Optimization of energy consumption in wastewater pumping

Pumppauksessa arvioidaan olevan niin teknisesti kuin taloudellisestikin huomattavia mahdollisuuksia säästää energiaa. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa lähes 22 % sähkö-moottorien energiantarpeesta. Tietyillä teollisuudenaloilla jopa yli 50 % moottorien käyttämästä sähköenergiasta voi kulua pumppaukseen. Jäteveden pumppauksessa pumppujen toiminta perustuu tyypillisesti on-off käyntiin, jolloin pumpun ollessa päällä se käy täydellä teholla. Monissa tapauksissa pumput ovat myös ylimitoitettuja. Yhdessä nämä seikat johtavat kasvaneeseen energian kulutukseen. Työn teoriaosassa esitellään perusteet jätevesihuollosta ja jäteveden käsittelystä sekä pumppaussysteemin pääkomponentit: pumppu, putkisto, moottori ja taajuusmuuttaja. Työn empiirisessä osassa esitellään työn aikana kehitetty laskuri, jonka avulla voidaan arvioida energiansäästöpotentiaalia jäteveden pumppaussysteemeissä. Laskurilla on mandollista laskea energiansäästöpotentiaali käytettäessä pumpun tuoton ohjaustapana pyörimisnopeuden säätöä taajuusmuuttajalla on-off säädön sijasta. Laskuri ilmoittaa optimaalisimmanpumpun pyörimisnopeuden sekä ominaisenergiankulutuksen. Perustuen laskuriin, kolme kunnallista jätevedenpumppaamoa tutkittiin. Myös laboratorio-testitsuoritettiin laskurin simuloimiseksi sekä energiansäästöpotentiaalin arvioimiseksi. Tutkimukset osoittavat, että jätevedenpumppauksessa on huomattavia mandollisuuksia säästää energiaa pumpun pyörimisnopeutta pienentämällä. Geodeettisen nostokorkeuden ollessa pieni, voidaan energiaa säästää jopa 50 % ja pitkällä aikavälillä säästö voi olla merkittävä. Tulokset vahvistavat myös tarpeen jätevedenpumppaussysteemien toiminnan optimoimiseksi.

Energiaa säästävä uusi viemäriveden pumppausteknologia

Pumppaaminen kuluttaa teollisuudessa huomattavan osan energiasta, joten siellä on myös merkittäviä säästömahdollisuuksia. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa noin viidenneksen sähkömoottorien energiantarpeesta, ja tietyillä teollisuudentoimialoilla jopa yli 50%. Jätevedenpumppaus perustuu edelleenkin pääosin 50- ja 60- luvuilla kehitettyyn tekniikkaan, merkittäviä energiansäästöjä on mahdollista saavuttaa suhteellisen pienillä investoinneilla. Työn teoriaosassa käsitellään perusteet jätevedenkäsittelystä, ja viemäriputkiston rakenteesta. Pumppuja, sähkömoottoreita ja taajuusmuuttajia käsitellään laajemmin keskittyen niiden toimintaan ja toimintaa ohjaaviin teorioihin. Empiirisessä osassa tutkitaan uuden teknologian energiansäästöpotentiaalia erilaisilla mittauksilla, sekä mittausten pohjalta tehdyillä case-analyyseillä. Näitä analyysejä varten työn aikana kehiteltiin laskin, jolla voidaan arvioida energian kulutusta tunnetulle pumpulle, kun tiedetään haluttu toimintapiste. Työssä käsitelty uusi teknologia on mahdollisesti merkittävin uudistus viemäriveden pumppausteknologiaan taajuusmuuttajien käyttöönoton jälkeen. Teknologialla päästään eroon imukaivoista liki täysin, ja sitä kautta saadaan paremmin hallittua monia ongelmia kuten hajuhaittoja. Teknologian merkittävin hyöty on kuitenkin energiansäästö. Perinteisessä teknologiassa taajuusmuuttajat ovat olleet kannattavia, mikäli geodeettisen nostokorkeuden osuus on mahdollisimman pieni. Tyypillisessä uuden teknologian sovelluskohteissa geodeettinen nostokorkeus tulee yleensä olemaan pieni, joten uuden teknologian käyttöönoton kannattavuus on näissä kohteissa erityisen hyvä.

