Evaluación de la Eficiencia de Transferencia de Oxígeno (OTE) y determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno (kLa) en la EDAR de Canet de Berenguer (València)

Abstract

[ES] Más del 50% de todos los costes asociados a la operación de una Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) se originan en el tratamiento secundario. Dentro de los equipos que forman parte de este tratamiento, los que producen un mayor consumo energético son las soplantes, necesarias para insuflar aire a través de los difusores en el reactor biológico y asegurar la eliminación de materia orgánica (medida como DQO y DBO) y los nutrientes nitrógeno (N) y fósforo (P). Una parte importante del trabajo experimental de este estudio se ha desarrollado en la EDAR de Canet de Berenguer, que utiliza difusores y soplantes para el proceso de aireación del reactor biológico. En esta EDAR, el tratamiento biológico consiste en un proceso de aireación prolongada con ciclos de marcha-paro de las soplantes para conseguir la eliminación de DQO, DBO, N y P. En esta EDAR se ha determinado, en diferentes condiciones de operación, el coeficiente de difusión de oxígeno (kLa), ya que éste es uno de los parámetros que más afectan al proceso de aireación. Para ello se han empleado datos históricos de la planta y se han realizado una serie de ensayos en el reactor biológico. Los resultados de los ensayos se relacionan con los datos mensuales del consumo energético total de la EDAR y el consumo asociado específicamente al tratamiento biológico, y diferenciando entre temporada alta y baja. Para determinar el coeficiente kLa en la EDAR se ha realizado previamente una parte experimental en el laboratorio. Se ha empleado el método dinámico de absorción del oxígeno para la determinación del coeficiente kLa en agua destilada (Garcia-ochoa & Gomez, 2009) y la clásica técnica dinámica para obtener el coeficiente kLa en muestras de licor mezcla (Garcia-ochoa & Gomez, 2009). Se ha realizado un estudio exhaustivo de la relación entre este parámetro y los factores que le afectan, como el tipo de difusor, el caudal de aire insuflado y la concentración de sólidos totales en el licor mezcla. También se ha llevado a cabo un análisis del efecto que produce sobre este parámetro el ensuciamiento de los difusores. Por último, se ha calculado la Eficiencia de Transferencia de Oxígeno (OTE), parámetro principal para la medida de la transferencia de oxígeno para sistemas de aireación por difusores, y la eficiencia de aireación (AE) de la EDAR de estudio. Conocer el parámetro kLa en una EDAR permite conocer el estado de los difusores y determinar si es necesario realizar una limpieza de los mismos o proceder al cambio de estos. Por otro lado, el cálculo de ratios que relacionan la transferencia de oxígeno con la potencia consumida por las soplantes permite establecer unas condiciones de operación que producen ahorro energético. Por este motivo en el TFM se propone un protocolo para la determinación del parámetro kLa con la frecuencia necesaria para poder ayudar en la toma de decisiones de las condiciones de operación del proceso de aireación del tratamiento biológico.

[EN] More than 50% of the expenses related to the operation of a WWTP are originated in the secondary treatment. Within the equipment that takes part in this treatment, the highest energy consumption is originated by the blowers, necessary to blow air through the diffusers in the bioreactor and ensure the elimination of organic matter (measured as COD and BOD) and nutrients as nitrogen (N) and phosphorus (P). An important part of the experimental work of this study has been developed in the WWTP of Canet de Berenguer, whose biological treatment uses diffusers and blowers for the aeration process. In this WWTP, the biological treatment consists of a prolonged aeration process with intermittent aeration to achieve the elimination of COD, BOD, N and P. The oxygen transfer coefficient (kLa) has been determined in this WWTP, in different operating conditions, because this is one of the parameters that affects the most the aeration process. To determinate kLa, historical data of the plant has been used and a series of tests have been performed in the bioreactor. The results are related to the monthly data of the total energy consumption of the WWTP and the consumption associated specifically with the biological treatment, and differentiating between high and low season. To determine kLa coefficient in the WWTP, an experimental part has been previously done in the laboratory. The dynamic method of oxygen absorption was used to determine the kLa coefficient in distilled water (Garcia-ochoa & Gomez, 2009) and the classical dynamic technique to obtain the kLa coefficient in mixed liquor samples (Garcia-ochoa & Gomez, 2009). An exhaustive study has been made to obtain the relation between this parameter and the factors that affect it, such as the type of diffuser, the volumetric airflow rate and the concentration of total solids in the mixed liquor. An analysis of the effect produced by this parameter on the fouling of the diffusers has also been made. Finally, the Oxygen Transfer Efficiency (OTE), the main parameter related to oxygen transfer in diffused aeration systems, and the Aeration Efficiency (AE) of the WWTP have been calculated. Knowing kLa in a WWTP allows to determine the status of the diffusers and to decide if it is necessary to clean them or to change them. On the other hand, the calculation of ratios that relate the oxygen transfer with the power consumed by the blowers allows establishing operating conditions that produce energy savings. For this reason, in this study a protocol is proposed to determinate kLa as frequently as needed to be able to help in the decision making of the operating conditions related to the aeration process of the biological treatment.

