Cómo gestionar de forma óptima los procesos más críticos de una EDAR con instrumentación en línea
El mercado de las aguas residuales ha experimentado una continua evolución en los últimos años, no solo por la innovación tecnológica que lo ha caracterizado en cuanto a la disponibilidad de equipos e instrumentos de control cada vez más fiables y de mayores prestaciones, así como de nuevos protocolos y tecnologías de comunicación, sino también y sobre todo por el cambio de enfoque que se ha producido en la gestión de la misma depuradora. De hecho, se ha pasado progresivamente de una filosofía de simple monitorización de los distintos parámetros químico-físicos que salen de la planta para estar seguros del cumplimiento de los límites legislativos (cada vez más restrictivos por estar asociados a la definición y reclasificación de zonas sensibles, una legislación con límites cada vez más estrictos) a una filosofía que busca profundizar en el conocimiento y comprensión de los mecanismos del proceso para optimizar su funcionamiento tanto en términos de aumento del rendimiento global del proceso como de reducción de los costes de gestión que conlleva la depuradora.
El uso de instrumentación en línea fiable que proporcione una medida de los parámetros clave del tratamiento de depuración y permita una mayor visibilidad de lo que ocurre en el proceso, y sobre todo su integración en sistemas completos de control, verificación y regulación automática de los dispositivos permite una gestión más racional de las fases individuales del tratamiento de depuración, un aumento de la eficiencia global de la planta en su conjunto (incluso en presencia de elevadas fluctuaciones de la carga entrante) y una reducción significativa de los costes de gestión de la planta en términos de eficiencia energética. Esto es aún más cierto en el caso de las depuradoras de pequeño tamaño, que suelen ser las más difíciles de gestionar y optimizar por varias razones: están mal controladas y equipadas con instrumentos de medición y control; a menudo tienen problemas para garantizar el resultado final del efluente como el cumplimiento de los límites legales; con frecuencia tienen que hacer frente a picos de carga repentinos (que no corresponden a valores elevados en el caudal entrante); están situadas en lugares de difícil acceso y cuentan con escasa dotación de personal.
Se ha pasado de una filosofía de monitorización de los parámetros fisicoquímicos a una que busca profundizar en el conocimiento
Las fases más críticas de gestionar en el proceso de depuración
Las fases más difíciles de gestionar en una depuradora en términos de control de la eficacia del tratamiento y reducción de los costes de gestión asociados son las relacionadas con la eliminación de nutrientes (Nitrógeno y Fósforo) en la línea de agua y en la línea de fangos.
1) Eliminación química de fosfatos
La eliminación química del fósforo, que puede llegar a la depuradora en diferentes formas (como el ortofosfato PO4-P o el fósforo unido a materia orgánica) y con una concentración que suele variar entre 5-30 mg/l, se realiza normalmente mediante la adición de agentes químicos que contienen iones metálicos (los más comunes: sulfato de aluminio, sulfato férrico, cloruro férrico). El proceso global de eliminación de fósforo, que pasa por una serie de fases (precipitación, coagulación, floculación y filtración con formación de moléculas agregadas de fosfatos metálicos) puede realizarse antes (preprecipitación aguas arriba de los tanques de aireación), durante (precipitación simultánea en los tanques de fangos activos) o después del proceso biológico (postprecipitación, aguas abajo de los reactores biológicos) y, en cualquier caso, conduce a la formación de fangos que necesariamente deben eliminarse en las fases de tratamiento posteriores.
Resulta fácil ver cómo un control continuo del ortofosfato gracias a un analizador en línea que da información en tiempo real de la concentración realmente presente en la fase de tratamiento y su implementación con dispositivos de automatización que permitan la dosificación automática de agentes precipitantes puede conducir a un ahorro considerable de los productos precipitantes utilizados, a una menor producción de fangos a eliminar y, por último pero no menos importante, a un efluente con concentraciones del parámetro legal Fósforo en valores casi constantes y en cualquier caso siempre por debajo del límite reglamentario.