The Methods of Possible Joint Treatment of Manure and Sewage Sludge in the Leningrad Region

The nutrient load to the Gulf of Finland has started to increase as a result of the strong economic recovery in agriculture and livestock farming in the Leningrad region. Also sludge produced from municipal wastewater treatment plant of the Leningrad region causes the great impact on the environment, but still the main options for its treatment is disposal on the sludge beds or Landfills. The aim of this study was to evaluate the implementation of possible joint treatment methods of manure form livestock and poultry enterprises and sewage sludge produced from municipal wastewater treatment plants in the Leningrad region. The study is based on published data. The most attention was put on the anaerobic digestion and incineration methods. The manure and sewage sludge generation for the whole Leningrad region and energy potential produced from their treatment were estimated. The calculations showed that total amount of sewage sludge generation is 1 348 000 t/a calculated on wet matter and manure generation is 3 445 000 t/a calculated on wet matter. The potential heat release from anaerobic digestion process and incineration process is 4 880 000 GJ/a and 5 950 000 GJ/a, respectively. Furthermore, the work gives the overview of the general Russian and Finnish legislation concerning manure and sewage sludge treatment. In the Gatchina district it was chosen the WWTP and livestock and poultry enterprises for evaluation of the centralized treatment plant implementation based on anaerobic digestion and incineration methods. The electricity and heat power of plant based on biogas combustion process is 4.3 MW and 7.8 MW, respectively. The electricity and heat power of plant based on manure and sewage sludge incineration process is 3.0 MW and 6.1 MW, respectively.

Sewage Sludge Electro-Dewatering

Original sludge from wastewater treatment plants (WWTPs) usually has a poor dewaterability. Conventionally, mechanical dewatering methods are used to increase the dry solids (DS) content of the sludge. However, sludge dewatering is an important economic factor in the operation of WWTPs, high water content in the final sludge cake is commonly related to an increase in transport and disposal costs. Electro‐dewatering could be a potential technique to reduce the water content of the final sludge cake, but the parameters affecting the performance of electro‐dewatering and the quality of the resulting sludge cake, as well as removed water, are not sufficiently well known. In this research, non‐pressure and pressure‐driven experiments were set up to investigate the effect of various parameters and experimental strategies on electro‐dewatering. Migration behaviour of organic compounds and metals was also studied. Application of electrical field significantly improved the dewatering performance in comparison to experiments without electric field. Electro‐dewatering increased the DS content of the sludge from 15% to 40 % in non‐pressure applications and from 8% to 41% in pressure‐driven applications. DS contents were significantly higher than typically obtained with mechanical dewatering techniques in wastewater treatment plant. The better performance of the pressure‐driven dewatering was associated to a higher current density at the beginning and higher electric field strength later on in the experiments. The applied voltage was one of the major parameters affecting dewatering time, water removal rate and DS content of the sludge cake. By decreasing the sludge loading rate, higher electrical field strength was established between the electrodes, which has a positive effect on an increase in DS content of the final sludge cake. However interrupted voltage application had anegative impact on dewatering in this study, probably because the off‐times were too long. Other factors affecting dewatering performance were associated to the original sludge characteristics and sludge conditioning. Anaerobic digestion of the sludge with high pH buffering capacity, polymer addition and freeze/thaw conditioning had a positive impact on dewatering. The impact of pH on electro‐dewatering was related to the surface charge of the particles measured as zeta‐potential. One of the differences between electro‐dewatering and mechanical dewatering technologies is that electro‐dewatering actively removes ionic compounds from the sludge. In this study, dissolution and migration of organic compounds (such as shortchain fatty acids), macro metals (Na, K, Ca, Mg, Fe) and trace metals (Ni, Mn, Zn, Cr) was investigated. The migration of the metals depended on the fractionation and electrical field strength. These compounds may have both negative and positive impacts on the reuse and recycling of the sludge and removed water. Based on the experimental results of this study, electro‐dewatering process can be optimized in terms of dewatering time, desired DS content, power consumption and chemical usage.

