Eficiencia energética en el tratamiento de aguas residuales mediante instrumentación del caudal de aire

Introducción:

En plantas de tratamiento de aguas residuales se usan una gran variedad de procesos para eliminar los contaminantes orgánicos del agua y asegurar su seguridad para usos futuros. Uno de los procesos más comunes es el método de lodos activados, que biológicamente trata las aguas residuales mediante un proceso de aireación. Este proceso, que básicamente consiste en inyectar aire dentro del agua en forma de burbujas, requiere que el aire comprimido bombeado dentro del agua se distribuya uniformemente. De esta forma conseguiremos un tratamiento óptimo. Los microorganismos que actúan en el proceso de aireación degradan la materia orgánica del agua a tratar, pero para sobrevivir requieren que el aire se suministre en la cantidad correcta para prosperar y consumir la materia orgánica. Eventualmente, estos organismos floculan en una masa con sólidos no-biodegradables que se depositan en el fondo. Se requieren grandes cantidades de aire comprimido para asegurar que este proceso opera de forma efectiva y tratar el agua de forma efectiva antes de que se transfiera a los procesos de clarificación, filtrado, desinfección, etc. Por ello es muy importante controlar el aire inyectado en los compartimientos de aireación porque los controles del flujo de aire son los que determinan el crecimiento de los microorganismos que tratan las aguas residuales. En una instalación de control típica se instalan medidores de caudal en las tuberías del sistema de aireación para medir el flujo de aire y la salida digital o analógica del medidor se direcciona al sistema de control.

Optimización del sistema de difusión de aire:

Pero en las instalaciones convencionales no se ha tenido muy en cuenta la eficiencia energética, y más teniendo en cuenta que tanto en las plantas residuales de tratamiento de agua como en las plantas municipales, el compresor es uno de los gastos de energía más importantes. En tiempos en los que la energía era barata ya era gravoso el mantenimiento las plantas de tratamiento de agua, así que en los tiempos que se avecina el coste de funcionamiento de la instalación va a ser sensiblemente mayor. La forma de optimización del proceso de aireación se consigue midiendo y controlando el caudal del sistema de aireación con un medidor adecuado. En la mayoría de las plantas, cada una de las instalaciones de aireación está configurada con numerosos sistemas de difusión. Se requiere un control del caudal del aire individual y un control independiente para cada sistema de difusión. El sistema de compresor debe funcionar a 24-x-7 para mantener la cantidad óptima de aire en los difusores, pero la demanda de aire cambia a lo largo del día en función de las variables climáticas y otros factores. Consecuentemente, si logramos acomodar el suministro de aire a la demanda que la planta requiere a lo largo del día, habremos conseguido un ahorro energético significativo. En primer lugar, ya que seleccionar un medidor de caudal para el proceso de aireación, o cualquier otra aplicación de aire o gas necesario en la planta de tratamiento de aire. Debemos considerar los siguientes aspectos en la elección del medidor:

• Tecnología del sensor de caudal.
• Rango y exactitud.
• Condiciones ambientales de operación.
• Facilidad de instalación.
• Mantenimiento y vida útil.

Repasemos uno por uno cada uno de estos factores:

1. Tecnología del sensor de caudal: En las plantas de tratamiento de aguas residuales se usan tres tecnologías en sensores de caudal: presión diferencial (placas perforadas), emisión de vórtices y dispersión térmica (flujo másico). La tecnología de presión diferencial y, en menor medida la de emisión de vórtices son las que más se han instalado. Sin embargo, en los últimos años la más común es la de dispersión térmica, principalmente por su medición directa y porque origina menos problemas mecánicos.
2. Exactitud y rango de caudal: En una instalación típica los rangos de caudales son altos (1,5-150 SFPS), con una exactitud de la lectura de +2 %, y +0,5 % a fondo de escala, y una repetividad de +0,5 % de lecturas. La mayoría de los sistemas operarán con eficiencia a estos niveles de exactitud, y los fabricantes pueden proporcionar productos con mayor exactitud, aunque su funcionalidad es excesiva para estas aplicaciones.
3. Condiciones ambientales de operación: El caudal de aire necesario en el proceso de depuración varía a lo largo del día, por lo que los medidores de caudal deben ser capaces de tolerar caídas significativas de presión (0,6 a 1,2 bares). También el rango de temperaturas a soportar es amplio ( -20 ºC a +65ºC). Los dispositivos con partes mecánicas pueden tener problemas, y más considerando la suciedad de las condiciones de trabajo.
4. Facilidad de instalación: No todos los medidores se instalan con igual facilidad, y lo primero que hay que comprobar es que el que vamos a instalar se instala simplemente insertándolo en una tubería.
5. Mantenimiento y vida útil: Debe verificarse con el fabricante cuales son las necesidades de mantenimiento y vida útil del medidor. Algunos medidores necesitan una recalibración más frecuente que otros, y/o limpieza que requiere tiempo, o lo que es peor, requieren retirar el medidor del servicio para su mantenimiento. El medidor ideal no debe tener partes móviles y proporcionar servicio durante muchos años.

Ahorro energético:

Para entender el ahorro energético que podemos conseguir implementando un sistema de control de aire en los sistemas de aireación de una instalación de tratamiento de aguas residuales, debemos en primer lugar decir que el coste del aire depende de una serie de variables principales. Estas son el clima del lugar donde se ubica la planta, la disposición en planta, el volumen de residuos, el equipo en uso (incluyendo el difusor, compresor, y sistema de control), la configuración del sistema de tuberías, la instrumentación del caudal y el tipo de suministro de energía eléctrica.

En condiciones ideales, todos estos factores trabajan juntos para promover el crecimiento de los microorganismos necesarios para el tratamiento en el menor tiempo posible. Si los costes energéticos son elevados, es muy posible que el sistema de aireación no está funcionando correctamente, incluyendo medidores de caudal, su colocación en la red de tuberías o sus calibraciones.

Bibiografía: Improving wastewater treatment with air flow instrumentation. Craig, S. Fluid Components International L.L.L.

Palabras clave: Activated sludge method, clarifying basing, filtering, flow sensor technology, vortex shedding, differential pressure, mass flow