OPTIMITZACIÓ ENERGÈTICA EN LA LÍNIA D’AIGÜES: ENTRE LES APLICACIONS INMEDIATES I LA RECERCA INNOVADORA

Maria Dolors Balaguer, Jesus Colprim, Joaquim Comas, Manel Poch Ignasi Rodriguez-Roda

Laboratori d’Enginyeria Química i Ambiental (LEQUIA). Universitat de Girona

Què se li demana a la línia d’aigües?

TRACTAMENT BIOLÒGIC

TRACTAMENT DE FANGS

RETORNS

PRIMARI REUTILIZACIÓ

?TRACTAMENT DE FANGS

Reducció dels problemes de funcionament

Augment de la capacitat de tractament

Reutilitzacióde l’efluent

Contaminantsemergents

Optimització ireducció de costs

Eliminació de nutrients

ENERGIA

I això no sempre és fàcil…

TRACTAMENT BIOLÔGIC

TRACTAMENT DE FANGS

RETORNS

PRIMARI REUTILIZACIÓ

TRACTAMENT DE FANGS

?EF

ICIÈ

NC

IA (E

F)ESTA

LVI ENER

GÈTIC

(EE)

Tres nivells d’actuació

• En aquesta comunicació es fa una revisió, d’algunes propostes que es fan en el camp de la recerca, en tres aspectes:

• Modificar “lleugerament” el procés existent

• Modificar alguns elements del procés

• Utilitzar un procés alternatiu

PRIMER NIVELL D’ACTUACIÓ

• Millora del funcionament de les instal·lacions existents

SIMULACIÓ del comportament de la planta amb models integrats

ANOX1 ANOX2 AER1 AER2 AER3

EXTERNAL RECIRCULATION

DONOINTERNAL RECYCLE

NO CONTROLLER

days

22 24 26 28

nitra

te A

SU

2(m

gNO

3/l)

0

2

4

6

8

Controladorde Nitratos

Controladorde Q rint EDAR

Medida Nitratos en Tanque Anóxico

Medida Q rint

Set-pointNitratos

Set-pointQ rint+

-+

-

NIVEL 1

NIVEL 0

CARACTERÍSTICAS NO

VariableMesurada

Sno[ASU2]

VariableControlada

Sno[ASU2]

Setpoint 1 ppm Sno

VariableManipulada

intrass

AlgoritmeDe control

PI

PRIMER NIVELL D’ACTUACIÓ

CONTROL ÒPTIM de les variables del procés

Sonda ODSondaRedOx

Bons rendiments d’eliminació de

Matèria Orgànica i Nitrogen

Rec. externa

ReactorAnòxic

Difusors

Difusors

DO2

ReactorAnòxic

Difusors

Difusors

DO1ORP1

ORP2

Rec.Interna

Rec.Interna

Rec. externa

ReactorAnòxic

Difusors

Difusors

DO2

ReactorAnòxic

Difusors

Difusors

DO1DO1ORP1ORP1

ORP2

Rec.Interna

Rec.Interna

EDAR TARADELL

UN CAS PRÀCTIC

Coneixement codificat mitjançant regles ‘IF-THEN’

IF “OD” és BAIX AND “RedOx” és BAIX THEN “Aeració” és NORMAL

MOLT BAIX (MB) BAIX (B) NORMAL (N)

ALT (A)

MOLT ALT (MA)

MOLT BAIX MA A N X X

BAIX A N N B X

NORMAL N B B B OFF

ALT B B OFF OFF OFF

MOLT ALT X X OFF OFF OFF

ODREDOX

CONTROL AMB LÒGICA BORROSAES CODIFICA EL CONEIXEMENT DE L’EXPERT

Temps (hores)

00:

00

01:

00

02:

00

03:

00

04:

00

05:

00

06:

00

07:

00

08:

00

09:

00

10:

00

11:

00

12:

00

13:

00

14:

00

15:

00

16:

00

17:

00

18:

00

19:

00

20:

00

21:

00

22:

00

23:

00

00:

00

mg/

l

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

mV

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

Oxigen Dissolt RedOx

EDAR TARADELL 8/11/04EDAR TARADELL

ON / OFF CLD

ELS RESULTATS

Els rendiments d’eliminació s’han mantingut durant l’operació en control basat en lògica difusa

Possibilitat d’aconseguir un 25% d’estalvi energètic en l’aeració

PERIODE CONTROL AERACIÓ CONSUM ENERGÈTIC

PRIMER PERIODEON / OFF 266 wh/m3

SEGON PERIODE Control basat en lògica difusa 197 wh/m3

ESTALVI ENERGÈTIC

EFICIENCIA PROCÉS

AVALUACIÓ DEL CONTROL

EL CAS DE VIC (OSONO

• Ja es disposava d’un sistema de control de l’OD, prou eficient

Però calia anar més enllà....

• Integrar dades de laboratori, altres sensors...i sobretot experiència dels responsables de la instal·lació

Utilització de sistemes supervisors experts,

PLC

DQO, DBO, SST…

SCADA

Laboratori Observacions

Escumes, ,...