The Current Situation of Sewage Sludge and Manure Treatment in Livestock Enterprises in the Leningrad Region

The problem concerning livestock waste handling in the Leningrad region has been subjected to a number of research works. However, the requirements for use of manure and sewage sludge as well as for treatment processes are not certain. So, this problem remains relevant and, therefore, further investigation ought to be made. Currently a large amount of sewage sludge and manure is generated in the Leningrad region. These livestock wastes have to be obligatory treated. The most common methods for treatment in the region, such as anaerobic digestion, composting and aging as well as the most potential methods are described in the thesis. The most potential methods for the Leningrad region are anaerobic digestion, composting and combustion. Each method has strengths and weaknesses, which are also considered in the paper. Aging was not considered as potential treatment method because it does not meet the sanitary and epidemiological requirements. Furthermore, the work gives an overview and comparison of Finnish and Russian legislative and normative acts concerning livestock wastes handling. On the whole the requirements of the Russian Federation concerning sewage sludge and manure are not much different from the Finnish ones.

Integration of the Food Waste Disposer Unit to the Existing Sewage System

Among the numerous approaches to food waste treatment, the food waste disposers method (FWDs), as a newcomer, has become slowly accepted by the general public owing to the worries about its impact on the existing sewage system. This paper aims to justify the role of FWDs in the process of urbanization in order to better prepare a city to take good care of the construction of its infrastructure and the solid waste treatment. Both the literatures and the case study help to confirm that FWDs has no negative effects on the wastewater treatment plant and it is also environmental friendly by reducing the greenhouse gas emissions. In the case study, the Lappeenranta waste water treatment plant has been selected in order to figure out the possible changes to a WWTP following the integration of FWDs: the observation shows only minor changes take place in a WWTP, in case of 25% application, like BOD up 7%, TSS up 6% and wastewater flowrate up 6%, an additional sludge production of 200 tons per year and the extra yield of methane up to 10000m3 per year; however, when the utilization rate of FWD is over 75%, BOD, TSS, and wastewater flowrate will experience more significant changes, thus exerting much pressure on the existing WWTP. FWDs can only be used in residential areas or cities equipped with consummate drainage network within the service sphere of WWTP, therefore, the relevant authority or government department should regulate the installation frequency of FWDs, while promoting the accessory application of FWDs. In the meanwhile, WWTP should improve their treatment process in order to expand their capacity for sludge treatment so as to stay in line with the future development of urban waste management.

