Tranziția energetică prin care trecem ne-a adus și necesitatea de a identifica surse alternative de energie, în locuri aparent lipsite de energie, cum sunt apele uzate. Apele uzate menajere conțin energie sub diverse forme: termică, chimică și potențial gravitațional. În loc să fie tratate exclusiv ca deșeuri ce necesită purificare, ele pot fi privite și ca resurse energetice recuperabile. La nivel european, energia conținută în apele uzate ar putea contribui la acoperirea consumului total de energie al unei comunități, iar în cazul stațiilor de epurare moderne, acestea pot deveni nu doar neutre energetic, ci chiar producătoare nete de energie. Cum? Hai să aflăm împreună.
Fundamentele energetice ale apelor uzate
Apele uzate menajere conțin trei forme principale de energie potențial recuperabilă:
1. Energie termică
Apele uzate menajere au o temperatură medie de 15-25°C, semnificativ mai ridicată decât temperatura mediului ambiant în cea mai mare parte a anului în România. Această diferență de temperatură poate fi exploatată prin sisteme de schimb termic pentru încălzire sau răcire.
2. Energie chimică
Conținutul organic al apelor uzate reprezintă energie chimică potențial convertibilă în biogaz prin procese de digestie anaerobă. Un metru cub de apă uzată conține aproximativ 2 kWh de energie chimică potențială.
3. Energie potențială și cinetică
Curgerea gravitațională a apelor uzate poate fi valorificată prin microhidrocentrale, deși această aplicație are un potențial mai redus comparativ cu celelalte forme.
În România, temperatura medie a apelor uzate colectate în sistemele centralizate este de aproximativ 12-18°C iarna și 18-25°C vara, oferind un potențial termic semnificativ. Conținutul organic al apelor uzate din România este estimat la 60-120 g COD (Chemical Oxygen Demand) per persoană pe zi, reprezentând un potențial energetic considerabil pentru producerea de biogaz. Cercetările arată că, teoretic, energia totală conținută în apele uzate menajere poate depăși de 5-10 ori energia necesară pentru tratarea acestora, făcând din stațiile de epurare potențiale centrale energetice locale.
Tehnologii de recuperare a energiei termice
Recuperarea energiei termice din apele uzate se realizează prin intermediul schimbătoarelor de căldură și al pompelor de căldură. Principalele tehnologii utilizate sunt:
Schimbătoare de căldură în interiorul conductelor de canalizare
Sistemele de tip „in-sewer” utilizează schimbătoare de căldură instalate direct în rețeaua de canalizare existentă. Un exemplu este sistemul Rabtherm, implementat cu succes în mai multe orașe europene, care poate recupera până la 6 kW de energie termică pe metru liniar de conductă echipată.
Schimbătoare de căldură externe
Aceste sisteme deviază o parte din fluxul de apă uzată printr-un schimbător de căldură extern, apoi o returnează în sistemul de canalizare. Tehnologia HUBER ThermWin, prezentă și în câteva proiecte pilot din România, utilizează acest principiu.
Recuperarea căldurii din efluent
Căldura poate fi extrasă din apa tratată înainte de deversarea în emisar. Aceste sisteme au avantajul de a utiliza apă mai curată, reducând problemele de colmatare și întreținere.
În România, potențialul de implementare a acestor tehnologii este semnificativ, mai ales în orașe mari precum București sau Cluj-Napoca, unde rețelele de termoficare existente ar putea fi primii energia termică recuperată din apele uzate. Un studiu realizat pentru municipiul Cluj-Napoca a indicat că recuperarea căldurii din apele uzate ar putea asigura încălzirea a aproximativ 5.000 de apartamente, economisind anual peste 15.000 MWh echivalent energie termică.
Coeficientul de performanță (COP) al pompelor de căldură utilizate în aceste aplicații variază între 3 și 5, însemnând că pentru fiecare kWh de energie electrică consumată, sistemul poate furniza 3-5 kWh de energie termică, făcând tehnologia deosebit de eficientă din punct de vedere energetic.
Producerea de biogaz prin digestie anaerobă
Digestia anaerobă reprezintă procesul prin care microorganismele descompun materia organică din apele uzate în absența oxigenului, producând biogaz compus în principal din metan și dioxid de carbon.
Procesul de digestie anaerobă cuprinde patru etape principale:
- Hidroliza – descompunerea compușilor organici complecși în molecule mai simple
- Acidogeneza – conversia moleculelor simple în acizi grași volatili
- Acetogeneza – transformarea acizilor grași în acid acetic, hidrogen și CO₂
- Metanogeneza – producerea de metan din acid acetic și hidrogen
Biogazul rezultat poate fi utilizat pentru producerea de energie electrică și termică în unități de cogenerare, poate fi injectat în rețeaua de gaze naturale după purificare (upgrading), utilizare ca biocombustibil pentru vehicule după comprimare. În prezent, doar o parte relativ infimă din potențialul total de energie este și exploatat și valorificat, în stații de epurare moderne precum cele din Glina (București), Cluj-Napoca sau Brașov.
Stația de epurare Glina din București, cea mai mare din România, are o capacitate instalată de 2 MW în unități de cogenerare alimentate cu biogaz și produce aproximativ 14 GWh de energie electrică anual, acoperind aproximativ 60% din necesarul propriu al stației.
O inovație relevantă pentru România este tehnologia de co-digestie a nămolurilor de epurare cu deșeuri organice municipale sau agricole, care poate crește producția de biogaz cu 30-50% față de digestia exclusivă a nămolurilor.
Producerea de energie electrică din ape uzate
Pe lângă valorificarea biogazului, există și alte tehnologii pentru producerea directă de energie electrică din apele uzate:
Celule de combustie microbiene (MFC) – Aceste dispozitive utilizează bacterii pentru a oxida materia organică și a genera direct electricitate. Tehnologia este încă în fază experimentală, dar studiile arată un potențial de generare de 0,2-0,8 W/m² de suprafață de electrod. În România, cercetări în acest domeniu se desfășoară la Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca și Universitatea Politehnica din București.
Pile de combustie cu hidrogen – Hidrogenul poate fi produs prin electroliză din biogazul rezultat în urma digestiei anaerobe, apoi convertit în electricitate prin pile de combustie cu o eficiență de până la 60%.
Microhidrocentrale în rețelele de canalizare – În locații cu diferențe de nivel semnificative, energia potențială a apelor uzate poate fi valorificată prin turbine speciale montate pe magistralele cu debit mare.
În România, cele mai avansate implementări sunt reprezentate de sistemele de cogenerare bazate pe biogaz, precum cel de la stația de epurare Cluj-Napoca, care produce aproximativ 3,5 GWh de energie electrică anual, sau cel de la stația Glina din București.
Potențialul teoretic de generare a energiei electrice din toate stațiile de epurare din România este însă mult mai mare, însă necesită investiții substanțiale.
Soluții pentru recuperarea energiei la nivel individual
Pentru gospodăriile individuale sau micile comunități din România, există mai multe soluții de recuperare a energiei din apele uzate:
Schimbătoare de căldură pentru ape gri – Sistemele precum Power-Pipe sau Recoh-vert recuperează căldura din apa uzată de la duș sau baie înainte ca aceasta să fie evacuată. În România, aceste sisteme pot oferi economii de 30-40% la energia necesară pentru încălzirea apei calde menajere.
Mini-digestoare anaerobe – Pentru gospodăriile rurale, mini-digestoarele pot procesa atât apele uzate menajere, cât și deșeurile organice, producând biogaz pentru gătit sau încălzire. Un digestor cu volum de 2-3 m³ poate produce aproximativ 0,5-1 m³ de biogaz zilnic, suficient pentru a acoperi necesarul de gătit al unei familii.
În România rurală, unde un procent semnificativ din populație nu este conectată la sisteme centralizate de canalizare, aceste soluții pot oferi atât tratarea apelor uzate, cât și economii energetice semnificative.
Provocări tehnice și soluții inovatoare
Implementarea tehnologiilor de recuperare a energiei din apele uzate în România se confruntă cu mai multe provocări tehnice, pentru care există soluții inovatoare:
1. Colmatarea schimbătoarelor de căldură – Apele uzate conțin materii în suspensie care pot colmata suprafețele de schimb termic. Soluții inovatoare includ:
- Sisteme de autocurățare cu ultrasunete
- Schimbătoare de căldură cu suprafețe anti-aderente pe bază de nanomateriale
- Sisteme de filtrare avansată cu membrane ceramice
2. Variabilitatea debitelor și compoziției apelor uzate – În România, multe sisteme de canalizare sunt de tip mixt (colectează și ape pluviale), ceea ce duce la variații semnificative ale debitului și compoziției. Soluțiile includ:
- Sisteme de stocare temporară cu recuperare ulterioară a energiei
- Monitorizare în timp real a parametrilor apei uzate prin senzori
3. Eficiența scăzută a digestiei anaerobe la temperaturi reduse – În climatul temperat-continental al României, temperaturile scăzute din sezonul rece pot afecta eficiența digestiei anaerobe. Inovațiile adresează această problemă prin:
- Sisteme de preîncălzire a nămolului utilizând energia solară
- Tehnologii de hidroliză termică pentru creșterea biodegradabilității nămolului
- Digestoare izolate termic cu sisteme de recuperare a căldurii integrate
Concluzii
Recuperarea energiei din apele uzate menajere reprezintă o oportunitate semnificativă pentru România, atât la nivel individual, cât și municipal. Potențialul energetic al acestor resurse, combinat cu necesitatea modernizării infrastructurii de tratare a apelor uzate, creează contextul ideal pentru implementarea tehnologiilor de valorificare energetică. Însă investițiile de ordinul zecilor sau sutelor de milioane de euro nu pot fi făcute adesea fără sprijinul unor cofinanțări nerambursabile cum sunt fondurile europene.
Surse:
- ANALIZA INDICATORILOR FIZICI AI UNOR APE DIN ROMANIA
- SITUAŢIA ÎN ROMÂNIA A APELOR UZATE URBANE ŞI A NĂMOLULUI PROVENIT DIN STAŢIILE DE EPURARE
- Variante Tehnologice de Valorificare a Căldurii din Apele Reziduale Menajere Calde, GABOR Timea, T. RUSU, V. DAN
- Apa Nova
- Primăria Clinceni – Studiu de Fezabilitate
- Manualul operatorului în domeniul tratării apelor uzate
- Comisia Europeană. Best Available Techniques for Wastewater Treatment Plants.
Citește și: