Nuevas estrategias de control para reducir el consumo energético de la aireación en depuradoras

ACCIONA Agua desarrolla, desde el año 2014, el proyecto LIFE-BRAINYMEM  (Advanced-control MBR for wastewater reclamation). Este proyecto, apoyado y financiado por la Comisión Europea como parte del Programa LIFE+, tiene el objetivo de reducir el consumo energético en las depuradoras y minimizar su impacto medioambiental. Para ello, ACCIONA Agua ha desarrollado una estrategia de control, el control BRAINYMEM®, que actúa sobre la aireación biológica en base a la medida de un novedoso sensor online que mide los subproductos de la nitrificación (N2O en el fango activado). La idea es disponer de un sistema de detección temprana de fallos en la nitrificación y poder ajustar al máximo la aireación del reactor biológico. Para sistemas MBR (biorreactores de membrana), el proyecto ha demostrado también un sistema de control de la aireación de membrana. El sistema de control BRAINYMEM desarrollado permite:

• Regular la aireación de membrana en base a modelado y a datos de planta medidos online.
• Regular la aireación del reactor biológico en función de un algoritmo basado en la combinación de valores proporcionados por sensores novedosos que miden especies nitrogenadas online en planta. 

El proyecto se está llevando a cabo en una planta de demostración que se ubica en la EDAR de Almuñécar y finalizará el 30 de junio de 2017.

Biorreactores de membrana

Los biorreactores de membrana (MBR) juegan un papel relevante en el marco de la depuración española debido principalmente a las ventajas que presenta de cara a la reutilización de las aguas residuales. Un MBR es una modificación del proceso de fangos activos para el tratamiento de las aguas residuales, donde la separación del fango del agua tratada se realiza por filtración a través de un sistema de membranas, en sustitución de la decantación secundaria. El proceso precisa para su desarrollo un sistema de aireación necesario para la actividad depuradora de las bacterias, para garantizar el buen funcionamiento del sistema y controlar el ensuciamiento ya que evita la acumulación de sólidos y otras sustancias en la superficie de la membrana. La sustitución de la decantación secundaria por las membranas implica menor superficie de implantación. Además, se obtiene una buena calidad de efluente permitiendo cumplir con la legislación de vertido y reutilizar el agua en zonas de escasez hídricas.

Sin embargo, uno de los principales desafíos de los sistemas MBR para depuración de aguas residuales es su elevado coste operacional en comparación con la tecnología convencional de fangos activos (Ferrero et al., 2012). Su coste, aunque cada vez más competitivo, depende tanto de la reducción de los consumos energéticos como del precio de las membranas. 

La Fig. 1 muestra un desglose de los costes operacionales del proceso MBR; en éste se identifica el consumo energético como principal coste. El principal consumo energético de las EDAR es el asociado a la aireación de los reactores biológicos así como al bombeo y agitación de los lodos activos. En el caso de los bioreactores de membrana se añaden a estos consumos la aireación de la membrana, necesaria para controlar su ensuciamiento. En este sentido, es interesante la optimización del proceso respecto al consumo energético y al control del ensuciamiento. 

La planta de demostración

La planta MBR de Almuñécar trata 5 m3/h de agua residual de la EDAR de Almuñécar. El agua pasa por el desarenado y desengrasado de la EDAR y tras este atraviesa un filtro de anillas de 0.4 mm antes de llegar a la planta de demostración. En la Figura 2 se puede ver un esquema de la planta y los sensores implicados en el control y en la Tabla 1 los datos medios de operación. El módulo de membrana utilizado fue de ultrafiltración de fibra hueca con aireación de burbuja gruesa optimizada.

Estrategia de control de la aireación de membrana 

Si bien el fango activo es altamente variable en función de la temperatura, cambios en el influente (especialmente frente a vertidos y salinidad), etc., la aireación suministrada a la membrana para controlar el ensuciamiento de la misma tiene un valor generalmente fijo. En situaciones en las que existe una floculación adecuada y la permeabilidad de la membrana es alta, se podría bajar la aireación y, por el contrario, cuando el fango activo se encuentra en peor estado, se evitaría un ensuciamiento innecesario de la membrana y mayores costes de limpieza y paradas asociadas si se elevara el caudal de aireación en estos episodios de alto ensuciamiento. El sistema de control BRAINYMEM permite adaptar la aireación de la membrana a la velocidad de ensuciamiento del sistema, permitiendo ahorros importantes de costes de operación de un MBR. Para la implementación de este control solo es necesario realizar la modificación del SCADA de la planta, sin necesidad de instrumentación adicional. 

El periodo anterior a la implementación del sistema de control sirvió como fase de referencia para la evaluación del ahorro energético producido. La planta piloto ha estado trabajando en open-loop hasta la implementación del nuevo control lo cual ha permitido obtener datos de referencia suficientes para la evaluación del impacto del proyecto. 

Estrategia de control de la aireación de los reactores biológicos

Dentro del proyecto se ha desarrollado y patentado el sistema de control de la aireación del reactor biológico BRAINYMEM®. El control permite adaptar el caudal de aire a las necesidades reales de aireación del proceso de depuración y reducir así los costes de operación de plantas depuradoras. El control de la aireación biológica desarrollado en el proyecto está basado en la medida online de subproductos de nitrificación (en este caso se mide N2O en el lodo activo) como indicadores tempranos de  posibles perturbaciones en la eliminación de nitrógeno. Al proporcionar una indicación temprana de fallos en el proceso, la medida online de la concentración del N2O puede utilizarse para ajustar el oxígeno al mínimo sin alterar el proceso ni la calidad del efluente. Más en detalle, la hipótesis de trabajo del control es que, en situaciones en las que la carga de amonio en el influente baje y la nitrificación sea estable, se producirán menos subproductos de nitrificación y se podría bajar la aireación y, por el contrario, cuando la carga de amonio aumente y exista cualquier motivo de desestabilización de la nitrificación, se producirá más N2O, con lo cual será necesario elevar el caudal de aireación para ajustarse a las necesidades de oxígeno del proceso. 

Para la implementación de este control, se instalaron  sensores de N2O en líquido (Unisense Env., Dinamarca) y NH4 (Hach Lange, Alemania) que permiten monitorizar las especies nitrogenadas in situ. Asimismo, el algoritmo de control desarrollado se implementó en el SCADA de la planta.  

Además de la fase de referencia y la fase en la que el control de aireación biológica BRAINYMEM estuvo activo, se realizó una fase en la que se utilizó el control de aireación biológica basado en ajustar la aireación del tanque biológico para conseguir un setpoint de oxígeno fijado por el operador. Esta estrategia de control de setpoint de oxígeno (control de referencia) es la más utilizada en las EDAR y por fue por ello la seleccionada para la comparación de los resultados.  

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