ES2333837B9 - "procedimiento automatizado de control en tiempo real de un biorreactor de membranas y sistema de control correspondiente". - Google Patents
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Abstract
Procedimiento automatizado de control en tiempo
real de un biorreactor de membranas y sistema de control
correspondiente.
Procedimiento automatizado de control en tiempo
real de un biorreactor de membranas, que comprende unos medios
sensores de presión transmembrana y unos medios de obtención del
flujo de permeado. El procedimiento comprende las etapas de: [a]
determinación de una referencia inicial de evolución de la
permeabilidad de dicha membrana, entre por lo menos dos valores de
permeabilidad iniciales diferenciados, a partir del cociente entre
valores de flujo y presión transmembrana, [b] determinación de una
evolución actual de la permeabilidad de dicha membrana, entre por lo
menos dos valores de permeabilidad actuales diferenciados, a partir
del cociente entre valores de flujo y presión transmembrana, [c]
comparación de la evolución actual de la permeabilidad con la
referencia inicial de evolución de la permeabilidad, y [d]
establecimiento de un modo de operación del biorreactor según el
resultado de dicha comparación [c]. La invención también propone un
sistema de control para la puesta en práctica del procedimiento.
Description
Procedimiento automatizado de control en tiempo
real de un biorreactor de membranas y sistema de control
correspondiente.
La invención se refiere a un procedimiento
automatizado de control en tiempo real de un biorreactor de
membranas, dicho biorreactor comprendiendo unos medios sensores de
presión transmembrana aptos para medir una presión instantánea
transmembrana y unos medios de obtención del flujo de permeado aptos
para medir un flujo instantáneo de permeado.
Asimismo la invención se refiere a un sistema de
control en tiempo real de un biorreactor de membranas para la
puesta en práctica de dicho procedimiento.
Los biorreactores de membrana (del inglés MBR,
membrane bioreactor) han ido ganando importancia en los últimos
años como tecnología para el tratamiento y depuración de aguas
residuales, tanto en entornos municipales, como industriales y
especialmente en aquellos casos en los que el agua debe ser
reutilizada.
La tecnología de los MBR combina la tecnología
de membranas con los procesos de biodegradación por lodos activos.
Así, en uno o más reactores que contienen biomasa en suspensión
dependiendo de la instalación se lleva a cabo la eliminación
biológica de materia orgánica, nitrógeno y fósforo, y por otra
parte, en todos los casos mediante procesos de microfiltración o
ultrafiltración a través de la membrana, se realiza una separación
de sólidos.
Una de las ventajas importantes de los MBR
reside en que permiten trabajar a concentraciones de biomasa
superiores a las que permiten los sistemas convencionales de
depuración por lodos activos y generan un menor volumen de lodos.
Gracias a ello, los MBR ocupan un espacio más reducido y permiten
prescindir de decantadores secundarios. Finalmente, el agua tratada
obtenida en los MBR presenta una calidad superior a la de los
sistemas convencionales.
No obstante, los MBR también presentan ciertos
inconvenientes no menospreciables que frenan su rápida expansión en
el mercado. En primer lugar, los MBR tienen un consumo energético
elevado. El punto más destacable de consumo viene provocado por la
aireación necesaria para limpiar mecánicamente la superficie de las
membranas evitando su colmatación, es decir, el ensuciamiento de su
superficie con residuos sólidos provenientes del reactor.
Adicionalmente, también es importante el consumo en el MBR debido a
las presiones necesarias para llevar a cabo la filtración del
permeado. Por otra parte, la colmatación también implica un aumento
de la presión de filtrado o una disminución del flujo de permeado y
por lo tanto un mayor consumo.
Para evitar la colmatación de las membranas, los
MBR se hacen funcionar de forma cíclica entre fases de filtración y
fases de relajación o contralavado. La fase de relajación consiste
en la parada de la aspiración, para con ello evitar la deposición
de más sólidos sobre la membrana y conseguir que parte de los
sólidos que ensucian la membrana se puedan desprender. Finalmente,
la fase de contralavado consiste en la inversión del flujo de
permeado, para con ello eliminar de forma forzada los sólidos
depositados sobre la superficie y los poros de la membrana. Como ya
se ha comentado, habitualmente, durante el funcionamiento del MBR,
ya sea en filtración, relajación o contralavado se aplican aire u
otros gases en forma de burbujas por debajo de las membranas o
entre las mismas, para evitar, en la medida de lo posible, que los
sólidos se depositen sobre su superficie. Es decir el consumo
energético debido a la aireación está presente de forma constante en
el proceso industrial y por lo tanto es deseable reducirlo. Por
otra parte, durante las fases de relajación y contralavado el MBR
no está obteniendo agua tratada, lo cual repercute directamente de
forma negativa en el consumo energético del MBR y en el flujo total
neto de permeado obtenible.
A pesar de los frecuentes ciclos de
filtración/relajación o contralavado, con el paso del tiempo los
poros de las membranas se acaban obstruyendo y el MBR acaba
requiriendo una mayor presión transmembrana para producir una misma
cantidad de permeado. Así, para mitigar este problema se realizan
lavados químicos. Un primer tipo de lavado, que no requiere el
desmontaje de las membranas del MBR, es el lavado químico de
mantenimiento. El lavado químico de mantenimiento consiste en
aplicar una solución química de baja concentración de ácidos tales
como hipoclorito sódico, ácido oxálico, hidróxido sódico, u otros.
Cuando la presión transmembrana llega a los valores máximos
indicados por el fabricante, entonces debe realizarse un segundo
tipo de lavado: el lavado químico de recuperación, consistente en
aplicar un tratamiento químico intensivo con los reactivos químicos
anteriormente descritos a concentraciones elevadas, operación que
requiere desmontar las membranas del MBR.
Habitualmente, los MBR se controlan y se operan
según las especificaciones de los fabricantes de las membranas,
aplicando ciclos de funcionamiento regulares y alreación. Por otra
parte las limpiezas químicas se realizan a partir de alarmas
disparadas por el sistema de control del MBR. Normalmente hay un
aviso que sale cuando la PTM es muy próxima al máximo valor
permitido y una alarma que para el proceso de filtración cuando se
alcanza el valor máximo. Estos procedimientos estándar no están
optimizados, ya que las especificaciones de los fabricantes de las
membranas no tienen en cuenta parámetros muy relevantes tales como
el licor mezcla filtrado (del inglés MLSS, mixed liquor suspended
solid) o la filtrabilidad.
A partir del documento DE 10 2007 007 894 A1 es
conocido un procedimiento de optimización del control de un MBR
para depurar agua en el que durante el funcionamiento del MBR se
monitoriza de forma continua o a intervalos de tiempo cortos la
presión transmembrana y/o el flujo volumétrico de permeado para
obtener su pendiente o evolución temporal. A partir de los valores
medidos de presión o valores calculados de flujo volumétrico se
determina cuándo debe aplicarse un procedimiento de lavado mecánico
o químico de la membrana. No obstante, semejante procedimiento es
fuertemente dependiente de las oscilaciones de los valores medidos y
puede conducir fácilmente a decisiones de control erróneas debido a
la variabilidad de la presión transmembrana o del flujo
volumétrico.
A partir del documento WO2007/006153 A1 es
conocido un procedimiento de control de un MBR en el que se
determina un valor de resistencia de la membrana y, por comparación
de este valor con un valor de resistencia de referencia, se ajustan
los parámetros de funcionamiento del MBR. Este procedimiento supera
el inconveniente apuntado anteriormente de la fuerte dependencia de
las oscilaciones de los valores medidos. Sin embargo, aplica un
modelo de cálculo de la resistencia de la membrana que es complejo
y que no es directamente aplicable a cualquier tipo de MBR.
La invención tiene por objeto superar estos
inconvenientes. Esta finalidad se consigue mediante un procedimiento
automatizado de control en tiempo real de un biorreactor de
membranas del tipo indicado al principio, caracterizado porque
comprende las siguientes etapas: [a] determinación de una referencia
inicial de evolución de la permeabilidad de dicha membrana, entre
por lo menos dos valores de permeabilidad iniciales diferenciados,
a partir del cociente entre valores de flujo y presión
transmembrana proporcionados por dichos medios de obtención del
flujo de permeado y por dichos medios sensores de presión
transmembrana, [b] determinación de una evolución actual de la
permeabilidad de dicha membrana, entre por lo menos dos valores de
permeabilidad actuales diferenciados, a partir del cociente entre
valores de flujo y presión transmembrana proporcionados por dichos
medios de obtención del flujo de permeado y dichos medios sensores
de presión transmembrana, [c] comparación de dicha evolución actual
de la permeabilidad con dicha referencia inicial de evolución de la
permeabilidad, y [d] establecimiento de un modo de operación del
biorreactor según el resultado de dicha comparación [c].
Es importante destacar que el procedimiento es
aplicable a cualquier tipo de configuración de membranas ya sean
membranas de fibra hueca o membranas planas y además a cualquier
tipo instalación depuradora. Así el procedimiento es aplicable a
sistemas MBR puros o sistemas híbridos de fangos activos y
biorreactor de membranas, es decir sistemas de fangos activos
convencionales provistos de decantador secundario, a los que se le
ha añadido un biorreactor de membranas para tratar parte del
agua.
Dicho esto, durante el desarrollo de la
invención se ha observado que la presión transmembrana puede variar
fuertemente entre una y otra medición, de modo que introduce mucho
ruido en los valores de control para poder controlar de forma fiable
el MBR. Por otra parte, al variar el flujo volumétrico de permeado
la presión transmembrana varía de forma significativa, de modo que
es difícil obtener valores de control fiables. Por ello, a
diferencia del estado de la técnica, la invención propone utilizar
la evolución temporal de la permeabilidad como parámetro de control,
es decir el cociente de flujo de permeado (Volumen por unidad de
tiempo y superficie de membrana) entre la presión transmembrana
para cada uno de los valores adquiridos del biorreactor. En
particular la invención determina una curva inicial de referencia de
la permeabilidad y una curva actual de tendencia de la
permeabilidad.
En la invención, el concepto de ciclo de
funcionamiento se entiende como un ciclo de filtración/relajación o
bien un ciclo de filtración/contralavado. No obstante, la duración
de un ciclo no tiene porqué ser siempre la misma que el ciclo
siguiente También el filtrado o contralavado no tienen porqué
seguir una secuencia regular.
Volviendo a la comparación, en el procedimiento
según la invención la pendiente de la evolución actual de
permeabilidad es comparada con la pendiente de la referencia de
manera que si la pendiente actual es mayor o igual que la de la
referencia, se activa un modo de ahorro energético de
funcionamiento de dicho biorreactor. Este modo de ahorro energético
consiste principalmente en optimizar aquellos parámetros que
produzcan un mayor consumo energético en el MBR. Si la pendiente de
la curva actual es menor que la de la curva de referencia, se activa
un modo de corrección de funcionamiento del biorreactor que tiende
a restablecer parámetros de funcionamiento estándar del MBR.
Los parámetros estándar de funcionamiento, es
decir la aireación estándar, el flujo de contralavado estándar, la
duración del contralavado estándar u otros, se refieren a los
valores de funcionamiento recomendados por los fabricantes de
membranas.
