Según un estudio de la Agencia Alemana de Medio Ambiente , las depuradoras de aguas residuales son responsables de alrededor del 1 % del consumo total de electricidad de Alemania. Sin embargo, lo que en principio parece un porcentaje muy pequeño, ofrece un potencial de ahorro muy atractivo desde el punto de vista de los operadores de cada una de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Un ejemplo típico del potencial de ahorro en las plantas de tratamiento de aguas residuales es la aireación de los tanques. Por ejemplo, las tecnologías de soplado más avanzadas y la tecnología de control en función de la demanda pueden optimizar energéticamente el proceso de aireación de tanques, que consume mucha energía, y aumentar notablemente la eficiencia económica de un tanque de tratamiento con relativamente poco esfuerzo.
Este punto de partida es muy interesante para ciudades y municipios. Si echamos un vistazo a las necesidades energéticas de los operadores de tanques de tratamiento de aguas residuales municipales, vemos que las depuradoras de las ciudades y municipios representan una parte considerable (en torno al 20 %) del consumo total de electricidad. Así pues, el tratamiento del agua desempeña un papel crucial en comparación con las escuelas, los hospitales, los sistemas de abastecimiento de agua u otros consumidores de energía municipales y urbanos.
Sin embargo, el potencial de ahorro energético de las plantas de aguas residuales suele subestimarse. Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales siguen funcionando hoy en día con sistemas de aireación no regulados e ineficaces, que son responsables de una gran parte del consumo total de electricidad. Sin embargo, desde el punto de vista actual, la aireación no regulada y no impulsada por la demanda en las plantas de tratamiento de aguas residuales está técnicamente obsoleta. Desde hace varios años existen en el mercado sistemas muy eficientes, como las turbosoplantes, las soplantes y los compresores rotativos. Estos no solo ofrecen una mayor eficiencia por sí mismas y pueden funcionar en un amplio rango de carga parcial, sino que incluso pueden funcionar juntas para lograr una eficiencia global óptima. Esto permite responder de forma óptima a los cambios de carga en el perfil de demanda de un depósito y reducir de forma sostenible los costes energéticos.
En nuestra guía, no solo hablaremos de la importancia de la tecnología de aireación para la eficiencia económica de las plantas de tratamiento de aguas residuales, sino que también señalaremos el potencial de las tecnologías de soplantes en función de la demanda. Además, mostraremos cómo los operadores de tanques de tratamiento de aguas residuales pueden optimizar sus tanques de aireación, desde el análisis inicial hasta el control del enclavamiento.
La importancia de la tecnología de aireación para la eficiencia económica de las plantas de tratamiento de aguas residuales
Cada año, las plantas de tratamiento de aguas residuales consumen una cantidad gigantesca de electricidad, unos 4 400 gigavatios hora (GWh) de energía eléctrica . Esta cifra equivale, aproximadamente, a la producción anual de una central térmica de carbón moderna y equivale a una producción anual de CO2 de unos 3 millones de toneladas. De ahí que el<strong> aumento de la eficiencia energética de las plantas de tratamiento de aguas residuales no solo beneficie a los operadore, a menudo la ciudad o el municipio, sino también al medioambiente.
A la hora de lograr que los procesos de las plantas de tratamiento de aguas residuales sean más eficientes desde el punto de vista energético, la <strong>aireación es el principal punto que hay que considerar</strong>. En muchos casos, la demanda energética de las soplantes instaladas en el tanque de aireación supone entre el 60 % y el 80 % de la demanda total. Sin embargo, ¿qué importancia tiene en realidad la tecnología de aireación para las plantas de tratamiento de aguas residuales?
Los tanques de aireación constituyen la principal fase de depuración de las plantas de tratamiento de aguas residuales</strong>. Utilizan sistemas de aireación para introducir oxígeno del aire en el tanque y favorecer el crecimiento de microorganismos aerobios. Estos microorganismos descomponen los contaminantes orgánicos y forman lodos activados que absorben los contaminantes: estos lodos activados se separan de las aguas residuales tratadas en tanques de tratamiento secundario y se devuelven al tanque de lodos activados o se utilizan como lodos residuales. Además, el oxígeno introducido es responsable de oxidar el nitrógeno amónico del agua residual a nitrato y prepararlo para su eliminación por microorganismos.
El consumo energético de las depuradoras suele expresarse en kilovatios hora anuales por PE, donde PE significa población equivalente. Este valor suele disminuir a medida que aumenta el tamaño de la planta de tratamiento de aguas residuales, ya que se pueden aprovechar las economías de escala. La Agencia Alemana de Medio Ambiente facilita órdenes de magnitudes para el consumo de electricidad de las plantas de tratamiento de aguas residuales que se pueden utilizar con fines orientativos:8
| POBLACIÓN EQUIVALENTE | CONSUMO ESPECÍFICO DE ENERGÍAPTION | |
|---|---|---|
| Clase de tamaño 1 | < 1,000 | 75 kWh/(EW x a) |
| Clase de tamaño 2 | 1,000 – 5,000 | 55 kWh/(EW x a) |
| Clase de tamaño 3 | 5,000 – 10,000 | 44 kWh/(EW x a) |
| Clase de tamaño 4 | 10,000 – 100,000 | 35 kWh/(EW x a) |
| Clase de tamaño 5 | > 100,000 | 32 kWh/(EW x a) |
Es interesante observar que, a pesar de sus menores necesidades específicas de energía, las plantas de tratamiento de aguas residuales de las clases de tamaño 4 y 5 son responsables de alrededor del 87 % del consumo total de electricidad. Las plantas de tratamiento de aguas residuales de este tamaño representan solo el 22 % de las aproximadamente 10 000 existentes, pero son responsables de más del 90 % de los equivalentes de población.
En una planta típica de tratamiento de aguas residuales, el tratamiento biológico y el tratamiento secundario constituyen la mayor parte de las necesidades energéticas. Sin embargo, otras fases del proceso también requieren energía eléctrica:
- Depuración biológica y tratamiento secundario 67 %
- Tratamiento de lodos 11 %
- Filtración por floculación 8 %
- Infraestructuras y otros consumidores 6 %
- Sistemas de bombeo de aguas residuales 5 %
- Fase de depuración mecánica 3 %
Por este motivo, la optimización energética del tratamiento de las aguas residuales se centra principalmente en la fase de tratamiento biológico. Un análisis exhaustivo de 85 plantas de tratamiento de aguas residuales de Renania del Norte-Westfalia demostró que las medidas de optimización en el tanque de aireación eran especialmente eficaces: generaron aproximadamente el doble de ahorro que las medidas adoptadas en otros ámbitos.
Existen múltiples posibilidades para optimizar técnica y energéticamente la fase de depuración biológica. Abarcan desde la sustitución del sistema de soplantes hasta la mejora selectiva de la gestión operativa y evitan las pérdidas de presión, pasando por inversiones en tecnología de bombas de alta eficiencia y baja susceptibilidad a los atascos.
Carga base, carga punta y carga baja: suministro cuando sea necesario con una tecnología moderna de ventilación.
Los tanques de aireación de las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales e industriales se caracterizan en gran medida por un perfil de carga fluctuante. Las cantidades fluctuantes de aguas residuales a lo largo del día, los niveles cambiantes de precipitaciones, los efectos estacionales y los distintos grados de contaminación de las aguas residuales dan lugar a un perfil de demanda fluctuante, que a veces puede presentar cambios bruscos en la carga. Además, hay que tener en cuenta las diferencias estacionales de temperatura, que también influyen en la cantidad necesaria de oxígeno atmosférico en el tanque de lodos activos.
Modern concepts for the aeration of activated sludge tanks therefore aim to respond to a wastewater treatment plant's fluctuating demand profile with the most efficient aeration technology for each individual case. The advantages of turbo blowers, positive displacement blowers and rotary lobe compressors can thus be used in a targeted way to operate the ventilation system at efficient operating points, both at base load demand and at peak and low load demand.
While the turbo machine, for example, has excellent efficiency in terms of design, the positive displacement machine can be used in a wide partial load range with good efficiencies. If the advantages of both technologies are used, an aeration concept is created that can be ideally tailored to the individual requirements of the wastewater treatment plant and represents the best possible solution for the customer.
For this reason, AERZEN has developed a composite concept that enables bespoke and highly efficient oxygen supply at any time. The three-product range, also known by catchy name of "Performance³", enables operators of wastewater treatment plants to combine the best possible efficiency with maximum operational safety, reliability and economy.
The three series are specially designed for demand-driven supply of basic, peak and low loads. The AT and TB turbo blower series are characterised by outstanding efficiency in terms of design and are therefore primarily used for the base load range. To generate peak and low loads, AERZEN enlists the adjustable positive displacement blowers from the Delta Blower series and the rotary lobe compressors of the Delta Hybrid type.
The technical data of the Performance³ portfolio at a glance:
| Technology | Series | Volume flow | Pressure range | Control range |
|---|---|---|---|---|
| Turbo blower | AT and TB | 300 – 16,200 m³/h | 400 – 1,000 mbar | 40 – 100 % |
| Positive displacement blower | Delta Blower | 30 – 15,000 m³/h | -500 – 1,000 mbar | 25 – 100 % |
| Rotary lobe compressor | Delta Hybrid | 110 – 9,000 m³/h | -900 – 1,500 mbar | 25 – 100 % |
Becoming an efficient wastewater treatment tank, step by step
To enable an evaluation of the energetic improvement potential of the aeration technology in wastewater treatment tanks on a sound basis, it is first necessary to carry out a detailed analysis of the existing aeration technology as well as the load profile. Extensive measurements and analyses make it possible to identify and quantify the potential of energetic modernisation measures. With the innovative AERaudit service from AERZEN, it is possible to optimise the usage and efficiency of blower stations in a targeted manner.
Following this analysis phase, the ventilation concept is implemented with the aid of a higher-level control system. Systems such as the innovative AERsmart machine control system from AERZEN are able to distribute air volumes across the technologies and their individual efficiencies in an ideal way, thus sustainably increasing the efficiency of the plant and bringing it close to its theoretical optimum. By simply optimising the control system, a considerable savings potential of up to 15% can be achieved. In addition to the proprietary Performance³ series, third-party products can be also controlled.
The unique feature of the AERsmart interlocking control system is its ability to distribute the required oxygen demand to the machinery at any time in such a way that each load point can be driven at the most efficient operating point. The controller uses the respective characteristic maps and efficiencies of the blowers and selects the combination of blower technologies that is ideally suited for the current operating point.
Resource-conserving wastewater treatment using Holzkirchen as an example
The example of the Holzkirchen wastewater treatment plant impressively demonstrates how thorough wastewater treatment can also be carried out in an environmentally friendly and resource-conserving manner. The wastewater treatment plant near Munich is responsible for around 50,000 PE and consumes around 500,000 kWh of electricity every year. By integrating the AERsmart integrated control system, the Holzkirchen wastewater treatment plant has succeeded in making ideal use of the advantages of various blower technologies. The result: An energy saving of around 10% and a reduction in annual electricity requirements of around 50,000 kWh.
