Indhold: 5.1 Indledning 5.2 Reduktion i energiforbrug ved optimering af overfladerotorers iltningseffektivitet 5.2.1 Estimering af belastningen i bioreaktorerne 5.2.2 Reduktion i energiforbrug ved regulering af ilt-setpunkter 5.2.3 Energibesparelse ved optimering af driftstilstand for overfladerotorer 5.2.4 Energibesparelse ved optimering af rotorneddykningen 5.3 Reduktion af energiforbrug til beluftning ved reduktion af iltforbrug til egenrespiration 5.3.1 Sammenfatning 5.3.2 Reduktion af effektforbruget ved ændring af driftsform fra kontinuerlig drift til intervaldrift af omrører i bioreaktorer 5.3.3 Pilotforsøg under DN-fase 5.3.4 Fuldskalaforsøg i N- og DN-tanke på recirkulationsanlæg 5.3.5 Fuldskalaforsøg i bioreaktorerne på alternerende anlæg 5.1 Indledning Energikortlægningen viser, at hovedparten af energiforbruget sker til beluftning af aktiv slam sker til beluftning, notat 3. Beluftningen foretages med enten overfladebeluftere (oftest rotorer) eller bundbeluftere. Rotorer pisker luft/ilt ind i det aktive slam. Bundbeluftere tilfører små luftbobler, som frigiver ilt. Der er en stor tradition for anvendelse af rotorer i Danmark. Disse er konstrueret efter samme princip. Derfor vil tiltag/erfaringer med rotorer kunne anvendes på mange danske renseanlæg (vi gætter på, at mere end 6% har denne type beluftere). Bundbeluftere findes i forskellige udformninger, og lufttilførslen fra kompressorer foregår ligeledes med forskelligt udstyr. Det er derfor vanskeligere at generalisere om besparelsesmuligheder. Vi har derfor valgt at fokusere på rotorer. 5.2 Reduktion i energiforbrug ved optimering af overfladerotorers iltningseffektivitet Som et led i energibesparelse på beluftningsudstyret i bioreaktorerne blev der under fuldskalaforsøg fokuseret på optimering af overfladerotorers iltningseffektivitet (kg ilt kwh) ved en integreret optimering af processer og beluftningsudstyr. Dette har inkluderet optimering ved regulering af iltsetpunkter, rotorernes driftstilstand (hastighed) og neddykning. For at opnå et tilstrækkeligt detaljeret datamateriale har det endvidere været nødvendigt at videreudvikle metoder til beregning af bl.a. respiration og iltoverførselseffektivitet under drift i fuldskalaanlæg. 1
5.2.1 Estimering af belastningen i bioreaktorerne Sammenfatning Måling af belastningen i form af BOD (COD) er en både dyr og langsommelig procedure, der ofte resulterer i, at der kun foretages få målinger på renseanlæggene. Vi har derfor fravalgt at anvende nøgletal pr. kg BOD/kWh. I undersøgelserne har det imidlertid været nødvendigt til stadighed at kende den aktuelle belastning på bioreaktorerne. Derfor er der blevet udviklet og testet metoder, der ved hjælp af beregning af iltforbruget (respirationen) i bioreaktoren løbende giver et estimat af belastningen i form af et iltforbrug. Iltforbruget er igen bestemt af kvælstoftilledning og slammets egen respiration. Der kan herefter beregnes nøgletal i form af kgo 2 /kwh. Resultaterne viste, at det er muligt at estimere belastningen i bioreaktorerne ved at beregne respirationen i tankene. Ud fra de testede metoder blev det endvidere vist, at respirationen kan beregnes dels over hele beluftningsfasen og på nogle alternerende drevne anlæg, dels ved at foretage en beregning af hældningen på iltkurven efter slukning af rotorerne i slutningen af beluftningsperioden. Resultaterne fra de respektive metoder varierer 1% under forudsætning af, at der ikke foretages ændringer i driften af anlægget under forsøgsperioden. Metode Metode 1: Respiration beregnet over en hel beluftningsperiode Respirationsrater (mg O 2 per liter per minut) i en beluftningsperiode på et alternerende drevet renseanlæg kan løbende beregnes på baggrund af kendskab til rotorernes iltningskapacitet (OC: oxygen capacity) samt hældninger på iltkurven (do2/dt). Beregning af respirationen samt rotorernes iltoverførselseffektivitet er her illustreret i en beluftningsfase på Aars Renseanlæg, hvor en cyklus på 18 minutter er opdelt med 15 minutters beluftning, efterfulgt af en 75 minutters anoxisk periode (Fig. N5-1). Respirationen beregnes efter følgende ligning: respiration = -do2/dt + OC. Størrelsen do2/dt (ændringen i iltkoncentrationen) findes via en computergenereret regressionsberegning på fire fortløbende datapunkter på samtlige iltkurvens datapunkter (koncentrationen af ilt blev logget som én midlet værdi over 1 minut). I perioder uden drift af rotorer er OC = (faldet på iltkurven) og der findes derfor et rent respirationsforløb i disse perioder. I perioder med drift af rotor (stigende iltkurve) kan OC findes efter følgende formel: OC = -do2/dt respiration uden rotor. En beluftningsfase på Aars Renseanlæg er illustreret på figur N5-2, hvor iltkoncentrationen og den deraf beregnede respiration gennem hele perioden er illustreret. Den beregnede respiration angives i milligram ilt forbrugt per liter per min (mgo 2 l -1 min -1 ). 2
Beluftnings-fase (9 minutter) Anoxisk fase (75 minutter) Beluftnings-fase (15 min) Tilledning af spildevand (9 min) Cyklus-periode18 minutter Figur N5-1: Skematisk afbildning af en cyklus på Aars Renseanlæg med tidsopdeling af beluftningsfase og anoxisk fase samt tidspunkt for tilledning af spildevand. 3 2.5 Iltkoncentraion respiration (iltforbrug) 3 25 2 2 Iltkoncentration mg/l 1.5 1 15 1 Respiration (iltforbrug) mg/l/h.5 Tilledning af spildevand 5 8-2-99 13:12 8-2-99 13:4 8-2-99 14:9 8-2-99 14:38 8-2-99 15:7 8-2-99 15:36 8-2-99 16:4 8-2-99 16:33 -.5-5 Figur N5-2: Grafisk fremstilling af iltkoncentrationen og respirationen gennem en beluftningsfase på Aars Renseanlæg. Pilen afgiver tidspunktet for spildevandstilledning (se også figur N5-1). Som det fremgår af respirationskurven, blev der registreret en høj respiration (høj BOD- og N- belastning) i begyndelsen af beluftningsperioden. Respirationen aftager gradvist som følge af en aftagende belastning indtil tilledningen af spildevand i slutningen af beluftningsfasen, hvor belastningen igen forøges. Denne metode er arbejdskrævende, da den ikke har været automatiseret. 3
