ES2312237B2 - Instalacion y metodo para el control del oxigeno disuelto en tanques de aireacion de estaciones depuradoras de aguas residuales y minimizacion del consumo energetico. - Google Patents
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Abstract
Instalación y método para el control del oxígeno
disuelto en tanques de aireación de estaciones depuradoras de aguas
residuales y minimización del consumo energético.
Instalación para el para el control de la
concentración de oxígeno disuelto en tanques de aireación de
estaciones depuradoras de aguas residuales y minimización del
consumo energético, en instalaciones que disponen de unas soplantes
que inyectan aire en reactores biológicos.
Comprende soplantes (1), detectores de presión
(13) dispuesto en el conducto de salida de las soplantes, un reactor
biológico aireado (5), con aireación por subzonas, válvula (3) para
la aireación en cada subzona, medidores de concentración de oxígeno
disuelto asociado a cada válvula de control, gestión de información
del estado de la instalación.
El método de control de la concentración de
oxígeno disuelto comprende la medición de la concentración de
oxígeno disuelto (8) en cada subzona reactor biológico (5), y el
gobierno de la correspondiente válvula (3), abriéndola si la
concentración de oxígeno disuelto medida (8) es menor a la de
referencia (9), y viceversa.
Description
Instalación y método para el control del oxígeno
disuelto en tanques de aireación de estaciones depuradoras de aguas
residuales y minimización del consumo energético.
El agua es necesaria para la actividad diaria
del ser humano, tanto para los usos domésticos como industriales
generando las denominadas "aguas residuales" donde se
concentran los contaminantes que deben ser eliminados para evitar
el deterioro de las masas de agua sobre las que se vierten, labor
que recae sobre las estaciones depuradoras de aguas residuales
(EDAR), estaciones que recogen las aguas residuales tratamiento
previo al vertido al medio natural.
El contaminante más importante presente en el
agua residual domestica es la materia orgánica, cuyo efecto sobre
el medio natural es la disminución del oxígeno disuelto del agua que
recibe los vertidos de aguas residuales.
Las aguas que son recogidas por una estación
depuradora no tienen unas características constantes, sino que
puede variar tanto en cantidad de afluencia (caudal variable) como
en calidad (concentración de sustancias contaminantes).
En el proceso de depuración de aguas residuales
tiene lugar inicialmente una separación de las partículas
suspendidas mediante rejas y tamices de distinto paso y tanques de
decantación u otros. Una vez se ha realizado la separación de las
partículas suspendidas, cuyo tratamiento no es objeto de esta
invención, el agua pasa a una segunda balsa o tanque en el que se
lleva a cabo una etapa de tratamiento biológico en un biorreactor
(tanque de aireación) mediante el desarrollo de microorganismos que
interactúan con la materia orgánica presente en el agua residual a
depurar, para pasar posteriormente a otras etapas o vertido al
medio, una vez se ha eliminado la materia orgánica de dicha agua.
En esta etapa biológica, los microorganismos consumen la materia
orgánica que lleva el agua disuelta o en suspensión, hasta que la
concentración de materia orgánica desciende hasta el nivel
requerido por la instalación, normalmente el nivel máximo permitido
por la legislación para el vertido de aguas residuales. Como
resultado de este proceso biológico aparece una elevada
concentración de microorganismos en forma de sólidos
suspendidos.
Posteriormente se lleva a cabo un proceso de
separación en el que en tanques de decantación la mayor parte de los
sólidos suspendidos, que incluyen a los microorganismos, sedimentan
en forma de fangos, de los que una parte se reincorpora al
biorreactor, para mantener en éste la concentración adecuada de
microorganismos y el resto se retira hasta un nuevo reactor
biológico o digestor, en el que se lleva a cabo una estabilización
de la materia orgánica no biológica por parte de los
microorganismos hasta alcanzar también una determinada tasa,
procediendo posteriormente a su desecado, y compactación.
