Análisis y Optimización del rendimiento del sistema de aireación del difusor

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1 Análisis y Optimización del rendimiento del sistema de aireación del difusor Fuente original : Environmental Dynamics International - Technical Bulletin153 BTEC Diffuser de TecnoConverting

2 Análisis y Optimización del rendimiento del sistema de aireación del difusor El funcionamiento de sistemas de aireación para tratamientos biológicos se muestra como un claro demandante de gran cantidad de energía en los sistemas de tratamiento de aguas residuales. La mayoría de la energía utilizada en EDAR s tal y como se muestra en la Figura 1 con un aproximadamente 50-70% de la energía utilizada se atribuye a la aireación. Con tanta energía utilizada en una EDAR concentrada en un sistema de aireación es lógico que se convierta en un claro objetivo para el ahorro de energía. Figure 1. Energy Usage at a Typical WWTP Históricamente, los sistemas de aireación fueron diseñados con unas directrices generales para el rendimiento del sistema. Para la aireación del difusor, los criterios de diseño de 5.0 a 6.7% por metro se aplican universalmente con poca consideración del coste total para la propiedad (Explotador) basándose en las siguientes variables: 1. Coste actual de la energía por kw/h. 2. Aumento a largo plazo del coste de la energía/kwh. 3. Impacto del coste de la energía durante la duración del contrato con el Explotador. 4. Tecnología avanzada de aireación por difusores disponible hoy en día. 5. Oportunidad de importantes ahorros para el Explotador por medio de la optimización del sistema de aireación. 6. Impacto relativo de la optimización del sistema de aireación en el Explotador frente a medidas más tradicionales de conservación de energía, tales como motores o soplantes de alta eficiencia 7. Créditos de carbono. La optimización del sistema de aireación requiere un análisis integrado de todos los componentes principales del sistema con especial atención a cómo interactúan: A. Coste de la soplante y rendimientos. B. Medida y coste de los cuadros eléctricos. C. Diámetros de las tuberías y coste. D. Optimización del tipo de difusor o de la cantidad para el ahorro de energía. 1

3 E. Impacto relativo del diseño del sistema del difusor en otros componentes, es decir, doblando el número de difusores aumenta el coste del difusor, pero puede reducir el coste de los elementos descritos en los puntos A y D. Una adecuada optimización de los costes del funcionamiento del sistema de tratamiento de aguas residuales a un mínimo coste para el Explotador requiere una evaluación rigurosa de la tecnología del sistema del difusor y una selección del tipo y diseño más eficiente o adecuado de difusor para CADA aplicación. Las reglas generales de diseño para la eficacia del difusor ya no son aceptables, ya que un análisis riguroso proporciona importantes ahorros o posibilidades de ahorro. Una continua práctica del diseño actual de aireación por burbuja fina implica un severo castigo en el coste del funcionamiento de la EDAR dando a lugar a un exagerado sobrecoste para el Explotador para estos sistemas. Hasta la fecha los ingenieros de diseño no han encontrado ningún método efectivo o procedimiento fácil de aplicación para la optimización del sistema de aireación integrado para aplicaciones rutinarias. Tal procedimiento debe reconocer variables significativas que afectan al coste del funcionamiento de la aireación del difusor,incorporando un total de variables/opciones de diseño del sistema al proceso del tratamiento biológico. Un análisis del sistema de aireación que incluya variables fundamentales para cada planta o aplicación puede significar importantes ahorros en los costes anuales de las operaciones y ahorros para disminuir el coste de explotación. EDI consideró la posibilidad de ahorrar en la operación de las EDAR s desarrollando y aplicando procedimientos de diseño racional para optimizar el diseño del sistema total de aireación. El modelo llamado EDI (Integrated Diffused Aeration Design) consta de un análisis de 4 fases que desarrolla soluciones técnicas según el tipo de difusores, cantidad de difusores y tamaño de la soplante. Cada fase del análisis apunta hacia un diseño óptimo para cada sistema de aireación tal y como se detallan a continuación. Fase I: Organizar los parámetros del diseño Para realizar los cálculos de la optimización del diseño es necesario tener información del proceso de diseño, información del emplazamiento físico, detalles del tipo de agua, y a ser posible, información sobre la geometría del depósito. La Forma del Diseño de Aireación EDI de la figura 2 muestra como ejemplo un resumen de muchos de los criterios necesarios a la hora de desarrollar el diseño. 2

