Comparación de la vida útil extendida de las membranas de aireación

Comparación de la vida útil extendida de las membranas de aireación Warrick Wadman Director de tecnologías de membrana, Environmental Dynamics International. 5 de febrero de 2014 1. INTRODUCCIÓN Los difusores flexibles de poro fino se han usado extensamente en la industria de las aguas residuales por el consumo eficaz de energía asociado con la oxigenación del flujo de aguas residuales. Se ha documentado que la eficacia operativa de la mayoría de los difusores de poro fino cambia con el tiempo con la acumulación de materiales orgánicos o inorgánicos en la superficie o en los poros de la membrana, o debido a los cambios en las propiedades materiales de la membrana, como el contenido extraíble, durómetro, gravedad específica, resistencia a la tracción, desgarre, etc. Los sistemas de difusor de panel de poro fino de Environmental Dynamics International (EDI) se han utilizado desde 1993 y se cuenta con cientos de miles de membranas en servicio. A través de los años, la industria de la aireación ha buscado muchas fórmulas y procesos de EPDM y de otros polímeros diseñados para proporcionar una transferencia de oxígeno eficaz con un uso mínimo de energía y una vida útil extendida de las membranas. En particular, se ha identificado una fórmula de panel de EPDM como el material de membrana de elección cuando se trata de ofrecer un desempeño sostenido a largo plazo en una amplia variedad de flujos de aguas residuales. Este producto se llama membrana optimizada para el desempeño 1 (POM-1, por su sigla en inglés). Recientemente se obtuvieron muestras de una planta de tratamiento de aguas municipales de un tamaño considerable después de 110 meses de servicio para su evaluación. En el momento de este informe, estas membranas aún estaban en servicio y habían proporcionado más de 10 años de servicio. Se están realizando investigaciones paralelas en esta área. Un documento titulado Mi difusor llega hasta once (de hecho doce) elaborado por Michael Stenstrom y colaboradores se enfoca en una WWTP con membranas de panel AquaConsult (producto de referencia) que han estado en servicio durante aproximadamente 12 años. En este informe se presenta un análisis comparativo que revisa las propiedades materiales y los costos totales de energía del producto de panel de EDI y el panel AquaConsult en un período extendido equivalente. Observaciones generales Se ha documentado en la literatura de la industria que la eficacia de transferencia de oxígeno in situ (fsote) puede disminuir hasta un 17 % en los primeros 12 meses, y hasta un 25 % en un período de 5 años (Rosso, 2012) en un ambiente de tratamiento de aguas residuales. Las dos causas típicas de la disminución en la eficacia de aireación son la acumulación de suciedad en la membrana y los cambios en las propiedades materiales de la membrana. EDI midió la eficacia de transferencia de oxígeno estándar (SOTE, por su sigla en inglés) y la presión dinámica en fase mojada (DWP, por su sigla en inglés) en muestras de campo que después se usaron para calcular la eficacia de aireación estándar (SAE, por su sigla en inglés) y evaluar el desempeño de la potencia eléctrica. 2. EXPERIMENTAL Definiciones: SOTE (eficacia de transferencia de oxígeno estándar, %): La relación en porcentaje entre la cantidad de oxígeno transferido y la cantidad suministrada. 1

fsote: SOTE de una membrana con suciedad que ha sido operada en un flujo de aguas residuales SAE (eficacia de aireación estándar, libras de O2 por hp-hora): La cantidad de oxígeno transferida al agua y la cantidad de energía usada. fsae: SAE de una membrana con suciedad que ha sido sometida a un flujo de aguas residuales DWP (presión dinámica en fase mojada, pulgadas de H2O): El diferencial de presión (pérdida de carga) a través del elemento de difusión cuando se opera en condiciones de sumergimiento. Materiales y productos evaluados Planta sujeto Propiedades y parámetros del proceso del panel POM-1 de EDI: Propiedades de la membrana del panel de EDI Material: EPDM Ancho del panel: 11.6 cm (4.6 pulgadas) Grosor de la pared: 0.02 cm (0.08 pulgadas) Longitud del panel: 135 cm (53.5 pulgadas) Tamaño de la perforación: 1 mm Duración del servicio: 110 meses hasta julio de 2013. Las membranas siguen en operación. WWTP sujeto: Municipal, ubicada en el oeste medio de EE. UU. Capacidad del diseño de la planta: 52 MGD Tipo de planta: Barro activado convencional Cantidad de paneles instalados: 3,676 paneles de longitud completa más 1,160 paneles de media longitud. Tasa de flujo de aire típica: 1.52 scfm/pies 2 3. METODOLOGÍA Medición de la presión dinámica en fase mojada (DWP) y de la actividad de la membrana. Las pruebas de DWP de la membrana se llevan a cabo para cuantificar la pérdida de carga del difusor en condiciones de sumergimiento. Las pruebas se realizan en una variedad de distintas tasas de flujo de aire. La actividad de la membrana se define como el porcentaje del área de la superficie perforada activa por el total del área de la superficie perforada. La actividad es un valor cualitativo que se observa visualmente y al que se le asigna un porcentaje. La actividad es una indicación de la eficacia de la transferencia de oxígeno. Generalmente, entre mayor sea el valor de actividad, mayor será la eficacia de transferencia de oxígeno del difusor. Se evaluaron la DWP y la actividad de la membrana bajo las siguientes condiciones: 1) De la forma en que se recibió: 2

