Tratamiento de aguas residuales: consideraciones de diseño para sopladores

Los sopladores se utilizan principalmente en la fase secundaria del tratamiento para crear burbujas de aire que sirven para dos procesos principales: aireación y agitación.

Desde alimentos y bebidas hasta textiles, el tratamiento de aguas residuales brinda a los usuarios la capacidad de revertir el daño causado a uno de los recursos naturales más preciados. El agua es un recurso vital y, debido a sus propiedades inherentes, ofrece uno de los mejores métodos para transportar productos de desecho tanto en procesos municipales como industriales.

El objetivo del tratamiento de aguas residuales es mejorar los procesos que ocurren naturalmente y devolver el agua al nivel de pureza deseado. En los municipios, las aguas residuales tratadas se devuelven a un cauce natural. Para las industrias, una vez que se trata el agua, se puede reutilizar internamente dentro de la empresa, dirigirla a un sistema de aguas residuales municipal para su posterior procesamiento o devolverla a un curso de agua natural.

Hay dos etapas básicas en el tratamiento de aguas residuales: primaria y secundaria. La fase primaria actúa como un clarificador que permite que las aguas residuales suspendan grasas y aceites en la parte superior y sólidos en la parte inferior. Luego, el agua se envía a un tanque de aireación para comenzar la fase dos. La etapa secundaria utiliza procesos biológicos para purificar aún más las aguas residuales. A veces hay una fase terciaria en la que puede ocurrir un tratamiento químico adicional.

¿Dónde encajan los sopladores en ese proceso?

Los sopladores se utilizan principalmente en la fase secundaria del tratamiento para crear burbujas de aire que sirven para dos procesos principales: aireación y agitación.

La función principal de la aireación es proporcionar oxígeno utilizable para los procesos biológicos antes mencionados. Esto permite mantener una concentración mucho mayor de microorganismos (el agente que elimina los desechos del agua) de lo que ocurriría naturalmente.

IMAGEN 1: Uso de burbujas de aire para aireación y agitación

La agitación es una acción de agitación que tiene lugar en el agua, manteniendo los materiales de desecho suspendidos y poniéndolos a disposición de los microorganismos para que puedan aprovecharlos y eliminarlos de la corriente de agua.

Si bien la ciencia del tratamiento de aguas residuales es la misma, rara vez existe una sola respuesta correcta para la selección del soplador en el diseño del tratamiento de aguas residuales. Diferentes factores pueden influir en las necesidades del usuario, desde el flujo requerido y la presión del sistema hasta el espacio disponible y las condiciones ambientales. Además, debido a la naturaleza crítica del oxígeno en los sistemas de tratamiento de aguas residuales, la redundancia en el sistema es notablemente importante.

Las tecnologías centrífugas y de desplazamiento positivo son dos diseños principales para sopladores. Las tecnologías de desplazamiento positivo utilizan elementos de tornillo y elementos de lóbulo para mover físicamente el aire.

Las tecnologías centrífugas, por otro lado, presentan un proceso dual en el que un impulsor acelera el aire y se usa un difusor para elevar la presión del aire. Lograr el flujo y la presión finales se logra enviando el aire a través de múltiples etapas de impulsores o mediante un solo impulsor de alta velocidad. El impulsor único puede lograr esta alta velocidad a través de un accionamiento directo o utilizando un conjunto de engranajes integrales.

Consideraciones de diseño

Al determinar un soplador de aguas residuales adecuado, el primer paso es identificar el flujo requerido del sistema. Eso se determina en base a la demanda de oxígeno de los microorganismos en el sistema de tratamiento. El metabolismo del material orgánico, la eficiencia del intercambio de oxígeno en el tanque y las condiciones del sitio juegan un papel en el oxígeno requerido en la corriente de aguas residuales.

IMAGEN 2: Consideraciones de diseño para sopladores en plantas de tratamiento de aguas residuales.

El metabolismo de la materia orgánica utiliza los desechos, los microorganismos y el oxígeno (O₂) para crear dióxido de carbono (CO ₂ ), amoníaco y la energía necesaria para producir más microorganismos. En una segunda reacción, el amoníaco, los microorganismos y el O ₂ se convierten en óxido nitroso, agua y más microorganismos.

Al tomar muestras y emplear un cálculo de ingeniería basado en la demanda biológica de oxígeno, los niveles de amoníaco y la eficiencia de transferencia de oxígeno, se puede determinar un requisito estándar de pies cúbicos  por minuto (SCFM) para el sistema.

