Pompownie ścieków a efektywność energetyczna

Połowa ludności świata nie ma bezpiecznych dla zdrowia urządzeń sanitarnych, 25% ma kontakt tylko z wodą skażoną fekaliami, a blisko 700 mln w ogóle nie ma dostępu do toalet. W skali globalnej oczyszczamy jedynie ok. 20% wszystkich ścieków, reszta zanieczyszcza rzeki, z których pobiera się wodę. Pomimo tak małego stopnia oczyszczania ścieków na ich pompowanie i oczyszczanie zużywamy w skali globalnej 4% całej zużywanej energii. Kiedy będziemy oczyszczać wszystkie ścieki na świecie, udział ten istotnie wzrośnie i oby nie był to wzrost proporcjonalny. Aby takiego wzrostu uniknąć, konieczne jest zadbanie o to, by procesy pompowania i oczyszczania zużywały jak najmniej energii i żeby pochodziła ona ze źródeł odnawialnych.

Trudno to sobie wyobrazić, ale przed paroma dekadami i przed realizacją Krajowego Programu Oczyszczania Ścieków Komunalnych też mieliśmy problemy z zanieczyszczeniem wód powierzchniowych ściekami. Obecnie jednym z głównych problemów w gospodarce ściekowej są wydatki na energię do pompowania ścieków. W gminach i miastach to m.in. zakłady wodociągowe są największymi konsumentami energii elektrycznej, a wydatki samorządów na uzdatnianie wody i oczyszczanie ścieków wynoszą od 20 do 40% kosztów zużywanej energii.

Pokazuje to, jak ważne jest, by układy pompowe miały inteligentne sterowanie reagujące na poziom ścieków, umożliwiające płynną regulację pompy, żeby unikać zbyt intensywnej pracy i tym samym zużycia energii w stosunku do bieżących potrzeb. Jedną z możliwości rozwiązania tego problemu jest budowanie przez zakłady wod-kan instalacji ujmowania biogazu i jego wykorzystanie do napędu urządzeń kogeneracyjnych – dających energię elektryczną i ciepło.

W Unii Europejskiej i Stanach Zjednoczonych są już zakłady wodociągowo-kanalizacyjne, które zredukowały zużycie energii elektrycznej, a niektóre nawet całkowicie pokrywają swoje zapotrzebowanie na energię elektryczną i ciepło z biogazu powstającego w procesach oczyszczania ścieków. Przykładem może być zakład w Aarhus w Danii, zmodernizowany we współpracy z firmą Danfoss, produkujący z biogazu z osadów ściekowych blisko dwukrotnie więcej energii elektrycznej, niż potrzebuje do ujmowania i uzdatniania wody oraz oczyszczania ścieków. Ma też nadwyżki ciepła, które kieruje do miejskiej sieci ciepłowniczej. Modernizacja polegała także na zastosowaniu przetwornic częstotliwości, które regulują wydajność silników pomp, wentylatorów i dmuchaw. Precyzyjne sterowanie przebiegiem oczyszczania ścieków daje podwójną korzyść – pozwala uzyskiwać z osadów więcej biogazu dla urządzeń kogeneracyjnych i jednocześnie zużywać mniej energii elektrycznej na oczyszczanie ścieków.

W branży znane są wyniki badań poboru wody w przerwach meczów reprezentacji narodowej. Wiemy też, jak w cyklu dobowym, tygodniowym i rocznym kształtuje się zużycie wody i wytwarzanie ścieków. Przez długi czas nie było technicznych możliwości reakcji na zmienne warunki w sieciach, z czasem wprowadzono sterowanie ręczne. Teraz dzięki opomiarowaniu, zdalnemu odczytowi i szybkiej analizie danych, a także falownikom w napędach możliwa jest automatyczna reakcja systemu na dane warunki. W sieciach wodociągowych zapobiega to szkodliwemu wzrostowi ciśnienia i jego wahaniom, co jest jedną z głównych przyczyn awarii przewodów i armatury, a tym samym sporych strat. Ponadto oszczędza się energię do pompowania – w kanalizacji też można sporo zaoszczędzić.

