Estrategías de control robusto para digestores aerobios termófilos autosostenidos de fangos procedentes de estaciones depuradoras de aguas residuales

Resumen

En la actualidad, la introducción del control automático en el tratamiento de fangos mediante digestión aerobia termófila autosostenida o ATAD (Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion) es todavía incipiente, reduciéndose en la mayoría de los casos prácticos a la automatización de las operaciones secuenciales del proceso, o a actuaciones semi-automáticas en base a unas reglas heurísticas establecidas a partir del conocimiento del proceso. El margen de mejora en la eficiencia, rendimiento y calidad es grande con la incorporación de los avances en técnicas de control, que hasta ahora han sido poco explotados en este proceso. La presente Tesis Doctoral ofrece un nuevo enfoque del tratamiento de fangos ATAD desde la perspectiva del control automático, y más particularmente mediante la incorporación de controladores robustos. Para ello, y en base a los análisis realizados sobre el benchmark de simulación AT_BSM, específico para ATAD, se ha establecido la influencia de las variables manipulables, caudal de aire y tiempo de retención de sólidos, sobre la temperatura media del digestor en cada batch (lote de tratamiento). Esto permite configurar los puntos de operación mediante la generación de las consignas adecuadas en lazos de control realimentado. Se han determinado diferentes estrategias de operación de acuerdo a objetivos globales de calidad, coste y producción, que son hasta cierto punto contrapuestos, y que se cuantifican mediante índices definidos para su evaluación. Además, se han obtenido modelos dinámicos lineales simplificados que relacionan las variables manipulables con la variable controlada, con el fin de diseñar los controladores dentro de las estructuras de control realimentado apropiadas. Se han establecido dos estrategias de control realimentado, SISO (Single Input Single Output) y MISO (Multiple Input Single Output) basadas en controladores robustos que aseguran los puntos de operación a pesar de la variabilidad del contenido orgánico del fango influente y a la variabilidad de la temperatura del aire y del fango. La estrategia de control SISO permite alcanzar la mejor calidad en el efluente (niveles máximos de estabilización y pasteurización) sin desperdiciar energía por una sobreaireación innecesaria del digestor. Esto se consigue empleando el caudal de aireación óptimo que busca la temperara máxima en el digestor. Un sistema fuzzy adapta el punto de operación a las condiciones externas cambiantes, y un controlador robusto garantiza que se alcancen dichas consignas. La estrategia de control MISO permite alcanzar el nivel de pasteurización mínimo según las normas y recomendaciones existentes en materia medioambiental, sin desperdiciar energía. Para ello, se fija la consigna de temperatura precisa. Además, gracias al control dual que manipula el caudal de aire y el tiempo de retención de sólidos, es posible fijar un segundo objetivo. Modificando la consigna del caudal de aire, es posible adaptar la producción a la cantidad de fango proveniente de procesos anteriores o posteriores al ATAD, o minimizar el coste de aireación. Ambas estrategias de control se han comparado entre sí, con las de otros trabajos científicos y con el habitual modo de operación manual. La evaluación de ciertos índices ha mostrado las diferencias entre ellas en cuanto a la calidad del fango efluente, el coste de operación del digestor y la cantidad de fango tratado (nivel de producción).