Krakowskie oczyszczalnie ścieków a wymagania energetyczne nowej dyrektywy ściekowej

Nadrzędnym celem dyrektywy jest lepsza ochrona zdrowia publicznego i środowiska przez efektywniejsze zarządzanie ściekami przy jednoczesnym dążeniu do neutralności klimatycznej sektora. Sektor ten jest bardzo energochłonny, a zarazem ma ogromny potencjał do zmniejszania własnego zużycia energii oraz wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych. W dyrektywach UE oczyszczalnie ścieków komunalnych uznaje się za obszary docelowe w odniesieniu do energii ze źródeł odnawialnych, co oznacza miejsce wyznaczone jako szczególnie odpowiednie do instalacji obiektów służących do produkcji energii z OZE.

Nowa dyrektywa wprowadza rygorystyczne wymogi w zakresie neutralności energetycznej, rozumianej jako równowaga pomiędzy energią zużytą a energią ze źródeł odnawialnych wyprodukowaną w oczyszczalni. Neutralność ta będzie osiągana stopniowo w oczyszczalniach powyżej 150 tys. RLM (a od 2039 r. także mniejszych, zależnie od oceny ryzyka) przez zwiększanie udziału energii ze źródeł odnawialnych wytwarzanej na terenie oczyszczalni: 20% do 2030 r., 40% do 2035 r., 70% do 2040 r., 100% do 2045 r. Dodatkowo co cztery lata oczyszczalnie powyżej 100 tys. RLM będą objęte audytami energetycznymi, począwszy od 2028 r. 

Nowe przepisy wymuszą głęboką transformację gospodarki ściekowej i oczyszczalni komunalnych, obejmującą wdrożenie nowoczesnych, bardziej energooszczędnych technologii, zwiększenie udziału energii z OZE, rozszerzenie zakresu oczyszczania oraz wprowadzenie nowych standardów monitoringu i gospodarki o obiegu zamkniętym. Wodociągi Miasta Krakowa SA jako jedno z największych przedsiębiorstw wodociągowo-kanalizacyjnych w kraju analizują zdolność i efektywność pracy oczyszczalni w scenariuszu najbardziej rygorystycznym – zgodnym z pełnymi wymaganiami dyrektywy. Przygotowanie się na wariant najostrzejszy daje gwarancję, że w chwili wejścia nowych przepisów w życie system nie tylko będzie spełniał minimalne normy, lecz również pozostanie konkurencyjny technologicznie i środowiskowo w perspektywie kolejnych dekad.

Dwie największe oczyszczalnie – Płaszów oraz Kujawy – obsługujące aglomerację krakowską stanowią trzon całego systemu oczyszczania. To właśnie one muszą sprostać przyszłym wymogom. Obie instalacje mają bardzo duży potencjał energetyczny dzięki rozbudowanej gospodarce osadowej. Osady ściekowe separowane na etapie oczyszczania poddawane są fermentacji w temperaturze 30–40 ^oC. Efektem procesu jest osad przefermentowany i biogaz o zawartości metanu 60–65%. Biogaz jest podstawowym źródłem energii wytwarzanej w obu oczyszczalniach. Dzięki zaimplementowaniu układów kogeneracji w wyniku spalania tego medium możliwa jest jednoczesna produkcja energii elektrycznej i cieplnej. Już dziś oczyszczalnia Kujawy pokrywa ok. 80% swojego zapotrzebowania na energię elektryczną z OZE (głównie biogaz z fermentacji osadów), natomiast oczyszczalnia Płaszów osiąga wskaźnik ok. 45%.

Oczyszczania ścieków Kujawy – od osadu do energii

Oczyszczalnia Kujawy działa od 1999 r., a jednostki wytwórcze energii od 2002 r. Zakład oczyszcza ścieki od ok. 250 tys. mieszkańców Nowej Huty i okolic. Początkowo kogeneracja opierała się na trzech agregatach, zsynchronizowanych z pracą kotłowni i rozdzielni energetycznych. Parametry jednostek pracy ciągłej przy pracy równoległej wynosiły 173 kW mocy elektrycznej i 289 kW mocy cieplnej. 

Rozbudowa i modernizacja oczyszczalni Kujawy, rozpoczęta w 2013 r., była jednym z kluczowych momentów w historii całego systemu krakowskiej gospodarki ściekowej. Zakres inwestycji obejmował każdą część instalacji – od węzła mechanicznego, przez biologiczny, aż po gospodarkę osadową. W praktyce oznaczało to gruntowną przebudowę zakładu. Z perspektywy czasu można jednak stwierdzić, że najważniejszym efektem całego przedsięwzięcia było wdrożenie nadrzędnego systemu sterowania. To rozwiązanie, stale udoskonalane przez ostatnie 10 lat, stało się narzędziem pozwalającym prowadzić proces oczyszczania według zoptymalizowanych algorytmów. Eksploatacja wykazała, że dzięki systemowi sterowania udało się nie tylko poprawić stabilność procesu i jakość ścieków oczyszczonych odprowadzanych do Wisły, ale także uzyskać znaczące oszczędności energetyczne. Od 2015 r., kiedy w pełni wdrożono sterowanie biologicznymi reaktorami, zużycie energii elektrycznej w części biologicznej spadło o ok. 60%.

