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10-11 Septiembre 2015Santa Marta, Colombia

ACODAL 58° Congreso Internacional: Taller Gestión de la Energía para Empresas de Acueducto y Alcantarillado de Latinoamérica y el Caribe

Líderes en Energía – DC Water, Washington, DC, USA

Jaime A. Alba, P.E.

Ingeniero de Control de Procesos en DC Water

[email protected]

Taller de Gestión de Energía 2015

Información General – Blue Plains

• Tiene una cobertura de aproximadamente 2.2 millones de personas

• District of Columbia + porciones de los estados de Maryland y Virginia

• El sistema de alcantarillado tiene una longitud aproximada de 1,800 millas (aprox. 2,900 Km)

• Caudales Combinados (alcantarillado y aguas lluvias)



• Es considerada la PTAR avanzada (nitrificación/desnitrificación y filtrado) más grande del mundo

• Tiene una cobertura de un área aproximada de 725 millas cuadradas (188,000 Hectáreas o 1,900 Km2)

• Ocupa aproximadamente 150 acres (61 Hectáreas o 0.61 Km2)

• Caudal promedio de diseño de 370 mgd (16.2 m3/s) y un caudal máximo/pico de 1.076 billones de galones al día (47.14 m3/s)



La PTAR Avanzada de Blue Plains consiste de los siguientes procesos:

• Tratamiento preliminar

• Tratamiento primario químicamente mejorado (CEPT)

• Tratamiento secundario de lodos activados

• Nitrificación / desnitrificación

• Filtrado

• Cloración / decloración)

• Aireación posterior



Permisos:

• Sólidos Suspendidos Totales – 7.0 mg/L

• Demanda Carbónica Bioquímica de Oxígeno – 5.0 mg/L

• Fósforo Total – 0.18 mg/L promedio mensual

• Nitrógeno Total – 3.8 mg/L


Consumo de Energía en Blue Plains –Antes de…

Bombeo y tratamiento preliminar

4%

Tratamientoprimario

4%

Aireaciónsecundaria

14%

Sedimentación secundaria + RAS

7%

Aireación de nitrificación

20%

Sedimentación y Nitrificación + RAS

7%Bombeo de filtrado5%

Filtrado10%

Clorinación<1%

Manejo de lodos14%

Misc10%

Edificios5%


New Filtrate TreatmentProcess

$84 million

Tunnel Dewatering Pump Station & Enhanced Clarification Facility

$300 million

Upgrade & expansion of theNit/ Denit system

Upgrade of the Secondary High Rate System

$26 million

New BiosolidsManagement Program

$407 million Dual Purpose Sed BasinsUpgrade

$18 million-

Enhanced Nutrient Removal

Facilities

$340 million


Remoción Mejorada de Nitrógeno (ENR)

• El programa ENR que se encuentra en la etapa final de ser implementado, consistió tanto de edificios nuevos como de mejoras a edificios existentes para cumplir con los nuevos límites de nitrógeno total que pueden ser descargados al río y que se incluyeron en el nuevo permiso que entró en vigencia este año (2015)

• Difusores de burbujas finas

• 72 mezcladores de 70 HP fueron reemplazados con mezcladores eficientes InventTM de 12 HP



• Se removió un soplador de 5,000 HP

• El consumo de energía de la planta se redujo de aproximadamente 32 MW a aproximadamente 28 MW


Programa de Biosólidos en Blue Plains

En 1938, la planta contaba con digestores y generaba la energía necesaria para operar

• Únicamente tratamiento primario

• Digestores enterrados

• Motores generadores de electricidad

• Quemadores



• Los digestores de la planta con tratamiento primario fueron puestos fuera de servicio en el año 2000

• Para el reemplazo de los digestores se realizaron varios estudios y evaluaciones de factibilidad

• Diseños preliminares proponía instalar 8 digestores ovalados



• Los diseños preliminares proyectaron la necesidad de una capacidad de almacenamiento de 45 millones de galones (170,000 m3)

