Control dinámico de sistema de biorreactor de membrana.

Un método para controlar el flujo de gas de aireación en el sistema y la velocidad de circulación del licor mezclado de un sistema de biorreactor de membrana,

incluyendo el método las etapas siguientes:

a) determinar un algoritmo de control que calcula un SRT aeróbico optimizado y una concentración de MLVSS basándose en una temperatura de influente y

b) controlar el flujo de gas de aireación en el sistema y la velocidad de circulación del licor mezclado usando el algoritmo de control determinado,

en el que un volumen de tanque o el tiempo de retención hidráulico (TRH) son fijos y

en el que cuando la temperatura aumenta, se reduce el suministro de aire, la velocidad de circulación del licor mezclado y una carga de filtración en las membranas, y

en el que las ecuaciones preceptivas para el algoritmo de control son

Volumen de tanque aeróbico VOX ≥ QHRTOX ≥ Q*(SO - S)/(U*MLVSS)

donde Q es el caudal de agua residual influente, SO y S son la concentración de sustrato en el agua residual influente y el efluente tratado, MLVSS es la concentración de sólidos en suspensión volátiles en el licor mezclado, U es un factor de utilización del sustrato definido como

U ≥ (1/SRTOX + kd) / Y

donde kd e Y son, respectivamente, el coeficiente de decaimiento endógeno y el coeficiente de rendimiento máximo y SRTOX se define como

SRTOX ≥ f / (μ - kd)

donde f es el factor de seguridad y μ se define como

μ ≥ μ20CAtemperatura-20

donde μ es la tasa de crecimiento específico de las bacterias nitrificantes, y

A es un coeficiente de corrección de temperatura.

Control dinámico de sistema de biorreactor de membrana Campo técnico La presente invención se refiere a sistemas de biorreactores de membrana y, más especialmente, a métodos para el control dinámico del funcionamiento de tales sistemas.

Antecedentes de la invención Los sistemas de biorreactores de membrana (MBR) tienen muchas ventajas sobre los sistemas de lodos activados tradicionales, tales como un tamaño pequeño, la mejor calidad del agua tratada y el no abultamiento del lodo. Estos sistemas, sin embargo, tienen una serie de problemas, tales como el alto consumo de energía para suministrar oxígeno al biorreactor con una alta concentración de licor mezclado, las dificultades en el manejo de grandes variaciones del flujo de influente y el bajo potencial de eliminación biológica de fósforo.

El MBR es un sistema dinámico que nunca alcanza un estado estacionario. Los factores dinámicos incluyen:

â?¢ La variación estacional durante todo el año de la temperatura del influente y del licor mezclado.

â?¢ La variación diurna, semanal y estacional del caudal de influente.

â?¢ La variación diurna, semanal y estacional de la concentración de contaminantes.

â?¢ La permeabilidad de la membrana antes y después de la limpieza de la membrana.

El documento EP1376276 A1 desvela un sistema de control de inteligencia artificial para controlar factores variables tales como el oxígeno disuelto (DO) , el tiempo de retención de sólidos (SRT) , la temperatura y los sólidos en suspensión en el licor mezclado (MLSS) , dependiendo de propiedades como el agua de entrada.

El documento US 6.616.843 B1 desvela un biorreactor de membrana que comprende un tanque de licor mezclado en el que se mide el nivel de oxígeno disuelto y los valores medidos se usan para controlar el suministro de burbujas de oxigenación.

Divulgación de la invención La presente invención pretende superar al menos alguno de los problemas anteriores proporcionando un algoritmo de control, que pretende optimizar dinámicamente los parámetros de funcionamiento del sistema MBR con el fin de reducir el consumo de energía, manejar cualquier variación del flujo de influente de una manera rentable y mejorar el potencial de eliminación biológica de fósforo.

La presente invención proporciona un método para controlar el flujo de gas de aireación en el sistema y la velocidad de circulación del licor mezclado de un sistema de biorreactor de membrana de acuerdo con las reivindicaciones 1-3.

Breve descripción de los dibujos A continuación, se describirán las realizaciones preferidas de la invención, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 muestra una gráfica de las variaciones de la temperatura del agua de entrada, el SRT aeróbico y el coste de suministro de oxígeno para un sistema de biorreactor de membrana típico durante un período anual; La figura 2 muestra una gráfica de un factor contra los sólidos en suspensión en el licor mezclado que usa un inyector y aireación de burbuja fina; La figura 3 muestra una gráfica de los MLSS, la relación de circulación de membrana y el coste del bombeo de circulación durante un período anual para un sistema de biorreactor de membrana típico; Las figuras 4a y 4b muestran un diagrama esquemático del funcionamiento de un sistema de biorreactor de membrana en verano y en invierno, respectivamente, en el que la eliminación biológica de fósforo se desconecta durante los meses de invierno; y Las figuras 5a y 5b muestran un diagrama esquemático de otra realización del funcionamiento de un sistema de biorreactor de membrana en verano y en invierno, respectivamente, en el que la eliminación biológica de fósforo se desconecta durante los meses de invierno.

Descripción de las realizaciones preferidas La mayoría de las velocidades de las reacciones biológicas son muy sensibles a la temperatura del agua. Por ejemplo, la tasa de crecimiento específico de las bacterias nitrificantes puede describirse como μ = μ20CAtemperatura-20 ......................................................................... (1)

Donde A es un coeficiente de corrección de temperatura. En términos generales, la tasa de nitrificación a 10 º C es solo la mitad o menos que a 20 º C.

La temperatura del agua influente y la temperatura del licor mezclado varían estacionalmente. En la parte norte de Norteamérica, Europa y Asia, la temperatura del influente en invierno puede ser muy fría, por lo tanto, la tasa de nitrificación lenta se convierte, normalmente, en el factor determinante cuando se calcula la concentración de licor mezclado, el SRT y el volumen del biorreactor de membrana.

Aunque el sistema de biorreactor de membrana, que incluye el equipo mecánico y el volumen del biorreactor, se diseña habitualmente basándose en la peor situación posible, la presente invención pretende proporcionar un sistema de control dinámico para optimizar los parámetros de funcionamiento para reducir los costes de funcionamiento y mejorar la calidad del efluente.

En la figura 1, se muestra el efecto de la variación estacional de la temperatura del influente entre 10 º C y 27 º C en un sistema de biorreactor de membrana típico, asumiendo el influente una demanda bioquímica de oxígeno (BOD) = 200 mg/l, un nitrógeno total Kjeldahl (TKN) = 45 mg/l y unos sólidos en suspensión totales (TSS) = 150 mg/l.

Con el fin de nitrificar completamente el influente, los parámetros de funcionamiento se establecen en sólidos en suspensión en el licor mezclado (MLSS) = 10.000 mg/l, tiempo de retención de sólidos aeróbico (SRTOX) = 14 días y tiempo de retención hidráulico aeróbico (HRTOX) = 6, 1 horas. Después se determina el volumen del biorreactor de membrana, el tiempo medio de retención hidráulico (HRTOX) no cambia. Sin embargo, usando el modelo biológico, el algoritmo de control calcula el SRTOX aeróbico optimizado y la concentración de MLSS basándose en la temperatura del influente. En este ejemplo, las ecuaciones preceptivas para el algoritmo de control son las siguientes:

Volumen de tanque aeróbico VOX = Q*HRTOX = Q* (SO â?" S) / (U*MLVSS) .................... (2)

donde Q: caudal de agua residual influente SO y S: concentración de sustratos en el agua residual influente y los MLVSS de efluente tratados: sólidos en 30 suspensión volátiles en el licor mezclado U: factor de utilización de sustrato y U = (1/SRTOX + kd) / Y ................................................................ (3)

Donde kd e Y son, respectivamente, el coeficiente de decaimiento endógeno y el coeficiente de rendimiento máximo.