Las muestras enviadas no se tocarán y se guardarán en un contenedor sellado. Las muestras se evalúan sin eliminar la suciedad acumulada para aproximarse al desempeño de la unidad en campo in situ. 2) Limpiado manualmente (procedimiento de limpieza estándar en el campo) La limpieza manual usa mangueras de baja presión y tallado con un cepillo de nylon de cerdas medianas/gruesas. Se mantiene la presión positiva del aire en la unidad del difusor durante la limpieza. 3) Limpieza con ácido y limpieza mecánica (proceso de limpieza en laboratorio con múltiples pasos) La membrana se limpia con ácido además de la limpieza manual. Esta técnica consiste en aplicar ácido muriático (ácido clorhídrico de 200 Baume al 31.45 % del peso) directamente en las superficies de la membrana después del procedimiento de limpieza manual, seguido de un enjuague con una manguera de baja presión. Después la membrana se lava mecánicamente. El lavado mecánico consiste en lavar las membranas de muestra usando agua tibia (37 C/100 F) y detergente doméstico. Pruebas de transferencia de oxígeno EDI realiza pruebas de la eficacia de transferencia de oxígeno (OTE) en estado estable en el equipo de aireación usando un tanque con un diámetro interno de 3.14 pies X 16.58 pies de profundidad junto con un analizador de gas liberado del aireador. Este método de pruebas es consistente con los procedimientos descritos por la Asociación Americana de Ingenieros Civiles en las Pautas estándar para las pruebas de transferencia de oxígeno en procesos (ASCE 18-96). El método de gas liberado obtiene muestras del gas liberado del contenedor de prueba después de haber sido difundido a través de la columna de agua. Al medir el contenido de oxígeno del gas liberado y del aire de referencia de entrada, se puede determinar la cantidad de oxígeno que transfiere al agua. Se realizó la prueba con una membrana nueva para establecer. un punto de referencia. El siguiente conjunto de pruebas se realizó con una membrana devuelta; se comenzó en las condiciones en las que se devolvió, se continuó con una limpieza manual, limpieza con ácido y limpieza con lavado mecánico. Se evaluaron las membranas en tasas de flujo de aire de 1.0, 2.1 y 4.1 scfm/pies2. Medición física y pruebas de las propiedades materiales Se midieron las propiedades materiales de las muestras. Estas pruebas incluyen resistencia a la tracción, elongación, desgarre, compresión establecida, tensión establecida, extracto y otras. Las pruebas siguen. los métodos de pruebas apropiados de la ASTM. Se usó un tensiómetro TensiTech con extensiómetro y básculas Mettler Toledo de la forma correspondiente. Se midieron las dimensiones físicas usando una regla flexible para la circunferencia, calibradores digitales para el grosor de la pared en varios lugares, junto con una regla de acero para medir la longitud de la membrana. 4. RESULTADOS Y ANÁLISIS Resultados de las pruebas de DWP y actividad Para realizar las pruebas de DWP y SOTE, las muestras de prueba de EDI se recortaron a una longitud de 61 cm (24 pulgadas) para ajustarse a las pruebas. La Figura 1 ilustra las diferencias en la DWP para una membrana nueva en comparación con una membrana en las condiciones en las que se recibió después de 110 meses de servicio. Se midió la DWP de la membrana después de cada paso de limpieza para determinar 3