Metode 2: Belastningsestimat baseret på én respirationsmåling Ved beregning af belastningen på Aars Renseanlæg er der desuden anvendt et estimat baseret på én respirationsmåling per bioreaktor per cyklus. Respirationen er fundet ved en regressionsberegning på hældningen af iltkurven efter slukningen af rotorerne ved endt beluftning. Typiske iltkurver og området for beregning af respirationen er angivet grafisk i figur N5-3. På det tidspunkt, hvor beregningen af respirationen finder sted, har der været tilledt spildevand i 15 minutter under beluftning. Beregningen af respirationen sker efterfølgende under antagelse af, at tilledning og sammensætning af spildevand er konstant og repræsentativ for hele den periode, hvor der tilledes spildevand. Dette forudsætter endvidere, at anlægget ikke er overbelastet, således at en evt. belastning fra den foregående cyklus er forbrugt, inden en ny tilledning begynder. Det totale iltforbrug i den pågældende cyklus blev efterfølgende bestemt ved at gange op med hele beluftningsperioden. 3 2.5 Ilt-setpunkt 2 iltkoncentration mg/l 1.5 1.5 : 1:12 2:24 3:36 4:48 6: 7:12 8:24 9:36 tid, minutter Figur N5-3: Grafisk fremstilling af iltkoncentrationen under 2 på hinanden følgende cykler. Inden sidste cyklus nedsættes ilt-setpunktet fra 2 mg O 2 /liter til 1 mgo 2 /liter. Respirationen beregnes udfra en regression på kurven indenfor det med rødt markerede område. Ved estimering af det totale iltforbrug skal det påpeges, at denne kan være behæftet med en vis usikkerhed, bl.a. som følge af antagelse om konstant belastning under tilledning. Endvidere kan der være usikkerheder ved respirationsmålingen som følge af bl.a. usikkerheder omkring målepunkterne af iltkoncentrationen. 4
For at få et indtryk af eventuelle usikkerheder i metoderne blev middelværdien af den beregnede respiration over hele beluftningsperioden sammenlignet med respirationen beregnet efter slukningen af rotorerne i slutningen af beluftnings-fasen (Figur N5-4). Middelrespirationen for hele forløbet varierer moderat fra den respiration, der blev beregnet udfra hældningen i slutningen af beluftningsperioden. Variationen mellem de 2 metoder, der blev anvendt til beregning af respirationen, ligger gennemsnitligt under 1% - i perioden, inden ilt-setpunktet blev ændret (Fig. N5-3). Umiddelbart efter at ilt-setpunktet blev ændret (sænket fra 2 til 1 mgo 2 /l), blev der observeret en markant variation mellem metoderne. Således blev der beregnet forskelle i respirationen på op til 43,5%, med de respektive beregningsmetoder. Den store variation blev imidlertid igen udjævnet efter en periode på omkring 4 cykler. Der kræves sandsynligvis en indkøringstid/adaption for, at mikroorganismerne kan opnå samme respiration ved lavt iltsetpunkt. 5 45 4 35 Ændring af ilt-setpunkt respiration mgo2/l/min 3 25 2 15 1 5 8-2-99 8-2-99 9-2-99 9-2-99 1-2-99 1-2-99 11-2-99 11-2-99 12-2-99 cyklus respirationsforløb over hele cyklus respiration efter slukning af rotor middel respiration over hele cyklus Figur N5.4: Middelrespirationen over en række cyklusperioder sammenlignet med respirationen beregnet på iltkurven efter slukning af rotorerne. Endvidere er det totale respirationsforløb vist. På baggrund af disse tests af metoder til bestemmelse af respirationen (belastningen) under drift i fuldskalaanlæg, blev det vurderet acceptabelt, at respirationen estimers ved beregning af hældningen på iltkurven efter slukning af rotorerne i slutningen af beluftningsfasen. Denne beregning bør imidlertid kun anvendes, når driften af anlægget er stabil. 5
5.2.2 Reduktion i energiforbrug ved regulering af ilt-setpunkter Sammenfatning Koncentrationen af opløst ilt (DO) i aktiv slam er afgørende for dels effektiviteten af de aerob biologiske processer, men også for en energimæssigt effektiv udnyttelse af beluftningsudstyret. Således skal koncentrationen være tilstrækkeligt høj til at imødekomme mikroorganismernes forbrug i den aerob fase, mens overførsel af overskydende ilt resulterer i unødvendige økonomiske omkostninger til beluftning. I nærværende undersøgelse blev energiforbruget ved forskellige ilt-setpunkter belyst under forsøg i fuldskala. Endvidere blev effekten af reduceret iltkoncentration på nitrifikationshastigheden undersøgt. Beregninger illustrerede, at der i det aktuelle eksempel kan spares omkring 25% ved regulering af ilt-setpunktet fra 2 til 1 mgo 2 /l. Ved en sænkning af iltkoncentrationen blev respirationen og nitrifikationen imidlertid reduceret. I sidstnævnte tilfælde blev nitrifikationen imidlertid hurtigt forøget igen efter, at iltkoncentrationen blev hævet. På den baggrund blev det konstateret, at iltkoncentrationen antagelig har indflydelse på disse processer, og at det må forventes, at en energibesparelse på beluftningsudstyret kan betyde en faldende procesrater. Metode Fuldskalaforsøg Forsøgene blev udført på Aars Renseanlæg, hvor de enkelte rotorers energiforbrug blev sammenlignet men iltbalancen i bioreaktoren ved ilt-setpunkter på hhv. 1 og 2 mgo 2 /l. Via renseanlæggets SRO-system blev ilt-setpunktet i bioreaktorerne indledningsvist sat til 2 mg/l, hvorefter kg ilt forbrugt per cyklus blev sammenholdt med kw-forbruget per cyklus (iltningseffektiviteten). Rotorernes energiforbrug samt iltkoncentrationer i bioreaktorerne blev registreret med 1 minuts intervaller og overført elektronisk til databasen. Forsøgene blev udført i sommer/efteråret 1999 over en periode på 3 måneder, hvorunder iltningseffektiviteten (kg O 2 /kw) blev beregnet for en række cykler med ilt-setpunkter på hhv. 1 og 2 mgo 2 /l. Ved beregning af iltforbruget under en cyklus blev respirationen beregnet som beskrevet under metode 2. Pilotforsøg Iltkoncentrationens effekt på nitrifikationen blev undersøgt i pilotanlæg, der består af to bioreaktorer, hver med et volumen på 1 m 3. Forsøget blev udført under alternerende drift med en to timers cyklus opdelt i en times N- og DN-fase med kunstig spildevands- tilledning under DN-fasen. Forsøgene blev opstartet med aktivt slam hentet på Aars Renseanlæg, hvorefter forsøget blev udført med kunstigt spildevand med følgende sammensætning (kg per 1 liter vand): Kødekstrakt, 1,4; mælkepulver, 1,; Na 2 HPO 4,,42. Under forsøget blev iltkoncentrationen i tanken reguleret, så effekten på nitrifikationshastigheden (mg NO 3 - produceret per liter per minut) blev analyseret ved 1, 2 og 2,5 mg O 2 /l. Målinger af NO 3 - og NH 4 + er foretaget med Danfoss s on-line Evita-målere, som under forsøget blev kontrolleret med manuelle målinger (Dr. Lange hurtig-analyseudstyr) 6
Slamkoncentrationen under forsøget var på 4 kg TS/m 3. Resultater Fuldskalaforsøg Energiforbruget til at opretholde et ilt-setpunkt på 2 mgo 2 /l på Aars Renseanlæg lå omkring 8 kwh/døgn. Renseanlægget kører med 8 cykler af hver 3 timer, hvilket betyder, at der i gennemsnit forbruges omkring 1 kwh per cyklus. Efter en reduktion af ilt-setpunktet til 1 mgo 2 /liter faldt energiforbruget til omkring 6 kwh per døgn, hvilket svarer til en besparelse på ca. 25%. Under forsøget blev respirationen ligeledes beregnet. Som det fremgår af figur N5-5, lå respirationen ved lavt ilt-setpunkt på omtrent samme niveau ved drift med et ilt-setpunkt på 2 mgo 2 /l, som udviste med en forventet døgnsvingning med den laveste belastning om natten. Efter reduktionen i ilt-setpunktet synes der at være et mindre fald i respirationen, hvilket kan stamme dels fra sænkningen af iltkoncentrationen i tanken og dels fra variationer i belastningen. 9 8 7 energiforbrug iltkoncentration respiration 25 2 Energiforbrug kwh/døgn 6 5 4 3 15 1 respiration, mg/l/time iltkoncentration, mg/l 2 1 5 8-2-99 : 9-2-99 : 1-2-99 : 11-2-99 : 12-2-99 : Figur N5-5: Energiforbruget og respiration over en 3 dages forsøgsperiode, hvor ilt-setpunktet blev reduceret fra 2 til 1 mgo 2 /l. 7
16 14 2 mg O2/l 1 mg O2/l 12 1 kwh/cyklus 8 6 4 2 5 7 9 11 13 15 17 19 kgo2/cyklus Figur N5-6: Energiforbruget som funktion af iltforbuget i en række cykler på Aars Renseanlæg med ilt-setpunkter på hhv. 1 og 2 mg O 2 /l. Under et tilsvarende forsøg med ilt-setpunkter på hhv. 1 og 2 mgo 2 /l blev energiforbruget og iltforbruget i en række cykler analyseret over en længere periode. I figur N5-6. er energiforbruget plottet som funktion af iltforbruget i de respektive cykler og illustrerer dermed energiforbruget som funktion af belastningen. Som det fremgår af figuren, ligger energiforbruget til opretholdelse af en iltkoncentration på 2 mgo 2 /l igen omkring 25% højere end ved en iltkoncentration på 1 mgo 2 /l uanset belastningens størrelse (kg ilt forbrugt). Dette er en større besparelse end forventet. Effektiviteten vil teoretisk set forventes at være proportionalt med gradienten/iltkoncentrationen. Da mætningskoncentrationer ved de aktuelle koncentrationer er ca. 1 mg/l, var der kun forventet 1% forbedring ved at gå fra 2 til 1 mg/l som set-punkt. Pilotforsøg Under et forsøg i pilotanlæg blev ilt-setpunktet reguleret for at få et indtryk af iltkoncentrationens effekt på nitrifikationshastigheden ved 2 o C. Ved en hævning af iltkoncentrationen fra 1 til 2,5 mg/l i begyndelsen af forsøget blev der registreret en markant forøgelse i nitrifikationshastigheden (figur N5-7). Nitrifikationshastighederne er målt som hældningen (stigningen) i nitratkoncentrationer, som er foretaget som forrespirationer, se afsnit 5.1.1.2.1. Efterfølgende blev ilt-setpunktet igen nedreguleret til 1 mg/l, hvorefter forsøget blev gentaget, dog med en hævning af ilt-setpunktet til 2 mg/l. Igen kunne det konstateres, at nitrifikationshastigheden blev forøget ved øget iltkoncentration i bioreaktoren. På trods af lavere nitrifikationsrate steg ammoniumkoncentrationen ikke, da der var tilstrækkelig tid til at opnå fuld nitrifikation (<,2 mg/l ammonium). 8
4 iltkoncentration nitrifikationsrate 19 iltkoncentration, mg/l 3 2 1 17 15 13 11 9 nitrifikationsrate, mg/l/time 7 3.11.98 4.11.98 5.11.98 6.11.98 7.11.98 8.11.98 9.11.98 1.11.98 dato 5 Figur N5-7. Iltkoncentrationens effekt på nitrifikationshastigheden under forsøg udført i pilotanlæg. Konklusion Dette forsøg viste, at energiforbruget kan reduceres markant ved nedregulering af iltkoncentrationen i bioreaktoren. Beregninger illustrerede, at der i det aktuelle tilfælde kan spares omkring 25% ved regulering af ilt-setpunktet fra 2 til 1 mgo 2 /l. Dette er mere end de 1%, som var forventet. Iltkoncentrationens effekt på de biologiske processer blev illustreret dels i fuldskalaanlæg ved respirationsraten og dels i pilotanlæg ved nitrifikationsraten. Ved en sænkning af iltkoncentrationen blev respirationen og nitrifikationen reduceret. I sidstnævnte tilfælde blev nitrifikationen imidlertid hurtigt forøget igen, efter at iltkoncentrationen blev hævet. På den baggrund blev det konstateret, at iltkoncentrationen antagelig har indflydelse på disse processer, og at det må forventes, at en energibesparelse på beluftningsudstyret kan betyde en faldende procesrater. Faldende procesrater kan forårsage, at udlederkravene for ammonium ikke kan overholdes, hvorfor der er behov for en monitering af ammonium, hvilket bedst kan foretages med on-line sensorer. Gradvis faldende iltsetpunkt er herefter implementeret på Aars Renseanlæg. Det laveste set-punkt iværksættes på basis af on-line sensorer. 9
5.2.3 Energibesparelse ved optimering af driftstilstand for overfladerotorer Sammenfatning En stor del af de overfladerotorer der anvendes på renseanlæg er etableret med forskellige driftstilstande (høj og lav hastighed), der anvendes ved varierende belastninger af anlægget. Således anvendes den høje hastighed, når der behøves større iltoverførsel til bioreaktoren, mens den lave hastighed anvendes, når belastningen er faldet. I denne undersøgelse blev iltningseffektiviteten beregnet ved hhv. høj og lav hastighed for at belyse, hvilken hastighed der energetisk giver den bedste iltningseffektivitet. Resultaterne viste, at iltningseffektiviteten kan være mellem 2 og 35% højere ved høj hastighed, sammenlignet med lav hastighed. En energiberegning foretaget på Viby Renseanlæg viser, at en omlægning af driften fra den nuværende med drift af begge med begge hastigheder til drift af rotorerne udelukkende i høj driftstilstand vil betyde en besparelse i det totale energiforbrug til beluftning på omkring 13%. Lignende vurderinger er opnået på Aars Renseanlæg, hvor lav hastighed nu ikke længere benyttes. Metode De aktuelle overfladerotorer på Viby Renseanlæg er monteret med en to-hastighedsmotor og har således hver 3 mulige driftstilstande (1) høj hastighed, (2) lav hastighed og (3) afbrudt tilstand. Iltningskapaciteten (OC) og den deraf afledte iltningseffektivitet (kg ilt/kwh) beregnes ved hhv. høj og lav tilstand. Rotorernes driftstilstand blev styret fra renseanlæggenes SRO-systemer. Under forsøgene blev rotorerne forudindstillet på den ønskede driftstilstand, hvorefter iltkoncentrationen hhv. før og efter, rotoren blev målt (Danfoss iltsensorer) og opsamlet i de opstillede dataloggere. Endvidere blev vandhastigheden målt med flowmåler (1 minuts intervaller) på de respektive