ES2864726T3 - Procesos de control de tratramiento de aguas residuales - Google Patents

Abstract

Método para ejercer un control continuo sobre un proceso de tratamiento biológico de consumo de oxígeno de aguas residuales, en donde el oxígeno es consumido en cantidades variadas, donde el método está caracterizado por comprender las etapas de: - conducir aguas residuales hacia el interior de al menos un depósito (2) que comprende un sistema de suministro de gas (1, 3, 4) con un dispositivo (1) de regulación del flujo de gas; - utilizar dicho sistema de suministro de gas (1, 3, 4) para suministrar en el al menos un depósito (2) un gas que contiene oxígeno en forma de burbujas, de manera que al menos una parte del oxígeno en dichas burbujas se disuelve en las aguas residuales; - controlar el suministro de oxígeno utilizando un sistema de control que comprende: un dispositivo (5) para medir la temperatura de las aguas residuales; un controlador (14) para proporcionar una lógica de control automática; un elemento (10) colector de gas para recoger el gas residual que escapa de dicho al menos un depósito (2); un dispositivo (11) para medir el flujo de gas del elemento (10) colector de gas; un detector (12) de oxígeno disuelto (OD); un detector (13) de gas; conexiones (15) para transmitir valores medidos al controlador (14); y una salida (16) para descargar aire de muestreo a la atmosfera. en donde controlar el suministro de oxígeno comprende las etapas de: a) introducir y almacenar constantes relacionadas con la configuración del al menos un depósito (2); b) introducir y almacenar constantes relacionadas con el sistema de suministro de gas (1, 3, 4), siendo una de dichas constantes la relación de la tasa de transferencia de oxígeno con respecto a la tasa de flujo de gas; c) introducir un nivel o niveles iniciales del oxígeno disuelto objetivo y un tiempo o tiempos de espera; d) medir el nivel o los niveles reales del oxígeno disuelto en las aguas residuales, la tasa o tasas de flujo de aire, el oxígeno que permanece en el gas residual, y otros parámetros en las ubicaciones seleccionadas; e) determinar la eficiencia de la transferencia de oxígeno a las aguas residuales; f) determinar la tasa o tasas de transferencia de masa de oxígeno en las aguas residuales en las condiciones reales del proceso; g) corregir la tasa de transferencia en el agua de proceso a las condiciones de referencia; h) utilizar datos del rendimiento operativo para determinar la tasa de transferencia del sistema de suministro de gas en agua limpia en condiciones de referencia en el flujo de gas medido; i) determinar el valor aparente alfa como la relación de la tasa de transferencia en el agua de proceso con respecto a la tasa de transferencia en agua limpia en condiciones de referencia; j) determinar la tasa de la transferencia de masa del oxígeno requerida para cumplir con las cargas actuales de aguas residuales; k) determinar el error o errores en el nivel o niveles del oxígeno disuelto en las aguas residuales como la diferencia 0 entre el nivel o niveles medidos y el nivel o niveles objetivo, ajustando el nivel o niveles del OD objetivo según se requiera; l) determinar la tasa de transferencia de oxígeno requerida para corregir el error o errores en el nivel del oxígeno disuelto; m) determinar la tasa de transferencia de oxígeno total requerida; n) determinar la tasa de transferencia de oxígeno total en condiciones de referencia en correlación con la tasa de transferencia en condiciones de referencia en agua limpia; o) utilizar datos del rendimiento operativo para determinar la tasa de flujo de gas requerida; p) ajustar el dispositivo o dispositivos de control de flujo para obtener la tasa o tasas de flujo requeridas; q) esperar que transcurra el tiempo o tiempos de espera establecido; y r) repetir las etapas d) a q).

Description

DESCRIPCIÓN

Procesos de control de trabamiento de aguas residuales

Campo de la invención

La presente invención hace referencia a un método para el control continuado, automatizado de procesos de tratamiento de aguas residuales. En determinadas realizaciones preferidas, hace referencia al control de la aireación en procesos de tratamiento biológico de crecimiento suspendido, especialmente en procesos de lodos activados. Antecedentes de la invención

La mayoría de formas de procesos biológicos para el tratamiento de aguas residuales implican introducir un gas que contiene oxígeno en las aguas residuales con algún tipo de aparato de consumo de energía. En general, el consumidor de energía es un motor eléctrico, y alimenta algún tipo de agitador, compresor o soplante que proporciona una fuerza propulsora para distribuir el gas que contiene oxígeno en uno o más depósitos que contienen aguas residuales.

Durante muchos años ha sido evidente que el coste de electricidad para la operación de un equipo de este tipo es de los mayores, y a menudo el coste operacional más elevado de las plantas de tratamiento de aguas residuales. En los inicios de la historia de la técnica del tratamiento biológico, el control de procesos se realizaba de forma “manual”. Ayudados, en un grado inadecuado, por la observación visual y por la instrumentación que habitualmente era limitada y rudimentaria, el personal que operaba la planta ajustaba el flujo de gas en un intento de correlacionar dicho flujo con la cantidad de oxígeno consumido en el proceso biológico. Demasiado flujo, en exceso, hacía consumir electricidad. Demasiado poco, en defecto, alteraba la calidad del tratamiento. A medida que la técnica progresaba, se reconoció que podrían lograrse ahorros en electricidad y una calidad más consistente del tratamiento con una instrumentación mejor y más completa. Entonces, comenzó a resultar evidente que podrían obtenerse mayores ganancias en el ahorro de energía y mayor calidad mediante el control automático de los flujos de gas y otros aspectos de los procesos.

Desde al menos ya en la década de 1960, los esfuerzos en el control automatizado del flujo de gas que contiene oxígeno en procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales han incluido mediciones del nivel de OD (oxígeno disuelto) en las aguas residuales en el depósito de tratamiento. El flujo de gas se reduce automáticamente si el OD excede un valor de referencia u objetivo predeterminado, y se incrementa si el OD cae por debajo del objetivo. Este modo de operación redujo, pero no eliminó, el problema del exceso o no alcanzar los verdaderos requerimientos de oxígeno y energía de los procesos biológicos.

Ya desde al menos la década de 1970, la necesidad de conservar energía y las regulaciones de endurecimiento en la calidad del efluente de la planta han proporcionado una amplia y continua motivación para desarrollar mejores formas de control automatizado. Sin embargo, a pesar de las muchas sugerencias de modos adicionales y/u otros modos de control automático, en la práctica real, el control basado principalmente en los niveles de OD, con la consiguiente pérdida de energía y cambios en la calidad, ha seguido siendo bastante popular.

La solicitud internacional WO01/34527A1 divulga un proceso y un aparato para el tratamiento termófilo aeróbico autotérmico de desechos, de alta resistencia y alta temperatura. El material de desecho es inyectado en una vasija de reactor que tiene microorganismos termófilos para formar un volumen de carga líquida a granel en la vasija del reactor. También se inyecta un gas que contiene oxígeno en la vasija del reactor para el tratamiento aeróbico del material de desecho. El potencial de oxidación-reducción y la temperatura de la carga líquida a granel del reactor se monitoriza y al menos un aspecto seleccionado de entre la tasa de inyección del gas que contiene oxígeno, la eficiencia de transferencia de oxígeno del gas que contiene oxígeno y el volumen de la carga líquida a granel en el reactor se ajustan en respuesta al potencial de oxidación-reducción y la temperatura de la carga líquida a granel para mantener la temperatura de la carga líquida a granel del reactor dentro de un rango predeterminado.

La solicitud de patente europea EP0472249A2 hace referencia a la degradación biológica del sulfuro de hidrógeno que se lleva a cabo en un reactor que contiene microorganismos inmovilizados en polímeros, que se incorporan como biocatalizadores en esferas de gel. Los biocatalizadores se sitúan en agua, y se alimentan gas H2S y oxígeno en una relación estequiométrica. El H2S es convertido a sulfato (SO4<-2>) por los microorganismos. Las esferas de gel se preparan a partir de una solución de alcohol polivinílico, que también contiene los microorganismos, mediante adición por gotas en un líquido muy frío y su posterior descongelación muy lenta, son elásticas y resistentes a la abrasión y pueden de este modo también circular en los reactores durante un largo periodo de tiempo.

