Las Lineas Base de Intensidad Comparativa

Leader in Distributed Wastewater Systems

Las Lineas Base de IntensidadEnergetica. Evaluacion

Comparativa

Dr. Eugenio Giraldo

Septiembre , 2015

9/23/2015 Slide: 2

Contents

• Introduccion

• Estudios Antecedentes• Estados Unidos y Europa

• Evaluaciones comparativas (Benchmarking)

• La importancia de la sub-medicion

• Adaptacion a condiciones locales

• Uso de la herramienta

• Ejemplos

• Que hacer

• Conclusiones

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Porque son importantes los costos de energia

Monthly O&M Fee per customer vs Size

0

5

10

15

20

25

1.8 8 15

Treated Flow (MGD)

$/c

usto

mer

mo

nth

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

% t

ota

l O

&M

fe

e

Total Fee, $/customer month Sludge Disposal, % total Electric Energy, % total

• La energia representa 20-30% de los costos de O&M en USA

• Probablemente mas en Latinoamerica

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Introduction

• Como hago para saber si la PTAR usamucha energia?

• Cuanto puedo ahorrar si hago un plan de optimizacion energetica?

• Cual es el impacto en la tarifa?

• Necesito una herramienta de evaluacioncomparativa simple de usar

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Estados Unidos y Europa

• Europa usa una unidad

per capita basada en gr

de DBO or gr de DQO

contributed por persona y

por dia

• Ver Tabla de la izquierda

– kWh/ pe ano

– Wh/ pe dia

• USA utiliza energia por

unidad de volumen de

agua tratada

– kWh/MG

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Comparasion de Indicadores

– Practico

– Todas las plantas miden

el caudal tratado

– Todas las plantas tienen

recibos de energia

electrica

– Amplia base de datos

– Facil de calcular

– Ciertos procesos claves

dependen de la DBO y

no directamente del

volumen de agua a tratar

– Dificil de comparar

cuando la DBO cambia

– Se necesita tres

parametros bien medidos

– DBO, Caudal, Energia

– Mas acertado para ciertos

procesos v.gr Aireacion

– No refleja consumos

asociados a bombeos u

otros

• Influente

• Recirculacion

• UV

• Membranas

– Base de datos es limitada

Por volumen Por gr de DBO

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Ejemplo del uso de indicadores

• El uso energetico depende del tamano

• Las plantas mas pequenas usan mas energia

• Amplias variaciones entre diferentes tecnologias

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Ejemplo de variacion entre plantas

• Muy alta variacion 1-5 MWh/MG

• Oportunidad para optimizar

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La importancia de compararse

• La evaluacion comparativa permite cuantificar los

ahorros potenciales y tomar decisiones

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Estudio de sub-medicion

• El tratamiento secundario consume el 30-60% de la energia

– Aireacion

– Bombeo de retorno

– Recirculaciones

Summary of NYSERDA Sub-Metering Study

Plant Size Total

MGD

% of

Total kWh/MG

kWh/lb BOD

removed kWh/MG

Trickling Filter Goshen 0.5 50% 327 0.82 653

AS- Coarse Bubble Aeration Arlington 4 60% 1,003 1.02 1,665

Yonkers 90 56% 557 0.54 994

AS- Fine Bubble Aeration- Panel Bergen 30 33% 922 0.60 2,800

Marsh Creek 4 39% 417 0.14 1,076

Secondary Treatment Aeration Plant

Energy Intensity Secondary

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Estudio de Submedicion

• Gran cantidad de procesos

• Alta variabilidad entre e intra procesos

Summary of NYSERDA Sub-Metering Study

Plant Size

MGD % of Total kWh/MG

Trickling Filter partial 49% Chemung 5.7 758 70% 531

Coarse Bubble Aeration Gloversville 6.7 1888 64% 1208

Ithaca 1415 67% 948

Fine Bubble Aeration- Panel Frank Van Lare 96 782 68% 532

Albany North 22.9 1253 60% 752

Pure Oxygen Tonawanda 21.4 1634 52% 850

Oxidtion Ditch Walkhill 2.8 2674 85% 2273

Secondary Treatment Aeration Plant

Energy Intensity Wet Stream

Nitrificationtotal

kWh/MG

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Estudio de Sub-medicion por proceso

