Elbesparelse ved integreret optimering af processer og bundbeluftning i kommunale og industrielle renseanlæg

Elbesparelse ved integreret optimering af processer og bundbeluftning i kommunale og industrielle renseanlæg Energistyrelsen, ENS Journalnr. 127-0031. Område: Produkter og industrielle processer Endelig Rapport

Elbesparelse ved integreret optimering af processer og bundbeluftning i kommunale og industrielle renseanlæg Agern Allé 11 2970 Hørsholm Tlf: 4516 9200 Fax: 4516 9292 Afd. fax: E-mail: dhi@dhi.dk Web: www.dhi.dk Klient Klientens repræsentant Energistyrelsen. Område: Produkter og industrielle processer Projekt Projekt nr. Elbesparelse ved integreret optimering af processer og bundbeluftning i kommunale og industrielle renseanlæg ENS Journalnr. 127-0031 DHI nr.: 80042 Forfattere Bjarne Langdahl Riis, Peter Andreasen Dato Januar 2003 Godkendt af PEA Endelig Rapport Revision Beskrivelse Udført Kontrolleret Godkendt Dato Nøgleord Klassifikation Åben Intern Tilhører klienten Distribution Energistyrelsen, ENS Journalnr. 127-0031. Område: Produkter og industrielle processer DHI: Antal kopier

INDHOLDSFORTEGNELSE 1 FORORD... 2 2 ABSTRACT... 3 3 INDLEDNING... 4 3.1 Målgrupper og anvendelse af projektets resultater... 4 4 BESPARELSESPOTENTIALER... 5 4.1 Målemetode... 5 4.2 Identifikation af besparelsespotentialer... 5 4.3 Potentielle besparelser på driftsenheder... 8 4.3.1 Optimering af energiforbruget ved korrekt indstilling af ilt-setpunktet... 8 4.3.2 Betydning af bioreaktorens dybde på energiforbruget... 8 4.3.3 Betydning af diffusorernes beskaffenhed på energiforbruget... 9 4.4 Samlet vurdering af mulige besparelser... 9 5 BARRIERER FOR IMPLEMENTERING AF ENERGIBESPARENDE TILTAG... 10 6 REFERENCER... 11 BILAG A B C D Respirometer. Udvikling og test af udstyr til realtidsmåling af iltningseffektivitet af bundbeluftere Iltoverførselseffektivitet på Danisco Cultor. Undersøgelser, konklusioner og implementeringer af energibesparende tiltag Iltoverførselseffektivitet på Randers Centralrenseanlæg. Betydning af iltkoncentration, styring og placering af diffusorer Iltningseffektivitet på Odder renseanlæg. Energikortlægning og iltkoncentrationens betydning for energiforbruget i DHI - Institut for Vand og Miljø

1 FORORD Rapporten er udarbejdet med støtte fra Miljø- og Energiministeriets Energiforskningsprogram (EFP2001) under området Produkter og Industrielle Processer. Projektet efterfølger den tidligere undersøgelse Energibesparelse på renseanlæg ved integreret optimering af processer og energiudnyttelse, 2000, hvor en række kommunale renseanlæg blev undersøgt med henblik på energioptimering. I denne undersøgelse blev der fundet besparelsespotentialer i størrelsesordenen 15 til 50%, afhængigt af den aktuelle driftssituation på de enkelte anlæg. I den tidligere undersøgelse blev der fokuseret på besparelsespotentialer for beluftningsudstyr i form af overfladebeluftere. Formålet med dette projekt er at dokumentere besparelsespotentialer ved specifikt at undersøge drift af bundbeluftere. Forventningen er, at der kan opnås besparelser i størrelsesordenen 20% på energiforbruget ved at integrere procesoptimering med optimering af beluftningsudstyr. Projektet er udført i samarbejde med: Danisco Cultor DAKA Randers Centralrenseanlæg Odder Spildevandscenter Novozymes DHI - Institut for Vand og Miljø DHI har været projektleder på projektet. 2 DHI - Institut for Vand og Miljø

2 ABSTRACT Municipal and industrial wastewater treatment plants (WWTPs) have a significant energy consumption. Alone the municipal plants account for around 1% of the total Danish electricity consumption of 32,000 GWh. Aeration is the main consumer normally accounting for at least 50% and thus the main factor to investigate in order to achieve high energy savings. Previous investigations of electricity savings made it probable that the energy demand of existing equipment and processes at advanced WWTPs could be reduced in the order of 10-40% /1/. In these studies, only surface aerators were investigated due to lack of reliable equipment for real-time measurements of oxygen efficiency of bottom blowers. An objective of this study was to develop reliable equipment capable of measuring parameters necessary for calculating the efficiency of bottom blowers. Measurements of these parameters in a combination with energy and process audits the project aims, subsequently, to identify methods that can improve energy efficiency without reducing the purification processes of WWTPs. For the studies 2 industrial and 2 municipal WWTPs participated and through investigations at these plants it was made probable that the energy consumption could be reduced as described in table 2.1. Due to the goal of finding energy saving potentials of around 20% of the energy consumption the investigation thereby fulfils the expectations. Estimate of potential saving (% of the total electricity consumption) Optimisation of oxygen-set-point in relation to 10 20% sludge load Optimisation of oxygen set-point in relation to 0 10% the depth of the bioreactor Cleaning procedure of diffusers 0 15% Table 2.1. Estimate of potential savings. A final prospective of the project was to be able initially to implement the suggested energy savings at the WWTP involved in the project. Some of the suggestions are already implemented while others are planned in connection with other changes of the plants. However, there are barriers against introducing energy savings probably due to reluctance of changes in the management systems of an otherwise well functioning plant. To utilise the experiences from the projects, we therefore suggest workshops and demonstration of plants where energy savings have been realised. In connection with this it is important to point out that it is necessary to have knowledge of the processes involved to gain benefits of energy savings without reducing the purification process. 3 DHI - Institut for Vand og Miljø

3 INDLEDNING Med vedtagelse af den nye energisparelov i 2000 blev det lovpligtigt for offentlige institutioner og selskaber at vurdere indførelse af energibesparelser med henblik på at reducere forbruget. Der ligger ingen lovmæssige krav af denne art til private industrier. En effektiv anvendelse af energi og energibesparelser er imidlertid en vigtig metode til at reducere omkostningerne og samtidig nedsætte sårbarheden overfor stigende energipriser. Energibesparelser er endvidere med til at reducere miljøbelastningen fra energisektoren, idet det betyder et mindre behov for energiproduktion. Energibesparelser er derfor et vigtigt middel til at opfylde internationale aftaler om at reducere CO 2 udledningen. Såvel kommunale som industrielle vandrenseanlæg har et betydeligt energiforbrug. Som eksempel udgør energiforbruget på de danske kommunale renseanlæg omkring 1% af det totale danske elforbrug (total forbrug på ca. 32000 GWh). Spildevandsrensning er derfor et særdeles relevant område at undersøge for besparelser. DHI har tidligere udført undersøgelser på renseanlæg for at identificere besparelsespotentialer /1/. I denne undersøgelse blev det dokumenteret, at potentialet for besparelse på danske renseanlæg ligger i størrelsesordenen 10 40% af anlæggenes energiforbrug. I den tidligere undersøgelse blev der fokuseret på generelle besparelser ved optimering af processer og energiudnyttelse i kommunale anlæg. Fokus var i denne undersøgelse på anlæg drevet med overfladebeluftere. Der blev således ikke fokuseret på drift af bundbeluftere, hvilket primært skyldes, at der på dette tidspunkt ikke var tilgængeligt udstyr, der kunne benyttes til at belyse effekten af disse. Formålet med denne undersøgelse har været at: Udvikle udstyr i stand til i realtid at måle parametre i afkastluften, der kan anvendes til beregning af iltningseffektiviteten af bundbeluftere Dokumentere, at der kan opnås besparelser i energiforbruget i størrelsesordenen 20% ved at integrere procesoptimering med driften af beluftningsudstyr Implementere energibesparende tiltag på industrielle og kommunale anlæg En væsentlig del af undersøgelserne har derfor været udført på Danisco Cultor, Grindsted, og Randers Centralrenseanlæg med supplerende undersøgelser på DAKA, Randers, og Odder Renseanlæg. 3.1 Målgrupper og anvendelse af projektets resultater Målgrupperne for projektet er dels faglige og økonomiske beslutningstagere på offentlige forvaltninger og private kontorer samt energirådgivere og driftspersonalet på de respektive renseanlæg. Anvendelse af resultaterne vil ske på flere niveauer. Det vil dels ske ved denne rapportering, men en væsentlig anvendelse af resultaterne for de involverede partnere er at implementere de energibesparende tiltag, der er blevet dokumenteret gennem projektet. 4 DHI - Institut for Vand og Miljø

Flere er allerede implementeret, mens andre vil ske løbende i takt med planlagte driftsændringer på de respektive renseanlæg. 4 BESPARELSESPOTENTIALER 4.1 Målemetode Til bestemmelse af diffusorers iltningseffektivitet blev der udviklet en flydende kegle, der på 1m 2 bioreaktoroverflade opsamler afkastluften fra diffusorerne (Fig. 1). Fra keglen ledes afkastluften til et måleskab, hvori der dels er etableret en enhed til måling af ilt (% af mætning ved den givne temperatur), temperatur samt flow af afkastluft. Sideløbende med målinger af afkastluften bliver iltkoncentrationen i spildevandet målt, ligesom temperaturen måles på den luft, der ledes til kompressorerne. Figur 1. Udstyr til måling af flow, ilt og temperatur i afkastluft fra bundbeluftere. Samtlige data blev opsamlet i målestationens datalogger (Aqua Monitor), der via modem/mobiltelefon blev koblet direkte op til en PC på DHI. Måleparametrene, med 1 min. intervaller, kunne dermed behandles gennem hele måleperioden, hvilket gav et løbende højt informationsniveau om den aktuelle drifts betydning for energiforbruget. Beregning af iltningseffektiviteten samt test af udstyr er beskrevet i bilag A. 4.2 Identifikation af besparelsespotentialer Et led i at identificere de største besparelsespotentialer er at få fokus rettet på hovedforbrugsstederne. Med andre ord, fokus bør rettes mod de områder, hvor den største økonomiske gevinst kan hentes for den investerede indsats. Som det fremgår af i figur 2, udgør beluftningen op mod halvdelen af den energi, der er blevet registreret på de involverede renseanlæg og illustrerer dermed vigtigheden i at lægge fokus på netop denne driftsenhed. 5 DHI - Institut for Vand og Miljø

Energikortlægning kan ses i bilagsbeskrivelserne over de respektive anlæg (Bilag B-C). Som beskrevet i den tidligere undersøgelse /1/ og illustreret ved energikortlægning af de involverede anlæg i denne undersøgelse er der betydelige variationer i energiforbruget på de forskellige renseanlæg. Et væsentlig grund til dette er forskelle i procesdesign, anlægsopbygning og spildevandssammensætning. En overordnet vurdering af anlæggenes energiforbrug i forhold til f.eks. sammenligning af belastning giver derfor ikke nødvendigvis et dækkende billede af, om anlæggene kan optimeres energetisk. En overordnet vurdering af energiforbruget i forhold til belastning er imidlertid ofte en rettesnor, om der er store uoverensstemmelser mellem driften og den energi, der anvendes på at opretholde en optimal rensning af spildevandet. En overordnet vurdering kan fås ved at anvende en frit tilgængelig energimodel, der blev udviklet under projektet Energibesparelse på renseanlæg ved integreret optimering af processer og energiudnyttelse, 2000 /1/. Energiforbrug til beluftning i forhold til anlæggenes resterende forbrug Beluftning 45% Resten 55% Gennemsnit af registreringerne fra de i undersøgelse involverede renseanlæg Figur 2. Gennemsnitlig fraktion af elforbrug anvendt til beluftning på anlæggene på Danisco Cultor, Randers Centralrenseanlæg og Odder Renseanlæg. For at identificere specifikke besparelser kræves der indgående kendskab til såvel biologiske processer som det udstyr, der er involveret i opretholdelse af de specifikke driftsenheder. Det er endvidere oftest nødvendigt at anvende specifikt udstyr til procesmålinger. I dette projekt har udviklingen af et respirometer (Bilag A) til måling af iltoverførslen til spildevandet været afgørende for, at energibesparelser på bundbeluftere har kunnet udføres. Den aktuelle driftssituation på de individuelle anlæg blev indledningsvis analyseret ved at måle iltoverførslen til spildevandet som funktion af luftmængde, der blev blæst ind i 6 DHI - Institut for Vand og Miljø

procestanken. En sammenstilling af resultaterne fra denne indledende undersøgelse kan ses i figur 3. Som det fremgår, er der meget lille variation i kurveforløbet mellem de enkelte anlæg trods de store forskelle i driftsstrategi. Der synes dog at være en tendens til, at de industrielle renseanlæg har en større iltoverførsel til spildevandet end de kommunale renseanlæg, hvilket formodentlig i nogen grad hænger sammen med spildevandets sammensætning. Således er spildevandet på de industrielle anlæg ofte mere defineret og letomsætteligt i modsætning til de kommunale og uden indhold af en række af de komponenter, der forventes at kunne ændre spildevandets overfladeegenskaber i retning mod dårligere iltoverføringsegenskaber. 140 120 Linear (Randers) y = 0,0117x Linear (Odder) y = 0,0139x Linear (DAKA) y = 0,0173x Linear (Danisco lav) y = 0,0179x Linear (danisco dyb) y = 0,0179x Iltoverførsel, g/h/m 3 100 80 60 40 20 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Luftflow, l/h Figur 3. Den aktuelle iltoverførsel fra bunddiffusorer til spildevandet som funktion af luftflow på de undersøgte anlæg inden implementering af energibesparende tiltag. For at få et grundlag for sammenligning af beluftningsudstyrets effektivitet bør resultaterne normaliseres til energiforbruget (kg O 2 /kwh). Her opstår der imidlertid et generelt problem både for sammenligning af energieffektivitet, men også for generel energioptimering på renseanlæg. Således findes der meget få energimålere på anlæggene, og de er tillige ofte etableret som overordnede målere for en række driftsenheder. De kan således ikke anvendes til undersøgelser af specifikke driftsenheder, som f.eks. beluftningsudstyr. Vi har derfor valgt at sætte en mulig besparelse i luftmængde lig med besparelse i effektforbruget, hvor der ikke er effektmålinger. Denne tilnærmelse vil ikke altid gælde, da der ikke er direkte proportionalitet mellem luftmængde og effekt. 7 DHI - Institut for Vand og Miljø

4.3 Potentielle besparelser på driftsenheder 4.3.1 Optimering af energiforbruget ved korrekt indstilling af ilt-setpunktet På baggrund af resultaterne (Bilag B-C) vurderes der generelt at kunne opnås besparelser på 10 30% ved optimering af iltkoncentrationen i forhold til belastningssituationen (Tabel 4.1). Potentialet for energibesparelse er afhængig af den aktuelle situation. De maksimale besparelser forventes at kunne opnås på de anlæg, der ikke tidligere har fokuseret på energibesparelse, mens de laveste potentialer typisk findes på anlæg, der allerede har haft fokus på området. For at opnå besparelserne kræves det, at der foretages specifikke målinger af udstyrets driftstilstand og vurderinger af processerne under forskellige driftsbetingelser, så der ikke sker reduktion i anlæggenes renseeffekt. Tabel 4.1. Skøn over besparelser på energiforbruget ved optimering af ilt-setpunkter. Besparelserne er estimeret som den procentmæssige reduktion af det aktuelle energiforbrug i de respektive beluftningstanke. Renseanlæg Estimeret besparelsespotentiale (% af aktuelt forbrug) Danisco Cultor, beluftningstank 1? Danisco Cultor, beluftningstank 2 20 30% Randers Centralrenseanlæg 20 25% Odder Renseanlæg 10 20% Skøn over generel besparelsespotentiale 10 30% 4.3.2 Betydning af bioreaktorens dybde på energiforbruget Bioreaktorens dybde har betydning for iltoverførsel via den eksponeringstid, luftboblerne har med spildevandet. En lavere dybde vil således reducere kontakttiden og dermed iltoverførslen. En lav dybde på bioreaktoren vil ligeledes sænke den grænse, hvor der ikke længere kan opnås øget iltoverførsel til spildevandet ved forøget luftflow. Undersøgelsen på Danisco Cultors beluftningstank 2 har vist, at der var et større energiforbrug end i tank 1 som følge af lav dybde i beluftningstanken i kombination med et for højt ilt-setpunkt (Bilag B). Besparelsespotentialet ved optimering af luftflow (iltsetpunkt) i forhold til tankens dybde blev vurderet til at ligge i størrelsesordenen 20%. Det kan ikke forventes, at der generelt kan opnås besparelser ved fokus på dette, men målinger vil kunne afklare, hvis luftflow i beluftningstanke overskrider den tærskel for luftflow, hvor der ikke længere opnås øget iltoverføsel. 8 DHI - Institut for Vand og Miljø

Tabel 4.2. Estimeret besparelsespotentiale ved optimering af ilt-setpunktet i forhold til bioreaktorens dybde. Renseanlæg Estimeret besparelsespotentiale (% af aktuelt forbrug) Danisco Cultor, tank 2 Ca. 20 % 4.3.3 Betydning af diffusorernes beskaffenhed på energiforbruget Belægninger på diffusorerne vil øge modtrykket i rørene og dermed øge det tryk, hvormed kompressoren arbejder imod. Et forhøjet modtryk i rørene pga. tilstopning af diffusorerne kan endvidere betyde, at kompressorernes sikkerhedsventil åbner for dermed at reducere trykket. Resultatet vil i begge tilfælde være en direkte forøgelse i energiforbruget. På baggrund af undersøgelserne Danisco Cultor og Randers Centralrenseanlæg skønnes det, at belægninger på diffusorerne kan betyde en forøgelse i energiforbruget på 20-25%. Det kan på den baggrund anbefales, at der indføres renseprocedurer, der sikrer, at diffusorerne holdes belægningsfri. Tabel 4.2. Renseanlæg Estimeret besparelsespotentiale ved indførelse af renseprocedurer af diffusorer eller nye diffusorer. Estimatet repræsenterer den observerede reduktion ved udskiftning af gamle diffusorer med nye. Danisco Cultor, beluftningstank 1 20-25% Randers Renseanlæg 20-25% 4.4 Samlet vurdering af mulige besparelser Estimeret besparelsespotentiale (% af aktuelt forbrug) Det fremgår af ovenstående tabeller, at der kan opnås besparelser på beluftningen på forskellig vis. Overordnet set kræves der nøjere målinger af udstyret driftstilstand og en vurdering af processerne for at opnå de optimale driftstilstande såvel energetisk som renseteknisk. Resultaterne viser imidlertid, at der kan opnås betydelige besparelser på bundbeluftningssystemer alene ved optimeringer, der således ikke kræver større anlægsinvesteringer. Projektets mål var at sandsynliggøre, at der gennemsnitligt kan opnås samlede besparelser på omkring 20% ved specifikt at fokusere på bundbeluftning. Dette mål anses for opfyldt. Det samlede skøn er, at besparelsespotentialet af anlæggenes totale energiforbrug ligger på: Optimering af ilt-setpunkt 5-20% Optimering ilt-setpunkt i relation til reaktordybde og 0-10% Renseprocedurer til at modvirke belægninger på diffusorer 0-15% 9 DHI - Institut for Vand og Miljø

5 BARRIERER FOR IMPLEMENTERING AF ENERGIBESPARENDE TILTAG Igennem de seneste projekter er det blevet dokumenteret, at der kan opnås besparelser i størrelsesordenen 10-40% på de enkelte renseanlæg, alene ved indsatser, der ikke kræver nye store investeringer i udstyr, installationer m.m. Nogle steder er energibesparende tiltag allerede i praksis implementeret (bl.a. Års Renseanlæg). Vurderingen er, at der som gennemsnit kan opnås omkring 20% besparelser på såvel kommunale som industrielle renseanlæg. Dette vel at mærke uden forringelse af renseanlæggenes vigtigste målsætning, nemlig at rense spildevand og dermed producere rent vand, der kan afledes miljøforsvarligt. Besparelsespotentialet er enormt. Alene offentlige renseanlæg i Danmark har et samlet elforbrug på ca. 350.000 MWh årligt, som svarer til ca. 10% af det offentliges elforbrug. Det svarer igen til knapt 1% af det samlede danske elforbrug. Med en gennemsnitlig tarif på 425 kr./mwh /2/ vil en udnyttelse af besparelsespotentialet på 20% kunne udmønte sig i en samlet økonomisk gevinst på omkring 30 mill. kr. årligt og det bare på de offentlige renseanlæg. Et relevant spørgsmål er derfor: Hvorfor realiserer branchen ikke disse besparelser? Årsagen skal sikkert findes flere steder, men et væsentligt argument er, at ændringer i styring og regulering af renseanlæggenes processer er svært, og at der her er en stor barriere for såvel personalet som energirådgivere, der ikke har et indgående kendskab til de biologiske processer på anlæggene. Driftsfolk på renseanlæg fokuserer naturligt på at producere rent vand, som jo er deres kerneydelse. Når dette fungerer optimalt, er der selvfølgelig betænkelighed over de risici, det indebærer at ændre ved driftsforholdene. For at nyttiggøre den viden, som ligger i projekterfaringerne må barriererne hos driftsfolkene derfor nedbrydes. Dette kunne gøres gennem en kombination af faglig videnoverførsel, workshops samt demonstration og samtale med personale på anlæg, hvor besparelser er realiseret. I forbindelse med videnoverførsel er det imidlertid vigtigt igen at påpege, at det kræver en fornøden viden, måleteknik og overblik over de essentielle såvel fysiske som biologisk/kemiske processer for at indstille et renseanlæg, så der kan opnås besparelser i pagt med opretholdelse af en god renseeffekt. 10 DHI - Institut for Vand og Miljø

6 REFERENCER /1/ DHI, Energibesparelser på renseanlæg ved integreret optimering af processer og energiudnyttelse, Rapport til Energistyrelsen, december 2000. 11 DHI - Institut for Vand og Miljø

B I L A G 12 DHI - Institut for Vand og Miljø

BILAG A Respirometer Udvikling og test af udstyr til realtidsmåling af iltningseffektivitet af bundbeluftere [LRi1] Teknisk Notat April 2002

INDHOLDSFORTEGNELSE 1 BAGGRUND... 1 2 BESKRIVELSE AF RESPIROMETER OG MÅLEPRINCIP... 1 3 TEST AF RESPIROMETER PÅ RENSEANLÆG... 2 4 SAMMENFATNING... 5 O:\Energirådgivning Erhverv\Renseanlæg - Elfor projekt\hjemmeside\til Claus\5 Proces\Bilag - Elbesp v integreret optim af proces og bundbeluftning.doc i DHI - Institut for Vand og Miljø

1 BAGGRUND Iltningseffektiviteten af bundbeluftere i driftssituation har været svær at bestemme, idet der ikke har været udstyr tilgængeligt på markedet, der med tilstrækkelig hyppighed og præcision har kunnet måle de nødvendige parametre. Dette har yderligere betydet, at det ikke tidligere har været muligt at udføre detaljeret energioptimering på beluftningsudstyr baseret på bundbeluftning. Et af formålene med projektet Elbesparelse ved integreret optimering af processer og bundbeluftning i kommunale og industrielle renseanlæg har været at udvikle og afprøve et måleudstyr, der i realtid og med stor præcision har kunnet klarlægge effektiviteten af bundbeluftere under forskellige driftsforhold. Dette med henblik på at finde besparelser i energiforbruget til beluftning ved at integrere procesoptimering med effektiviteten af udstyret. Efterfølgende beskrives et respirometer, der er blevet udviklet og testet under projektet. 2 BESKRIVELSE AF RESPIROMETER OG MÅLEPRINCIP Der blev konstrueret en kegle af PVC med et indvendigt bundareal på 1m 2 (Fig. 1). I toppen af keglen ledes afkastluften fra bioreaktoren til en måle- og datalogge-enhed. Keglen blev konstrueret med flydepontoner med en opdrift svarende til 1,5 gange totalvægten af keglen. Figur 1. Respirometer med tilhørende måleskab installeret i kommunalt renseanlæg. Afkastluften ledes til måleskabet, der er etableret med dels en differenstrykmåler (Systec Controls Pitotrør) og tilhørende transmitter (Yokogawa Dpharp dp-transmitter) og dels et målekammer indeholdende en iltsensor og en temperatursonde. I tilknytning til målekeglen er der ligeledes installeret en iltsensor til måling af iltkoncentrationen i spildevandet. A-1 DHI - Institut for Vand og Miljø