La solicitud de patente europea EP0630860A1 describe un aparato para controlar el tratamiento biológico de aguas residuales, que emplea una unidad de filtro biológico soportado sustancialmente estanca al aire que tiene una entrada para líquidos, una salida y un orificio de purga de gases de escape. Se suministra oxígeno sustancialmente puro a dicho filtro y se controla en respuesta a una señal de control procedente de un medio de control, adaptado para monitorizar la tasa de consumo de oxígeno, para ajustar la tasa de suministro de oxígeno para mantener un consumo de oxígeno predeterminado.

La continuación de la popularidad en la actualidad del control basado principalmente en las mediciones de OD, acompañada de problemas del desperdicios y de calidad, sugiere que existe una necesidad prolongada insatisfecha de mejoras en el control de procesos biológicos para el tratamiento de aguas residuales. La presente invención busca satisfacer esta necesidad.

Resumen de la invención

Nuestra invención cumple con esta necesidad en una variedad de formas. El método para controlar un tratamiento biológico de aguas residuales comprende una serie de combinaciones diferentes de dispositivos, etapas y condiciones, cada una de las cuales representa un aspecto en particular de lo que se ha inventado, siendo únicamente objeto de la presente invención el método incluido en la reivindicación 1 independiente y los métodos incluidos en las reivindicaciones dependientes.

El método relativo a la invención comprende, en al menos un depósito de tratamiento que contiene aguas residuales, llevar a cabo un proceso biológico soportado, en parte, introduciendo un gas que contiene oxígeno en las aguas residuales en forma de burbujas mediante un sistema de suministro de gas, y donde al menos una parte del oxígeno en dichas burbujas se disuelve en las aguas residuales. Al menos una parte del oxígeno disuelto va a ser consumido por el proceso biológico, en donde el oxígeno disuelto de este modo, puede representar un exceso o una deficiencia en relación al oxígeno consumido por el proceso biológico, y en donde al menos un elemento colector de gas se sitúa en el depósito de tratamiento para recibir gas residual que representa el gas de dichas burbujas que no ha sido disuelto en las aguas residuales.

La operación del proceso biológico se controla con un sistema que, a medida que el proceso opera, ejercita un control continuado sobre el proceso, al menos parcialmente, en respuesta a mediciones que son tomadas por el sistema de control de los gases residuales recogidos en el elemento colector de gas y que están correlacionadas con la cantidad de uno o más gases en los gases residuales. La invención utiliza datos obtenidos a través de dichas mediciones para proporcionar, en el sistema de control, las diferentes cantidades de consumo de oxígeno que se producen en el proceso biológico, valores de control, o componentes de los valores de control, que cambian en respuesta a, sin dejar de ser correlativos con, tales cantidades diferentes de consumo de oxígeno, y generar señales de control en base a los valores o componentes de control variables.

Un aspecto adicional del método de la invención comprende, en al menos un depósito de tratamiento que contiene aguas residuales, realizar un proceso biológico que comprende una aireación de crecimiento suspendido. En este proceso, la descomposición biológica de material de desecho suspendido y/o disuelto presente en las aguas residuales está soportado, al menos en parte, por la introducción de gas que contiene oxígeno en las aguas residuales en forma de burbujas provistas en las aguas residuales mediante un sistema de suministro de gas. Estas burbujas se elevan a través de al menos una parte de la profundidad de las aguas residuales en la dirección de su superficie superior, y al menos una parte del oxígeno en dichas burbujas se disuelve en las aguas residuales y al menos una parte del oxígeno disuelto de dichas burbujas es consumido por el proceso biológico. El oxígeno disuelto de este modo puede comprender un exceso o representar una deficiencia en relación al oxígeno consumido por el proceso biológico. Al menos un elemento colector de gas se encuentra posicionado para recibir gas residual de dichas burbujas que no ha sido disuelto en las aguas residuales. El método controla la operación del proceso con un sistema de control que, a medida que el proceso opera, ejercita un control continuado sobre la introducción de aguas residuales en el proceso y/o sobre la cantidad de gas descargado en el interior del depósito a través de dicho sistema de suministro de gas, al menos parcialmente en respuesta a las mediciones de gases residuales, tomadas por el sistema de control, que son correlativas con la cantidad de uno o más gases en los gases residuales. Los datos obtenidos a través de dichas mediciones se utilizan para proporcionar, en el sistema de control, unos valores de control que son, al menos en parte, correlativos con las necesidades variables de suministro de oxígeno disuelto a las aguas residuales, según se determina mediante el sistema de control al menos parcialmente en base a tales datos.

El método de acuerdo con la invención utiliza un aparato de sistema de control, que comprende al menos un elemento colector de gas que está situado en al menos un depósito de procesamiento de aguas residuales en el que se lleva a cabo el proceso biológico, para recoger de las aguas residuales en el depósito de procesamiento, gases residuales que representan al menos una parte del gas que contiene oxígeno que ha sido introducido pero que no se ha disuelto en las aguas residuales. Cuenta con al menos un detector de gas que está conectado con el elemento colector de gas y que puede tomar mediciones, y de este modo proporcionar datos indicativos de la cantidad de al menos un gas en los gases residuales recogidos por el elemento colector de gas. También cuenta con al menos un controlador conectado con el detector de gas, dicho controlador que define, para las diferentes cantidades de consumo de oxígeno que se producen en el proceso biológico, unos valores de control, o componentes de valores de control, que cambian en respuesta a, a la vez que se mantienen correlativos con, dichas diferentes cantidades de consumo de oxígeno, donde dicho controlador genera señales de control en base a valores o componentes de control.

El método de la presente invención puede ser llevado a cabo en un aparato del tipo que comprende al menos un depósito para realizar un proceso biológico que comprende aireación de crecimiento suspendido en aguas residuales, y un sistema de suministro de gas para introducir gas que contiene oxígeno en las aguas residuales en forma de burbujas y donde al menos una parte del oxígeno en dichas burbujas se disuelve en las aguas residuales y al menos una parte del oxígeno disuelto de dichas burbujas es consumido por el proceso biológico. El oxígeno disuelto de este modo puede comprender un exceso o representar una deficiencia en relación al oxígeno consumido por el proceso biológico. Al menos un elemento colector de gas se posiciona para recibir gases residuales que representan gas procedente de las burbujas que no han sido disueltas en las aguas residuales. Este aparato tiene un sistema de control que comprende diversas piezas. Cuenta con al menos un detector de gas que puede tomar mediciones de la cantidad de al menos un gas recogido en el elemento colector de gas. Cuenta también con al menos un dispositivo de medición de OD (oxígeno disuelto) que tiene una sonda que, cuando entra en contacto con las aguas residuales en el depósito, puede tomar mediciones del nivel de OD de las aguas residuales. También se incluye al menos un controlador que contiene o tiene acceso a un código que el controlador puede utilizar con dichas mediciones para proporcionar, en el sistema de control, unos valores de control que son, al menos en parte, correlativos con las necesidades variables para el suministro de oxígeno disuelto a las aguas residuales.

Ventajas

De acuerdo con la presente invención, se miden el consumo de oxígeno y los parámetros de rendimiento del sistema de aireación. Esto proporciona una oportunidad para un control “predictivo” (o control anticipado) en el que la variable controlada que se requiere (p.ej., tasa de flujo de aire) puede predecirse en base al consumo de oxígeno y al rendimiento del equipo. Se cree que, en la práctica, los sistemas de control de la técnica anterior han sido casi exclusivamente “reactivos” (retroalimentación). Estos sistemas anteriores reaccionan a errores en el rendimiento del proceso, y los errores son, por tanto, un resultado inherente del rendimiento de ciertos sistemas de control anteriores. Debido a que los errores generalmente son inherentes en sistemas de retroalimentación, la actividad biológica de los microorganismos en procesos operados bajo este modo de control pueden verse comprometidos por fluctuaciones en el nivel de oxígeno. Con las realizaciones preferidas de nuestra invención, las variables cruciales para la actividad biológica pueden volverse más estables, teniendo como resultado una reducción en las variaciones del efluente.

Para minimizar el impacto perjudicial de los errores en los sistemas anteriores, existe una tendencia de los operarios de ajustar el nivel objetivo de oxígeno disuelto a un valor mayor que el nivel mínimo que sería aceptable en una operación bien controlada. Esto genera un “colchón” para evitar que las oscilaciones en la carga causen una reducción excesiva en el nivel de oxígeno disuelto. Debido a que la operación de ciertas realizaciones preferidas de nuestro sistema puede ser más estable y pueden minimizarse o eliminarse los errores, el nivel objetivo de oxígeno disuelto puede ajustarse a un valor inferior. Esto puede producir una mayor eficiencia y tener como resultado ahorros significativos en la energía y en otros costes asociados.

El bombeo y el tiempo requerido para que se produzcan las reacciones en los sistemas que extraen muestras de líquido, tales como la mayoría de las técnicas respirométricas, tienen como resultado un retraso en el tiempo entre el comienzo del proceso de medición y la obtención de los resultados. Debido a la construcción de las realizaciones preferidas de nuestra invención, es posible capitalizar la velocidad de los dispositivos de medición rápidos lo que conduce a una determinación cercana a o verdaderamente “en tiempo real” de los requerimientos de oxígeno y del rendimiento del proceso.

De acuerdo con la invención, se monitoriza el impacto de los cambios en el consumo de oxígeno en tiempo real. Esto ofrece una oportunidad de detectar la carga de residuos o los contaminantes inhibidores procedentes de contribuciones industriales o de otras fuentes. La respuesta rápida minimizará el impacto de estos cambios en la calidad del efluente y alertarán al operario, de manera que puedan implementarse medidas correctivas adecuadas.

Algunos sistemas existentes miden la demanda de oxígeno de las aguas residuales. Al contrario de lo que es común en la práctica anterior, ciertas realizaciones de la invención pueden medir el rendimiento del equipo de aireación (p.ej., difusores) de forma continua o incluso en tiempo real.

Estos parámetros medidos incluyen el parámetro de eficiencia de la transferencia de oxígeno y el parámetro alfa (relación del rendimiento real del proceso para depurar el agua). El sistema de control puede aplicar valores alfa aparentes, determinados por el sistema de control, que reflejan cambios en la condición del sistema de suministro de gas y aguas residuales que pueden afectar la cantidad de oxígeno que el sistema de suministro de gas puede transferir a las aguas residuales. Esta información proporciona conocimientos del rendimiento real del sistema de aireación y ofrece una oportunidad de monitorizar la degradación del sistema en el tiempo debido a la corrosión y/o a otras formas de degradación del rendimiento del aireador. La limpieza o el reemplazo de los difusores puede optimizarse en base al rendimiento real, minimizando los costes de una limpieza o un reemplazo que sean prematuros o que estén indebidamente retrasados, permitiendo de este modo la limpieza antes de que el rendimiento y la eficiencia de la energía se degrade significativamente.

En el ajuste de ciertos sistemas anteriores, se monitoriza la respuesta del sistema a los errores y los cambios de la carga y los parámetros que afectan a la respuesta son modificados mediante resultados empíricos derivados de la observación y la experiencia. Por ejemplo, esto es cierto para algunos algoritmos de control PID (control proporcional integral derivativo), pero también es generalmente cierto para algoritmos de control por realimentación. Los cambios en la condición del sistema de aireación, los residuos de entrada y las condiciones ambiente requerían la modificación de los parámetros de ajuste.

Debido a que en unas realizaciones determinadas, de entre las realizaciones preferidas la respuesta de los sistemas controlados con un método de acuerdo con la invención se base en la configuración física del equipo de proceso y una combinación de la efectividad del sistema de aireación medido y conocido, el ajuste no es sensible a los cambios en la condición del sistema de aireación, los residuos de entrada y las condiciones atmosféricas.

Una vez que los datos de la configuración física y el rendimiento del sistema de aireación se almacenan, estas realizaciones pueden predecir la respuesta a los cambios mencionados anteriormente mediante cálculos matemáticos en base a parámetros de rendimiento conocidos. Ciertos sistemas de control previos han utilizado un ajuste de “un conjunto de parámetros”, donde los efectos de la carga del proceso, el rendimiento biológico y el rendimiento del sistema de aireación no se diferencian a la hora de determinar la respuesta del sistema a las perturbaciones. Un cambio en los parámetros del proceso requería un cambio en el ajuste del sistema de control. Con determinadas realizaciones de nuestro método de control se monitorizan individualmente los parámetros del proceso relacionados con la carga de proceso, el rendimiento biológico y el rendimiento del sistema de aireación, haciendo tales sistemas tanto más receptivos como más estables.

Un número de métodos existentes utilizados para medir los requerimientos de oxígeno de un sistema de tratamiento, tal como la mayoría de las técnicas respirométricas (también denominadas respirometría), implican el desplazamiento de muestras de los contenidos de los depósitos de aireación hasta una celda de reacción. En muchos sistemas, deben utilizarse productos químicos adicionales para determinar los requerimientos de oxígeno de las aguas residuales.

Los sistemas de bombeo y de manejo de fluidos son propensos a obturarse y a requerir un mantenimiento significativo. Los productos químicos adicionales, si se requieren, son un coste de operación adicional. Debido a que las realizaciones preferidas de nuestra invención utilizan gas que dejan la superficie en lugar de muestras de líquido extraídas, no es propenso a dicha obturación y se minimiza el mantenimiento. También se mejora la fiabilidad. Todas las realizaciones de la invención, ya sea específicamente divulgadas en el presente documento o no, no presentarán necesariamente todas las ventajas anteriores, no las mismas combinaciones de las ventajas. Más aún, los usuarios de la invención, los fabricantes de componentes o sistemas completos que se encuentran implicados en la invención y otras personas expertas en la técnica pueden identificar, con la ayuda de la presente divulgación y/o a través de la experiencia con la invención, unas realizaciones que incluyen de forma inherente las ventajas no discutidas anteriormente.

Breve descripción de los dibujos

Cada una de las Figuras 1-4 son diagramas esquemáticos de procesos de tratamiento biológico de aguas residuales y componentes de sistemas de control para llevar a cabo el método de acuerdo con la invención. La Figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra las funciones de entrada de datos y las funciones lógicas de control del software de acuerdo con el método de la invención.

Realizaciones diferentes y preferidas

Introducción

En general, nuestro método de control resulta útil con una variedad de procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales. Habitualmente, estos son procesos en los que la aireación con gas que contiene oxígeno soporta la metabolización de los residuos por parte de bacterias en las aguas residuales, p.ej., procesos de lodo activado, en uno o más depósitos. Otros gases o vapores pueden utilizarse en, o en relación con, estos procesos para cualquier propósito adecuado, p.ej., gas de limpieza.

El sistema de control emplea cualquier forma de aparatos de medición para recibir datos sobre uno o más parámetros del proceso, que pueden incluir cualquier parámetro de o que afecta al proceso. Tales parámetros incluyen diferentes cantidades de uno o más gases en gases residuales recuperados de las aguas residuales en el depósito, y pueden incluir, por ejemplo, otros flujos de gas y líquido, temperatura del agua, presión atmosférica y otras variables. Las mediciones de estos parámetros pueden realizarse mediante cualquier tipo o tipos de dispositivos de medición. Se conectan con, y se utilizan para proveer los datos necesarios sobre los parámetros del proceso a un controlador.

