Aireación de aguas residuales
Aereadores de chorro
Alta eficiencia y funcionamiento fiable con menor consumo de energía.
Las aguas residuales orgánicas muy contaminadas (o con alta carga orgánica) necesitan mucho oxígeno para oxidarse y degradarse y cumplir la legislación medioambiental. Por ello, las plantas modernas de tratamiento biológico de aguas residuales buscan constantemente aumentar la altura de sus depósitos para optimizar la eficacia de la transferencia de oxígeno a las aguas residuales. Las tecnologías convencionales han demostrado su ineficacia para determinadas aplicaciones, como profundidades de las balsas superiores a 6 metros; gran necesidad de oxígeno; y altas concentraciones de lodos y sólidos. La solución en Europa, con una transferencia de oxígeno de alta eficacia y una reducción significativa del consumo de energía, ha sido el uso de aireadores de chorro. Con el reciente aumento del precio de la energía y la electricidad, los aireadores de chorro y la aireación por chorro están empezando a ganar nuevos usuarios en diversas industrias, así como para las aguas residuales sanitarias. Aireadores de chorro Koerting puede aplicarse en cualquier tipo de tecnología de aireación de aguas residuales, ya sean fangos activados convencionales (CAS), reactores discontinuos secuenciales (SBR), biorreactores de membrana (MBR) o biorreactores de lecho móvil (MBBR).
Koerting ha desarrollado, durante más de 150 años, soluciones personalizadas de eyectores y sistemas de vacío para diversas industrias. En los últimos 30 años, Koerting ha desarrollado un nuevo segmento de negocio: Tratamiento de aguas y aireación de aguas residuales con aireadores de chorro. Esta "nueva" aplicación de los aireadores de chorro se desarrolló con un socio, una conocida empresa alemana, especialmente para soluciones de tratamiento de aguas residuales MBR. Esta empresa tenía necesidades específicas para transferir oxígeno de forma más eficiente y sostenible en aguas residuales con altas cargas orgánicas. El desarrollo de esta audaz solución ha dado lugar, hasta la fecha, a más de 1.200 suministros de sistemas de aireación de aguas residuales.
Los eyectores se utilizan en muchas operaciones de tratamiento de aguas y aguas residuales, como la aireación y nitrificación por chorro con aireadores de chorro, mientras que los mezcladores de chorro se emplean para ecualización, homogeneización, desnitrificación, neutralización, mezcla, transporte de resinas, entre otros. Su diseño viene determinado por los tipos de fluidos motrices y de aspiración, así como por las presiones existentes en las tres conexiones del eyector. Los eyectores son autocebantes, carecen de piezas móviles y su modo de funcionamiento se basa únicamente en las leyes de la dinámica de fluidos. Las numerosas posibilidades de diseño y disposición de los eyectores y sus diferentes métodos de funcionamiento, con entrada de aire atmosférico o aire procedente de soplantes, proporcionan las condiciones ideales para aplicaciones en plantas de tratamiento de aguas y aguas residuales, grandes y pequeñas.
¿Cómo funciona un aireador de chorro?
El fluido motriz atraviesa la sección transversal del aireador de chorro, como se muestra en la figura siguiente. A lo largo de este canal, la sección transversal cambia de área para que la presión en la tobera disminuya y la velocidad de impulsión aumente (principio de Bernoulli). La tobera motriz se desarrolló especialmente para favorecer la aceleración y un mejor acondicionamiento del fluido motriz para admitir el aire/gas aspirado a través de la sección de aspiración. La restricción en su espiral aumenta el esfuerzo cortante del fluido motriz, promoviendo surcos y rotación del chorro, facilitando su pulverización y, por el efecto Venturi, la integración con el fluido de aspiración. De esta forma, se provoca una gran mezcla de fluidos con alta saturación de gas del líquido.
La región con la presión estática más baja se encuentra inmediatamente después de la tobera motriz, donde tiene lugar la succión. Así, el fluido de aspiración se añade y se mezcla con el fluido motriz, transfiriendo además energía cinética al fluido de aspiración y acelerándolo. A lo largo del difusor la velocidad del flujo disminuye de nuevo, provocando un aumento de presión hasta alcanzar la presión de descarga del aireador de chorro. La transferencia de oxígeno depende no sólo del tamaño de la burbuja (superficie de contacto entre el gas y el agua), sino también de la renovación de las superficies de contacto de las burbujas de gas. Esta renovación tiene lugar mediante la recirculación constante del agua residual suministrada al aireador de chorro por una bomba centrífuga.
