PTAR Alacantí Norte: Reutilización del agua y eficiencia energética mediante control por lógica difusa

Por: Javier Romero Sanz
Gerente de Desarrollo de Negocio Internacional en GS Inima

La PTAR Alacantí Norte, situada al norte de la ciudad de Alicante (España), es una infraestructura diseñada para tratar un caudal actual de 30,000 m3/día y un caudal horizonte de 45,000 m3/día y dar servicio a una población equivalente de 225,000 habitantes ampliable a 340,000 habitantes en el futuro. Incluye instalaciones de regeneración del agua depurada para que esta sea reutilizable. El agua regenerada se destina al riego de los cultivos de la mancomunidad del Alacantí, a la recuperación del cauce del Río Monegre aportándole un caudal extra, y al riego de los parques urbanos de los municipios más cercanos.

La construcción de la depuradora y las estaciones de bombeo, han sido diseñadas para atender una zona costera de gran importancia turística, y están situadas junto a urbanizaciones y núcleos residenciales. Es por ello que el impacto y afección ambiental se han tenido muy en cuenta en el diseño y construcción de las instalaciones, especialmente en lo que se refiere al aspecto visual y arquitectónico, a su integración en el entorno natural, y a la previsión de instalaciones para la eliminación de olores y ruidos.

Como paso previo a la PTAR, se han construido dos estaciones de bombeo de agua residual bruta, cada una de ellas dotada de un tamiz - triturador y cuatro bombas sumergibles repartidas en dos cantaras independientes. Para evitar la propagación de malos olores, las estaciones de bombeo han sido dotadas de instalaciones de desodorización mediante una torre de carbón activo, llevándose a cabo una renovación del aire del edificio de 10 veces por hora y emitiendo a la atmósfera el aire descontaminado y libre de olores.

PRETRATAMIENTO

En la depuradora, el pretratamiento comienza con el paso de las aguas brutas a través de un pozo de gruesos, donde se lleva a cabo una primera retención de elementos de gran tamaño que puedan haber sido arrastrados por los colectores, esta separación se realiza mediante una reja con paso entre barrotes de 80 mm.

El desbaste de las aguas tiene por objeto retener y separar los sólidos de mayor tamaño arrastrados por el agua bruta. Esta fase del proceso está formada por tres canales de un metro de anchura más un cuarto canal de emergencia. Estos están equipados con rejas automáticas de 30 mm de luz libre y tamices autolimpiantes de 3 mm de paso. Todos los equipos han sido fabricados en acero inoxidable AISI 316L.

Los residuos separados por las rejas y los tamices se retiran, transportan y compactan mediante dos tornillos transportadores - compactadores, que permiten disminuir la humedad de los residuos, consiguiendo así reducir su peso y volumen para facilitar su posterior transporte y al mismo tiempo retrasar la fermentación, disminuyendo así la generación de olores.

Tras el proceso de desbaste se lleva a cabo el desarenado y desengrasado mediante el paso del agua por dos unidades de canal preaireado de funcionamiento combinado. Cada unidad tiene dos canales paralelos, uno de mayor anchura que actúa como desarenador y otro de menor de anchura que en paralelo funciona como canal desengrasador.

El desarenado se realiza mediante sedimentación y bombeo y su finalidad es conseguir una disminución de la abrasión en tuberías y bombas, aumentando su vida útil y evitando los atascos, así como disminuir el volumen y densidad de los fangos producidos en el posterior proceso biológico.

El desengrasado se efectúa de forma simultánea y se realiza mediante el desemulsionado de las grasas con aire. Este proceso evita problemas posteriores en la línea de tratamiento, tales como la disminución de decantación por adherencia de grasas o las perturbaciones en el rendimiento de la línea del tratamiento de lodos.

El pretratamiento comienza con el paso de las aguas brutas a través de un pozo de gruesos.  Tratamiento Biológico. Esta fase del proceso está dotada de cuatro líneas paralelas o reactores biológicos. Se diseñan de forma rectangular. La planta también dispone de cuatro decantadores secundarios de gravedad, circulares y de accionamiento periférico. La PTAR incluye una línea de tratamiento terciario. El agua procedente de los decantadores es almacenada en un tanque de laminación.

