Control de dosificación química en tratamiento de aguas residuales

Varios procesos de tratamiento de aguas residuales requieren la dosificación controlada de productos químicos en la corriente del proceso, ya sea para ayudar al tratamiento o para eliminar elementos indeseables. Para que las bombas dosificadoras funcionen de manera eficiente, los operadores de la planta deben estar constantemente al tanto de lo que sucede en el proceso de tratamiento para que los niveles de dosificación y las velocidades puedan ajustarse en consecuencia. Partech Instruments, con sede en el Reino Unido, ha desarrollado sistemas de control de avance que emplean analizadores en línea en la corriente de entrada para enviar datos en tiempo real a un sistema de control de dosificación para el ajuste automático de la bomba dosificadora. informa Bryan Orchard.

La eliminación de fosfato del efluente de una planta de alcantarillado es una parte esencial del tratamiento de aguas residuales urbanas del Reino Unido y las directivas relacionadas. Hoy en día, muchas más obras de tratamiento cuentan con permisos de descarga de fósforo, pero, con los altos niveles continuos de fosfato en el agua no tratada, el problema de mantenerse dentro de los permisos está creciendo. La eliminación de fosfatos se lleva a cabo dosificando productos químicos, normalmente sales de hierro u ocasionalmente de aluminio. Los productos químicos utilizados en el proceso son caros, por lo que es de interés de las plantas de tratamiento de aguas residuales ejercer un control estricto del régimen de dosificación.

Partech Instruments de St Austell en el Reino Unido ha desarrollado un control de avance de circuito cerrado de sistemas de dosificación de entrada para la eliminación de fosfato, que se ha probado con éxito en varios sitios en todo el Reino Unido (Figura 1). Los resultados de las pruebas demuestran que este enfoque es confiable y rentable, y puede ayudar a lograr un rendimiento óptimo de la bomba dosificadora y lograr ahorros considerables en productos químicos.

Cuando corresponda, la eliminación natural de fosfato (mediante precipitación biológica o química natural) es el método de elección. Sin embargo, en la mayoría de los casos no es posible y se hace necesario que el operador de la obra recurra a productos químicos, siendo el cloruro férrico y el sulfato ferroso los más utilizados. Cuando la eficacia del hierro es muy reducida, se ha aplicado con éxito una sal de aluminio que funciona normalmente junto con las sales de hierro. En todos los casos, la cantidad de producto químico utilizado es fundamental para la realización de los trabajos, el control de costes y el cumplimiento de la autorización de vertido tanto de fosfato como de hierro/aluminio.

La dosificación de sales de hierro en la parte delantera de una planta requiere un nivel de control de la bomba para garantizar que el pH del afluente no se vuelva demasiado ácido, ya que esto tiene un efecto perjudicial en el proceso de nitrificación. Históricamente, la tasa de dosificación de hierro se calculaba tomando una serie de muestras a lo largo del día y analizándolas para obtener un perfil diurno. Este perfil se introdujo en el sistema de dosificación de manera que se dosificó un volumen específico de hierro en los intervalos de tiempo utilizados y luego se empleó para "controlar" la dosis.

El sistema de muestreo de Partech se basa en el análisis de ortofosfato, a diferencia del fósforo total; la química del ortofosfato es simple y rápida, mientras que la química del fósforo total es más compleja y puede ser muy lenta. El hierro reacciona directamente con el fosfato soluble, que se encuentra casi en su totalidad en forma de ortofosfato. El fósforo total se encuentra en gran parte en forma unida a los sólidos y, por lo tanto, se asienta naturalmente junto con la forma soluble de fosfato tratada. Para analizar el fósforo total, también sería necesario analizar una muestra sin filtrar, lo que en la aplicación de entrada no sería posible.