En el concepto más genérico de la invención, los
valores de permeabilidad mediante los que se calcula la evolución
pueden ser valores instantáneos provenientes de la medición directa
de los sensores de presión y caudalímetros. También de forma
genérica los valores de permeabilidad para determinar la evolución
temporal de permeabilidad pueden estar próximos en el tiempo o no.
Así, la invención no excluye la posibilidad de determinar
evoluciones temporales de la permeabilidad ciclo a ciclo de
funcionamiento, por horas de funcionamiento, por días u otras
fracciones temporales discretas.
El número de datos utilizables en la
determinación de la evolución de la permeabilidad es variable. A
mayor número de valores de permeabilidad, mayor precisión tendrá el
sistema de control.
Esto presenta múltiples ventajas no previstas en
el estado de la técnica. Por una parte, el MBR puede ser
controlado de forma fiable y robusta tanto en régimen de presión
transmembrana constante, como de flujo de permeado constante y así
como en régimen de flujo de permeado variable a lo largo del día.
Esto se logra, por que cuando el sistema detecta que el flujo
tratado es inferior al flujo para el cual ha sido diseñado el MBR,
si ya estaba trabajando en modo de ahorro energético, se disminuye
la aireación un porcentaje adicional. Entonces, cuando el flujo
vuelve a ser mayor o igual al flujo de diseño se detiene la acción
de control. Cabe destacar que los procedimientos conocidos en el
estado de la técnica no actúan teniendo en cuenta una situación de
flujo variable, lo cual es una importante ventaja del procedimiento
según la invención.
Por otra parte, todos los MBR disponen sensores
para medir la presión transmembrana y medios de obtención del flujo
de permeado, consistentes en un caudalímetro y un dispositivo que
permita calcular el flujo a partir del caudal medido, de modo que
el procedimiento es implementable en cualquier tipo de MBR en
funcionamiento sin necesidad de equiparlo de nuevos dispositivos de
medición. También debe tenerse en cuenta que el cálculo de la
evolución temporal de la permeabilidad entre dos valores de
permeabilidad diferenciados permite amortiguar el efecto de valores
anómalos en las mediciones de presión transmembrana o de flujo de
permeado. Esto no sería realizable si se comparasen únicamente
valores instantáneos individuales tal y como hacen algunos
procedimientos del estado de la técnica, ya que el sistema
necesitaría ser regulado de forma constante y poco eficaz. El
sistema presenta una inercia importante y que cualquier corrección
sobre los parámetros de control no tiene un efecto inmediato, por lo
tanto actuaciones demasiada rápidas sobre el sistema pueden acabar
perjudicando el consumo total del MBR. En cambio, en la invención,
la evolución de permeabilidad permite reducir estos efectos
puntuales de inercia del sistema de una forma especialmente
simple.
Otra ventaja importante consiste en que en la
invención se controla la colmatación de las membranas de forma más
óptima, lo cual permite alargar la vida útil de la membrana y
repercute positivamente en los costes de operación del MBR.
La adquisición de valores instantáneos de
presión transmembrana y flujo de permeado se realiza a intervalos de
tiempo reducidos, por ejemplo, cada diez segundos. Esto genera una
gran cantidad de valores a manejar, lo cual es poco desea ble. Por
ello, preferentemente dichas etapas de determinación además
comprenden una etapa de cálculo de un valor de media de
permeabilidad por ciclo de funcionamiento de dicho biorreactor.
También de forma especialmente preferente dichas etapas de
determinación comprenden una etapa de cálculo de un valor de media
de permeabilidad diaria de dicho biorreactor. Gracias a ello, el
número de valores de permeabilidad a manejar en cada etapa de
determinación de la evolución temporal de la permeabilidad es mucho
menor, de forma que se optimizan recursos de cálculo en el sistema.
De forma especialmente preferente dicha evolución actual de
permeabilidad y dicha referencia inicial de evolución se calculan
por regresión lineal. Además, preferentemente dicha regresión
lineal se calcula a partir de dichos valores de media de
permeabilidad diaria correspondientes a un intervalo comprendido
entre dos y siete días. Durante el desarrollo de la invención se ha
comprobado que la determinación de la evolución de permeabilidad a
partir de valores de media de permeabilidad diaria permite controlar
de manera óptima el MBR ya que se minimizan los efectos de las
fluctuaciones horarias de flujo de permeado. En cambio en el estado
de la técnica toma en cuenta constante de los parámetros del MBR en
función de valores instantáneos puede falsear el estado real del MBR
y por lo tanto conducir a decisiones de control precipitadas y
erróneas.
Por otra parte, se ha observado que de entre el
gran número de datos adquiridos por los medios de obtención de
flujo y los medios sensores de presión puede haber múltiples datos
anómalos debidos a lecturas incorrectas, sobrepresiones debidas a
factores externos al biorreactor como, por ejemplo, una oscilación
en la presión de aspiración de la bomba, aguas abajo de la membrana
u otros factores imprevisibles. Estas variaciones en los datos
adquiridos pueden no reflejar realmente la evolución real de la
permeabilidad del MBR y conducir a estrategias erróneas de
control. Por ello, preferentemente dichas etapas de determinación
comprenden además una etapa de filtrado de valores instantáneos de
permeabilidad, en la que se eliminan todos los valores
instantáneos de permeabilidad mayores o menores que una desviación
límite de la mediana de todos los valores instantáneos de
permeabilidad obtenidos en un mismo ciclo de funcionamiento.