 

TRATAMIENTO BIOLÓGICO

La instalación de dos tanques de homogeneización se emplea para evitar los problemas que provocan las excesivas variaciones de caudal y de concentraciones de las cargas contaminantes, mejorando la efectividad de las sucesivas fases del proceso que se encuentran aguas abajo. Estos tanques están equipados con aceleradores de corriente para garantizar velocidades de flujo mínimas y evitar sedimentaciones; con aireadores sumergidos que facilitan la aireación y limpieza de los tanques; y con equipos de bombeo para favorecer la laminación de los caudales de aporte al tratamiento biológico.

El tratamiento de depuración biológica se realiza por el método de fangos activos en aireación prolongada, proceso que garantiza excelentes rendimientos de depuración de la carga orgánica contaminante así como la posibilidad de llevar a cabo una eficiente reducción de los nutrientes mediante el proceso de nitrificación y desnitrificación. Otra ventaja del sistema elegido es la menor producción de fangos que en un sistema de fangos activados convencional, y que los generados estarán bastante estabilizados, lo que permite prescindir de posteriores procesos de digestión y estabilización.

Esta fase biológica del proceso está dotada de cuatro líneas paralelas o reactores biológicos. Se diseñan de forma rectangular para favorecer el flujo pistón y se les dota de una cámara anóxica y una posterior etapa óxica con tres fases de aireación, de forma que el funcionamiento se lleva acabo con un circuito tipo Ludzack-Ettinger modificado.

En las cámaras anóxicas se consigue la desnitrificación gracias a la ausencia de oxígeno, y puesto que no hay aporte de aire, es necesario mantener unos niveles de agitación adecuados para que no se produzcan sedimentaciones, para ello se dispone de agitadores sumergibles trabajando en flujo cruzado. La difusión de aire en las balsas óxicas se realizará mediante difusores de membrana de burbuja fina. Este sistema es uno de los más óptimos en cuanto a la eficacia en la transferencia de oxígeno y mínimo consumo energético.

Para conseguir la adecuada eliminación de nutrientes, que garantice una buena reducción en la concentración de nitrógeno en el agua efluente, se lleva a cabo una recirculación de un elevado caudal de licor mezcla desde la salida de las zonas óxicas hasta la entrada de las zonas anóxicas, donde se homogeneizara con el caudal de entrada.



DECANTACIÓN SECUNDARIA

Para completar el proceso biológico, la planta dispone de cuatro decantadores secundarios de gravedad, circulares y de accionamiento periférico, donde sedimentan los fangos del proceso biológico y desde donde se recirculará parte de los mismos hasta la cabecera de los reactores con la finalidad de mantener la adecuada concentración de los sólidos en suspensión y la flora bacteriana responsable de la depuración.

La purga de los fangos se realiza por el cono central de cada decantador hasta una arqueta desde donde son bombeados. Los fangos en exceso son evacuados hasta el espesamiento dinámico para su posterior acondicionamiento y deshidratación y las espumas y flotantes son recogidas mediante rasquetas superficiales y evacuadas por unos buzones regulables en altura.

TRATAMIENTO TERCIARIO

La PTAR Alacanti Norte incluye una línea de tratamiento terciario del agua depurada que permitirá su reutilización para diferentes fines como el riego para la agricultura o para parques urbanos. El agua depurada procedente de los decantadores secundarios es almacenada en un tanque de laminación, desde el cual será bombeada hasta la primera etapa del tratamiento terciario.

Un tratamiento físico químico convencional formado por una cámara de mezcla rápida con dosificación de coagulante y una cámara de agitación lenta donde se adiciona un floculante polimérico, consiguiendo que los sólidos en suspensión se unan formando agregados mayores o flóculos con la suficiente cohesión y densidad para someterlos a una posterior etapa de sedimentación.

Luego, el agua pasa por unos decantadores de lamelas, la entrada del agua a cada decantador se realiza por el lateral de mayor longitud a fin de que el reparto sea lo más homogéneo posible. El sistema de decantación lamelar permite reducir notablemente la superficie necesaria para la sedimentación de sólidos respecto a una decantación convencional, lo que conlleva un importante ahorro económico. El agua clarificada, una vez ha pasado por las lamelas, se recoge a través de canales de acero inoxidable con doble vertedero tipo Thompson.

A continuación, para afinar la eliminación de sólidos y mejorar la turbidez y la transmitancia, se ha instalado un sistema de filtración en profundidad mediante filtros de discos de tela. Cuatro unidades con seis discos cada unidad.