El sistema de medición utiliza el analizador MicroMac C, que incorpora un sistema de análisis de flujo en bucle (LFA). La técnica LFA altamente flexible permite que el analizador haga frente al alto nivel de turbidez de fondo asociado con las aguas residuales sin tratar. El analizador utiliza un método químico que es directamente comparable con el método del Libro Azul utilizado en los laboratorios, lo que permite una comparación directa con cualquier muestra aleatoria analizada en un laboratorio. (El Libro Azul es publicado por el Servicio de Laboratorio Nacional de la Agencia Ambiental del Reino Unido. Su Comité Estatutario de Analistas brinda orientación autorizada sobre métodos de muestreo y análisis para determinar la calidad de las matrices ambientales).

A lo largo de las pruebas, Partech prestó gran atención al diseño de un sistema de muestreo que fuera de bajo mantenimiento y garantizara un muestreo confiable de aguas residuales crudas. El sistema de muestreo es una parte fundamental del sistema de control y requiere una muestra ópticamente clara para determinar con precisión el nivel de ortofosfato, lo que se logra mediante el uso de tecnología de filtración para eliminar los sólidos de la muestra. El diseño terminado hace frente a flujo bajo y niveles de muestra bajos, arena, irregularidad y flujo turbulento (Figura 2). Además del bajo mantenimiento, el diseño simple ayuda con la confianza del operador y mantiene el costo al mínimo.

La ventaja de determinar el nivel de fosfato en la entrada es que se puede calcular la tasa de dosis de la sal de hierro o aluminio y controlar el sistema de bomba dosificadora usando el flujo combinado y la concentración de fosfato. La salida combinada generada permite al operador ajustar las bombas dosificadoras para las condiciones específicas del sitio que permiten ajustar la relación 'P a Fe' hasta que se optimice. Esta optimización requiere el monitoreo del efluente final para garantizar que los niveles de fosfato estén dentro del consentimiento de la Agencia de Medio Ambiente y una vez que se haya realizado la optimización, no hay necesidad de monitorear más el efluente final. Si bien no es esencial, aquí se puede usar un analizador que mida el fósforo total para monitorear el consentimiento de descarga, ya que el ortofosfato se mide en la entrada.

Al utilizar el control de avance, la bomba dosificadora responde a los cambios reales en los niveles de fosfato y proporciona un régimen de dosificación activo. Por el contrario, el 'perfil diurno' de uso común no puede responder a los cambios en la entrada y puede ser una dosificación excesiva o insuficiente, ambas con consecuencias financieras. Se puede emplear un control de retroalimentación alternativo en algunos sitios, pero tiende a ofrecer un control deficiente debido al retraso de tiempo entre los puntos de dosificación y medición. El proceso de tratamiento de aguas residuales de movimiento lento con tiempos de residencia de muchas horas en tanques de sedimentación y balsas de aireación se beneficia del control de avance. El sistema de medición de Partech lo hace posible, operando donde no se pueden aplicar sistemas alternativos.

Todos los sistemas de dosificación de productos químicos de Partech siguen el mismo patrón básico, aunque pueden tener un aspecto muy diferente. Cada sistema tiene dos tanques de almacenamiento de productos químicos que se pueden aislar para permitir el mantenimiento. El producto químico sale de los tanques de retención a través de una serie de válvulas de aislamiento a los filtros en línea. Estos filtros eliminan los desechos del producto químico, lo que puede reducir la eficiencia de bombeo o bloquear las válvulas aguas arriba de las bombas. Estos filtros necesitan una limpieza regular y son la causa más común de problemas dentro del sistema de dosificación. Si se bloquean, la bomba no puede administrar la tasa de dosis requerida. Es recomendable limpiar ambos filtros antes de calibrar una bomba.

Una vez que el producto químico ha pasado por los filtros, pasa a una de las dos bombas dosificadoras (de servicio/en espera) para cada punto de dosificación. Algunos sitios tienen más de un punto de dosificación, en cuyo caso habrá sistemas de dosificación individuales para cada punto de dosificación.

Después de cada bomba hay una válvula de alivio de presión. Si hay un bloqueo aguas abajo de las bombas y la presión dentro del sistema alcanza la necesaria para abrir estas válvulas, el producto químico volverá a los tanques de retención (a través de las líneas de desbordamiento) o al depósito, según el tipo de sistema. Posteriormente, la descarga de ambas bombas se une a una línea común, por lo que todos los elementos posteriores son comunes a ambas bombas.

