ES2593710B2 - Sistema y método de control de la calidad del agua en plantas de tratamiento - Google Patents

Sistema y método de control de la calidad del agua en plantas de tratamiento Download PDF

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Abstract

Sistema y método de control de la calidad del agua en plantas de tratamiento, que comprende:#- unos medios para la entrada de una muestra de agua,#- una celda electroquímica (2) para el análisis de la muestra de agua introducida,#- al menos un depósito (3, 4, 5) que comprende una disolución para la limpieza de la celda electroquímica (2) y que está en comunicación con la misma (2),#- unos medios de control (20) para su comunicación con los medios de entrada de la muestra de agua, con la celda electroquímica (2) y con los depósitos de limpieza (3, 4, 5), enviando los medios de control (20) una señal a los medios para la entrada de una muestra de agua y a la celda electroquímica (2) para realizar el análisis de la muestra tomada y para la emisión de una señal del resultado de la muestra analizada.

Description

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equipamiento convencional de laboratorio (espectroscopia atomica, fluorimetrla o HPLC) lo que hace diflcil la monitorizacion y/o control en tiempo real.
La monitorizacion off-line es adecuada para el control de cambios leves en el nivel de contaminantes que puedan afectar al medioambiente o a la poblacion cuando se trate de exposiciones durante un periodo prolongado de tiempo. En estos casos, el tiempo entre la toma de muestra y el resultado analltico carece de importancia.
Para una monitorizacion en tiempo real, se requiere information en llnea sobre los cambios en composition en el agua. Los procedimientos en llnea se realizan in situ. Robustez, precio competitivo, versatilidad y velocidad en la respuesta son algunas de las caracterlsticas deseadas en el equipamiento de analisis in situ. Desafortunadamente, hay muy pocos sensores qulmicos que puedan operar de una manera optima y que puedan funcionar sin interferencias del efecto matriz.
Para poder optimizar una Estacion Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) reduciendo costes de aireacion y bombeo, es necesario conocer las concentraciones de los contaminantes en diferentes puntos de control a lo largo del proceso de depuracion. En el caso de las estaciones de tratamiento de aguas potables (ETAP), la problematica es la misma.
Las concentraciones de los contaminantes se pueden conocer utilizando analizadores on-line. Los analizadores on-line son equipos con buena precision, pero que requieren de tareas diarias de inspeccion, mantenimiento y reposicion de reactivos, ademas de proporcionar una lectura discreta, aunque generalmente precisa, del parametro analizado. Sin embargo, estos presentan elevados costes de inversion y mantenimiento.
Otra option conocida es el uso de sondas de ion selectivo, aunque tienen el inconveniente de que proporcionan poca robustez en la medida, es decir, la precision en la medida no es excelente. La falta de precision en la medida esta muy afectada por la interaction de la matriz ionica y las especies que la conforman. Las condiciones de contorno en la instalacion afectan en gran medida a la bondad de la lectura. Por lo
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tanto, la ubicacion de la sonda es crltica, afectando fundamentalmente a la validez del valor proporcionado.
Descripcion de la invencion
El sistema objeto de la invencion esta basado en sensores electroqulmicos que permiten la monitorizacion de determinadas especies qulmicas medidas en disolucion. Los sensores electroqulmicos son sistemas robustos, de bajo coste y escaso mantenimiento, lo cual los hace muy competitivos, en comparacion con otras tecnologlas.
El sistema de control de la calidad del agua objeto de la invencion comprende:
- unos medios para la entrada de una muestra de agua a analizar procedente de la planta de tratamiento, estos medios pueden ser un conjunto de bombas y electrovalvulas que realizan la entrada de la muestra a analizar directamente de los depositos objeto del analisis,
- una celda electroqulmica para el analisis de la muestra de agua introducida, que se dispone en comunicacion con los medios de entrada de la muestra, de modo que el conjunto de valvulas y bombas redireccionan la muestra tomada hacia la celda electroqulmica para su analisis,
- unos depositos que comprenden una disolucion de limpieza para la celda electroqulmica y que tambien se disponen en comunicacion con la misma mediante el conjunto de bombas y valvulas,
- unos medios de control configurados para su comunicacion con los medios de entrada de la muestras de agua, con la celda electroqulmica y con los depositos de limpieza, estando los medios de control adaptados para el envlo de una senal a los medios para la entrada de una muestra de agua y a la celda electroqulmica para realizar el analisis de la muestra tomada y estando tambien adaptados para la emision de una senal del resultado de la muestra analizada.