Wysoka efektywność biogazowni w ZOŚ Kujawy, wynosząca 520 m³/h biogazu, stała się impulsem do rozpoczęcia w 2018 r. projektu Modernizacja węzła przeróbki osadu nadmiernego i biogazu dla zwiększenia produkcji biogazu na oczyszczalni ścieków Kujawy. Założenia były jasne: uśrednienie dobowego dopływu osadu nadmiernego kierowanego do zagęszczania, zwiększenie suchej masy osadu trafiającego do komór fermentacyjnych, zachowanie proporcji pomiędzy osadem wstępnym i nadmiernym oraz podwyższenie temperatury procesu w komorach. Wszystko to przełożyło się na istotny wzrost produkcji biogazu.

W ramach inwestycji wymieniono stary zbiornik biogazu o pojemności 330 m³ na nowy, o objętości czynnej 2300 m³. W 2026 r. planowane jest dostawienie kolejnego, bliźniaczego zbiornika o tej samej pojemności. Zbiornik biogazu tworzą powłoki z tworzyw sztucznych. Składa się z trzech warstw materiału zamocowanych do fundamentu za pomocą stalowego pierścienia.

Wyprodukowany gaz jest w całości wykorzystywany dzięki rozbudowie instalacji energetycznej. W ramach projektu zainstalowano:

• nową jednostkę kogeneracyjną o mocy elektrycznej 600 kW i mocy cieplnej 623 kW. Moduł kogeneracyjny jest przeznaczony do pracy równoległej z siecią elektroenergetyczną oczyszczalni ścieków z mocą regulowaną w sposób ciągły z obciążeniem od 50% do 100% mocy znamionowej. Spaliny z agregatu są kierowane przez kanał spalinowy do wymiennika ciepła spaliny / woda, podgrzewając dodatkowo wodę (woda grzewcza);
• mikroturbinę 200 kW (moc elektryczna turbiny Q_e = 200 kW, napięcie wyjściowe 400 kV, moc cieplna Q_t = 264 kW). Z mikroturbiną współpracuje wymiennik spaliny / woda, odzyskujący ciepło ze spalin;
• dwa nowe kotły wodne (łączna moc 1000 kW) z palnikami na biogaz / gaz ziemny.

Dodatkowo wciąż pracują wcześniej zainstalowane  agregaty: dwie jednostki po ok. 200 kW oraz jedna mniejsza o mocy 173 kW. Łącznie daje to zdolność wytwarzania energii elektrycznej z biogazu na poziomie 1360 kW mocy nominalnej.

W 2026 r. stabilne jednostki wytwórcze bazujące na biogazie zostały wsparte przez elektrownię fotowoltaiczną o mocy do 499,69 kW. Instalacja składa się z zespołów modułów fotowoltaicznych połączonych w łańcuchy w celu dostosowania napięcia i prądu do parametrów wejściowych inwerterów fotowoltaicznych. Po zmianie charakteru energii elektrycznej z prądu i napięcia stałego na prąd i napięcie przemienne jest ona dostarczana do stacji transformatorowej nN/SN, a następnie do sieci energetycznej obiektu. Całą wyprodukowaną energię oczyszczalnia Kujawy wykorzystuje na potrzeby własne.

Dla uzupełnienia systemu energetycznego obecnie przygotowywane są dwa projekty:

• budowa dwóch generatorów o mocy 600 kW w układzie kontenerowym wraz ze stacją transformatorową 15/0,4 kV. Celem rozbudowy układu jest zwiększenie mocy zabudowanej jednostek wytwórczych. Nowe kogeneratory będą wyposażone w niezbędne urządzenia i oprogramowanie, które pozwoli uruchomić jednostki do pracy samodzielnej przy braku zasilania oczyszczalni z sieci zakładu energetycznego (praca na wyspę), mają posiadać również zdolność pracy na gazie ziemnym;
• w układzie węzła gospodarki biogazowej projektuje się drugi dwumembranowy, niskociśnieniowy zbiornik biogazu, pełniący analogiczną funkcję jak istniejący zbiornik biogazu, zbudowany w 2021 r.

Instalacja nowego zbiornika i generatorów zapoczątkuje budowę bardzo elastycznego systemu umożliwiającego magazynowanie biogazu w zbiornikach w czasie wzmożonej produkcji energii z paneli PV. Przewidywana implementacja oprogramowania do sterowania poborem, magazynowaniem i wytwarzaniem energii to kolejny krok do osiągnięcia pasywności energetycznej obiektu.

Oczyszczalnia ścieków Płaszów – największe wyzwanie systemu krakowskiego

Oczyszczalnia Płaszów to największa oczyszczalnia ścieków w Małopolsce, a jednocześnie zakład, który w najbliższych latach czeka największa modernizacja. Obsługuje zlewnię zróżnicowaną pod względem ilości i jakości ścieków, co przekłada się na szczególne wyzwania eksploatacyjne. Obecne parametry nominalne to 780 tys. RLM, średniodobowa przepustowość ponad 165 tys. m³/d.

W ostatniej dekadzie prowadzono tu szereg działań modernizacyjnych, ale miały one raczej charakter punktowy niż kompleksowy. W ramach projektów badawczo-rozwojowych zainstalowano m.in. mikroturbiny gazowe o mocy elektrycznej 65 kW i cieplnej 115 kW oraz turbinę wodną Kaplana o mocy 80 kW, która wykorzystuje naturalny spad ścieków oczyszczonych w komorze pomiarowej. Były to jednak urządzenia o stosunkowo niewielkiej mocy, które w skali całego zakładu nie zmieniły znacząco bilansu energetycznego.

Od 2012 r. pracuje układ dwóch kogeneratorów o mocy elektrycznej 800 kW i mocy cieplnej 810 kW. Energia elektryczna i cieplna jest w całości wykorzystywana na potrzeby oczyszczalni. Ciepło wygenerowane zużywa się do procesów technologicznych, takich jak np. podgrzewanie osadu w wymiennikach ciepła, ale także do ogrzewania budynków technologicznych i socjalno-biurowych.

Zmiana podejścia nastąpiła w 2021 r., kiedy Wodociągi Miasta Krakowa rozpoczęły realizację projektu Modernizacja gospodarki elektroenergetycznej, cieplnej i biogazowej na terenie Oczyszczalni Ścieków Płaszów przy ul. Kosiarzy 3, współfinansowanego z Funduszy Norweskich. W ramach tego przedsięwzięcia:

• zdemontowano dwa wyeksploatowane zbiorniki na biogaz  (pojemność 2000 m³ każdy),
• zbudowano dwa nowe, dwumembranowe zbiorniki magazynowe o łącznej pojemności 6000 m³,
• dostawiono dwie jednostki kogeneracyjne, każda o mocy elektrycznej 800 kW i mocy cieplnej 790 kW,
• wdrożono instalację do odzysku ciepła odpadowego ze spalania osadów ściekowych w Stacji Termicznej Utylizacji Osadów.

Dzięki tym inwestycjom udało się poprawić efektywność energetyczną zakładu, jednak nadal jest on daleki od samowystarczalności. Produkcja energii elektrycznej z biogazu pokrywa obecnie ok. 45% zapotrzebowania obiektu, dlatego potrzebne są działania nie tylko w obszarze gospodarki energetycznej i biogazowej, ale również kompleksowe prace modernizacyjne, które spowodują ograniczenie zużycia energii w procesach biologicznych przy równoczesnym utrzymaniu rygorystycznych parametrów dotyczących zawartości związków biogennych w ściekach odprowadzanych z oczyszczalni.

Uzupełnieniem układu jest niewielka elektrownia fotowoltaiczna o mocy 60 kW.

Mimo wciąż dużego poboru energii z zewnątrz ZOŚ Płaszów posiada spory potencjał w zakresie produkcji energii elektrycznej. Inwestycje w zwiększenie efektywności wytwarzania biogazu, planowane na najbliższe lata, pozwolą efektywniej fermentować osad i zwiększyć produkcję biogazu. Konieczna będzie również wymiana starych agregatów na nowe, bardziej efektywne urządzenia. Obiekt ma nadal bardzo duże rezerwy w zakresie rozbudowy fotowoltaiki. Wszystkie te działania powinny umożliwić w najbliższych latach osiągnięcie pasywności energetycznej oczyszczalni Płaszów.

Jednym z elementów mogących wpłynąć na bilans energetyczny zakładu jest modernizacja Stacji Termicznej Utylizacji Osadów, która oprócz spełnienia wymogów emisyjnych powinna zostać wyposażona w węzeł produkcji energii. Realizacja tej inwestycji zapewni możliwość zagospodarowania przefermentowanych i odwodnionych osadów ściekowych z obu głównych oczyszczalni Krakowa, odzysk energii na pokrycie potrzeb własnych oraz odzysk fosforu.

Wszystkie powyższe działania zmniejszają koszty funkcjonowania przedsiębiorstwa, a w dłuższej perspektywie wpływają na stabilizację cen energii, zmniejszając uzależnienie od paliw kopalnych. Rozbudowa źródeł energii odnawialnej zmniejsza emisję gazów cieplarnianych, przyczynia się do poprawy jakości powietrza, redukuje negatywny wpływ na klimat. Połączenie inwestycji w źródła energii odnawialnej jest więc korzystne ekonomicznie i środowiskowo, a implementacja takich rozwiązań, jak praca na wyspę, wpływa korzystnie na zwiększenie odporności zakładów oczyszczania ścieków w kontekście utrzymania ciągłości działania.

Więcej na https://wodociagi.krakow.pl