Desarrollo de un sistema de control basado en la lógica difusa para la optimización del funcionamiento de una edar con eliminación biológica de nutrientes

Resumen

La implantación de esquemas de tratamiento nitrificación-desnitrificación para la eliminación biológica de nitrógeno en las estaciones depuradoras de aguas residuales comprende una de las mejores alternativas para cumplir la legislación vigente referente al vertido de nitrógeno y/o amonio en el efluente. Este tipo de tratamientos unidos a los procesos de eliminación de materia orgánica y sólidos suspendidos, incrementan considerablemente la complejidad de operación de una depuradora y más aún en el contexto de la minimización de residuos y de consumo energético. La gran cantidad de factores que influyen en el funcionamiento de estos procesos y la variabilidad del afluente a tratar justifican la importancia de la instrumentación, control y automatización de los sistemas de depuración para la correcta explotación de una estación depuradora de aguas residuales. Por lo general los procesos de eliminación biológica de nitrógeno en las estaciones depuradoras de aguas residuales son controlados mediante analizadores/sensores on-line que miden las concentraciones de nitrato y amonio en las zonas anóxicas y óxicas del proceso de depuración. Este tipo de instrumentación supone un elevado coste de instalación y de mantenimiento, dada la complejidad de los equipos utilizados. Además, para obtener un funcionamiento adecuado de estos equipos es necesaria una supervisión continua de los mismos por parte de los operarios de la planta. De este modo, el uso de sondas de bajo coste inicial y mantenimiento y fácil operación tales como el pH y potencial redox (ORP) supone una gran ventaja como posible alternativa a los analizadores/sensores on-line de nutrientes. Hasta el momento el uso de estas sondas se ha considerado una técnica viable y económica para el control de procesos de eliminación biológica de nutrientes en discontinuo. Sin embargo, existen muy pocas referencias de su aplicación a un proceso de fangos activados en continuo. El objetivo principal de esta tesis ha sido el desarrollo de un sistema de control, basado en la lógica difusa, mediante sondas de bajo coste, para la optimización de la eliminación biológica de nitrógeno en depuradoras con eliminación biológica de nutrientes. Este sistema permite controlar la eliminación biológica de nitrógeno a partir del uso de sondas de pH, ORP y OD (oxígeno disuelto), sin necesidad del empleo de analizadores/sensores de amonio y nitrato. En este trabajo de tesis se describe el desarrollo y validación del sistema de control en una planta piloto de eliminación biológica de nutrientes alimentada con agua residual procedente de una depuradora industrial. El diseño en planta piloto del sistema de control ha comprendido el desarrollo y validación de los siguientes controladores: controlador del proceso de aireación, controlador del proceso de nitrificación y controlador del proceso de desnitrificación. El controlador del proceso de nitrificación actúa sobre la consigna de oxígeno disuelto del reactor aerobio en función de la diferencia de pH entre la primera y la última zona aerobia. Esta diferencia indica el grado de nitrificación de la etapa aerobia y, por tanto, su evolución refleja el potencial de nitrificación de la misma, información ésta muy relevante para controlar de forma más precisa el proceso de nitrificación. El controlador del proceso de desnitrificación actúa sobre el caudal de recirculación del reactor aerobio al anóxico en función de la diferencia de pH entre la última y la primera zona anóxica, y de las medidas de potencial redox de la última zona anóxica y la última zona anaerobia. A partir de la evolución de la diferencia de pH se obtiene información acerca de la capacidad de desnitrificación de la etapa anóxica. El valor del potencial redox al final de la etapa anóxica indica, de forma indirecta, la concentración de nitrato existente. Finalmente, la comparación entre el valor del potencial redox al final de la etapa anaerobia y al final de la etapa anóxica refleja la proximidad a condiciones anaerobias al final de la etapa anóxica. Tras el proceso de validación del sistema de control desarrollado se demuestra la aplicabilidad de sondas de pH, ORP y OD en el control de procesos de eliminación biológica de nitrógeno operados en continuo. Cabe resaltar que el uso de este tipo de sondas frente al de analizadores/sensores on-line de nitrato y amonio, aporta una mayor información acerca de los procesos de nitrificación y desnitrificación y supone una reducción en el consumo energético derivado de los procesos de aireación y bombeo. Además, en esta tesis se ha desarrollado una herramienta informática que permite de forma sencilla y automática el diseño por simulación de sistemas de control. Esta herramienta se ha implementado en un software de simulación de estaciones depuradoras de aguas residuales (DESASS). La característica principal de esta herramienta es que ofrece la posibilidad de diseñar por simulación algoritmos de control programados en una aplicación informática independiente, mediante comunicación OPC (protocolo industrial de comunicaciones utilizado comúnmente en estaciones depuradoras de aguas residuales). De este modo, el algoritmo de control diseñado permite su transferencia directa a la planta industrial simulada, sin más que establecer, mediante comunicación OPC, la vinculación con el SCADA de la depuradora. El funcionamiento de esta nueva aplicación ha sido validado a partir del diseño por simulación de un algoritmo de control específico. Finalmente se ha desarrollado una metodología sistemática de calibración de sistemas de control basados en la lógica difusa, mediante la aplicación de técnicas de análisis de sensibilidad. Esta metodología consta de tres etapas: muestreo aleatorio usando la técnica del Hipercubo Latino (LHS) con el fin de seleccionar los mejores valores inciales de los parámetros para realizar el análisis de sensibilidad, análisis de sensibilidad local y proceso de optimización. En esta tesis se muestran los resultados obtenidos, tras la aplicación de esta metodología, a la calibración de un sistema de control difuso y se comparan con los resultados alcanzados mediante la calibración por el método prueba-error, típicamente utilizada en estos sistemas. Los resultados obtenidos a partir de la primera etapa de la metodología de calibración desarrollada reflejan la robustez de este tipo de sistemas de control difusos, mostrando que la probabilidad de encontrar una combinación de parámetros aceptable mediante la calibración prueba-error es elevada. La metodología de calibración desarrollada, ofrece una alternativa sistemática y automática para la calibración de sistemas de control difusos, frente a la calibración prueba-error. No obstante, el coste computacional de esta técnica junto con la robustez de los controladores difusos, muestran que, a nivel práctico, es preferible el uso de la calibración prueba-error en base al know-how del proceso. También se ha realizado un estudio de sensibilidad global, aplicando la técnica de Morris, para la selección de los parámetros más importantes de un controlador difuso sencillo. En base a los resultados obtenidos se observa que el número de simulaciones requerido es elevado y por tanto que la aplicación práctica de estudios de análisis de sensibilidad global para la calibración de sistemas de control difusos es muy limitada desde el punto de vista del coste computacional. Se puede concluir que el método prueba-error en base al know-how del proceso para la calibración de sistemas de control difusos supone una alternativa viable y competitiva frente a técnicas sistemáticas más complejas, basadas en métodos matemáticos. El número tan elevado de parámetros que definen a estos sistemas no es indicativo de una mayor complejidad en su ajuste, sino de una mayor aplicabilidad para situaciones distintas a las que ha sido desarrollado. La mayoría de los parámetros pueden ser fijados en cualquier valor del intervalo de variación considerado sin que éste afecte significativamente al funcionamiento del sistema de control.