el impacto de la suciedad acumulada y para evaluar qué tan bien se puede restaurar la membrana en comparación con la condición de la membrana nueva original. Los datos iniciales se refieren en todos los casos al mismo número de parte de la membrana que se evaluó después del servicio. Figura n. 1 1.00 0.90 0.80 0.70 Presión dinámica en fase mojada Nuevo, IC 218 110 sin devolución, A-R 110 sin devolución, M-C 110 sin devolución, M, A/C and M/W DWP (psi) 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tasa de flujo (scfm/pies2) Como se observa en la Figura n. 1, hubo un aumento de 0.25 psi (6.9 H2O) en la DWP durante un período de 110 meses con un flujo de aire de 1.5 scfm/pies2. Después de la limpieza, la DWP que no se puede restaurar aumentó 0.08 psi (2.2 in. H2O) en comparación con la condición de la membrana nueva. La Figura n. 2 muestra la actividad de la membrana nueva en comparación con una membrana en las condiciones en las que se recibió después de 110 meses de servicio y después de la limpieza. Los datos se usan para cuantificar qué tan bien se puede restaurar la membrana a su condición nueva original. 4

Figura n. 2 100 90 80 70 Área activa Planta sujeto de EDI Nuevo, IC 218 110 sin devolución, A-R 110 sin devolución, M-C 110 sin devolución, A/C and M/W Área activa (%) 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tasa de flujo (scfm/ft. 2 ) Con tasas de flujo menores, hubo una disminución en el área activa de la superficie en comparación con una membrana nueva. Sin embargo, con tasas bajas de flujo, la distribución del flujo de aire en la longitud de la superficie de la membrana no sufrió un impacto negativo. Con tasas de flujo mayores, la mayor actividad de la membrana se observa con la mayoría de las mejoras en la distribución a través del ancho del difusor. Resultados de las pruebas de las propiedades materiales La Tabla n. 1 ilustra la comparación de los cambios materiales y físicos en las propiedades de la membrana de una membrana nueva en comparación con la membrana de la planta sujeto de EDI que se. obtuvo después de 110 meses de servicio. 5

Tabla n. 1 Cambios físicos Membrana de la planta sujeto de EDI Código I/C 218 Punto de referencia Devolución A partir de estos datos, se observó un ligero aumento del diámetro, aumento de la dureza, la resistencia a la tracción, el desgarre y la gravedad específica acompañados de una disminución de la elongación y del extracto. Estos cambios son típicos para una membrana que ha tenido una exposición de largo plazo a las aguas residuales municipales. Estos cambios en las propiedades se relacionan con la reducción del contenido extraíble que hace que la membrana sea más dura y rígida. Los cambios se consideran menores para una membrana que ha estado en servicio durante 110 meses. Revisión de los datos Los cambios en los materiales a largo plazo según se presentan en la literatura (Stenstrom y colaboradores, 2013) sugieren que el cambio relativo observado para el material POM-1 fue significativamente menor que el de otros materiales. Como se ve en la Tabla n. 2, el cambio medido en la resistencia a la tracción para la membrana de la planta sujeto de EDI es el 36 % del valor para el producto de referencia. De forma similar, el cambio en la elongación medido es del 77 % en comparación con el producto de referencia. Tabla n. 2 Porcentaje de cambio Longitud (pulgadas) 53.5 53.0-0.9% Grosor de la pared (pulgadas) 0.078 0.076-2.4% Diámetro interior (pulgadas) 4.60 4.74 2.9% Durómetro (orilla A) 58 66 13.8% Fuerza de resistencia a la tracción (psi) 1453 1715 18.0% Elongación (%) 664 458-31.1% Desgarre de la prensa (libras/pulgadas) 89 92 2.5% Compresión establecida a 100 C 74.6 74.9 0.4% Tensión establecida a 100 C (%) 45.6 57.5 26.1% Extracto (%) 15.93 13.73-13.8% Gravedad específica 1.0800 1.1523 6.7% Comparación de cambios físicos entre la planta sujeto de EDI (9.2 años) y el producto de referencia (11 años) Prueba Planta sujeto de EDI Producto de referencia Fuerza de resistencia a la tracción (% de cambio) 18.0% -50.0% Elongación (%) -31.1% -40.2% Como se ve en la Tabla n. 2, es evidente que hay un cambio importante en las propiedades del material. Estos cambios podrían producir un desempeño variable del difusor, lo que incluye fallas prematuras de la membrana si no se monitorea de cerca. 6