Las acciones de control sobre un MBR pueden ser
múltiples, no obstante, algunas tienen poca repercusión sobre el
consumo energético, de modo que es importante elegir acciones que
sean eficaces. Por ello, preferentemente en función de la
comparación de dicha evolución actual de la permeabilidad con dicha
referencia inicial de evolución de la permeabilidad se establece
una o más de las siguientes acciones: [a] reducción gradual de la
aireación de dicha membrana hasta una desviación límite respecto a
un valor de aireación estándar, [b] incremento gradual del flujo de
contralavado de dicha membrana hasta un flujo de contralavado
estándar, [c] reducción gradual del tiempo de contralavado o
relajación de dicha membrana hasta una desviación límite respecto a
un tiempo de contralavado o relajación estándar, [d] incremento
gradual del tiempo de contralavado o relajación de dicha membrana
hasta un tiempo de contralavado o relajación estándar, [e] reducción
gradual del flujo de contralavado de dicha membrana hasta una
desviación límite respecto a un flujo de contralavado estándar, [f]
incremento gradual de la aireación de dicha membrana hasta un valor
de aireación estándar.
Por otra parte, otro de los problemas no
resueltos en la técnica consiste en la optimización de los lavados
químicos de mantenimiento y de recuperación de las membranas.
Actualmente, los lavados químicos de recuperación que se realizan
según las indicaciones del fabricante de las membranas sobre un
valor de presión transmembrana máxima o sobre tiempos de
funcionamiento de las membranas Esto conduce a que a menudo se
realicen lavados no imprescindibles o que se sustituyan membranas
cuya vida útil podría prolongarse más allá de las indicaciones del
fabricante. También a menudo los lavados químicos de mantenimiento
se realizan simplemente con la experiencia del personal encargado
del MBR, los cuales a menudo, pueden no ser necesarios. Así,
cualquier interrupción en el funcionamiento de producción de
permeado en el MBR repercute negativamente en los costes
operativos de la instalación. Por ello, preferentemente el
procedimiento comprende además las siguientes etapas: [a]
determinación de una evolución actual de la presión transmembrana a
partir de dos valores de presión transmembrana diferenciados, [b]
estimación de un primer tiempo límite hasta el próximo lavado
químico de mantenimiento en función de una presión transmembrana
máxima menos una desviación predeterminada de presión transmembrana
y [c] comparación del tiempo restante hasta dicho primer tiempo
límite, y [d] en función de dicha comparación, realización de un
lavado químico de mantenimiento. Gracias a esto, los lavados
químicos de mantenimiento se realizan de forma planificable y lo
suficientemente a menudo como para retardar lo máximo posible la
realización de un lavado químico de recuperación. Los lavados
químicos de recuperación son poco deseables ya que implican una
parada en el MBR y repercuten negativamente en los costes de la
instalación. Además, los lavados químicos de recuperación exigen
elevadas cantidades de reactivos de limpieza que a su vez son
costosos.
No obstante, también es deseable disponer de una
estrategia eficaz de planificación de los lavados químicos de
recuperación. Por ello, preferentemente el procedimiento además
comprende las siguientes etapas: [a] estimación de un segundo
tiempo límite hasta el próximo lavado químico de recuperación en
función de dicha presión transmembrana máxima, [b] comparación del
tiempo restante hasta dicho segundo tiempo límite, y [c] en función
de dicha comparación, realización de un lavado químico de
recuperación.
Por otra parte, una instalación depuradora de
aguas residuales presenta picos en el caudal de entrada de agua a
tratar. Así, preferentemente en el procedimiento según la invención
también se modifica la aireación de dicha membrana, ya sea
aumentándola o disminuyéndola, en función del flujo entrante de agua
a tratar en dicho biorreactor. Cuando el sistema detecta que el
flujo tratado es inferior al flujo para lo cual ha sido diseñado
el MBR, si ya se estaba trabajando en "ahorro energético" se
disminuye la aireación un porcentaje adicional, lo cual permite
reducir todavía más el consumo energético. En cambio, cuando el
flujo vuelve a ser mayor o igual al flujo de diseño se detiene el
porcentaje adicional de aireación.
Finalmente, la invención también plantea un
sistema de control en tiempo real de un biorreactor de membranas
que comprende por lo menos unos medios de adquisición de datos,
unos medios de procesamiento de los datos obtenidos a través dichos
medios de adquisición y unos medios controladores aptos para actuar
sobre el modo de operación de dicho biorreactor. El sistema
permite poner en práctica la invención.
Preferentemente el sistema comprende un módulo
de adquisición y procesamiento de datos que comprende dichos medios
de adquisición de datos y dichos medios de procesamiento de datos,
apto para adquirir y procesar datos de dicho biorreactor, un módulo
de control que comprende dichos medios controladores que actúan en
función de dichos datos provenientes de dicho módulo de adquisición
y procesamiento de datos y crean acciones de control sobre dicho
biorreactor y un módulo de supervisión apto para supervisar dichas
acciones de control y dichos datos de dicho biorreactor, emitir
avisos a un usuario y activar o desactivar dicho módulo de control
o proponer estrategias alternativas de control ante situaciones
anómalas de funcionamiento de dicho biorreactor.
Otras ventajas y características de la invención
se aprecian a partir de la siguiente descripción, en la que, sin
ningún carácter limitativo, se relatan un modo preferente de
realización de la invención, haciendo mención de los dibujos que se
acompañan. Las figuras muestran:
Fig. 1, un esquema simplificado de un
biorreactor de membranas.
Fig. 2, un esquema de la arquitectura del
sistema de control y supervisión según la invención.
Fig. 3, un esquema de la estimación del tiempo
límite para realizar las limpiezas químicas de mantenimiento y
recuperación en función de la presión transmembrana (TMP).