El sistema objeto de la invencion comprende un conjunto de electrovalvulas y de bombas para la circulation de fluidos tales como las muestras en estudio o los llquidos de limpieza. El funcionamiento de la fluldica y de los sensores electroqulmicas esta
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gobernado por un software disenado para la automatization de las medidas, la posterior interpretation de los datos y la comunicacion con la planta de tratamiento.
Por lo tanto, el sistema integra, por una parte, los componentes necesarios para la toma de una muestra directamente desde la localization sin necesidad de desplazar la misma mediante un operario, as! como las herramientas de analisis mediante sensores electroqulmicos. Las diferentes fases de toma de muestra, medida y limpieza estan automatizadas, de manera que ofrece una gran reproducibilidad en los resultados.
Adicionalmente, la celda electroqulmica puede comprender electrodos de metales nobles lo que significa que el sistema se puede entrenar para determinar sustancias de naturaleza organica o inorganica pero no estrictamente metalica. Para ello, el sistema de control puede comprender adicionalmente:
- unos sensores integrados en la celda electroqulmica que preferentemente consisten en electrodos de metales nobles, preferentemente Iridio, Rodio, Platino y Oro,
- un modulo de procesado de las senales que en una fase de entrenamiento construye un modelo para la determination de cada uno de los parametros en estudio y en una segunda fase predice el parametro de interes.
Este sistema se puede instalar en las Plantas de Depuration de Aguas Residuales (EDAR) y en las Plantas de Tratamiento de Agua Potable (ETAP) en los diferentes puntos de control para obtener medidas de las muestras de interes y conocer la composition qulmica en cada punto una vez entrenado el sistema. El sistema esta dotado de un software de analisis de los datos electroqulmicos. En una fase inicial se calibra o entrena el sistema con muestras de composicion conocida, y se construye un modelo para hacer predicciones en muestras nuevas. La generation del modelo con muestras de composicion conocida constituye la fase de entrenamiento. De este modo se obtiene un control integral de la calidad del agua en los diferentes tipos de estaciones de tratamiento, de una forma facil, segura y con bajo coste.
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Es tambien objeto de la invention una planta de tratamiento de agua que comprende una pluralidad puntos de control de agua donde cada punto de control comprende un sistema segun lo descrito anteriormente.
Igualmente es objeto de la presente invencion un metodo de control de la calidad del agua en plantas de tratamiento, que comprende los siguientes pasos:
- limpieza de una celda electroqulmica para el analisis de una muestra de agua, de modo que se eliminen residuos de tomas anteriores, ya que antes de iniciar un ensayo es necesario realizar una limpieza de los electrodos de la medida anterior,
- entrada de una muestra de agua procedente de la planta de tratamiento a traves de unos medios para la entrada de dicha muestra de agua,
- direccionamiento de la muestra a la celda electroqulmica,
- medicion de la muestra mediante la aplicacion una serie de pulsos de potencial a cada uno de los electrodos de la celda electroqulmica,
- registro de los valores de la evolution temporal de las mediciones de la muestra,
- repetition del proceso de medicion y registro una pluralidad de veces para cada uno de los electrodos,
- registro de los valores de la evolucion temporal de la senal para cada una de las repeticiones,
- repeticion de las etapas de limpieza, de medicion y registro una pluralidad de ocasiones, con el fin de asegurar que las medidas realizadas son fiables,
- realization de estudio estadlstico mediante un modulo de procesado para evaluar la dispersion entre las repeticiones de las etapas de limpieza, medicion y registro,
- realizacion de un promediado de las mediciones,
- proporcionar un valor estimado de los parametros medidos mediante, por ejemplo, la aplicacion del modelo obtenido con el entrenamiento.
El sistema puede trabajar tanto en modo supervisado como en modo autonomo. En modo supervisado el usuario puede realizar un proceso de medida completo en cualquier momento desde cualquier ordenador conectado al equipo electronico mediante un bus de comunicacion. El resultado de la medida se muestra en la pantalla de un ordenador.
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En modo autonomo el equipo electronico realiza procesos de medida completos de forma periodica y almacena en una base de datos los valores predichos para cada uno de los parametros fisicoqulmicos. Dichos datos pueden ser consultados por los usuarios de forma remota desde cualquier ordenador conectado al equipo electronico mediante el bus de comunicacion.
Este equipamiento se puede instalar en la propia planta de tratamiento de agua, junto a los depositos de agua cuya composition se desee controlar, para tomar la muestra directamente, elaborar el analisis, recuperar mediante limpieza el sistema y volver a estar disponible para la siguiente medida, habiendo dado el dato de concentration de las sustancias de interes.
El sistema y metodo objeto de la invention ofrece respuestas rapidas, lo cual es necesario para que un equipamiento en llnea funcione de modo autonomo y ofrezca information en continuo.
La instalacion y mantenimiento del equipo supone un abaratamiento de coste respecto a otras tecnicas mas sofisticadas que existen en el mercado, teniendo en cuenta tanto el coste de la instalacion como el reducido gasto en consumibles y mantenimiento. El uso de sensores electroqulmicos ademas posibilita obtener informacion de varias sustancias a la vez mediante una sola medida.
Descripcion de las figuras
La figura 1 es un esquema de un ejemplo de realization del sistema objeto de la invencion.
Descripcion detallada de la invencion
En la figura 1 se representa un esquema de un ejemplo de realizacion del sistema de control de calidad del agua.
El sistema comprende unos medios para la entrada de una muestra de agua. Para ello, el sistema comprende unos elementos de gestion de flujo que consisten en una
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electrovalvula (1) de tres vlas, una primera via (13) para la entrada de la muestra de agua, una segunda via (11) para el paso de la muestra de agua tomada hacia la celda electroqulmica (2) y una tercera via (12) para el paso de los llquidos de limpieza desde los depositos de limpieza (3, 4, 5) hasta la celda electroqulmica (2).
El ejemplo de realization comprende tambien una bomba peristaltica (6) y cuatro electrovalvulas (7, 8, 9, 10) de dos vlas. Estos elementos son controlados por el modulo de gestion de flujo (23) de los medios de control (20).
La celda electroqulmica (2) del ejemplo de realizacion integra cuatro electrodos de trabajo (Rodio, Iridio, Oro y Platino), el contraelectrodo y el electrodo de referencia. Dichos electrodos van conectados a un potenciostato. Se seleccionan electrodos de metales nobles, preferentemente Iridio, Rodio, Platino y Oro porque presentan una mayor durabilidad y se limpian mejor.
Los depositos de llquidos de limpieza comprenden un deposito con acido (3), un deposito con base (4) y un deposito con agua destilada (5).
Los medios de control (20) estan configurados para su comunicacion con los medios de entrada de la muestras de agua, con la celda electroqulmica (2) y con los depositos de limpieza (3, 4, 5). Estando los medios de control (20) adaptados para el envlo de una senal a los medios para la entrada de una muestra de agua y a la celda electroqulmica (2) para que realice el analisis de la muestra tomada y adaptados tambien para realizar un tratamiento de los datos medidos por la celda electroqulmica (2) y para la posterior emision de una senal del resultado de la muestra analizada.
Para ello los medios de control (20) estan compuestos por un modulo de procesado (21) que realizar un tratamiento de los datos medidos por la celda electroqulmica (2), un modulo de medida (22) que controla el proceso de medicion realizado por la celda electroqulmica (2) y un modulo de gestion de flujos (23), para controlar la fluldrica.
El software del modulo de procesado (21) recoge la information proporcionada por la celda electroqulmica (2) y la analiza. Seguidamente, dado que esta dotado de un modelo obtenido en una fase de entrenamiento previo con muestras reales mediante
analisis multivariante, emite una valoracion de los diferentes parametros de calidad de
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la muestra analizada. Estos datos pueden ser utilizados para la optimization de las diversas actuaciones sobre el sistema de depuration en los diferentes puntos de control de una EDAR o ETAP.
El proceso de limpieza se compone de diversas fases y se realiza de forma secuencial para cada uno de los electrodos. Para la limpieza electroqulmica de la celda electroqulmica (2) se aplica una serie de pulsos de potencial a cada electrodo de trabajo que producen reacciones de oxidation y reduction para eliminar los residuos depositados en la superficie del electrodo.
En primer lugar se procede al llenado de la celda electroqulmica (2) con el primer llquido de limpieza que puede ser un acido o una base en funcion del tipo de electrodo. Para ello el modulo de gestion de flujos (23) activa la bomba (6) y configura la valvula de 3 vlas (1) para que conecte la conduction que proviene de los depositos de limpieza (3, 4, 5) con la celda electroqulmica (2). Ademas activa la electrovalvula (8) si la limpieza se va a realizar con base o la electrovalvula (9) si la limpieza se va a hacer con acido. Esta configuration se mantiene el tiempo suficiente para garantizar que la celda electroqulmica (2) se llene completamente con el llquido de limpieza.
En una fase inicial una electrovalvula de salida de residuos (10) permanece abierta para que el llquido presente en la celda electroqulmica (2) al inicio del proceso pueda ser desalojado y sustituido por el llquido de limpieza. Cuando la celda electroqulmica (2) esta completamente llena de llquido de limpieza, se cierra la electrovalvula de salida de residuos (10), se detiene la bomba (6) y el modulo de medida (22) de los medios de control (20) aplica una serie de pulsos de potencial al electrodo que producen reacciones de oxidation-reduction que eliminan los residuos depositados en la superficie del electrodo.
A continuation se repite el proceso con el segundo llquido de limpieza, que sera base o acido en funcion del electrodo. Una vez finalizado el proceso de limpieza para los dos llquidos de limpieza se hace circular agua destilada por la celda electroqulmica (2) con el objeto de eliminar cualquier rastro de los llquidos de limpieza antes de iniciar el proceso de medida. Para ello el modulo de gestion de flujos (23) activa la bomba (6) y configura las electrovalvulas (1, 7, 8, 9) para que el agua destilada del deposito de agua
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destilada (5) llegue a la celda eiectroqulmica (2). La electrovalvula de salida (10) permanece abierta durante esta fase.
Para realizar la medicion, al inicio del proceso de medida el modulo de gestion de flujos (23) configura la electrovalvula de entrada (1) para direccionar la entrada de la muestra a la celda electroqulmica (2). Cuando la celda electroqulmica (2) esta complemente llena con la muestra, se cierra la electrovalvula de salida (10) y se inicia el proceso de medicion.
Este proceso se repite cinco veces para cada uno de los electrodos y el sistema almacena los valores de la evolucion temporal de la senal para cada una de las cinco iteraciones. Durante las cinco veces se puede observar la evolucion en las senales, y esto puede ser informativo para la determination de diversos parametros. Por encima de cinco veces, la variacion en las senales disminuye y es menos relevante.
Posteriormente en cada proceso completo de medida las etapas de limpieza de los electrodos y medida se repiten tres veces. Se repiten tres veces para ver que el resultado es reproducible y no existen desviaciones. En el caso de que una de las replicas sea diferente se puede optar por descartarse la medida. Si las tres salen diferentes el sistema no funciona correctamente.
Si se aprecia que alguna de las repeticiones presenta una dispersion fuera del rango aceptable, se descarta dicha repetition y se realiza un nuevo ciclo de limpieza y medida. Cuando el nivel de dispersion de las tres repeticiones es aceptable se realiza un promediado de las mismas. Finalmente a los datos promediados se le aplica los modelos de prediction correspondientes para obtener el valor estimado de parametros fisicoqulmicos.
El sistema y metodo objeto de la invention es versatil y de uso en diferentes etapas del proceso de tratamiento del agua residual urbana e industrial, as! como en estaciones de tratamiento de aguas potables.
El sistema dispone de un modo de trabajo supervisado y de un modo de trabajo autonomo. En modo autonomo el sistema es capaz de trabajar en modo continuo, de
forma que el tiempo requerido para ejecutar un ciclo completo de medida de los parametros seleccionados, supone un intervalo mlnimo de tiempo.