Al observar SCFM, recuerde que se trata de un flujo másico y que variará con la temperatura y la presión ambientales. Por ejemplo, el aire caliente tiene menos oxígeno que el aire más frío por pie cúbico. Lo que esto significa es que para calcular las tasas de flujo reales para el producto y la aplicación, estos cálculos deben considerar como mínimo la elevación del sitio y las temperaturas ambiente altas y bajas.

Una segunda consideración del tamaño del soplador será la presión anticipada del sistema. Si un soplador tiene una clasificación de 17 libras por pulgada cuadrada (psi), esa es realmente una clasificación de la cantidad máxima de contrapresión del sistema que el soplador puede superar. Esta es una función de la potencia del motor del soplador; cuanto más potente sea el motor, mayor será la presión que los usuarios pueden obtener en la tubería.

DATO CURIOSO: Un soplador en realidad no genera presión en el sistema. A diferencia de un compresor, que crea presión en el sistema, los sopladores crean flujo. La presión realmente proviene de la contrapresión en el sistema, que es una función de la presión estática en el sistema relacionado con la profundidad del tanque, así como las pérdidas de presión o la fricción de las tuberías o las almohadillas del difusor.

Las condiciones del sitio también jugarán un papel importante en la selección del soplador. Los turbos de alta velocidad y las unidades centrífugas con engranajes integrales son tradicionalmente más adecuados para aplicaciones interiores o más limpias, donde las unidades centrífugas multietapa y de desplazamiento positivo tienden a ser más adecuadas para entornos más duros y uso en exteriores.

Otro factor importante es la cobertura. Rara vez hay algo dentro del tratamiento de aguas residuales en un estado estable, por lo que utilizar un solo ventilador de velocidad fija para proporcionar un flujo de aire constante no se adaptará a una instalación de tratamiento de aguas residuales de manera eficiente. Hay picos y valles para la afluencia y un sistema diseñado de manera eficiente podrá ajustarse para cumplir con estos cambios.

El costo de la energía es consistentemente la mayor parte del costo total de propiedad de los sopladores en el tratamiento de aguas residuales. Para proporcionar ahorros de energía, el soplador debe ajustar el flujo a la demanda. No es raro ver una relación de flujo máximo a mínimo de 10:1 o superior en una planta de tratamiento de aguas residuales.

A menudo, se usará un sensor de oxígeno disuelto en los tanques de una instalación de tratamiento de aguas residuales para monitorear el nivel de oxígeno, y se retroalimentará a un sistema de control que permitirá cambiar el flujo de los sopladores para asegurarse de que se mantenga dentro del nivel deseado. Rango para el crecimiento de bacterias.

LA REDUNDANCIA JUEGA UN PAPEL

Los niveles de aireación en el tratamiento de aguas residuales suelen ser de cinco a siete veces más altos de lo que ocurriría naturalmente. Si de repente ese nivel de oxígeno no está allí, los microorganismos comenzarán a morir rápidamente. Los sistemas de tratamiento de aguas residuales pueden tardar días o semanas en equilibrarse, por lo que los operadores del sistema no pueden correr ese riesgo. Como resultado, los sistemas de tratamiento de aguas residuales suelen tener múltiples sopladores para proporcionar un grado de redundancia que permite que el proceso continúe en caso de que un soplador necesite mantenimiento o reparación.

Consideraciones de diseño para sopladores en plantas de tratamiento de aguas residuales, incluidos los costos.

IMAGEN 3: Consideraciones de diseño para sopladores en plantas de tratamiento de aguas residuales, incluidos los costos.

A menudo, los operadores dividen los sistemas en varias máquinas. Por ejemplo, un sistema tres más uno tendría tres unidades capaces de 1/3 del caudal máximo, más una máquina en espera. Con eso, los operadores pueden ajustar el flujo para maximizar la eficiencia del sistema, proporcionando ahorros de energía y permitiendo que se mantenga la redundancia a través de una máquina de respaldo. Los sistemas como estos a menudo requerirán una inversión menor que una máquina capaz del 100 % del flujo y una unidad de respaldo.

 Además, los operadores suelen utilizar el equilibrio de carga, donde se utiliza un controlador o un enfoque manual para cambiar las funciones de las máquinas entre primaria, secundaria y redundancia. Entonces, con el tiempo, todas las máquinas experimentan la misma cantidad de horas de funcionamiento, lo que ayuda con el mantenimiento y el ciclo de vida.

 Determinar las necesidades de equipos para aplicaciones de tratamiento de aguas residuales puede implicar una serie de variables, y elegir la configuración correcta puede tener un gran impacto en la eficiencia y eficacia del sistema.