Sin embargo, los microorganismos para
metabolizar cuando eliminan la materia orgánica necesitan oxígeno
consumiendo el que hay presente en el agua residual, por lo que los
tanques de aireación están provistos de una instalación de
aireación con una gran cantidad de difusores situados en el fondo de
los tanques, de modo que a través de ellos se produce un burbujeo
continuo y preferentemente atomizado de aire en la balsa de
tratamiento biológico. De este modo, se produce una interacción
entre las burbujas de aire y el agua residual, y debido a la gran
relación superficie/volumen de las burbujas de aire se optimiza la
oxigenación del medio, por lo que los microorganismos continúan su
desarrollo y alimentación con la materia orgánica presente en el
agua residual. Dado que el consumo de oxígeno por los
microorganismos es distinto en cada uno de los puntos del tanque de
aireación los difusores se agrupan en conjuntos con una única
entrada de aire denominados parrillas, pudiéndose controlar el
flujo de aire a cada parrilla por medio de una válvula de
regulación.
La inyección de aire en los tanques o balsas de
tratamiento biológico se realiza mediante un conjunto de soplantes
o conjunto mecánico de bombeo de aire en las balsas, incluidos las
conducciones necesarias para que la inyección tenga lugar.
Habitualmente un único conjunto de soplantes funcionando
coordinadamente suministra el aire a todas las parrillas de
difusores.
El sistema de control de la concentración de
oxígeno disuelto más habitual hoy día se describe a continuación.
Cada parrilla de difusores dispone de un medidor de la concentración
de oxígeno disuelto en la zona de influencia de la parrilla. La
concentración de oxígeno disuelto en la zona de influencia de cada
una de las parrillas de difusores es mantenida en el valor deseado
por un sistema de control, que abre o cierra la válvula de
regulación correspondiente a cada parrilla, según que la
concentración de oxígeno disuelto sea inferior o superior al valor
deseado. Este sistema permite un buen control de la concentración
de oxígeno disuelto en las zonas de influencia de cada parrilla de
difusores. Para que los movimientos de apertura y cierre de una
válvula no afecten al resto de válvulas, garantizando la
estabilidad del control de la concentración de oxígeno disuelto en
todas las zonas, es necesario mantener constante la presión de
soplado del conjunto de soplantes. La presión de soplado a mantener
se selecciona de forma que garantice en todo momento el suministro
de oxígeno al tanque de aireación, por lo que durante una gran parte
de tiempo de operación es excesiva para las necesidades del
sistema, forzando a las válvulas a cerrarse, incrementando la
perdida de energía en las conducciones de aire y por tanto el
consumo energético.
Es, por tanto, deseable, y objeto de esta
invención, el que la presión de soplado de las soplantes sea la
mínima necesaria en cada momento, lo que forzará a la máxima
apertura de las válvulas, minimizando así las perdidas de energía y
el consumo energético.
El estado de la mejor técnica disponible viene
dado por las instalaciones depuradoras de aguas residuales
actualmente en uso, cuya descripción se ha realizado someramente en
el punto anterior. En las búsquedas realizadas se han encontrado
numerosas instalaciones de depuración de aguas residuales así como
dispositivos diversos, pero que escapan al alcance de esta
invención.
\vskip1.000000\baselineskip
Con objeto de ilustrar la explicación que va a
seguir, se adjuntan a la presente memoria descriptiva, tres hojas
de dibujos en las que en tres figuras se representa la esencia de la
presente invención, y en las que:
La figura 1 muestra un diagrama de bloques en el
que puede verse un esquema de un proceso de regulación de la
inyección de aire conforme a un primer aspecto de la invención.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques en el
que se observa un esquema de un proceso de regulación, según un
segundo aspecto más complejo de la invención.
La figura 3 representa un diagrama de bloques
que muestra un esquema de un proceso de regulación según un tercer
aspecto, aún más complejo, de la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
En la descripción siguiente, se indica
únicamente la parte de la instalación depuradora correspondiente al
control requerido, por lo que se omitirá en ella cualquier
referencia a otras partes de la instalación que no tengan relación
con el objeto de esta invención.