SRTOX = f / (μ -kd) ................................................................. (4)

Donde f es el factor de seguridad.

Cuando aumenta la temperatura, la tasa de crecimiento específico, μ, aumenta de acuerdo con la ecuación (1) . Esto da como resultado una reducción del SRTOX requerido para lograr la nitrificación y la oxidación BOD (ecuación 4) . Si el tiempo de retención de sólidos (SRT) se ajusta a un valor inferior, en consecuencia, se aumentará el factor de utilización de sustrato (ecuación (3) ) . Debido a que el diseño del sistema se basa en el peor escenario posible (la 45 temperatura más baja) y el volumen de tanque o el tiempo de retención hidráulico (HRT) es fijo, la ecuación (2) muestra que los MLVSS pueden reducirse para un factor U de utilización mayor. Por lo tanto, durante las estaciones más calurosas, el SRT y la concentración de MLSS pueden reducirse usando el control dinámico de esta realización de la invención. Una menor concentración de MLSS en el biorreactor reduce el requisito de suministro de aire, la velocidad de circulación del licor mezclado y la carga de filtración en las membranas. Esto se describe con detalle a 50 continuación.

Las realizaciones de la presente invención permiten una reducción en el consumo de energía requerido para transferir oxígeno al biorreactor de membrana.

Como un proceso de alta tasa de carga, los procesos de biorreactores de membrana usan habitualmente un difusor de burbuja fina para transferir oxígeno al biorreactor para mantener la actividad de los microorganismos aeróbicos, de modo que los contaminantes orgánicos y el amoníaco puedan oxidarse biológicamente. La cantidad de gas (normalmente aire) que contiene oxígeno que el soplador del bioproceso necesita suministrar, se determina principalmente mediante el coeficiente de transferencia de masa de carga orgánica y oxígeno del sistema. El 60 coeficiente de transferencia de oxígeno en un entorno de licor mezclado es diferente del coeficiente de transferencia de oxígeno en un entorno de agua limpia,... [Seguir leyendo]

1. Un método para controlar el flujo de gas de aireación en el sistema y la velocidad de circulación del licor mezclado de un sistema de biorreactor de membrana, incluyendo el método las etapas siguientes:

a) determinar un algoritmo de control que calcula un SRT aeróbico optimizado y una concentración de MLVSS basándose en una temperatura de influente y b) controlar el flujo de gas de aireación en el sistema y la velocidad de circulación del licor mezclado usando el algoritmo de control determinado, en el que un volumen de tanque o el tiempo de retención hidráulico (TRH) son fijos y en el que cuando la temperatura aumenta, se reduce el suministro de aire, la velocidad de circulación del licor mezclado y una carga de filtración en las membranas, y en el que las ecuaciones preceptivas para el algoritmo de control son Volumen de tanque aeróbico VOX = QHRTOX = Q* (SO -S) / (U*MLVSS)

donde Q es el caudal de agua residual influente, SO y S son la concentración de sustrato en el agua residual influente y el efluente tratado, MLVSS es la concentración de sólidos en suspensión volátiles en el licor mezclado, U es un factor de utilización del sustrato definido como

U = (1/SRTOX + kd) / Y

donde kd e Y son, respectivamente, el coeficiente de decaimiento endógeno y el coeficiente de rendimiento máximo y SRTOX se define como

SRTOX = f / (μ-kd)

donde f es el factor de seguridad y μ se define como μ = μ20CAtemperatura-20

donde μ es la tasa de crecimiento específico de las bacterias nitrificantes, y A es un coeficiente de corrección de temperatura.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la temperatura del influente se determina usando un algoritmo de predicción. 35

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el algoritmo de predicción determina la temperatura del influente basándose en los datos de previsión meteorológica.