Las salidas de datos de los dispositivos de medición hacia el controlador, ya sea de forma eléctrica o en otra forma, no necesitan corresponderse directamente, p.ej., ser numéricamente proporcionales con, parámetros medidos expresamente en las unidades habituales. Sin embargo, para al menos algunas mediciones de interés, se encuentran disponibles dispositivos de medición que proporcionan salidas que se corresponden directamente con parámetros medidos, y estos dispositivos son preferidos.

El controlador emplea las salidas de datos para establecer diferentes valores de control correlativos con, entre una variedad de posibilidades, una o más necesidades de oxígeno de diferentes procesos. Estas incluyen valores de control de los requerimientos, y pueden también incluir valores de control del OD y/o valores de control del rendimiento. Cómo se logre esto depende, en cierto grado, de la naturaleza de las salidas del dispositivo de medición y/o de las capacidades del controlador.

Si las salidas de datos se corresponden o no directamente con los parámetros medidos, el controlador puede por ejemplo contener o tener acceso a, y derivar cualquiera de los valores de control de, una tabla que contiene y correlaciona valores de salidas de datos con valores de control precalculados apropiados. Por otro lado, el controlador puede calcular cualquiera de los valores de control a partir de los algoritmos, a medida que se reciben los datos, donde las salidas de datos directamente correspondientes se encuentran disponibles para el mismo, para los parámetros que se necesitan en el cálculo.

El cálculo de los valores de control a medida que se reciben los datos, también es posible si las salidas de datos directamente correspondientes no están disponibles para el controlador, por ejemplo cuando contiene o tiene acceso a medios para convertir esas salidas de datos en una forma útil en dichos cálculos. Se proporciona información detallada sobre el cálculo de valores de control más adelante.

Se utilizan diferentes valores de control, presentes en controlador, con o sin ajuste, para proporcionar señales de control en el controlador. Cualquier tipo adecuado de elemento o elementos de control automatizados, tales como válvulas de control, rebosaderos, controles de motor y otros dispositivos, se conectan con el controlador, el cual transmite las señales de control a los mismos. Las señales pueden ser los propios valores de control o pueden diferir de ellos. Por ejemplo, los valores de control pueden haber sido ajustados a la hora de generar las señales de control, p.ej., para cumplir con los requerimientos de la señal de los elementos de control, o con tales factores como las características operativas de esos elementos, del sistema de suministro de gas o del proceso.

Preferiblemente, los valores de control se corresponden directamente numéricamente con la necesidad o necesidades del proceso a las que los valores de control hacen referencia, y las señales han ajustado las magnitudes que proporcionan cierto incremento seleccionado de la acción de control requerida por los valores de control y la necesidad relacionada. A continuación, a medida que el sistema toma mediciones continuadas de parámetros del proceso afectados por la acción de control incremental, los valores de control pueden permanecer iguales o ser cambiados por el controlador como resultado de la observación de los efectos de la acción de control aplicada y/o de otros factores. Unas señales de control adicionales de la misma o de una magnitud diferente a las anteriores, pueden entonces ser enviadas al elemento o elementos de control para continuar con la acción de control en incrementos para satisfacer los entonces actuales valores de control.

Pueden emitirse unas señales de control independientes por parte de un controlador o controladores, que representan por separado diferentes tipos de valores de control. Por ejemplo, pueden transmitirse diferentes señales separadas a una pluralidad de dispositivos de regulación del flujo de gas, separados, donde dichas señales se basan respectivamente en diferentes valores de control de los requerimientos y diferentes valores de control del OD. A continuación, en base a las señales de control separadas, los elementos de control separados pueden suministrar flujos de gas separados regulados, de líneas separadas de suministro de gas. Estos flujos pueden introducirse en un depósito de tratamiento como flujos separados, o bien, después de haber sido combinados unos con otros aguas arriba del depósito, pero aguas debajo de los elementos de control, como un único flujo. La cantidad agregada de estos flujos separados, ya sea si se introducen en el depósito en forma de un flujo único o de una pluralidad de flujos, puede consistir en una cantidad suficiente para cumplir con las diferentes necesidades de oxígeno para metabolizar, y, opcionalmente, para tratar de otro modo, residuos en las aguas residuales y para mantener un nivel de OD sustancialmente estable.

Sin embargo, el controlador genera preferiblemente diferentes valores de control de los cuales dos o más tipos diferentes de valores de control son piezas de componentes, tales como una combinación de diferentes valores de control de los requerimientos y diferentes valores de control del OD. A continuación, el controlador puede, si se desea, generar diferentes señales de control correlativas con una combinación variada o total de los diferentes componentes de valores de control. Estas señales pueden, si se desea ser transmitidas a un único elemento de control. A su vez, dicho elemento de control puede si se desea, permitir que una única línea de gas, o un conjunto combinado de líneas de gas, proporcionen gas a las aguas residuales en las cantidades necesarias.

Cuando, según se prefiere, los diferentes valores de control utilizados para generar señales de control incluyen como partes de los componentes unos valores de control de los requerimientos, valores de control del OD y valores de control del rendimiento, el gas puede entonces suministrarse en las diferentes cantidades que se requieren para cumplir con la necesidad de oxígeno para metabolizar o tratar de otro modo los residuos, ajustado de forma adecuada para mantener estables los niveles de OD y tener en cuenta los cambios de rendimiento. Los cambios de rendimiento pueden por ejemplo implicar uno o más de los siguientes: condiciones del sistema de suministro de gas, p.ej., los resultados de la corrosión del difusor, limpieza del difusor o cambios en las tasas de suministro de gas y los cambios resultantes en la tasa de flujo del difusor, donde están implicados los difusores de burbuja fina de liberación por zonas; cambios en las condiciones de las aguas residuales; variaciones en las condiciones del proceso, y condiciones atmosféricas variables. Tal condición o condiciones, incluyendo las características de cualquiera de lo anterior, es o son, o pueden ser, según se determine por parte del sistema de control.

Cualquiera que sea la naturaleza y el modo de uso de los valores de control y de las señales de control, el sistema de control permite que los elementos de control actúen en respuesta a esas señales para efectuar el control sobre el proceso biológico.

El sistema de control puede efectuar el control sobre el proceso biológico de cualquier manera que resulte efectiva a la hora de adecuar la disponibilidad del gas que contiene oxígeno al consumo de o a la necesidad de oxígeno variables en todo o en una parte del proceso, y posiblemente para cumplir con otras necesidades.

Entre los ejemplos de las formas de efectuar el control sobre el proceso se incluyen uno o más de los siguientes: aumentar o disminuir el flujo de gas y/o de aguas residuales hacia el proceso, cambiar la distribución de gas introducido en el sistema, cambiar la cantidad o distribución de las aguas residuales en el depósito, p.ej., como en una alimentación por etapas, cambiar la intensidad operativa de los aireadores mecánicos o aireadores mediante cepillo rotatorio, activar o desactivar al menos una parte de los aireadores mecánicos o de cepillo rotatorio y/o los difusores que se encuentran disponibles en el sistema, alimentar cantidades diferentes o cero cantidades de oxígeno suplementario al proceso, alterar la eficiencia de transferencia de oxígeno de la operación, tal como cambiando la distancia recorrida por las burbujas de gas a medida que atraviesan las aguas residuales, p.ej., activando, aumentando, disminuyendo o desactivando unos agitadores y/o alterando la profundidad de las aguas residuales en un depósito determinado. Los elementos de control serán seleccionados para que sean adecuados para la manera o maneras elegidas de efectuar el control sobre el proceso.

Las siguientes discusiones y Figuras 1-5 presentan diversas realizaciones específicas e ilustrativas del aparato de tratamiento de aguas residuales, el aparato del sistema de control y el software para llevar a cabo el método de acuerdo con la invención.

