H2020 EE 2014 3 MarketUptake - Home - waste water treatment … · 1 Standard method and online...

16
1 Standard method and online tool for assessing and improving the energy efficiency of waste water treatment plants H2020EE20143MarketUptake D 3.1: Identification of key parameters and key performance indicators (KPIs) and ENERWATER methodology (draft 0) Acknowledgements & Disclaimer: The ENERWATER project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 649819. Although the project's information is considered accurate, no responsibility will be accepted for any subsequent use thereof. The EC accepts no responsibility or liability whatsoever with regard to the presented material, and the work hereby presented does not anticipate the Commission's future policy in this area. Due date of deliverable: 31 st August 2015 Actual submission date: 31 st August 2015 Organisation name of lead contractor for this deliverable: Cranfield University, UK. Version 1 Dissemination Level PU Public PP Restricted to other programme participants (including the Commission Services) RE Restricted to a group specified by the consortium (including the Commission Services) X CO Confidential, only for members of the consortium (including the Commission Services)

Transcript of H2020 EE 2014 3 MarketUptake - Home - waste water treatment … · 1 Standard method and online...

 1

 

 

 

Standard method and online tool for assessing and improving the energy efficiency of waste water 

treatment plants 

H2020‐EE‐2014‐3‐MarketUptake 

 

D 3.1: Identification of key parameters and 

key performance indicators (KPIs) and 

ENERWATER methodology (draft 0) 

   Acknowledgements & Disclaimer: The  ENERWATER  project  has  received  funding  from  the  European  Union’s  Horizon  2020 research  and  innovation  programme  under  grant  agreement  No  649819.  Although  the project's  information  is  considered  accurate,  no  responsibility  will  be  accepted  for  any subsequent use thereof. The EC accepts no responsibility or  liability whatsoever with regard to  the  presented  material,  and  the  work  hereby  presented  does  not  anticipate  the Commission's future policy in this area.  

 Due date of deliverable: 31st August 2015 Actual submission date:   31st August 2015 Organisation name of lead contractor for this deliverable:  Cranfield University, UK.              Version 1  

Dissemination Level PU  Public   PP  Restricted to other programme participants (including the Commission Services)   RE  Restricted  to  a  group  specified  by  the  consortium  (including  the  Commission 

Services) X 

CO  Confidential,  only  for  members  of  the  consortium  (including  the  Commission Services) 

 

 1

 

Table of contents 

1  SCOPE OF THE DOCUMENT ................................................................................................................................... 2 

2  IDENTIFICATION OF KEY PARAMETERS AND KEY PERFORMANCE INDICATORS (KPIS) ..................... 2 

3  ENERWATER METHODOLOGY ........................................................................................................................... 10

   

       2

 

1 Scope of the document In the present deliverable we present our progress on the next tasks: 

Task 3.1: Identification of key parameters and key performance indicators (KPIs) 

In this first phase the consortium has identified the key energy parameters to be monitored in wastewater treatment plants (WWTPs). This task includes identifying where in the WWTPs the energy consumption/production should take place. Furthermore the energy consumption should be related with the performance of a WWTP and parameters such as effluent  flow, nutrient  removal, biochemical oxygen demand  (BOD), chemical oxygen demand  (COD), suspended solids, orthophosphate (PO4), ammonia  (NH4) and nitrate (NO3) need to be estimated at various stages of the WWTP to an effective, estimation of energy consumption in WWTP.  

 

Task 3.2: Methodology document 

The ENERWATER methodology (draft 0) aims at describing in a systematic way the various steps required to establish the  energy  index  of  a  particular WWTP. More  specifically  the methodology  includes  guidelines  on  how  to  select equipment/processes to place energy monitors, how to monitor the WWTP and how data should be reported.   The methodology document intends to be a very simple and easy to follow document that can effortlessly understood and put in practice by operators, site managers, process engineers as well as energy auditors.  

2 Identification of key parameters and key performance indicators (KPIs)  

2.1  WWTP boundaries 

Wastewater treatment plants  (WWTPs) can be composed by a very wide variety of processes designed  for removal pollutants  from  used  water  that  has  been  discharged  to  a  central  facility.  Independently  of  the  processes implemented at the WWTPs, these facilities are organised in 7 ain stages (Figure 1). Not all stages have to be present to achieve wastewater treatment. The following definitions are applied in the ENERWATER methodology document:   

Stage 1: Preliminary treatment includes all pumping required to discharge the wastewater to the WWTP (i.e.: pumping stations that can be found within the boundaries of the WWTP, that can  include  influent or effluent discharge), the equipment  involved  in screening, grit removal, oil separation and flow equalisation. Storage of wastewater  in storm tanks and respective pumps is also included in Stage 1.  

Stage 2: Primary  treatment  includes all  the equipment  involved on primary  sedimentation/clarification. Equipment required for desludging the primary sedimentation and dose of chemicals (e.g.: iron dosing for phosphorus removal or coagulant dosing for enhanced solids removal) that takes place before or during primary sedimentation/clarification, should also be considered in Stage 2. Specific control and instrumentation tools that are required to operate Stage 2 should also be considered.  

