Water Treatment in the Future
Water treatment is undergoing a profound transformation and is gaining in importance worldwide. Water is an increasingly scarce commodity. Particularly in poorer countries, it is not available in sufficient quantities. Bottlenecks are becoming more and more severe due to growing demand on the part of industry, agriculture and energy generation. Although problems such as water scarcity are of limited relevance here in Germany, a responsible, resource-saving approach to water is an important issue for the future. Water treatment plays a key role in the subject of water availability. Around 80 percent of waste water worldwide still goes untreated , though in many cases, treating it would be technically possible. In the long term there is therefore considerable potential for significantly reducing the level of consumption of water by industry.
Exploiting the potential of the water treatment of the future
Aprovechamiento del potencial del tratamiento de aguas en el futuro
Al mismo tiempo, el enfoque también se centra en la eficiencia energética, sobre todo en los países industrializados. Las plantas de tratamiento de aguas residuales se consideran unos auténticos devoradores de energía debido al elevado consumo energético de los procesos que tienen lugar en los tanques de aireación. En un contexto de ambiciosos objetivos de protección medioambiental y de aumento de los precios de la energía, la eficiencia energética en el tratamiento del agua será uno de los principales problemas en el futuro.
Sobre todo en el ámbito de la tecnología energética para tanques de tratamiento de aguas residuales está claro que ya existen tecnologías fiables que permiten reducir el consumo de energía de manera sostenible y que resultan muy atractivas desde el punto de vista del operador. Las inversiones en una tecnología moderna de ventilación se amortizan muy rápidamente y mejoran la eficiencia de la planta sin incurrir en gastos innecesarios, sobre todo en aquellas plantas de tratamiento de agua más antiguas. El tratamiento de agua del futuro tiene un gran potencial para atenuar la escasez de agua, estimular una gestión responsable de las materias primas y reducir el consumo de energía. Un ejemplo con gran potencial para el futuro es la generación de energía a partir de aguas residuales.
Particularly in the area of energy technology for waste water treatment tanks, it is clear that reliable technologies for sustainably reducing energy consumption already exist and are highly attractive from the operator’s point of view. Investments in modern ventilation technology pay off very quickly and improve plant efficiency without undue expense, especially in the case of older water treatment plants. The water treatment of the future holds far-reaching potential for mitigating water scarcity, promoting responsible management of raw materials and decreasing energy consumption. An example with major potential for the future is the generation of energy from waste water.
Generación de electricidad y calor a partir de aguas residuales
Uno de los aspectos más importantes para el futuro en el campo del tratamiento del agua es la generación de energía a partir de aguas residuales. Cada metro cúbico de agua residual contiene cuatro veces la cantidad de energía que se utiliza para depurarla: desde un punto de vista estrictamente teórico, una planta de tratamiento de aguas residuales podría producir más energía que la que consume. El principio en el que se basa esta idea es simple: en general, los sólidos contenidos en las aguas residuales, por ejemplo, excrementos, papel higiénico u otras partículas, se pueden usar en plantas de biogás para generar energía eléctrica y calor. Las tecnologías necesarias para este proceso ya se han aplicado satisfactoriamente, pero todavía hay un enorme margen de crecimiento. Por este motivo, en la actualidad se están investigando y ensayando en forma de prototipos nuevas tecnologías enfocadas a aumentar la incineración de fangos, y los resultados son alentadores.
Sin embargo, todavía quedan numerosos obstáculos que superar antes de aprovechar todo el potencial de las aguas residuales para generar energía. Uno de los retos es aumentar de manera considerable el porcentaje de sólidos que se pueden extraer de las aguas residuales antes del proceso de depuración real. Esto se podría conseguir, por ejemplo, agregando polímeros que favorezcan la aglomeración de los fangos.
Waste water treatment plants as veritable power guzzlers – energy can be saved here
Plantas de tratamiento de aguas residuales como auténticos devoradores de energía: aquí se puede ahorrar energía
La eficiencia energética es el aspecto más importante en el tratamiento del agua del futuro. Por un lado, los operadores de las plantas de tratamiento de aguas residuales tienen que enfrentarse constantemente a reglamentos medioambientales cada vez más estrictos aprobados por los políticos. Por otro, tienen que adoptar medidas de eficiencia para contrarrestar el aumento de los precios de la electricidad. Para entender la importancia de la eficiencia energética en los tanques de tratamiento de aguas residuales, es útil analizar el equilibrio energético de una planta de tratamiento.
Las aproximadamente 10.200 plantas de tratamiento de aguas residuales que existen en Alemania utilizan un total de unos 4.400 gigavatios hora (GWh) de energía eléctrica al año. Esto equivale a un consumo específico de 35 kWh/población equivalente por año. Por consiguiente, las plantas de tratamiento de aguas residuales todavía suponen aproximadamente el 0,7% de la energía que se consume en Alemania.
Se observa que la aireación es, con diferencia, el principal consumidor en prácticamente todas las plantas de tratamiento de aguas residuales con procesos de fangos. Si bien el porcentaje de energía consumida por las plantas con estabilización aeróbica de fangos se encuentra entre el 60 y el 80%, en plantas con digestión de fangos este porcentaje todavía asciende al 50% aproximadamente. Existen además otros consumidores de energía que no son tan importantes como el proceso de fangos. Resumen de los principales consumidores de energía:
The roughly 10,200 waste water treatment plants installed in Germany use a total of approximately 4,400 gigawatt hours (GWh) of electrical energy per year. This corresponds to a specific consumption of 35 kWh/population equivalent per year. Waste water treatment plants therefore still account for around 0.7% of the power consumed in Germany.