Kravspecifikation til ilt- og flowmålere har været afhængig af konstruktion af målekeglen. Ud fra den ovenfor beskrevne kegle har kravene været, at de i afkastluften hhv. var i stand til at måle en reduktion i iltkoncentrationen på 10-40% i forhold til atm. koncentration samt et flow i intervallet ca. 0,5 til ca. 12 m 3 /time uafhængig af fugt, og uden at der skabes et modtryk, der kan påvirke målingerne. Disse krav har bl.a. været opfyldt med Danfoss iltmåleren og Insatech s pitotrør, som er en differenstrykbaseret flowmåler. Andre flowmålere som f.eks. Vortex/turbinemåler og VA-måler har ikke opfyldt vores kravspecifikation bl.a. på baggrund af stort modtryk og sensitivitet overfor fugt (termiske målere). Med intervaller på 1 minut kan der opsamles data på ilt i afkastluften (% af mætning ved den givne temperatur), ilt i spildevandet, temperaturen i afkastluften, temperaturen i kompressorrummet samt det samlede afkastflow gennem keglen. Samtlige data opsamles i målestationens datalogger (Aqua Monitor), der via modem/mobiltelefon kan kobles direkte til en eksternt placeret PC. Med kendskab til iltprocenten i afkastluften og mængden i mættet atmosfærisk luft ved den målte temperatur udregnes den tilbageværende iltmængde i afkastluften med 1 minuts intervaller efter at have været boblet gennem spildevandet. Iltoverførslen til spildevandet kan efterfølgende bestemmes ved at trække iltmængden i afkastluften fra den indblæste mængde: Iltoverførsel = Q x [O 2 ] (indblæst luft) Q x [O 2 ] (afkastluft) Hvor, Iltoverførsel, der antages at modsvare forbruget til processerne i spildevandet Q er luftmængden gennem målekeglen [O 2 ] (indblæst luft) er iltkoncentrationen i den indblæste luft [O 2 ] (afkastluft) er iltkoncentrationen i afkastluften Det løbende høje informationsniveau, der opnås med dette måleprincip om den aktuelle drifts betydning for energiforbruget, blev brugt til at lave løbende ændringer i driften af bioreaktoren hen mod optimale indstillinger. 3 TEST AF RESPIROMETER PÅ RENSEANLÆG For at teste målesikkerheden og datakvaliteten ved anvendelse af respirometret blev der udført en række målekampagner på såvel kommunale som industrielle renseanlæg. Inden forsøgene blev der udført kalibreringer i laboratoriet af samtlige sensorer, hvor indflydelse af bl.a. temperatur og tryk blev testet. A-2 DHI - Institut for Vand og Miljø

På Randers Centralrenseanlæg og Danisco Cultor s anlæg i Grindsted blev respirometeret installeret i bioreaktoren. I Figur 2 er rådata for flow og iltindhold i afkastluften fra Randers Centralrenseanlæg fremstillet, mens et døgnforløb for flow, iltindhold i afkastluften og iltoverførsel til spildevandet på Danisco Cultor er vist i Figur 3. luftflow, l/h 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 flow afkastluft ilt%-afkastluft 100 95 90 85 80 75 ilt i afkastluft, % 0 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 70 Figur 2. Døgnforløb i luftforbrug og iltprocent i afkastluften fra bundbeluftere på Randers Renseanlæg. 2500 2000 luftflow, l/h iltindhold, % iltoverførsel, g/h 250 200 Luftflow, l/h 1500 1000 150 100 Iltindhold i afkastluft, % Iltoverførsel, g/h 500 50 0 0 02-11-01 12:00 02-11-01 09:36 02-11-01 07:12 02-11-01 04:48 02-11-01 02:24 02-11-01 00:00 01-11-01 21:36 01-11-01 19:12 01-11-01 16:48 01-11-01 14:24 01-11-01 12:00 01-11-01 09:36 01-11-01 07:12 Tid Figur 3. Døgnforløb i luftforbrug, iltprocent i afkastluften og iltoverførsel til spildevandet i bioreaktor 1 på Danisco Cultor. A-3 DHI - Institut for Vand og Miljø

Styring af rensenanlæg efter iltkoncentrationen i spildevandet vil sædvanligvis give en god sammenhæng mellem den luftmængde og dermed det energiforbrug, der leveres og så den ilt, der forbruges til de aeobe processer. I aktivt slam vil den ilt, der forbruges af processerne (respirationen), være synonymt med den iltoverførsel, der er til spildevandet. Sammenhængen mellem iltoverførslen til spildevandet og luftflowet blev derfor fremstillet grafisk for de to testanlæg (figur 4 og 5). Den høje korrelationskoefficient (regressionslinje indtegnet), der blev opnået ved fremstilling af denne sammenhæng, viser dels den høje datakvalitet, der kan opnås med udstyret, og dels at tankens styring fungerer, så der under givne belastninger ikke leveres overskydende luft og dermed ydes et overskydende energiforbrug. 350 300 250 Iltoverførsel, g/h 200 150 y = 0.0398x + 12.809 R 2 = 0.8613 100 50 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Luftflow, l/h Figur 4. Iltoverførsel som funktion af luftflowet gennem måleinstrumentet. Data stammer fra den samme døgnperiode på Randers Centralrenseanlæg, som er plottet i Figur 2. 250 200 Iltoverførsel, g/h 150 100 y = 0,0911x - 4,2949 R 2 = 0,9323 50 0 0 500 1000 1500 2000 2500 luftflow, l/h Figur 5. Iltoverførsel som funktion af luftflowet gennem måleinstrumentet. Data stammer fra samme måleperiode på Danisco Cultor, som er plottet i Figur 2. Bemærk igen den høje korrelationskoefficient (regressionslinje indtegnet). A-4 DHI - Institut for Vand og Miljø

4 SAMMENFATNING På baggrund af laboratorietest samt forsøg på renseanlæg blev der opnået resultater, der retfærdiggør anvendelse af det nyudviklede udstyr til måling af iltningseffektiviteten af bundbeluftere. Udstyret anvendes under projektet til optimering af energiforbrug på bundbeluftere. A-5 DHI - Institut for Vand og Miljø

BILAG B Iltoverførselseffektivitet på Renseanlægget på Danisco Cultor Undersøgelser og implementering af energibesparende tiltag [LRi2] Danisco Cultor Teknisk Notat 21.05.2002

INDHOLDSFORTEGNELSE 1 INDLEDNING... 1 2 BELUFTNINGSTANKE... 1 3 RESULTATER... 1 3.1 Energikortlægning på renseanlægget... 1 3.2 Betydningen af spildevandets iltkoncentration på iltoverførslen... 2 3.2.1 Beluftningstank 1... 2 3.2.2 Beluftningstank 2: Betydningen af iltkoncentration og bioreaktorens dybde for energiforbruget... 3 4 ENERGIBESPARELSE PÅ BELUFTNING VED OMLÆGNING AF OMRØRERDRIFT 6 5 ILTOVERFØRSEL VED TILSTEDEVÆRELSE AF SKUMDÆMPERE... 7 6 KONKLUSIONER... 9 7 ANBEFALINGER TIL ENERGIBESPARENDE TILTAG... 9 8 IMPLEMENTEREDE ENERGIBESPARENDE TILTAG... 10 O:\Energirådgivning Erhverv\Renseanlæg - Elfor projekt\hjemmeside\til Claus\5 Proces\Bilag - Elbesp v integreret optim af proces og bundbeluftning.doc i DHI - Institut for Vand og Miljø