• El costo era gigante y se elevó más por falta de competencia

• Se continuo con la investigación y evaluación de alternativas

• 12 alternativas fueron consideradas y evaluadas



• Se compararon los costos de operación y mantenimiento

• Se evaluó el consumo de energía y la generación de energía renovable

• Había limitación en el espacio disponible

• Se compararon las proyecciones de la reducción de emisiones de gases contaminantes



• Se visitaron 10 plantas que utilizaban hidrólisis térmica en Europa

• La hidrólisis térmica ya se había desarrollado e implementado en gran escala entre 1995 y 2008

Anglian Water’s Cotton Valley Plant, UK



25

Digestión anaeróbica

Menor cantidad de volumen requerido y mejor aprovechamiento del espacio disponible

Tecnología de hidrólisis térmica y CambiTM ya comprobada e implementada a gran escala en Europa

Producción de lodos bien deshidratados y de alta calidad

Producción de lodos Clase A

Mejor escenario para la reducción de emisión de gases contaminantes



• Estabilización de biosólidos para la reducción de patógenos antes de ser transportados en camiones a tierras de cultivos

• Los biosólidos se aplican de nuevo a la tierra, reciclando el carbón y los nutrientes (nitrógeno y fósforo)

• Los biosólidos generados eran clase B y soportan la agricultura, silvicultura, recuperación de minas y producción de compostaje



• Los sistemas de bandas transportadoras necesitaban ser reparados/cambiados

• En el año 2009, DC Water lanzó el programa para convertir el proceso de estabilización de los sólidos de Clase B generados en un proceso confiable que generara lodos Clase A

• Se seleccionó el proceso de hidrólisis térmica seguida de digestores anaeróbicos por su habilidad única de convertir los lodos en biosólidos estables Clase A y con un bajo nivel de olores


Deshidratación Preliminar


Deshidratación Preliminar

• Lodos deshidratados caen directamente en las tolvas

• Se redujo la distancia de bombeo de los lodos deshidratados hasta CambiTM

• Los lodos deshidratados finalmente requieren una banda transportadora independiente únicamente

Lodos del

15 al 18%

Deshidratación Preliminar -

Centrífugas

Bombeo a

CambiTM

(distancia reducida)

Tolva

s


CambiTM THP

• El programa se centró en la implementación del sistema de hidrólisis térmica de CambiTM, digestores anaeróbicos, y deshidratación final por medio de filtros prensa de banda

• La tecnología de hidrólisis térmica de CambiTM ya utilizada en Europa no había sido adoptada en Estados Unidos

• CambiTM permitió que el volumen requerido en los digestores se redujera considerablemente en aproximadamente un 50%


CambiTM THP

• Permite que se alimenten los digestores con lodos en concentraciones mayores de lo normal (10% comparado con el tradicional 5%)

• Se generan biosólidos Clase A

• DC Water es la primera planta en implementar este tipo de tecnología en Estados Unidos

• Es la instalación mas grande a nivel mundial de esta tecnología


Despulpadora• entran lodos de 15 a 18.5 %TS• Se precalientan a 60-99 °C con vapor reciclado• Mezclado

Reactores• Proceso por lotes• Se calienta a 150-180 °C• 3.7-9.5 bar• 22-30 minute detention time

Tanque de Expansión

• Despresurización• Enfriamiento a 70-115 °C• 8-12 %TS hacia los digestores


CambiTM THP


Digestores Anaeróbicos

• 4 digestores anaeróbicos de 3.8 millones de galones (15,000 m3)

• Diámetro aproximado de 100 ft (30.48 m)

• Altura aproximada de 67 ft (20.4 m)

• Producción de gas metano alrededor del 65%


Digestores Anaeróbicos


Filtros Prensa de Banda

• Concentraciones bajas de olores

• Prensas de alta calidad y desempeño

• Alta eficiencia en la captura de sólidos

• Genera lodos de aproximadamente mas de 30% de concentración (tradicionalmente entre 16% y 18%)



Estación de lavado

de la banda

Lodos deshidratados

Zona de gravedad

Zona de baja presión

Zona de alta presión

Estación de lavado

de la banda

Entrada de lodosLodos y polímero condicionado


Cogeneración (CHP)

