Development of energy efficiency in wastewater pumping stations and wastewater treatment plants

Diplomityössä tutkittiin Suomen kahden suurimman jätevedenpuhdistamon eli Helsingin seudun ympäristöpalveluiden (HSY) piirissä toimivien Espoon Suomenojan ja Helsingin Viikinmäen puhdistamoiden sekä niiden viemäröintialueilla sijaitsevien seitsemän suuren taajuusmuuttajakäyttöisen jätevesipumppaamon sähköenergian kulutusta. Työn yhtenä tavoitteena oli löytää optimaaliset ajo-olosuhteet tutkituille jätevesipumppaamoille ja minimoida niiden sähköenergian kulutusta pumpattua vesimäärää kohden. Tavoitteena puhdistamoiden osalta oli löytää energian säästökohteita selvittämällä puhdistamoiden prosessivaiheiden energiatehokkuutta virtaamaan ja kuormitukseen suhteutettuna sekä lisäksi saada käsitys energiasäästön potentiaalista vertaamalla puhdistamoita toisiinsa ja kirjallisuusarvoihin. Jätevesipumppaamoilla mitattiin energiankulutusta ja virtaamaa eri taajuuksilla. Näiden perusteella laskettiin ominaisenergiankulutukset (Wh/m3) kullekin taajuudelle optimitaajuuden selvittämiseksi. Täten saatiin käsitys alkuperäisen taajuuden ja optimitaajuuden välisistä ominaisenergiankulutusten eroista. Lisäksi pystyttiin vertailemaan pumppaamoita keskenään. Säästölaskelmien perusteella pumppaamokohtaiset taloudelliset säästöt eivät ole kovin suuria, mutta pumppaamoiden suuren lukumäärän vuoksi säästöt kertaantuvat. Erityisesti yhtäaikaista pumppausta samaan paineputkeen tulisi välttää pumppaamoilla energiatehokkuuden parantamiseksi. Jätevedenpuhdistamoiden yksikköprosesseista tarkasteltiin merkittävimpiä energian kulutuskohteita: pumppauksia, ilmastusta ja lietteen kuivausta. Viikinmäen tulopumppaamon taajuusmuuttajakäyttöiselle pumpulle tehtiin samanlainen energiamittaus kuin mitä jätevesipumppaamoillekin. Tämän perusteella taajuusmuuttajien investointi muihin pumppuihin ei ole järkevää ainakaan nykyisellä pinnankorkeudella. Suomenojan ilmastuksen osalta todettiin, että tilanteen salliessa ilmastamattomien lohkojen kasvattaminen viiteen aikaisemman neljän sijaan on kannattavaa. Tämä tuo merkittäviä säästöjä erityisesti kesäaikaan, kun tilanne on otollisin prosessin kannalta. Viikinmäen kompressoreiden osalta todettiin, että viipymäajan pidentäminen kompressoreiden käynnistämisessä olisi yksi keino energiatehokkuuden parantamiseen. Linkojen osalta todettiin, että lingon ajotavalla ei ole paljon vaikutusmahdollisuuksia energiatehokkuuteen, koska kuivan kakun ja rejektiveden laatu rajoittavat ohjausmahdollisuuksia.In this thesis I studied the electric energy consumption of two of the largest Finnish wastewater treatment plants, i.e. the Suomenoja (Espoo) and Viikinmäki (Helsinki) plants of Helsinki Region Environmental Services Authority (HSY), and seven large inverter controlled waste water pumping stations situated in the drainage areas of these plants. One of the aims of the study was to find the optimal pumping conditions for the studied waste water pumping stations and to minimize the electric energy consumption in relation to the amount of pumped water. For the plants the aim of the study was to find ways of saving energy by measuring the energy efficiency of unit processes in relation to flow and load and to estimate of the energy savings potential by comparing the treatment plants to each other and to literature values. Energy consumption and wastewater flow were measured at different frequencies at the waste water pumping stations. On the basis of this data the specific energy consumption (Wh/m3) was calculated for each frequency to determine the optimal frequency. The differences in the specific energy consumption between the original frequency and the optimal frequency were calculated, as well as potential savings. In addition, it was possible to compare pumping stations with each other. On the basis of savings calculations, it was found that the financial savings per water pumping station are not very high, but due to the large number of pumping stations the savings are multiplied. In particular, simultaneous pumping to the same pressure pipe should be avoided at pumping stations to improve energy efficiency. The unit processes that are the main energy consumers: pumping, aeration and sludge dewatering were also studied. The energy consumption of Viikinmäki inlet pumping station inverter-pump was measured similarly to the measurements at the waste water pumping stations. On the basis of the calculations, it is not reasonable to invest on frequency converters to other pumps at the pumping station. Regarding aeration at the Suomenoja plant, it was found that when possible, it is profitable to increase the amount of non-aerated zones to five from the previous four. This will bring significant benefits especially in the summer time, when the situation is most optimal for the process. Regarding compressors at the Viikinmäki plant, it was found that delaying compressor start-up would be one way of improving energy efficiency. Regarding centrifuges, it was found that the centrifuge operational variables do not have much impact on the energy efficiency, partially because the quality of the dry cake and reject water will limit control opportunities