La instalación de control del oxígeno disuelto
comprende:
- -
- Al menos un conjunto de soplantes o cualquier otro equipo mecánico que introduzca aire a presión en una tubería para este fin; las soplantes son unidades de bombeo de aire que confluyen, conforme a la presente invención, en un conducto de salida común.
- -
- Al menos un detector de presión dispuesto en el conducto común de salida de las soplantes.
- -
- Al menos un reactor biológico aireado, en el que la aireación tiene lugar en subzonas, y en general todos los puntos de oxigeno en una EDAR, en los que sea preciso que la cantidad de oxígeno disuelto sea regulada.
- -
- Al menos una válvula en cada una de las subzonas en que tiene lugar la aireación.
- -
- Al menos un medidor de la concentración de oxígeno disuelto asociado a cada una de las válvulas de control.
- -
- Al menos un dispositivo de gestión de la información siguiente:
- -
- Valor actual de la velocidad de giro de cada una de las soplantes (porcentaje de respecto de la velocidad de giro máxima).
- -
- Presión de salida del conjunto de las soplantes; la presión de salida es un efecto directo de la velocidad de giro; cuando se requiere una mayor presión de salida, se incrementa el régimen de giro de una o mas soplantes, o se conecta una soplante adicional al sistema; es conveniente que al menos una de las soplantes permita la regulación del régimen de giro, normalmente mediante variadores de frecuencia en suministro de corriente alterna.
- -
- Presión de soplado de referencia de la salida del conjunto de las soplantes.
- -
- Estado de cada una de las válvulas en los conductos de suministro de aire a cada una de las subzonas.
- -
- Concentración de oxígeno disuelto existente en cada subzona del reactor biológico.
- -
- Concentración de oxígeno disuelto de referencia de cada subzona del reactor biológico.
\newpage
De acuerdo con el primer aspecto de la
invención, consiste la presente invención, en un método para el
control del oxígeno disuelto en tanques de aireación de estaciones
depuradoras de aguas residuales y minimización del consumo
energético, que comprende la actuación sobre las válvulas de
regulación del caudal de aire abriéndolas o cerrándolas en función
del valor de referencia de la concentración de oxígeno disuelto
(valor a mantener), la medida actual de la concentración de oxígeno
disuelto en el medio, y del grado de apertura actual de las
válvulas.
En la figura 1, vemos un reactor biológico 5 que
recibe aire 4 desde unas soplantes 1. Las soplantes proporcionan un
flujo de aire 2 que se ve regulado por medio de una válvula de
suministro 3. Un controlador de oxígeno disuelto 7 determina el
incremento de apertura 11 de la válvula 3, que viene determinado
por la concentración actual de oxigeno disuelto 8, la concentración
de referencia de oxígeno disuelto 9 y el grado actual de apertura de
válvula 10. Se representa con 6 el efluente del sistema.
De acuerdo con este primer aspecto más simple de
la invención, las soplantes podrán repartir la energía sobre una o
un cierto grupo de válvulas 3 correspondientes a uno o más reactores
5, optimizando así el uso de dichas soplantes 1, y permitiendo del
mismo modo que la energía de las soplantes se distribuya entre las
distintas válvulas 3. De modo preferente, las soplantes estarán
interconectadas, de modo que una o mas soplantes actúen
simultáneamente sobre el sistema inyector de aire.
Esto permite un control exhaustivo sobre la
cantidad de aire 4 que se inyecta en cada momento y en cada punto
de la instalación.
Así, cuando la concentración de oxígeno disuelto
8 en una subzona (zona de difusión controlada por una válvula 3)
sea menor de la de referencia 9, la válvula se abrirá más 11, hasta
que llegue un punto de abertura máxima. Por el contrario, si la
concentración de oxígeno disuelto del subsistema 8 es mayor de la
de referencia 9, la válvula 3 se cerrará 11 (el incremento de
apertura será negativo) hasta lograr el estado deseado.