Resultados de la prueba de SOTE La Figura n. 3 muestra el desempeño de SOTE de la membrana de la planta sujeto de EDI con varias tasas de flujo. Esta gráfica compara los valores de SOTE de la membrana en distintas etapas de limpieza en comparación con una membrana nueva. Figura n. 3 SOTE de la planta sujeto de EDI (%) en comparación con la tasa de flujo (scfm/pies2) 38% 36% Nuevo, IC 218 110 sin devolución, A-R 110 sin devolución, M-C 110 sin devolución, A/C and M/W 34% SOTE (%) 32% 30% 28% 26% 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Tasa de flujo (scfm/pies2) La membrana de la planta sujeto de EDI muestra una disminución del 0 % al 8 % en la OTE en el rango de gasificación evaluado. Esto se compara favorablemente con los datos de la industria que comunican una disminución de hasta el 20 %. Desempeño de la SAE Se ha comunicado que el producto de referencia es un producto de eficacia muy alta. Una revisión posterior del informe de Michael Stenstrom (Stenstrom y colaboradores, 2013) presentó valores de fsote para el producto de referencia después de 11 años de servicio. El informe enfatiza la eficacia de la SOTE mejorada y la disminución de la presión después de una limpieza con lavado a presión (PW, por su sigla en inglés). Un aspecto que es importante revisar es la masa de oxígeno transferida por unidad de energía consumida o eficacia de aireación total (SAE). En la Figura n. 4 se combinaron los datos de eficacia de la transferencia de oxígeno y presión para mostrar el impacto de los cambios en la membrana en la eficacia de aireación total (SAE). Se muestran los datos de la eficiencia de aireación estándar (SAE) y fsae después de que la membrana ha estado en servicio. 7

Figura n. 4 Planta sujeto de EDI SAE (lb/hp-h) en comparación con la tasa de flujo (scfm/pies2) 10.0 9.5 9.0 8.5 Planta sujeto de EDI, nuevo, IC218 Planta sujeto de EDI, sin devolución a los 110 meses, A-R Planta sujeto de EDI, sin devolución a los 110 meses, A/C y M/W SAE (lb/hp-h) 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Tasa de flujo (scfm/pies2) Figura n. 5 Producto de referencia SAE (lb/hp-h) en comparación con la tasa de flujo (scfm/pies2) 10.0 9.5 9.0 Producto de referencia, 132 meses, A-R Planta de referencia, 132 meses, limpieza con PW 8.5 SAE (lb/hp-h) 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Tasa de flujo (scfm/pies2) 8

Como se ve en la Figura n. 4, hay una disminución de la eficacia de aireación estándar entre la muestra original y las muestras de campo para la planta sujeto de EDI. Esto es paralelo a los informes en la literatura sobre los cambios en el desempeño con la edad de la membrana. También se puede observar que la limpieza de la membrana después de 110 meses de servicio sólo mejora ligeramente la fsae. La disminución en el valor de fsae varía de ningún cambio en las tasas de flujo a entre el 7 y el 10 % con tasas de flujo de moderadas a altas. Como se ve en la Figura n. 5, que se basa en la información presentada en la literatura (Stenstrom y colaboradores, 2013), el cambio en la eficacia de aireación estándar para el producto de referencia fue de casi del 26 %. Esto se atribuye a un aumento del 277 % en la presión de la membrana y una disminución del 13% en la SOTE. Dado que no se presentaron datos para un panel nuevo del producto de referencia, no fue posible hacer una comparación con el desempeño original. El informe también indica que el mantenimiento de las membranas durante los últimos 12 años se ha limitado a un decantado con manguera del tanque y a cepillados de los difusores con jabón neutro realizados de forma periódica, un proceso que toma de 2 a 3 horas por tanque. No se presentó la frecuencia del mantenimiento. Las membranas de la planta sujeto de EDI no se limpiaron durante el período de operación de 110 meses anterior a la recolección de las muestras de membranas. Usando los datos de fsae, se puede calcular el impacto de la acumulación de suciedad en el costo operativo de la planta de tratamiento de aguas residuales. Así que podemos calcular el verdadero costo del producto del panel de la planta sujeto de EDI y del panel del producto de referencia con base en los dos productos evaluados en este informe. Se usó una población hipotética de un millón de personas para calcular el impacto económico a largo plazo para la municipalidad. La Figura n. 7 presenta este modelo. Figura n. 6 COMPARACIÓN DE COSTOS DE GASTO DE ENERGÍA Se asume una población de 1,000,000 habitantes para este ejercicio. Requerimientos de O2 para 1 millón de personas (SOR, libras de O2/hora):29,050 Costo promedio del servicio eléctrico: $0.0679/kW (industrial) obtenido en el sitio web de información energética de EE. UU. (www.eia.gov/electricity/data.cfm) - Ventas (precio minorista promedio) Eficacia combinada del motor y el forzador: 65 % Flujo de aire: 1.5 scfm/ft 2 Costo de la energía ($/hp-yr): 444 Membrana *SAE Costo de aireación **Costo de la acumulación de suciedad en un período de (lb O2/hp-hr) (mem) $/yr/1m personas 10 años Planta sujeto de EDI - Nuevo 7.73 $1,668,590 Planta sujeto de EDI - A-R 7.43 $1,736,979 $341,944 Planta sujeto de EDI - A/C y M/W 7.55 $1,709,454 Producto de referencia - A-R 6.37 $2,026,281 Producto de referencia - PW 8.32 $1,550,264 $2,380,083 *La SAE para el panel de la planta sujeto de EDI y del producto de referencia se ajustaron a 10 años de servicio. **Costo estimado de la acumulación de suciedad en 10 años: Se promedia el costo de la acumulación de suciedad entre la mitad de la unidad nueva y como fue recibida, después se multiplica ese costo por 10 años. Como se ve en la Figura n. 6, es evidente que el costo de una membrana de panel de la planta sujeto de EDI con acumulación de suciedad durante un período de 10 años es de aproximadamente $341,944. Vemos que el uso del panel del producto de referencia durante un período similar le costaría a la municipalidad $2,380,083. Esto si se asume que no se le ha dado servicio a ninguna de las membranas durante el mismo período. 9

Tanto el panel de la planta sujeto de EDI como el panel del producto de referencia comenzaron con una eficacia relativamente alta; sin embargo, el aumento importante de la presión de la membrana del panel del producto de referencia tuvo un gran impacto negativo en el valor de fsae. 5. RESUMEN Este análisis ofrece una revisión detallada de la membrana del panel de la planta sujeto de EDI con más de 9 años de servicio en una planta municipal. Este informe también supera las evaluaciones típicas de eficacia de fsote y presión de DWP, y revisa el impacto combinado en el consumo de energía. El uso de la fsae proporciona un valor integral para evaluar mejor el impacto económico del dispositivo de aireación durante un período extendido. Con base en los datos presentados en este informe y en la información presentada en los materiales de referencia, el desempeño de fsae para el producto del panel de la planta sujeto de EDI a 1.5 scfm/pies2 varía por menos del 5 % para la SOTE/SAE mientras que el panel del producto de referencia cambia por más del 25% para la SOTE/SAE. Cambio en la SAE Planta sujeto de EDI en comparación con el producto de referencia (lb/hp-hr con un flujo de: 1.5 scfm/pies2) Producto de la planta Producto Valor de SAE sujeto de de EDI referencia Panel nuevo* 7.73 8.32 Panel usado - A/R 7.43 6.17 Pérdida de SAE (%) -4% -26% * Se asume que el panel del producto de referencia limpiado con PW se desempeñará de forma similar a un panel nuevo del producto de referencia. Además de los impactos en el consumo de energía, se deben cuantificar los costos directos e indirectos de mantenimiento. No se pudo completar esta comparación debido a que no se contaba con información suficiente. Además, las variaciones en la presión de operación también pueden ser importantes. Los componentes del forzador se deben seleccionar de manera adecuada y de un tamaño apropiado para considerar las variaciones en la eficiencia de la transferencia de oxígeno y la presión. En general, la tecnología de forzador usada para dar soporte a los requerimientos de baja presión de aire para un sistema de aire difundido normalmente no soportan las demandas de presión operativa que varían en gran medida. REFERENCIAS ASCE Manual (18 a 96), Standard Guidelines for In-Process Oxygen Transfer Tes ng Rosso, Diego, HOW YOU CAN TEST THE EFFECTS OF LOADING AND FOULING ON AERATION EFFICIENCY, University of California, Irvine, presentado en WEFTEC 2012 Stenstrom, M.K., William, L, Migsich, N, Leland, T, My Diffuser Goes Up to Eleven (Actually Twelve), 2013 10

Administración de Información Energé ca de los EE. UU.: http://www.eia.gov/electricity/monthly/epm_table_grapher.cfm?t=epmt_5_3 EPA de los EE. UU. (1983) Design Manual Fine Pore Aera on Systems, Risk Reduc on Laboratory, Cincinna, Ohio, EPA/625/1-89/023 11