Revisión sobre ahorro de energía y reducción de carbono en sistemas de aireación en plantas de tratamiento de aguas residuales
A finales de 2020, China tenía 4.326 plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) de nivel municipal-y superior, que trataban 65.590 millones de metros cúbicos de aguas residuales al año, con un consumo de electricidad anual de 33.770 millones de kWh, lo que representa el 0,45 % del consumo eléctrico total nacional. En 2020, el consumo unitario de electricidad por metro cúbico de agua tratada fue de 0,405 kWh/m³ para las EDAR que implementaron el estándar de Grado A o superior del "Estándar de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales" (GB 18918-2002), y de 0,375 kWh/m³ para aquellas que implementaron estándares inferiores al Grado A. Estas cifras son significativamente más altas que el promedio de los países desarrollados. Aunque la concentración promedio de contaminantes entrantes en las EDAR chinas es menos del 50% de la de los países desarrollados, el consumo unitario de electricidad por contaminante eliminado es al menos un 100% mayor. Por lo tanto, sigue habiendo un potencial sustancial para el ahorro de energía y la reducción de carbono en las EDAR de China.
Las emisiones de carbono de las EDAR incluyen emisiones directas e indirectas. Según la "Especificación técnica para la evaluación del funcionamiento con bajas-carbono de plantas de tratamiento de aguas residuales" (T/CAEPI 49-2022), las emisiones directas de carbono consisten principalmente en CH₄, N₂O y CO₂ procedentes de la quema de combustibles fósiles. Las emisiones indirectas abarcan aquellas asociadas con la compra de electricidad, calor y productos químicos. Según lo definido por el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC), el CO₂ emitido por el proceso de degradación biológica en el tratamiento de aguas residuales no se incluye en la contabilidad de emisiones de carbono. Entre los diversos elementos de emisión de carbono en las EDAR, el consumo de electricidad aporta la mayor proporción. Jiang Fuhai et al., basándose en una muestra de 10 EDAR, encontraron que el peso de la contribución del consumo de electricidad a las emisiones de carbono oscilaba entre el 31% y el 64%. Hu Xiang et al., analizando 22 EDAR en la cuenca del lago Chaohu, informaron que las emisiones de carbono provenientes del consumo de electricidad representaron entre el 61,55% y el 73,56%. Cuanto menor sea la concentración del afluente y mayor el estándar del efluente, mayor será la proporción de emisiones directas de carbono, particularmente las provenientes del consumo de electricidad. Los sistemas de aireación consumen más del 50% de la electricidad total de una EDAR. La eficacia operativa de los sistemas de aireación afecta directamente la eliminación de nitrógeno y fósforo. La aireación excesiva conduce a un consumo innecesario de fuentes de carbono endógenas en las aguas residuales, lo que reduce la eficiencia de la eliminación biológica de nitrógeno y fósforo, aumentando así la dosis de fuentes externas de carbono y productos químicos para la eliminación de fósforo, lo que a su vez aumenta las emisiones de carbono derivadas del consumo de productos químicos. En consecuencia, el ahorro de energía en los sistemas de aireación es clave para la reducción de carbono en las EDAR, lo que hace que la investigación sobre tecnologías de ahorro de energía en los sistemas de aireación sea muy significativa.
1. Razones del alto consumo de energía en los sistemas de aireación de las EDAR chinas
1.1 La carga real del afluente es inferior a la carga de diseño
La carga de afluente baja incluye tanto un caudal bajo como una concentración de contaminantes baja. Es una causa principal de aireación excesiva. La excesiva-aireación no sólo aumenta el consumo de electricidad sino que también agota excesivamente las fuentes endógenas de carbono en las aguas residuales y eleva las concentraciones de oxígeno disuelto en los tanques anaeróbicos y anóxicos, lo que perjudica la eliminación de nitrógeno y fósforo. Esto requiere mayores dosis de fuentes de carbono y productos químicos para eliminar el fósforo, lo que aumenta las emisiones de carbono asociadas.
1.1.1 Caudal bajo
Por lo general, en los primeros años después de la construcción de una PTAR, el flujo afluente a menudo no alcanza la capacidad de diseño debido a un retraso en el desarrollo urbano o en la construcción de la red de alcantarillado. Además, en áreas o regiones con sistemas de alcantarillado combinados con una fuerte mezcla de aguas pluviales y aguas residuales, el flujo en clima seco-es significativamente menor que el flujo en clima húmedo-, lo que resulta en grandes fluctuaciones de flujo. Esto exige una regulación y control más precisos de las tasas de aireación; de lo contrario, es común-la sobreaireación durante los períodos-de flujo bajo, lo que afecta la eficiencia de eliminación de carbono, nitrógeno y fósforo y aumenta el consumo de electricidad y productos químicos.Figura 1muestra la variación en el volumen de tratamiento de aguas residuales en la ciudad de Changsha entre las estaciones seca y húmeda. El volumen de tratamiento en la estación húmeda-es entre un 30% y un 40% mayor que en la estación seca. Las fluctuaciones estacionales en el volumen de tratamiento requieren un control más preciso del sistema de aireación.
1.1.2 Baja concentración de afluente
Las concentraciones reales de contaminantes afluentes en las EDAR municipales de China son generalmente mucho más bajas que los valores de diseño. En el diseño de las EDAR, la calidad del afluente generalmente se basa en proyecciones de mediano-a-largo-plazo con redes de alcantarillado completas. Según el "Estándar para el diseño de ingeniería de aguas residuales al aire libre" (GB 50014-2021), la demanda bioquímica de oxígeno (DBO₅) de cinco-días para las aguas residuales domésticas se calcula en 40-60 g/(persona·d), generalmente tomando 40 g/(persona·d). Con una descarga de aguas residuales per cápita de 200 a 350 L/(persona·d) en la mayoría de las ciudades, la concentración de diseño de DBO₅ generalmente oscila entre 110 y 200 mg/L. Las estadísticas muestran que el 68% de las EDAR en China tienen una DBO₅ promedio anual real inferior a 100 mg/L, y el 40% tiene un promedio anual inferior a 50 mg/L. Desde la perspectiva de la concentración del afluente frente a la aireación requerida, la mayoría de las EDAR chinas tienen sistemas de aireación diseñados con una situación de "motor de gran tamaño para un carro pequeño"-configurado con sopladores de alta-capacidad, mientras que la demanda de aire real es baja. Esta configuración conduce fácilmente a una aireación excesiva y a un mayor consumo de energía.
1.2 Configuración irrazonable de la cantidad del equipo de aireación
Muchas EDAR han configurado de manera irrazonable la cantidad de unidades de equipos de aireación debido a que no tienen en cuenta condiciones operativas frecuentes de carga baja-. Por ejemplo, muchas EDAR-pequeñas y medianas generalmente configuran sopladores en una configuración de "2 funciones + 1 en espera" (3 en total) en el diseño de la sala de sopladores, lo cual es óptimo según las condiciones de flujo y calidad del diseño. Sin embargo, en condiciones de baja carga de afluente, operar incluso un soplador a su potencia mínima puede causar sobre-aireación y un mayor consumo de energía. Si bien la instalación de variadores de frecuencia (VFD) u otros medios para reducir el suministro de aire puede evitar la sobre-aireación, estas medidas pueden alejar el funcionamiento del ventilador de su zona de alta-eficiencia, reduciendo la eficiencia y desperdiciando energía. Dadas las concentraciones de afluentes generalmente bajas, se deben considerar estrategias como aumentar la cantidad de ventiladores y al mismo tiempo reducir la capacidad de las unidades individuales para satisfacer las necesidades de regulación de la demanda de aire durante los períodos de carga baja-. Históricamente, los presupuestos limitados y el alto costo de los sopladores importados de alto-rendimiento llevaron a menos-configuraciones de unidades. Con la maduración de la tecnología de sopladores nacionales de alto-rendimiento y la reducción de costos, las condiciones ahora son favorables para optimizar las configuraciones de sopladores para lograr ahorro de energía y reducción de carbono.
1.3 Baja eficiencia del equipo de aireación
Algunas EDAR más antiguas, construidas con la tecnología de su época, emplean equipos de aireación de baja-eficiencia y alto-consumo-de energía. Según los estándares tecnológicos y de eficiencia energética actuales, los equipos como los sopladores Roots, los sopladores centrífugos de múltiples etapas y baja-velocidad, los aireadores de disco y los aireadores de cepillo se consideran de baja-eficiencia, y generalmente oscilan entre un 40 % y un 65 % de eficiencia-entre un 15 % y un 40 % menos que los sopladores centrífugos modernos de alta-velocidad. Además, en las EDAR que utilizan aireación difundida por burbujas finas-en procesos anaeróbicos-anóxicos-óxicos (A₂/O) o anóxicos-óxicos (A/O), el envejecimiento o la obstrucción de los difusores reduce la eficiencia de la transferencia de oxígeno y aumenta la resistencia, lo que aumenta el consumo de energía del ventilador.
1.4 Configuración irrazonable de mezcladores en tanques biológicos
En zanjas de oxidación con aireadores de superficie, el equipo cumple funciones tanto de aireación como de mezcla/empuje. Este es un diseño razonable bajo condiciones de carga de diseño. Sin embargo, en condiciones de carga baja-, puede ser necesario reducir o detener la aireación, pero para evitar la sedimentación de lodos o la separación de líquidos-sólidos, se debe mantener una velocidad de flujo suficiente, lo que obliga al funcionamiento continuo de los aireadores y provoca una sobre-aireación, una mala eliminación de nutrientes y un desperdicio de energía. Para un funcionamiento más eficiente-desde el punto de vista energético con cargas bajas, las zanjas de oxidación deben estar equipadas con mezcladores sumergibles configurados adecuadamente.
En los procesos A₂/O y A/O, los tanques aeróbicos suelen estar completamente cubiertos con difusores{0}}de burbujas finas sin mezcladores específicos, lo que depende de una aireación suficiente para evitar la sedimentación. Bajo cargas bajas, reducir la aireación o implementar una aireación intermitente para evitar una sobre-aireación puede provocar fácilmente la sedimentación de lodos, lo que afecta el tratamiento. Para operar de manera más eficiente con cargas bajas, los tanques aeróbicos A₂/O y A/O deben considerar agregar mezcladores apropiados.
2. Enfoques técnicos para el ahorro de energía y la reducción de carbono en sistemas de aireación de EDAR
2.1 Reemplazo con equipo de aireación de alta-eficiencia
Las EDAR que todavía utilizan equipos de baja-eficiencia, como sopladores Roots, sopladores centrífugos de varias etapas y baja-velocidad, aireadores de disco o aireadores de cepillo, o aquellas con equipos muy viejos e ineficientes, deben realizar evaluaciones de eficiencia energética desde una perspectiva de ahorro-de energía y reducción de carbono-y reemplazarlas oportunamente con modelos nuevos y de alta-eficiencia. Actualmente, los sopladores de alta-velocidad, como los sopladores centrífugos de una sola etapa y alta-velocidad, los sopladores con cojinetes magnéticos y los sopladores con cojinetes de aire utilizados en grandes plantas de tratamiento de aguas residuales, suelen tener eficiencias de entre el 80% y el 85%. Sin embargo, actualmente el mercado carece de productos de sopladores centrífugos de pequeña-capacidad y alta-velocidad. Las EDAR con capacidades inferiores a 2.000 m³/d todavía dependen de equipos menos eficientes como los sopladores Roots, con eficiencias generalmente entre el 40% y el 65%, lo que indica un importante potencial de mejora. Por lo tanto, desarrollar equipos de aireación a pequeña escala-más eficientes es significativo para ahorrar energía y reducir las emisiones de carbono en pequeñas EDAR.
2.2 Conversión de aireación superficial a aireación fina-difundida por burbujas
Con una profundidad de agua adecuada, la aireación difundida-con burbujas finas es más eficiente energéticamente-que la aireación superficial. Convertir las zanjas de oxidación de aireación superficial a aireación difusa-de burbujas finas puede producir buenos resultados de ahorro-de energía. A partir de proyectos de modernización implementados, dichas conversiones no solo logran importantes ahorros de energía sino que también mejoran la eficiencia de la eliminación de nutrientes biológicos. El estudio de Chen Chao señaló que después de la conversión de una EDAR, el consumo total de electricidad disminuyó un 24,7%, mientras que las tasas de eliminación de nitrógeno amoniacal, DQO y fósforo total aumentaron un 30,39%, 5,39% y 2,09%, respectivamente. Xie Jici et al. informaron ahorros de energía de 0,09 a 0,12 kWh/m³ después de una conversión similar, con una mejora significativa en la eficiencia de eliminación de nutrientes biológicos. En la aireación de burbujas finas-, la eficiencia de la transferencia de oxígeno se correlaciona linealmente positivamente con la profundidad del agua. Por debajo de cierta profundidad crítica, su eficiencia puede ser menor que la aireación superficial. Generalmente, una profundidad de agua superior a 4 m se considera una condición adecuada para convertir las zanjas de oxidación en aireación difusa de burbujas finas.
3. Enfoques técnicos para el ahorro de energía y la reducción de carbono en sistemas de aireación de EDAR
3.1 Reemplazo con equipo de aireación de alta-eficiencia
Las EDAR que todavía utilizan equipos de baja-eficiencia, como sopladores Roots, sopladores centrífugos de varias etapas y baja-velocidad, aireadores de disco o aireadores de cepillo, o aquellas con equipos muy viejos e ineficientes, deben realizar evaluaciones de eficiencia energética desde una perspectiva de ahorro-de energía y reducción de carbono-y reemplazarlas oportunamente con modelos nuevos y de alta-eficiencia. Actualmente, los sopladores de alta-velocidad, como los sopladores centrífugos de una sola etapa y alta-velocidad, los sopladores con cojinetes magnéticos y los sopladores con cojinetes de aire utilizados en grandes plantas de tratamiento de aguas residuales, suelen tener eficiencias de entre el 80% y el 85%. Sin embargo, actualmente el mercado carece de productos de sopladores centrífugos de pequeña-capacidad y alta-velocidad. Las EDAR con capacidades inferiores a 2.000 m³/d todavía dependen de equipos menos eficientes como los sopladores Roots, con eficiencias generalmente entre el 40% y el 65%, lo que indica un importante potencial de mejora. Por lo tanto, desarrollar equipos de aireación a pequeña escala-más eficientes es significativo para ahorrar energía y reducir las emisiones de carbono en pequeñas EDAR.
3.2 Conversión de aireación superficial a aireación fina-por difusión de burbujas
Con una profundidad de agua adecuada, la aireación difundida-con burbujas finas es más eficiente energéticamente-que la aireación superficial. Convertir las zanjas de oxidación de aireación superficial a aireación difusa-de burbujas finas puede producir buenos resultados de ahorro-de energía. A partir de proyectos de modernización implementados, dichas conversiones no solo logran importantes ahorros de energía sino que también mejoran la eficiencia de la eliminación de nutrientes biológicos. El estudio de Chen Chao señaló que después de la conversión de una EDAR, el consumo total de electricidad disminuyó un 24,7%, mientras que las tasas de eliminación de nitrógeno amoniacal, DQO y fósforo total aumentaron un 30,39%, 5,39% y 2,09%, respectivamente. Xie Jici et al. informaron ahorros de energía de 0,09 a 0,12 kWh/m³ después de una conversión similar, con una mejora significativa en la eficiencia de eliminación de nutrientes biológicos. En la aireación de burbujas finas-, la eficiencia de la transferencia de oxígeno se correlaciona linealmente positivamente con la profundidad del agua. Por debajo de cierta profundidad crítica, su eficiencia puede ser menor que la aireación superficial. Generalmente, una profundidad de agua superior a 4 m se considera una condición adecuada para convertir las zanjas de oxidación en aireación difusa de burbujas finas.
3.3 Tecnología de aireación intermitente
Para las EDAR con bajas concentraciones de afluentes, la aireación intermitente de flujo continuo- aborda eficazmente los problemas de eliminación deficiente de nutrientes y el alto consumo de energía causado por la sobreaireación. Implica un flujo continuo de afluente y efluente mientras el sistema de aireación opera en ciclos de aireación encendido/apagado. Después de la investigación de ARAKI et al. de 1986 sobre la aireación intermitente para la eliminación de nitrógeno en zanjas de oxidación, muchos académicos han realizado estudios experimentales. Hou Hongxun et al. realizó una prueba a gran escala en una EDAR de 100 000 m³/d usando aireación intermitente de flujo continuo en una zanja de oxidación, logrando un aumento del 20 % en la eliminación total de nitrógeno, un aumento del 49 % en la eliminación total de fósforo y una reducción del 21 % en el consumo total de energía de la planta. He Quan et al., en una prueba de zanja de oxidación de una EDAR de 40.000 m³/d utilizando un ciclo de 2-horas de encendido/2-horas de apagado, descubrieron que, en comparación con la aireación continua, la aireación intermitente ahorraba un 42 % en energía de aireación, aumentaba la eliminación total de nitrógeno en un 9,6 % y la eliminación total de fósforo en un 6,9 % en condiciones de baja-temperatura invernal. Zheng Wanlin et al., en una prueba de proceso de A₂/O de una EDAR de 40.000 m³/d utilizando un ciclo de 3-horas de encendido/3 horas de apagado, mantuvieron una calidad estable del efluente que cumplía con los estándares y, al mismo tiempo, ahorraron un 18,3 % en el consumo de electricidad. Actualmente, las aplicaciones a gran escala de aireación intermitente de flujo continuo aún son limitadas y quedan varios desafíos técnicos pendientes.
Para los procesos A₂/O que utilizan-aireación de burbujas finas, dos factores limitan la aplicación amplia de la aireación intermitente. En primer lugar, los sopladores centrífugos de alta-velocidad generan un ruido agudo y de altos-decibelios al arrancar; Los ciclos frecuentes para el funcionamiento intermitente crean contaminación acústica. En segundo lugar, los frecuentes ciclos de arranque-de parada de los sopladores con cojinetes magnéticos/de aire hacen que los cojinetes sin-contacto entren en contacto repetidamente con la carcasa, lo que fácilmente provoca daños en los cojinetes, mayores tasas de falla y una vida útil reducida.
Cuando se aplica aireación intermitente a zanjas de oxidación o procesos A₂/O, se debe garantizar una velocidad de mezcla suficiente durante los períodos sin-aireación, lo que podría requerir mezcladores adicionales para evitar la sedimentación de lodos. Las concentraciones de nitrógeno amoniacal pueden aumentar rápidamente sin-aireación, con el riesgo de excederlas instantáneamente. Por lo tanto, se necesita más investigación para establecer y ajustar científicamente los ciclos de aireación, mejorando mejor el ahorro de energía y la eliminación de contaminantes, evitando al mismo tiempo el exceso instantáneo de nitrógeno amoniacal.
La preocupación de las EDAR sobre el posible exceso instantáneo de nitrógeno amoniacal es una barrera importante para la aplicación amplia de la aireación intermitente. En enero de 2022, el Ministerio de Ecología y Medio Ambiente emitió una consulta sobre un proyecto de enmienda a GB 18918-2002, proponiendo principalmente agregar límites máximos permitidos para mediciones únicas. Estos límites de medición únicos propuestos son significativamente más altos que los límites promedio diarios originales, mientras que los promedios diarios permanecen sin cambios. Por ejemplo, para el estándar de Grado A, una sola medición por debajo de 10 mg/L (15 mg/L por debajo de 12 grados) sería aceptable si el promedio diario permanece por debajo de 5 mg/L (8 mg/L por debajo de 12 grados). Si se implementa, esta enmienda podría ayudar a abordar las preocupaciones regulatorias con respecto al exceso instantáneo de la aireación intermitente, facilitando su aplicación en procesos de zanjas de oxidación.
3.4 Tecnología de aireación precisa
Los caudales de la EDAR y las concentraciones de afluentes fluctúan significativamente, incluso a lo largo del día, lo que provoca una demanda de aire variable. Depender únicamente del ajuste manual basado en la experiencia- dificulta el control preciso y puede comprometer la estabilidad de la calidad del efluente. Con los avances en big data y la inteligencia artificial, ha surgido el concepto de aireación precisa. En algunas EDAR se ha aplicado tecnología de aireación precisa, logrando normalmente entre un 10% y un 20% de ahorro de energía en los sistemas de aireación. Combinar una aireación precisa con otras modificaciones del proceso puede producir mejores resultados. Zhu Jie et al. implementó una modernización precisa de la aireación en una EDAR de proceso de A/O de múltiples etapas, logrando un ahorro de energía del 49,8 % en el sistema de aireación. La aireación precisa e inteligente representa importantes direcciones futuras para el ahorro de energía y la reducción de carbono. Existen limitaciones actuales en la capacidad-en tiempo real y en la precisión de la adquisición y el análisis de datos para estos sistemas. Se necesitan más avances tecnológicos en-un control preciso en tiempo real de sopladores y válvulas y una distribución precisa del aire.
4. Conclusión
El ahorro de energía en los sistemas de aireación es clave para la reducción de carbono en las EDAR. La razón principal del alto consumo de energía en los sistemas de aireación de las EDAR chinas es la baja carga del afluente, lo que fácilmente conduce a una sobre-aireación, un desperdicio de electricidad y un aumento de las emisiones de carbono provenientes tanto de la energía como de los productos químicos. Otras razones incluyen equipos antiguos/de baja-eficiencia y una configuración irrazonable de los equipos de aireación y mezcla. Los medios eficaces para lograr el ahorro de energía y la reducción de carbono incluyen reemplazar equipos de aireación de baja-eficiencia por equipos de alta-eficiencia, convertir la superficie en aireación de superficie-por difusión de burbujas finas-y aplicar tecnologías como la aireación intermitente de flujo continuo-y la aireación precisa.