En la figura 1 se aprecia un esquema
simplificado de un MBR piloto a escala industrial de configuración
University of Cape Town, sobre el que se ha llevado a cabo el
desarrollo de la presente invención. En particular, esta planta
piloto trata agua residual urbana procedente de los colectores de
una estación depuradora de aguas residuales.
El MBR 100 comprende una bomba 1 de entrada de
agua a tratar. Este efluente es filtrado en el filtro 2 y pasa al
tanque de entrada 3. Desde este punto la bomba 4 introduce, a
través del filtro 5, el efluente en el biorreactor. El MBR 100
comprende una secuencia de reactores en serie: un reactor
anaeróbico 6, un reactor anóxico 7, un reactor aeróbico 8 y
finalmente el tanque de membranas 9 encargado del filtrado del
efluente a través de las membranas 17. Por otra parte, en la figura
se aprecia una bomba de contralavado 10 conectada al tanque de
contralavado 13 y una bomba de permeado 11 que impulsa el efluente
filtrado hacia el tanque de permeado 12. Desde el tanque de permeado
12, el agua es conducida hacia un dispositivo de ósmosis inversa
19. También en la figura, por debajo del reactor aeróbico 8 y del
tanque de membranas 9, está prevista una soplante 15 encargada de
suministrar la aireación a estos dos tanques, vía unas
electroválvulas 18. Finalmente, la bomba de purga 14 permite
eliminar el lodo acumulado en la parte inferior del tanque de
membranas 9.
El MBR presenta un volumen total de tratamiento
de 2,26 m^{3}, siendo el volumen porcentual de cada uno de los
reactores de 14% el reactor anaeróbico 6,14% el reactor anóxico,
23% el reactor aeróbico 8 y 49% el tanque de membranas 9. Las
membranas 17 previstas en el MBR son membranas de fibra hueca de
microfiltración del modelo Microza® del fabricante Asahi Kasei
Chemicals Corporation, con un diámetro de poro de 0,1 \mum. El
flujo neto máximo del MBR 100 es de 24 L/m^{2}\cdoth.
Los ciclos de funcionamiento corriente del MBR
100 son de 9 min de filtración y 1 min de contralavado. Estos
ciclos cortos permiten evitar una colmatación excesiva de las
membranas 17. Por otra parte, el MBR 100, en el conducto de
aspiración 20 está provisto de sensores de presión, así como de
medios de obtención del flujo de permeado, consistentes en un
caudalimetro y un dispositivo que permita calcular el flujo de
permeado a partir del caudal medido y la superficie de membrana
17.
El sistema de control 104
on-line del MBR 100 según la invención comprende
tres módulos independientes estructurados de forma jerárquica: un
módulo de adquisición y procesamiento 101 de datos, un módulo de
control 102 basado en el conocimiento y finalmente por encima de
estos dos, un módulo de supervisión 103 basado en el
conocimiento.
El módulo de adquisición y procesamiento 101 de
datos es jerárquicamente el módulo inferior. Este comprende unos
medios de adquisición de datos como, por ejemplo, los sensores de
presión transmembrana y los medios de obtención de flujo de
permeado, y unos medios de procesamiento de los datos obtenidos a
través de los medios de adquisición.
De esta forma, el módulo de adquisición y
procesamiento 101 de datos obtiene constantemente datos de flujo de
permeado a través de la membrana 17 y de presión transmembrana
durante un mismo ciclo de filtración/contralavado. Así, según la
invención, en la fase de arranque, el MBR 100 opera en condiciones
estándar de funcionamiento, es decir, que la aireación de las
membranas 17 y la duración de los ciclos de filtración y
contralavado se mantienen según las especificaciones estándar
recomendadas por el fabricante. Preferentemente, la fase de arranque
de la implementación del sistema de control dura unas dos semanas,
dos semanas después de alcanzar la concentración de MLSS requerida y
manteniendo una buena filtrabilidad. Durante estas dos semanas, el
módulo de adquisición y procesamiento 101 de datos determina una
referencia inicial de evolución de la permeabilidad. Para ello, en
primer lugar para cada ciclo de filtración/contralavado el módulo
calcula los valores instantáneos de permeabilidad cada 10
segundos. Acabado el ciclo, preferentemente, este módulo filtra los
valores anómalos de permeabilidad instantánea calculando la mediana
de todos los valores dentro de un ciclo y descartando todos
aquellos valores de permeabilidad mayores o menores que un
porcentaje de la mediana. Se ha comprobado como ventajoso para la
estabilidad del sistema descartar todos aquellos valores
instantáneos de permeabilidad mayores que un 50% del valor de la
mediana.
A partir de aquí se calcula la media aritmética
de todos los valores instantáneos de permeabilidad dentro de un
mismo ciclo de filtración/contralavado y se obtiene un valor de
media de permeabilidad para cada ciclo de funcionamiento.
Nuevamente, y para optimizar al máximo el cálculo del sistema se
calcula un valor de media de permeabilidad diaria a partir de
todos los valores de media de permeabilidad por ciclo de un mismo
día. A partir de por lo menos dos valores de media de permeabilidad
diaria diferenciados se calcula una referencia inicial de evolución
temporal de la permeabilidad. También por razones de optimización
de cálculo, esta referencia inicial de evolución temporal
permeabilidad de la membrana se calcula como la regresión lineal de
todos los valores de media de permeabilidad diaria durante la fase
de arranque del MBR 100.