El siguiente elemento en la ruta del flujo es el amortiguador de pulsaciones. Las bombas empujan el químico hacia adelante en pulsos y el amortiguador los suaviza para que el químico llegue al punto de dosificación en un flujo constante. El amortiguador está a 10 bar de presión. Después del amortiguador de pulsaciones hay un monitor de flujo, que detecta si la tasa de flujo químico cae por debajo de un punto de ajuste ajustable. Si esto sucede, la bomba de trabajo ha fallado, se activa la bomba de reserva y se activa una alarma. Si la bomba de reserva no proporciona el caudal mínimo, entonces esa bomba también falla y se genera una alarma de mayor prioridad.

Después del monitor de flujo hay un manómetro que muestra la presión en el sistema de dosificación y la contrapresión en las bombas. Puede utilizarse para determinar la causa de un problema si el sistema no funciona correctamente, es decir, si la válvula de carga, que es el siguiente elemento en la ruta de flujo, está bloqueada y el producto químico está pasando a través de las válvulas de alivio de presión. Dependiendo del sitio, la presión que se muestra en el manómetro puede no ser cero cuando las bombas no están funcionando debido a la contrapresión de la válvula de carga. El manómetro también se utiliza para ajustar la válvula de carga.

La válvula de carga tiene dos propósitos. El primero es detener el sifón de productos químicos desde los tanques de almacenamiento hasta el punto de dosificación. El segundo es asegurarse de que haya una contrapresión en las bombas para que suministren la dosis que deberían para una velocidad determinada. Si se cambia la presión impuesta por la válvula de carga, entonces se deben recalibrar las bombas.

Una vez que el producto químico ha pasado por la válvula de carga, viaja al punto de dosificación a través de la línea de dosificación. El potenciómetro de calibración se utiliza para medir cuánto están dosificando las bombas y si el ajuste de carrera de cada bomba es adecuado para las tasas de dosis requeridas. Las válvulas de lavado son puntos en el sistema de dosificación donde las líneas se pueden conectar y usar para descargar agua potable (no efluente final) para limpiar cualquier producto químico antes de que se lleve a cabo el trabajo de mantenimiento. Por lo general, hay un botón de parada de emergencia para cada conjunto de bomba. Esto fallará en ambas bombas.

Cuatro compañías de agua proporcionaron sitios para el programa de evaluación de Partech: Thames, Wessex, Southern y Anglian Water. El sitio de Thames Water, con una población equivalente (PE) de 39 000, tenía una entrada bombeada y un sistema Gee & Co que dosificaba sulfato férrico controlado por un patrón diurno predeterminado. El flujo de entrada varió entre 40 y 200 litros por segundo y aguas arriba del punto de medición había un vertedero debajo del cual había dos 'bancos de arena' que liberaban cantidades significativas de arena durante el flujo alto.

La unidad de prueba se colocó sobre el canal de entrada unos 20 m aguas arriba (Figura 3) del punto de dosificación y la bomba de muestreo se ubicó directamente debajo de la unidad de prueba. La señal de flujo se obtuvo de un medidor de flujo existente. Después de cuatro meses, el sistema analizaba de manera confiable las aguas residuales crudas en busca de ortofosfato y, cuando se combinaba con el flujo de entrada, controlaba con éxito el sistema de dosificación. Durante las etapas iniciales, Partech pudo demostrar un ahorro de alrededor del 25 % del hierro dosificado en comparación con el régimen de dosificación diurno. Posteriormente, esto se mejoró en un 8 % adicional ajustando la relación 'P a Fe'.

Keynsham Sewage Treatment Works de Wessex Water es una entrada bombeada que tiene una población equivalente a 23.000 habitantes. Tiene un consentimiento de fósforo total de 2 mg/litro como P y utiliza sulfato férrico dosificado por un sistema de dosificación de Michael Smith Engineering Ltd. El objetivo del ensayo era demostrar que el control del sistema de dosificación de hierro mediante una combinación de nivel y caudal de fosfato ofrece una relación coste-beneficio debido a la reducción de la cantidad de solución de sulfato férrico (12,5 % Fe) utilizada.