2) Eliminación del nitrógeno en una planta que funciona con la lógica de aireación intermitente
Generalmente, el nitrógeno, que puede llegar a la planta de tratamiento en diferentes formas (principalmente nitrógeno amoniacal), se elimina mediante un proceso que implica la oxidación biológica de los compuestos inorgánicos de nitrógeno (fase de nitrificación) y la posterior reducción biológica del nitrógeno nítrico y nitroso (fase de desnitrificación). Controlar el suministro de aire en una planta de fangos activos es muy importante por dos razones: porque es un factor determinante en la eficiencia del proceso (en términos de eliminación de nitrógeno, sedimentación de fangos, salud de la biomasa), pero también porque de hecho el suministro de oxígeno en el tratamiento de oxidación representa una de las principales partidas de costes de gestión de una planta (25-40%).
Por tanto, un suministro optimizado en el tanque de oxidación evita el desperdicio de energía debido a un suministro excesivo y permite que el sistema se adapte a las condiciones variables de la carga entrante, garantizando así la máxima eficacia del tratamiento y la estabilidad del proceso. La eliminación de nitrógeno a través de las fases de Nitrificación y Desnitrificación se lleva a cabo en diferentes esquemas de planta: plantas con flujo pistón, oxidación continua y recirculación de mezcla aireada, y plantas que operan con aireación intermitente - típicamente plantas pequeñas y medianas y generalmente con problemas de espacio. Las plantas con aireación intermitente son aquellas en las que las fases de nitrificación y respectivamente desnitrificación tienen lugar en el mismo compartimento; en este caso, el proceso de aireación intermitente permite, mediante el uso de un ciclo de aire on/off dentro del tanque, la formación de condiciones aeróbicas y anóxicas adecuadas para que la nitrificación y la desnitrificación tengan lugar secuencial y alternativamente. El factor decisivo para aumentar el rendimiento global de la eliminación de nitrógeno es optimizar la duración de las dos fases. Tradicionalmente, la lógica de la alternancia nitro/denitro es una lógica temporal: la conexión de los mecanismos de aireación para crear condiciones aeróbicas y su desconexión con la activación simultánea de los dispositivos de agitación tienen lugar según intervalos de tiempo preestablecidos. Se puede comprender cómo un control y una gestión automáticos del ciclo de alternancia que no trabaje sobre intervalos de tiempo cronometrados sino basados en el uso de sondas y analizadores continuos de los parámetros clave del proceso (NH4-H y NOx-N) permite una gestión óptima del proceso, una lógica más flexible, racional y ágil en la alternancia de las fases respectivas y, en consecuencia, obtener un ahorro energético considerable.
3) La fase de deshidratación en la línea de fangos
Los procesos de tratamiento de aguas residuales dan lugar a la producción de lodos (lodos de sedimentación primaria con un 2%-3% de materia seca y mucha materia digerible, lodos producidos en el tanque biológico con un 0,8%-1,6% de materia seca, lodos del proceso químico de eliminación de fósforo). El almacenamiento, la manipulación y la eliminación de los lodos producidos representan importantes partidas de costes de explotación de una planta, y su envío a las fases de tratamiento posteriores solo debe realizarse cuando los lodos hayan alcanzado una determinada concentración para evitar el desperdicio de energía y volúmenes en la misma línea. Los costes de explotación son especialmente evidentes en la fase de deshidratación de los lodos (centrífuga), en la que se añade un polielectrolito, producto químico necesario para espesar los propios lodos. Normalmente, la dosificación del polímero se hace manualmente, con un caudal fijo, independientemente de las características de los lodos que entran en la centrífuga, y todo ello puede conducir a una sobredosificación y desperdicio del producto, a una mala estabilidad del proceso y a una calidad deficiente e inconsistente de los lodos deshidratados.