1 INDLEDNING Undersøgelser af potentielle energibesparelser på renseanlæg rettes naturligt efter beluftningen, idet denne del udgør størsteparten af energiforbruget (ofte omkring halvdelen). DHI har tidligere belyst generelle besparelsespotentialer på renseanlæg (Energibesparelse på renseanlæg ved integreret optimering af processer og energiudnyttelse, 2000). I denne undersøgelse blev der fundet besparelsespotentialer på overfladebeluftere i størrelsesordenen 15 til 50% afhængigt af den aktuelle driftssituation. Denne undersøgelse inkluderede imidlertid ikke besparelsespotentialer på bundbeluftere, der i stedet søges belyst i dette projekt på renseanlæggene ved Danisco Cultor, Novozymes, DAKA og Randers Centralrenseanlæg. Undersøgelserne på Danisco har inkluderet iltningseffektiviteten af bundbelufterne i bioreaktorerne ved forskellige iltkoncentrationer samt iltningseffektiviteten af to typer bioreaktorer med forskellige styringsstrategier. Endvidere har indflydelsen af omrørernes placering i forhold til beluftningssystemet i tanken været undersøgt, ligesom en uforudset hændelse blev analyseret, hvor tilledning af en spildevandsstrøm gav anledning til væsentligt reduceret iltoverførsel i bioreaktoren. 2 BELUFTNINGSTANKE Beluftningstank 1 er en 4,5 m dyb todelt rektangulær luftningstank, der beluftes med 5 jævnt fordelte diffusorstrenge. Luften til tanken leveres af 1 kompressor. På hovedluftledningen er der monteret reguleringsventiler til de enkelte diffusorstrenge, der styres via ilt-setpunkt og en regulator med styringssignal fra en iltmåler placeret i den ene delsektion. Ventilernes indstilling og modtrykket i hovedledningen bestemmer efterfølgende kompressorens ydelse. Luftningstank 2 er en 2,5 m dyb cirkulær tank med 7 diffusorstrenge placeret i den ene halvdel af tanken. Omrørere (2 stk.) placeret i området med beluftning sikrer cirkulær transport hen over diffusorerne og videre rundt i hele luftningstanken. Lufttilførslen styres via ilt-setpunktet og styringssignal fra en iltmåler til en simpel VLT-styring af ventilerne. Iltmåleren i luftningstank 2 er placeret i den modsatte side af tanken, hvor iltningssystemet er placeret. Der blev sammenlagt indsamlet data i en forsøgsperiode på ca. 4 mdr., hvoraf udvalgte perioder er vist i nærværende notat. 3 RESULTATER 3.1 Energikortlægning på renseanlægget Energiforbruget på de vigtigste forbrugssteder på renseanlægget er vist i Figur 2. Som det fremgår, udgør beluftning en stor del af energiforbruget og ligger i størrelsesordenen på 65% af det totale energiforbrug. B-1 DHI - Institut for Vand og Miljø

Renseanlægget på Danisco Cultor, Grindsted Fordeling af energi Andet (bl.a. slambehandling, omrøring) 36% Oxitronanlæg 4% Beluftning 55% Flotationsanlæg 5% Belastning (2002) ca. 42.000 PE. Energiforbrug 2001: 1.320.000 kwh Ref.: Personlig kommunikation med driftsingeniør, Danisco. Figur 2. Energifordeling på renseanlægget på Danisco Cultor, Grindsted. 3.2 Betydningen af spildevandets iltkoncentration på iltoverførslen Beluftningsudstyrets effektivitet er afhængig af en række faktorer, som f.eks. iltkoncentrationen, saltindholdet i spildevandet, diffusorernes beskaffenhed (type, alder m.m.). Formålet med dette delforsøg har været at undersøge betydningen af spildevandets iltkoncentration på bundbelufternes iltoverførselseffekt under normale driftsforhold i renseanlæggets luftningstanke. 3.2.1 Beluftningstank 1 Der blev indsamlet datamateriale fra to forskellige driftsperioder med meget forskelligartet belastning. Således stammer datamaterialet med ilt-setpunkter på hhv. 1,6 og 2 mg O 2 /l fra en periode i november 2001 med lav belastning af anlægget, mens ilt-setpunktet på 1,8 og 2,3 mg O 2 /l blev undersøgt i december under en periode med høj belastning. Trods forskelle i belastning og ilt-setpunkter ligger luftforbruget og dermed energiforbruget statistisk meget ensartet omkring sammenlignelige regressioner (Fig. 1). Dette viser, at beluftningen er godt styret i forhold til belastningssituationen. Det er imidlertid i modsætning til det forventede, når energiforbruget sammenlignes med ilt-setpunktet. Således vil en sænkning af ilt-setpunktet under normale omstændigheder resultere i besparelse i luftforbruget, mens en hævning vil resultere i øget energiforbrug. Resultatet indikerer således, at beluftningsudstyret ikke fungerer optimalt i relationen mellem kompressorens energiforbrug og luftforbruget ved de respektive ilt-setpunkter. B-2 DHI - Institut for Vand og Miljø

Den specifikke iltningseffektivitet blev beregnet til 1,6 kgo 2 /kwh som et gennemsnit af samtlige beregninger. Dette er i underkanten af, hvad der kan forventes (omkring 2 kgo 2 /kwh) af bundbeluftningsudstyr, hvilket understøtter ovennævnte betragtning omkring en afkobling mellem energiforbrug og luftforbrug. 600 500 g/h 1,6 mg/ly = 0,0696x + 34,548 g/h 1,8 mg/l y = 0,0562x + 89,532 g/h 2,0 mg/l y = 0,0733x + 28,78 g/h 2,3 mg/l y = 0,0708x + 6,7605 400 iltoverførsel, g/h 300 200 100 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 luftflow, l/h Figur 1. Overførsel af ilt til spildevandet som funktion af luftflowet. Forsøg blev udført ved ilt-setpunkter fra 1,6 til 2,3 mgo 2 /l. Forsøgene blev udført i hhv. november og december 2001 i perioder med stor forskel i belastning af anlægget. Efter gennemgang af beluftningsudstyret har det vist sig, at diffusorerne i beluftningstanken var behæftet med kraftige belægninger. Dette har øget modtrykket i rørene og dermed øget det tryk, hvormed kompressoren arbejder imod. Energiforbruget er dermed steget og kan delvist forklare den relativt dårlige iltningseffektivitet. En anden årsag blev ligeledes identificeret under gennemgangen af udstyret. Det forhøjede modtryk i rørene pga. tilstopning af diffusorerne har betydet, at sikkerhedsventilen på kompressoren har været åben i perioder og dermed lukket luft ud af rørene igen. Det har naturligvis øget energiforbruget. 3.2.2 Beluftningstank 2: Betydningen af iltkoncentration og bioreaktorens dybde for energiforbruget I modsætning til luftningstank 1 kan der opnås betydelige energibesparelser på luftningstank 2. Som det fremgår af resultaterne i figur 2, er der ingen linearitet i iltoverførslen sammenholdt med luftflowet gennem målekeglen. Ved luftflow over 4500-5000 l/h opnås der generelt ikke højere iltoverførsel til spildevandet, så luftforbrug og dermed energiforbrug over denne grænse må generelt anses for at være spildt. Et luftflow på 4500 l/h gennem målekeglen er beregnet til et totalt luftflow til hele luftningstanken på 700 m 3 /h. Efterfølgende sammenligninger er sket med omregnede totalflow til tanken. B-3 DHI - Institut for Vand og Miljø