Control Manual

Control automàtic

Sensors, analitzadors, Q, pH, T, O2,…

EL CAS DE VIC (OSONA)

Any

Nitrogen Kjeldahl a l’Entrada

Nitrogen Total a la Sortida

Rendiment d’Eliminació de

Nitrogen

Percentatge de mostres < 10

ppm N

2003 113 24 78.8 % 19.6 %2004 92 18 80.4 % 14.3 % 2005 87 16 81.6 % 11.8 %2006 82 12 85.8 % 54.2 %2007 91 11 87.3 % 56.0 %2008 89 11 87.0 % 51.9 %

Implementació d’un sistema supervisor a l’EDAR de Vic

PRIMER NIVELL D’ACTUACIÓ

0

10

20

30

40

50

60

1 2 3 4 5

percentage de mostres inferiors a 10 ppm

2004 2005 2006 2007 2008

ATL EDAR

ESTALVI ENERGÈTIC

EFICIÈNCIA PROCÉS

SEGON NIVELL D’ACTUACIÓ

Incorporació de noves tecnologies

SEGON NIVELL D’ACTUACIÓ

Es presenten algunes de les propostes que s’estan analitzant en el marc d’un projecte que té com a objectiu pensar l’EDAR del

segle XXI

NOVEDAR_Consolider

TRACTAMENT BIOLÔGIC

TRACTAMENT DE FANGS

RETORNS

PRIMARI REUTILIZACIÓ

REACTORS DE MEMBRANA

PROCESSOSGRANULARS

SEGON NIVELL D’ACTUACIÓ

NITRIFICACIÓ PARCIAL/ANNAMOX

ALTRES

HETEROTROPHSHETEROTROPHS(aerobic)(aerobic)

NITRIFIERSNITRIFIERS(aerobic)(aerobic)

PAOs PAOs (Anerobic)(Anerobic)

O2O2

O2

De Kreuk, 2006

DENITRIFIERSDENITRIFIERS(Anoxic)(Anoxic)

COD + O2 CO2 + H2O

stored COD + NOX + PO43‐ N2 + CO2 + H2O + poly‐P

NH4+O2 NOX

SISTEMES GRANULARS

NOVEDAR_Consolider

Activated Sludge Aerobic Granular Sludge

COMPARATIVA

NOVEDAR_Consolider

SISTEMES GRANULARS

Avantatges al treballar amb fang granular

Limitacions al treballar amb fang granular

•Millor sedimentació•Plantes mes compactes•Menor producció de fang•Els punts de consigna d’oxigen son menors(eliminació simultània de C,N i P)•No addició de font de carboni

•Start-up relativament complicat•Dificultats per assegurar l’estabilitat del grànul

ESTALVI ENERGÈTIC

EFICIÈNCIA PROCÉS

MEMBRANES

Aigua clarificada

Aigua permeada

Aigua entrada

Aigua entrada

Línia de fangs

Línia de fangs

Tractaments 3aris

Recerca en membranes a Catalunya

Recerca en membranes a Catalunya

MEMBRANES

Avantatges al treballar amb MBR

Limitacions al treballar amb MBR

• Qualitat de l’aigua tractada• Reutilització de l’efluent• Sistemes compactes• Menys producció de fangs• Càrregues aplicades elevades

• Costos d’aeració elevats• Colmatació de les membranes• Necessitat de cicles de rentat o relaxació• Necessitat de rentats químics

ESTALVI ENERGÈTIC

EFICIÈNCIA PROCÉS

NO-2

NH+4

NO-3

N 2

O2

O2

m.o.

m.o.

Anammox (ANaerobic AMMonia OXidation)

NH4+ + 1,32 NO2

- + 0,07 HCO3- + 0,13 H+ →

1,02 N2 + 0,26 NO3- + 0,07 CH2O0,5N0,15 + 2,03 H2O

NH4+ + 3/2 O2 → NO2

- + H2O + 2H+

Nitrificació parcial

NH4+

Nitrificacióparcial

NO2-/NH4

+

Anammox

N2

REDUCCIÓ DE NITROGEN

NOVEDAR_Consolider

1 mol NH4+

0,5 mol N2 + 20 g DQObiomasa

17 g DQObiomasa

57 g DQO

3,4 g DQObiomasa

CO2

1,9 mol O2(100%)

1 mol NH4+

0,55 mol NO2- 0,45 mol NH4+

0,4 mol O2(40%)

1,6 g DQObiomasa

CO2

1,5 g DQObiomasa

CO2

0,45 mol N2 + 0,1 mol NO3-+ 3 g DQObiomasa

Nitrificació/desnitrificació Nitrificació parcial/anammox

1 mol NO3-

MECANISME

NOVEDAR_Consolider

I properament del pilot a l’EDAR!