Stage 3: Secondary treatment includes all processes and their auxiliary equipment required for biological wastewater treatment after primary sedimentation (if present). Common processes used  in secondary treatment  include biofilm processes (e.g.: trickling filters) and flocculent processes (e.g.:  activated sludge and biological nutrient removal) and their  respective  humus  tank  or  secondary  clarifier.  Equipment  required  to  operate  the  biological  wastewater treatment  pumping  (recirculation),  aeration  and  secondary  clarification,  should  also  be  considered  in  Stage  3. Equipment  required  for desludging  the  secondary  clarifier and dose of  chemicals  (e.g.:  iron dosing  for phosphorus removal that takes place before or during secondary clarification, should also be considered in Stage 3. Specific control and instrumentation tools that are required to operate Stage 3should also be considered.  

 

       3

 

Figure 1. General schematic representation of a WWTP with the various stages. 

 

Stage 4: Tertiary and advanced treatment can be completed by a wide variety of processes including: chemical (e.g.: chlorination  or  ozonation),  physical  (e.g.:  sand  filters, UV  disinfection)  and  biological  (e.g.:  reed‐beds;  submerged aerated  filters,  tertiary nitrification) processes. For  simplicity  the ENERWATER methodology defines as Stage 4 any process  that  takes  place  between  secondary  treatment  and  effluent  discharge  and  their  respective  equipment. Pumping required for effluent discharge should be  included as part of Stage 4. Specific control and  instrumentation tools that are required to operate Stage 4 should also be considered. 

Stage 5: Sludge treatment often  includes a range of steps such as thickening    (e.g.: gravity thickeners), belt presses etc.); dewatering (e.g.: centrifuges) and sludge stabilisation technologies that range from alkalinity dosing, anaerobic digestion  to  thermal  processes  such  as  incineration,  gasification  and  pyrolysis.  For  simplicity  the  ENERWATER methodology defines as Stage 5 any processes that process that handle concentrated streams derived from primary, secondary  and  physical‐chemical  treatment,  that  are  traditionally  above  0.5%  total  solids  and  their  respective equipment. Pumping  required  to handle streams should also be  included.  If  the WWTP  receives  import sludge  this should be also accounted as  in  the energy monitoring exercise. Nevertheless  if  the WWTP  receives other waste  to complete co‐digestion then processing of these wastes should be excluded from the exercise.  Also of high relevance is the fact that many sludge stabilisation technologies are energy producers, not consumers. Energy production on site should  be  considered  either  by  accounting  for  the  biogas  production  on  site,  or  if  possible measuring  the  kWh produced by these processes. Specific control and instrumentation tools that are required to operate Stage 5 should also be considered. 

Stage 6:  Return liquors treatment can include processes for treatment of return liquors (reject water) that are usually focused on nitrogen removal and phosphorus removal through processes such as Anammox or struvite precipitation, respectively, just give some examples. Specific control and instrumentation tools that are required to operate Stage 6 should also be considered. 

Stage  7: Odour  treatment  often  includes  recovering  of  extraction  the  air  of  air  extracted  from  sludge  processing technologies  (Stage  5)  or  even  pumping  stations.  Odour  treatment  technologies  can  be  classified  into physical/chemical  (chemical  scrubbers,  incinerators,  adsorption  systems,  and  so  forth)  and  biological  (biofilters, biotrickling filters, bioscrubbers, and activated sludge diffusion reactors).  

 

Primary sed. Second. sed. Tertiary treatment

Treated effluent

Sludge Sludge Large items

Grit

Screens Grit chamber

Biological treatment

Advanced treatment

Energy (biogas, etc.) Sludge stabilization

Stage 2: Primary

treatment Stage 3:

Secondary treatment Stage 4:

Tertiary treatment

Stage 1:

Pre-treatment

Sludge

Sludge processing (thickening, dewatering)

Sludge processing (thickening, dewatering)

Stage 5: Sludge

treatment

Sludge disposal or re-use

Wastewater influent

Return liquors Stage 6:

Return liquors

treatment

Stage 7:Odour treatment

       4

Auxiliaries: Many WWTPs will have exterior  lighting, offices and  labs.   Other possible auxiliaries  include pumping of water  for garden  irrigation, servers  for data storage and transfer etc. The energy consumption  from  these auxiliary facilities should be measured and considered for calculating the energy index.  