Den specifikke iltningseffektivitet blev for denne beluftningstank beregnet til 1,2 kgo 2 /kwh ved et ilt-setpunkt på 1,8 mgo 2 /l. Denne lave værdi bekræfter den dårlige iltudnyttelse, der er i beluftningstank 2. 600 550 g/h 1,2 mg/l g/h 1,8 mg/l g/h 2 mg/l 500 iltoverførsel, g/h 450 400 350 300 250 200 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 luftflow, l/h Figur 2. Overførsel af ilt til spildevandet som funktion af luftflowet i luftningstank 2. Forsøg blev udført ved ilt-setpunkter fra 1,2 til 2,0 mgo 2 /l. Forsøgene blev udført i hhv. december 2001 til februar 2002. Iltningseffektiviteten blev ligeledes beregnet over perioder med ilt-setpunkter på hhv. 1,2 og 2,0 mgo 2 /l. Som det fremgår af den grafiske fremstilling og den tilhørende regression, kan der opnås betydelige besparelser på energien ved at drive luftningstanken med et lavere ilt-setpunkt (Fig. 3). Besparelsen vil således være på knap 30% pr. mgo 2 /l (ca. 127.500 kwh/år), som setpunktet kan sænkes med. Dette naturligvis under forudsætning af, at processerne i tanken ikke påvirkes. B-4 DHI - Institut for Vand og Miljø

1.6 1.4 y = -0.2897x + 1.6942 R 2 = 0.9857 Iltningseffektivitet, kgo2/kwh 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 Iltsetpunkt, mg/l Figur 3. Iltningseffektiviteten (kgo 2 /kwh) som funktion af ilt-setpunktet. Datafremstillinger er på baggrund af ca. 40.000 datapunkter. Luftflowet over de kritiske 700 m 3 /h til hele tanken ligger hovedsageligt ved de høje iltsetpunkter (Fig. 6). Kompressoren leverer mere end 700 m 3 /h til tanken i hhv. 94, 89 og 42% ved ilt-setpunkter på hhv. 2,0, 1,8 og 1,2 mgo 2 /l. I figur 4 er procentdelen med større flow end 700 m 3 plottet mod iltningseffektiviteten. Som det tydeligt fremgår, er ilt-setpunktet en afgørende parameter for, hvor stor en del af tiden, kompressorerne leverer luft over den uøkonomiske grænse. Baggrunden for denne fordeling skal primært findes i bioreaktorens ringe dybde. Således vil luftboblernes eksponeringstid med spildevandet falde, når luftflowet forøges, idet hastigheden på luftboblernes opstigen forøges. Ved en lav dybde på bioreaktoren vil den grænse, hvor der ikke længere opnås øget iltoverførsel til spildevandet, naturligt ligge lavere end på bioreaktorer med større dybde. B-5 DHI - Institut for Vand og Miljø

100 90 80 Iltsetpunkt 2,0 mg/l Iltsetpunkt 1.8 mg/l % tid med flow over 700 m3/h 70 60 50 40 30 R 2 = 0.999 Iltsetpunkt 1,2 mg/l 20 10 0 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 iltningseffektivitet, kgo2/kwh Figur 4. Procentdelen af tiden, hvor kompressoren leverer mere end 700 m 3 luft til tanken, som funktion af iltningseffektiviteten ved hhv. 1,2, 1,8 og 2,0 mgo 2 /l. Beregninger af lavet på baggrund af on-line registrering af 5 parametre med et minuts interval svarende til næsten 40.000 dataregistreringer. Omregnet i energi kan der opnås en besparelse på knap 20%, hvis de uøkonomiske luftflow over 700 m 3 fjernes. Dette kan gøres ved at sænke ilt-setpunktet fra 2,0 mgo 2 /l til omkring 1,2 mgo 2 /l. På baggrund af de opnåede resultater (Figur 4) og efterfølgende udregninger vil der kun i begrænset omfang ske en reduktion af iltoverførslen til spildevandet ved at sænke ilt-setpunktet. Der forventes derfor ikke at blive driftsforstyrrelser pga. for lave iltkoncentrationer ved denne ændring. Det anbefales imidlertid, at der foretages intensiveret overvågning under indkøringsperioden. Tabel 1. Besparelsespotentialer ved drift af beluftningstank 2 ved forskellige ilt-setpunkter. Dybden af tanken er lagt til grundlag for beregningerne. Besparelsespotentiale Årlig besparelse Ilt-setpunkt 1,2 mgo 2 /l Ca. 2% 8.500 kwh 1,8 mgo 2 /l Ca. 16% 68.000 kwh 2,0 mgo 2 /l Ca. 20% 85.000 kwh 4 ENERGIBESPARELSE PÅ BELUFTNING VED OMLÆGNING AF OMRØRERDRIFT I luftningstank 2 er der placeret 2 omrørere imellem diffusorstrengen, der sikrer, at spildevandet bliver transporteret ind over diffusorerne og videre rundt i tanken. Der blev lavet forsøg med energioptimering på beluftningen dels ved ændring af driften og placering af omrørerne og dels for at belyse, om omrørerne var hensigtsmæssigt placeret i forhold til en formodet bremsning af spildevandsflowet af diffusorerne. I sidstnævnte tilfælde blev bremseeffekten ved forskellige ilt-setpunkter belyst (forskellige luftflow). B-6 DHI - Institut for Vand og Miljø

Ud fra de foreliggende data fra forsøgene har det imidlertid ikke været muligt at identificere besparelsespotentialer ved at ændre på driften eller placeringen af omrørerne (Fig. 5). Dette hænger hovedsageligt sammen med, at der i forsøgsperioden var store driftsmæssige forstyrrelser på anlægget. 40 35 flow, cm/s 30 25 20 15 11:31 12:00 12:28 12:57 13:26 13:55 14:24 14:52 15:21 Figur 5. Hastigheden af spildevandsflowet i luftningstank 1 ved en række forskellige ilt-setpunkter. 5 ILTOVERFØRSEL VED TILSTEDEVÆRELSE AF SKUMDÆMPERE Det er alment kendt, at spildevandets beskaffenhed mht. bl.a. indhold af kemikalier, såsom skumdæmpere har betydning for iltoverførslen. Under forsøg på renseanlægget blev der i en periode konstateret stærkt faldende iltoverførsler til spildevandet (Fig. 6). Som det fremgår af figuren, blev iltoverførslen halveret i en periode på mere end et døgn, hvorefter tilstanden igen blev normaliseret. Efter analyser af den pågældende periode blev der rettet mistanke mod en bestemt spildevandsstrøm, der antageligt havde et på iltoverførslen påvirkeligt indhold af skumdæmpere. Iltoverførslen faldt markant umiddelbart efter tilledning af spildevandsstrømmen, mens den igen langsomt steg efter endt tilledning. Som det fremgår af figur 8 og 9, blev der konstateret en højere iltoverførsel efter endt tilledning af spildevandsstrømmen, hvilket antages at skyldes, at iltkoncentrationen i spildevandet har været lavt, og der derfor har været en lavere iltkoncentrationsgradient at overføre ilt imod. B-7 DHI - Institut for Vand og Miljø

600 500 Tilledning af ny spildevandsstrøm formentlig indeholdende skumdæmper Iltoverførsel g/h 400 300 200 100 0 12-02-02 00:00 12-02-02 12:00 13-02-02 00:00 13-02-02 12:00 14-02-02 00:00 14-02-02 12:00 15-02-02 00:00 15-02-02 12:00 Figur 6. Iltoverførslen til luftningstank 2 i en periode, hvor der antageligt blev tilledt spildevand indeholdende skumdæmper. 90 80 Normal drift Tilledning af ny strøm geniltningsperiode 70 60 iltoverførsel, kg/h 50 40 30 20 10 0 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 luftflow, l/h Figur 7. Iltoverførslen som funktion af luftflowet igennem målekeglen. Iltoverførslen er differentieret mellem normal drift, drift med tilledning af spildevandsstrøm antageligt indeholdende skumdæmpere, og perioden efter endt tilledning (geniltningsperioden). B-8 DHI - Institut for Vand og Miljø