It turns out that aeration is by far the main consumer for almost all the waste water treatment plants with sludge processes; while the percentage of power consumed by plants with aerobic sludge stabilisation is between 60% and 80%, it is still around 50% for plants with sludge digestion. Furthermore, there are other energy consumers that are not as significant as the sludge process. The main energy consumers at a glance:
El análisis del consumo energético medio de estas plantas demuestra que el mayor potencial para reducir el consumo de energía está en la ventilación de los tanques de aireación y en las estaciones de bombeo en funcionamiento constante, por ejemplo, en la admisión, el mecanismo de elevación intermedio y la recirculación interna. La ventilación de los tanques de aireación desempeña el papel más importante, por lo que este aspecto se examinará en detalle más adelante.
Centrados en el consumo de energía: medidas adicionales para incrementar la eficiencia
Aumentar la eficiencia energética de los tanques de aireación y emplear fangos o biogás para generar energía y calor no son las únicas medidas que se pueden aplicar en la senda hacia el tratamiento del agua del futuro. Por ejemplo, en la integración de energías renovables en los sistemas de energía de las plantas de tratamiento de aguas residuales existe un potencial extra.
It is possible, for instance, to install solar cells or wind turbines on the grounds of waste water treatment plants to further improve the ratio of generated energy to total energy consumption. At the same time, it should obviously be kept in mind that these measures are subject to the same constraints as other sites and the profitability of the investment depends on the prevailing conditions, such as local sunshine and wind conditions. Although the use of solar collectors to generate heat is also of particular interest for plants without sludge digestion, this approach will probably play only a subordinate role in the future. For plants with aerobic sludge stabilisation, there is already usually an excess of heat available in the summertime, which renders the measure superfluous for this type of waste water treatment plant. Other measures for ensuring energy-efficient water treatment in the future seek to use hydroelectric power in the inlets and outlets of the waste water treatment plant. This approach offers only limited potential, however, because the available fall height is low and the amount of energy generated does not justify the effort and expense.
Particularly in the case of larger plants with sludge incineration, it is recommended to use bar screen debris as an additional fuel source to further increase energy efficiency. However, the potential of this technology is limited by the use of bar screen debris washers, which reduce the accumulation of debris.
Tecnología de aireación en función de la demanda: medidas muy eficientes
debido al elevado consumo de energía. En función de la planta de tratamiento de aguas residuales, el proceso de aireación supone entre el 60 y el 80% de la necesidad de energía total, por lo que la aireación es muy importante para el tratamiento de aguas en el futuro.
¿Qué ocurre en un tanque de aireación?
Para entender por qué los tanques de aireación consumen tanta energía, debemos analizar brevemente los procesos que ocurren en un sistema de depuración biológica. Los tanques de aireación separan el agua residual predepurada por medios mecánicos de las sustancias orgánicas como fosfatos y compuestos de nitrógeno. Esta descomposición la llevan a cabo microorganismos —por ejemplo, bacterias— y da lugar al fango aireado.
Para eliminar biológicamente los fosfatos del agua residual en el primer paso, la primera parte del tanque se mantiene baja en oxígeno. A continuación se introduce una gran cantidad de oxígeno en las aguas residuales mediante aire comprimido. Las bacterias se multiplican rápidamente gracias al oxígeno, lo que provoca que los fosfatos se liguen al fango biológico cuando se combinan con un precipitado disuelto. Seguidamente, el fango se descompone en tanques de tratamiento secundarios y se puede devolver a los tanques de aireación o transportarse al sistema de tratamiento de fangos. Este proceso utiliza una gran cantidad de energía debido a la introducción de grandes cantidades de aire comprimido.
Retos y potencial de optimización de la tecnología de aireación
Básicamente, el reto de la tecnología de aireación consiste en ofrecer un suministro de aire en función de la demanda capaz de gestionar fuertes fluctuaciones en los perfiles de carga y grados de contaminación variables. Las plantas de tratamiento de aguas residuales más antiguas suelen estar equipadas con unas tecnologías de soplantes que siempre aportan la misma cantidad de oxígeno, independientemente de la situación del suministro, aunque ello no sea siempre necesario. Por tanto, el reto consiste en aplicar una aireación en función de la demanda por una parte y, por otra, abastecer los rangos de carga parcial del perfil de carga de la forma más eficiente posible.
To efficiently supply energy to aeration tanks, AERZEN relies on a product portfolio that consists of one or more blower technologies implemented in accordance with the individual requirements of each waste water treatment plant. This approach makes it possible to achieve maximum efficiency and fully exploit the potential for savings.
The portfolio consists of turbo blowers, positive displacement blowers and rotary lobe compressors. The advantage is obvious: Each of these technologies has individual advantages and strengths, which can be tailored to the individual requirements. Whereas turbo blowers, for example, are impressively energy efficient by design, rotary piston machines excel in terms of adjustability and almost unvarying efficiency in the partial load range. As a hybrid, the rotary lobe compressor combines the advantages of blower and compressor technology in a single system. Depending on the application, it is advisable to choose either a combination of different technologies or the most efficient technology for the case at hand. At the same time, it is possible to install not only different technologies, but also different sizes. And additional potential for savings can be realised if this approach is combined with an intelligent global control system.
Experience has shown that substantial energy savings can be achieved through optimised aeration. For example, by installing an Aerzen turbo blower and a Delta hybrid, the Rheda-Wiedenbrück waste water treatment plant managed to save 40,000 euro in energy costs – per year.