Descripción detallada de los dibujos

Las Figuras 1-4 ilustran esquemáticamente ejemplos del equipo del proceso biológico, que incluye depósitos y medios para introducir gas que contiene oxígeno en los depósitos de aguas residuales. Estas figuras también ilustran disposiciones del sistema de control que son compatibles con diseños del equipo de proceso y que incluyen un aparato de medición para obtener datos y controladores para obtener señales de control para el proceso.

La Figura 5 ilustra esquemáticamente la disposición de las funciones dentro del proceso y en particular dentro del software que los programadores expertos pueden diseñar para su uso en los controladores que llevan a cabo la presente invención, tal como las realizaciones de las Figuras 1-4.

Figura 1

La realización de la Figura 1 incluye un depósito 2 que contiene aguas residuales en el que se está realizando un proceso de aireación de crecimiento suspendido. La entrada 17 y la salida 18, respectivamente, están previstas para la entrada de aguas residuales que va a ser aireada en el depósito y la descarga de licor mezclado a procesos posteriores. En el depósito y alrededor del mismo se encuentran componentes de un sistema de suministro de gas. Entre estos, se encuentran una pluralidad de dispositivos 3 de cualquier tipo adecuado para introducir burbujas de gas que contiene oxígeno en las aguas residuales, p.ej., difusores de burbuja fina, una fuente de gas 4, que se muestra como una tubería pero que podría ser otro dispositivo y un dispositivo 1 de regulación del flujo de gas, que se muestra como una válvula, pero podría ser otro dispositivo.

En el proceso, que puede airear las aguas residuales de forma continua o intermitente, las burbujas del gas que contiene oxígeno, generadas por el sistema de suministro de gas, se elevan a través de al menos una parte de la profundidad de las aguas residuales en la dirección de su superficie superior. El oxígeno en las burbujas se disuelve en las aguas residuales. Al menos una parte del oxígeno disuelto es consumido por el proceso biológico. El oxígeno disuelto de este modo puede comprender un exceso o representar una deficiencia en relación al oxígeno consumido por el proceso biológico. Tal exceso o deficiencia puede manifestarse como un incremento o una reducción en el nivel de OD (oxígeno disuelto) de las aguas residuales.

Un sistema de control controla el proceso de aireación. Incluyen un dispositivo 5 para medir la temperatura de las aguas residuales, un elemento colector de gas, p.ej. que comprende una campana 10 para recoger el gas que escapa del depósito, un dispositivo 11 para medir el flujo de gas de la primera campana 10, un dispositivo 12 para medir el contenido de oxígeno disuelto de las aguas residuales, un detector 13 de gas para medir el contenido de oxígeno en el gas residual, un controlador 14 para ejecutar automáticamente la lógica de control, unas conexiones 15 para transmitir los valores medidos al controlador 14 y unas señales de control del controlador 14 y una salida 16 para descargar aire de muestreo a la atmósfera.

En la realización ilustrada en la Figura 1 la primera campana 10 representa una ubicación desde la que obtener datos útiles para determinar el oxígeno transferido estimado por el sistema de suministro de gas. El dispositivo 12 de medición del OD representa una ubicación a partir de la cual obtener datos para determinar el nivel de OD estimado en el depósito.

A partir de estos datos, el controlador 14 establece los valores de control de los requerimientos correspondientes que son correlativos con el oxígeno transferido por el sistema de suministro de gas y la tasa de incremento/reducción del OD, según se determina mediante el sistema de control. El controlador 14 también establece valores de control de OD correlativos con el ajuste de oxígeno requerido, según se determina mediante el sistema de control, para hacer regresar los niveles de OD a un valor objetivo. Preferiblemente, el establecimiento de los valores de control de los requerimientos es al menos parcialmente en respuesta a las mediciones correlativas con el OUR (siglas en inglés para tasa de consumo de oxígeno) de las aguas residuales, o la OTR (siglas en inglés para tasa de transferencia de oxígeno) del sistema de suministro de gas, o la OTE (Eficiencia de transferencia de oxígeno) del sistema de suministro de gas, y preferiblemente alguna combinación de estos.

Preferiblemente, los valores de control de los requerimientos en correlación con el oxígeno consumido por el proceso biológico, tal como se ha determinado med iante el sistema de control, se combinan con valores de control del OD. El controlador 14 combina estos dos tipos de valores de control, ya sean aditivos o de compensación hasta cierto grado, y a partir de este total establece valores de control y señales de control correspondientes que, con o sin ajuste, p.ej., para considerar las características de la respuesta del actuador de la válvula, son transmitidos por el controlador 14 al dispositivo 1 de regulación del flujo de gas. Cuando el proceso es un proceso de flujo continuo, la combinación de los valores de control generados por el sistema de control pueden estar correlacionados con una combinación de tasas de consumo de oxígeno y tasas de cambio del nivel de OD en el depósito durante uno o más periodos de tiempo predeterminados. Habitualmente, el sistema de control está programado para tender a mantener un nivel de oxígeno disuelto estable y positivo en al menos una parte del depósito, mientras cumple con las diferentes necesidades de oxigeno del proceso biológico.

Las ubicaciones seleccionadas para la primera campana 10 y el dispositivo de medición del OD pueden ser arbitrarias si los contenidos del depósito se encuentran sustancialmente mezclados y homogéneos, o, si no, pueden ser ubicaciones de interés específico para el operario.

Figura 2

En este punto nuevamente, un sistema de control controla el proceso de aireación en una operación de aireación en una pluralidad de depósitos. En común con la realización de la Figura 1, esta realización presenta un primer depósito 23 que contiene aguas residuales en el que se lleva a cabo un proceso de aireación de crecimiento suspendido. La entrada 78 y la salida 79, respectivamente, se encuentran presentes para la introducción de aguas residuales en el depósito y para la descarga del licor mezclado.

En el depósito o alrededor del mismo, se encuentran unos componentes de un sistema de suministro de gas. Entre estos, se encuentra una fuente de gas 25, que se muestra como una tubería pero podría ser otro dispositivo, y una pluralidad de dispositivos 24 de cualquier tipo adecuado para introducir burbujas de gas que contiene oxígeno en las aguas residuales. La realización de la Figura 2 incluye un segundo depósito 45 de aireación que contiene aguas residuales que están sometidas a una aireación de crecimiento suspendido. La entrada 78 y la salida 79, respectivamente, se encuentran previstas para la entrada y la descarga de aguas residuales y licor mezclado. El soplante o compresor 75 suministra aire o gas al depósito 45 y opcionalmente a uno o más depósitos adicionales. Una pluralidad de dispositivos 24 de cualquier tipo adecuado se encuentran presentes en el depósito 45 y se conectan al soplante para introducir burbujas de gas que contiene oxígeno en las aguas residuales. Se cuenta con tres líneas 41, 42 y 43 de muestreo. Éstas incluyen respectivamente ciertos dispositivos auxiliares, que se tratan más adelante. Las líneas 41 y 42 extraen gases de un elemento colector de gas, -ver las segundas campanas 32, que son parte de un aparato de medición que se tratará más adelante-, para determinar los valores de control de los requerimientos para los depósitos 23 y 45. La segunda campana 32 del depósito 45 presenta un dispositivo 46 de flotación para mantener la campana en la superficie de las aguas residuales durante las variaciones de nivel del agua. La línea 43 y sus dispositivos auxiliares extraen aire ambiente de la atmósfera a través de la toma 39 para calibrar y verificar la precisión del aparato de medición.

Entre los dispositivos auxiliares presentes en todas las tres líneas de muestreo incluyen compresores 49 para proporcionar un flujo positivo del gas residual desde las segundas campanas 32 a través de las líneas de muestreo hasta el aparato de medición para su análisis, se incluyen unas válvulas 50 de alivio de presión para evitar la acumulación de un exceso de presión en las líneas, dispositivos 55 de secado para retirar el agua atrapada y vapor de agua del gas en las líneas antes de que se introduzca en el aparato de medición y unas válvulas 56, que pueden ser otros tipos de dispositivos. Estas válvulas controlan la dirección del gas y/o el flujo de gas en una secuencia adecuada desde varios depósitos hasta el aparato de medición y/o hacia la atmósfera.

Opcionalmente, pueden estar previstos diversos elementos de sistema adicionales. Por ejemplo, la línea 42 puede presentar un conducto 47 de descarga para liberar el exceso de gas de la segunda campana 32 del depósito 45 en o adyacente a las aguas residuales, y un sistema 48 de calentamiento para evitar la condensación de vapor de agua. Las líneas 57 pueden proporcionar unas entradas para el gas desde otros elementos colectores de gas o depósitos hacia el interior de la línea 42 y el aparato de medición.

Algunos elementos del aparato de medición de esta realización del sistema de control se encuentran dispuestos a lo largo de la línea 44 de análisis. El dispositivo 65 detecta la humedad o condensación en el gas residual o en el flujo de gas ambiente. El dispositivo 68 mide la temperatura del gas, mientras que el dispositivo 67 mide la presión del gas. Se cuenta con un detector 66 de gas para medir el contenido de dióxido de carbono en el gas residual. Una restricción 64 modera el flujo de gas para crear una presión positiva en el sistema de medición. El detector 66 de gas también comprende un dispositivo 35 para medir el contenido de oxígeno en el gas residual, mientras que la salida 38 descarga aire de muestreo ya utilizado a la atmósfera.

Otros elementos del aparato de medición incluyen dispositivos 26 en cada depósito, para medir la temperatura de las aguas residuales, las segundas campanas 32 mencionadas anteriormente para recoger el gas que escapa de los depósitos, un dispositivo 33 en el depósito 23 para medir el flujo de gas desde las segundas campanas 32, un dispositivo 74 de medición del flujo de gas para medir el flujo de gas hacia el depósito 45 y un dispositivo 34 de medición del OD en cada depósito 23 para medir el contenido del oxígeno disuelto de las aguas residuales.

En la realización que se muestra en la Figura 2, la disposición en el depósito 23 difiere de la disposición en el depósito 45 en la técnica empleada para medir el flujo de has hacia los depósitos respectivos. En el depósito 23 el dispositivo 33 se utiliza para medir el flujo del gas que escapa desde la campana, y esta tasa de flujo es extrapolada para abarcar la totalidad del flujo de gas hacia el depósito mediante la relación del área superficial de la campana con respecto al área de todo el depósito al completo. En el depósito 45 el dispositivo 74 se utiliza para medir el flujo de gas hacia el depósito al completo directamente. Los factores que influyen a la hora de decidir qué disposición utilizar en un depósito determinado incluyen el grado de cualquier variación en el proceso de una ubicación a otra dentro del depósito, y la naturaleza de la instrumentación existente asociada con el depósito cuando se adapta al uso de la práctica de la presente invención. Tal como muestra la figura, estas dos disposiciones pueden ser utilizadas en diferentes depósitos de la misma planta o pueden utilizarse una en combinación con la otra dentro del mismo depósito.

Con la ayuda de datos del aparato de medición un controlador 36 ejecuta automáticamente la lógica de control para cada depósito. Se encuentra provisto un dispositivo 76 de interfaz para mostrar los datos medidos y calculados y para ayudar a introducir las constantes y los parámetros de control para la operación del sistema. Las conexiones 37 transmiten valores medidos al controlador 36 y señales de control desde el controlador 36 para los depósitos 23 y 45. Mediante señales enviadas a través de estas conexiones, el controlador 36 ajusta el flujo de gas hacia el depósito 23 con el dispositivo 22 de regulación del flujo de gas, que se muestra en forma de válvula, pero podría ser otro dispositivo, y ajusta el flujo de gas hacia el depósito 45 modificando la velocidad del soplante 75. Las conexiones 58 transmiten los valores medidos desde otro aparato de medición al controlador 36 y las señales de control desde el controlador 36 para otras segundas campanas 32 o depósitos, cuando éstas se suministran.

Tal como se muestra en la Figura 2 y la anterior discusión, cada uno de los depósitos 23 y 45 presenta un punto de entrada y control del flujo de gas. Como en la Figura 1, cada segunda campana 32 representa una ubicación desde la que obtener datos útiles para determinar las diferentes cantidades de oxígeno transferidas por el sistema de suministro de gas para cada depósito.

El primer depósito 23 tiene un dispositivo 34 de medición del OD, situado en el extremo aguas arriba del depósito. El segundo depósito 45 tiene un primer y un segundo dispositivo 34 y 37 de medición del OD, situados respectivamente en los extremos aguas arriba y aguas abajo del depósito. Los dispositivos de medición del OD, se utilicen o no dispositivos individuales o dobles en el segundo depósito, proporcionan datos de forma continua concernientes a los diferentes niveles de OD en sus respectivos depósitos. Tales datos son útiles para proporcionar la tasa de datos de incremento/reducción del OD y para determinar los valores de control del OD que se encuentran en correlación con el ajuste variado de oxígeno requerido, según se determina mediante el sistema de control, para hacer regresar los niveles de OD a un valor objetivo.

A partir de estos datos, el controlador 36 establece, independientemente para cada depósito, los valores de control de los requerimientos que se basan en el oxígeno transferido por el sistema de suministro de gas y la tasa de incremento/reducción del OD, en los respectivos depósitos, según se determina mediante el sistema de control. A partir de una combinación de los valores de control de los requerimientos y los valores de control del OD para cada depósito, el controlador 36 establece tasas de gas individuales y variadas. y correspondientes señales de control que satisfarán necesidades diferentes y diferentes de oxígeno en los depósitos respectivos. Estas señales independientes se envían al dispositivo 22 de regulación del flujo de gas y al soplante 75 según se requiera para cumplir con tales necesidades. Los cálculos para cada depósito pueden realizarse secuencialmente o de forma simultánea en un único controlador 36, o pueden ser realizados en un controlador 36 independiente para cada depósito.

Figura 3

En común con la Figura 1, la realización de la Figura 3 presenta un depósito 91 que contiene aguas residuales en las que se está llevando a cabo un proceso de aireación de crecimiento suspendido. Se encuentran previstas la entrada 156 y la salida 157, respectivamente, para la introducción de las aguas residuales que van a ser aireadas en el depósito y la descarga del licor mezclado. El depósito presenta al menos dos zonas distintas en las que el flujo de gas puede ser controlado de forma independiente. En este punto nuevamente, un sistema de control controla el proceso de aireación.

En la primera zona de control del depósito 91 y alrededor de la misma, se encuentran unos componentes del sistema de suministro de gas. Entre estos se encuentran una pluralidad de dispositivos 92 de cualquier tipo adecuado para introducir burbujas de gas que contiene oxígeno en las aguas residuales, una fuente de gas 93, que se muestra como una tubería pero podría ser otro dispositivo, y un dispositivo 90 de regulación del flujo de gas, que se muestra como una válvula, pero podría ser otro dispositivo. El sistema de suministro de gas de la segunda zona de control del depósito también es abastecido por la fuente 93 de gas y está provisto de un dispositivo 95 de regulación del flujo de gas y de una pluralidad de dispositivos 96 que introducen burbujas de gas que contiene oxígeno en las aguas residuales.

La primera zona de control del depósito, en común con la Figura 1, incluye un dispositivo 94, para medir la temperatura de las aguas residuales, un elemento colector de gas, p.ej., que comprende una tercera campana 110, para recoger el gas que se escapa del depósito, y una línea 122 de muestreo. Dispuestos a lo largo de la línea 122 de muestreo se encuentran unos dispositivos de medición y diversos elementos auxiliares, tratados más adelante, y un dispositivo 111, para medir el flujo de gas de la tercera campana 110.

Asociado con la segunda zona de control se encuentra un dispositivo 97, para medir la temperatura de las aguas residuales, una cuarta campana 118, para recoger el gas que se escapa del depósito, y una línea 123 de muestreo. A lo largo de la línea 123 se encuentra un dispositivo 119, para medir el flujo de gas de la cuarta campana 118, y diferentes dispositivos auxiliares.