6 KONKLUSIONER I beluftningstank 1 er lufttilførslen for en given iltoverførsel uafhængig af ilt-setpunktet (Fig. 4). Resultatet indikerer, at beluftningssystemet ikke er optimalt drevet, da der forventes et lavere luftforbrug ved de lavere ilt-setpunkter. Den specifikke iltningseffektivitet i luftningstank 1 blev beregnet til ca. 1,6 kgo 2 /kwh som et gennemsnit af samtlige beregninger. Dette er i underkanten af, hvad der kan forventes (omkring 2 kgo 2 /kwh) af bundbeluftningsudstyr. Årsagen til den reducerede iltningseffektivitet var, at diffusorerne var delvist tilstoppede pga. belægninger. Dette har øget modtrykket i luftrørene, der dels har betydet, at sikkerhedsventilen i perioden har lukket luft ud, og dels at kompressorerne bruger mere energi ved at pumpe mod et højt modtryk. I luftningstank 2 kan der opnås energibesparelse i størrelsesordenen 20-30% ved sænkning af ilt-setpunktet fra 2 til 1,2 mgo 2 /l. Sænkningen af ilt-setpunktet vurderes til ikke at ville give problemer vedr. drift af anlægget. Der har ikke kunnet konstateres mulige energibesparende tiltag ved omlægning af omrørerdriften. Specifikke komponenter som f.eks. skumdæmpere har stor betydning for effektiviteten af iltoverførsel. Således kunne der konstateres en markant reduktion i ilttilførslen (halvering) ved tilsætning af spildevandsstrøm formodentlig indeholdende dette. 7 ANBEFALINGER TIL ENERGIBESPARENDE TILTAG Der kan ikke umiddelbart opnås de store energibesparelser i beluftningstank 1 på trods af en sænkning af ilt-setpunktet. Det bør undersøges, hvorvidt kompressorerne og diffusorsystemet justeres optimalt mht. modtrykssystemet. Modtrykket kan eventuelt forklare, hvorfor der ikke opnås væsentlige besparelser ved at sænke iltsetpunkterne. Der vil kunne opnås besparelser i størrelsesordenen 20-30% vedrørende bioreaktor 2, ved blot at sænke ilt-setpunktet fra de nuværende 1,8-2,0 mgo 2 /l til 1,2 mgo 2 /l. Ifølge vore beregninger vil en sænkning ikke resultere i driftsforstyrrelser, idet der ikke kan forventes væsentligt mindre iltoverførsel til spildevandet ved denne procedure. Denne procedure er allerede blevet implementeret på renseanlægget. En sænkning af ilt-setpunktet vil endvidere resultere i, at belufterne giver luft i en størrelsesorden, der giver en opstigningshastighed af luftboblerne, der sikrer en størst mulig kontakttid med spildevandet. Det anbefales imidlertid, at der i en periode efter driftsændringen laves løbende målinger af COD-koncentrationen i udløbet fra reaktoren for at sikre, at denne ikke stiger. B-9 DHI - Institut for Vand og Miljø

8 IMPLEMENTEREDE ENERGIBESPARENDE TILTAG På baggrund af tilstopning af beluftningssystemet er personalet gået i gang med at udskifte diffusorerne. Det forventes, at der på baggrund af dette opnås en betydelig forøgelse i iltningseffektiviteten. Danisco har endvidere sænket ilt-setpunktet til 1,2 mg/l i luftningstank 2 for at imødekomme energispild ved de høje luftflow. Der forventes en besparelse af dette energibesparende tiltag på i størrelsesordenen 20-30%. B-10 DHI - Institut for Vand og Miljø

BILAG C Iltoverførselseffektivitet på Randers Centralrenseanlæg Betydning af iltkoncentration, styring og placering af diffusorer [LRi3] DHI - Institut for Vand og Miljø

INDHOLDSFORTEGNELSE 1 ANLÆGSBESKRIVELSE... 1 2 RESULTATER... 1 3 BETYDNINGEN AF SPILDEVANDETS ILTKONCENTRATION PÅ ILTOVERFØRSLEN... 2 4 ENERGIBESPARELSE VED ETABLERING AF NYE DIFFUSOR MED NY PLACERING... 3 5 KONKLUSIONER AF UNDERSØGELSEN... 4 6 IMPLEMENTEREDE ENERGIBESPARENDE TILTAG... 4 i DHI - Institut for Vand og Miljø

1 ANLÆGSBESKRIVELSE Randers Centralrenseanlæg renser spildevandet fra Randers by samt størsteparten af landsbyerne i Randers Kommune. Anlægget har en formel kapacitet på 130.000-160.000 PE, men har i de senere år været belastet med ca. 80.000-100.000 PE. Anlægget er blevet udvidet i flere i etaper og har således både en gammel bioreaktordel samt en nyere sektion. Fælles for disse er imidlertid, at de fungerer som et recirkulationsanlæg med hhv. tankvolumen til anaerob og aerob behandling af spildevandet. De undersøgelser, der har været udført med henblik på energioptimering, har været udført i den gamle aerobe blok, som består af 5 delsektioner med separate tilledning af spildevand. De enkelte sektioner har et volumen på 1750 m 3, og hele blokken repræsenterer således et totalvolumen på 8750 m 3. De fire delsektioner er blevet ombygget og består af en kanal etableret med midtstillede bunddiffusorer (udskiftet i 2000), der er styret via ilt-setpunktet samt niveauet af næringsstoffer. Den fjerde delsektion var endnu ikke blevet ombygget og bestod på daværende tidspunkt af en kanal med gamle bunddiffusorer, der var placeret ude i siden af kanalerne. Delsektionen blev styret efter ilt-setpunktet i nabotanken. Undersøgelserne på Randers Centralrenseanlæg har inkluderet iltningseffektiviteten af bundbelufterne i dels de ombyggede bioreaktorer og dels iltningseffektiviteten af de to typer installationer. 2 RESULTATER Kortlægningen af energi på Randers Centralrenseanlæg er blevet udført af personalet på renseanlægget og er yderligere beskrevet i det Grønne Regnskaber for Randers Centralrenseanlæg (2000). Energiforbruget til beluftning udgør på Randers Centralrenseanlæg ca. 36% af det totale energiforbrug, som i 2000 udgjorde 3273 MWh. C-1 DHI - Institut for Vand og Miljø

Randers Centralrenseanlæg Fordeling Energi Andet 11% Interne pumper 18% Slambehandling 15% Procestank andet, omrøring m.m. 20% Beluftning 36% Belastning i 2001: 80.000-100.000 PE Kapacitet 160.000 PE Energiforbrug (2000) 3.273.000 kwh Ref. Grønt Regnskab 2000, Randers Centralrenseanlæg Figur 1. Fordeling af elforbrug på Randers Centralrenseanlæg. 3 BETYDNINGEN AF SPILDEVANDETS ILTKONCENTRATION PÅ ILTOVERFØRSLEN Overførsel af ilt til spildevandet blev belyst ved forskellige iltkoncentrationer under normale driftsforhold på renseanlægget. Som det fremgår af kurveforløbene i figur 3, kan der opnås en væsentlig besparelse i forbruget af luft og dermed energi til blæserne ved sænkning af ilt-setpunktet til det lavest mulige niveau, der ikke påvirker proceshastighederne. Ved ilt-setpunkter på 2 og 1,5 mg/l anvendes der hhv. 3327 l/h og 2542 l/h for at levere 30 mgo 2 /l/m 3 (Figur 2). Det er således et merforbrug på 785 l/h ved et ilt-setpunkt på 2 mg/l i forhold til et ilt-setpunkt på 1,5 mg/l. Det svarer til et besparelsespotentiale på omkring 23,6 %. C-2 DHI - Institut for Vand og Miljø

