местного климата, существующей инфраструктуры и бюджета капитала.

Солнечные фотоэлектрические (PV) системы

Солнечные панели являются наиболее часто используемыми возобновляемыми технологиями в водном секторе. Очистные сооружения, как правило, имеют большие крыши, открытые земли (например, вокруг лагун или буферных зон) и парковочные зоны, которые могут принимать солнечные батареи. Достижения в эффективности фотоэлектрических панелей и снижение затрат - более 80% за последнее десятилетие - делают солнечную энергию экономически жизнеспособной для многих объектов.

Для установки фильтров для просачивания солнечная энергия может компенсировать дневные электрические нагрузки, такие как насосная и распределительная работа. С добавлением аккумулятора солнечная энергия может использоваться в несолнечные часы или продаваться обратно в сеть через программы чистого учета. Некоторые коммунальные службы установили солнечные фермы наземного монтажа на списанных свалках или прилегающих землях, генерируя достаточно энергии для покрытия 50-100% своих потребностей в электроэнергии.

Пример: на заводе по очистке сточных вод в Туларе, штат Калифорния, установлена солнечная фотоэлектрическая система мощностью 1,8 МВт, которая удовлетворяет 100% его электрического спроса, экономя более 250 000 долларов США в год. В то время как этот объект использует активированный ил, аналогичная экономика применяется к установкам фильтров для просачивания. Солнечные модули требуют минимального обслуживания и имеют срок полезного использования 25-30 лет, предлагая предсказуемую долгосрочную экономию.

Основные соображения: Структурная целостность крыши, затенение от деревьев или зданий, а также необходимость в инверторных и аккумуляторных системах. Ассоциация предприятий солнечной энергетики (SEIA) предоставляет сидячие и финансовые ресурсы для коммунальных служб.

Ветроэнергетическая интеграция

Ветровые турбины могут быть отличным источником возобновляемой энергии для фильтрующих установок, расположенных в районах с постоянной скоростью ветра (класс 3 или выше, > 6,5 м / с). турбины малого и среднего масштаба (10-100 кВт) могут быть установлены на месте для дополнения мощности сети. Большие турбины (1-2 МВт) могут быть осуществимы, если завод владеет достаточной землей для пробега.

Ветроэнергетика особенно ценна в ночное время или в зимние периоды, когда солнечная мощность низкая. Операции фильтрации работают 24/7, поэтому комбинированная система солнечного плюс ветра может сгладить доступность энергии. Однако ветряные турбины требуют тщательного сидения, чтобы избежать жалоб на шум, столкновений птиц и летучих мышей и помех радару или авиации. Необходимо разрешить и изучить взаимосвязь.

Несколько европейских коммунальных предприятий по очистке сточных вод приняли ветроэнергетику. Например, ассоциация по очистке сточных вод Emschergenossenschaft в Германии эксплуатирует несколько ветряных турбин, которые обеспечивают питание своих очистных сооружений, включая фильтры для просачивания. В США, городе Боулдер, штат Колорадо, установлена ветряная турбина мощностью 500 кВт на своей станции по очистке сточных вод, чтобы компенсировать 20% потребления электроэнергии.

Биогаз от анаэробного пищеварения

Хотя фильтры для просачивания сами по себе не производят биогаз, многие очистные сооружения, которые включают фильтры для просачивания, также имеют анаэробные дигестеры для обработки осадка. Пищеварение осадка генерирует биогаз, богатый метаном, который можно захватывать и использовать для топлива двигателей, микротурбин или котлов для производства электроэнергии и тепла. Комбинированные системы отопления и питания (СЭП) могут достичь общей эффективности 70-85%.

Системы биогаза-энергетики особенно привлекательны, потому что они превращают отходы в ценный ресурс, уменьшают выбросы метана (мощный парниковый газ) и обеспечивают надежный источник возобновляемой энергии с базовой нагрузкой, который не зависит от погоды.

Для фильтрующих установок без анаэробного переваривания альтернативным путем является совместное переваривание пищевых отходов или других органических исходных материалов для увеличения производства биогаза. Программа АГСТАР EPA предлагает руководство по разработке проекта по биогазу. Во многих регионах проекты по биогазу имеют право на сертификаты возобновляемой энергии (REC) и налоговые льготы.

Гидроэнергетика (Micro-Hydro)

Очистные сооружения имеют постоянные потоки воды, как в поступающем стоке, так и в исходящем сбросе. Там, где существуют значительные различия в высоте (например, на выходе из установки или в системе сбора), микрогидротурбины могут генерировать электроэнергию без затрат на топливо. Это высокоэффективная форма возобновляемой энергии - обычно 50-70% эффективности преобразования - с минимальным земельным следом.