• Se seleccionó el sistema de cogeneración basada en turbinas por su habilidad de utilizar biogás para producir el vapor necesario para el proceso de hidrólisis térmica y energía eléctrica

• La generación del vapor requerido para el funcionamiento de CambiTM es generado por el sistema de generadores de vapor por medio de la recuperación de calor (heat recoverysteam generators – HRSGs)

• Las turbinas tienen una capacidad máxima de 13 MW, de los cuales se están generando alrededor de 10 MW netos de energía renovable


Cogeneración (CHP)

• Baja emisión de gases contaminantes

• Alto desempeño comprobado con biogás

• Cumple con la demanda de vapor necesaria para CambiTM


Cogeneración (CHP)


Diagrama de flujo del proceso de Biosólidos

Deshidratación

Lime

Almacenamiento

y carga

Clase B

DAFTs

Mezclado

R

R

Cribado y

DeshidrataciónDeshidratación

Final

Reciclaje

de líquidos

R

CargaCambi™ THP

Vapor Biogas

Tratamiento de Biogas y

Cogeneración

Emisiones

Digestión

Anaeróbica

Clase A

Energía

R

R

Espesadores

por

Gravedad

Tanques de Mezclado


Tipo de Proyectos

Deshidratación

Lime

Almacenamiento

y carga

Clase B

DAFTs

Mezclado

R

R

Cribado y

DeshidrataciónDeshidratación

Final

Reciclaje

de líquidos

R

CargaCambi™ THP

Vapor Biogas

Tratamiento de Biogas y

Cogeneración

Emisiones

Digestión

Anaeróbica

Clase A

Energía

R

R

Espesadores

por

Gravedad

Tanques de Mezclado

DBO

DBB

DBDB


Beneficios

• Se eliminó la necesidad de estabilizar los sólidos (sólo para casos extremos)

• Se redujo la cantidad de biosólidos generados en aproximadamente un 50%

• Produce biosólidos Clase A que tiene más usos que los biosólidos clase B, como para la recuperación de suelos

– Se puede vender en tiendas– Árboles– Secuestro de carbono


Beneficios

• Se redujo la emisión de gases contaminantes (huella de carbono)

• Se redujo el transporte de lodos aproximadamente en 1.7 millones de millas (2.7 millones de Km) por año

• Cogeneración de energía renovable de un promedio neto de 10 MW


Beneficios

• Se estima que DC Water va a reducir costos en el transporte de biosólidos en aproximadamente USD$10 miliones al año

• Se estima que DC Water va a reducir los costos del consumo de energía eléctrica entre aproximadamente USD$6 a USD$8 millones al año disminuyendo su demanda de electricidad en un tercio (DC Water es la entidad que mas consume electricidad en el área)


Consumo de Energía Proyectada en Blue Plains

0

5

10

15

20

25

30

35

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Co

nsu

mo

de

Ener

gía

(MW

)

Año


BeneficiosSummary of Benefits

10 MW

19 MW20.5 MW

25 MW

28 MW

31 MW

40 MW

Enero, 2015 Julio, 2015


Adicionalmente…

• Se continúa con la aplicación de biosólidosClase A en la agricultura

• Se genera un producto mezclado para los suelos (similar al compostaje)

• Se usa el producto alrededor de la zona urbana para la plantación de árboles, infraestructura verde, regeneración, etc.


Jardín y Compostaje en Blue Plains


Adicionalmente…

• Energía solar

• Co-digestión

• Remoción de nitrógeno por atajo


Conclusiones

• Se están cumpliendo los objetivos principales:

– La reducción del consumo de energía– El mejoramiento de la auto sostenibilidad de la planta

(cogeneración)– La reducción de la huella de carbono– Le reutilización de recursos (energías renovables)

• La investigación es muy importante en el desarrollo, evaluación, y estudios de factibilidad de tecnologías nuevas

• Los acuerdos y convenios con entidades académicas son de vital importancia


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