Iltoverførsel, g O2/l per m 3 90 80 70 60 50 40 30 20 Iltoverførsel ved iltsetpunkt på 2 mg/l Iltoverførsel ved iltsetpunkt på 1,5 mg/l y = 0,009x R 2 = 0,9611 y = 0,0117x R 2 = 0,8211 10 0 2542 3327 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Luftflow, l/h Figur 2. Iltoverførsel til spildevandet ved ilt-setpunkter på hhv. 2 og 1 mg/l. Ved en iltoverførsel på 30 mgo 2 /h/(m 3 spildevand) er der et merforbrug på 856 l luft/h ved et ilt-setpunkt på 2 mg/l sammenlignet med 1,5 mg/l. 4 ENERGIBESPARELSE VED ETABLERING AF NYE DIFFUSORER MED NY PLACERING Efter ombygning af beluftningstankene er hovedparten af bioreaktorerne etableret med diffusorer, der er midtstillede i beluftningstanken. Energibesparelsen blev belyst ved at sammenligne energiforbruget til den nye driftsform med energiforbruget til den sektion, der endnu ikke var blevet ombygget og stadig blev drevet med sidestillede diffusorer. Under forsøget blev begge tanke indstillet til at holde et ilt-setpunkt på 1,5 mg/l. Da de nye sektioner er indstillet til flydende ilt-setpunkter, vil dette dog variere i forhold til belastningen. Da den gamle sektion imidlertid er samstyret med de nye sektioner (den tank der sammenlignes med) vil resultatet af undersøgelsen belyse effekten af gamle og nye diffusorer med de respektive placeringer. Som det fremgår af kurveforløbene, er der et merforbrug i lufttilførsel på 23,4% i beluftningstanke med nye sidestillet bunddiffusorer, hvilket direkte kan overføres til et merforbrug på energiforbruget i samme størrelsesorden. C-3 DHI - Institut for Vand og Miljø

iltoverførsel, go2/h per m 3 spildevand 70 60 50 40 30 20 10 iltoverførsel ved nye diffusorer og ny placering iltoverførsel ved gamle diffusorer og gammel placering Linear (iltoverførsel ved nye diffusorer og ny placering) Linear (iltoverførsel ved gamle diffusorer og gammel placering) y = 0,0118x R 2 = 0,8276 y = 0,0087x R 2 = 0,914 2542 3448 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 luftflow, l/h Figur 3. Overførsel af ilt til spildevandet ved forskellige driftsformer og placering af diffusorer. 5 KONKLUSIONER AF UNDERSØGELSEN Iltsetpunktets betydning for forbruget af energi blev undersøgt i renseanlæggets bioreaktorer. Ud fra datamaterialet kan det konkluderes, at der er et stort energispild, hvis iltsetpunktet ligger højere, end det er nødvendigt for renseprocesserne. Besparelsespotentialet ved en ændring af ilt-setpunktet fra 2 mg/l til 1,5 mg/l ligger i størrelsesordenen 23,5%. Randers Centralrenseanlæg er i gang med renovering af bioreaktorerne, der indebærer nye beluftnings- og styringssystemer. Målinger på både det gamle og nye beluftningssystem viser, at der spares i størrelsesordenen 23,3% på energiforbruget ved denne manøvre. Under undersøgelserne er det konstateret, at anlægget er opbygget, så det ikke er muligt at anvende anlæggets energimålere til optimering af energiforbruget. Det anbefales derfor, at disse gøres aktivt tilgængelige/udbygges, så de kan anvendes til andet end oversigt over totalforbrug. 6 IMPLEMENTEREDE ENERGIBESPARENDE TILTAG På nuværende tidspunkt har Randers Centralrenseanlæg implementeret alle de energibesparende tiltag, der er blevet synliggjort i denne undersøgelse. C-4 DHI - Institut for Vand og Miljø

BILAG D Iltningseffektivitet på Odder Renseanlæg Energikortlægning og iltkoncentrationens betydning for energiforbruget [LRi4] Teknisk Notat Juni 2002

INDHOLDSFORTEGNELSE 1 BAGGRUND... 1 2 ANLÆGSBESKRIVELSE... 1 3 ENERGIKORTLÆGNING... 1 4 FORSØGSBETINGELSER... 2 5 RESULTATER... 2 6 KONKLUSION OG FORSLAG TIL ENERGIBESPARENDE TILTAG... 3 i DHI - Institut for Vand og Miljø

1 BAGGRUND Odder Renseanlæg har igennem flere år haft betydelig fokusering på at nedbringe energiforbruget. Den hidtidige indsats for energieffektivisering har primært ligget i optimering af udstyr som nye styringer af pumper, etablering af nye pumper m.m. En el-teknisk gennemgang foretaget af Østjysk Energi har konkluderet, at der på baggrund af optimering af anlægget er opnået en besparelse i energiforbruget fra 1994 til 2000 svarende til 49%. Det har bevirket, at Østjysk Energi under gennemgangen af anlægget ikke har kunnet komme med energibesparende forslag udover de allerede gennemførte /1/. Under Østjysk Energis gennemgang har der imidlertid ikke været fokus på optimering af processer i forhold til bundbelufternes effektivitet. Formålet med denne undersøgelse har derfor været at belyse dette område af anlæggets drift. 2 ANLÆGSBESKRIVELSE Odder Spildevandscenter er etableret i 1991 med 2 parallelle proceslinier, der er dimensioneret for en maksimal stofmængde på 25.000 PE. Procestankene er opbygget som et OCO anlæg, hvor beluftningen er placeret i den yderste ring og udbredt på ca. 1/3 af ringens samlede areal. Tankene er implementeret med iltsensorer placeret i spildevandet umiddelbart inden området med beluftning. Iltsensorerne er dermed placeret, hvor iltkoncentrationen forventes at være lavest. 3 ENERGIKORTLÆGNING Anlæggets totale elforbrug ligger på 692.000 kwh fordelt som illustreret i figur 1. Kortlægning af energiforbruget er foretaget ud fra registreringer af målinger, som er foretaget af Odder Renseanlæg. D-1 DHI - Institut for Vand og Miljø

Odder renseanlæg Fordeling af energi Slambehandling 10% Bygningsel 6% Hjælpeanlæg 1% Udløb 15% Beluftning 51% Belastning i 2000, 28.457 PE Energiforbrug 692.000 kwh Ref. Elteknisk rådgivning 2001, Handlingsplan for optimering af elforbruget Tilløb 15% Procestanke andet 2% Figur 1. Fordeling af energi på hovedforbrugssteder. 4 FORSØGSBETINGELSER Betydningen af iltkoncentrationen på energiforbruget blev belyst ved at måle på afkastluften fra diffusorerne. Udstyret blev placeret over den første diffusorstreng betragtet i forhold til spildevandets bevægelse hen mod beluftningsområdet. Der blev således målt på iltningseffektiviteten i det område, hvor iltkoncentrationen i spildevandet forventes at være lavest. Alle ændringer i anlæggets drift (ændringer i ilt-setpunkt, beluftningstid mm.) blev foretaget af personalet på renseanlægget. 5 RESULTATER Der blev indsamlet datamateriale fra over en uge i maj 2002, hvor ilt-setpunktet blev reguleret fra 2 mg O 2 /l (oprindeligt driftsniveau) til 1,5 mg/l. Resultaterne viser, at en sænkning af ilt-setpunktet vil resultere i en besparelse i luftforbruget på ca. 10% ved en sænkning af ilt-setpunktet fra 2 til 1,5 mg/l. Under forsøgene blev udløbskoncentrationerne af NO 3 - og NH 4 + løbende kontrolleret for at sikre, at proceshastighed og dermed renseeffekten ikke blev påvirket af den reducerede iltmængde. D-2 DHI - Institut for Vand og Miljø

Der blev ikke registreret forøgelser i næringsstoffer i udløbet fra procestanken. 100 90 80 Linear (Ilt-setpunkt 1,5 mg/l) Linear (Ilt-setpunkt 2 mg/l) y = 0,0152x y = 0,0138x Ilt ov erf ør se l g/ h/ m 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Luftflow l/h Figur 2. Iltoverførsel til spildevandet som funktion af luftflowet ved ilt-setpunkter på hhv. 2 og 1,5 mg/l. Baggrunden for de lineære regressionslinjer er et materiale på ca. 6000 datapunkter. 6 KONKLUSION OG FORSLAG TIL ENERGIBESPARENDE TILTAG På baggrund af denne undersøgelse kan det konstateres, at der spares omkring 10% ved at sænke ilt-setpunktet fra 2 til 1,5 mg/l (20% s besparelse ved sænkning af iltsetpunktet med en enhed). Idet iltsensorerne er placeret i procestanken, hvor iltkoncentrationen er lavest, forventes en sænkning af ilt-setpunktet ikke at give problemer i form af iltmangel og dermed reduceret aerob proceshastighed. Det er blevet anbefalet personalet på Odder Spildevandscenter at sænke iltkoncentrationen i procestankene til 1,5 mg/l og at undersøge, om ilt-setpunktet kan sænkes yderligere (1,0 mg/l), uden at processerne påvirkes. D-3 DHI - Institut for Vand og Miljø