Parametrización del consumo energético en las depuradoras de aguas residuales

Resumen

1. INTRODUCCIÓN. 1.1 ANTECEDENTES. Tras haber asistido en Murcia a las V Jornadas Técnicas organizadas por ESAMUR sobre "Eficiencia Energética" en Noviembre de 2009, detecté la falta de estudios serios generalistas de investigación sobre el tema, ya que salvo alguna ponencia concreta, la mayoría de las investigaciones se trataban de forma puntual sobre cómo ahorrar energía con un equipo nuevo, o con un software en desarrollo. Tras varias conversaciones con mi Director de Tesis y con el Director Técnico de ESAMUR, y organizador de las jornadas citadas, decidimos que mi tesis doctoral se podía centrar en intentar parametrizar el consumo energético de las EDAR urbanas en función de los parámetros necesarios, para que sirviese dicha parametrización como herramienta de planificación y cálculo, así como para el control y supervisión de la correcta operación y mantenimiento. 2. OBJETIVOS DEFINITIVOS Considerando todo lo anteriormente expuesto del Estado del Arte y habiendo llegado a la conclusión de la casi inexistente bibliografía sobre el tema, establezco como objetivos definitivos los siguientes: 1. Definir qué parámetros de las EDAR son los más significativos para la planificación y diseño de las nuevas EDAR urbanas y el control de la operación y mantenimiento de las mismas. 2. Estudiar las correlaciones prácticas entre dichos parámetros y el consumo energético estimado y real de las EDAR. 3. Definir las fórmulas empíricas que pronostiquen el consumo energético de las EDAR en función de dichos parámetros, acotando el ámbito en el que se puedan aplicar y el grado de fiabilidad de las fórmulas. 3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 3.1 CONCLUSIONES. Las conclusiones más relevantes que pueden extraerse de la investigación realizada son las siguientes: 1. La variable que debe servir como variable independiente, y sobre la cual se debe realizar la segmentación es la de habitantes equivalentes, ya que ella se incluye, de una forma universalmente reconocida, tanto el caudal a tratar, como la carga contaminante de entrada del mismo. Este hecho se hace muy relevante con los datos estudiados, ya que hay varias EDAR que tratan unos caudales muy elevados con una carga contaminante muy baja, por lo que cualquier investigación que trate los datos estadísticamente desde el punto de vista meramente de caudales tratados en m3 tiene unas fuertes desviaciones. 2. La segunda conclusión, es que una vez segmentada la muestra por habitantes equivalentes, el parámetro que mejor correlaciona el consumo de energía es el de kWh/m3, lo cual parece lógico, ya que parte de la carga contaminante de cada m3 de agua tratada se tiene en cuenta en la variable independiente (habitantes equivalentes). 3. Evidentemente, aunque la media lineal de esa correlación sería del valor de =0,57kWh/m3, se puede afinar más, con R2 = coeficiente de correlación = 0.9804, a una ecuación de la forma cuadrática siguiente: Y = 0,0267 X2 - 0,5858 X + 3,565 (1) Donde: Y = Consumo energético de la EDAR medido en kWh/m3 tratado. X = Nº de habitantes equivalentes tratados Así puedo indicar que las EDAR de gran tamaño, que tratan elevado número de habitantes equivalentes (> 100.000 h-e) consumen muy por debajo de la media, y que las EDAR de pequeños tamaños (< 2.000 h-e), aunque sean muchas, tratan poco volumen entre todas en relación con las grandes, pero consumen hasta 6 veces más energía que la media. 4. El siguiente parámetro que mejor correlaciona el consumo de energía con la variable independiente (h-e) es el de la suma de contaminantes eliminados: DBO5, SS, N y P en t. La media lineal de esa correlación sería del valor de =0,41MWh/t total tratada (DBO5, SS, N y P), se puede afinar más con un R2 = coeficiente de correlación = 0.9523 a una ecuación de la forma potencial siguiente: Y = 8,3083 X -1,436 (2) Donde Y = Consumo energético de la EDAR medido en MWh/t total tratada. X = Nº de habitantes equivalentes tratados 5. No obstante, considerando que no todas las EDAR pueden tener eliminación de N y P (principalmente las pequeñas), es mejor adoptar las siguientes correlaciones entre el consumo de energía y la contaminación eliminada: a. MWh/ Cantidad de DBO5 depurada en t, cuya media lineal sería de 1,81 MWh/t de DBO5 depurada y cuya mejor curva de aproximación con R2 = correlación del 0.9406, es la siguiente de forma potencial: Y = 52,024 X -1,566 (3) Donde: Y = Consumo energético de la EDAR medido en MWh/t de DBO5 tratado. X = Nº de habitantes equivalentes tratados. b. MWh/ Cantidad de SS depurada en t, cuya media lineal sería de 1,63 MWh/t de SS depurada y cuya mejor curva de aproximación con R2 = correlación del 0.9006, es la siguiente de forma potencial con : Y = 50,122 X -1,539 (4) Donde: Y = Consumo energético de la EDAR medido en MWh/t de SS tratado. X = Nº de habitantes equivalentes tratados. 6. Las correlaciones de N y P no se han seguido estudiando, ya que no todas las EDAR tienen eliminación de ambos contaminantes, y su correlación lineal inicial no era muy significativa (0,6888 para MWh/t N y 0,6715 para MWh/t de P). 3.2 RECOMENDACIONES. La primera recomendación que puede hacerse a la vista de la investigación realizada es que se debe tender a diseñar EDAR que traten más de 100.000 habitantes equivalentes, para ser eficientemente energéticas, por lo que en la medida de lo posible se debe intentar concentrar los caudales de aguas residuales para optimizar el consumo energético por m3 tratado, por t de DBO5 tratada, por t de SS tratada y por t total tratada (DBO5, SS, N y P). A partir de esos tamaños el consumo energético se reduce debido a las sinergias que producen las economías de escala, y a que aumentan las posibilidades de rentabilizar la implantación de sistemas de cogeneración reutilizando el biogás producido, y el calor de los gases de escape de la combustión para aumentar el rendimiento de los digestores y el secado de los fangos. Evidentemente, además del ahorro energético en las grandes EDAR, se suman las sinergias en costes de empleados, costes generales, de compra de productos,.... lo cual es la conclusión mas importante de esta investigación, para planificadores y diseñadores de EDAR urbanas. Los parámetros fijados en el apartado anterior, servirán para comprobar si el diseño y la operación y mantenimiento de las EDAR es el adecuado o se está desviando. Otra importante conclusión es que para EDAR de tamaños pequeños (< de 500 o 250 h-e), que no se puedan concentrar los caudales para tratarlos en EDAR de mayor capacidad, se deben utilizar otras metodologías y sistemas de depuración mas eficientes energéticamente, ya que el consumo se puede elevar exponencialmente. Existen diferentes metodologías (oxidación total, macrofitas, tanques imhoff, flujo pistón,...) que deberán ser seleccionadas según las condiciones de contorno que se tengan en cada caso.