Investigación sobre metodologías para el control de depuradoras

Abstract

En la presente Tesis Doctoral se lleva a cabo una investigación sobre metodologías para el control de depuradoras biológicas urbanas, con el objetivo de obtener alternativas a las mismas o introducir variaciones que supongan una mejora de los procedimientos habituales. Con carácter preliminar, se ha realizado un estudio sobre los sistemas de tratamiento existentes en el marco territorial de la Comunidad Valenciana -ámbito espacial de estudio-, a fin de determinar y centrar la investigación en las tipologías de tratamiento más generalizadas. De dicho estudio se desprende que el 73% de las depuradoras biológicas urbanas en servicio gestionadas por la Entidad de Saneamiento de la Generalitat son del tipo de cultivo en suspensión (fangos activos convencional y sus variantes); el 10% son de diversos sistemas de cultivo fijo (lechos bacterianos, biodiscos y biocilindros); el 12% tienen sistemas de baj o coste o tecnologías blandas (laguna es y lechos de turbas); y el 5% restante cuentan únicamente con un tratamiento parcial (pretratamiento, decantación, físicoquímico, etc.). Este estudio preliminar permite constatar que las depuradoras basadas en procesos de fangos activos son, con mucha diferencia, las mayoritariamente implantadas en el territorio, por lo que este sistema de tratamiento de las aguas residuales urbanas constituye, en consecuencia, el más representativo de cuantos se aplican en el ámbito espacial de la investigación. Por otro lado, del análisis de la bibliografía consultada se desprende que las líneas de investigación actuales sobre las metodologías para el control de depuradoras se concentran. Prácticamente de manera exclusiva, en la optimización de la operación de las plantas en sus distintas vertientes: conocimiento en tiempo real del funcionamiento de los procesos, intervenciones de corrección (reducción de los tiempos de reacción), mantenimiento del punto de operación de la planta (en el que se verifican las condiciones de calidad del efluente con el mínimo coste), etc. Sin embargo. la puesta en práctica de estos procedimientos consume una gran cantidad de recursos y exige grandes inversiones en medios humanos y económicos, que en la mayor parte de los casos no se está en condiciones de afrontar. Llegados a este punto, se plantea la investigación desde la perspectiva del Titular de la instalación, en el ejercicio de sus funciones de vigilancia periódica y continuada sobre las actividades del Contratista responsable de la explotación (Explotador) -realizadas dichas fimciones bien directamente, bien a través de una Asistencia Técnica extema (Controlador)-, de manera que con el menor número de datos disponibles y con un consumo mínimo de recursos, se pueda conseguir la máxima infomiación posible sobre el funcionamiento real de la depuradora. Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, se ha desarrollado una metodología para el control de la eficiencia de las unidades de los procesos de fangos activos, estructurado en base a los algoritmos que reproducen los procesos a controlar en la depuradora, esto es, la eliminación de la contaminación orgánica carbonada, la eliminación de la contaminación nitrogenada y las necesidades de oxígeno. Para reproducir estos procesos se han adoptado modelos matemáticos analíticos y bases científicas de la bibliografía, que se han implementado en una hoja de cálculo, de manera que cada "hoja" recoge un proceso y el conjunto de hojas (conjunto de procesos) conforma un "libro", que representa a la depuradora a controlar. Posteriormente se ha ejecutado el algoritmo con los datos reales de una planta de fangos activos Convencional en servicio para su verificación y se ha aplicado a los casos de depuradoras de Aireación Prolongada y de Doble Etapa, con lo que el modelo se ha probado con sistemas de tratamiento de media, baja y alta carga música. Los resultados obtenidos demuestran que disponiendo únicamente de un cierto número de datos básicos, es posible obtener una metodología para el control de las unidades de los procesos de fangos activos, capaz de proporcionar información sobre el desarrollo y los resultados de dichos procesos (eficiencia), así como elementos de juicio para el análisis y evaluación de estrategias sobre la mejor manera de realizarlos (optimización). Algunos de estos datos básicos son conocidos mediante mediciones u observaciones en la propia planta (caudal influente, características de la obra civil y de los equipos electromecánicos, consumos energéticos, producción de fangos, etc.), otros son fácilmente obtenibles mediante instrumentos sencillos o analíticas al alcance de cualquier laboratorio mínimamente equipado (temperatura del agua residual, caracterización del agua bruta y del agua depurada, etc.) y el resto procede de la literatura especializada (coeficientes estequiométricos y parámetros biocinéticos, fraccionamiento de la materia orgánica, etc.). En definitiva, se ha establecido una modelización para el control cuyos inputs son las variables, constantes y parámetros necesarios para definir cada proceso y losoutputs o resultados de salida son los parámetros que pueden considerarse suficientes para el control de la eficiencia de los procesos de una depuradora de fangos activos. El modelo se caracteriza como "modelo de investigación", que enfatiza el esquema numérico preciso y el uso de ecuaciones más completas, en contraposición a los que se conocen como "modelos comerciales", más interesados en la amigabilidad del entorno gráfico, en la facilidad de la entrada de datos y, sobre todo, en que haya un resultado, aunque no se sepa muy bien las bases científicas y algoritmos matemáticos que utilizan ni, en ocasiones, su fiabilidad. Al mismo tiempo, se encuadra dentro de los denominados "modelos tecnológico-operacionales", en cuanto que considera los balances de masas y las cinéticas de crecimiento en régimen estacionario, demostrando ser suficientemente válido para el control de la eficiencia del proceso sin necesidad de tener en cuenta las características dinámicas propias de una depuradora. La metodología desarrollada es flexible y generalizable, ya que su estructura algorítmica posibilita la modelización de distintas configuraciones de cultivo en suspensión, simplemente desarrollando e insertando los sub-algorítmos correspondientes a los procesos a controlar de la variante que se considere. El carácter versátil, interactivo y abierto que confiere a esta metodología su implementación en una hoja de cálculo, permite al Controlador/Operador acceder directamente a ella para modificarla y personalizarla a su conveniencia, tanto en lo que se refiere a la estructura general del "libro" (depuradora) como a sus "hojas" (procesos), por lo que es posible adaptarla a cualquier depuradora, a base de ir variando los parámetros biocinéticos hasta encontrar los que mejor se ajustan a la planta objeto del control. Tiene la ventaja, por tanto, de poder incorporar el conocimiento experto de los controladores y operadores de plantas y de la literatura especializada, así como las experiencias adquiridas con la gestión de la planta bajo control, para obtener los patrones de funcionamiento o curvas características de la planta para distintas temperaturas, periodos de anoxia, etc., haciendo ajustes sucesivos de los parámetros biocinéticos en base al modelo real.