Микро-гидроустановки требуют тщательного гидравлического анализа, чтобы обеспечить адекватный расход топлива. Выбор турбины (например, Francis, Kaplan или Cross-flow) зависит от условий участка. Несколько коммунальных предприятий на северо-западе Тихого океана и в Европе установили микро-гидросистемы на очищенных стоках, генерируя 50-200 кВт непрерывной мощности.

Даже небольшое количество гидроэлектростанции может компенсировать значительную часть энергии, вырабатываемой на насосной станции, которая использует фильтры для просачивания воды. Кроме того, гидроэнергия может быть объединена с солнечной или ветровой энергией для создания диверсифицированного портфеля возобновляемых источников энергии.

Преимущества использования возобновляемой энергии

Принятие возобновляемых источников энергии для работы фильтров дает широкий спектр преимуществ, от прямой экономии до улучшения отношений с общественностью.

Сокращение выбросов парниковых газов.] Каждый киловатт-час солнечной, ветровой или биогазовой электроэнергии вытесняет электроэнергию с электростанций на ископаемом топливе, сокращая выбросы углекислого газа и других веществ. Например, солнечная система мощностью 500 кВт может компенсировать примерно 300 метрических тонн CO2 в год.

Сокращение эксплуатационных расходов с течением времени.] После первоначальных капитальных вложений системы возобновляемой энергетики имеют очень низкие эксплуатационные расходы. Солнечные панели и ветряные турбины не имеют стоимости топлива и минимального обслуживания. Анализ стоимости жизненного цикла часто показывает периоды окупаемости 5-12 лет, за которыми следуют десятилетия по существу свободной энергии.

Укрепляет энергетическую независимость. На месте генерация снижает зависимость от сети и изолирует электростанции от роста цен на электроэнергию. Некоторые объекты достигают нулевого энергетического статуса, производя столько энергии, сколько они потребляют в течение года.

Поддерживает цели устойчивого развития.] Чистая энергия соответствует ЦУР 7 (Доступная и чистая энергия), ЦУР 13 (Климатические действия) и ЦУР 6 (Чистая вода и санитария).

Генерирует потоки доходов. Благодаря нетто-счету, фид-ин тарифам или продаже РЭЦ системы возобновляемых источников энергии могут создавать дополнительный доход. Некоторые коммунальные предприятия также имеют право на инвестиционные налоговые кредиты (ITC) или производственные налоговые кредиты (PTC), доступные в США.

Улучшает отношения с общественностью. Жители часто рассматривают установки по очистке сточных вод как экологические обязательства. Видимые солнечные батареи, ветряные турбины или установки для ТЭЦ на биогазе могут улучшить зеленый имидж завода и служить в качестве образовательных инструментов.

Эти преимущества усугубляются, когда интегрированы несколько возобновляемых технологий. Гибридная система - солнечная в течение дня, ветер ночью и биогаз или гидроэнергия в качестве базовой нагрузки - может обеспечить круглосуточную возобновляемую энергию, максимизируя экономию и минимизируя углеродный след объекта.

Преодоление проблем реализации

Несмотря на очевидные преимущества, необходимо устранить ряд барьеров для обеспечения успешных проектов в области возобновляемых источников энергии на фильтрующих установках.

Начальные инвестиционные затраты.] Солнечные батареи, ветровые турбины и биогазовые системы требуют значительного авансового капитала. Однако варианты финансирования многочисленны: гранты от государственных энергетических офисов, сельского развития Министерства сельского хозяйства США и Государственного возобновляемого фонда чистой воды EPA (CWSRF) могут помочь. Соглашения о покупке электроэнергии (PPA) позволяют сторонним компаниям приобретать электроэнергию по фиксированной ставке без авансовых затрат. Закон о сокращении инфляции 2022 года в США продлил и увеличил инвестиционные налоговые кредиты для проектов в области возобновляемых источников энергии, в том числе на водоснабжение.

Космос и ограничения на размещение.] У заводов по производству фильтров для просачивания часто есть ограниченная открытая земля, особенно в городских районах. Солнечная крыша является хорошей отправной точкой, но если требуется больше мощности, можно рассмотреть возможность использования земли за пределами площадки или двойного назначения (например, солнечные навесы над парковками). Ветровые турбины требуют значительных расстояний отступления; небольшие турбины с вертикальной осью имеют меньший след, но более низкую эффективность. Наземная солнечная установка над выбывшими из эксплуатации лагунами осадка является еще одним инновационным подходом.

Техническая экспертиза и разрешение. Проектирование и интеграция систем возобновляемой энергии требует специальных знаний. Полезному персоналу может потребоваться обучение или поддержка со стороны консультантов. Взаимодействие с электрической сетью включает в себя переговоры о коммунальных услугах и соблюдение технических стандартов. Раннее взаимодействие с местной коммунальной службой и квалифицированным разработчиком возобновляемых источников энергии имеет решающее значение.

Переменная выработка энергии.] Солнечная и ветровая энергия прерывистая. Системы хранения аккумуляторов становятся все более доступными и могут хранить избыточную энергию для использования в периоды низкой генерации. Альтернативно, растения могут использовать сеть в качестве резервной, но это снижает независимость и может повлечь за собой расходы на спрос. Биогаз и гидроэнергия обеспечивают прочную мощность, что делает их ценными дополнениями.

Многие коммунальные службы успешно сориентировались в этом вопросе; такие ресурсы, как программа энергоэффективности для водохозяйственных объектов EPA и Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) , предлагают техническую помощь и тематические исследования.

Будущее и новые тенденции

Ускоряется движение к возобновляемым источникам энергии в области очистки сточных вод. Несколько новых тенденций позволят предприятиям по производству фильтров для просачивания воды стать энергоположительными или чистыми нулевыми объектами.

Достижения в области хранения энергии.] Стоимость хранения литий-ионных аккумуляторов упала более чем на 80% с 2010 года. По мере того, как хранение становится дешевле, солнечная и ветровая энергия может быть отправлена предсказуемо, даже в часы пик, когда спрос на фильтры для просачивания может быть высоким. Потоковые батареи и хранение водорода являются вариантами более длительной работы на горизонте.

Искусственный интеллект и оптимизация энергопотребления. Алгоритмы машинного обучения могут анализировать данные в реальном времени с датчиков на насосах, двигателях и возобновляемых источниках энергии для оптимизации использования энергии. Например, скорость распределительного рычага или скорость рециркуляции могут быть скорректированы в соответствии с производством солнечной энергии, что снижает закупки энергосистем. Несколько водохозяйственных компаний пилотируют системы управления энергией на основе ИИ.

Интеграция с интеллектуальными микросетями.] Станции очистки сточных вод могут служить якорными клиентами для местных микросетей, которые включают в себя станции зарядки возобновляемых источников энергии, хранения и электромобилей. Это повышает устойчивость и может обеспечить аварийную мощность для критически важных объектов сообщества.

Биогазовая модернизация и возобновляемый природный газ (RNG).] Вместо сжигания биогаза в двигателе ТЭЦ очистные сооружения могут модернизировать его до трубопроводного качества RNG, который может продаваться в качестве топлива для транспортных средств или впрыскиваться в сеть природного газа. Проекты RNG могут генерировать дополнительный доход за счет кредитов Low Carbon Fuel Standard (LCFS) в таких штатах, как Калифорния и Орегон.

Копереваривание и восстановление ресурсов. Добавление пищевых отходов, жиров, масел и смазки (FOG) в анаэробные дижестиверы может увеличить производство биогаза на 50-200%. Это превращает завод в центр возобновляемой энергии, генерируя гораздо больше энергии, чем необходимо для процесса фильтрации просачивания.

Многие штаты США имеют стандарты портфеля возобновляемых источников энергии (RPS), которые стимулируют спрос на чистую энергию, а некоторые предлагают конкретные стимулы для проектов по строительству водных объектов. План действий по круговой экономике Европейского союза также поощряет повторное использование воды и восстановление энергии.

Заключение

Использование возобновляемых источников энергии предлагает убедительный путь для того, чтобы сделать операции фильтрации более устойчивыми, экономически эффективными и устойчивыми. Солнечная энергия, ветер, биогаз и микрогидроэнергетика могут быть адаптированы к конкретному энергетическому профилю каждой электростанции, снижая эксплуатационные расходы и воздействие на окружающую среду при одновременном повышении энергетической безопасности. Первоначальные инвестиции и технические препятствия реальны, но с растущим набором инструментов финансирования, ресурсов технической помощи и снижения технологических затрат барьеры ниже, чем когда-либо.

Сточных вод, которые сегодня используют возобновляемые источники энергии, будут лучше приспособлены к будущим нормативным требованиям, адаптируются к изменению климата и продемонстрируют лидерство в управлении окружающей средой в сообществе. Фильтр просачивания - вековая технология - может быть модернизирован с помощью чистой энергии для удовлетворения потребностей устойчивого водного будущего.