Pompownie ścieków są podstawowym elementem sieci transportu ścieków w nowoczesnej gospodarce wodno-ściekowej. Przetłaczają ścieki do głównych kolektorów kanalizacji sanitarnej grawitacyjnej lub tłocznej (ciśnieniowej). Nowoczesne pompownie to zwarte i kompletne urządzenia. Na rynku działa kilkunastu producentów wyspecjalizowanych w produkcji pompowni do ścieków. Oferują urządzenia o małych wydajnościach, dostosowane do ilości ścieków z domów jednorodzinnych, oraz duże pompownie montowane w sieciach. Małe i przydomowe pompownie ścieków stosuje się wtedy, gdy nie jest możliwe grawitacyjne odprowadzenie ścieków sanitarnych bezpośrednio do kanalizacji zbiorczej, oraz w układach kanalizacji ciśnieniowej. Pompownie dostarczane są z kompletnym wyposażeniem w armaturę i pompy, zapewniającym również ich automatyczną pracę.

Niezawodność pracy pompowni ścieków wpływa na sprawność całego systemu ściekowego. Dąży się zatem do tego, by pompownie ścieków były niezawodne i energooszczędne. W cyklu życia systemu pompowego koszty eksploatacyjne są znacznie wyższe od kosztów inwestycyjnych, dlatego tak ważna jest wysoka niezawodność i sprawność. Przy wyborze pompowni istotne jest też, w jakim stopniu będą one narażone na obecność ciał stałych w ściekach. Jeśli to ryzyko jest bardzo duże, warto rozważyć droższe inwestycyjnie, nawet 2- lub 3-krotnie, rozwiązanie z separacją ciał stałych, czyli tłocznie ścieków [4]. Ten wydatek może się zwrócić w trakcie eksploatacji z uwagi na znacznie rzadszą konieczność interwencji obsługi i mniejsze zużycie energii (choć to ten pierwszy czynnik jest bardziej kosztotwórczy).

Pompy

Koszty obsługi sieci kanalizacyjnej są istotnym wydatkiem dla zakładów wod-kan. Dlatego od pompowni wymaga się przede wszystkim bezawaryjnej i automatycznej pracy przy możliwie ograniczonej obsłudze. Pompownie ścieków pracują bowiem w złożonych systemach kanalizacyjnych, składających się z nawet kilkuset urządzeń zlokalizowanych na rozległym terenie. Liczba, wydajność i rodzaj pomp w pompowni zależy do rodzaju ścieków. Pompy do ścieków bez fekaliów pompują wody opadowe i drenażowe oraz ścieki szare. Do ścieków z fekaliami przeznaczone są pompy o specjalnych konstrukcjach wirnika, a dna zbiorników są tak ukształtowane, żeby ścieki w nich nie zagniwały. Nadrzędnym kryterium jest niezawodność pomp w danym zastosowaniu.

W pompowniach podnoszących ścieki na duże wysokości przy małych wydajnościach zaleca się stosowanie pomp z rozdrabniaczami. Dobrze się one sprawdzają w pompowniach przydomowych oraz małych sieciach wiejskich. Pompy typu vortex mają mniejszą sprawność, ale lepiej sobie radzą z ciałami stałymi, włóknistymi i osadem, a tym samym sprawdzają się w większych, sieciowych pompowniach. Z kolei pompy kanałowe mają wysoką sprawność i stosuje się je do przetłaczania dużej ilości ścieków lub wód opadowych. Powinny być jednak zabezpieczone kratami lub sitami, które łatwo kontrolować. Można je stosować także w miejscach, gdzie funkcjonuje separator zanieczyszczeń, z którego ciała stałe porywane są przez strumień ścieków już poza wirnikiem pompy.

Z kolei z uwagi na koszty energii elektrycznej istotny jest rodzaj silnika i automatyka. Ilość ścieków i zadania pompowni decydują o wyborze charakterystyki pomp. Ważnym kryterium doboru pomp ściekowych do danego układu pompowego jest praca z wysoką sprawnością w całym możliwym zakresie. Jednak z uwagi na specyfikę ścieków (płyn z ciałami stałymi) szuka się kompromisu pomiędzy wysoką sprawnością a niezawodnością. Sprawność zależy m.in. od liczby i kształtu łopatek wirnika, lecz duża liczba łopatek i ich ukształtowanie zwiększające przepływy sprawiają, że rośnie ryzyko zatykania pompy przez ciała stałe i włókniste. Z tego względu w pompach stosuje się swobodny przelot przez wirnik oraz łopatki o przestrzennej krzywiźnie ze specjalnie ukształtowaną krawędzią wlotową. Odbywa się to kosztem sprawności, ale jest tańsze niż ciągłe udrażnianie pomp.

W typowych pompach stosuje się wirniki typu vortex ze swobodnym przelotem. Na rynku znaleźć można również pompy z wirnikami śrubowo-odśrodkowymi – sprawniejsze niż vortex, ale bardziej narażone na ryzyko zużycia eksploatacyjnego. Dostępna jest też konstrukcja wirników z łopatkami o wklęsłej krawędzi wlotowej i odpowiednim ukształtowaniu przestrzennym, co daje duży przelot swobodny bez niepotrzebnych strat sprawności. Stosuje się również rozdrabniacze materiałów włóknistych. Ochroną przed ciałami stałymi jest konstrukcja pozwalająca na osiowe unoszenie się wirnika w celu zmniejszania obciążenia wału, uszczelnień i łożysk w pompie.

O niezawodności i ekonomicznej pracy pomp decyduje zatem odporność wirnika na zagrożenie zablokowania elementami stałymi, zwłaszcza włóknistymi, które trafiają do ścieków. O ile zatrzymanie pompy w przepompowni przydomowej nie stanowi ryzyka dla całego systemu, awaria w pompowniach zbiorczych tłoczących ścieki do oczyszczalni to sytuacja groźna, wymagająca natychmiastowych i skutecznych działań.

W przypadku pompowni przydomowych skutecznym zabezpieczeniem jest też edukacja użytkowników, a najskuteczniejszym rozwiązanie, w którym każdy dom ma swoją pompownię w systemie kanalizacji ciśnieniowej i za nią odpowiada.
Kolejne zagadnienie związane z ekonomiczną pracą pomp to ich chłodzenie. Ciężka praca silnika z takim medium jak ścieki wymaga odpowiedniego schłodzenia. Silnik pomp schładza się ściekami przepływającymi w przestrzeni wydzielonej specjalnym, nieprzepuszczalnym płaszczem. Rozwiązanie takie jest wydajne, ale występuje też ryzyko powstawania osadów. Inne rozwiązanie polega na tym, że silnik jest chłodzony w układzie zamkniętym z cieczą chłodzącą pompowaną przez dodatkowy wirnik pompy, który kieruje ją od silnika do użebrowanego wymiennika na obudowie pompy zanurzonej w ściekach.

Sterowanie

Nadrzędnym celem sterowania jest zapobieganie suchobiegowi oraz oczywiście włączanie i wyłączenie pompy. Sterowanie może również wpływać na pracę całego systemu kanalizacyjnego, np. poprzez rozpoznawanie stanu dławienia się wzajemnego pomp. Powinno także zabezpieczać układ przed jednoczesnym włączeniem się wszystkich pomp po dłuższym zaniku napięcia. Szafki sterownicze wyposażane są np. w panel obsługowy z wyświetlaczem i sygnalizacją optyczną monitorującą pracę pompy, zakłócenia, blokadę pompy, osiągnięcie poziomu alarmowego przez ścieki, zasilanie oraz kontrolę silnika (tryb pracy: ręczny i automatyczny). Ponadto szafki sterownicze realizują m.in. następujące zadania: ciągły pomiar poziomu cieczy, alarmowanie w przypadku: przeciążenia silnika, zaniku napięcia, poziomu alarmowego ścieków, przegrzania stojana, błędu sygnału zwrotnego pompy, awarii czujnika poziomu. Zapewniają też stałą diagnostykę pracy pompy.

Układy sterowania mogą być wyposażone w liczniki godzin pracy, liczniki załączeń pompy, moduły do zdalnego sterowania i kontroli pracy pompy oraz niezależne sygnalizatory stanów alarmowych. Postęp w elektronice i coraz tańsze elementy powodują szybki rozwój układów sterowania i wyposażanie ich w coraz więcej funkcji, nawet w przypadku małych pompowni przydomowych. A to przynosi wymierne oszczędności eksploatacyjne zarówno jeśli chodzi o działania ekip obsługi, jak i zużycie energii.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. DzU 2015, poz. 1422, z późn. zm.).
2. Łuźniak Mieczysław, Pompownie ścieków – dobór i rozmieszczenie pomp, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2015, rynekinstalacyjny.pl
3. Priller Roland, Projektowanie przepompowni ścieków. Zasady i zalecenia praktyczne dotyczące projektowania i wykonania, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2008, rynekinstalacyjny.pl.
4. Piechurski Florian, Próba energetycznej oceny pracy pompowni ścieków z wstępną separacją ciał stałych, „Instal” nr 2/2017.
5. http://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/id4599,bledy-przy-projektowaniu-systemow-tlocznych-kanalizacji-sciekowej (dostęp: 8.11.2019).
6. Materiały techniczne producentów pompowni ścieków.