Sin embargo, no se contempla en este lazo un
control de la cantidad de aire suministrada por las soplantes, que
será el que en conjunto se considera adecuado para el sistema que
dependerá del tipo y número de soplantes disponibles. Dado que no
se modifica en ningún momento la velocidad de giro de las soplantes,
ni el número de ellas en funcionamiento simultaneo, la presión de
soplado variara, aumentando cuando se cierren las válvulas y
disminuyendo cuando se abren. Por cuanto el sistema permite el
reparto de la energía de suministro de distinta manera según el
estado de apertura y cierre de las válvulas, se produce en este
caso un optimización del reparto de aire entre las distintas
subzonas, pero no una optimización del consumo de la energía
total.
Sin embargo, las ventajas energéticas obtenidas
de este modo, si bien son significativas, no son plenamente
satisfactorias, debido a que una gran parte de la energía disipada
en el sistema de forma ineficaz viene dada por las perdidas de
carga producidas debido a las válvulas que no se encuentran
abiertas en su totalidad, o en posición próxima a la de apertura
máxima. Así, las pérdidas de carga, y consecuentemente energía
suministrada pero ineficaz, aumentara conforme aumente el grado de
cierre de las válvulas controladas por la concentración de oxígeno
disuelto de la subzona.
\vskip1.000000\baselineskip
Así, de acuerdo con un segundo aspecto de la
invención, esencialmente representado en la figura 2, podemos
observar como en adición a un control directo de la concentración de
oxígeno disuelto 8, tenemos también un segundo lazo de control, en
el que actuamos sobre el conjunto de las soplantes 1 para lograr
una presión de soplado 13 del flujo de aire 2 ajustada a los
parámetros de referencia 14. Cuando las válvulas 3 se abran, la
presión del sistema 2 caerá, y será necesario generar más presión
mediante el aumento del régimen de giro 15 de las soplantes 1
(aumentando el consumo), mientras que cuando las válvulas 3 se
cierren, la presión del sistema 13 subirá y será necesario
disminuir la presión aportada por las soplantes.
El sistema esta, pues, dotado de al menos un
controlador 12 de la presión de salida 13 de las soplantes 1. El
incremento de presión 13 tiene lugar mediante la variación del
régimen de giro 15 de las soplantes 1. Esta variación tiene lugar
mediante el ajuste de la velocidad o conexión en paralelo de un
conjunto de soplantes 1. Este segundo lazo de control comprende la
regulación de la energía suministrada por las soplantes 1, variando
el número de soplantes 1 o la velocidad de giro, mediante la
supervisión de la presión 13 en los conductos de salida de éstas, de
modo que si la presión es inferior a la presión de referencia 14 se
aumentara la frecuencia de la corriente eléctrica (y así el régimen
de giro 15 y el consumo) para suministrar mas presión y en
consecuencia mas cantidad de aire, y si la presión es superior a la
de referencia se disminuirá la frecuencia, y así la presión y
cantidad de aire suministrada. La variación puede también tener
lugar además mediante la adición o supresión de unidades soplantes
1.
Pueden darse entonces distintas situaciones:
- 1.
- La concentración de oxígeno disuelto en alguna subzona esta por debajo del valor de referencia. Será, por tanto, necesario abrir las válvulas en esas zonas en las que la concentración de oxígeno disuelto está por debajo de la de referencia. Ello redundara en una caída de presión en las salidas de las soplantes y requerirá el aumento de su régimen de giro (mediante la variación de la frecuencia) para así aumentar la presión de salida para ajustarla a la de referencia.
- 2.
- La concentración de oxígeno disuelto en alguna subzona está por encima del valor de referencia. Será, por tanto, necesario cerrar las válvulas en esas zonas en las que la concentración de oxígeno disuelto está por encima de la de referencia. Ello redundara en un incremento de la presión en las salidas de las soplantes y requerirá una disminución de su régimen de giro (mediante la variación de la frecuencia) para así disminuir la presión de salida para ajustarla a la de referencia.