 

2.2 WWTP key performance indicators 

Various methodologies have been described to estimate energy consumption  in WWTPs  including: utilisation of the equipment  specifications  (power  and  usage  time)  power  loggers  and  modelling.  In  Europe,  the  methodologies adopted  vary  from  country  to  country  even  amongst water  utilities.  The  limitations  of  exiting methodologies  are related with  the need  to  compare  similar wastewater pollutant  loads at  the  influent,  including  carbon  to nitrogen ratios, and effluent consents, that might vary between geographical regions and therefore can be of  limited energy consumption data when comparing sites in different locations. Another important aspect to take into consideration is how  the energy  consumption  is  reported.  Some examples  include energy  consumption per  volume of wastewater treated, connected people (population equivalent), pollutant load or per type of treatment process giving origin to a wide  range of units on how  to  report  the energy data  (e.g.: kWh/PE; kWh/m3; kWh/PE.year; kWh/kgCODrem; €/m

3; kWh/kgNrem; kWh/kgBODrem; kWh/m3

biogas).  

Hence,  there  is  a  clear  need  to  establish  suitable  key  performance  indicators  within  the  WWTP  that  allow  a comparable, realistic and universal form of reporting the energy data.  After thorough review of existing data in WP2 it become obvious that general energy consumption units such as kWh/PE; kWh/m3; kWh/PE.year have little value as it does not provide a suitable overview of the natural variability found amongst processes in WWTPs. At a first glance it is envisaged  that  the ENERWATER methodology will account  for  the KWh used by specific equipment but  taking  in consideration  the  function  of  the WWTP,  i.e.:  the  key  pollutants  removed,  efficiency  and  quality  of  the  effluent according to specific regulation.  

 

For the ENERWATER methodology  it  is recommended that different KPIs are considered depending on the different stages to the WWTP (Table 1). On an ideal scenario the wastewater treatment energy index (WTEI) should be based on the KPIs identified by on‐line or frequent monitoring of the KPIs through composite or grab samples to account for the key pollutants removed at the different stages of the process as well as the process efficiency. Nevertheless this data might not be available  in  the  required detail or  resources might be  limited preventing  the attainment of  the WTEI. To respond to this pressure a number of scenarios  is proposed when calculating the WTEI with the Platinum WTEI benefiting from more detailed data and consequently high levels of confidence all the way to Bronze WTEI that is based on text book information and general assumptions, and hence providing the lowest WTEI confidence values (Table 1)  

 

The  highest  energy  consumption  in WWTPs  is  usually  reported  in  Stage  3:  Secondary  treatment  processes.    As described above this stage can be highly variable and complex. Table 1 shows the required KPIs based on:   

Secondary treatment for COD removal only: kWh/kg COD removed 

Secondary treatment for COD and ammonia removal: kWh/kg COD removed, kWh/kg NH4 removed 

Secondary treatment for COD and chemical P removal: kWh/kg COD removed, kWh/kg P chem removed 

Secondary treatment for COD and TN removal: KWh/kg COD removed, kWh/kg TN removed 

Secondary treatment for COD and phosphate (P) removal: kWh/kg COD removed, KWh/kg P removed 

Secondary treatment for COD, TN and P removal: KWh/kg COD removed, kWh/kg TN removed kWh/kg P removed 

 

Another highly variable part of the WWTPs is Stage 4: Tertiary and advanced treatment. Table 1 shows the required KPIs based on:   

Tertiary treatment for solids removal: kWh/kg TSS removed 

Tertiary treatment for ammonia removal: kWh/kg NH4 removed 

Tertiary treatment for TN removal: kWh/kg TN removed 

Tertiary treatment for solids and P removal: kWh/kg TSS removed, kWh/kg P removed 

Tertiary treatment for pathogens removal: kWh/log reduction  

Tertiary treatment for hazardous pollutants removal: kWh/model compound such as estradiol removed 

 

       5

During  Stage  5:  Sludge  treatment,  are  used  processes  and  equipment  that  can  use  electricity  and  also  produce electricity. It is important to account for energy production on WWTP and subtract it from the energy consumption to calculate the WTIE. Table 1 shows the required KPIs based on: 

Sludge treatment for solids concentration: kWh/kg TS processed 

Sludge treatment for energy production: ‐ kWh produced/ton sludge processed  

Sludge treatment for energy production: ‐ kWh produced/m3 sludge processed  

Sludge treatment for energy production: ‐ kWh produced/kg VS removed   Stage 6: Return liquors treatment can include processes for treatment of return liquors (reject water) and hence is highly variable on purpose and hence type of equipment used. Table 1 shows the required KPIs based on: 

Return liquors treatment for TN removal: kWh/kg TN removed 

Return liquors treatment for P removal: kWh/kg P removed  

Stage 7: Odour treatment can include a wide variety of processes including physical, chemical and biological. Table 1 shows the required KPIs based on: 

Odour treatment for volatile organic compounds removal: kWh/kg VOCs removed 

Odour treatment for volatile inorganic compounds removal: kWh/kg VICs removed 

Odour treatment for volatile sulphur compounds removal: kWh/kg VSCs removed 

 

 

 6

Table 1. Identification of KPIs according to treatment stage for various scenarios. 

  WTEI scenario 

Treatment stage 

Platinum   Gold  Silver Bronze

Stage 1: Preliminary treatment 

kWh/m3

 Requires measurement of the real flow wastewater treated through online flow meters or similar.  Data can be reported based on daily, monthly or yearly averages.  

kWh/m3

 Requires measurement of the real flow wastewater treated through online flow meters or similar.  Data can be reported based on daily, monthly or yearly averages 

kWh/m3

 Requires measurement sporadic measurements of the real flow of wastewater treated 

kWh/m3designed

 Assumes  that  real  flow  data  is not available and uses the WWTP design flow 

Stage 2: Primary treatment  

KWh/kg TSS removed 

KWh/kg P chem removed   Requires measurement of TSS and PO4‐P before and after Stage 2. Measurements should be taken >2/ month using grab and composite samples. Data can be reported based on daily, monthly or yearly averages.  

KWh/kg TSS removed 

KWh/kg P chem removed  

 

Requires measurement of TSS and PO4‐P before and after Stage 2. Measurements should be taken at least once a month using grab or composite samples. Data can be reported based on monthly or yearly averages.  

KWh/kg TSS removed 

 

Requires measurement of TSS before and after Stage 2. Only a few measurements per year  (<12/year) might be available. Data can be reported based on yearly averages. 

KWh/kg TSS removed 

 

Text  book  assumptions  or  data from nearby  sites might be used to  assume  a  TSS  removal  (Table 2) 

Stage 3: Secondary treatment 

KWh/kg COD removed, KWh/kg NH4 removed, KWh/kg TN removed, KWh/kg P  bio removed, 

KWh/kg P  chem removed 

 Requires measurement of COD, NH4‐N, TN and PO4‐P before and after Stage 3 depending on the aim of the secondary treatment as described above. Measurements should be taken >2/ month using grab and composite samples. Data can be reported based on daily, monthly or yearly averages.   

KWh/kg COD removed, KWh/kg NH4 removed, KWh/kg TN removed, KWh/kg P  bio 

removed, KWh/kg P  chem removed 

 

Requires measurement of COD, NH4‐N, TN and PO4‐P before and after Stage 3 depending on the aim of the secondary treatment as described above. Measurements should be taken at least once a month using grab or composite samples. Data can be reported based on monthly or yearly averages. 

KWh/kg COD removed, KWh/kg NH4 removed, KWh/kg TN removed, KWh/kg P  bio removed, KWh/kg P  

chem removed 

 

Requires measurement of COD, NH4‐N, TN, and PO4‐P before and after Stage 3. Only a few measurements per year  (<12/year) might be available. Data can be reported based on yearly averages. 

KWh/kg COD removed, KWh/kg NH4 removed, KWh/kg TN removed, KWh/kg P removed 

 

Text  book  assumptions  or  data from nearby  sites might be used to  assume  a  of  COD, NH4‐N,  TN and PO4‐P removal (Table 2) 

       7 

Treatment stage  

Platinum   Gold  Silver Bronze

Stage 4: Tertiary and advanced treatment  

kWh/kg TSS removed, kWh/kg NH4 removed,

kWh/kg TN removed; kWh/kg P removed, kWh/log 

reduction kWh/estradiol removed  Requires measurement of TSS, NH4‐N, TN and PO4‐P, Log pathogen reduction and estradiol before and after Stage 4 depending on the aim of the secondary treatment as described above. Measurements should be taken >2/ month using grab and composite samples. Data can be reported based on daily, monthly or yearly averages  

kWh/kg TSS removed, kWh/kg NH4 removed, kWh/kg TN removed; kWh/kg P removed, kWh/log reduction kWh/estradiol removed  Requires measurement of TSS, NH4‐N, TN and PO4‐P, Log pathogen reduction and estradiol before and after Stage 4 depending on the aim of the secondary treatment as described above. Measurements should be taken at least once a month using grab or composite samples. Data can be reported based on monthly or yearly averages. 

kWh/kg TSS removed, kWh/kg NH4 

removed, kWh/kg TN removed; kWh/kg P removed, kWh/log reduction kWh/estradiol removed 

 

Requires measurement of TSS, NH4‐N, TN and PO4‐P, Log pathogen reduction and estradiol before and after Stage 4 depending on the aim of the secondary treatment as described above. Only a few measurements per year  (<12/year) might be available. Data can be reported based on yearly averages.  

kWh/kg TSS removed, kWh/kg NH4 removed,  kWh/kg TN removed;  kWh/kg P removed,  kWh/log reduction kWh/estradiol 

removed 

Text  book  assumptions  or  data from nearby  sites might be used to  assume  a  of  COD, NH4‐N,  TN and PO4‐P removal (Table 2)  

Stage 5: Sludge treatment  

kWh/kg TS processed; ‐ kWh produced/ton sludge processed; ‐ kWh produced/m

3 sludge processed;‐ kWh 

produced/kg VS removed   Requires measurement of weight or volume of sludge in relation to TS to be processes in the thickening or dewatering processes. For the sludge stabilisation processes the VS content should be measured before and after the processes. Measurements should be taken >2/ month using grab and composite samples. Data can be reported based on daily, monthly or yearly averages        

kWh/kg TS processed; ‐ kWh produced/ton 

sludge processed; ‐ kWh produced/m3 sludge 

processed;‐ kWh produced/kg VS removed  

 

Requires measurement of weight or volume of sludge in relation to TS to be processes in the thickening or dewatering processes. For the sludge stabilisation processes the VS content should be measured before and after the processes. Measurements should be taken at least once a month using grab or composite samples. Data can be reported based on monthly or yearly averages.  

kWh/kg TS processed; ‐ kWh 

produced/ton sludge processed; ‐ kWh 

produced/m3 sludge processed;‐ kWh 

produced/kg VS removed  

 

Requires measurement of weight or volume of sludge in relation to TS to be processes in the thickening or dewatering processes. For the sludge stabilisation processes the VS content should be measured before and after the processes. Only a few measurements per year  (<12/year) might be available. Data can be reported based on yearly averages.  

kWh/kg TS processed; ‐ kWh 

produced/ton sludge processed; ‐ kWh 

produced/m3 sludge processed;‐ kWh 

produced/kg VS removed  

 

Text  book  assumptions  or  data from nearby  sites might be used to  assume  a  of  COD, NH4‐N,  TN and PO4‐P removal (Table 2)  

       8 

Treatment stage  

Platinum   Gold  Silver Bronze

Stage 6: Return liquors treatment  

kWh/kg TN removed or kWh/kg TP removed 

 Requires measurement of TN and PO4‐P, before and after Stage 6 depending on the aim of the treatment process as described above. Measurements should be taken >2/ month using grab and composite samples. Data can be reported based on daily, monthly or yearly averages  

kWh/kg TN removed or kWh/kg TP removed 

 

Requires measurement of TN and PO4‐P, before and after Stage 6 depending on the aim of the treatment process as described above. Measurements should be taken at least once a month using grab or composite samples. Data can be reported based on monthly or yearly averages  

kWh/kg TN removed or kWh/kg TP 

removed 

 

Requires measurement of TN and PO4‐P, before and after Stage 6 depending on the aim of the treatment process as described above. Only a few measurements per year  (<12/year) might be available. Data can be reported based on yearly averages.  

kWh/kg TN removed or kWh/kg TP 

removed 

 

Text  book  assumptions  or  data from nearby  sites might be used to  assume  a  of  TN  and  PO4‐P removal (Table 2).  

Stage 7: Odour treatment  

kWh/kg VOCs removed or kWh/kg VICs removed or kWh/kg VSCs removed 

Requires measurement of VOCs, or VICs or VSCs before and after Stage 7 depending on the aim of the treatment process as described above. Measurements should be taken >2/ month using grab and composite samples. Data can be reported based on daily, monthly or yearly averages  

kWh/kg  VOCs  removed  or  kWh/kg  VICs

removed or  kWh/kg VSCs removed 

Requires measurement of VOCs, or VICs or VSCs before and after Stage 7 depending on the aim of the treatment process as described above. Measurements should be taken at least once a month using grab or composite samples. Data can be reported based on monthly or yearly averages  

kWh/kg  VOCs  removed  or  kWh/kg VICs removed or  kWh/kg VSCs removed

Requires measurement of VOCs, or VICs or VSCs before and after Stage 7 depending on the aim of the treatment process as described above. Only a few measurements per year  (<12/year) might be available. Data can be reported based on yearly averages 

kWh/kg  VOCs  removed  or  kWh/kg VICs removed or  kWh/kg VSCs removed 

Text  book  assumptions  or  data from nearby  sites might be used to  assume  a  of  VOCs,  VICs  or VSCs removal (Table 2).  

Auxiliaries  kWh/m2 office or kWh/number of persons on site or kWh/m2 site foot print  Based on measured data on site. 

kWh/m2 office or kWh/number of persons on site or kWh/m2 site foot print  Based on measured data on site.  

kWh/m2 office or kWh/number of persons on site or kWh/m2 site foot print  Based on measured data on site or information  from nearby sites

kWh/m2 office or kWh/number of persons on site or kWh/m2 site foot print  Text  book  assumptions  or  data from nearby sites (Table 2) 

 9

Table 2 provides the assumptions to be used for the Bronze WTEI.  

 

Table 2. Key assumptions for Bronze WTEI 

Treatment stage   

 

Stage 1: Preliminary treatment  kWh/m3designed: Uses the WWTP design flow

   

Stage 2: Primary treatment

 

KWh/kg TSS removed: 60% solids removal     

Stage 3: Secondary treatment  KWh/kg COD removed: 80% COD removal

KWh/kg NH4 removed: 70% NH4‐N removal 

KWh/kg TN removed: 75% TN removal  

KWh/kg P removed: 80% P removal 

 

 

Stage 4: Tertiary and 

advanced treatment 

 

kWh/kg TSS removed: 90% TSS removalkWh/kg NH4 removed: 85% NH4‐N removal kWh/kg TN removed: 90% TN removal kWh/kg P removed: 90% P removal  kWh/log reduction: log 4 kWh/estradiol removed: 60% estradiol removal   

 

Stage 5: Sludge treatment 

 

kWh/kg TS processed: 0.03 ‐0.05 kWh/kg TS processed‐ kWh produced/kg VS removed: 1‐2.5 kWh/ kg VS removed  

 

Stage 6: Return liquors treatment  

kWh/kg TN removed: 90% TN removalkWh/kg P removed: 90% P removal   

 

Stage 7: Odour treatment1  kWh/kg VOCs removed: 90%  VOCs removal kWh/kg VICs removed: 90% VICs removal kWh/kg VSCs removed: 90% VSCs removal  

 

Auxiliaries  Assume 1.9kWh/m2 of office space 2

Assume 0.01 kWh/m2 site foot print  

 

  

 

 

 

 

                                                                  1 Estrada et al.  2011. A comparative analysis of odour treatment technologies in wastewater treatment plants. Environmental Science & Technology, 45 (3), 1100‐1106  2 (https://www.reading.ac.uk/web/FILES/tsbe/Agha‐Hossein_TSBE_Conference_Paper‐2012.pdf) 

       10 

3 ENERWATER methodology 

 

The objective of  this method  is  to guide expert auditors on how  to evaluate  the energy performance of a WWTP reaching  a  final  energy  diagnosis  of  them.  The method will  lead  to  the  consecution  of  a  final  figure:  the WATER TREATMENT  ENERGY  INDEX  (WTEI).  This  index  is  the  basis  for  comparison;  the  WTEI  summarizes  the  general performance and makes results readily comparable. 

The method will indicate which parameters have to be used and the proper way to take and handle them for the most used water treatment –technologies. 

 

3.1 Points to consider when planning the estimation of energy consumption at a WWTP 

 

Important information that should be obtained at planning stage includes: 

Identification  of  the WWTP  and  become  aware  of  any  particular  operation  regimes  or  retrofitting work planned for the duration of the assessment that could impact the estimated WTEI. 

Definition of the WWTP boundaries and  identification of the treatment processes/ equipment according to the stages defined in Figure 1.  

Identify  of  how  is  the  electrical  system  organised  at  the WWTP    (e.g.: what  pieces  of  equipment  can  be monitored as stand alone and what units can be monitored as clusters) 

Plan  an  extensive  sampling  programme  according  to  the  desired/possible  WTEI  scenario,  this  includes identifying samples to be collected and frequency (exact location in the WWTP, spot or composite sampling), identify persons/external contractor that will be responsible for the sample collection, identify parameters to be measured and  cross  check  that  the  responsible  lab  is  capable of utilizing  standard methods  (see more detail in section 3.8). Allocate a suitable budget for this activity  

Identify the preferred equipment/methodology for monitoring electricity flows within the WWTP.  To achieve high quality WTEI  scenarios  (platinum  and  gold) online  energy monitors  are  recommended  (these  can be provided  by  a  number  of  companies).  For  the  development  of  the  ENERWATER methodology  the  energy monitoring system were provided by Wellness that was made of circuits/clamps (power loggers) that allowed GPRS communication to allow frequent data recording (every 5 seconds) as well as live data streaming to the water utility. A  suitable  server  for data  collection and  storage  should be  identified.    Furthermore  suitable software  should  be  in  place  to  process  and  analyze  the  data  collected  according  to  the  ENERWATER methodology and hence allow the estimation of the WTEI. Special attention should also be given to ensure that the WWTP has GPRS or other forms of wireless communication available, if online energy monitors are to be installed. 

By combining the  information collected above, a plan and a budget should be put  in place to estimate the number of energy monitors to be acquired, their exact location and the likely person/external contractor that will be completing the installation as well as sampling and analysis needs  

  

3.2 Request  required  approvals  and  keep  communication  (operators,  site  managers,  process engineers, budget holders and other possible end users) and health safety considerations 

 After a detailed plan and budget has prepared this should be approved by the water utility budget holders in the first instance. Depending  on  the water  utility  health  and  safety  policy,  any  particular  approvals,  risk  assessments  etc., should  be  put  in  place  and  approved  at  this  stage.  Ordering  of  energy  monitors/software  and  related  analysis equipment etc. should be completed at this stage.    Engagement groups should be created at various levels including operators, site managers, process engineers, budget holders and other possible end users to present the initiative and capture the professionals’ feedback. Communication with  the  various  groups  should  be  kept  simple  and  effective  in  a  suitable  language  for  the  target  audience.  The frequency of these meetings is important and to suggested at a later stage.  

