Resuelve los desafíos de olores, corrosión y seguridad de los trabajadores con estrategias proactivas de control de H2S basadas en datos fiables.
Introducción
El sulfuro de hidrógeno (H2S) plantea un desafío doble en los sistemas de aguas residuales.
En primer lugar, el gas tóxico provoca problemas inmediatos, ya que los malos olores afectan a las comunidades cercanas y ponen en peligro la seguridad de los trabajadores.
En segundo lugar, la naturaleza corrosiva del H2S tiene importantes consecuencias a largo plazo en los valiosos activos de alcantarillado. Sin la intervención adecuada, los activos de alcantarillado, como las tuberías de hormigón, pueden deteriorarse en apenas 10-20 años en lugar de tener su vida útil esperada de 50-100 años.
Las empresas encargadas de la red de alcantarillado poseen muchas herramientas y técnicas para mitigar el H2S, pero es difícil optimizar estas actividades debido a la falta de información confiable sobre la verdadera escala y dinámica de sus problemas con el H2S.
Estas empresas necesitan contar con mejores datos para poder realizar un control proactivo más eficiente del H2S.
El H2S ya presenta un gran desafío, pero teniendo en cuenta las tendencias actuales, como los procesos centralizados de tratamiento de aguas residuales y la separación de aguas pluviales, este desafío se intensifica.
Este documento técnico tiene como objetivo proporcionar un marco práctico sobre cómo implementar estrategias inteligentes de control de H2S para profesionales de aguas residuales que buscan adoptar un enfoque más inteligente para resolver el olor, la corrosión y los desafíos de seguridad de los trabajadores causados por los niveles elevados de H2S.
1. Entendiendo el H2S
El H2S, un gas tóxico y maloliente, es un desafío no deseado y costoso en los sistemas de aguas residuales. Comprender por qué y dónde se forma el H2S es crucial a la hora de establecer estrategias de mitigación efectivas.
1.1. ¿Por qué y dónde se forma el H2S ?
El sulfuro de hidrógeno (H2S) es un subproducto de la actividad microbiana durante la descomposición de materia orgánica en las aguas residuales y se forma principalmente a través de los procesos metabólicos de las bacterias reductoras de sulfato (SRB) en condiciones libres de oxígeno. Diversos compuestos orgánicos presentes en las aguas residuales, como los sulfatos y sulfitos, sirven como fuentes de energía para las SRB, lo que acaba produciendo H2S. En sistemas de aguas residuales, el H2S se forma principalmente cuando estas aguas se bombean a terrenos más altos en sistemas presurizados, ya que la falta de oxígeno crea un ambiente favorable para el crecimiento de las SRB y, por lo tanto, promueve la formación de H2S. Además, el H2S también puede formarse en pozos estancados o espacios cerrados, en áreas con flujo limitado o áreas con falta de oxígeno.
1.2. El valor del conocimiento del H2S en fase líquida
El H2S se forma en las aguas residuales, pero normalmente no es un problema siempre y cuando permanezca en fase líquida. Sólo cuando se libera a la atmósfera, su presencia se vuelve crítica y se producen los desafíos de olor, corrosión y seguridad para los trabajadores. Esta gasificación puede ocurrir en cualquier parte de sistema de colector abierto por gravedad, y el nivel de gas dependerá de diferentes condiciones locales.
El conocimiento de la concentración de H2S en el líquido, permite a las empresas explotadoras prever lo que puede ocurrir aguas abajo de la red de saneamiento. Con este conocimiento se pueden tomar medidas proactivas y evitar problemas potenciales.
1.3. Factores que influyen en la formación de H2S
Las concentraciones de H2S en las aguas residuales no son constantes, sino que fluctúan. Varios factores contribuyen a estas fluctuaciones y su comprensión es crucial para implementar estrategias efectivas de control de H2S.
Un factor clave es la composición de las aguas residuales y su demanda química de oxígeno (DQO). Las descargas residenciales e industriales difieren tanto en su contenido orgánico como en sus patrones de descarga. Las aguas residuales industriales dan lugar a niveles más altos de producción de H2S.
Los tiempos de retención también juegan un papel crucial. Los tiempos de retención más largos permiten una mayor actividad microbiana y descomposición orgánica, lo que aumenta el potencial de formación de H2S.