Sin embargo, para minimizar las pérdidas de
carga y el consumo de energía debe haber al menos una válvula
totalmente abierta, pudiendo estar las demás válvulas abiertas solo
parcialmente.
Aún mejorando de una forma sensible el primer
aspecto de la invención, se plantea todavía el problema de que la
presión de referencia puede ser excesiva para mantener el valor de
referencia de la concentración de oxígeno disuelto, por lo que
deben cerrarse las válvulas, incrementando las perdidas de carga y
consecuentemente el consumo energético será mas elevado de lo
necesario.
Por otra parte, puede ocurrir que la presión de
referencia sea insuficiente, de forma que incluso en aquellas
subzonas en que las válvulas estén totalmente abiertas no se pueda
mantener una concentración de oxígeno disuelto igual a la de
referencia.
Es por ello, que se ha realizado de acuerdo con
un tercer aspecto de la invención, una solución que elimina los
problemas antedichos.
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con un tercer modo de realización de
la invención, se dispone un control de la concentración de oxígeno
disuelto 8 en cada subzona vinculada a su correspondiente válvula 3
que controla el caudal de aire 4 inyectado en el reactor 5 en
relación con la concentración de oxígeno disuelto de referencia 9 y
el grado actual de apertura de válvulas 10 conforme al primer
aspecto de la invención, un control 12 de la presión 13 de las
soplantes 1 en relación con el grado de apertura 10 de las válvulas
3 conforme al segundo aspecto de la invención, y se dispone además
un control 18 del valor de la presión de referencia 19 requerida
con las soplantes 1.
El control 18 del sistema determinara la presión
de referencia 19 en función de la concentración de oxigeno disuelto
8 en cada una de las subzonas del reactor biológico 5 y el grado
actual de apertura 16 de las válvulas 3.
Conforme a este tercer modo de realización, si
alguna de las válvulas 3 esta totalmente abierta, las soplantes 1
inyectan aire en el sistema a la presión de referencia 19, pero si
la concentración de oxígeno disuelto 8, en la subzona controlada
por dicha válvula, es inferior a la requerida (de referencia) 9,
conforme a los parámetros de presión 19 de soplado actual (presión
de referencia) y concentración de oxígeno disuelto actual 8, se
realiza un incremento de la presión de referencia 19, de modo que
esta presión 19 sea la mínima necesaria para alcanzar la
concentración de oxígeno disuelto de referencia 9 con alguna
válvula 3 totalmente abierta. Como resultado de este incremento de
la presión de referencia, se producirá un incremento del régimen de
giro de las soplantes hasta que la presión actual coincida con la
de referencia.
Por otra parte, cuando la concentración de
oxígeno disuelto actual 8 esta por encima de los valores de
referencia 9, con alguna de las válvulas 3 totalmente abiertas, el
sistema 18 determinará una disminución de la presión de referencia
19, de modo que esta presión 19 sea la mínima necesaria para
alcanzar la concentración de oxígeno disuelto de referencia 9 con
alguna válvula 3 totalmente abierta. Como resultado de esta
disminución de la presión de referencia, se producirá una
disminución del régimen de giro de las soplantes hasta que la
presión actual coincida con la de referencia, con la consiguiente
disminución del consumo energético.
En todo caso, el sistema determinara que alguna
de las válvulas 3 deberá quedar totalmente abierta mientras que la
presión de salida 13 del conjunto de soplantes será la mínima
requerida para satisfacer los requerimientos de aireación del
reactor 5.
Es de aplicación en los sistemas de aireación de
reactores biológicos de plantas de tratamiento de aguas residuales
y otras instalaciones que requieran tasas de aireación en función de
parámetros tales como la concentración de oxígeno disuelto.
