Sistema de control para la eliminación biológica de nitrógeno de aguas residuales mediante sondas de bajo coste.

La presente invención describe un sistema de control, basado en la lógica difusa, que permite optimizar la eliminación biológica de nitrógeno en procesos en continuo de tipo predesnitrificación con régimen de circulación de flujo de pistón o en reactores de mezcla completa. Si los reactores son de tipo mezcla completa deben disponer de al menos dos zonas diferenciadas aerobias y dos zonas diferenciadas anóxicas. Cuando se trata de reactores de tipo flujo de pistón no es necesaria esta diferenciación dentro de cada tipo de reactor (anóxico y aerobio). Este sistema de control está basado en el uso de sondas de bajo coste de tipo pH y ORP

Sistema de control para la eliminación biológica de nitrógeno de aguas residuales mediante sondas de bajo coste.

Campo técnico de la invención

La presente invención pertenece al campo técnico del control de los procesos de depuración biológica de aguas residuales. Concretamente la invención comprende un sistema de control de la eliminación biológica de nitrógeno en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) diseñadas para la eliminación biológica de nutrientes, a partir de sondas de bajo coste.

Estado de la técnica

Las aguas residuales son afluentes derivados de residuos domésticos o de procesos industriales, los cuales por razones de salud pública y por consideraciones legales, económicas y estéticas, no pueden desecharse vertiéndose sin tratamiento en lagos, ríos o mares. Los materiales inorgánicos comprendidos en ellas, como la arcilla, sedimentos y otros residuos se pueden eliminar por métodos mecánicos y químicos; sin embrago, cuando el material que debe ser eliminado es de naturaleza orgánica, el tratamiento implica otro tipo de procesos, usualmente, actividades de microorganismos que oxidan y convierten la materia orgánica en CO₂, N₂, etc.

Además del objetivo principal de eliminación de materia orgánica que persiguen los procesos de depuración de aguas, la eliminación de los nutrientes del agua residual, principalmente nitrógeno y fósforo está cobrando gran importancia. El vertido de estos nutrientes a las aguas superficiales y marítimas provoca su eutrofización, es decir, la proliferación masiva de plantas en los sistemas acuáticos, con el resultado de trastornos no deseados en el equilibrio entre organismos presentes en el agua y la calidad del agua a la que afecta.

Entre los procesos más extendidos para llevar a cabo la eliminación de nitrógeno y fósforo de las aguas residuales se encuentran los procesos de eliminación por vía biológica. Los tratamientos biológicos de aguas residuales, denominados tratamientos secundarios, están basados fundamentalmente en el hecho de que ciertos microorganismos son capaces de consumir los compuestos orgánicos solubles y coloidales presentes en el agua residual para utilizarlos como alimento.

Los sistemas de fangos activados son los sistemas de tratamiento biológico más habituales en el tratamiento de aguas residuales. Por fango activado se entiende la biomasa activa responsable del proceso de depuración de las aguas residuales. Este sistema se compone de un tanque de aireación agitado, trabajando en continuo, para promover el crecimiento de los organismos consumidores de materia orgánica, seguido de un tanque de sedimentación (decantador secundario) para separar los fangos biológicos del agua limpia. Los procesos de fangos activados se han desarrollado principalmente para la eliminación de la materia orgánica y los nutrientes (nitrógeno y fósforo).

En función del esquema general del tratamiento biológico, y las condiciones del reactor biológico (aerobio, anóxico y/o anaerobio) se pueden alcanzar diferentes niveles de tratamiento tales como eliminación de materia orgánica exclusivamente (reactor biológico aerobio+decantador secundario), o eliminación conjunta de nutrientes y materia orgánica (reactor biológico anaerobio+reactor biológico anóxico+reactor biológico aerobio+decantador secundario).

Las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), también llamadas plantas de depuración, tienen el objetivo genérico de conseguir, a partir de aguas residuales afluentes y mediante diferentes procedimientos físicos, químicos y biológicos, un agua efluente de mejores características de calidad, tomando como base ciertos parámetros normalizados y estandarizados.

El principal objetivo en la explotación de las estaciones depuradoras de aguas residuales, no es sólo el cumplimiento de los límites de vertido marcados por la legislación, sino además minimizar el consumo de energía. Todo esto implica la correcta explotación de las actuales estaciones depuradoras de aguas residuales y, en muchos casos, el incremento del rendimiento de muchas de las estaciones depuradoras de aguas residuales ya construidas para adaptarlas a las actuales necesidades. La gran cantidad de factores que influyen en el funcionamiento de estos procesos y la variabilidad del afluente a tratar, hace necesario el control de los sistemas de depuración para cumplir requisitos de vertido y minimizar el consumo energético, teniendo en cuenta tanto las características del agua residual a tratar como el tipo de proceso de depuración para el cual ha sido diseñada la estación depuradora de aguas residuales. En general, estos sistemas de control están basados en la lógica difusa, también llamada lógica Fuzzy (Serralta et al 2002, Puñal et al 2003), ya que suponen una alternativa viable para sistemas con un comportamiento no lineal y muy dinámico como es el caso de los procesos de fangos activados. Esta lógica, en la que están basados los controladores difusos, es una rama de la inteligencia artificial que intenta reproducir la forma de pensar de los seres humanos y por tanto, admite los problemas en los que hay incertidumbre e imprecisión, al contrario de lo que sucede con la lógica clásica (Booleana). Básicamente, la lógica difusa proporciona un medio efectivo para interpretar la naturaleza inexacta del mundo real.

Actualmente, los sistemas de control de nitrógeno implementados en las EDAR que incorporan eliminación biológica de nitrógeno, mediante fangos activados, están basados en analizadores on-line que miden las concentraciones de nitrato en las zonas anóxicas y óxicas y las de amonio en las zonas óxicas del proceso de depuración. El uso de sondas de bajo coste en inversión inicial y en mantenimiento, tales como sondas ORP (potencial redox) y sondas de pH, supone una gran ventaja como posible alternativa a los analizadores on line dado el creciente interés en la minimización, no sólo de los costes de inversión de una EDAR, sino también de operación. El uso de estas sondas ha resultado ser una técnica viable y económica para el control de procesos de eliminación biológica de nutrientes en discontinuo (Y.Z. Peng. et al. 2002, N. Kishido et al., 2003; B.S. Akin et al., 2005; M.Pius et al. 2007). Sin embargo su aplicación a procesos de fangos activados en continuo no está tan extendida.

En el campo del tratamiento biológico de aguas residuales, existen documentos en los que se detallan la aplicación de las etapas de nitrificación-desnitrificación y aireación, con vistas a la reducción de la carga orgánica y de nitrógeno presente, así como referencias a la utilización de la lógica difusa como modelo de decisión en la automatización de la operación de tratamientos de aguas residuales. Pero en dichas referencias se han utilizado sistemas de control basados en la lógica difusa utilizando analizadores on line de nutrientes.

Existen documentos que describen el uso de sondas ORP, pH y OD (oxígeno disuelto) para el control de la evolución del tratamiento del agua residual (Ma Y. et al. 2006; Y.Z. Peng. et al. 2006). En ellos se contempla que es plausible el establecimiento de medidas de control del proceso de nitrificación mediante medidas de pH y de OD en las etapas de nitrificación. Se cita la correlación entre las medidas de sondas ORP y la evolución de la concentración de nitrato y amonio en el reactor aerobio, la correlación entre el ORP y la concentración de nitrato en el reactor anóxico, y la correlación entre el OD y la concentración de amonio afluente. Los datos proporcionados por dichas sondas (pH, ORP y OD) alimentan a modelos de lógica difusa para las operaciones del procedimiento.

En la presente invención se describe un sistema de control basado en la lógica difusa que permite optimizar la eliminación biológica de nitrógeno en procesos en continuo de fangos activados, con configuraciones de tratamiento de predesnitrificación. Las configuraciones de tratamiento de predesnitrificación corresponden con aquellas que integren en el proceso biológico una etapa anóxica que preceda a una etapa aerobia, tales como: las configuraciones en continuo de Ludzack-Ettinger modificado (Barnard, 1973), la configuración A²/O (Hong et al., 1981) o la configuración UCT (Universidad Cape Town) (Ekama et al., 1983). En concreto la presente invención fue validada en un esquema de tratamiento biológico UCT. Los procesos UCT se desarrollaron en la universidad de Cape Town a mediados de...

1. Sistema de control de la eliminación biológica de nitrógeno en procesos en continuo de tratamiento de líquidos afluentes residuales, que comprenden, secuencialmente, al menos una zona de tratamiento en anoxia, dónde se produce la desnitrificación y, al menos, una zona de tratamiento en aerobiosis, donde se produce la nitrificación, de dichos afluentes, con un caudal variable de recirculación de la zona aerobia a la anóxica, caracterizado porque dispone, al menos, de un primer y de un segundo controlador independientes,

- un primer controlador, del proceso de desnitrificación, que dispone de al menos una sonda de pH en la zona anóxica, calculando este primer controlador la diferencia entre los valores de pH dentro de dicha zona anóxica, y además, dispone de una sonda redox ORP en la propia zona anóxica, determinando dicha diferencia de pH junto con el valor de ORP en la etapa anóxica, el caudal de recirculación de la zona aerobia a la anóxica;

- un segundo controlador, del proceso de nitrificación que modifica la consigna de oxígeno disuelto en la zona aerobia, a partir de al menos una sonda de pH dispuesta en dicha zona, que efectúa mediciones periódicas del pH correspondiente, calculando este segundo controlador la diferencia entre los valores de pH dentro de la zona aerobia.

2. Sistema de control según la reivindicación 1 caracterizado por comprender en el proceso continuo de tratamiento de líquidos afluentes residuales, adicionalmente, al menos una zona de tratamiento inicial en anaerobiosis, disponiendo entonces el sistema de, al menos, una sonda redox ORP adicional, situada en dicha zona anaerobia, calculando también el segundo controlador, la diferencia de potenciales redox entre la zona anaerobia y la zona anóxica.

3. Sistema de control según la reivindicación 1 o 2 que cuando el proceso en continuo es llevado a cabo mediante un régimen de circulación de flujo de pistón dispone de:

- al menos una sonda de pH en la primera y última zona aerobia,

- al menos una sonda de pH en la primera y última zona anóxica

- una sonda redox en la última zona anóxica

- una sonda redox adicional situada en la última zona anaerobia.

4. Sistema de control según la reivindicación 1 o 2 que cuando el proceso en continuo es llevado a cabo mediante un régimen de circulación en reactores de mezcla completa dispone

- al menos una sonda de pH en la primera y última zona aerobia,

- al menos una sonda de pH en la primera y última zona anóxica

- una sonda redox en la última zona anóxica

- una sonda redox adicional situada en la última zona anaerobia.

5. Sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque la zona aerobia dispone de un sistema de control de la aireación que modifica la consigna de oxígeno disuelto y la zona anóxica dispone de un variador que modifica el caudal de recirculación de la zona aerobia a la anóxica.

6. Procedimiento de eliminación biológica de nitrógeno en procesos en continuo de tratamiento de líquidos afluentes residuales, que comprende, secuencialmente, al menos una zona de tratamiento en anoxia y, al menos, una zona de tratamiento en aerobiosis, de dichos afluentes, con un caudal variable de recirculación de la zona aerobia a la zona anóxica caracterizado por utilizar el sistema de control de las reivindicaciones 1 a 5.

7. Procedimiento según la reivindicación 6 caracterizado por comprender en el proceso continuo de tratamiento de líquidos afluentes residuales, adicionalmente, al menos una zona de tratamiento inicial en anaerobiosis.

8. Procedimiento según las reivindicaciones 6 o 7 caracterizado porque el proceso en continuo es llevado a cabo mediante un régimen de circulación de flujo de pistón caracterizado porque el sistema de control dispone de:

- al menos una sonda de pH en la primera y última zona aerobia,

- al menos una sonda de pH en la primera y última zona anóxica

- una sonda redox en la última zona anóxica

- una sonda redox adicional situada en la última zona anaerobia.

9. Procedimiento según las reivindicaciones 6 o 7 caracterizado porque el proceso en continuo es llevado a cabo mediante un régimen de circulación en reactores de mezcla completa caracterizados porque el sistema de control dispone de:

- al menos una sonda de pH en la primera y última zona aerobia,

- al menos una sonda de pH en la primera y última zona anóxica

- una sonda redox en la última zona anóxica

- una sonda redox adicional situada en la última zona anaerobia.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9 dónde la zona aerobia dispone de un sistema de control de aireación.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10 en el que se dispone de un variador para la regulación automática del caudal de recirculación interna entre la zona aerobia y la zona anóxica.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11 caracterizado porque el proceso continuo se lleva a cabo en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR).