Eficiencia Energética en los sistemas de aireación de procesos de Fangos Activados

De los procesos más habituales utilizados para el tratamiento de las aguas residuales destaca, por su gran importancia, el de fangos activados en sus múltiples variantes y, como elemento fundamental del mismo, el sistema de aireación necesario para la cobertura de la demanda de oxígeno asociada. Tradicionalmente no se ha tenido en cuenta mucho el elevado consumo eléctrico que supone la aireación, pero la eficiencia energética en estos sistemas comienza a ser un tema importante en la correcta gestión de las instalaciones. 

Las plantas de tratamiento de aguas residuales utilizan 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 denominado Fangos Activados, en el cual se utiliza una especie de balsa o piscina con microorganismos en suspensión. 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 oxígeno contenido en el aire se suministre en la cantidad correcta para crecer y consumir la materia orgánica.

Los sistemas de aeración de estos procesos están caracterizados por su elevado consumo energético que, dependiendo del tipo de proceso y tamaño del mismo, suele situarse en el intervalo del 50-70% del total de una EDAR. Su coste de inversión representa únicamente una fracción del orden del 15-25% del total asociado a su funcionamiento(O+M) durante su vida útil. Pero constituye uno de los equipamientos de mayor coste de inversión de la EDAR.

            La importancia de estas consideraciones pone de relieve, no sólo el interés, sino la necesidad de aplicar todas las técnicas disponibles para conseguir la máxima eficiencia técnica y económica de los sistemas de aeración.

            Son varias las estrategias que se pueden aplicar:

Separación de la función de aireación y agitación en reactores de fangos activados

Es práctica común diseñar el sistema de aireación de reactores de fangos activados para la doble función de oxigenar y mantener los fangos activados en suspensión. La consecuencia es que la regulación de la aireación está condicionada a las necesidades de mezcla. Dado que los sistemas de aireación no son muy eficientes para la mezcla, en régimen de aireación extendida se incurre en un gasto excesivo de energía.

La medida consiste en introducir sistemas separados para mezcla y oxigenación.

Cambiar la tipología de aireación para mejorar la eficiencia energética

El cambio de aireación superficial a aireación por burbujas puede significar un ahorro energético (hasta el 100%) por dos vías: mayor rendimiento del sistema de aireación y mayores posibilidades de control del proceso. Puede requerir la instalación de mezcladores.

Implantar equipos de aireación más eficientes mediante control de caudal.

Consiste en la utilización de sistemas de control de aireación basados en la utilización del caudal de aire como variable de control en lugar de la presión, utilizada en sistemas convencionales. 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  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, hay 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:

1-     Tecnología del sensor de caudal: En las plantas de tratamiento de aguas residuales se usan tres tecnologías en sensores de caudal: presión diferencial (placa perforada), 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 ó Pies²/s), 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.

            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 en conjunto para favorecer 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.