Kaatopaikkakaasun hyväksikäyttö lietteen kuivauksessa

Tällä hetkellä suuri osa esikäsiteltyjen jätevesilietteiden loppusijoitusvaihtoehdoista ei pysty kattamaan lopullisesti kasvavien lietemäärien loppusijoitustarvetta, mikä lisää lietteen loppusijoitusta kaatopaikoille. Kuitenkin EU:n tiukentuneen jätehuoltolainsäädännön sekä ilmastonlämpenemisen suurien haasteiden vuoksi, kaatopaikoille sijoitettavien jätteiden määrää täytyy pyrkiä vähentämään. Tämän työn tavoitteena on tutkia jätevedenpuhdistamoilta tulevan lietteen termistä kuivausta yhtenä lietteenkäsittely vaihtoehtona. Tavoitteena on selvittää voidaanko lietettä kuivaamalla saada liete paremmin hyödynnetyksi. Työssä tarkasteltiin yleisesti yhdyskuntalietteen termisessä kuivaamisessa nykyisin käytettäviä menetelmiä, sen ympäristövaikutuksia, energian tarvetta ja kustannuksia sekä siitä saatavaa hyötyä lietteen loppusijoittamisessa. Lisäksi arvioitiin kuinka kaatopaikkakaasun hyödyntäminen soveltuisi lietteen kuivauksessa tarvittavan energian tuotantoon. Työssä tehdyn selvityksen mukaan kaatopaikkakaasua voidaan hyödyntää suhteellisen helposti lämmöntuotannossa ilman merkittäviä laitosmuutoksia tai kaasun puhdistusta. Ongelmana pidettiin kaatopaikkakaasun kuljetuksia, joka on suhteellisen vaikeaa ja taloudellisesti kannattamatonta. Kuitenkin noin 10 km välimatkan säteellä kaatopaikasta sen hyödyntäminen olisi mahdollista. Työn laskelmien mukaan Suomessa hukkaan poltetulla kaatopaikkakaasulla voitaisiin kuivata noin 250 tuhatta tonnia lietettä vuosittain.

Kompostipiireissä opittua : Eloperäiset jätteet kiertoon -hanke

Kompostien käyttöä on kokeiltu ja tutkittu Kainuun ELY-keskuksen Eloperäiset jätteet kiertoon -hankkeessa. Komposteja on hyödynnetty laskettelurinteen ja kaivosteollisuuden sivukiven läjitysalueen maisemoinnissa, pihanurmen ja energiakasvien kasvattamisessa, metsän lannoittamisessa ja maanviljelyssä. Pihanurmen perustamisen ja energiakasvien kasvattamisen kokeiluista on tehty myös erilliset tutkimukset. Tutkimustyöstä on vastannut MTT (Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus). Tutkimustieto on sisällytetty tähän julkaisuun. Kompostin käyttökokeissa ja tutkimuksissa on hyödynnetty Kainuun kuntien ja Kainuun jätehuollon kuntayhtymän Eko-Kympin komposteja. Kaikki kompostit ovat aumakompostoinnin tuotoksia. Eko-Kympin komposti on valmistettu biojätteistä. Muut kompostit ovat lähtöisin kunnallisten jätevedenpuhdistamoiden lietteistä. Kajaanin kompostia kutsutaan myös A. & E. Juntunen Oy:n valmistamaksi biomullaksi. Saatujen kokemusten ja tutkimusten mukaan aumakompostoinnilla tuotettu komposti soveltuu näihin erilaisiin käyttömuotoihin, etenkin kun esille tulleita kehittämistoimia toteutetaan. Sivukiven läjitysalueiden maisemoinnissa, maanviljelyssä ja metsän lannoittamisessa komposti ei tarvitse kivennäismaata seosaineeksi. Sivukiven läjitysalueilla ne kompostit, joihin oli sekoitettu hiekkaa, eivät pysyneet paikoillaan. Aines valui sadeveden mukana alas rinteeltä. Pelkkää kompostia käytettäessä kompostimassa pysyi aloillaan. Maanviljelyssä ja metsän lannoittamisessa kivennäismaa on tarpeeton. Lisäksi kompostissa oleva kiviaines kuluttaa ja voi vaurioittaa levityslaitteita. Ravinteet vapautuvat kompostista hitaasti kasvien käyttöön. Kemiallisilla lannoitteilla on nopeampi vaikutus. Kompostit soveltuvat erityisen hyvin ympäristöihin, joissa täydennyslannoitusta ei tarvita tai joissa lannoite on vaikeaa levittää. Tällaisia kohteita ovat esimerkiksi kaivosten sivukiven tai rikastushiekan läjitysalueet tai muut vaikeakulkuiset kohteet. Myös metsien lannoittaminen ja maanviljely ovat Kainuussa kompostien hyödyntämisen osalta alihyödynnettyjä. Pöyry Finland Oy on laatinut Kajaaniin kaavaillulle biologiselle jätteiden käsittelylaitokselle teknistaloudelliset suunnitelmat. Yhtiön tekemissä suunnitelmissa tulee ilmi, että kaikkien Kainuun lietteiden aumakompostointi tuottaisi kompostia 13 000 tonnia vuodessa, kun tukiaine seulotaan erilleen. Mädätys- tai biokaasulaitosvaihtoehdoissa lopputuotteen määrä on edellistä pienempi. Pelkkien Kainuun lietteiden mädättäminen tuottaisi kompostia jälkikompostin seulonnan jälkeen 6 600 tonnia. Viherrakentaminen taajamissa on komposteille Kainuussa yleinen käyttömuoto. Sillä on kasvun edellytyksiä etenkin, kun kompostin laatuun panostetaan. Viherrakentaminen Kajaanin seudulla riittäisi kuluttamaan kaiken Kainuussa muodostuvan kompostin, kun kompostimullan kulutuksena pidetään 0,5 tonnia asukasta kohden vuodessa. Tämä vastaa Kajaanin seudulla 27 000 tonnin kompostimäärää. Kompostin muodostumismäärä ei tulevaisuudessa tule olemaan lähellä tätä laskennallista multamenekkiä. Kompostin huono menekki johtuu joidenkin kuntien osalta pikemminkin huonosta kompostin laadusta kuin markkinoiden kyllästymisestä. Tilanne on korjaantumassa suunnitteilla olevan biologisen jätteiden käsittelylaitoksen myötä. Siinä kompostituotteen laatuun voidaan panostaa tehokkaammin kuin erillisillä pienillä kompostointikentillä.

Feasibility of ASH DEC‐ process in treating sewage sludge and manure ash in Finland

In Finland the thermal treatment of sewage sludge has been moderate in 21th century. The reason has been the high moisture content of sludge. During 2005-2008, 97-99% of sewage sludge was utilized in landscaping and agriculture. However agricultural use has been during 2005-2007 less than 3 %. The aim of national waste management plan is that by 2016 100% of sludge is used either as soil amendment or energy. The most popular utilization method for manure is spreading it on arable land. The dry manures such as poultry manure and horse manure could also be used in incineration. The ashes could be used as fertilizers and while it is not suitable as a starter fertilizer, it is suitable in maintaining P levels in the soil. One of the main drivers for more efficient nutrient management is the eutrophication in lakes and the Baltic See. ASH DEC process can be used in concentrating phosphorus rich ashes while separating the heavy metals that could be included. ASH DEC process uses thermochemical treatment to produce renewable phosphate for fertilizer production. The process includes mixing of ashes and chlorine donors and subsequent treatment in rotary kiln for 20 min in temperature of 900 – 1 050 oC. The heavy metals evaporate and P-rich product is obtained. The toxic substances are retained in air pollution control system in form of mixed metal hydroxides. The aim of conducting this study is to estimate the potential of ASH DEC process in treating phosphorus rich ashes in Finland. The masses considered in are sewage sludge, dry manure from horses, and poultry and liquid pig manure. To date the usual treatment method for sewage sludge in Finland is composting or anaerobic digestion. Part of the amount of produced sewage sludge (800 kt/a fresh mass and 160 kt/a TS) could also be incinerated and the residual ashes used in ASH DEC process. Incinerating only manure can be economically difficult to manage because the incineration of manure is in Finland considered as waste incineration. Getting a permit for waste incineration is difficult and also small scale waste incineration is too expensive. The manure could act as an additional feedstock in counties with high density of animal husbandry where the land area might not be enough for spreading of manure. Now when the manure acts as a supplementary feedstock beside sludge, the ash can’t be used directly as fertilizer. Then it could be used in ASH DEC process. The perquisite is that the manure producers could pay for the incineration, which might prove problematic.