Cuando hay que modernizar una planta de tratamiento de aguas residuales, como regla, la reducción de los límites permisibles de amonio, nitratos y fosfatos determina las decisiones de inversión. Y en el presupuesto vale la pena incluir planes para mejorar la eficiencia energética para un mayor ahorro y protección ambiental. Como a menudo solo el suministro de aire para la aeración representa más del 70% de los costos operativos en este campo, queda claro por qué vale la pena mejorar la eficiencia, y ello con una rápidaamortización de las inversiones. Así lo planeó la planta de tratamiento de aguas residuales de Rheda-Wiedenbrück (población equivalente a 326.000 habitantes). Ahora están probando un nuevo concepto de control para los sopladores de AERZEN, la combinación de control AERsmart.
Los trabajos de modernización de la planta comenzaron en 2013. El influente incluye agua residual de los habitantes de la región de Rheda-Wiedenbrück y el rastro de ganado porcino más grande de Alemania. Uno de los objetivos del proyecto fue suministrar aire al proceso de forma más eficiente, no solo cambiando los difusores viejos por nuevos, sino también instalándolos 30 cm más profundo en los tanques de aeración. «En función de la superficie de los seis tanques pudimos aumentar nuestro volumen de procesamiento en varios cientos de metros cúbicos», explica Hendrik Wulfhorst, director de la planta. Pero haber ganado un espacio de 30 cm también significó un aumento de 30 mbar en la presión del sistema, que tuvieron que tomarse en cuenta con respecto al sistema de sopladores.
Antes de modernizar la planta, el proceso tenía un gran exceso de oxígeno en los tanques, sobre todo para cubrir con seguridad las fluctuaciones relativas a los valores de la carga orgánica agregada por el rastro. Finalmente, y con el objetivo de reducir los costos operativos y las emisiones de CO2, un objetivo del proyecto fue poder acoplar en el futuro y con mucha mayor precisión la aeración de los tanques con carga variable de aguas residuales y el consumo de oxígeno resultante. El primer paso fue controlar la velocidad de los cuatro equipos sopladores de AERZEN según las necesidades.
El controlador lógico programable (PLC) genera los valores nominales a partir de los datos medidos en las aguas residuales, principalmente en forma de concentraciones de amonio y nitratos. Además, un sistema inteligente controla las válvulas de regulación de diafragma. Estas se cierran lentamente cuando en el agua del tanque correspondiente se ha alcanzado la saturación de oxígeno necesaria. Para evitar que el cierre produzca una presión mayor en la tubería, y en consecuencia una mayor resistencia, el PLC reduce paralelamente la presión nominal. «De lo contrario, estaríamos desperdiciando energía con las válvulas de regulación del diafragma, ya que con una regulación de presión constante, los sopladores tienen que trabajar contra la caída de presión causada por las válvulas de regulación de diafragma. Ahora podemos regular de manera mucho más inteligente y eficiente mediante un control deslizante de presión», aclara Markus Haverkamp, ingeniero de proyectos en aquaconsult, empresa que participó en la planificación. La empresa de ingeniería de Hannover encargada de la planificación y realización seleccionó un turbosoplador de AERZEN para cubrir la carga básica del proceso formando opcionalmente un circuito de tanques ventilados y no ventilados con tratamiento en tres etapas.
El modelo AT 150-0.8S-G5 logra un caudal volumétrico de 4.800 metros cúbicos por hora a una potencia nominal del motor de 143 kW, una presión de aspiración de 1 bar y una presión final de hasta 1,8 bar. Para Cord Utermann, ingeniero de ventas de AERZEN, los turbosopladores son típicos representantes de máquinas para carga básica que optimizan el consumo energético y que deben funcionar las 24 horas dentro de los parámetros nominales, ya que operan a la máxima rentabilidad. «Al igual que con casi cualquier tecnología turbo, la eficiencia energética se desploma en cuanto las máquinas entran en el rango de carga parcial», explica Utermann. Por eso hay que desarrollar conceptos que limpien de manera eficiente el volumen de suciedad, que varían a lo largo del día. Para lograr un rendimiento energético óptimo en una planta de tratamiento de aguas residuales este enfoque supone que la necesidad de aire que exceda la carga básica se cubra con máquinas de desplazamiento positivo, como sopladores lobulares y compresores de émbolos rotativos. Estos son robustos en rangos de control altos entre el 25% y el 100% y logran una buena eficiencia, incluso a carga parcial. Por lo tanto, dos equipos compactos de AERZEN del tipo Delta Hybrid (D 62 S) y un Delta Blower (GM 80 L) también forman parte del sistema compuesto de la planta de Rheda-Wiedenbrück.