4 Figure 2. Aeration Design Form Example Además de los datos del diseño del proyecto del Formulario de Datos es necesaria una clara confirmación de los factores como el Alpha y un proceso de tratamiento biológico para establecer un diseño racional. El proceso de tratamiento seleccionado tiene un mayor impacto en la optimización del sistema de aireación. Una descripción detallada del proceso biológico puede incluir las siguientes aplicaciones de tratamiento comunes: Lodos activados Aireación extendida SBR Eliminación de nutrientes (BNR) Lagunaje MBR MBBR Zanja de oxidación Digestor Otros Con las directrices claras del proceso que quiere aplicarse, más los datos del formulario de datos, puede empezarse con los cálculos para el funcionamiento del sistema de aireación en la Fase III. Fase II: Seleccionar el tipo de difusor y obtener las curvas de rendimiento SOTE 3

5 Para poder utilizar los sistemas de operación de difusores de alta eficiencia (poros finos) con mayor eficacia, tiene que estar disponible una curva de funcionamiento detallada sobre la transferencia del oxígeno SOTE para el dispositivo de aireación o tipo que debe utilizarse en el diseño. Esta curva requiere resultados de agua limpia racional bajo los procedimientos de pruebas ASCE o equivalentes. La figura 3, adjunta, muestra una curva típica SOTE para un difusor de diámetro de 9 pulgadas (230mm) generada por pruebas de agua limpia según los procedimientos de transferencia de oxígeno ASCE. Los datos de esta curva serán utilizados como parte de un análisis de diseño integrado para la aireación de poros finos en el ejemplo expuesto más adelante en este documento. Para cada proyecto se selecciona un tipo de difusor (disco, tubo, etc..), ya que de ese modo el proceso de optimización incorporará datos para los cálculos que serán específicos para la plataforma del difusor. Se requiere una serie de cálculos por separado cuando se comparan diferentes_formas de difusores, es decir, de disco con los de tubo, con los de MiniPanel TM o con los de Streamline TM. Figure 3. Typical SOTE Performance Graph Nota: Unas curvas SOTE adecuadas incorporarán múltiples factores que influirán en el funcionamiento, tales como: 1. Condiciones de pruebas estándar según los procedimientos de pruebas ASCE o los equivalentes Estándar Internacionales. 2. Densidad de difusores según la cantidad de difusores por área del depósito o del área de la membrana por el área del depósito, generalmente expresado como la densidad del difusor. 4

6 3. Flujo del aire (aire que circula por el área de la unidad de la membrana del difusor) 4. Consumo de energía total en el depósito o balsa de aireación medidas en Kw o Hp por unidad de volumen (Hp/1000 ft3 o Kw/m3) 5. Profundidad del agua e inmersión del difusor. 6. Tipo de forma del difusor (Disco, Tubo, Panel, StreamLine ) 7. Disposición de los difusores. A. Parrilla B. Bobina C. Otro Fase III: Programa preliminar sobre el funcionamiento del diseño de sistemas de aireación Los cálculos de optimización iniciales del sistema de aireación empiezan con un Programa Preliminar de cálculo de la Figura 4 basado en los datos del proyecto acumulados en la Fase I. Utilizando el formulario de datos de la Figura 2 y la curva del difusor de la Figura 3, se crea el Programa Preliminar inicial del sistema de aireación basado en el flujo, DBO, carga de amoníaco, etc del proyecto. Este Programa Preliminar proporcionará una medida inicial de aireación para el sistema de flujo de aire y para la cantidad de difusores. Este cálculo proporciona un punto de diseño sobre la cantidad de difusores, fuerza/difusor del flujo de aire y el sistema global de flujo de aire. El resultado del cálculo de este Programa Preliminar inicial puede confirmar la viabilidad del sistema básico para que la aireación se adecue a las demandas de O2 en el proceso. También se establece la mezcla de criterios basados en el proceso y la geometría del tanque. Ahora es posible utilizar múltiples iteraciones de los cálculos del Programa Preliminar para conseguir un mayor rendimiento del proyecto. El Programa Preliminar es el medio de trabajo utilizado para establecer perfiles de funcionamiento para SOTE, volúmenes de aire y cantidad de difusores según se describe en la fase IV más abajo. Este conjunto de perfiles de aireación puede ser particularmente útil a la hora de determinar el tamaño de la soplante, el motor y la medida del cuadro eléctrico, así como también la base de futuras evaluaciones del coste total para el Explotador. Fase IV: Crear perfiles de rendimiento del difusor Se utilizan múltiples cálculos del Programa Preliminar para crear un perfil de demanda efectivo en el proyecto seleccionando múltiples puntos de diseño para el sistema de difusor. Diferentes diseños de la Fase III (programas preliminares) pueden utilizarse para crear un perfil de funcionamiento SOTE cuando SOTE se traza según la cantidad de unidades de difusores. Estos mismos diseños múltiples de la Fase III también nos permiten establecer el perfil de rendimiento del flujo de aire con el volumen de aire trazado frente a la cantidad de difusores. Ambas curvas son independientes y no muestran el punto de diseño óptimo donde se cruzarán. Se requieren cálculos o evaluaciones por separado para poder encontrar la solución para una aireación total óptima. 5