NOVEDAR_Consolider

ANAMMOX

Avantatges al treballar amb Nitrificació Parcial/Anammox

Limitacions al treballar amb Nitrificació Parcial/Anammox

• Tractar aigües amb relacions C/N desfavorables•Reducció dels costos d’aeració•Menor producció de fangs•No es necessària l’addicció d’una font de C

• Temperatures de treball elevades• Start-up llargs• Anammox es un microorganisme sensibles (elevat nivell d’instrumentalització )

ESTALVI ENERGÈTIC

EFICIÈNCIA PROCÉS

MÚLTIPLES ALTERNATIVES

OLORES

PRIMARIO

CONTROL Y OPTIMIZACIÓN

?TRATAMIENTO BIOLÓGICO

RETORNOS

NITRIFICACION PARCIAL

ANNAMOX

TRATAMIENTO DE FANGOS

OZONACION

RAYOS UV

FILTROPERCOLADORPARA GASES

BABE REACTOR

CONTROL AUTOMÁTICO DE LA

RECIRCULACIÓN

DIGESTIÓN ANAEROBIA EN

FASE SECUENCIALDE T

OXIDACIÓN HIDROTERMICA

REACTORES DE BIOPELICULASOPORTADOS POR MEMBRANA

ADSORCIÓN CONTROL DE LA EDAD DEL

FANGO

PROCESOS GRANULARESPARA ELIMINACIÓN DE C Y N

VITRIFICACIÓN

EVALUACIÓN DE LAS FUNCIONESDE COSTE DE LA EDAR

PROCESOCANON

CONFIGURACIÓN A20 FOTO

FENTON

PROCESOS HÍBRIDOSCON 3 REACTORES

P-HD-HN

TERCER NIVELL D’ACTUACIÓ

• Canvi de tecnologia(wetlands / SAC)

Explotació simple.

Consum energètic “BAIX”.Inexistència d’averies mecàniques.

Tolerància a variacions de cabal i càrrega.

Generació de fangs nul·la.

Possible aprofitament de la biomassa vegetal.

Mínima producció de males olors.

Excel·lent integració ambiental.

〤 Manca de dades de disseny i rendiments.

〤 Necessitats d’elevada superfície.

〤 Lleugerament sensible a la temperatura.

〤 Posada en marxa llarga (mínim 1 any).

〤 Requereixen d’un tractament previ eficaç.

〤 Pocs factors de control durant l’operació.

QUÈ DIU LA BIBLIOGRAFIA/ EXPERIÈNCIA?

2005: Primer inventari de SAC a Catalunya2005: Primer inventari de SAC a Catalunya

Comunitat / Configuració i disseny / Programa de monitoratge / Operació i manteniment / Medi receptor

2009: Segon inventari de SAC a Catalunya2009: Segon inventari de SAC a Catalunya

Canvis en: Comunitat / Configuració i disseny / Programa de monitoratge / Operació i manteniment / Medi receptor

Efectes dels canvis en: Qualitat efluent / Explotació / Costos

QUÈ DIUEN LES DADES DE CATALUNYA?

NO TOTS ELS SAC NO TOTS ELS SAC FUNCIONENFUNCIONEN//AVEN AVEN

SABEM PER QUÈ !!

El funcionament dEl funcionament d’’un SAC es veu un SAC es veu influenciat per...influenciat per...

... la configuraci... la configuracióó de lde l’’EDAR EDAR (ex. (ex. tractament previ, combinacitractament previ, combinacióó amb amb

llacunatge)llacunatge)

...el disseny del SAC ...el disseny del SAC (ex. sistema (ex. sistema distribucidistribucióó dd’’aigua, matriu emprada)aigua, matriu emprada)

...el protocol d...el protocol d’’operacioperacióó i manteniment i manteniment (ex. sega de la coberta vegetal, regulaci(ex. sega de la coberta vegetal, regulacióó

nivell aigua)nivell aigua)

AMB BON DISSENY I OPERACIÓ, PODEN MILLORAR FINS I TOT ELS QUE NO FUNCIONAVEN

Rendiment d’eliminació de matèria orgànica (DBO5)

0.50.60.70.80.9

1

gener

febrer

març

abril

maig

juny

juliol

agost

setembre

octubre

novembre

desembre

PODEN SER COMPETITIUS !!

1.Es poden fer coses amb les instal·lacions existents, amb relativa poca despesa, millorant el control i la supervisió

2.Hi ha nous processos que poden millorar el rendiment, però haurem de definir quin pes li donem a l’energia, quin a l’eficàcia, i quin a la complexitat de gestió

3.En plantes petites, els tractaments naturals/extensius tenen un espai i són competitius, ben dissenyats i ben gestionats

CONCLUSIONS (1)

Se’ns gira feina!- Als explotadors, amb més possibilitats, però també

amb més factors a tenir en compte...

- Als investigadors per ajudar a desenvolupar i implementar nous processos i procediments més eficients

- A l’administració per endreçar-ho tot !

CONCLUSIONS (2)

GRÀCIES

• A totes les empreses, institucions, que han aportat material, idees, propostes, resultats,

• I sobre tot a les persones que ho han fet possible

• Perquè en aquesta presentació (que només firmem alguns) hi ha molta feina de molta gent, obtinguda al llarg de molts anys!