AERZEN desarrolló el AERsmart para que estos cuatro equipos no solo cubran el oxígeno necesario en los tanques de aireación de manera segura, sino también para generar el volumen de aire necesario de la manera más eficiente desde el punto de vista energético en el sistema combinado. Según Cord Utermann, «el arte de la ingeniería de control es crear las transiciones entre las áreas de operación contrapuestas de la forma más sencilla y eficiente posible en términos de energía para cada carga, es decir, operando siempre las diferentes máquinas del combinado de manera totalmente óptima.» Según Markus Haverkamp, esto se logra haciendo que «cada carga se oriente a la necesidad real». Esto siempre incluye picos «hacia arriba y hacia abajo». Como en la planta de tratamiento de aguas residuales de Rheda-Wiedenbrück se emplean tres máquinas diferentes con rangos de operación y grados de eficiencia divergentes, su funcionamiento se debe coordinar de manera que «el número de veces que se enciendan y apaguen las máquinas sea el mínimo posible, ya que encenderlas y apagarlas constantemente aceleraría su desgaste», aclara el ingeniero de proyectos de aquaconsult. «Es necesario que la distribución de aire entre los tanques de aireación (regulando la presión, evitando la entrada de perturbaciones, como NH4-N, la cantidad de agua, etc.) y la selección de las máquinas se realicen de manera eficiente para que el grado de eficiencia total sea óptimo. Esto se logra mediante el nuevo sistema de control de AERZEN».
La demanda de oxígeno en las tres etapas de depuración constituye la base para optimizar el sistema de control con AERsmart. El PLC central de la planta procesa los índices y Profibus transfiere la presión nominal resultante al control del soplador. A continuación, AERsmart se encarga de que los cuatro equipos funcionen en combinación de manera óptima en términos de ahorro de energía. «Por ejemplo, el turbosoplador que se usa aquí logra la mayor eficiencia a una capacidad del 83%», explica Cord Utermann. Si la necesidad de aire sobrepasa este valor puede resultar más eficiente desconectar por completo la máquina de la carga base y cubrir la necesidad de aire, la cual es relativamente baja, con las dos máquinas Delta Hybrid. «A nuestras bacterias no les importa de dónde venga el oxígeno», nos comenta Hendrik Wulfhorst con una sonrisa. Sin embargo, el director de la planta de aguas residuales señala que la tecnología de sopladores se proyectó en una etapa previa a la modernización, de modo que el rendimiento del turbosoplador debería ser suficiente para cubrir las necesidades diarias «normales».
Como resultado provisional, la planta de tratamiento de aguas residuales de Rheda-Wiedenbrück podría ahorrar alrededor de un 30% de energía en el proceso empleando sopladores de bajo consumo y un control de proceso relativamente simple que se orienta más estrechamente a los valores reales. AERsmart proporciona de un 5 a un 8% más de eficiencia gracias a la optimización que se logra al nivel del soplador. La prueba de campo en la planta de aguas residuales revelará cuánto representará en una etapa de operación más larga. Rheda-Wiedenbrück es la primera planta de aguas residuales de Alemania que prueba el control AERsmart en condiciones reales. «Necesitamos la aplicación in situ, pues solo estamos en condiciones de identificar las complejas conexiones de una planta de tratamiento de aguas residuales en la práctica y eso no se puede reproducir en un banco de pruebas. Por eso es tan importante cooperar con nuestros clientes, ya que solo así contamos con una referencia de aplicación cercana para proyectar desarrollos orientados al futuro», concluye Cord Utermann.
