Exergi och avloppsreningsverk Daniel Hellström, Svenskt Vatten 1 Avgränsningar För nästan alla större reningsverk utgör rötning av slam, och därmed produktion av rötgas 1, en integrerad del av reningsverkens verksamhet. Många reningsverk behandlar även externt organiskt material i sina rötkammare (se vidare nedan). Detta innebär att detta material, även om det inte tillförts med inkommande avloppsvatten, kommer att ingå i det material som reningsverket har att processa. Detta gör att externt organiskt material, inklusive den gas som bildas från detta material, bör ingå i en exergianalys. Av praktiska skär bör analysen avgränsas till att enbart omfatta driftskedet, det vill säga exergi för exempelvis tillverkning av anläggningsdelar inkluderas ej. 2 Förbrukad exergi Det är i principiell mening relativt enkelt att beräkna den förbrukade exergin. Dock krävs en stringent kvalitetsvägning av de olika energislagen (jämför tabell 1-1). El-energi är relativt enkel att mäta och bör utgöra grundenhet även här, varefter andra energislags kvalitet relateras till el-energi. Lika kvalitet kan prima fossil energi och energi som direkt kan användas till fordonsdrift anses ha. Detta gäller exempelvis prima etanol. Insatsvaror i form av kemikalier kan antingen bedömas utifrån dess exergiinnehåll vid leverans till reningsverket eller utifrån den exergi som åtgått under framställningsskedet. Den förstnämnda metoden används eftersom systemavgränsningen då blir densamma som för övriga energiflöden (el, gas etc.) till och från reningsverket. För information om total energianvändning, och miljöeffekter, vid användning av fällningskemikalier hänvisas till livscykelanalyser. Produkter som i sig själva är direkta energiprodukter, exempelvis prima etanol, bedöms utifrån sitt exergiinnehåll vid leverans. Insatsvarornas exergiinnehåll bedöms kvalitetsmässigt vara lika med el-energi. Energivärden, och uppgifter om energislag (energikvalitet), kan hämtas från tillverkare eller egna bedömningar. En del värden finns redan sammanställda (Szargut et al. 1988, Hellström 1998). Även om en fullständig bild eftersträvas är det av praktiska skäl nödvändigt att exkludera faktorer som oftast är av mindre betydelse. Detta kan vara exempelvis persontransporter i verksamheten och exergiförbrukning för kontor som inte är förlagda vid det aktuella verket. En faktor som dock generellt kan förväntas ha viss betydelse är exergi för transporter till och från reningsverket samt övrig exergi som åtgår vid eventuell extern slambehandlingen. Frågan är dock om det ur datainsamlingssynpunkt praktiskt går att hantera dessa poster på ett bra sätt. 1 Här används begreppet rötgas för gas som ej renats/uppgraderats.
3 Exergiutvinning Som utvunnen exergi räknas sådan exergi som levereras ut till extern användare vid den punkt exergin lämnar avloppsverksamheten. För rötgas som levereras externt tas hänsyn till att en insats av el (och eventuell annan energi) behövs för att uppgradera den till fordonsgaskvalitet. Övriga leveranser kan bedömas på samma sätt, exempelvis gödningsmedel i form av slam, kväveföreningar etc. En del i utvinningen är gödningsmedel i form av slam alternativt kväve och fosforföreningar. Detta kan omsättas till exerginytta genom att beräkna de alternativa produkternas exergiinnehåll. Rötsubstrat Kemikalier, kolkälla El - drift El - /VP Fjärrvärme från gas Övriga bränslen Ventilation Ev. luftbehandling (lukt) Kontor, personalutrymmen, lagerlokaeler etc. El Förbehandling inklusive försedimentering Biologisk behandling baserad på aktiv slam (inklusive sedimentering) Eftersedimentering Flotation Filtering pump Renat Avloppsvatten från "Biogas - VASS" Rejektvattenbehandling Slambehandling: förtjockare, rötning, avvattning (Typ och mängd energi för uppvärmning särredovisas) Rötgas El "Rågas" till extern Hantering av slam utanför ARV El Uppgradering Fordonsgas Figur 1. Systemavgränsning för exergianalys
Referenser Hellström D. (1998) Nutrient Management in Sewerage Systems Investigations of Components and Exergy Analysis. Ph. D. Thesis, Dep. of Environmental Engineering, div. of Sanitary Engineering, Luleå University of Technology, Report 1998:2. Szargut, J., Morris, D.R., Steward, F.R. (1988). Exergy Analysis of Thermal, Chemical and Metallurgical Processes. Springer, New York, N.Y. Ödegaard H. (1995) An evaluation of cost efficiency and sustainability of different wastewater treatment processes Vatten 51, No 4, 291-299
El drift 33 64 Kolkälla 0 29 Kemikalier 2 5 8 16 (25 40) substrat rötning 0 13 COD + N ca 250 Reningsverk med rötkammare Exergiflöden för fem större verk 2008 150 200 biogas 84 108
Parameter Förklaring, enhet Värde BODpe g BOD/pe 70 Npe g N/pe 14 COD/VS EG COD/VS Energigröda 1,5 COD/VS ES COD/VS Externslam 1,5 COD/VS FS COD/VS Fettslam 2,9 COD/VS LA COD/VS Avfall från livsmedelsindust 1,5 COD/VS OA COD/VS Organiskt avfall 1,5 COD/VS ÖS COD/VS Övrigt Substrat 1,5 ExFV Exergi/Energi köpt (fjärr)värme 0,3 ExPV UppGrad Exergi/Energi producerad värme vid förbränning av gas 0,3 Exergi för uppgradering/ Exergi i rågas 0,07 Verkningsgrad inloppspump 0,7 Sp. pumpning kwh/m3/m 0,0027
Parameternamn Ämne Aktiv substans MJ/kg aktiv substans ExAlSO4 Aluminiumsulfat Al2(SO4)3 1,5 ExAlCl3 Aluminiumklorid AlCl3 3,3 ExFe2 Tvåvärt järn FeSO4 (kg Fe/d) 1,1 ExFe3 Trevärt järn Fe2(SO4)3 1,3 ExFeCl2 Järn(II)klorid FeCl2 1,6 ExFeCl3 Järn(III)klorid FeCl3 1,4 ExPol polymer akrylamid 15,2 ExAn ej definierad kolkälla 16,8 ExEt etanol C2H6O 29,5 ExMe metanol CH4O 22,4 ExMoss Mosstanol 99,5 % alkoholer varav 37% isopropanol och 63 % etanol 26,7 ExProp isopropanol C 3 H 8 O 33,3 ExCH4 Metan CH4 51,8 ExCOD COD COD 13,6 ExN kväve NH4OH EP ExP kalciumfosfat kli f Ca3(PO4)2