La ventilación y las turbulencias también influyen en los niveles de H2S . La velocidad y la frecuencia del bombeo de aguas residuales pueden afectar la mezcla de la fase líquida y gaseosa, lo que afecta el nivel de gasificación.
El pH también influye. Las aguas residuales ácidas proporcionan un entorno favorable para la formación, solubilidad y liberación de H2S, mientras que el sulfuro existirá como HS- y S2- en lugar de como H2S en aguas residuales alcalinas.
En cuanto a la temperatura, las temperaturas más altas generalmente promueven una mayor actividad microbiana, lo que resulta en tasas más altas de producción de H2S.
1.4. Desafíos a corto y largo plazo
Las cargas elevadas de H2S causan retos a corto y largo plazo en las redes de saneamiento.
La gasificación de H2S causa problemas inmediatos en el vecindario debido a los malos olores. Esta gasificación también es un peligro para la salud de los trabajadores en las redes de saneamiento.
A largo plazo, las cargas elevadas de H2S causan grandes daños por corrosión en la infraestructura y los equipos, lo que resulta en una disminución drástica en la vida útil esperada de activos valiosos y un mayor riesgo de colapso inesperado de tuberías u otros problemas de mantenimiento.
Está claro que el H2S es un desafío complejo y dinámico que se ve afectado por diferentes factores.
En la siguiente sección, exploramos las herramientas y técnicas que las empresas responsables de las redes de saneamiento tienen a su alcance para lidiar con los retos mencionados.
2. Medición de H2S
Antes de tomar cualquier acción contra el H2S, es importante comprender primero el problema. Los datos precisos son esenciales para optimizar las estrategias de control, pero estimar de forma fiable los niveles fluctuantes de H2S en entornos extremos no es sencillo.
2.1. El reto de medir el H2S
Los entornos extremos de los sistemas de aguas residuales presentan condiciones desafiantes para medir de manera confiable el H2S utilizando métodos tradicionales. En esta sección se ofrece una visión general de las ventajas y desventajas de los diferentes métodos de medición.
2.2. Registradores de gas
Aunque el H2S se forma y transporta en las aguas residuales, normalmente se mide en el aire. Estas mediciones son adecuadas para confirmar incidentes de olores locales, pero se ven afectadas por muchos factores, como el flujo, la ventilación y la turbulencia. Esta limitación hace que los registradores de gas sean un sistema de medición poco confiable para aplicaciones avanzadas de control de H2S.
2.3. Toma de muestras y análisis de laboratorio
El muestreo es un método comúnmente utilizado para medir de manera confiable no sólo el H2S, sino también el sulfuro total en las aguas residuales. Aunque es preciso, este enfoque es laborioso, requiere mucho tiempo y solo proporciona una instantánea puntual.
2.4. Inspecciones visuales de alcantarillado
Las inspecciones superficiales, visuales o de pH proporcionan información valiosa sobre como el H2S ha provocado corrosión en las líneas de saneamiento. Este método es costoso y requiere de mucho tiempo, además de no ser proactivo.
2.5. Quejas por olores residenciales
Si bien no es un enfoque de medición tradicional per se, las quejas por olores brindan un valioso feedback. El inconveniente es que esta información es retrospectiva y poco fiable, ya que pueden surgir malos olores debido a otras causas.
2.6. Modelización hidráulica
Las soluciones de modelado de software hidráulico tienen como objetivo proporcionar una visión general de los desafíos de H2S en los sistemas de aguas residuales e identificar áreas críticas donde las concentraciones de H2S pueden ser más altas. Los modelos hidráulicos tienen limitaciones, ya que es posible que no capturen completamente todos los factores complejos que afectan la formación de H2S en el mundo real.
El ajuste de estos modelos con sensores de H2S de fase líquida fiables puede ayudar a superar esta limitación.
2.7. La clave para obtener información fiable
Sensores para fase líquida
El nuevo método de mediciones en fase líquida, ofrece una solución versátil y fiable para monitorizar el H2S en los sistemas de aguas residuales.