El fluido motriz en las aplicaciones de tratamiento de aguas residuales suele ser el agua residual recirculada por bombas centrífugas. El fluido de aspiración, normalmente aire, puede ser suministrado por un soplante/compresor o incluso extraído directamente del medio ambiente por el aireador de chorro en algunos casos.
Los aireadores de chorro -con la mezcla constante del agua residual- pueden alcanzar una eficacia mucho mayor que otros aireadores de oxígeno. Al salir de la tobera eyectora, el fluido altamente saturado con burbujas de aire permanece en forma de chorro hasta el fondo del tanque (50 - 60 cm) y contempla suavemente la altura total del nivel del líquido, microburbujas en su superficie de coalescencia. Con sus direcciones de flujo dirigidas hacia el fondo del tanque, los aireadores de chorro Koerting aprovechan plenamente la profundidad de cada tanque.
Eficacia de la transferencia de oxígeno y consumo de energía
Largas pruebas de suministro de oxígeno en agua pura (ATV M-209) según el método de adsorción, desde la base de datos hasta el diseño de los aireadores de chorro Koerting. Todas las mediciones se realizaron en una inspección real de la planta y se confirmaron en numerosas pruebas. La eficiencia de esta operación da como resultado una tasa de absorción de oxígeno de las aguas residuales de hasta 3 kgO2 / kWh consumido con factores de eficiencia alfa x beta de 0,8 - valor estándar en el diseño de los aireadores de chorro Koerting.
Dicha eficiencia también contribuye a un rápido retorno de la inversión debido a la reducción del consumo de energía (potencia en los ejes de la bomba y el soplador) hasta 55% o, en algunos casos, una reducción aún mayor en comparación con los sistemas de difusores debido a una transferencia de oxígeno de burbujas finas más eficiente y una renovación constante de la superficie. Cabe señalar que, por lo general, la reducción del consumo de energía aumenta con el aumento de la profundidad del tanque.
El control de la inclusión de oxígeno se obtiene simplemente cambiando el volumen de integración de aire. Un suministro reducido de aire se traduce en un régimen de trabajo menos intensivo por parte del soplante/compresor, que trabaja con una presión de descarga menor, lo que reduce el consumo de energía en la operación.
La dirección y la posición de la salida de los aireadores de chorro influyen en el área cubierta, en la que las microburbujas tendrán un recorrido ligeramente más largo para fusionarse plena y eficazmente. Debido al flujo motriz y a las turbulencias de funcionamiento, se reduce la caída de presión del sistema de aireación por chorro. En otras tecnologías existe una gran resistencia para que las burbujas de aire recorran su camino, así como el factor "ensuciamiento" que se refiere a la resistencia adicional causada por el ensuciamiento de la tubería de aire, la obstrucción gradual de las superficies de distribución de aire de las partículas sólidas y el aceite del soplador, así como la deposición de lodos y el crecimiento microbiano en estas mismas superficies. Estos factores se traducen en una mayor pérdida de presión para las tecnologías convencionales, lo que requiere una mayor presión de descarga del soplante y, en consecuencia, un mayor consumo de energía.
Los aireadores Jet están diseñados para no requerir ningún mantenimiento durante los primeros 15 años de uso.
Además de la ventaja principal de una reducción significativa del consumo de energía, cabe destacar otros factores que hacen que los aireadores de chorro de Koerting sean aún más competitivos en comparación con otras tecnologías.
Al equipar un tanque o estanque de aireación con aireadores de chorro Koerting, no hay necesidad de mantenimiento en el interior del tanque, ya que los eyectores no tienen piezas móviles o giratorias que puedan desgastarse con el funcionamiento y necesitar reparaciones. La vida útil de los aireadores de chorro en estanques, probada en numerosas instalaciones de todo el mundo, es de más de 15 años y, en algunos casos, de más de 25 años. Las tecnologías convencionales, como los difusores de membrana, normalmente necesitan cambiar los elementos de aireación cada 2-5 años, con el consiguiente coste de piezas de repuesto y un tiempo y esfuerzo considerables para su mantenimiento.
El mantenimiento de los sistemas de aireación por chorro a lo largo de los años de funcionamiento se llevará a cabo en los sopladores/compresores y las bombas de recirculación, comúnmente instalados fuera del tanque para facilitar este mantenimiento. De este modo, se descarta la necesidad de vaciar los tanques.
Ejemplos comparativos - Estudios de casos
Ya disponemos de instalaciones con 25 años de funcionamiento sin necesidad de cambiar los aireadores de chorro, incluso en aplicaciones de aguas residuales difíciles como para lixiviados, industria láctea o pasta y papel, etc., y una transferencia de oxígeno prácticamente sin cambios desde el inicio de la operación.
A continuación figuran algunos ejemplos de estudios de consumo de energía
Tratamiento de aguas residuales en un tanque rectangular con alta concentración de biomasa:
Superficie del depósito (m²) | 21 x 5.3 |
Profundidad del tanque (m) | 3.0 |
Volumen del depósito (m³) | 339 |
Demanda de oxígeno - AOR (kg O2 / h) | 210 |
Concentración de biomasa (g / l) | 12 |
Este ejemplo muestra una reducción significativa del consumo de energía, incluso con esta altura de nivel de líquido muy inferior a la ideal. Este alto rendimiento se debe a la mezcla óptima del flujo motriz, lo que facilita el contacto promovido por la interfaz agua residual-aire dentro de los aireadores de chorro.
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Tecnología |
Aireadores de chorro |
Difusores |
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Importe de |
3 colectores de aireación con 16 eyectores cada uno |
252 difusores |
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Factor α (alfa) considerado |
0.8 |
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Volumen de aire necesario (Nm³ / h) |
1700 |
5200 |
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Consumo de energía |
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Bombas de recirculación (kWh) |
25 |
EN |
|
Soplador (kWh) |
11.6 |
74.4 |
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Consumo total de energía |
48.2 |
74.4 |
|
Reducción del consumo (kWh /%) |
26.2 / 35.2% |
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Coste total de la inversión |
$ 112 515,00 |
$ 101 075,00 |
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* incluidas bombas y soplantes |
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Reducción de costes operativos |
8760 h / año |
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Electricidad ($ 0,2 / kWh) |
$ 45 902,00 |
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Tratamiento de aguas residuales en tanque circular con alta concentración de biomasa
Superficie del depósito (m²) | 572 (Ø 27m) |
Profundidad del tanque (m) | 7.0 |
Volumen del depósito (m³) | 4,000 |
Demanda de oxígeno - AOR (kg O2 / h) | 202 – 213 |
Concentración de biomasa (g / l) | 8 – 10 |
En este ejemplo con una profundidad ideal para el uso de la tecnología Koerting con un caudal de aguas residuales y un volumen del depósito considerablemente mayores que en los ejemplos anteriores, hay una reducción de 55% en el consumo de energía del sistema Koerting con soplante en comparación con la tecnología de la competencia. La reducción del consumo de energía y los costes de funcionamiento en este proyecto muy interesante.
Tecnología | Aireadores de chorro | Difusores |
Factor α (alfa) considerado | 0.8 | 0.55 |
Volumen de aire necesario (Nm³ / h) | 3625 | 8216 |
Consumo de energía |
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Bombas de recirculación (kWh / día) | 147 | EN |
Soplador (kWh / día) | 329 | |
Reducción del consumo (kWh /%) | 182/55 | Referencia |
Reducción de costes operativos | 8760 h / año |
|
Electricidad ($ 0,20 / kWh) | $ 318 864,00 |
Conclusión
El Koerting continúa su herencia de crear soluciones innovadoras y personalizadas con los mejores resultados posibles en el rendimiento y la reducción del consumo de energía, con equipos robustos y duraderos. Desde la creación de los eyectores, se han desarrollado diversas áreas de aplicación en los procesos industriales y la tecnología ambiental, incluyendo la aireación de Aguas Residuales con aireadores de chorro, integra todas estas aplicaciones en varios segmentos dentro de sus procesos.
Como se muestra en los casos anteriores, la tecnología de aireación de Koerting se presentaba económica y con un potencial de reducción significativa del consumo de energía y del coste de la unidad en su conjunto (con un CAPEX cercano a las principales tecnologías utilizadas en el mercado, y con un OPEX y unos costes de mantenimiento muy inferiores a éstas).
La experiencia de Erivac y Koerting en este segmento no se limita a la tecnología de eyectores, sino al diseño completo del sistema en su conjunto, optimizando el diseño de los equipos, sus posiciones y ángulos de ataque, la reducción de la caída de presión y el desarrollo de toberas especiales para aplicaciones complejas.
Hay muchas oportunidades para el uso de esta tecnología en cualquier balsa de aireación o tecnología, ya sea para CAS, SBR, MBR o MBBR. Podemos aplicar nuestra cartera en varios segmentos industriales y municipales, así como una variedad de opciones personalizadas para tipos específicos de aguas residuales.
Además del sistema de aireación, Koerting también dispone de soluciones igualmente beneficiosas en términos de CAPEX y OPEX para tanques de ecualización, reactores anaerobios, inserción de ozono en el tratamiento de agua potable y flotación por aire disuelto.