También se encuentra instalada una tercera línea 124 de muestreo, que además incluye dispositivos auxiliares. Recibe aire ambiente de la toma 117 para calibrar y verificar la precisión del sistema.

Los dispositivos auxiliares en las líneas 122, 123 y 124 incluyen un compresor o compresores 127 para proporcionar un flujo positivo de gas residual desde la tercera campana 110, la cuarta campana 118 y la toma 117 a través de estas líneas. Las válvulas 128 de alivio de presión evitan la acumulación del exceso de presión en las líneas. Los sistemas 133 de secado retiran el agua atrapada y el vapor de agua del gas residual. Las válvulas 134 u otros dispositivos controlan el flujo de aire y/u otro gas de la tercera (110) o cuarta campana 118 o la toma hacia el interior de un sistema de medición que incluye la línea 125 de análisis de muestras.

En la línea 125 se encuentran una restricción 142 que modera el flujo de gas para crear una presión positiva en el sistema de medición, y un dispositivo 143 que detecta la humedad o la condensación en el gas residual o en el flujo de gas ambiente. El dispositivo 144 mide el contenido de dióxido de carbono en el gas residual. El dispositivo 145 mide la presión del gas, el dispositivo 146 mide la temperatura del gas. El detector 113 de gas mide el contenido de oxígeno en el gas residual, y una salida 116 descarga el aire de muestreo en la atmósfera.

Otros elementos del sistema de medición incluyen los dispositivos 152 y 153 que miden el flujo de gas hacia la primera y la segunda zona del depósito, además de los dispositivos 112 y 120 para medir el contenido del oxígeno disuelto de las aguas residuales en la primera y la segunda zona.

El sistema de control incluye un controlador 114, para el control de la medición y del proceso. Este ejecuta automáticamente la lógica de control para ambas zonas del depósito. Las conexiones 115 transmiten valores medidos desde el sistema de medición al controlador 114, y las señales de control desde el controlador 114 a las válvulas 90 y 95. El dispositivo 154 de interfaz puede ayudar en la introducción de las constantes y de los parámetros de control en el sistema, y muestra los datos medidos y calculados.

En una realización ilustrada en la Figura 3, cada parte del depósito constituye una zona de operación independiente, con la capacidad de medir y controlar el flujo de gas en cada una de las zonas independientemente de la otra zona. Es habitual, pero no obligatorio, que el depósito esté configurado como un depósito de flujo de tapón de manera que el flujo de aguas residuales bajo tratamiento será de la primera zona a la segunda zona, con o sin otras zonas interviniendo en ello. En esta realización, los valores de control de los requerimientos para cada zona se calculan independientemente de todas las consideraciones previas o zonas anteriores. De forma similar, los valores de control del OD para cada zona se calculan independientemente de todas las consideraciones de las zonas previas o posteriores. Esto se cumple ya sea que se realicen o no los cálculos para cada zona secuencialmente o de forma simultánea en un único controlador 114, o que se realicen los cálculos en un controlador 114 independiente para cada zona.

A partir de una combinación de los valores de control de los requerimientos y los valores de control del OD para cada zona, el controlador 114 establece tasas de gas separadas y variadas y unas señales de control correspondientes que satisfarán las diferentes necesidades de oxígeno en las respectivas zonas. Estas señales se envían a los dispositivos 90 y 95 de regulación del flujo de gas según se requiera para cumplir con dichas necesidades.

Las realizaciones adicionales implícitas en la disposición identificada en la Figura 3 y que emplean los principios ilustrados en la misma, incluirían más de dos zonas de control independientes en un único depósito de flujo de tapón, o dos o más zonas de control independientes en depósitos de flujo de tapón paralelos. Los principios ilustrados por la Figura 3 son además independientes de si tabiques o paredes del depósito separan o no las zonas de control.

Figura 4

La realización de la Figura 4 será preferida para muchas plantas de tratamiento de aguas residuales en las que las consideraciones económicas, las configuraciones de depósitos pre-existentes, y/o las consideraciones del proceso dicten un sistema más sencillo que el que se muestra en la Figura 3, pero más complejo que el que se muestra en las Figuras 1 y 2. En común con la Figura 1, la realización de la Figura 4 presenta un único depósito 170 que lleva a cabo un proceso de aireación de crecimiento suspendido, una entrada 228 y una salida 229, respectivamente, para la introducción de aguas residuales y la descarga del licor mezclado, y una ubicación para tomar muestras del gas que escapa del depósito, pero dos ubicaciones para determinar los niveles del OD.

En el depósito 170 y alrededor del mismo se encuentran unos componentes de un sistema de suministro de gas. Entre estos se encuentran una pluralidad de dispositivos 174 de cualquier tipo adecuado para introducir burbujas de gas que contiene oxígeno en las aguas residuales, una fuente de gas 175, que se muestra como una tubería pero podría ser otro dispositivo, y un dispositivo 180 de regulación del flujo de gas.

En común con la Figura 1, este sistema de control incluye unas líneas 177 y 178 de muestreo y una línea 179 de análisis. Estas líneas incluyen o están conectadas con diferentes elementos de los dispositivos auxiliares o del aparato de medición, tratados más adelante.

Las líneas 177 y 178 incluyen dispositivos auxiliares tales como unos compresores 199 para proporcionar un flujo positivo de gas, válvulas 200 de alivio de presión para evitar la acumulación de un exceso de presión, sistemas 205 de secado para retirar agua atrapada y vapor de agua, y una válvula 206 o algún otro dispositivo para controlar la dirección del flujo de gas y/o de aire desde diferentes ubicaciones, hacia la atmósfera y/o hacia el aparato de medición en la secuencia apropiada. La línea 178 además incluye una toma 189 de aire ambiente, para calibrar y verificar la precisión del aparato de medición.

Entre los elementos del aparato de medición en el depósito y alrededor del mismo, se encuentran un dispositivo 176 para medir la temperatura de las aguas residuales, y un elemento colector de gas, p.ej. que comprende una quinta campana 182, conectada a una línea 177 de muestreo, para recoger el gas que se escapa del depósito. También, la línea 177 incluye un dispositivo 183, para medir el flujo de gas de la quinta campana 182.

Dispuestos a lo largo de la línea 179 de análisis, se encuentran un dispositivo 215 que detecta la humedad y condensación en el gas residual o en el flujo de gas ambiente, un dispositivo 218 que mide la temperatura del gas, un dispositivo 217 que mide la presión del gas, un detector de gas que comprende un dispositivo 216 que mide el contenido de dióxido de carbono en el gas residual, dicho detector de gas que también comprende un dispositivo 185 que mide el contenido de oxígeno en el gas residual, una restricción 214 que modera el flujo de gas para crear una presión positiva en el aparato de medición, y una toma 188 de salida que descarga el gas de muestreo a la atmósfera.

Otros elementos del aparato de medición incluyen un dispositivo 222 que mide el flujo de la fuente 175 de gas hacia el depósito 170 y dos dispositivos 184 y 192 de medición del OD. Estos miden el nivel del OD de las aguas residuales en secciones aguas arriba y aguas abajo del depósito, respectivamente.

Entre los elementos adicionales de la realización del sistema de control se incluyen un controlador 186, para ejecutar de forma automática la lógica de control, y unas conexiones 187 para transmitir los valores medidos al controlador 186 y las señales de control del controlador 186 a la válvula 180. El dispositivo 226 de interfaz está previsto para mostrar los datos medidos y calculados para facilitar la introducción de constantes y parámetros de control para la operación del sistema.