7 Figure 4. Optimization of Fine Pore Aeration Diffusers Utilizando las curvas de la Figura 4, es fácil determinar: 1. Gama de SOTE o posibilidades de diseño de volumen de aire frente al número de unidades de difusor. 2. Volumen de aire total basándose en una selección preliminar de SOTE en funcionamiento o cantidad deseada de difusores. 3. Los volúmenes de aire requeridos en las instalaciones con la supuesta cantidad de unidades de difusor. 4. Seleccionar el SOTE según la cantidad de difusores. 5. El cálculo de la energía permite determinar la combinación de límites de energía, es decir, volumen de aire/m2 de superficie útil, o volumen de aire/m3 según la cantidad de difusores. 6. Permite la selección o eficiencia energética para adaptarse a las unidades disponibles de Compresor/Soplante o limitaciones de tamaño. También permite que la medida de las soplantes se mantenga dentro de los límites de la unidad (Kw) según la medida del emplazamiento, seleccionando la cantidad de difusores que suministrarán el volumen de aire deseado. 6

8 EJEMPLO: Optimizar un diseño de disco de 9 pulgadas 1. Utilizar los datos de diseño del Formulario de Diseño de Aireación Figura Procesar el oxígeno necesario para conseguir una aireación extendida a 1,4kg de O2/kg BOD (1,4lbs/lbs) más 4,6 kg de O2/kg de amoníaco (4,6lb). 3. No hay recuperación de O2 para la desnitrificación (DN) en este diseño. 4. Acceder o establecer las curvas de comportamiento SOTE para un disco de 9 pulgadas a 5,75 m de inmersión del difusor (6m SWD-hp de difusores). Las curvas trazadas SOTE frente el flujo de aire por disco, tal como se muestra en la Figura 3. Nota: Estas curvas de comportamiento para cada plataforma del difusor están incluidas en los cálculos del Programa Preliminar del Proceso EDI de la propiedad. Si se ejecutan una serie de iteraciones por separado o manualmente, estas curvas SOTE tienen que haber sido establecidas u obtenidas directamente del fabricante del difusor. 5. Utilizando los datos de las figuras 2 y 3 de arriba se ejecuta el proceso del diseño preliminar #001 de la Figura 4 para determinar una serie de condiciones del diseño. 6. Después de examinarse el Diseño Preliminar inicial, se tienen que ejecutar varias iteraciones del diseño preliminar variando el flujo del aire por difusor mientras se mantiene constante la carga del diseño y se resuelve la cantidad de difusores, eficacia, flujo de aire, etc. El gráfico de la Figura 5 determina el conjunto de difusores/rendimiento utilizando los cálculos del diseño preliminar. Figure 5. Annual Energy Cost as a function of diffuser design 7

9 A. Crear Curva de SOTE % contra una cantidad de unidades de disco de 9 pulgadas para diseñar la inmersión del difusor. Figura 5 B. Crear curva del volumen total del aire contra una cantidad de discos de 9 pulgadas para el proceso de oxigenación Figura 5 (Nota: mezclar casos limitados debería someterse a revisión). C. Gráfico del conjunto del funcionamiento del sistema de aireación. Figura #6 D. Calcular el coste/año de energía basado en $ /Kw y la presunta eficacia de la soplante / trazada contra la cantidad de discos de 9 pulgadas. Figura #7 7. Seleccionar el punto óptimo de diseño del difusor para conseguir los objetivos del diseño del proyecto, es decir, seleccionar la cantidad de difusores. La optimización del sistema integrado de aireación permite el desarrollo del proyecto del Coste Total para el Explotador. Esto incluye los cálculos del valor actual o del valor neto actual de la duración del diseño del proyecto. El coste de los cálculos de la propiedad requiere de nuevo procedimientos iterativos para crear la oportunidad para generar ahorros y se convierte en un análisis en profundidad más allá del programa de optimización del difusor/soplante aquí mostrado. 8

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