 

       11 

3.3 Create database describing all equipment on site  

During  this  step  it  is  vital  to  gain  a  full  understanding  of  ALL  the  electrical  equipment  responsible  for  energy consumption/production on  the WWTP. A  full  inventory  should be  created  to  ensure  the pre‐identification of  the equipment with  highest  energy  consumption, which  should  be monitored  during  the  assessment  but  also,  it will provide valuable  information for the validation of the data recorded. The  inventory should  identify the name of the equipment,  location within the WWTP according to the stages  identified  in Figure 1, power requirement  in kW and working hours. With the information collected it is possible to calculate the specific power consumption of each item of equipment (Equation 1) 

 

Ep = P × T     (Equation 1) 

 

Where Ep is the specific power consumption in kWh, y, P the rated power of the electrical motor in kilowatt (kW) and T is the working hours in a day (h/day). A limitation of calculating the specific power consumption using Equation 1 is that the age of the equipment is not taken into consideration and some equipment were likely to be operating outside the  best  efficiency  point.  Hence,  it  is  recommended  that  information  such  as  age, maintenance  schedule  is  also recorded. Table 3 can be used as a template for imputing the required information for this step.  

 

Table 3.  Template table for creating database describing all equipment on site 

Name of the equipment 

End  use  of equipment 

Stage  of treatment within  the WWTP 

Power requirement (kW)  

Working hours  

(h/day) 

Specific power consumption 

Age  Maintenance schedule 

         

         

 

3.4 Select equipment for online monitoring and install on‐line monitors according to manual  

The highest energy consumption equipment should be monitored during the assessment according to the information collected in Table 2. It is recommended that the energy monitoring system is placed in such a way that allows for at least 90% of the total energy fluxes on the WWTP.  

A final plan for the exact location of the energy monitoring systems should be now in place and a suitable schematic representation should be produced for operators, site managers, process engineers etc  information as well as wider dissemination  

The persons/external contractors should receive the appropriate training and have competence to install the energy monitoring  systems at  this  stage as well as  training of professionals  to operate  the analysis  software. All monitors should be installed at the same time to achieve a complete overview of the WWTP energy fluxes.   The manual for the installation of the Wellness energy monitoring systems can be found in annex, as an example.   

 

3.5 Monitor site for KPIs (how often to monitor, methods used for monitoring) 

A final plan for the sampling programme should be put in place to establish the samples to be collected and frequency (exact  location  in  the  WWTP,  spot  or  composite  sampling),  identify  persons/external  contractor  that  will  be responsible  for  the  sample  collection,  identify  parameters  to  be measured  according  to  the  KPIs  in  Table  1.  It  is recommended  that only  Standard Methods3  are used  to  achieve  consistency  amongst different WWTP  and hence allow comparison of data.    

                                                                  3 APHA Standard Methods, Standard methods for the examination of water and wastewater, American Public Health Association/ American Water Works Association/ Water Environment Federation, Washington DC, USA., 1998

       12

The  frequency of  the collection of  samples  is  important.  It  is envisaged  that  the WTEI needs  to be completed  in a suitable timescale to respond to the water industry pressures. Ideally, the monitoring of the site should be completed within 1 week, but  longer periods  can be used  to  account  for natural  variations  in WWTPs  such as  storm events, wastewater quality, temperature, etc.  

The  persons/external  contractors  should  receive  the  appropriate  training  and  have  competence  to  complete  the sampling and analysis work.   

 

3.6 Training of people on the on‐line tool and audits  

Energy audit  is  the general  term used  for a  systematic procedure  that aims  to obtain adequate  knowledge of  the profile of the energy consumption of an industrial plant. One of the main aims of an energy audit is the configuration of energy baseline regarding the reference consumption or specific consumption with regard  individual devices and installations  (Table  4). With  the  use  of  these  indices  can  be  estimated  energy  consumption  before  and  after  the application of energy‐saving measure. Adequate analysis of energy data  is  therefore  important  in order  to  identify trends and areas for improvement. Table 5 contains information on the various stages for completing an energy audit.  

 

3.7 National and international normative  

UNI has established the minimum requirements of energy audit in the UNI‐CEI‐TR 11428:2011. The energy audit can be conducted by a specialist who also has knowledge of installation, heat transfer, and other techniques to evaluate the efficiency, such as an expert in energy management certificate in according to UNI CEI 11339. Various definitions can be found in Table 6.  

 

Table 4. Stages for training energy auditors 

Pre‐audit stage  Define the purpose of the energy audit Training a team for the energy audit Estimate time and budget Collecting information about the plant  

Energy audit stage  Survey and measurements Analysis of the data collected Preparing the energy savings plans Detailed  analysis  of  the  opportunities  for  energy  management proposal Preparation of the report on the energy audit  

Post‐audit stage  Implementation of energy management opportunities Monitoring and review 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       13 

Table 5. Stages  required for completing an energy audit. 

Stage  Task 

1 – Analysis of useful data  The  main  purpose  is  to  evaluate  the  characteristics  of  the  energy systems  and  the  methods  of  use  of  energy  for  the  industry.  The modalities of energy use can be obtained from the compilation of bills relating to several years. Analysis of the historical variation of the utility bills allows  the energy auditor  to determine  if  there are  seasonal and weather effects on energy consumption. 

