Possibilities of using wastewater in sewage treatment plants as a source of heat

• Autorzy: Szaflik Władysław

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2022.5.2

Warianty tytułu

PL

Ścieki jako źródło ciepła w oczyszczalniach ścieków

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Preventing climate change is a priority for the European Union. In order to reduce CO₂ emissions into the atmosphere and thus the negative impact of human activity on the environment, the European Parliament and the Council of the European Union have developed and enacted a number of directives. Improving the energy efficiency of systems used by people is a priority task included in the European Union policy. Energy obtained from the combustion of biogas and sewage sludge is widely used at wastewater treatment plants, while the heat recovered from wastewater is used only to a small extent. The article presents methods of heat recovery from wastewater and possibility of its application at wastewater treatment plants. The heat contained in the wastewater is discharged into the sewage system and further into the wastewater treatment plant. In most wastewater treatment plants in Poland, the heat is not utilized and flows with the treated wastewater to the reception tank. The lack of utilization of this heat is due to the low temperature of the wastewater, which is higher than the temperature of cold water supplied to buildings by only a few to several degrees Celsius. This limits the direct use of the heat contained in them with heat exchangers. In wastewater treatment plants, the higher temperature heat is used for heating, hot water preparation and technological needs. A higher temperature of the heated medium than in heat exchangers may be obtained with heat pumps, where wastewater can be used as lower heat source. Unfortunately, this temperature cannot be too high as the efficiency of heat pumps (COP) decreases with the increase of the temperature in the condenser. The basis of any analysis of the possibility of using heat from wastewater is the determination of its temperature. The analysis is based on the example of the Zdroje Wastewater Treatment Plant in Szczecin, for which the results of wastewater temperature measurements are presented for individual days in 2020. Analysis was also performed for water taken at the Miedwie intake, which feeds the wastewater treatment plant’s inflow areas, and for the average daily outdoor air temperature. The average daily efficiency of heat extraction with heat pumps from sewage at the plant and from outdoor air was determined for selected months. The efficiency of heat extraction depends on the temperature of the lower and upper heat source. The paper presents the results of performance calculations when the lower heat sources are wastewater and outside air. The efficiency of heat extraction from wastewater is higher than that of heat extraction from air. The relative increase in pump efficiency was also determined when wastewater is the lower heat source instead of the outside air.

PL

Zapobieganie zmianom klimatu jest strategicznym priorytetem Unii Europejskiej. Aby ograniczyć emisję CO₂ do atmosfery i przez to niekorzystny wpływ działalności człowieka na środowisko Parlament Europejski i Rada Unii Europejskiej opracowała i uchwaliła szereg dyrektyw. Poprawa efektywności energetycznej użytkowanych przez ludzi systemów jest priorytetowym zadaniem polityki Unii Europejskiej. W oczyszczalniach ścieków szeroko wykorzystywana jest energia uzyskiwana ze spalania otrzymywanych w nich: biogazu i osadów ściekowych, w niewielkim stopniu ciepło odzyskiwane ze ścieków. W artykule przedstawiono sposoby odzyskiwania ciepła ze ścieków i możliwości ich zastosowania w oczyszczalniach ścieków. Ciepło przekazywane w budynku zużywanej wodzie odprowadzane jest ze ściekami do kanalizacji i dalej do oczyszczalni ścieków. W większości oczyszczalni w Polsce, nie zostaje ono w żaden sposób zagospodarowane i odpływa z oczyszczonymi ściekami do odbiornika. Brak spożytkowania tego ciepła wynika z niskiej temperatury ścieków, jest ona wyższa od temperatury zimnej wody dostarczanej do budynków od kilku do kilkunastu stopni Celsjusza. Ogranicza to bardzo bezpośrednie wykorzystanie zawartego w nich ciepła za pomocą wymienników ciepła. W oczyszczalniach ścieków znajdują zastosowanie czynniki grzejne o wyższej temperaturze, potrzebne do ogrzewania, przygotowania ciepłej wody i na potrzeby technologiczne. Wyższą temperaturę podgrzewanego czynnika niż w wymiennikach ciepła można uzyskać za pomocą pomp ciepła, ścieki wtedy stanowią dla nich dolne źródło ciepła. Niestety temperatura ta nie może być zbyt wysoka ze względu na malejącą, wraz ze wzrostem temperatury w skraplaczu efektywność (współczynnik COP) pomp ciepła. Podstawą każdej analizy możliwości wykorzystania ciepła ze ścieków jest znajomość ich temperatury. Analizę przeprowadzono na przykładzie Oczyszczalni Ścieków Zdroje w Szczecinie, dla której, w poszczególnych dobach 2020 roku przedstawiono wyniki pomiarów temperatury ścieków. Pokazano też temperaturę wody ujmowanej w Ujęciu Miedwie zasilającym tereny spływu ścieków do tej Oczyszczalni, oraz średnią dobowej temperatury powietrza zewnętrznego. Dla poszczególnych miesięcy określono średnią dobową efektywność pozyskiwania ciepła za pomocą sprężarkowych pomp ciepła ze ścieków w oczyszczalni oraz z powietrza zewnętrznego. Efektywność pozyskiwania ciepła zależy od temperatury dolnego i górnego źródła ciepła. W artykule przedstawiono wyniki obliczeń efektywności, gdy dolnym źródłem ciepła są ścieki oraz powietrze zewnętrzne. Efektywność pozyskiwania ciepła ze ścieków jest większa niż w przypadku pozyskiwania ciepła z powietrza. Określono również względny wzrost efektywności pompy w przypadku gdy dolnym źródłem ciepła są ścieki a nie powietrze zewnętrzne.