Podemos ver fácilmente cómo, en esta fase del tratamiento de los lodos de depuradora, la implantación de una medición continua y en tiempo real de la concentración de SST (Sólidos Suspendidos Totales) y de un controlador del proceso que, en función de los SST medidos en los lodos a deshidratar, dosifique automáticamente el polímero en la centrífuga es, sin duda, un paso adelante también para la gestión óptima de la línea de lodos.
Controladores de Proceso RTC (Real Time Controller) de HACH
El software y los algoritmos de los Controladores de Proceso RTC están especialmente diseñados para asegurar procesos automáticos de medida, control y gestión de procesos, garantizando el ahorro en los productos utilizados y la eficiencia energética, siempre con la seguridad de disponer de un vertido conforme a la normativa vigente. Partiendo de hecho de mediciones de campo proporcionadas por sondas y analizadores que dan una visibilidad completa de lo que está sucediendo en la fase de tratamiento específica, el software del controlador de proceso convierte las señales de campo en algoritmos de cálculo y estrategias de control de diferentes tipos (lazo abierto, lazo cerrado o una combinación de ambos) que controlan los procesos no en función del tiempo o del volumen, sino en función de la carga real.
Los diagnósticos avanzados integrados en la instrumentación y en el mismo controlador aumentan la fiabilidad del proceso, permitiendo establecer si las variaciones en la medición se deben a alteraciones en el instrumento o en el proceso, de modo que siempre se pueda alcanzar el resultado final. El software RTC se integra ahora directamente en el controlador universal SC4500 que gestiona todas las sondas y analizadores en línea; la unidad SC4500 pasa entonces de ser un simple visualizador de medidas a un auténtico controlador de procesos capaz de interconectarse con cualquier dispositivo de automatización de la planta.
El innovador controlador SC4500plus con RTC SW integrado: la solución ideal para plantas pequeñas y medianas
El controlador SC4500plus se convierte en la solución ideal para el control de procesos de plantas pequeñas y medianas, ya que se caracteriza por su baja inversión, mínimos costes de instalación y alta flexibilidad de integración en sistemas de automatización existentes con protocolos de comunicación clásicos y avanzados. Gracias al diagnóstico avanzado integrado en la propia unidad de control, proporciona en todo momento información detallada sobre la calidad de la medida, el estado actual de salud del instrumento y la necesidad de mantenimiento preventivo de cada sonda. Además, se puede acceder a todo ello de forma remota a través de una plataforma dedicada en la nube que permite el envío de notificaciones cuando se superan los límites establecidos y en caso de mal funcionamiento o avisos de avería en los instrumentos de análisis. Todos los parámetros clave del proceso se almacenan y la tendencia puede visualizarse en una página gráfica especial. Se pueden conectar en red varias unidades de control del mismo tipo para crear una verdadera red de medición y control.
Los Controladores de Proceso RTC de Hach están diseñados para asegurar procesos automáticos de medida, control y gestión de procesos
Controlador SC4500plus con P-RTC SW para una gestión óptima del proceso de eliminación de fosfatos
El controlador de proceso P-RTC (Phosphate Real Time Controller) permite obtener el máximo beneficio y ahorro en la dosificación automática de agentes precipitantes (hasta un 40% de ahorro) y en la producción de fangos porque, a diferencia de las técnicas tradicionales basadas únicamente en el caudal o el valor de la carga entrante, se basa en la concentración real de ortofosfato, tiene en cuenta las fluctuaciones que puedan producirse y es capaz de responder en tiempo real a los cambios repentinos del parámetro monitorizado. Experiencias concretas demuestran que las ventajas que se pueden obtener de una lógica de regulación de este tipo están relacionadas con los siguientes aspectos:
- Mejora de la calidad del efluente y cumplimiento constante de los límites reglamentarios: mediante el ajuste de la consigna de concentración de PO4, es posible garantizar una concentración de Ptot siempre inferior a los límites reglamentarios;
- Ahorro en la dosificación del precipitante químico: se evita la sobredosificación del reactivo, ya que se controla continuamente la concentración de ortofosfato que debe reducirse;
- Menor producción de lodos: la dosificación más racional del precipitante se traduce en una menor producción de lodos que deben eliminarse en las fases de tratamiento posteriores;
- Mayor estabilidad del proceso, incluso en condiciones de extrema variabilidad de la carga
El SW de gestión P-RTC integrado en la unidad de control SC4500plus recibe como entrada la señal de concentración de PO4-P del analizador in situ PHOSPHAX SC instalado en el punto de análisis y es capaz, por tanto, de proporcionar la medida analítica de forma directa, fiable e inmediata. La señal de medida de caudal debe complementarse con una señal de 4-20 mA procedente de un caudalímetro o PLC de la propia unidad de control. La señal de salida se transmite como señal analógica directamente a la bomba dosificadora o al PLC de la planta. El P-RTC SW puede realizar una lógica de control de lazo abierto (Open loop) con medición aguas arriba del punto de dosificación o una lógica de lazo cerrado (Closed loop) con medición del parámetro PO4-P aguas abajo del punto de dosificación o una combinación de ambas lógicas de control.