Para completar el proceso terciario, se realiza una desinfección mediante dos reactores de lámparas ultravioleta en tubería. Cada uno de ellos aloja 40 lámparas de baja presión y alta intensidad. Los rayos ultravioleta destruyen las moléculas de ADN de los microrganismos patógenos, proporcionando un agua apta para su reutilización.

LÍNEA DE TRATAMIENTO DE FANGOS

Como resultado del proceso biológico de depuración de las aguas residuales, la contaminación eliminada queda contenida en los fangos decantados. Estos fangos son sometidos a un tratamiento con el objetivo de disminuir su volumen, reducir los malos olores y transformarlos en residuos más fáciles de gestionar e incluso aprovechables para la agricultura.

En primer lugar se realiza un espesamiento dinámico en dos flotadores, donde el fango se acondiciona con polielectrolito y se presuriza para ser emulsionado, separado y recogido en unas tolvas situadas en la parte superior. Estos elementos espesadores están cerrados con unas cubiertas de poliéster reforzado con fibra de vidrio con aspiraciones localizadas para evitar la salida de olores.

Los fangos espesados se almacenan y homogeneizan en un depósito cerrado y compartimentado en tres cámaras provistas de agitación. Desde aquí el fango es impulsado, mediante bombas de tornillo helicoidal, hasta las instalaciones de deshidratación.

La deshidratación de los lodos se realiza mediante dos máquinas decantadoras centrífugas, y una vez deshidratados son elevados mediante bombas de desplazamiento positivo hasta unos silos de almacenamiento cerrados y desodorizados, y cuya capacidad de almacenamiento es de varios días.

INSTALACIONES DE PRODUCCIÓN DE AIRE

El oxígeno necesario en los reactores biológicos para la degradación de la materia orgánica y la eliminación de nutrientes, es suministrado mediante cuatro grupos turbosoplantes de caudal variable instalados en paralelo. Los equipos de producción de aire han sido instalados en un edificio subterráneo debidamente insonorizado para minimizar la contaminación acústica y economizar en los consumos derivados de la refrigeración de los motores.

La regulación de la producción del caudal de aire necesario se lleva a cabo a través de un programa de control mediante algoritmos basados en la lógica difusa. El programa vendrá a determinar la consigna de presión necesaria en la red de distribución; así como el grado de apertura de las válvulas de paso a cada parrilla de difusores. De esta forma, se consigue que el aporte de oxígeno sea el requerido por el proceso, pero con un consumo energético mínimo que permita una máxima eficiencia del proceso de depuración.

INSTALACIONES DE DESODORIZACIÓN

Uno de los objetivos prioritarios en el diseño de esta depuradora, ha sido conseguir minimizar los impactos medioambientales, eliminar la emisión de gases nocivos y evitar la transmisión de malos olores al entorno. Para ello se ha diseñado un sistema de desodorización que permite aislar, extraer el aire contaminado de los diferentes elementos y dependencias, y posteriormente realizar un lavado químico del mismo antes de emitirlo a la atmósfera.

Con el fin de controlar la extracción de aire y conseguir mejor eficiencia energética, se lleva a cabo el aislamiento de las zonas susceptibles de ser desodorizadas, instalando cubiertas de materiales plásticos para conseguir un confinamiento del aire a tratar y realizando aspiraciones localizadas sobre los focos de producción de olores. Además se han instalado sistemas de extracción en todos edificios, forzando renovaciones de aire que garantizan unas condiciones adecuadas de trabajo.

El aire contaminado es conducido por dos ventiladores hasta un sistema de lavado químico gases formado por dos torres de PRFV en las cuales se procede al lavado de los distintos compuestos contaminantes que producen los malos olores. Para ello se hace ascender el aire a través de un relleno plástico hasta la zona superior de las torres mientras que los productos químicos son recirculados a contracorriente, de esta forma se mezclan con el aire a tratar, reaccionando y transformando los compuestos tóxicos.