Al medir directamente las concentraciones de H2S en el líquido, las mediciones no se ven afectadas por las condiciones locales en un pozo o arqueta. Estos sensores se pueden implementar directamente en los flujos de agua residual, lo que permite un monitoreo preciso y continuo en varias ubicaciones dentro del sistema. Al medir el H2S disuelto, los datos obtenidos reflejan todo el potencial de H2S que puede liberarse al aire en cualquier parte del sistema de gravedad. Con las mediciones en fase líquida, las empresas gestoras del alcantarillado pueden superar las limitaciones de las técnicas tradicionales de medición de H2S. Estas mediciones permiten la implementación de estrategias de control de olores y corrosión proactivas y más efectivas.
En la siguiente sección, exploramos diferentes técnicas para mitigar los desafíos relacionados con el H2S en los sistemas de aguas residuales.
3. Mitigación del H2S
El H2S es un desafío complejo, y el control efectivo de olores y corrosión requiere diferentes enfoques que combinan el diseño de la red de alcantarillado y los mecanismos de control operativos.
En esta sección se presenta un marco para las actividades de mitigación del H2S en función del tipo de actividad y el propósito. Algunas iniciativas pueden pertenecer a varios cuadrantes (por ejemplo, el pigging de tuberías). En estos casos, se han categorizado en función de si el gasto principal se relaciona con la construcción (CapEx) o con las operaciones (OpEx).
3.1. Limitación de la formación de H2S a través del diseño y la construcción
Dimensionado de las tuberías / colectores
El dimensionado inadecuado de las tuberías aumenta los tiempos de retención hidráulica, lo que favorece la formación de H2S. Si dimensionamos de manera adecuada la tubería principal en el diseño de nuevas estaciones de bombeo, se reducirá la potencial de formación de H2S.
Limpieza de tuberías
La acumulación de biopelícula en las tuberías de alcantarillado proporciona un entorno favorable para las SRB.
Realizar un pigging regular elimina estos depósitos, lo que ayuda a limitar la formación de H2S.
3.2. Eliminación de H2S a través del diseño y la construcción
Filtros
Los filtros pueden desempeñar un papel crucial en la eliminación o prevención del H2S.
Algunos ejemplos: filtros de carbón activado, filtros biológicos, filtros de óxido de hierro, biofiltros, etc.
Ventilación
Proporcionar ventilación (activa o pasiva) ayuda a dispersar y diluir las concentraciones de H2S, reduciendo los potenciales efectos adversos sobre la infraestructura y aumenta la seguridad de los trabajadores.
Stripping
El stripping implica el uso de aire o productos químicos para eliminar el H2S de las aguas residuales antes de que llegue a puntos críticos en el sistema de alcantarillado. Este proceso se puede llevar a cabo utilizando torres empaquetadas o depuradores químicos (scrubbers).
Tuberías de sacrificio
Las tuberías de sacrificio implican el uso de materiales de sacrificio de bajo costo para las líneas de alcantarillado en áreas propensas a la presencia de H2S . El material de sacrificio prolonga la vida útil de la infraestructura de alcantarillado y reduce el riesgo de mantenimiento no programado.
Tuberías de HDPE y revestimiento
El uso de tuberías de polietileno de alta densidad (HDPE) o el revestimiento de tuberías existentes con HDPE proporciona una resistencia superior a la corrosión provocada por el H2S.
Esto prolonga la longevidad de la línea de alcantarillado, pero también puede ayudar a trasladar un problema agua abajo de la red.
3.3. Limitación de la formación de H2S mediante el control operacional
Dosificación de nitratos
La dosificación de nitrato promueve el crecimiento de bacterias reductoras de nitrato. Estas bacterias superan a las bacterias productoras de H2S, reduciendo así la producción de H2S . La dosificación de nitratos es un método comúnmente utilizado para prevenir la formación de H2S.
Aireación
La inyección de oxígeno inhibe el crecimiento de las bacterias SRB. La aireación se puede lograr por medios mecánicos o por procesos de aireación naturales.
Optimizaciones de bombas
El funcionamiento óptimo de las bombas puede evitar condiciones favorables para la formación de H2S.
3.4. Eliminación del H2S a través del control operacional
Dosificación de sales de hierro
La dosificación de sales de hierro es un método ampliamente empleado para eliminar el H2S formado, debido a la eficacia de su reacción química con los compuestos del H2S. Las sales de hierro sufren una serie de reacciones que precipitan el H2S dando sulfuro de hierro, eliminando de esta manera el sulfuro de hidrógeno de las aguas residuales.
4. Controles inteligentes del H2S
La implementación de estrategias inteligentes de control de H2S requiere un enfoque sistemático e iterativo basado en datos confiables. Esta sección presenta un marco general y 3 estrategias de control específicas sobre cómo tomar decisiones de control de H2S más inteligentes.
4.1. Atando todos los cabos
En las secciones anteriores, hemos abordado cómo y por qué se forma el H2S, hemos visto cómo realizar un seguimiento confiable de los cambios en los niveles de H2S, y se han mostrado varias técnicas para resolver los problemas de olor, corrosión y seguridad de los trabajadores.
Ahora es el momento de atar todo mediante un marco de estrategias inteligentes de control del H2S.
En primer lugar, se presenta un marco iterativo básico de 5 pasos sobre cómo usar los datos para ayudar a tomar mejores decisiones en general.
Después se muestran 3 estrategias inteligentes específicas para diferentes objetivos: optimizar las estaciones de dosificación de reactivos químicos, localizar el origen del H2S, adoptar una visión general de toda la ciudad para priorizar las actividades de mitigación sobre una base plenamente informada.
4.2. Esquema general del control del H2S
Paso 1: Definir un objetivo
El primer paso para establecer una estrategia inteligente de control de H2S es definir un objetivo claro.
Determina los objetivos específicos que deseas lograr. Esto podría incluir la identificación de la fuente raíz del H2S o la optimización de la rentabilidad de una estación de dosificación de productos químicos. Definir un objetivo claro te ayudará a enfocar tus esfuerzos a lo largo del proceso.
Paso 2: Seleccionar los datos correctos
Una vez establecido el objetivo, es crucial obtener datos de H2S de forma adecuada. Esto implica identificar nuevas fuentes de adquisición de datos, utilizar sistemas de sensores de monitoreo en tiempo real, pero también podría incluir utilizar datos históricos, información de quejas por olores residenciales, inspecciones u otros tipos de datos, como datos de caudal y bombeo.
Elija la configuración de datos más adecuada para asegurarse de que tiene suficientes datos para seleccionar y optimizar la estrategia de mitigación.
Paso 3: Recopilación de datos
Una vez establecida la configuración de datos, el siguiente paso es recopilarlos. En función del objetivo y la configuración seleccionada, esto puede implicar la instalación de sensores en la red de alcantarillado.
Se debe proceder a la recopilación de datos siguiendo las mejores prácticas de la industria y de seguridad. Presta atención a la integridad de los datos, asegurando la calibración adecuada de los sensores para obtener mediciones precisas.
Paso 4: Seleccionar, implementar y optimizar una estrategia de mitigación
Una vez que se ha recopilado suficiente información, es el momento de analizar los datos. Identifica patrones, tendencias, fuentes y riesgos potenciales . Considera varias técnicas de mitigación como se ha descrito anteriormente.
Elija la estrategia que se alinee con sus objetivos e impleméntala de manera efectiva, considerando factores como el costo, la viabilidad y la sostenibilidad a largo plazo.
Paso 5: Analizar la efectividad del sistema
Después de implementar la estrategia de mitigación seleccionada, es esencial analizar la efectividad de manera continua. Monitoree continuamente los niveles de H2S y evalúe el impacto de los controles implementados.
4.3 Estrategias específicas de control de H2S
A continuación presentamos algunas ideas sobre cómo se pueden utilizar los datos de sensores fiables para 3 escenarios específicos de mitigación de H2S:
- Optimizar las estaciones de dosificación de productos químicos
- Encontrar las causas de la formación H2S
- Obtener una visión general de la situación en toda la ciudad
4.3.1. Optimización de las estaciones de dosificación de productos químicos
Muchas empresas encargadas de las redes de saneamiento, dosifican productos químicos de forma constante para mitigar la presencia de H2S. Sin embargo, este puede ser un enfoque ineficiente, porque las concentraciones de H2S fluctúan y, por lo tanto, se puede estar dosificando una dosis insuficiente o excesiva.
Optimización básica
La optimización de las estaciones de dosificación de productos químicos no tiene por qué ser complicada. Para estaciones de dosificación en las que la dosificación se produce antes del bombeo, por ejemplo en la dosificación de nitratos, hay un tiempo de retraso causado por el tiempo de retención, lo que dificulta el control de la dosificación en tiempo real. Un enfoque básico, pero eficaz es ajustar la dosificación en función de medidas realizadas forma efectiva. Además, se pueden incluir ajustes de dosificación en función del patrón diario de comportamiento del H2S.
Dosificación totalmente automatizada
El santo grial en el control de dosificación es el control de dosificación totalmente automatizado, donde la tasa de dosificación se establece de forma dinámica en tiempo real para una eficiencia total. Esta configuración es posible en una configuración con control al final de tubería, donde el sistema de dosificación y el sensor están ubicados en el mismo lugar físico como se muestra en la siguiente figura.
Hacer los cálculos del retorno de la inversión (ROl) para optimizar los sistemas de dosificación no es trivial, y es fundamental no centrarse únicamente en los costos químicos, sino también en tener en cuenta el valor de un aumento en la vida útil de los activos de alcantarillado.
Figura 7 – Ejemplo de un sistema de dosificación completamente automatizado. La dosificación del sulfato de hierro FeSO4 se ajusta de forma dinámica en tiempo real con la medición en continuo del H2S en el agua. De esta manera se puede ahorrar en reactivos químicos y optimizar la mitigación del H2S.
4.3.2 Encontrar las causas del H2S
Localizar los orígenes del H2S es un proceso complejo pero crítico. Dependiendo de la situación y los recursos disponibles, las empresas responsables del alcantarillado pueden tratar de obtener una comprensión general del área del origen, o tratar de identificar a un culpable más específico.
Encontrar la fuente general
Para tener una idea general de la fuente, se pueden colocar diferentes sensores de H2S en fase líquida, en 2 o más áreas, realizando una campaña de medición de corto plazo..
Identificar al culpable
La identificación de la causa específica de la formación de H2S puede requerir un análisis más sistemático e iterativo. El proceso podría comenzar con una investigación amplia, para posteriormente reducir el enfoque con una o más campañas adicionales de mapeo de sensores hasta descubrir al culpable. Este enfoque puede ser adecuado para identificar la causa del H2S en áreas con grupos industriales con diferentes patrones de descarga.
Tener en cuenta otros factores
Los desafíos del H2S son complejos, y es importante no limitar la investigación a una comparación de datos de sensores, sino también considerar factores como las variaciones diarias, los patrones de descarga irregulares y los caudales. La factorización de múltiples variables garantiza una evaluación precisa y facilita la implementación de los próximos pasos.
4.4. Obtener una visión general en toda la ciudad
El H2S no es un problema aislado y puntual, sino un reto persistente. Un reto que puede ser tan complejo como la propia red de alcantarillado. Con una visión general de toda la ciudad, las empresas de servicio pueden obtener una comprensión profunda de la situación.
Desafía, compara y prioriza las áreas que necesitan iniciativas de mitigación específicas.La información y conocimiento para poder actuar se puede obtener utilizando sensores fiables.
Proceso de 5 pasos
Paso 1:
Planificar la campaña de mapeo de los sensores. Elije entre un enfoque de mapeo de sensores a corto plazo o permanente. A corto plazo, las campañas requieren menos sensores, pero más tiempo, ya que los sensores se deben mover en la red, mientras que la monitorización permanente proporciona una visión general dinámica con una mayor inversión inicial.
Paso 2:
Identificar los puntos calientes. Identifica las áreas en las que se van a instalar los sensores, localiza los puntos calientes de H2S, como pozos de descarga, áreas con agua estancada y sitios con descargas irregulares o industriales.
Paso 3:
Priorizar los puntos calientes. Prioriza los puntos críticos en función de factores como el tiempo de retención, los datos de flujo, las quejas históricas por olores, el tipo/antigüedad del material y la infraestructura crítica o la vivienda residencial.
Paso 4:
Recopilación de datos. Configura los sensores y mide continuamente los niveles de H2S en los puntos calientes seleccionados. Si son campañas a corto plazo, mide en cada ubicación durante al menos una semana para tener en cuenta las variaciones diurnas.
Paso 5:
Analizar los datos. Compara las cargas medias de H2S, las cargas máximas, los incidentes por encima de los umbrales y el tiempo para identificar áreas problemáticas. Visualiza los datos en mapas codificados por colores u otras técnicas para identificar y priorizar áreas que necesitan actividades de mitigación específicas.
5. Sensor Sulfilogger H2S
Uno de los equipos que puede ayudar a realizar las tareas descritas en este blog es el Sulfilogger H2S