målestationer, mens data af energiforbruget blev opsamlet med tilsvarende intervaller. Ændringen i iltkoncentrationen (do 2 /dt ) kan beregnes løbende udfra hældningen på en iltkurve ved lineær regression gennem de sidste 4 målepunkter. Forudsætningerne er, at der logges iltkoncentrationer med et interval på 1 minut, og at alle rotorerne (4 per reaktor) tændes og slukkes manuelt nogle gange i en bestemt driftstilstand (høj eller lav). De forskellige knæk på iltkurven identificeres efterfølgende (som under afsnit 5.1.1.2.1), og de enkelte hældninger beregnes. Under drift af rotorerne, enten under høj eller lav driftstilstand, kan OC* bestemmes (OC* = OC høj (Cm-C)/Cm) ved høj rotordrift; OC* = OC lav (Cm-C)/Cm) (Cm = mætningskoncentrationer) ved lav rotordrift), mens respirationen kan bestemmes i perioden efter slukning af rotorerne. OC* korrigeres efterfølgende med faktoren Cm/(Cm-C), idet de fundne OCværdier kun gælder ved mg ilt/l. Iltningseffektiviteten (OCe = kg ilt/kwh) ved forskellige driftstilstande beregnes ud fra de fundne OC-værdier og det registrerede effektforbrug (OC høj = OC høj /P høj ; OC lav = OC lav /P lav ). Resultater På begge renseanlæg blev der registreret en markant højere iltningseffektivitet ved den højere rotorhastighed end ved den lave rotorhastighed. Dette er i overensstemmelse med, at den optagne effekt 1
er ringere ved lav hastighed (notat 7, afsnit 7.7.5). Iltningseffektiviteten ligger omkring 2% højere ved rotordriften med høj hastighed på Aars Renseanlæg i forhold til rotordrift ved lav hastighed, mens den på Viby Renseanlæg var en iltningseffektivitet helt oppe på 35% højere ved den høje driftstilstand, se Tabel 5.1. Dette er i overensstemmelse med, at den optagne effekt er ringere ved lav hastighed (notat 7, afsnit 7.5). På Viby Renseanlæg, hvor driften p.t. skifter mellem høj og lav driftstilstand, vil der kunne opnås en energibesparelse på omkring 13% af det totale energiforbrug til rotordriften, hvis rotorerne udelukkende fungerede ved høj driftstilstand. Tabel 5.1: Iltningseffektiviteten ved høj og lav driftstilstand på hhv. Viby og Aars Renseanlæg. Iltningseffektivitet\renseanlæg Viby Renseanlæg Aars Renseanlæg høj driftstilstand, kg O 2 per kwh 1,4 1,46 lav driftstilstand, kg O 2 per kwh,91 1,17 På figur N5-8. er iltningseffektiviteten i samtlige cykler i en periode over to dages plottet, og som det fremgår ligger iltningseffektiviteten lavere ved høj hastighed. Der er enkelte datapunkter ved lav hastighed, der synes at have væsentlig højere iltningseffektivitet end de resterende ved denne driftstilstand. Dette skyldes, at respirationsberegningen ved lav driftstilstand kan være behæftet med usikkerheder i overgangsfaser. 2,5 lav hastighed høj hastighed 2 Iltningseffektivitet kgo2/kwh 1,5 1,5 8.2.99 9.2.99 1.2.99 Figur N5-8. Iltningseffektiviteten ved hhv. høj og lav driftstilstand af overfladerotorerne på Aars Renseanlæg. tid 11
Konklusion På baggrund af ovenstående resultater kan det konkluderes, at det energetisk er ufavorabelt at anvende rotorernes lave driftstilstand. Således er iltningseffektiviteten (kg O 2 /kwh) op til 35% højere i den høje driftstilstand sammenlignet med den lave driftstilstand. Der vil antagelig kunne spares mere end 1% af det totale energiforbrug til beluftning ved at omlægge driften af rotorerne til udelukkende at fungere i høj eller slukket driftstilstand. 5.2.4. Energibesparelse ved optimering af rotorneddykningen Sammenfatning Ydelsen (iltningseffektiviteten: kgo 2 overført per kwh forbrugt) af overfladebeluftere er stærkt afhængig af den aktuelle neddykning. Således blev det vist, at den optimale neddykning på Viby Renseanlæg ligger mellem ca. 21 og 24 cm, mens den på Aars Renseanlæg ligger omkring 25 cm. En afvigelse i neddykningen på 2 cm på Viby Renseanlæg vil resultere i et merforbrug energimæssigt (kwh) på ca. 1%, mens der kan forventes et merforbrug på 2%, hvis rotorneddykningen falder til 17 cm. På Aars Renseanlæg vil den samme afvigelse fra optimal neddykning betyde øget energiforbrug på mere end 2 og 3%. Da energiforbruget til drift af overfladebeluftere ofte udgør mere end 5% af renseanlæggenes energiforbrug, vil der være betydelige energimæssige merudgifter, hvis neddykningen af overfladerotorerne ikke er optimalt indstillet. På Aars Renseanlæg har det været enkelt at konstatere den praktiske konsekvens af neddykningen, idet DHI har kunnet konstatere store stigninger i forbruget, som viste sig at skyldes kipregulering på 2 cm (bestemmer neddykningen). Metode Rotorerne opstartes manuelt i en i forvejen indstillet høj driftstilstand, og driften fortsættes indtil iltkoncentrationen har nået et konstant niveau (steady-state). Iltkoncentrationen må ikke stige eller falde væsentligt, hvilket sikres ved løbende aflæsninger på computerskærmen, der er forbundet til loggerne. Der logges iltkoncentrationer, der er midlet over et minut. Til dette er der placeret ilt-sensorer umiddelbart før og efter den rotor, hvorpå OC og iltningseffektiviteten måles. Målinger fra ilt-sensorerne opsamles vha. datalogger, der under hele forsøget er forbundet til en computer, så iltkoncentrationer løbende kan aflæses. Efter det konstante ilt-niveau er nået, slukkes rotorerne, og faldet i iltkoncentrationen bruges til at beregne respirationen. Ændringen i iltkoncentrationen (do 2 /dt ) kan beregnes løbende udfra hældningen på en iltkurve ved at beregne den bedste rette linie gennem de sidste 4 målepunkter. Når iltkoncentrationen er nået ned på et niveau på 1 mg/l (eller minimum 4 målepunkter), opstartes rotoren igen, indtil et konstant ilt-niveau igen er nået. Ydelsen (iltningseffektiviteten) beregnes efterfølgende på hældningerne af den opadgående iltkurve løbende gennem de efterfølgende 4 målepunkter. Fremgangsmåde gentages ved hver enkelt rotorneddykning til beregning af de respektive iltningseffektiviteter. 12
Resultater På Viby Renseanlæg blev der en optimal rotorneddykning i intervallet fra 21 til ca. 23 cm, hvor iltningseffektiviteten lå på 1,4 kgo 2 /kwh (Fig. N5-9). Ved rotorneddykninger under 21 cm faldt iltningseffektiviteten markant og lå ved en rotorneddykning på 18 cm på en iltningseffektivitet på ca. 1,1 kgo 2 /kwh svarende til et energimæssigt merforbrug på 2%. Iltningseffektiviteten ved neddykninger på 26 cm eller derover faldt iltningseffektivitet gradvist til et niveau omkring 1,25 kgo 2 /kwh. 1,5 1,4 Iltningseffektivitet kgo 2 /kw 1,3 1,2 1,1 1 15 18 21 24 27 3 Rotorneddykning, cm Figur N5-9: Iltningseffektiviteten som funktion af rotorneddykningen på Viby Renseanlæg. Ved den optimale rotorneddykningen på Aars Renseanlæg (omkring 25 cm) lå iltningseffektiviteten på 1,75 kgo 2 /kwh og faldt markant ved både større og mindre neddykninger (fig. N5-1). Således blev iltningseffektiviteten målt til 1,1 og 1,2 kgo 2 /kwh ved rotorneddykninger på hhv. 27,5 og 22 cm s neddykning. 13