2 – Walk‐through survey  Identify potential energy saving measures. The results of this phase are important  as  they  determinate  if  the  building/industry  guarantees  all further activities of energy auditing. 

3 ‐  Baseline of energy use  The  main  purpose  of  this  phase  is  to  develop  a  basic  model  that represents  the  existing  energy  consumption  and  the  operating conditions of the building/industry. 

4 – Evaluation of energy saving measures 

In  this  phase  determine  a  list  of  cost/benefit  using  both  the  energy savings and economical analysis. 

5 – Report of energy audit  The  procedure  of  energy  audit  should  be  completed  with  the presentation of all proposals for energy savings in the form of technical‐economical report that is prepared by the auditor and presented to the leader of the structure. 

 

Table 6. Definitions on energy audits according to UNI. 

ESCo  ESCo  is defined as “Person or  legal person  that delivers energy  services or other  energy  efficiency  improvement measures  in  the  facility  of  the  users and  accepts  financial  risk.  Payment  of  the  services  delivered  is  based  on energy efficiency improvement and on other agreed performance criteria. 

UNI CEI 11352  Energy  management  –  Companies  providing  energy  services  (ESCo)  – General  requirements and checklist  for verification of  requirements”  is  the Italian legislation establishing the minimum requirements for companies that want  to  play  the  role  of  ESCo.  The  standard  outlines  the  minimum requirements  for energy efficiency  services and capabilities must posses  in order to offer these activities to its customers. It is important have an expert in energy management in its staff. 

UNI CEI 11339  Energy Management. Experts in energy management. General requirements for the qualification” is the standard that establishes the requirements for a person to become in expert in energy management. 

UNI CEI EN 16231:2012  Defines  the  “Methodology  benchmarking  of  energy  efficiency.  The normative  defines  requirements  and  gives  recommendations  on  the methodology  of  benchmarking  energy  efficiency.  The  purpose  of benchmarking is to identify key indicators of energy consumption.  

UNI CEI EN ISO 50001:2011  “Energy management system – Requirements and guidelines for use”  is the official Italian version of the ISO 150001 

 

3.8 Audit, data collection and validation  

For the energy audit methodology is possible follow the indication described on Technical Report UNI‐CEI‐TR 11420:2011 – Energy Management – Energy Diagnosis – General requirements of energetic diagnosis. 

       14

UNI‐CEI‐TR  11428  defines  requirements, methodology  and  documentation  for  energy  audits.  The main tools of energy audit are: 

1. Realization of energy flows; 2. Recovery of resources; 3. Identification of technologies for energy saving; 4. Optimization of energy supply contracts; 5. Management of technical and economic risks; 6. Improving the method of operation and maintenance. 

It is important illustrate some important concepts before to describe the methodology (Table 7). 

 

Table 7. Definition of concepts used to develop the energy audit methodology. 

Balance flows  Synthetic representation, possibly integrated with the diagram, able to highlight  in a quantitative manner  the  flows of materials and energy input/output/processor within an energy system or part of it. 

Reference consumption  Consumption of energy system, measured or possibly calculated  in a period of time and normalized via adjustment factors. 

Adjustment factor  Quantifiable magnitude that  influences the energy consumption used to  normalize  and  compare  homogeneously  consumption,  period  by period.  Example:  Climatic  conditions,  environmental  conditions (temperature, light level..), variables related to the behaviour and user activity (work shifts, level of occupancy of building..), production level 

Energetic inventory  Analytical  description  of  the  distribution  of  consumption  relative  to the  various  energy  vectors  in  the  energy  system.  Note:  the  energy inventory  is  usually  expressed  through  the  census  and  the  analytic quantification  of  energy  use,  equipment  and  their  operating characteristics 

Energetic system  Organizations,  company,  urban  settlement  homogeneous  (both  civil and  industrial),  together  with  technological,  organism,  able  to generate, manage or control a power demand, object of diagnosis 

Energetic vectors  Means to supply or produce energy locally 

 

The energy audit  is undertaken  in order to make available a description of the situation of the global energy system under investigation, defining possible actions to improve energy efficiency and quantify the energy savings resulting. 

Energy audit should have the following requirements: 

1. Completeness: Energy system should include significant energy aspects; 2. Reliability: Real data must be acquired in number and quality needed to develop energy inventory of energy 

system. Power consumption must be checked in line with the billing or with measurement equipment; 3. Traceability: an energy inventory should be identified and used, as well as adequate documentation on the 

origin of data; 4. Utility: measures to improve energy efficiency should be identified and evaluated from a cost/benefit 

analysis. 5. Verifiability:  They  must  be  identified  elements  that  allow  the  customer  to  verify  the  achievement  of 

efficiencies resulting from the application of the proposed action. 

 

 

 

       15 

3.9 Classify site according to WATER TREATMENT ENERGY INDEX (WTEI).  

 

 To be completed on the next methodology draft