Controlador SC4500plus con SW N/DN-RTC para la gestión óptima del proceso biológico de aireación intermitente
El sistema de optimización N/DN RTC para plantas biológicas que funcionan con un proceso de aireación intermitente es un controlador de procesos que, basándose en la medición en línea de los parámetros clave de la fase oxidativa (amonio y nitrato, oxígeno), permite regular automáticamente la intermitencia y el suministro de oxígeno para optimizar el rendimiento de la fase biológica tanto en lo que respecta a la eficacia del tratamiento como a la reducción de los costes de explotación. El regulador de proceso N/DN RTC optimiza así la duración de las fases de nitrificación y desnitrificación en función de los parámetros analíticos clave directamente implicados en el proceso de aireación intermitente (concentración de nitrógeno amoniacal y concentración de nitrato y nitrógeno nítrico). Este tipo de regulación es más favorable que la lógica basada en la alternancia de fases en función del tiempo o de parámetros indirectos o en función únicamente de la medición del oxígeno, ya que, al activar los dispositivos de aireación ad hoc, se consigue un menor consumo de energía, una mayor eficacia de eliminación del nitrógeno (y, por tanto, una mayor calidad del efluente) y una mayor estabilidad de la regulación. El módulo de control RTC también está equipado con una lógica de seguridad que, en caso de indisponibilidad de las mediciones analíticas, garantiza la continuidad del control basándose en las tendencias históricas o en los valores establecidos.
El controlador SC4500plus es la solución ideal para el control de procesos de plantas pequeñas y medianas, gracias a su baja inversión
Unidad de control SC4500plus con SP-RTC SW para una gestión óptima de la fase de Deshidratación de la línea de fangos
El sistema de regulación automática SP-RTC integrado en la unidad de control SC4500 permite una gestión óptima de la fase de Deshidratación, ya que regula automáticamente la dosificación del polímero utilizado en función de la concentración de Sólidos en Suspensión monitorizada en línea en los fangos que entran en la centrífuga (gracias a la sonda SOLITAX SC) y, opcionalmente, en los fangos clarificados que salen de la propia máquina. La experiencia real demuestra que las ventajas de este tipo de lógica de control están relacionadas con varios aspectos: aumento de la capacidad de tratamiento de la máquina, mayor eficacia del proceso de tratamiento (lodos más concentrados), funcionamiento estable en función de la carga real en lugar del volumen, mayor estabilidad del proceso, dosificación más racional del polielectrolito, reducción de los costes de eliminación de los lodos producidos.
Conclusiones
Las ventajas de utilizar medidores en línea de parámetros clave del proceso de depuración empiezan a ser cada vez más apreciadas, ya que, combinadas con controladores de proceso específicos para cada etapa que se integran directamente en la unidad de medición, se traducen no solo en una mejora de la calidad del efluente, sino también en un ahorro de costes fácilmente cuantificable y en un aumento de la eficiencia operativa global de la depuradora.