Słowa kluczowe

EN

wastewater treatment; wastewater heat recovery; wastewater treatment plant heat management

PL

oczyszczalnie ścieków; odzysk ciepła ze ścieków; gospodarka ciepłem w oczyszczalniach ścieków

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2022
• Tom: nr 5
• Strony: 10--14
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., wykr., wzory

Twórcy

autor

Szaflik Władysław

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering Szczecin, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3767-8766

Bibliografia

• [1] danepubliczne.imgw.pl, access 10.01.2022
• [2] Louis T.: Heat Transfer Applications for the Practicing Engineer. A. John Wiley & Sons, 2011
• [3] www.mhi.info.pl/pompy-ciepla, access 30.06.2021
• [4] Pompa ciepła CO2 - Mitsubishi Heavy Industries (mhi.info.pl)
• [5] Rubik M.: Pompy Ciepła Poradnik. Ośrodek Informacji „Technika Instalacyjna w Budownictwie” Warszawa 2006
• [6] Słyś D., Kordana S.: Odzysk ciepła odpadowego w instalacjach i systemach kanalizacyjnych. Wydawnictwo i Handel Książkami „KaBe”. Krosno 2013.
• [7] Szaflik W.: Zużycie wody w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych. Water consumption in residential multifamily buildings (in Polish). Instal 10/2020, p. 18-21. DOI 10.36119/15.2020.10.2
• [8] Szul T.: Ocena efektywności ekonomicznej wykorzystania pomp ciepła do pokrycia potrzeb cieplnych obiektów w średniej wielkości oczyszczalni ścieków. Problemy Inżynierii Rolniczej nr 3/2008 str. 125-135.
• [9] Skrzypczak M.: Zastosowanie pomp ciepła w czyszczalni ścieków. Wodociągi - Kanalizacja 6/2015, 14-15.
• [10] Tian L. et.al.: Effect of silica dioxide particles of on the evolution of biofouling by Bacillus subtilis in plate heat exchangers relevant to a heat pump system used with treated sewage. Chemical Engineering Journal 2012, 188, 47-56.
• [11] Tian L. et.al.: Effect of calcium ions of the evolution of biofouling by Bacillus subtilis in plate heat exchangers simulating the heat pump system used with treated sewage in the 2008 Olympic Vilage. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 2012, 94, 305-316.
• [12] www.daikin.pl/pl_pl/literature.html, access 06.08.2021 r.
• [13] Zaborowska E.: Odzysk energii ze ścieków na przykładzie wybranych oczyszczalni komunalnych. Praca doktorska. Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, 2007.
• [14] Zaborowska E.: Charakterystyka eksploatacyjna pomp ciepła zainstalowanych w oczyszczalni ścieków. Instal nr 3/2015, str. 21-26.
• [15] Zalewski W.: Pompy ciepła i przykłady zastosowań. Skrypt dla studentów wyższych szkół technicznych. Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Kraków 1995,
• [16] ZWiK Szczecin: Data on the Miedwie water intake and the Zdroje Sewage Treatment Plant. Szczecin, 2021.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023)