• Fuente: NYSERDA

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Comparacion de indicadores de intensidad

energetica: El caso de la aireacion

Item Units USA Colombia Austria

Unit BOD5 lb BOD5 /cap d 0.17 0.132 0.134

g BOD5/ cap d 77 60 61

CBOD5 mg O2/L 204 428 290

CBODu mg O2/L 245 514 348

Sludge Production mg CODx/L 92 193 130

Net Oxygen Demand mg O2/L 153 321 217

Unit WW flow gal/cap d 100 37 55

L /cap d 379 140 210

Field Aeration Efficiency lb O2/kWh 2.24 2.24 2.24

Energy intensity Aeration CBOD kWh/MG aeration 500 1000 700

kWh/m3 0.13 0.26 0.18

Energy intensity Aeration CBOD kWh/lb BOD5 removed 0.29 0.28 0.29

Wh/pe d 50 37 39

kWh/pe y 18 13 14

• Flow base and PE indicators are not directly comparable

• En el caso de la aireacion la base apropiada es kWh/gr BOD

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Desarrollo de la herramienta

• Desarrollo de indicadores por proceso basado enestudios existentes en USA

• Clasificacion los procesos de acuerdo a quiencontrola: DBO o Caudal

• Normalizacion a la DBO usando 10 State Standards

• Ajuste a diferentes condiciones de DBO y Caudal

• Obtencion de caracteristicas tipicas para condiciones Latinoamericanas

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Separacion de Procesos de Acuerdo a quien

Controla

• Controlado por Caudal

• Controlado por DBO or NKT

kWh/MG kWh/kg BOD Flow Controlled BOD controlled TKN Controlled

Wastewater Pumping 220 0.29 yes no no

Preliminary and Primary TreatmentOdor Control 150 0.19 yes yes yes

Grit Removal Aerated 130 0.17 yes no no

Grit Removal Vortex 160 0.21 yes no no

Primary Clarifiers 30 0.04 yes no no

Ballasted Sedimentation 75 0.10 yes no no

Chemically Enhanced Primary Treatment, CEPT 35 0.05 yes no no

Secondary TreatmentTrickling Filters 330 0.43 partially yes yes

Biological Nutrient Removal BNR mixing 110 0.14 yes no no

Aeration without nitrification 500 0.65 no yes no

Aeration with Nitrification 1,000 1.30 no yes yes

Nitrite Shunt - Denitrif 0.00 no yes yes

Secondary Clarifiers 85 0.11 yes has some impact no

Sequencing Batch Reactors 1,090 1.41 partially yes yes

Membrane Bioreactor 2,700 3.50 partially yes yes

Influence of Flow and Load on Energy Use

ProcessEnergy Intensity USA

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Verificacion con la Base de Datos de WERF

• Source: Project WERF ENER1C12

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Ejemplo: Lodos Activados Convencionales A1

• Seleccion de Condiciones locales

• Seleccion de Procesos

• Dos Resultados: Uso Tipico y Uso Optimizado

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• Incluye Digestion Anaerobia con generacion Electrica

464 33%

604 42%

BAT Savings

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• Buena Correspondencia 1425 kWh/MG = 0.38 kWh/m3

• Ver Ejemplo

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Diagrama de Sankey

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Uso de la Herramienta de Evaluacion Comparativa

• Ajuste a las condiciones locales del pais

– Consumo de agua per capita, DBO y NKT del influente (Opcional)

– O seleccione Latinoamerica como opcion

• Ingrese el tamano de la planta

• Seleccione los procesos

• Corra el macro

• Resultados

– Consumo total: Tipico y Optimizado

– Consumo por proceso: Tipico y Optimizado

– Tablas y Graficas

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Ejemplo Lodos Activados para DBO y SS

• Presenta condiciones tipicas y optimizadas

Herramienta de Evaluacion Comparativa de la Eficiencia Energetica de una PTARpor Eugenio Giraldo

Ingrese la DBO5 del agua residual de su PTAR mg/L 428

Ingrese el valor del NKT del agua residual de su PTAR mg/L 70

Contribucion Porcentaje Contribucion Porcentaje

kWh/m3% kWh/m3 %

Bombeo del Agua Residual 1 0.06 9% 0.05 11%

Tratamiento Preliminar y Primario 0.04 6% 0.04 9%

Control de Olores 0

Desarenador Aireado 1 0.03 5% 0.03 7%

Desarenador de Vortice 0

Clarificador Primario 1 0.01 1% 0.01 2%

Sedimentacion Lastrada 0

Tratmiento Primario Quimicamente Asistido 0

Tratamiento Secundario 0.30 46% 0.16 38%

Filtros Percoladores 0

Mezcla en tratamiento con Remocion de Nutrientes 0

Aireacion sin Nitrificacion 1 0.28 42% 0.14 33%

Aireacion con Nitrificacion 0

Nitrificacion-Desnitrificacion 0

Clarificadores Secundarios 1 0.02 3% 0.02 5%

SBR - Reactores Secuenciales por Tandas 0

Bioreactor de Membrana 0

Optimizada a la mejor Practica

Proceso Unitario Presencia

Intensidad Energetica Tipica

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Ejemplo: Lodos Activados para DBO y SS

• Presenta Totales Tipicos y Optimizados

• Presenta potencial tipico de generacion de biogas

Manejo de Lodos 0.09 14% 0.03 8%

Digestion Aerobica 0

Digestion Anaerobica 1 0.06 9% 0.01 2%

Espesador por Gravedad -Bandas 1 0.02 3% 0.01 3%

Espesador por Aire Disuelto 0

Espesador Centrifugo 0

Filtro Prensa de Bandas 0

Prensa de Tornillo 1 0.01 2% 0.01 2%

Deshidratacion por Centrifuga 0

Secado Termico 0

Filtracion y Desinfeccion 0.00 0.00

Desinfeccion por UV 0

Filtracion en lecho 0

Filtros de superficie-malla fina 0

Suministro de Agua potable y de proceso 0

Potencia de Edificacion y Sitio (edificios, iluminacion, Aire Acondicionado, Computadores, etc)1 0.17 25% 0.14 34%

Recuperacion de Energia (Combustion del Biogas) 1 -0.31 -47% -0.38 -92%

0

Total Sin Generacion 0.66 0.41

Neto Despues de Generacion Electrica con Biogas 0.35 0.03

Contribucion Porcentaje Contribucion Porcentaje

kWh/m3% kWh/m3 %

Optimizada a la mejor Practica

Proceso Unitario Presencia

Intensidad Energetica Tipica

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Ejemplo: Lodos Activados DBO y SS

• Uso total

= 0.66

kWh/m3

• Vs

• 0.38

kWh/m3 in

the US

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Para que sirve?

• Paso inicial en la evaluacion

• Da una idea clara de los sobrecostos y de losahorros que se pueden lograr.

• Provee el soporte necesario para iniciarevaluaciones mas detalladas

• No es una herramienta de diseno pero ayudaa identificar procesos mas eficientes para explorar en mas detalle.

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Como usar la herramienta

• Busque una(s) factura(s) de energia para la PTAR

• Encuentre el total de kWh facturado para el periodo

• Calcule los kWh por dia = Total kWh / numerode dias en el periodo de facturacion

• Encuentre el caudal de agua tratadapromedio para el mismo periodo en m3/dia

• Cacule los kWh /m3

• Compare con los resultados de la herramienta

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Ejemplo: PTAR Remocion de DBO y Solidos con

lodos activados

• Produce una estimacion de los ahorros posibles al hacer

un plan de optimizacion energetica de la PTAR

Renglon Item Unidades Valor Actual

1 Poblacion Servida pe 100,000

2 Caudal Tratado m3/d 14,000

3 Total de Energia Facturada en el periodo de facturacion kWh 357,789

4 Periodo de facturacion dias 30

5=3/4 Uso diario de energia electrica kWh/dia 11,926

6=5/2 Intensidad Energetica kWh/m3 0.85

7 Valor Total a pagar en la factura US$ 46,513

8=7/3 Costo de la energia electrica US$/kWh 0.13$

Costo Anual Energia Electrica de la PTAR US$/ano 565,902$

US$/ hogar ano 22.6$

Ahorros Potenciales con Co-generacion tipica US$/ano 202,639$

US$/ hogar ano 8.1$

% 36%

Ahorros Potenciales con Optimizacion Energetica US$/ano 290,825$


% 51%

Ahorros Potenciales con Optimizacion y Co-generacion US$/ano 545,973$


% 96%

De la factura electrica

Comentarios

Del medidor de caudal



Ejemplo de Evaluacion para una PTAR

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Que hacer despues de la evaluacion?

• Auditoria energetica

• En donde enfocarse– Aireacion

• Limpieza de los equipos v.gr. Membranas de aireacion

• Calibracion de sensores v.gr. Oxigeno disuelto

• Control automatico del oxigeno disuelto

• Cambio de equipos v.gr. Tipo de aireador, soplador

– Bombeos –• Opitmizacion de bomba,

• motores

– Manejo de lodos• Aprovechamiento del gas?

– Edificaciones

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Y para diseno que?

• Da una idea de los procesos mas

eficientes pero no es una herramienta de

diseno

• Algunos conceptos claves que se

exploraran mas adelante

– Enrutar la DBO del influente a procesos de

digestion anaerobia para:

• Reducir la demanda de oxigeno en la aireacion

• Producir mas metano y producir mas energia

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Conclusiones

• Se desarrollo una herramienta de evaluacion

comparativa de intensidad energetica de

PTAR que usa la experiencia desarrollada en

los EEUU y se aplica a condiciones locales de

Latinoamerica

• La herramienta permite estimar el potencial de

ahorros en energia en una PTAR y enfocar los

esfuerzos subsiguientes

• Permite evaluar impactos energeticos de

diferentes configuraciones

Leader in Distributed Wastewater Systems

Gracias por su atencion!

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