Control en linea de un reactor batch secuencial.

Control en linea de un reactor batch secuencial para el tratamiento biológico de agua residual doméstica.

Categoría: 2. Ciencia y tecnología.

Las mediciones de pH y potencial redox son parámetros de operación de biorreactores que pueden ser utilizados para obtener un mejor control de los procesos que tienen lugar dentro de estos sistemas. En un lecho sembrado con plantas acuáticas utilizado para el tratamiento de agua residual sintética, se realizaron lecturas del potencial redox durante las 24 horas del día. En el gráfico que muestra esos valores se puede apreciar con claridad el momento en que se inicia la actividad fotosintética de las plantas, al inicio de la etapa iluminada. A partir de ese punto los valores comienzan a aumentar debido a la oxigenación de la rizosfera por efecto del transporte de oxígeno molecular (O2) a través del tejido de aerénquima de este tipo de vegetación (+93.3mV). Durante la noche, los valores de potencial redox vuelven a bajar, hasta alcanzar un mínimo antes de la media noche (-6mV), este valor se mantiene estable hasta que comienza nuevamente la iluminación del sistema. Más información al respecto se puede encontrar en el artículo publicado en septiembre de 2011 por la reista Bioresource Technology (Orduña y col, 2011. Adelante se presenta la referencia completa).

Para no contribuir con mi mala traducción, voy a escribir el abstract y la introducción tal como aparecen en el artículo titulado "On-line Control of a SBR Reactor for the Biological Wastewater Treatment" de los autores mencionados.

G. Bortone, S. Longhi, L. Lccarini, E. Porrá y P. Ratini

Abstract. A solution to the on-line control of a Sequential Batch Reactor (SBR) is analyzed. The proposed on-line controller is able to estimate the process state and to control the evolution of the SBR plant. The on-line measurement of the substrate concentrations are not available and the estimation of the state of SBR system is performed by trained neural networks which use the pH and ORP (redox potential) measurements. Several experimental tests are developed with significant results. The proposed controller reduces the treatment period allowing energy saving and increasing the amount of treated wastewater.

Index terms: Sequencing batch reactor; Real-time control; Neural networks.

Introduction. In the last years, the water eutrophication problem has been faced with an increasing of the wastewater quality standards and with a significant development of the water treatment technology, in particular with biological treatment plants. A biological wastewater treatment plant produces in an artificial ecosystem the same self-purification of a natural system, with biochemical reactions characterized by higher rates and yields. The Sequential Batch raector (SBR) is largely used in the biological wastewater technology. Generally the SBR reactor work with a static temporization of the process phases, which are correlated on the treatment plant parameters. In general this choice produces an excesive use of the actuators with consequent power dissipation, and a reduction on the quantity and quality of the wasted water. The performances of these biological wastewater treatment plants can be improved by the introduction of a dynamical control system able to impose a dynamical temporization of the process phases on the basis of on-line measurements of the water parameters.

In this papaer a possible solution to the on-line control of a SBR reactor is analyzed. The proposed on-line controller is able to detect the process state, by the identification of the end of each phases of the treatment cycle, and to control the evolution of the SBR plant. In the considered process the on-line measurement of the substrates concentrations are not available and the estimation of the state of SBR system is performed by trained neural networks which use the pH and ORP (redox potential) measurements. A scale plant, developed by ENEA Environmental Engineering and Technology Department in Bologna, has been used for testing the proposed controler.

The paper is organized in the following way. In section 2, the SBR process is briefly introduced. The state estimation of the process is discused in Section 3. The section 4 and 5 describe the proposed control strategy and the performed experimental tests, respectively.

El artículo describe cada una de las fases de tratamiento, como en la siguiente figura.

Para cada fase los equipos que deben estar en operación y los equipos que deben permanecer inactivos, se muestran en una tabla.

En dos ciclos completos de 6 horas de duración cada uno, muestra los valores promedio de pH y ORP, a partir de los cuales se calculan las concentraciones de fosfatos, nitratos y amonio mediante redes neuronales, utilizando Matlab.

Mediante redes neuronales se calculan las concentraciones de fosfatos, nitratos y amonio, partiendo únicamente con valores de pH y ORP.

Valores de fosfatos estimados se grafican en la linea punteada y se agregan valores obtenidos experimentalmente, marcados con un asterisco. El fosfato en la fase acuosa se incrementa durante la etapa de llenado del tanque del reactor, alcanza un máximo durante la etapa anaerobia, después comienza a disminuir durante la etapa aerobia, cuando los microorganismos lo acumulan mediante la síntesis intensa de ATP. Después de la etapa aerobia se retiran los lodos que, de esta manera han acumulado gran cantidad de fosfatos, eliminándose este contaminante del agua residual tratada.

 Valores de nitratos estimados se muestran en la linea punteada y se adicionan valores obtenidos experimentalmente, marcados con un asterisco, para un ciclo completo. Puede verse que la concentración de nitratos disminuye al inicio, durante la etapa de llenado, es muy baja durante la etapa anaerobia y comienzaa aumentar de nuevo al iniciar la etapa aerobia hasta alcanzar un nuevo máximo de concentración, debido a la oxidación biológica del amonio. El nitrato acumulado se consume por desitrificación en condiciones anóxicas en una reacción biológica heterótrofa, en la que se consume materia orgánica disuelta.

La concentración de amonio es mínima durante la etapa de llenado, se incrementa hasta alcanzar un máximo en la etapa anaerobia y se consume durante la etapa aerobia, cuando es transformado biológicamente a nitrato (NO3).

En el artículo se comenta que los reactores SBR funcionan en su mayoría con temporizadores que inician y terminan cada etapa del proceso en un tiempo preestablecido, es decir, como un sistema de control de lazo abierto. Mientras que la alternativa que se muestra funciona tomando en cuenta el estado en que se encuentra el sistema en cada momento, de manera que al alcanzarse las condiciones necesarias para dar por terminada una etapa del proceso, el sistema de control envía la señal adecuada para que esta finalice y se comience con la siguiente etapa del proceso. Este sería un sistema de control de lazo cerrado.

Consultar también:

Miguel Angel Orduña Bustamante, Mabel Vaca Mier, J. Alberto Esclante Estrada, Carmen Durán Domínguez. Nitrogen and potassium variation on contaminant removal for a vertical subsutface flow lab scale constructed wetland. Bioresource Technology 102(2011):7745-7754

G. Bortone, S. Longhi, L. Lccarini, E. Porrá y P. Ratini. On-line Control of a SBR Reactor for the Biological Wastewater Treatment (esta referencia ladejo incompleta porque no tengo más información por el momento)