[CA] Més del 50% de tots els costos associats a l'operació d'una Estació Depuradora d'Aigües Residuals (EDAR) s'originen al tractament secundari. Dins dels equips que formen part d'aquest tractament, els que produeixen un major consum energètic són els bufadors, necessàris per a insuflar aire a través dels difusors en el reactor biològic i assegurar l'eliminació de matèria orgànica (mesurada com DQO i DBO) i els nutrients, nitrogen (N) i fòsfor (P). Una part important del treball experimental d'aquest estudi s'ha desenvolupat a l’EDAR de Canet d'en Berenguer, que utilitza difusors i bufadors per al procés de ventilació del reactor biològic. En aquesta EDAR, el tractament biològic consisteix en un procés de ventilació prolongada amb cicles de marxa-paro dels bufadors per a aconseguir l'eliminació de DQO, DBO, N i P. En aquesta EDAR s'ha determinat, en diferents condicions d'operació, el coeficient de transferència d'oxigen (kLa), ja que aquest és un dels paràmetres que més afecten el procés de ventilació. Per a això s'han emprat dades històriques de la planta. Els resultats del coeficient de transferència d'oxigen obtinguts es relacionen amb els valors de la caracterítzació de l'aigua residual i amb les dades mensuals del consum energètic total de l’EDAR i el consum associat específicament al tractament biològic, i diferenciant entre temporada alta i baixa. Per a determinar el coeficient kLa en l’EDAR s'ha realitzat prèviament una part experimental al laboratori. S'ha emprat el mètode dinàmic d'absorció de l'oxigen per a la determinació del coeficient kLa en aigua destil·lada (Garcia-Ochoa & Gomez, 2009) i la clàssica tècnica dinàmica per a obtindre el coeficient kLa en mostres de licor mescla (Garcia-Ochoa & Gomez, 2009). S'ha realitzat un estudi exhaustiu de la relació entre aquest paràmetre i els factors que l'afecten, com el tipus de difusor, el cabal d'aire insuflat i la concentració de sòlids totals en el licor mescla. També s'ha dut a terme una anàlisi de l'efecte que produeix sobre aquest paràmetre el embrutament dels difusors. Finalment, s'ha calculat l'Eficiència de Transferència d'Oxigen (αOTE), paràmetre principal per a la mesura de la transferència d'oxigen per a sistemes de ventilació per difusors, i l'eficiència de ventilació (αAE) de l’EDAR d'estudi. Conéixer el paràmetre kLa d’una EDAR permet conéixer l'estat dels difusors i determinar si és necessari realitzar una neteja dels mateixos o procedir al canvi d'aquests. D'altra banda, el càlcul de ràtios que relacionen la transferència d'oxigen amb la potència consumida per les bufadors permet establir unes condicions d'operació que produeixen estalvi energètic. Per aquest motiu en aquest TFM es proposa un protocol per a la determinació del paràmetre kLa amb la freqüència necessària per a poder ajudar en la presa de decisions de les condicions d'operació del procés de ventilació del tractament biològic.