Claims (1)
1. Método para el control de la concentración de
oxígeno disuelto en tanques de aireación y minimización del consumo
energético aplicable a instalaciones depuradoras de aguas residuales
que comprenden:
- -
- Un reactor biológico aireado (5), en el que la aireación tiene lugar en subzonas;
- -
- Al menos un conjunto de soplantes (1); las soplantes son unidades de bombeo de aire que confluyen, conforme a la presente invención, en un conducto de salida común para inyectar aire en el reactor biológico;
- -
- Al menos una válvula (3) en cada una de las subzonas en que tiene lugar la aireación;
- -
- Al menos un medidor de la concentración de oxígeno disuelto asociado a cada una de las válvulas de control,
- -
- Al menos un detector de presión (13) dispuesto en el conducto común de salida de las soplantes;
- -
- Al menos un dispositivo de gestión (7) de:
- \sqbullet
- Estado actual de suministro de cada una de las soplantes (porcentaje de velocidad de giro respecto a la velocidad máxima);
- \sqbullet
- Presión de soplado (13) del conjunto de las soplantes;
- \sqbullet
- Presión de referencia (14, 19) de soplado del conjunto de las soplantes;
- \sqbullet
- Porcentaje de apertura (10) de cada una de las válvulas (3) en los conductos de suministro de aire a cada una de las subzonas;
- \sqbullet
- Concentración de oxígeno disuelto (8) en cada subzona del reactor biológico;
- \sqbullet
- Concentración de oxígeno disuelto de referencia (9) en cada subzona del reactor biológico;
En donde dicho dispositivo de gestión (7)
realiza:
- \sqbullet
- El control de la concentración de oxigeno disuelto (8) para mantenerla en el nivel de la concentración de oxígeno disuelto de referencia (9), abriendo o cerrando la válvula correspondiente; y
- \sqbullet
- El control de la presión de soplado de las soplantes para mantener dicha presión en el nivel de la presión de referencia (19) mediante la variación de la velocidad de giro por medio de variadores de frecuencia y/o mediante la conexión o desconexión de soplantes;
caracterizado porque la presión de
referencia (19) de las soplantes (1) se modifica en función de los
parámetros de estado de las válvulas (11), y concentración de
oxígeno disuelto en cada subzona (8), de modo que:
- -
- Si no hay ninguna válvula (3) totalmente abierta, pueden darse las siguientes situaciones:
- \circ
- En la subzona que tiene la válvula más abierta la concentración de oxígeno disuelto (8) está por debajo del valor de referencia (9); en este caso no se modifica la presión de consigna, forzando de esta manera la apertura de la válvula para conseguir que la concentración de oxígeno disuelto (8) alcance el valor de referencia (9);
- \circ
- En la subzona en el que está la válvula más abierta la concentración de oxígeno disuelto está por encima del valor de referencia; en este caso el sistema disminuye la presión de soplado de referencia (19) de las soplantes (1), que por tanto disminuyen su presión de soplado (13) para adaptarse a la nueva presión de referencia, mediante la desconexión de soplantes y disminución de la velocidad de giro por medio de variadores de frecuencia; de esta forma no solo se disminuye la presión de soplado para disminuir la concentración de oxígeno disuelto (8), hasta alcanzar el valor de referencia (9), además se fuerza la apertura de las válvulas, para disminuir el consumo de energía.
- -
- Si hay una válvula (8) totalmente abierta; en este caso el sistema modifica la presión de soplado de referencia (19) para garantizar una concentración de oxígeno disuelto (8) igual al valor de referencia (9) en la subzona cuya válvula está totalmente abierta; si la concentración de oxígeno disuelto está por encima del valor de referencia (9) se disminuye la presión de soplado de referencia (19); si la concentración de oxígeno disuelto (8) esta por debajo del valor de referencia (9) se aumenta la presión de referencia (19); las soplantes (1) modifican su presión de soplado (13) para alcanzar la de referencia (19), mediante la conexión y desconexión de soplantes y variación de la velocidad de giro por medio de variadores de frecuencia.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20090216 Kind code of ref document: A1 |
|
| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20211122 |