Se colocó un monitor de ortofosfato en la entrada a la obra después de las pantallas y antes del punto de dosificación de hierro. La salida de corriente (mA) del medidor de flujo existente se envió al monitor y se combinó en un módulo electrónico PR con la salida de fosfato en mA y se aplicó un algoritmo para proporcionar una sola salida de mA a la unidad de dosificación.

El ensayo duró 14 días, durante los cuales se utilizaron períodos de "control" y "sin control". 'Sin control' significa usar el método tradicional de establecer el nivel de dosis. Se utilizó un analizador portátil para medir el nivel de fosfato en el efluente final para evaluar la eficiencia del proceso de eliminación de fosfato y garantizar que el efluente cumpliera durante la prueba.

Inicialmente, la proporción de hierro a fosfato se estableció de tal manera que la salida de la unidad de prueba imitara el mecanismo de dosis existente, es decir, un factor de 3. Después de un período de días, este factor se redujo a 2,5 para ver la diferencia en la dosis. . En esta etapa se instaló un analizador portátil para monitorear el efluente final.

La unidad de prueba se instaló junto al canal de entrada, justo antes del punto de medición de flujo en el canal y aguas arriba del punto de dosificación. La bomba de muestra se colocó lo más cerca posible de la unidad de prueba, y la señal de flujo se obtuvo de un medidor de flujo existente.

La bomba sumergible estaba controlada por el analizador y, de forma rutinaria, solo funcionaba durante c. 90 s por ciclo de análisis, tiempo suficiente para que se limpie el elemento del filtro y se llene el recipiente de la muestra secundaria hasta que se desborde antes de que el analizador recoja su muestra. Este ciclo permite el uso de una muestra filtrada sin tener que limpiar manualmente el elemento filtrante más de una vez cada tres meses.

El efluente final se monitoreó junto al punto de muestreo de aguas residuales urbanas para amoníaco y ortofosfato. La muestra se bombeó hasta el recipiente de muestra mediante una pequeña bomba peristáltica a través de una línea de muestra sin filtrar. Los datos obtenidos por este sistema se utilizaron para comprobar que ninguno de los ajustes realizados en la parte delantera afectaba negativamente al efluente. Mediante el uso del analizador de fosfato en la entrada a la planta, podría ser posible detener la dosificación de hierro por completo cuando la concentración de P entrante cae por debajo de una determinada cifra, por ejemplo, 3 mg/litro. Por supuesto, esto introduciría otro ahorro potencial y podría integrarse fácilmente en el paquete de control de dosificación.

Con el costo del sistema de control de Partech en la región de £12 000–£17 000, dependiendo de las condiciones del sitio, y un ahorro del 18 % anual en un sitio con una tasa de dosificación química de aproximadamente 400 litros por día a una costo de £ 50 por tonelada, el período de recuperación es de menos de 12 meses.

El uso de un sistema de control 'activo' en la entrada a una planta puede tener los siguientes efectos:

1. Control más estricto y efectivo de la unidad de bomba dosificadora de químicos, con respuesta a eventos rutinarios y no rutinarios.

2. Se espera que los ahorros de químicos dosificados estén en el rango de 10 a 40% dependiendo del estado de los trabajos en lo que respecta a la optimización.

3. Menos probabilidad de fracaso del consentimiento tanto para el químico residual (Fe o Al) como para el fosfato.

4. Reducción de la producción de lodos.

5. Reducción del potencial de corrosión de las obras por sobredosificación de hierro.

6. El sistema de control tendrá un período de recuperación en relación con el tamaño de la obra y el volumen de hierro que se utilice y no se espera que sea viable en una obra pequeña.

En resumen, ahora existe un sistema de control de dosificación fiable y robusto para obras de alcantarillado que optimiza tanto el rendimiento de la bomba dosificadora como los productos químicos utilizados.