Optimización de EDAR mediante sistemas de control basados en sensores de pH, REDOX y oxígeno

1. Control de la eliminación de nutrientes en EDAR

Los procesos biológicos implicados en la depuración de las aguas residuales incrementan considerablemente la complejidad y vulnerabilidad de operación de una EDAR y más aún en el contexto de unas exigencias de calidad del agua cada vez mayores bajo la necesidad de minimizar la producción de residuos y el consumo energético. De este modo surge como un requisito imprescindible para la correcta explotación de una EDAR, la instrumentación, control y automatización (ICA) de los procesos de depuración (Olsson et al., 2007). 

Actualmente la reducción del consumo energético de una estación depuradora de aguas residuales (EDAR) de aguas residuales urbanas (ARU) sigue siendo una preocupación constante, al igual que la necesidad de satisfacer los cada vez más exigentes estándares de calidad de los efluentes tratados. Además, alcanzar elevados niveles de calidad del agua a partir de consumos energéticos reducidos permite disminuir no solo los costes de explotación de la instalación ambiental, sino también su impacto ambiental, asociado, por ejemplo, al agotamiento de recursos abióticos, emisiones de gases de efecto invernadero o eutrofización de masas de agua.

Los sistemas de control avanzado permiten satisfacer las crecientes exigencias de calidad del agua y minimizar la generación de residuos y el consumo de energía. Dos de las estrategias de control de mayor aceptación para reducir la demanda energética asociada a la aireación en procesos de eliminación son (Amand y Carlsson, 2012): (i) optimización de las consignas de oxígeno disuelto (OD) en sistemas aireados ininterrumpidamente, y (ii) optimización de la duración de los ciclos aerobios y anóxicos/anaerobios en sistemas aireados de forma intermitente.

Durante los últimos años, diversos estudios han considerado el uso de los perfiles temporales obtenidos a partir de la monitorización del potencial de oxidación-reducción (REDOX), pH y OD para el control del proceso de eliminación biológica de nitrógeno. Sin embargo, estos sensores se han aplicado generalmente para controlar el proceso de eliminación de nitrógeno en reactores discontinuos secuenciales aireados de forma intermitente (por ejemplo, Tanwar et al., 2008; Martín de la Vega et al., 2012). Por lo tanto, su aplicación a reactores aireados ininterrumpidamente precisa de una mayor validación a escala industrial.

En lo que respecta a reactores aireados ininterrumpidamente, una atractiva alternativa para minimizar la demanda energética asociada a la aireación en las EDAR para la eliminación biológica de nutrientes es la eliminación de nitrógeno a partir del proceso de nitrificación-desnitrificación simultánea (NDS), mediante el establecimiento de concentraciones de oxígeno disuelto reducidas en el sistema (Liu et al., 2010). Además, la NDS representa un enfoque interesante para las EDAR existentes no diseñadas inicialmente para la eliminación de N, ya que no se requieren unidades de tratamiento (por ejemplo, tanque de desnitrificación) y/o equipos adicionales (por ejemplo, bombas de recirculación interna).

El objetivo de este estudio fue validar diferentes estrategias de control avanzado a escala industrial, implementadas a través del software LoDif BioControl® (Ferrer et al., 2011). LoDif BioControl® incorpora tres tipos de estrategias de control para optimizar la eliminación biológica de nitrógeno bajo la mínima demanda energética posible asociada al proceso de aireación. La selección de la estrategia de control adecuada depende de la configuración de la EDAR, e.g. reactor continuo de tanque agitado (RCTA) y reactor de flujo en pistón (RFP) continuamente aireados o aireados de forma intermitente. Dichas estrategias de control se basan en la teoría de lógica difusa y utilizan como entradas los perfiles temporales obtenidos a partir de la monitorización del potencial REDOX, pH y OD. Dichas estrategias han sido implementadas en diversas EDAR.

2. Descripción de los sistemas de control

La implementación de los sistemas de control presentados en este artículo se ha llevado a cabo mediante el uso de la aplicación LoDif BioControl®. LoDif BioControl® representa una plataforma informática que permite la implementación de sistemas de control en EDAR de forma sencilla y guiada, otorgando además un elevado grado de flexibilidad que permite la introducción de cambios en la configuración y la incorporación de nuevos controladores.

LoDif BioControl® consiste en un software configurable que integra diferentes sistemas de control orientados a optimizar los principales procesos de una EDAR, mejorando el rendimiento del proceso y reduciendo los costes de operación asociados. Los principios que guían su desarrollo son la facilidad de uso, la flexibilidad para permitir una configuración guiada de diferentes estrategias de control de acuerdo con las características de la EDAR y la estandarización para facilitar y/o permitir la implementación de los algoritmos de control en cualquier tipo de EDAR y configuración de la planta.

De los algoritmos de control incorporados en el software, en este trabajo se describen los siguientes (implementados en las EDAR):

• Sistema de control de la aireación
• Control del proceso de eliminación de nitrógeno sistemas RCTA continuamente aireados.
• Control del proceso de eliminación de nitrógeno sistemas RCTA aireados intermitentemente.

El sistema básico de control de la aireación es especialmente útil cuando se definen varios controladores de OD en el mismo sistema de fangos activados, o en diferentes reactores con equipos de aireación comunes. Permite mantener diferentes concentraciones de OD en las zonas de aireación regulable del reactor mientras se mantiene la presión de suministro de aire al mínimo. Este controlador basado en lógica difusa consiste en: i) un número determinado de controladores de OD que controlan la concentración de OD manipulando la correspondiente válvula de control; un sistema de control de la presión cuyo objetivo es mantener la presión de descarga de aire en el sistema en un valor deseado mediante el ajuste del aire suministrado al sistema modificando el número de equipos en funcionamiento y su punto de funcionamiento; y un control supervisor que determina la consigna de presión de aire que debe mantenerse para minimizar el consumo de energía (Ruano et al., 2013). La combinación del sistema básico de aireación y los diferentes controladores de eliminación de nutrientes permite optimizar el proceso maximizando el ahorro de energía.

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