2 Iltningseffektivitet kgo2/kwh 1.5 1 2 21 22 23 24 25 26 27 28 Neddykning, cm Figur N5-1. Iltningseffektiviteten som funktion af rotorneddykningen på Aars Renseanlæg. Konklusion Den optimale rotorneddykning på både Viby og Aars Renseanlæg ligger i et relativt lille interval. Rotordykninger under eller over dette interval medfører en markant forringelse i rotorernes iltydelse. Som en direkte følge deraf vil energiforbruget til ydelse af den nødvendige ilt til processerne i bioreaktoren forøges tilsvarende. De optimale rotorneddykninger ligger mellem ca. 21-24 cm og 25 cm på hhv. Viby og Aars Renseanlæg. Selv små afvigelser (2 cm) medfører merforbrug energimæssigt (kwh). På Viby Renseanlæg blev merforbruget beregnet til op mod 1%, mens der på Aars Renseanlæg kan forventes merforbrug på op 2% ved en tilsvarende afvigelse. Der er i den daglige drift målt stigninger i energiforbruget, som har kunnet forklares med 2 cm justeringer af neddykning. Da energiforbruget til drift af overfladebeluftere ofte udgør mere end 5% af renseanlæggenes energiforbrug, vil der være betydelige energimæssige merudgifter, hvis neddykningen af overfladerotorerne ikke er optimalt indstillet. 14
5.3 Reduktion af energiforbrug til beluftning ved reduktion af iltforbrug til egenrespiration 5.3.1 Sammenfatning Slammets egenrespiration udgør en ikke uvæsentlig del af det samlede iltforbrug i aktivt slam og dermed også en god del af det samlede energiforbrug til beluftning. Egenrespirationen blev derfor bestemt under forskellige belastninger og slamkoncentrationer for at belyse, om det er muligt gennem regulering af slamkoncentrationer og optimering af processer at opnå energibesparelse i form af reduceret iltforbrug til egenrespiration. Resultater i pilotanlæg viste, at egenrespirationen som forventet ud fra teoretiske betragtninger kan udgøre op mod 3% af det samlede iltforbrug. Ved en reduktion af slamkoncentrationen og dermed en forøgelse af slambelastningen i bioreaktoren vil det være muligt at reducere energiforbruget til beluftning tilsvarende. Opretholdelse af en lavere slamkoncentration vil imidlertid medføre, at der skal udtages en tilsvarende større mængde slam fra bioreaktorerne, idet der fjernes forbrændes mindre slam ved egenrespiration. Udgiften til deponering af slam vil derfor kunne modsvare den energibesparelse der kan opnås på beluftningen, så den overordnede økonomiske besparelse bør vurderes i de enkelte tilfælde. Metode For at belyse egenrespirationens andel af det totale iltforbrug i aktivt slam blev der udført forsøg i et pilotanlæg placeret på DHI. Pilotanlægget er opbygget med fødetank etableret med flowstyret spildevandstilledning, 1 m 3 bioreaktor drevet som alternerende anlæg samt efterklaringstank med spildevandsudledning og returslamflow. Forsøgene blev opstartet med 1 m 3 aktivt slam hentet på Aars Renseanlæg, hvorefter forsøget blev udført med kunstigt spildevand med følgende sammensætning (kg per 1 liter vand): Kødekstrakt, 1,4; mælkepulver, 1,; Na 2 HPO 4,,42. Der blev dagligt udtaget prøver fra fødetank, bioreaktor, afløbstank og overskudsslam til måling af suspenderet stof (SS), tørstof (TS), glødetab (VSS) og SVI. Følgende fysiske og kemiske parametre blev målt on-line under forsøget: airflow, fødeflow, returslamflow, SS, temperatur, ph, nitrat, ammonium, ilt og ledningsevne. Resultater Egenrespirationen blev bestemt ved at beregne iltforbruget på døgnbasis og sammenligne den med den tilledte mængde COD, hvorefter den regressionsbestemte kurve blev ekstrapoleret ind på Y- aksen (Fig. N5-11). Egenrespirationen blev ved denne metode bestemt til 16 go 2 per døgn i en slammængde på 3,5 kg SS (45,7 go 2 /døgn/kg SS). Ved en slambelastning på,1 og,2 kgcod/kgss/døgn vil egenrespirationen således udgøre hhv.1/2 og 1/3 af det samlede iltforbrug. 15
6 5 4 go 2 /døgn 3 2 1 Egenrespiration: 16 go 2 /døgn i 3,5 kg SS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 g COD/døgn Figur N5-11. Iltforbruget til nedbrydning af organisk stof. Egenrespiration er fundet ved at ekstrapolere kurven ind til Y-aksen. Med en iltningseffektivitet på 1,75 kg O 2 /kwh (Aars Renseanlæg, afsnit 5.1.3.) forbruges der,26 kwh/døgn/kgss til egenrespiration, hvilket på dette anlæg svarer til et forbrug på 155 kwh per døgn ved en slamkoncentration på 5 kgss/m 3. I sommermånederne, hvor høje hastigheder på processerne i tanken muliggør, at slamkoncentrationen kan sænkes (slambelastningen øges), vil der kunne opnås en energibesparelse på over 3 kwh/døgn for en sænkning på 1 kg SS/m 3 ved en konstant COD-belastning (6% af det totale energiforbrug til beluftning). Under forsøget blev udbyttekonstanten (Kg SS produceret per kg COD forbrugt) beregnet. Som det fremgår af figur N5-12, er der en forøgelse i slamudbyttet ved stigende slambelastninger (lavere slamkoncentrationer), hvilket illustrerer, at egenrespirationen relativt er mindre, når slamkoncentrationen er høj. Modelberegningen baseret på de opnåede resultater viser ligeledes, at lave CODbelastninger medfører, at slamproduktionen ikke længere kan modsvare reduktionen i slamkoncentrationen som følge af egenrespiration. Der vil derfor ske en nettoreduktion i bioreaktorens slammængde. Det skal påpeges, at denne beregning er baseret på dels opløst COD i det indkomne spildevand, og dels at den ikke tager højde for opløst og suspenderet stof i udløbsvandet. 16
,5,4 Pilotforsøg Modelberegnet,3 Udbyttekonstant KgSS/kgCOD/døgn,2,1, -,1 -,2,,2,4,6,8 1, kgcod/døgn Figur N5-12. Udbyttet af biomasse (udbyttekonstanten) ved forøgede slambelastninger (CODtilledning). Datamaterialet stammer dels fra resultater fra pilotforsøg samt modelberegninger baseret på disse. Konklusion Egenrespirationen blev under dette pilotforsøg bestemt til 45,7 go 2 /døgn/kg SS, hvilket svarer til 1/3 af det samlede energiforbrug til beluftning ved en slamkoncentration på,2 kgcod/kgss/døgn. Resultaterne viser, at en sænkning af slamkoncentrationen med 1 kg SS/m 3 vil medføre en reduktion på ca. 6% i det totale energiforbrug til beluftning. En sænkning af slamkoncentrationen (forøgelse i slambelastningen) vil imidlertid medføre, at slamproduktionen forøges. Der vil defor være en evt. forøgelse i mængden af slam, der skal deponeres, hvorved den økonomiske besparelse kan blive reduceret pga. deponeringsomkostninger. 17
5.3.2 Reduktion af effektforbruget ved ændring af driftsform fra kontinuerlig drift til intervaldrift af omrører i bioreaktorer Sammenfatning Gennem pilot- og fuldskalaforsøg er formålet at vise, at det er muligt at reducere energiforbruget til omrøring. Besparelse på energiforbruget kan opnås ved dels at ændre driftsform fra kontinuerlig til intervaldrift og dels ved at reducere antallet af omrørere i drift. Ved ændring af driftsform fra kontinuerlig til intervaldrift kan der opnås en besparelse på op til 66% i energiforbruget, mens en halvering af antallet af omrørere i drift medfører en halvering i energiforbruget. I begge tilfælde kan besparelsen opnås i alternerende anlæg med overfladebeluftere, uden at dette påvirker den procesmæssige drift af bioreaktorerne. Forsøgene har dermed dokumenteret, at inertien er så stor, at vandet fortsat vil opretholde en tilstrækkelig bevægelse efter stop af omrørerne til at hindre uhensigtsmæssig bundfældning af slammet samt utilstrækkelig opblanding af råspildevand og slam. I recirkulationsanlæg kan den samme energibesparelse opnås, men i anlæg med bundbeluftere kan der opstå problemer ved afbrydelse af omrørere i luftningstanke. Således blev det på Holstebro Renseanlæg vist, at der ikke opnås en tilstrækkelig vandtransport under omrørerstop, hvorved iltkoncentrationen faldt i områder uden dysser. Dette blev der kompenseret for ved et øget luftflow, hvorved energiforbruget til beluftning i stedet kan stige væsentligt. Forsøgene har dermed dokumenteret, at der kan spares markant på energien til omrøring, men at det samtidig kræver, at de enkelte anlæg vurderes individuelt. 5.3.3 Pilotforsøg under DN-fase Metode Inden forsøg med energibesparelse i fuldskala blev omrørerdriftens effekt på slamvolumenets opblanding samt indflydelsen på proceshastigheder udført i pilotanlæg i laboratoriet på DHI. Forsøget blev udført i pilotanlæg bestående af to cylinderformede bioreaktorer, hver med et volumen på 1 m 3. Bioreaktorerne er etableret med en central omrører med en egenhastighed på 6 omdr./min. Forsøget blev udført under alternerende drift med en to timers cyklus opdelt i en times N- og DNfase med spildevandstilledning under DN-fasen. I DN-fasen blev der gennemført et tænd-sluk program bestående af 1 minutters intervaller med omrørerstop efterfulgt af et 5 minutters interval med omrøring (tabel 2). Tænd-sluk programmet blev gennemført i begge reaktorer i en periode på 1 timer. 18
Tabel 2. Tidsopdeling af omrørerdriften under pilotforsøg. Tank 2 Tank 1 Sluk Tænd Sluk Tænd 9. 9.1 9.15 9.25 9.3 9.4 9.45 9.55 1. 1.1 1.15 1.25 1.3 1.4 1.45 1.55 11. 11.1 11.15 11.25 11.3 11.4 11.45 11.55 12. 12.1 12.15 12.25 12.3 12.4 12.45 12.55 13. 13.1 13.15 13.25 13.3 13.4 13.45 13.55 14. 14.1 14.15 14.25 14.3 14.4 14.45 14.55 15. 15.1 15.15 15.25 15.3 15.4 15.45 15.55 16. 16.1 16.15 16.25 16.3 16.4 16.45 16.55 17. 17.1 17.15 17.25 17.3 17.4 17.45 17.55 18. 18.1 18.15 18.25 18.3 18.4 18.45 18.55 19
Under forsøget blev vandbevægelsen, slammets opblanding samt DN-proceshastigheden, fulgt. Målinger af NO 3 - og NH 4 + er foretaget med Danfoss s on-line Evita-målere, som under forsøget blev kontrolleret med manuelle målinger (Dr. Lange hurtig-analyseudstyr) Slamkoncentrationen under forsøget var på 3,5 kg/m 3 med en SVI i slammet på 137 ml/g. Resultater Efter slukning af omrørerne fortsatte vandet med en vis bevægelse i ca. 1 minutter, mens slammet startede med at bundfælde efter kun 1 minut. Efterfølgende skete bundfældningen med en konstant sænkning af slamspejlet på ca. 1 cm per minut, så der efter 1 min. var en klar zone på ca. 1 cm. Det volumen, der ikke indeholder slam, vil være procesmæssigt inaktiv og således ikke bidrage til denitrifikation. Det inaktive volumen vil der formodentlig være kompenseret for ved en forholdsmæssig større proceshastighed i den slamfyldte del i tanken, hvor den aktive biomasse vil være tilsvarende større per volumenenhed. Ud fra analyser af denitrifikationsraten kan det således heller ikke dokumenteres, at proceshastigheden falder under tænd-sluk forsøgsperioden, hvilket endvidere indikerer, at opblandingen af spildevand ikke påvirkes af, at omrørerne er slukket. Ved beregning af den aktuelle DN-hastighed som regression på 3 efterfølgende målinger af NO 3 - i en DN-fase fås de på figur N5-13 viste rater. 35 3 25 DN-hastighed mg/l/h 2 15 1 5 Omrørertest : 6: 12: 18: : 6: 12: 18: : tid, minutter Figur N5-13. Denitrifikationsrater (2 o C) under forsøg med tænd-sluk af omrørerne. Raterne er udregnet som regression af 3 på hinanden følgende målinger af NO 3 -. 2
Konklusion på forsøg i pilotanlæg Inertien i vandbevægelsen er så stor, at vandet fortsætter med en tilstrækkelig bevægelse til, at denitrifikationen ikke påvirkes væsentligt af et stop af omrører på 1 min. Det kan derfor også forventes, at der ikke opstår mangel på COD og NO 3 - i den procesmæssigt aktive volumen. Under perioder med omrørerstop blev der observeret en konstant sænkning af slamspejlet på ca. 1 cm per minut, så der efter 1 min. var en klar zone på ca. 1 cm. Det volumen, der ikke indeholder slam vil være procesmæssigt inaktivt. Denitrifikationsraten opretholdes imidlertid, hvilket indikerer, at der kompenseres for det inaktive volumen ved forholdsmæssigt større proceshastighed i den slamfyldte del af volumen nederst i tanken, hvor den aktive biomasse vil være tilsvarende større per volumenenhed. I DN-fasen kan vandbevægelsen genoprettes ved drift af omrørerne i 5 15 min., hvorefter vandet igen har tilstrækkelig turbulens til at opblande indkommende råspildevand og returslam i hele reaktorens volumen. Endvidere vil en kort opblandingsperiode betyde, at et evt. sedimenteret slamlag på bunden vil blive resuspenderet. 5.3.4 Fuldskalaforsøg i N- og DN-tanke på recirkulationsanlæg Fuldskalaforsøget blev udført i en udvalgt bioreaktor på Holstebro Renseanlæg. Bioreaktoren er opbygget omkring et centerbygværk omsluttet af tre koncentriske tanke. Centerbygværket (3 m 3 ) og de to inderste koncentriske tanke (389 m 3 og 648 m 3 ) er bundbeluftede (N-tanke), mens den yderste koncentriske tank (97 m 3 ) er uden beluftning (DN-tank). De koncentriske tanke er etableret med en omrører, der er placeret ca. 2 m over bunden og har et vingefang på 1 m. Råspildevandet ledes ind i denitrifikationstanken og ender, via overløb mellem de enkelte tanke, i centerbygværket, hvorfra det henholdsvis recirkuleres tilbage til denitrifikationstanken og ledes til efterklaringstanken. Metode Tænd-sluk program I DN-tanken udføres der et tænd-sluk program på rotoren bestående af 1 minutters intervaller med omrørerstop efterfulgt af et 5 minutters interval med omrøring (som skematisk fremstillet under pilotforsøget). Tænd-sluk programmet udføres i en periode på 28 timer. Energiforbruget (kw) til rotordriften registreres hver andet minut dels under forsøget og dels i den foranliggende og efterfølgende tidsperiode. I hele perioden udregnes energiforbruget ud fra 15 minutters glidende middel. Slammets bundfældningshastighed og vandbevægelsen undersøges i et efterfølgende forsøg. Omrører i DN-tanken stoppes i en forsøgsperiode på 19 minutter, hvorunder vandhastigheden og slamspejlet i tanken registres. Der udføres tillige et forsøg, hvor vandhastigheden registreres under en periode, hvor både omrøring og recirkulationen er afbrudt. Omrørerstop i N-tankene For at belyse omrørernes indflydelse på vandbevægelse og iltfordeling i N-tankene udføres et forsøg med omrørerstop på 1 time. I forsøgsperioden måles vandhastigheden samt iltkoncentrationen i 21
områder hhv. med og uden bundbeluftning i begge N-tanke. Efterfølgende udregnes en 15 minutters glidende middel udfra de opnåede data. Slammets fordeling i tanken følges gennem forsøget ligesom nitratkoncentrationen måles ved tankens afløb i midterbygværket. Resultater Energibesparelse i DN- og N-tankene Energiforbruget til omrører i DN-tanken ligger konstant på ca. 1,5 kw i perioder med kontinuerlig drift (fig. N5-14). Ved ændring af driften fra kontinuerlig til intervaldrift observeres et markant fald i kw-forbruget til ca. 1/3 af det oprindelige forbrug svarende til ca.,5 kw. Der ses et tilsvarende fald i energiforbruget i N-tankene fra 1,9 og 1,3 kw til,6 og,4 kw i hhv. yderste (648 m 3 ) og inderste (369 m 3 ) N-ring ved driftsændring fra kontinuerlig til intervaldrift. På Holstebro Renseanlæg er der etableret 4 identiske bioreaktorer. Under antagelse af, at de fysiske forhold i alle tanke er identiske bruges der ca. 41.212 kwh/år til omrøring ved kontinuerlig drift i beluftningstankene på Holstebro Renseanlæg. Ved intervaldrift vil forbruget være ca. 13.936 kwh/år, hvilket svarer til en årlig besparelse på ca. 27.276 kwh ved ændring til denne driftsform. Dette svarer til en energibesparelse på ca. 66%. 2 Energiforbrug, kw 1 Besparelse på enrgiforbruget ved omlægning er 66% 31-5-99 1-6-99 2-6-99 3-6-99 4-6-99 5-6-99 6-6-99 7-6-99 Tid DN-tank N1-tank N2-tank Figur N5-14. Energibesparelse i DN- og N-tankene ved ændring fra kontinuerlig drift af omrøreren til intervaldrift med 1 minutters stop efterfulgt af 5 minutters drift. 22
Vandbevægelse og slamfordeling i DN-tank ved omrørerstop De efterfølgende undersøgelser i DN-tanken på Holstebro Renseanlæg viser, at afbrydelse af omrøreren, mens recirkulationen kører, betyder et fald i vandhastigheden fra omkring 3 cm/s til omkring 5 cm/s efter 1 minutters stop af omrøreren (Fig N5-15). Efter genstart af omrører er vandhastigheden tilbage på det oprindelige niveau efter 5 1 minutter. Når det samme forsøg gennemføres uden recirkulation, opnås de samme vandhastigheder efter hhv. 2 og 7 minutter, hvilket indikerer, at recirkulationsstrømmen bremser omrøringen. Der ses et begyndende fald i slamspejlet efter 3 minutter, der fortsætter ca. 15 min, hvor slamspejlet er faldet ca. 9 cm. Efterfølgende observeres der ikke længere et fald i slamspejlet. Der registreres ingen stigning i slamspejlet 2 minutter efter start af omrøreren. Efterfølgende blev samspejlets højde ikke længere registreret. tid, min 5 1 15 2 25 4 slamspejl, cm 1 flow, cm/s 2 3 3 slamspejlssænkning cm 4 5 6 2 flowhastighed cm/s 7 8 1 9 1 Figur N5-15. Slamspejlssænkning og vandhastigheden i en periode omrørerstop i DN-tanken på Holstebro Renseanlæg. Som supplering til evt. pausedrift bør den fysiske placering og beskaffenhed af recirkulationsrører derfor vurderes. Det nuværende firkantede rør til recirkulering af slam på Holstebro Renseanlæg forbinder en cylinder i midterbygværket til yderringen (DN-ringen). Fra recirkulationspumpen i bunden af cylinderen i midterbygværket skal vandet passere 2 skarpkantede 9 bøjninger, med et relativt stort energitab til følge. Endvidere er udløbsenden rettet nedad i slamvolumenet i stedet for at være rettet med strømmen, hvilket bidrager til bremsning af vandet i tanken. 23
. Vandbevægelse og iltfordeling i N-tanke ved omrørerstop Efter afbrydelse af omrører i N-tankene blev der registreret et fald i vandhastigheden på ca. 1,3 cm/ minut i den inderste tank fra ca. 45 cm/minut til ca. 25 cm/minut. Hastigheden var efterfølgende konstant, indtil omrøreren igen blev startet (Fig. N5-16). Pga. voldsom vandturbulens efter afbrydelse af omrøreren var det ikke muligt at måle en vandhastighed i den yderste N-tank. Den voldsomme turbulens i den yderste N-tank (også observeret i mindre grad i inderste N-tank) skyldes en øget lufttilførsel til tallerkenbelufterne som følge af dårlig iltfordeling i tanken. Således blev der registreret et markant fald i iltkoncentrationen i områder uden bundbeluftere, mens der i områder med beluftere blev registreret en stigning i iltkoncentrationen. Iltsensorerne sidder netop i området med lav iltkoncentration, hvilket resulterede i øget beluftning for at kompensere for faldet (Figur N5-16; N5-17). Efter genopstart af omrørerne steg iltkoncentrationen kun langsomt i de områder, hvor der ingen bundbeluftere er placeret (Fig. N5-17). 6 1.5 5 1.2 Vandhastighed cm/s 4 3 2.9.6 Iltkoncentration mg/l 1.3 11:29 12: 12:3 13: 13:3 tid, min. Flowhastighed Iltkoncentration Figur 4. Ændringer i vandbevægelse og iltkoncentration ved stop af omrører i inderste N-tank. Iltsensor placeret i område med bundbeluftning. 24
6 1.5 5 1.2 Vandhastighed cm/s 4 3 2.9.6 Iltkoncentration mg/l 1.3 11:29 12: 12:3 13: 13:3 tid, min. Flowhastighed Iltkoncentration Figur N5-17. Ændringer i iltkoncentration i yderste N-ring ved afbrydelse af omrører. Konklusion på forsøg i recirkulationsanlæg Ændring af driften fra kontinuerlig drift af omrørerne til intervaldrift i DN- og N-tankene resulterer i en reduktion af energiforbruget med ca. 66%. På Holstebro Renseanlæg vil denne reduktion svare til en årlig energibesparelse på ca. 27. kwh. En afbrydelse af omrørerne i DN-tanken resulterer i et fald i vandhastigheden fra omkring 3 cm/s til omkring 5 cm/s efter 1 minutters stop. Under perioden blev der observeret en sænkning af slamspejlet på ca. 9 cm efter 1 min. Efter genstart når vandhastigheden tilbage på det oprindelige niveau efter 5 1 minutter, mens slammet i samme tidsrum igen fordeler sig i hele DN-tankens volumen. På baggrund af ovenstående synes der ikke at være forbundet væsentlige problemer i DN-tanken ved ændring fra kontinuerlig til intervaldrift. En mindre markant reduktion i vandbevægelsen kan imidlertid opnås ved en bedre fysisk beskaffenhed af recirkulationsrøret, således at udløbsenden er rettet med vandstrømmen og ikke bremser vandet, som det sker ved nuværende opstilling. Efter afbrydelse af omrører i N-tankene blev der registreret et fald i vandhastigheden på 1,3 cm/ minut i den inderste tank indtil der blev opnået en konstant hastighed på 25 cm/minut. Under omrørerstop registreredes imidlertid et markant fald i iltkoncentrationen i områder uden beluftningsdysserne, hvilket indikerer en dårlig omblanding af hele tankens volumen. Det kan derfor ikke afvises, at processerne påvirkes i negativ retning ved en afbrydelse af omrøringen. På den baggrund kan det ikke anbefales, at omrøringen i disse og lignende tanke standses uden en forudgående individuel undersøgelse. 25
Endvidere resulterede afbrydelsen af omrøreren i øget beluftning for at kompensere for den faldende iltkoncentration i områder uden dysser. Det kan derfor forventes, at energibesparelsen ved ændring af omrørerdriften i N-tankene mere end modsvares af et øget energiforbrug til den ekstra beluftning. Ændring af driftsform fra kontinuerlig til intervaldrift vil kræve omkring 35. starter per år. Såfremt omrørerne er beskyttet med korrekt fungerende softstartere, vil forkortelsen af levetiden på udstyret ikke have nævneværdig betydning for anlægget set i relation til besparelsen på energiforbruget (Søren Sørensen, Landia). Softstartere anbefales generelt for at kunne opnå besparelsen ved pausedrift i DN-tanke. 5.3.5 Fuldskalaforsøg i bioreaktorerne på alternerende anlæg Fuldskalaforsøgene blev udført i en udvalgt bioreaktor (luftningstank) på Viby Renseanlæg. Bioreaktoren er opbygget med en ca. 4 m dyb ringkanal (35 m 3 ), hvori der er placeret fire overfladerotorer. Ringkanalerne er endvidere etableret med to omrøre, der er placeret mellem 2 rotorer på den ene langside af ringkanalen. Omrørerne er ved den nuværende drift startet i hele DN-fasen, mens overfladerotorerne opretholder vandbevægelsen i N-fasen. Råspildevandet samt forbehandlet spildevand/slam fra AN/DN- sektionen ledes ind i DN-fasen og ender efter endt behandling i enten efterklaringstanken eller recirkuleres tilbage til DN-tankene. Recirkulering af spildevand/resturslam fra de ellers alternerende drevne bioreaktorer til en AN/DNsektion skyldes et lavt C/N-forhold i råspildevandet. Slammet hydrolyseres derfor i en AN-tank, og det dannede letomsættelige kulstof bruges til denitrifikation. Metode Tænd-sluk program af omrører i luftningstank I luftningstanken udføres der et tænd-sluk program på omrøreren i DN-fasen bestående af 1 minutters intervaller med omrørerstop efterfulgt af et 5 minutters interval med omrøring (som skematisk fremstillet under pilotforsøget). Energiforbruget (kw) til rotordriften registreres hver minut dels under forsøget og dels i den foranliggende og efterfølgende tidsperiode. I hele perioden udregnes energiforbruget ud fra 15 minutters glidende middel. For at belyse omrørernes indflydelse på vandbevægelse og iltkoncentration moniteres vandhastigheden samt iltkoncentrationen i luftningstankentankene. Der udregnes en 15 minutters glidende middel udfra de opnåede data. Slammets fordeling i tanken følges gennem forsøget ligesom nitrat-, ammonium- og ortofosfat måles ved afløbet fra tanken. 26
Resultater Energibesparelse ved omlægning til hhv. intervaldrift og drift med kun 1 omrører Energiforbruget til de 2 omrørere i DN-fasen ligger på ca. 5,3 kw i perioder med kontinuerlig drift. Ved ændring af driften fra kontinuerlig til intervaldrift observeres et markant fald i kw-forbruget til under halvdelen af det oprindelige forbrug svarende til ca. 2,6 kw (Fig. N5-18). Ved drift med kun en omrører i stedet er energiforbruget ca. 3,5 kw (dette må skyldes højere last ved kun én omrører). På Viby Renseanlæg er der etableret 3 identiske bioreaktorer. Under antagelse af, at de fysiske forhold i alle tanke er identiske, bruges der ca. 87.7 kwh/år til omrøring ved kontinuerlig drift med to omrørere i beluftningstankene. Ved intervaldrift vil forbruget være ca. 43.76 kwh/år, hvilket svarer til halvering af det årlige energiforbrug. Ved drift med kun en omrører vil energiforbruget falde med 1/3 til ca. 58.25 kwh/år 6 energiforbrug, kw 5 4 3 2 Intervaldrift: Besparelse i kwh-forbruget på 66% Drift med 1 omrører: Besparelse i kwh-forbrug på 5% 1 Normal drift med 2 omrører Normal drift med 2 omrører 7:12 8:24 9:36 1:48 12: 13:12 14:24 15:36 tid, minutter Figur N5-18. Energiforbruget i 4 på hinanden følgende faser, hvor driften af omrørerne er: fase 1: kontinuerlig drift med begge omrørere; fase 2: intervaldrift; fase 3: kontinuerlig drift med begge omrørere; fase 4: kontinuerlig drift med 1 omrører. Vandbevægelse, ilt- og slamfordeling samt udvikling i næringsstoffer ved intervaldrift De sideløbende registreringer af vandhastighed viser, at en omlægning af omrørerdriften fra kontinuerlig til intervaldrift i DN-fasen, betyder et fald i 1 m dybde fra omkring 25 cm/s til omkring 15 cm/s (Fig N5-19). I 2 m dybde er vandhastighederne generelt højere end i 1 m dybde og falder fra ca. 35 cm/s til 2 m/s ved omlægning til intervaldrift. I begge dybder når vandhastigheden et tilnærmelsesvis konstant niveau. Forskellene i niveauet ved både kontinuerlig og intervaldrift skyldes efter al sandsynlighed, at spildevandet tilledes i overfladen over hele ringkanalens endeflade og vil 27