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REIVINDICACIONES
1. - Sistema de control de la calidad del agua en plantas de tratamiento, caracterizado por que comprende:
- unos medios para la entrada en el sistema de una muestra de agua procedente de la planta de tratamiento,
- una celda electroqulmica (2) para el analisis de la muestra de agua introducida y configurada para estar en comunicacion con los medios de entrada de la muestra de agua,
- al menos un deposito de limpieza (3, 4, 5) que comprende una disolucion para la limpieza de la celda electroqulmica (2) y configurado para estar en comunicacion con la misma (2),
- unos medios de control (20) configurados para su comunicacion con los medios de entrada de la muestra de agua, con la celda electroqulmica (2) y con los depositos de limpieza (3, 4, 5), estando los medios de control (20) adaptados para el envlo de una senal a los medios para la entrada de una muestra de agua y a la celda electroqulmica (2) para realizar el analisis de la muestra tomada y adaptados para la emision de una senal del resultado de la muestra analizada.
2. - Sistema de control de la calidad del agua en plantas de tratamiento, segun la reivindicacion 1, caracterizado por que los depositos de limpieza (3, 4, 5) comprenden un deposito con una solucion acida (2), un deposito con una solucion basica (4) y un deposito con agua destilada (5).
3. - Sistema de control de la calidad del agua en plantas de tratamiento, segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la celda electroqulmica (2) comprende cuatro electrodos de trabajo, un contraelectrodo y un electrodo de referencia conectados a un potenciostato.
4. - Sistema de control de la calidad del agua en plantas de tratamiento, segun la reivindicacion 3, caracterizado por que los electrodos de trabajo son preferentemente de Rodio, Iridio, Oro y Platino.

Claims (5)

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  2. 5. - Planta de tratamiento de agua, caracterizada por que comprende una pluralidad puntos de control de agua donde cada punto de control comprende un sistema segun lo descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
  3. 6. - Metodo de control de la calidad del agua en plantas de tratamiento, caracterizado por que comprende los siguientes pasos:
    - limpieza de una celda electroqulmica (2) para el analisis de una muestra de agua, de modo que se eliminen residuos de muestras anteriores, mediante la comunicacion de la celda electroqulmica (2) con un deposito de limpieza (3, 4, 5) que comprende una disolucion para limpieza de la celda electroqulmica (2),
    - entrada de una muestra de agua procedente de la planta de tratamiento a traves de unos medios para la entrada de dicha muestra,
    - direccionamiento de la muestra a la celda electroqulmica (2) mediante los medios para la entrada de muestra,
    - medicion de la muestra mediante la aplicacion de una serie de pulsos de potencial a cada uno de los electrodos de la celda electroqulmica (2),
    - registro de los valores de la evolucion temporal de las mediciones de la muestra,
    - repetition del proceso de medicion y registro una pluralidad de veces para cada uno de los electrodos,
    - registro de los valores de la evolucion temporal de la senal para cada una de las repeticiones,
    - repeticion de las etapas de limpieza, de medicion y de registro una pluralidad de ocasiones,
    - realization de estudio estadlstico mediante un modulo de procesado (21) para evaluar la dispersion entre las repeticiones de las etapas de limpieza, medicion y registro,
    - realizacion de un promediado de las mediciones,
    - proporcionar un valor estimado de los parametros medidos.
  4. 7. - Metodo de control de la calidad del agua en plantas de tratamiento, segun la revindication 6, caracterizado por que la etapa de limpieza de la celda electroqulmica
    (2) se realiza de forma secuencial para cada uno de los electrodos.
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  5. 8.- Metodo de control de la calidad del agua en plantas de tratamiento, segun la reivindicacion 7, caracterizado por que la etapa de limpieza de la celda electroquimica (2) comprende los siguientes pasos:
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    - llenado de la celda electroquimica (2) con un primer liquido de limpieza de entre los siguientes: un acido o una base,
    - aplicacion de una serie de pulsos de potencial al electrodo que producen reacciones de oxidacion-reduccion para la eliminacion de residuos depositados en la superficie de
    10 dicho electrodo,
    - repeticion de los pasos anteriores con un segundo liquido de limpieza, de entre los siguientes: un acido o una base, distinto del primer liquido de limpieza,
    - llenado de la celda electroquimica (2) con agua destilada para la eliminacion de rastros de los liquido de limpieza,
    15 - repeticion del proceso de limpieza con cada uno de los electrodos de la celda
    electroquimica (2).
    imagen1
    FIG. 1
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