REUTILIZACIÓN DE LAS AGUAS

El objetivo, al dotar a la planta depuradora de un tratamiento terciario capaz de tratar el total de las aguas residuales depuradas en tratamiento secundario, es la reutilización de las aguas tratadas. En el caso de la PTAR Alacanti Norte, la producción de aguas tratadas reutilizables será destinada al uso en la agricultura mediante la instalación de una estación de bombeo y una tubería de impulsión de las aguas limpias hasta las balsas de almacenamiento de la Mancomunidad de Regantes del Alacanti Norte; al riego de jardines y limpieza de calles del término municipal de San Juan mediante la instalación de una tubería para el transporte de agua tratada hasta conectar con la red de agua regenerada del Municipio; y a la recuperación del cauce Río Monegre mediante el vertido de una parte del caudal de agua tratada al cauce del río, consiguiendo así la regeneración de las especies vegetales autóctonas así como el regreso de diferentes especies animales y aves características del lugar.

Eficiencia energética en el tratamiento biológico, sistema de control mediante lógica difusa

CONTROL DE OXIGENO DISUELTO

Actualmente, el objetivo en la explotación de las estaciones depuradoras de aguas residuales, no es solo el cumplimiento de los límites de vertido marcados por la legislación, sino además minimizar el consumo de energía, en busca de la máxima eficiencia posible.

Control de oxígeno disuelto. Los lazos de control que modifican la apertura de las válvulas y la velocidad de giro de las turbosoplantes están basados en lógica difusa. Las señales de consigna vienen determinadas por un algoritmo de control supervisor.

 

La concentración de oxígeno disuelto en los procesos de fangos activados es uno de los parámetros más importante a controlar en una PTAR. Una concentración baja de oxígeno disuelto afecta al crecimiento de los microorganismos pudiendo provocar la aparición de bacterias filamentosas mientras que una concentración alta de oxígeno supone un gasto energético importante e innecesario, ya que el costo energético de la aireación puede suponer más del 50% del costo energético total de las instalaciones.

Por este motivo, y con la finalidad de conseguir el mayor rendimiento energético posible, se decide instalar un sistema de control desarrollado mediante lógica difusa que establece lazos de control independientes para el oxígeno disuelto en cada zona aerobia del reactor biológico y para la presión de descarga de las turbosoplantes.

La lógica difusa es una técnica basada en la inteligencia artificial que intenta reproducir la forma de pensar de los seres humanos. Por ello, admite los problemas que presentan incertidumbres o imprecisiones. Los sistemas basados en la lógica difusa se denominan controladores difusos y son capaces de aprovechar la experiencia de una persona en un determinado proceso para realizar su control. Son sistemas muy adecuados cuando no hay un modelo matemático que permita el uso de otro tipo de controlador, y la experiencia de los operadores de planta solo da un conocimiento impreciso del funcionamiento del sistema. Un proceso que se ajusta a las dos premisas anteriores es el de la aireación de un reactor biológico. En efecto, por una parte es imposible predecir la evolución que tendrá y, por otra, lo que indica la experiencia es que puede cambiar en cualquier momento, debido a las variaciones del influente y operación de la planta.

La concentración de oxígeno disuelto en cada una de las zonas aerobias se mantiene en el valor de consigna modificando la apertura de la válvula de control correspondiente, mientras que la presión de descarga de aire se puede controlar modificando la velocidad de giro de las turbosoplantes. Esto ofrece la posibilidad de airear todas las zonas aerobias con un solo conjunto de turbosoplantes y mantener distintas concentraciones de oxígeno en cada una de las zonas. El movimiento de una válvula no afecta al resto del sistema porque el sistema de control mantiene la presión de toda la red de distribución de aire siempre en el valor de consigna.

Los lazos de control que modifican la apertura de las válvulas y la velocidad de giro de las turbosoplantes están basados en lógica difusa. Las señales de consigna vienen determinadas por un algoritmo de control supervisor, que establece en todo momento como consigna del controlador de presión, el valor mínimo necesario para el correcto funcionamiento del sistema, reduciendo así el consumo energético. Dicho valor mínimo es aquél que permite mantener las concentraciones de oxígeno disuelto en el valor deseado y una de las válvulas de control está abierta al 100%.

Cada sensor de oxígeno alimenta un lazo de control independiente que actúa sobre la válvula de control correspondiente. Por otra parte, la presión alimenta el lazo de control que actúa sobre la velocidad de giro de las turbosoplantes. A partir de la información de las concentraciones de oxígeno disuelto, la apertura de las válvulas y la presión, el control supervisor establece las consignas de todos los lazos de control. El valor de la consigna de presión se modifica para mantener siempre una de las válvulas totalmente abierta.

