Equipo y procedimiento para la medición de la velocidad de consumo de oxígeno de fangos activados para una concentración de sustrato orgánico biodegradable determinada.

El equipo de la invención comprende un reactor (1), un agitador (2), medios para medir la concentración de oxígeno (3), un depósito (4) de fangos activados, medios de dosificación (5) de un sustrato orgánico biodegradable, y una bomba (6) para llenar y vaciar el reactor (1). Dichos medios de dosificación (5) comprenden un cilindro con un émbolo (17), estando accionado por un motor (15) a través de un eje. Adicionalmente un dispositivo controlador (16) controla el desplazamiento del émbolo en el cilindro. Dicho equipo puede ser empleado para determinar la velocidad de consumo de oxígeno de fangos activados para distintas concentraciones de sustrato orgánico biodegradable determinadas, llevando a cabo las etapas de carga de un fango activado en un reactor (1), homogeneización de dicho fango activado, medición del consumo de oxígeno en fase endógena, inyección de una cantidad predeterminada de sustrato, y medición del consumo de oxígeno en fase exógena.

Equipo y procedimiento para la medición de la velocidad de consumo de oxígeno de fangos activados para una concentración de sustrato orgánico biodegradable determinada.

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo de los dispositivos para la determinación experimental de los parámetros cinéticos y estequiométricos de los modelos de simulación de sistemas de fangos activados más aceptados por la comunidad científica. La determinación de los parámetros del modelo se denomina comúnmente calibración. El dispositivo de la invención permite realizar de manera altamente automatizada los ensayos necesarios para la calibración del modelo de fangos activados para estaciones depuradoras de aguas residuales, EDAR, que incluyan eliminación de materia orgánica, nitrógeno y fósforo por vía biológica.

Antecedentes de la invención

Actualmente, el objetivo en la explotación de las estaciones depuradoras de aguas residuales, no es sólo el cumplimiento de los limites de vertido marcados por la legislación, sino además minimizar el consumo de energía. Todo esto implica el correcto diseño 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 hace necesario un estudio exhaustivo de cada caso, 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. Este tipo de estudios permite diagnosticar el funcionamiento de plantas existentes y optimizar su operación, adecuando el proceso de depuración al agua residual influente. Sin embargo, dada la alta complejidad de los procesos biológicos involucrados, no es posible realizar estos estudios sin la ayuda de un modelo matemático que sea capaz de representar fielmente las transformaciones que se producen en una estación depuradora de aguas residuales.

De todos los modelos existentes en la bibliografía, los más ampliamente utilizados y aceptados por la comunidad científica son los propuestos por la IWA, en concreto los modelos ASM1 y ASM2d (Henze M., Gujer W., Mino T., and van Loosdrecht M.C.M. (2000) Activated sludge models ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3. IWA Scientific and Technical Report No. 9, IWA Publishing, London, UK).

El elevado número de parámetros que presentan estos modelos, más de 60 parámetros, y el alto nivel de correlación existente entre ellos, hace especialmente difícil la obtención de todos ellos para un determinado sistema. Por este motivo, se ha dedicado un gran esfuerzo en encontrar la manera de obtener dichos parámetros con el mínimo esfuerzo experimental. Una alternativa es estimar estos parámetros mediante el ajuste por simulación de los datos experimentales obtenidos en condiciones dinámicas, por ejemplo BIOMATH en Bélgica o EAWAG en Suiza. Sin embargo, se ha comprobado matemáticamente que esta metodología no permite estimar de manera correcta los parámetros que presentan una elevada correlación (Brun R., Kühni M., Siegrist H., Gujer W. and Reichert P. (2002) Practical identifiability of ASM2d parameters-systematic selection and tuning of parameter subsets. Water Research, 36(16), 4113-4127). Además, este método presenta otro inconveniente importante. Los modelos biológicos se desarrollaron para representar la actividad de la biomasa, considerando un funcionamiento hidráulico ideal de la depuradora, es decir, reactores ideales, volúmenes completamente agitados, etc. En cambio, el funcionamiento de una EDAR, por lo general, se aleja bastante del funcionamiento ideal. Por tanto, este método de calibración dará valores en los parámetros del modelo que dependerán, en gran medida, de las condiciones hidráulicas de funcionamiento bajo las cuales han sido obtenidos y no tanto de la actividad biológica del fango activado.

Una manera de solucionar este problema consiste en la determinación de estos parámetros mediante la realización de una serie de experimentos predefinidos, con el objetivo de aislar los distintos procesos que intervienen en el sistema estudiado, denominándose dicho método como calibración selectiva.

El solicitante ha desarrollado un dispositivo que permite la calibración selectiva de los parámetros del modelo de fangos activados ASM2d de una forma totalmente automatizada y basada en la metodología propuesta por Penya-Roja J.M., Seco A., Ferrer J. and Serralta J. (2002). Calibration and validation of Activated Sludge Model No.2d for Spanish municipal wastewater. Environmental Technology, 23(8), 849-862. Esta metodología fue desarrollada y validada en sistemas de fangos activados con eliminación biológica de nitrógeno y fósforo mediante experimentos en planta piloto. Posteriormente, ha sido aplicada con éxito en numerosas calibraciones realizadas para estaciones depuradoras de aguas residuales existentes. Sin embargo, la aplicación práctica de esta metodología a nivel industrial resulta muy costosa ya que requiere un gran esfuerzo experimental.

Descripción de la invención

En un primer aspecto, la invención se refiere a un equipo para la medición de la velocidad de consumo de oxígeno de fangos activados para concentraciones determinadas y conocidas de un sustrato orgánico biodegradable. Dicho equipo comprende un reactor en el que se realizará la medición del consumo de oxígeno de fangos activados, un agitador del contenido de dicho reactor, medios para la medición de la concentración de oxígeno y la temperatura en el interior de dicho reactor, un depósito para el almacenamiento de fangos activados comunicado con el reactor, medios de dosificación del sustrato orgánico biodegradable para incorporar dicho sustrato orgánico biodegradable al reactor y una bomba configurada para realizar el llenado y vaciado del reactor.

De acuerdo con la invención, dichos medios de dosificación de dicho sustrato orgánico biodegradable comprenden un cilindro, un émbolo localizado en el interior de dicho cilindro, donde dicho émbolo está configurado para ser accionado por un motor a través de un eje, y un dispositivo controlador del número de vueltas que gira dicho eje del motor.

Estos medios de dosificación permiten por un lado conocer exactamente la cantidad de sustrato orgánico biodegradable que se va a aportar al reactor y por otro lado se es capaz de suministrar el sustrato con una gran rapidez. La dosificación de gran rapidez viene causada por el modo de dispensación, basado en un émbolo accionado por un motor con la potencia suficiente para llevar a cabo la dosificación del sustrato. Dicho motor está accionado por un eje, y las vueltas que gira dicho eje están controladas por un dispositivo controlador. El número de vueltas giradas por el eje correlaciona con el sustrato suministrado, por lo que controlando las vueltas que el eje gira se es capaz de controlar exactamente el sustrato dosificado.

Con estas dos medidas se obtienen una serie de ventajas, entre las que se pueden mencionar el hecho de que el sustrato se aporta de manera prácticamente instantánea, considerando la dinámica de la reacción, lo cual posibilita el poder determinar con qué concentración de sustrato está el reactor trabajando en el momento inicial. Del mismo modo, el hecho de ser capaz de poder fijar concentraciones conocidas para llevar a cabo la reacción permite poder relacionar los resultados obtenidos con una concentración exacta.

Adicionalmente, el equipo puede comprender medios para mantener la temperatura estable en un determinado valor, fijado por el usuario del mismo. Dicho valor podrá ser escogido en función de las condiciones de temperatura en que se quiera llevar a cabo el experimento. Uno de los posibles medios de mantener la temperatura estable es rodear al reactor por una camisa exterior por donde circula agua sometida a un baño termostatizado.

Los medios de dosificación podrán estar comunicados con un contenedor en el que se almacene el sustrato orgánico biodegradable. El sustrato orgánico biodegradable consiste en una muestra de agua residual filtrada. A los efectos de los ensayos que se pueden realizar, es muy importante usar el mismo agua residual a la que están aclimatados los microorganismos del fango activado para la preparación del sustrato. Una vez filtrado, se mide su contenido en materia orgánica en unidades de DQO (Demanda Química de Oxígeno, mg O₂ • l^-1). Esta concentración...

1. Equipo para la medición de la velocidad de consumo de oxígeno de fangos activados para una concentración de un sustrato orgánico biodegradable que comprende un reactor (1) configurado para realizar la medición del consumo de oxígeno de fangos activados, un agitador (2) del contenido de dicho reactor (1), medios para la medición de la concentración de oxígeno (3) en el interior de dicho reactor (1), un depósito (4) para el almacenamiento de fangos activados comunicado con el reactor (1), medios de dosificación (5) de un sustrato orgánico biodegradable para incorporar dicho sustrato orgánico biodegradable al reactor (1), una bomba (6) configurada para realizar el llenado y vaciado del reactor (1),

caracterizado por que

dichos medios de dosificación (5) de dicho sustrato orgánico biodegradable comprenden un cilindro, un émbolo (17) localizado en el interior de dicho cilindro, donde dicho émbolo (17) está configurado para ser accionado por un motor (15) a través de un eje, y un dispositivo controlador (16) del número de vueltas que gira dicho eje del motor (15).

2. Equipo según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende medios para mantener la temperatura del reactor (1) estable en un valor predeterminado.

3. Equipo según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado por que comprende un contenedor (21) unido a los medios de dosificación (5), conteniendo dicho contenedor (21) el sustrato orgánico biodegradable.

4. Equipo según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por que el depósito (4) comprende difusores (13) cerámicos porosos y aireadores (14).

5. Equipo según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado por que comprende unas primeras válvulas (7) configuradas para controlar la circulación del fango activado entre el depósito (4) y el reactor (1).

6. Equipo según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado por que comprende unas segundas válvulas (22) configuradas para controlar la circulación del sustrato orgánico biodegradable entre el contenedor (21), el cilindro y el reactor (1).

7. Equipo según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado por que el dispositivo controlador (16) está conectado al motor (15), a las primeras válvulas (7), a la bomba (6), al agitador (2) y a un ordenador (10), configurado dicho dispositivo controlador (16) para controlar la posición del émbolo (17) actuando sobre el motor (15), y fijar el modo de funcionamiento de las primeras válvulas (7), de la bomba (6) y del agitador (2).

8. Equipo según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado por que comprende un ordenador (10) conectado al dispositivo controlador (16) y a los medios para la medición de la concentración de oxígeno (3), configurado para recoger los datos medidos por los medios para la medición de la concentración de oxígeno (3), controlar la dosificación del sustrato orgánico biodegradable mediante el control del motor (15) y del dispositivo controlador (16), establecer la circulación del fango activado mediante el control de las primeras válvulas (7) y la bomba (6) a través del dispositivo controlador (16) y la agitación del reactor (1) mediante el control del agitador (2) a través del dispositivo controlador (16).

9. Procedimiento para la medición de la velocidad de consumo de oxígeno de fangos activados para la degradación de una determinada concentración de sustrato orgánico biodegradable caracterizado por que comprende las etapas de: