اهمیت بهینه‌سازی مصرف انرژی در تصفیه‎خانه‎‌های فاضلاب- مطالعه موردی تصفیه‎خانه‌ فاضلاب شرق مشهد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مدیر مطالعات شرکت آب و فاضلاب البرز

2 استاد -گروه مهندسی عمران محیط زیست- دانشکده محیط زیست-دانشگاه تهران

3 دانشجو دکترا دانشگاه تهران

4 دانشجوی دکتری مهندسی محیط زیست- مهندسی آب و فاضلاب، دانشکده محیط زیست- دانشکده‌های پردیس فنی، دانشگاه تهران،

10.22112/jwwse.2020.220057.1189

چکیده

احداث تصفیه­خانه­های فاضلاب درصورت بازیابی منابع آبی و انرژی، می‎تواند اثرات محیطی نامطلوب هم­چون انتشار گازهای گلخانه‌ای را توجیه­پذیر نمایند. تصفیه و مدیریت لجن یکی از پیچیده­ترین و هزینه‎برترین بخش­های تصفیه­خانه بوده و می­تواند تا 60 درصد هزینه‎های سرمایه­گذاری اولیه و بهره­برداری یک تصفیه­خانه فاضلاب را شامل شود. با توجه به اهمیت کاهش مصرف انرژی در تصفیه‌خانه­های فاضلاب از نظر محیط­زیستی و اقتصادی، در سال­های اخیر تحقیقات زیادی در زمینه خودکفایی تأمین انرژی از فاضلاب انجام شده و براساس این هدف تصفیه‎خانه­های فاضلاب متعددی در جهان احداث یا بهینه‎سازی شده­اند. در این مقاله فرآیند MLE1 همراه با هاضم هوازی در تصفیه­خانه‌ فاضلاب شرق مشهد با دبی 80،000 مترمکعب در روز از نظر میزان مصرف انرژی و هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه در مقایسه با فرآیندهای پیشنهادی دیگر مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. نتایج نشان داد میزان انرژی مصرفی در این تصفیه‌خانه حدود 2 برابر تصفیه­خانه­های فاضلاب مشابه با فرآیند بهینه است. هم‎چنین اگرچه با تغییر هاضم هوازی به بی­هوازی، میزان انرژی از kwh/m3 1 به kwh/m358/0 کاهش خواهد یافت؛ اما لازم است برای کاهش بیشتر انرژی مصرفی و بازیابی انرژی در مقایسه با تصفیه‎خانه‎های فاضلاب بهینه‎سازی یا احداث شده در جهان، از سیستم  CHP استفاده نمود. لذا با توجه به مزایای متعدد کاهش مصرف انرژی در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب ضروری است به‎منظور خودکفایی در تأمین انرژی، در انتخاب فرآیند بخش مایع و لجن تصفیه‌خانه‌های فاضلاب در دست مطالعه و یا بهینه‎سازی تصفیه‌خانه‌های فاضلاب احداث شده در کشور توجه بیشتری شود.

کلیدواژه‌ها


Awe, O.W., Liu, R., and Zhao, Y., (2016), “Analysis of energy consumption and saving in wastewater treatment plant: Case study from Ireland”, Journal of Water Sustainability, 6(2), 63-76.
Belloir, C., Stanford, C., and Soares, A., (2015), “Energy benchmarking in wastewater treatment plants: The importance of site operation and layout”, Environmental Technology, 36(2), 260-269.
Borzooei, S., Giuseppe, C., Cerutti, A., Lorenza, M., Panepinto, D., and Ravina, M., (2019), “Optimization of the wastewater treatment plant: From energy saving to environmental impact mitigation”, Science of the Total Environment, 691, 1182-1189.
Chen, S., and Chen, B., (2016), “Urban energy-water nexus: A network perspective”, Applied Energy, 184, 905-914.
Coma, M., Rovira, S., Canals, J., and Colprim, J., (2013), “Minimization of sludge production by a side-stream reactor under anoxic conditions in a pilot plant”, Bioresource Technology, 129, 229-235.
Gandiglio, M., Lanzini, A., Soto1, A., Leone1, P., and Santarelli, M., (2017), “Enhancing the energy efficiency of wastewater treatment plants through co-digestion and fuel cell systems”, Frontiers in Environmental Science, 5, 1-21.
Gu, Y., Li, Y., Li, X., Luo, P., Wang, H., Wang, X., Jiang, W., and Li., F., (2017), “Energy self-sufficient wastewater treatment plants: Feasibilities and challenges”, Energy Procedia, 105(1), 3741-3751. 
He, Y., Zhu, Y., Chen, J., Huang, M., Wang, P., Wang, G., Zou, W., and Zhou, G., (2019), “Assessment of energy consumption of municipal wastewater treatment plants in China”, Journal of Cleaner Production, 228, 399-404.
Henze, M., Loosdrecht, M.C.M., Kkama, G., and Brdjanovic, D., (2008), Biological wastewater treatment, principle, modeling and design, IWA Publishing.
Hao, X., Liu, R., and Huang, X., (2015), “Evaluation of the potential for operating carbon neutral WWTPs in China”, Water Research, 87, 424-431.
Hao, X., Wang, X., Liu, R., Li, S., van Loosdrecht, M.C.M., and Jiang, H., (2019), “Environmental impacts of resource recovery from wastewater treatment plants”, Water Research, 160, 268-277.
Jiang, S., Wang, J., Zhao, Y., et al., (2016), “Residential water and energy nexus for conservation and management: a case study of Tianjin”, International Journal of Hydrogen Energy, 41(35), 15919-15929.  
Jonasson, M., (2007), “Energy benchmark for wastewater treatment processes-A comparison between Sweden and Austria”, Department of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund University, Sweden.
Longo, S., d’Antoni, B.M., Bongards, M., Chaparro, A., Cronrath, A., Fatone, F., and et al., (2016), “Monitoring and diagnosis of energy consumption in wastewater treatment plants. A state of the art and proposals for improvement”, Applied Energy, 179(1), 1251-1268.
Maktabifard, M., Zaborowska, E., and Makinia, J., (2018), “Achieving energy neutrality in wastewater treatment plants through energy savings and enhancing renewable energy production”, Reviews Environmental Science and Biotechnology, 17, 655-689.
Gans, N., Mobini, S., Zhang, X.N., (2007), “Appendix E. Mass and energy balances at the Gaobeidian wastewater treatment plant in Beijing, China”, pp 203-209.
Pilli, S., More, T., Yan, S., Dayal Tyagi, R., and Surampalli, R.Y., (2015), “Anaerobic digestion of thermal pre-treated sludge at different solids concentrations-computation of mass-energy balance and greenhouse gas emissions”, Journal of Environmental Management, 157, 250-261.
Panepinto, D., Fiore, S., Zappone, M., Genon, G., and Meucci, L., (2016), “Evaluation of the energy efficiency of a large wastewater treatment plant in Italy”, Applied Energy, 161, 404-411.
Patziger, M., Günthert, F.W., Jardin, N., Kainz,  H., and Londong, j., (2016), “On the design and operation of primary settling tanks in state of the art wastewater treatment and water resources recovery”, Water Science & Technology, IWA Publishing, 74(9), 2060-2067.
Ruffino, B., Cerutti, A., Campo, G., Scibilia, G., Lorenzi, E., and Zanetti, M.C., (2019), “Improvement of energy recovery from the digestion of waste activated sludge (WAS) through intermediate treatments: The effect of the hydraulic retention time (HRT) of the first-stage digestion”, Applied Energy, 240, 191-204.
Shen, Y., Linville, J.L., Urgun-Demirtas, M., Mintz, M.M., and Snyder, S.W., (2015), “An overview of biogas production and utilization at full-scale wastewater treatment plants (WWTPs) in the United States: Challenges and opportunities towards energy-neutral WWTPs”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 50, 346-362.
Qasim, S.R., and Guang, Zhu., (2018), Wastewater treatment and reuse theory and design examples, Taylor & Francis Group.
Tchobanoglous, G., Stensel, H.D., Tsuchihashi, R., and Burton, F., (2014), Wastewater engineering: Treatment and resource recovery, 5th Edition, McGraw Hill Education, Metcalf & Eddy/AECOM, New York.
Timothy, E.S., Andre, M.C., and Richard, L.S., (2017), “Municipal wastewater sludge as a sustainable bioresource in the United States”, Journal of Environmental Management, 197, 673-680.
Turovskiy, I.S., and Mathai, P.K., (2006), Wastewater sludge processing, John Wiley & Sons, Inc, Hoboken, New Jersey.
Von Sperling, M., (2007), Wastewater characteristics, treatment and disposal, Biological Wastewater Treatment Series, Volume 1, IWA Publishing.
Walter, Z.T., and Mika, S., (2018), Sustainable Environmental Engineering, Wiley, http://www.chemeng.lth.se/exjobb/E458.pdf.
Water Environment Research Foundation (WERF), (2016), Energy Production and Efficiency Fact Sheet. http://www.werf.org/c/KnowledgeAreas/Energy/Latest_News/2016/Energy_Production_and_Efficiency_FactSheet_2016.aspx.
Xu, J., Li, Y., and Wang, H., (2017), “Exploring the feasibility of energy self-sufficient wastewater treatment plants: a case study in eastern China”, Energy Procedia, 142, 3055-3061.
Xu, C., and Lancaster, J., (2008(, “Conversion of secondary pulp/paper sludge powder to liquid oil products for energy recovery by direct liquefaction in hot compressed water”, Water Research, 42(67), 1571-1582.