Una vez terminada la fase de arranque, el módulo
de adquisición y procesamiento 101 de datos sigue adquiriendo
valores instantáneos de flujo y presión transmembrana y continúa
calculando una evolución actual de la permeabilidad de la forma
explicada anteriormente. Preferentemente, la evolución actual
comprende todos los valores de permeabilidad de un cierto periodo de
tiempo de funcionamiento del MBR 100. Se ha comprobado como
especialmente ventajoso que la evolución actual de permeabilidad se
determine para los valores de media de permeabilidad de los últimos
cuatro días. De forma especialmente preferente, y como en el caso de
la referencia inicial, los valores de permeabilidad utilizados para
la evolución actual de la permeabilidad son los valores de la media
de permeabilidad diaria. Esto presenta la ventaja de que se pueden
descartar desviaciones temporales no previstas en el proceso de
filtración del MBR 100, pero al mismo tiempo se puede corregir el
proceso de forma bastante ágil y rápida. No obstante, la evolución
actual de la permeabilidad se podría determinar para espacios de
tiempo inferiores o superiores.
Simultáneamente, el módulo de adquisición y
procesamiento 101 de datos, desde la fase de arranque del MBR 100,
determina también la evolución actual de la presión transmembrana a
partir de dos valores de presión diferenciados. Preferentemente los
datos de presión transmembrana también son previamente filtrados,
por ejemplo, mediante el cálculo de la mediana de la presión en un
ciclo de filtración/contralavado o en caso de que el MBR 100
funcione con relajación, en un ciclo filtración/relajación, y
descartando todos los valores superiores o inferiores a un
porcentaje límite de la mediana, por ejemplo, un 50%. De nuevo de
los valores de presión transmembrana restantes se calcula un valor
de media de presión por ciclo de funcionamiento y finalmente un
valor de media de presión diaria se calcula la evolución temporal
de la presión transmembrana por regresión lineal de los valores de
media de presión de por lo menos dos ciclos de funcionamiento
diferenciados.
Como se aprecia en la figura 2, con la evolución
temporal de la presión transmembrana el sistema es capaz de estimar
un primer tiempo límite t_{1}, hasta el próximo lavado químico de
mantenimiento y un segundo tiempo límite t_{2} hasta el próximo
lavado químico de recuperación. Véase que la presión tiene un valor
negativo ya que la presión transmembrana es negativa por ser una
aspiración. Esta estimación se realiza habitualmente en días. Esto
tiene la ventaja de que permite operar el MBR 100 de forma
predictiva y en lugar de correctiva tal y como se hace en el estado
de la técnica. De hecho habitualmente, los fabricantes de membranas
recomiendan un lavado químico de recuperación en función de una
presión transmembrana máxima. En cuanto al lavado químico de
mantenimiento, no todos los fabricantes facilitan especificaciones.
Por ello según la invención el tiempo límite hasta el próximo
lavado se estima como un porcentaje de la presión transmembrana
máxima. Se ha comprobado como ventajoso cuando se considera como
valor de cálculo del primer tiempo límite t_{1}, un 70% de la
presión transmembrana máxima (TMP_{max}). En la invención, el
sistema monitoriza constantemente cuándo se estima que se deberá
hacer el lavado químico correspondiente, facilitando al operador del
MBR 100 paradas programables en función de las necesidades
productivas de la planta. Al contrario en el estado de la técnica,
el valor de presión transmembrana máxima es sólo un dato que
permite actuar correctivamente, pero no predictivamente. Además,
sobre todo cuando la membrana lleva días en funcionamiento, se
puede llegar puntualmente a valores de presión transmembrana máximos
que siguiendo las instrucciones de los fabricantes requerirían una
parada de la instalación, mientras que en el método según la
invención quedan automáticamente corregidos gracias al cálculo de la
evolución temporal de presión transmembrana.
Por encima del módulo de adquisición y
procesamiento 101 de datos, el módulo de control 102 basado en el
conocimiento se encarga de comparar la evolución actual de la
permeabilidad, preferentemente correspondiente a los últimos cuatro
días funcionamiento del MBR 100 con la referencia inicial de
evolución de la permeabilidad, es decir la evolución de la
permeabilidad de la membrana 17 funcionando en la fase de arranque
bajo parámetros estándar de funcionamiento. Entonces, si la
pendiente de la evolución actual de la permeabilidad es mayor o
igual que el pendiente de la referencia inicial, el módulo de
control 102 empieza a activar acciones de ahorro energético. En
primer lugar reduce gradualmente la aireación hasta un porcentaje
límite inferior a la aireación estándar. El módulo de control 102
también puede realizar otras acciones de ahorro, como reducir
gradualmente el tiempo de contralavado, o en su caso de relajación,
hasta un porcentaje por debajo de los valores estándar y
finalmente, en caso de realizar un contralavado, también puede
reducir el flujo de contralavado un porcentaje por debajo del
estándar. Se considera ventajosa la reducción de los parámetros
mencionados en un rango comprendido entre un 20 y un 30% por debajo
de los valores estándar.
Por otra parte, si el MBR 100 está funcionando
en modo de ahorro energético, cuando la pendiente de la evolución
actual de la permeabilidad es menor que la de la referencia,
entonces el módulo de control 102 actúa incrementando los tres
parámetros antes mencionados para recuperar las condiciones de
operación estándar, es decir, las condiciones recomendadas por el
fabricante de la membrana.
Las acciones de control sobre los parámetros son
proporcionales al cociente del valor absoluto de la pendiente de
la evolución actual de la permeabilidad dividida por la pendiente
de la referencia y multiplicadas por un factor corrector fijado por
el usuario durante una etapa de calibración del sistema de control
del MBR 100. Esto es así, porque en casos de pendientes muy
distintas, por ejemplo, las reducciones de aireación implicarían
prácticamente parar la aireación por completo, lo cual sería
perjudicial para la membrana.
La evolución actual de la permeabilidad es
comparada diariamente con la evolución de referencia y las
modificaciones de los parámetros de control del MBR 100 se realizan
en línea, en tiempo real.
Por otra parte, el módulo de control 102 también
se encarga de controlar los tiempos restantes hasta la próxima
limpieza química de mantenimiento y de recuperación.
De esta forma, cuando el segundo tiempo límite
t_{2} correspondiente a la próxima limpieza química de
recuperación es menor que diez días, ver zona 24 de la figura 2, el
sistema emite una alarma y sugiere realizar una limpieza química de
recuperación urgente, o si la instalación lo permite, la realiza
automáticamente. Si el segundo tiempo límite t_{2} es mayor que
diez días y menor que treinta, zona 23, el sistema emite una alarma
y modifica el modo de funcionamiento del MBR para funcionar según
parámetros estándar. Finalmente si el segundo tiempo límite t_{2}
es mayor que treinta días, el sistema considera el primer tiempo
límite t_{1}, hasta la próxima limpieza química de mantenimiento.
Si el primer tiempo límite t_{1}, es menor que diez días, zona 22
de la figura 2, el módulo de control 102 emite una alarma y sugiere
llevar a cabo la limpieza química de mantenimiento, mientras que si
el primer tiempo límite t_{1}, es mayor que estos diez días, zona
21, el MBR 100 continúa operando bajos las condiciones actuales de
funcionamiento. Gracias a las actuaciones preventivas basadas en el
conocimiento del tiempo restante hasta las limpiezas químicas, se
pueden realizar muchas más limpiezas químicas de mantenimiento,
evitando las limpiezas químicas de recuperación, que son las más
costosas para el funcionamiento del MBR 100. Por otra parte, los
tiempos de comparación frente a los tiempos límite de limpieza
química son parametrizables por el usuario.
Por otra parte, cabe comentar, que en caso de
que se lleve a cabo una limpieza química de mantenimiento, el
módulo de adquisición y procesamiento 101 de datos espera el doble
del tiempo elegido para el cálculo de la evolución de permeabilidad
actual. Además en esta situación el MBR 100 trabaja en las
condiciones operativas en las cuales estaba trabajando dos días
antes de la última alarma de limpieza, emitida por el módulo de
control 102, antes de que el módulo de adquisición y procesamiento
de datos empiece a determinar nuevas evoluciones de permeabilidad.
Así, en el caso de determinar la evolución de permeabilidad en
cuatro días, el sistema espera ocho días antes de empezar a
controlar nuevamente el MBR 100 tal y como se ha explicado
aquí.
Finalmente, el módulo de supervisión 103 se
encarga de supervisar todas las acciones de control propuestas por
el módulo de control 102. Basándose en todos los datos recibidos
por el módulo de adquisición y procesamiento 101 de datos y avisa
al usuario y desactiva el módulo de control 102 o propone una
estrategia alternativa de control cuando el operador del MBR 100 se
encuentra con una de las siguientes anomalías:
- \bullet
- Variación de flujo mayor que un valor predeterminado
- \bullet
- Variación de presión transmembrana por encima de un valor predeterminado
- \bullet
- Temperatura de funcionamiento anormal
- \bullet
- El MLSS es menor que un valor predeterminado en la fase de arranque del MBR 100
- \bullet
- Parada del sistema de filtración durante más de un tiempo predeterminado, por ejemplo, debido a un nivel bajo en el tanque de membranas
- \bullet
- Equipo o instrumentación que funcionan incorrectamente
- \bullet
- Baja calidad del proceso de eliminación de nutrientes biológicos
- \bullet
- Problemas relacionados con la microbiología
- \bullet
- Mala filtrabilidad del lodo
Como se ha visto, la invención propone un
sistema en tiempo real de control especialmente robusto, ya que
trabaja con evoluciones de permeabilidad, lo cual evita de forma
clara la toma de decisiones erróneas de control debido a
inestabilidades transitorias del MBR. Por otra parte, en especial
cuando la evolución de la permeabilidad se analiza día a día, el
sistema se comporta de forma especialmente estable. Asimismo, la
determinación predictiva de tiempos límite hasta los próximos
lavados químicos de mantenimiento y recuperación permite planificar
paradas en el sistema. La invención también permite prolongar la
vida útil de las membranas mediante el incremento de lavados
químicos de mantenimiento que permiten reducir el número de lavados
químicos de recuperación, los cuales son más perjudiciales en el
coste operativo de la instalación.
Claims (13)
1. Procedimiento automatizado de control en
tiempo real de un biorreactor de membranas, dicho biorreactor
comprendiendo unos medios sensores de presión transmembrana aptos
para medir una presión transmembrana y unos medios de obtención del
flujo de permeado aptos para obtener un flujo de permeado,
caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- [a]
- determinación de una curva inicial de referencia de evolución de la permeabilidad de dicha membrana, entre por lo menos dos valores de permeabilidad iniciales diferenciados, a partir del cociente entre valores de flujo y presión transmembrana proporcionados por dichos medios de obtención del flujo de permeado y por dichos medios sensores de presión transmembrana,
- [b]
- determinación de una curva actual de evolución de la permeabilidad de dicha membrana, entre por lo menos dos valores de permeabilidad actuales diferenciados, a partir del cociente entre valores de flujo y presión transmembrana proporcionados por dichos medios de obtención del flujo de permeado y dichos medios sensores de presión transmembrana,
- [c]
- comparación de dicha evolución actual de la permeabilidad con dicha referencia inicial de evolución de la permeabilidad, por comparación de la pendiente de dicha curva actual de evolución de permeabilidad con la pendiente de dicha curva inicial de referencia de evolución de la permeabilidad,
- [d]
- establecimiento de un modo de operación del biorreactor según el resultado de dicha comparación [c].
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichas etapas de determinación
comprenden además una etapa de filtrado de valores instantáneos de
permeabilidad, en la que se eliminan todos los valores instantáneos
de permeabilidad mayores o menores que una desviación límite de la
mediana de todos los valores instantáneos de permeabilidad obtenidos
en un mismo ciclo de funcionamiento.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque dichas etapas de determinación además
comprenden una etapa de cálculo de un valor de media de
permeabilidad por ciclo de funcionamiento de dicho biorreac-
tor.
tor.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dichas etapas de
determinación comprenden una etapa de cálculo de un valor de media
de permeabilidad diaria de dicho biorreactor.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque dicho valor de media de permeabilidad
diaria se calcula a partir de una pluralidad de valores de media de
permeabilidad por ciclo de un mismo día.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicha evolución
actual de permeabilidad y dicha referencia inicial de evolución se
calculan por regresión lineal.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque dicha regresión
lineal se calcula a partir de dichos valores de media de
permeabilidad diaria correspondientes a un intervalo comprendido
entre dos y siete días.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque en función de la
comparación de dicha evolución actual de la permeabilidad con dicha
referencia inicial de evolución de la permeabilidad se establece una
o más de las siguientes acciones:
- [a]
- reducción gradual de la aireación de dicha membrana hasta una desviación límite respecto a un valor de aireación estándar,
- [b]
- incremento gradual del flujo de contralavado de dicha membrana hasta un flujo de contralavado estándar,
- [c]
- reducción gradual del tiempo de contralavado o relajación de dicha membrana hasta una desviación límite respecto a un tiempo de contralavado o relajación estándar,
- [d]
- incremento gradual del tiempo de contralavado o relajación de dicha membrana hasta un tiempo de contralavado o relajación estándar,
- [e]
- reducción gradual del flujo de contralavado de dicha membrana hasta una desviación límite respecto a un flujo de contralavado estándar, y
- [f]
- incremento gradual de la aireación de dicha membrana hasta un valor de aireación estándar.
\vskip1.000000\baselineskip
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque además comprende
las siguientes etapas:
- [a]
- determinación de una evolución actual de la presión transmembrana a partir de dos valores de presión transmembrana diferenciados,
- [b]
- estimación de un primer tiempo límite hasta el próximo lavado químico de mantenimiento en función de una presión transmembrana máxima menos una desviación predeterminada de presión transmembrana y
- [c]
- comparación del tiempo restante hasta dicho primer tiempo límite, y
- [d]
- en función de dicha comparación, realización de un lavado químico de mantenimiento.
\vskip1.000000\baselineskip
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque además comprende las siguientes
etapas:
- [a]
- estimación de un segundo tiempo límite hasta el próximo lavado químico de recuperación en un función de dicha presión transmembrana máxima,
- [b]
- comparación del tiempo restante hasta dicho segundo tiempo límite, y
- [c]
- en función de dicha comparación, realización de un lavado químico de recuperación.
\vskip1.000000\baselineskip
11. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque a partir de las
condiciones actuales de operación de dicho reactor adicionalmente se
modifica la aireación de dicha membrana en función del flujo de agua
a tratar en dicho biorreactor.
12. Sistema de control en tiempo real de un
biorreactor de membranas que comprende por lo menos unos medios de
adquisición de datos, unos medios de procesamiento de los datos
obtenidos a través de dichos medios de adquisición y unos medios
controladores aptos para actuar sobre el modo de operación de dicho
biorreactor y caracterizado porque ejecuta un procedimiento
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
13. Sistema de control según la reivindicación
12, caracterizado porque comprende un módulo de adquisición
y procesamiento de datos (101) que comprende dichos medios de
adquisición de datos y dichos medios de procesamiento de datos, apto
para adquirir y procesar datos de dicho biorreactor, un módulo de
control (102) que comprende dichos medios controladores que actúan
en función de dichos datos provenientes de dicho módulo de
adquisición y procesamiento de datos (101) y crean acciones de
control sobre dicho biorreactor y un módulo de supervisión (103)
apto para supervisar dichas acciones de control y dichos datos de
dicho biorreactor, emitir avisos a un usuario y activar o desactivar
dicho módulo de control (102) o proponer estrategias alternativas de
control ante situaciones anómalas de funcionamiento de dicho
biorreactor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200901451A ES2333837B9 (es) | 2009-06-12 | 2009-06-12 | "procedimiento automatizado de control en tiempo real de un biorreactor de membranas y sistema de control correspondiente". |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200901451A ES2333837B9 (es) | 2009-06-12 | 2009-06-12 | "procedimiento automatizado de control en tiempo real de un biorreactor de membranas y sistema de control correspondiente". |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2333837A1 ES2333837A1 (es) | 2010-03-01 |
| ES2333837B1 ES2333837B1 (es) | 2010-11-04 |
| ES2333837B9 true ES2333837B9 (es) | 2011-04-05 |
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ID=41668532
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| ES200901451A Active ES2333837B9 (es) | 2009-06-12 | 2009-06-12 | "procedimiento automatizado de control en tiempo real de un biorreactor de membranas y sistema de control correspondiente". |
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2009
- 2009-06-12 ES ES200901451A patent/ES2333837B9/es active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| ES2333837B1 (es) | 2010-11-04 |
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| EC2A | Search report published |
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Ref document number: 2333837B1 Country of ref document: ES |