La operación del sistema de aireación en estas condiciones óptimas de funcionamiento permite un ahorro de energía considerable debido a que al mantener las válvulas en su máximo grado de apertura se minimiza las pérdidas de carga en el sistema de aireación.

CONTROL DE ELIMINACIÓN DE NUTRIENTES

Dando un paso más y buscando la máxima eficiencia energética posible, se decide instalar un avanzado sistema de control, también basado en la lógica difusa, para la optimización de la eliminación biológica de nitrógeno en el proceso biológico mediante sondas de bajo costo. Este sistema de control permite controlar la eliminación biológica de nitrógeno a partir del uso de sondas de pH y ORP.

Control de eliminación de nutrientes. El uso de sondas de bajo costo inicial y de operación tales como el pH y potencial redox (ORP) supone una gran ventaja como posible alternativa a los analizadores/sensores on-line de nutrientes.

 

Actualmente, los sistemas de control de nitrógeno implementados en las PTAR que incorporan eliminación biológica de nitrógeno, están basados en analizadores/sensores on-line que miden las concentraciones de nitrato y amonio en las zonas anóxicas y óxicas del proceso de depuración. Sin embargo, el costo de adquisición de estos analizadores y los requerimientos de mantenimiento de los mismos son tan elevados que hace prácticamente inviable su uso en las PTAR de pequeño y mediano tamaño. Por tanto, el uso de sondas de bajo costo inicial y de 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 ha resultado ser 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.

La tecnología desarrollada permite optimizar el funcionamiento del proceso de fangos activados ya que mantiene el nitrógeno por debajo de los límites de vertido con el mínimo consumo energético. Esta alternativa supone las siguientes ventajas: una reducción en los costos de inversión inicial y mantenimiento de la instrumentación, una mayor facilidad de operación y una reducción en los tiempos de repuesta de las sondas, lo cual permite un funcionamiento óptimo del sistema de control.

El sistema se compone de dos controladores independientes: el del proceso de nitrificación (que modifica la consigna de oxígeno del reactor aerobio) y el de desnitrificación (que modifica el caudal de recirculación interna).

El controlador del proceso de nitrificación modifica la consigna de oxígeno disuelto a partir de las señales de dos sondas de pH, situadas en la primera y en la última zona aerobia. El algoritmo de control, basado en la lógica difusa regula la consigna de oxígeno a mantener en el valor mínimo necesario para llevar a cabo la nitrificación del amonio hasta los niveles deseados (cumplimiento de los requisitos de vertido específicos). De esta manera se minimiza el consumo energético asociado al sistema de aireación.



El controlador del proceso de desnitrificación utiliza las señales de dos sondas de pH (situadas en la primera y la última zona anóxica), y de 1 sonda ORP (situada al final de la zona anóxica). Este controlador actúa sobre el caudal de recirculación interna del reactor aerobio al anóxico, que sólo se incrementará cuando el proceso tenga capacidad suficiente para desnitrificar el nitrato procedente de esta recirculación. Por este motivo, este sistema de control también minimiza el coste energético derivado de los costes de bombeo. Además, al evitar concentraciones excesivamente elevadas de nitrato en el tanque anóxico, también se minimiza el riesgo de bulking en el proceso.

CONCLUSIONES

Tanto el controlador del sistema de aireación y el oxígeno disuelto, como los controladores de los procesos de nitrificación y desnitrificación, que integran el sistema completo de control de oxígeno y nitrógeno en los reactores biológicos, optimizan la degradación de la materia orgánica y la eliminación biológica del nitrógeno de una PTAR, minimizando el costo energético relacionado con las variables manipuladas por el sistema de control (aireación y costes de bombeo de recirculación interna). Además, con estos sistemas se ha minimizado la inversión inicial sustituyendo los analizadores por sondas de bajo coste, las cuales incluyen la ventaja adicional de una mayor facilidad en su mantenimiento y un menor tiempo de respuesta lo que optimiza la acción del sistema de control.

El diseño, la ingeniería constructiva, la ejecución de las obras y la operación durante tres años de la PTAR Alacantí Norte han sido llevados a cabo por un consorcio liderado por la empresa GS Inima, empresa especializada en el tratamiento y gestión del agua.

Publicado en revista Agua y Saneamiento Ed. 7