Es a menudo importante mantener el nivel de OD en una sección en particular de un depósito a un nivel fijo o sustancialmente uniforme para asegurar que las demandas de oxígeno de las aguas residuales han sido satisfechas. En general, pero no necesariamente, el nivel del OD es monitorizado para este propósito aguas debajo del punto de entrada de las aguas residuales, cerca de donde las aguas residuales fluyen saliendo del depósito. El nivel del OD en esta sección del depósito puede ser fundamental para la determinación de los valores de control del OD. Por tanto, la Figura 4 muestra el sensor de OD aguas abajo, el dispositivo 192, en o cerca del extremo aguas abajo del depósito.

Sin embargo, a menudo es cierto, especialmente en una operación de flujo de tapón, que el extremo aguas abajo del depósito no es el lugar óptimo para recopilar datos de los requerimientos de oxígeno del proceso para determinar los valores de control de los requerimientos. Por tanto, en esta realización, otros componentes del sistema de control se sitúan en otros lugares, habitualmente pero no necesariamente cerca de la ubicación en la que las aguas residuales fluyen hacia el interior del depósito.

Por consiguiente, en la presente realización, la quinta campana 182 y los componentes de control relacionados se posicionan cerca de la entrada 228 de aguas residuales, aguas arriba de la ubicación en el depósito en la que se desea mantener un nivel de oxígeno específico fijo o sustancialmente uniforme. Los sensores utilizados para determinar los valores de control de los requerimientos, p.ej., el detector 185 de gas para medir el contenido de oxígeno en el gas residual y el dispositivo 184 de medición del OD para medir el OD en su ubicación, se sitúan de manera que puedan determinar los requerimientos de oxígeno en la ubicación aguas arriba.

El controlador 186 utiliza datos de los dispositivos 184 y 185 en la ubicación aguas arriba para calcular los diferentes valores de control de los requerimientos que satisfarán la necesidad de diferentes cantidades de oxígeno para soportar la metabolización de los desechos. El controlador 186 también calcula, en base a los datos del dispositivo 192 de medición del OD, diferentes valores de control del OD necesarios para mantener unos niveles de OD objetivo específicos en la ubicación aguas abajo. Estos requerimientos y valores de control del OD se combinan en el controlador para establecer diferentes tasas de flujo de gas total para el depósito, en conjunto, que se estiman son necesarias para satisfacer las necesidades de oxígeno, dinámicas y en régimen permanente, para soportar las necesidades de metabolización y de control del OD. Dichas tasas de flujo de gas son utilizadas por el controlador para establecer diferentes señales de control enviadas al dispositivo 180 de regulación del flujo de gas cuando y según se necesite para satisfacer tales necesidades.

Un modo alternativo de operación del aparato que se muestra en la Figura 4 es utilizar la ubicación aguas arriba para determinar tanto los valores de control del OD como los valores de control de los requerimientos para todo el depósito al completo. En esta configuración, denominada como “control en cascada”, los valores de control del OD se calculan a partir del nivel de oxígeno disuelto medido en la ubicación aguas arriba por el dispositivo 184. El nivel de OD objetivo utilizado para determinar los valores de control del OD para la ubicación aguas arriba se calculan a partir de los niveles del OD medidos en la ubicación aguas abajo por el dispositivo 192. Una función matemática puede utilizarse para establecer una relación entre los niveles del OD aguas abajo y los niveles objetivos del OD aguas arriba. Por ejemplo, puede utilizarse la relación de un nivel con respecto al otro, o una relación de (a) la diferencia entre un nivel del OD objetivo aguas abajo y los niveles del OD medidos aguas abajo con respecto a (b) el nivel objetivo aguas arriba. Alternativamente, el nivel del OD objetivo aguas arriba puede verse aumentado o reducido a medida que el nivel del OD aguas abajo cae por debajo o por encima del nivel del OD objetivo aguas abajo. A partir de tales funciones, un controlador puede calcular los valores del control del OD para combinarlos con los valores de control de los requerimientos para controlar el flujo de gas hacia el interior del depósito. Las realizaciones adicionales incluyen, entre otros, un número de depósitos, cada uno con un único dispositivo de regulación del flujo de gas, que utiliza un único controlador, y un único conjunto de dispositivos para medir las características del gas que abandona el proceso. Cada uno de estos depósitos puede o no tener un conjunto de dispositivos independiente para determinar los valores de control del OD aguas abajo y/o valores de control de los requerimientos aguas arriba.

Figura 5

La Figura 5 es un software esquemático y un diagrama de flujo del proceso de acuerdo con la presente invención. Dentro de las áreas de funciones de entrada, situadas en la esquina superior izquierda del diagrama de flujo, se encuentran tres paralelogramos que identifican datos que van a ser introducidos y almacenados en la memoria de los controladores (14, 36, 114, 186) cuando el sistema se configura. Estos datos pueden actualizarse de vez en cuando si fuera necesario. Dentro de las funciones de la lógica de control se encuentra una serie de recuadros rectangulares y paralelogramos que identifican las operaciones que se realizan por parte de los controladores (14, 36, 114, 186).

Un primer paralelogramo situado en la esquina superior izquierda del área de las funciones de la lógica de control identifica los datos de entrada en el controlador (14, 36, 114, 186) procedentes de los sensores en el sistema de control, p.ej., el dispositivo 5 de medición de temperatura de las aguas residuales, el dispositivo 11 de medición del flujo de gas y el dispositivo 13 de medición del contenido de oxígeno de la realización de la Figura 1. En base a ls mediciones continuas o periódicas tomadas por cualquiera de los sensores que estén incluidos y activos en dicha realización o en otras realizaciones del sistema de control, el controlador (14, 36, 114, 186) genera, de forma continua, p.ej., repetitiva, diferentes valores de control, p.ej., valores de control de los requerimientos, valores de control del OD y tantos otros valores de control como pueda desearse.

Otro paralelogramo en la esquina inferior derecha del área de funciones de la lógica de control representa salidas repetitivas del controlador (14, 36, 114, 186) hacia el dispositivo 1 de regulación del flujo de gas, tal como una o más de las válvulas ilustradas en la Figura 1. Dichas salidas del controlador (14, 36, 114, 186) representan señales de control del sistema de control hacia el proceso de aireación, permitiendo que una válvula u otro dispositivo, p.ej., la válvula 1 de la Figura 1, actúe en respuesta a dichas señales y cambie o mantenga la cantidad de gas introducida en las aguas residuales.

En las realizaciones del presente sistema de control, el controlador (14, 36, 114, 186) presenta un tiempo de espera pre-establecido o seleccionable por un operario. Se trata de un incremento del tiempo que puede ser seleccionado para transcurrir entre unas salidas repetidas del controlador (14, 36, 114, 186) y estar basado por ejemplo en un tiempo o tiempos de respuesta del sistema anticipados u observados, y/o el grado de precisión del control deseado y/o de otras consideraciones. Ver el recuadro encima de la tercera y cuarta columnas en el área de funciones de la lógica de control. Estos incrementos pueden ser de cualquier duración adecuada.

El proceso ilustrado por la Figura 5 incluye la previsión de corregir, sobre un tiempo de respuesta seleccionado, tales errores como los que puedan existir en el nivel del OD de las aguas residuales, tendiendo de este modo a hacer regresar el nivel del OD hacia un valor objetivo. En tales realizaciones, el tiempo de espera se coordina preferiblemente con el tiempo de respuesta del sistema, de manera que todo el tiempo de respuesta se correlacione sustancialmente con, o se produzca dentro del tiempo de espera. Sin embargo, los controles de salida continuos utilizados comúnmente (tales como el control proporcional-integral-derivativo) pueden emplearse con o sin tiempo de espera, sin apartarse de los principios fundamentales de la invención.

En las realizaciones preferidas anteriormente mencionadas, los diferentes valores de control, o los componentes de los mismos, permanecen en correlación con las diferentes cantidades de consumo de oxígeno por parte del proceso biológico. Es decir, existe una relación cuantitativa establecida, presente en el sistema de control, entre los valores de control de los requerimientos y tal consumo. Esta relación cuantitativa es aplicada repetidamente por parte del sistema de control en la determinación de los cambios de los valores de control de los requerimientos durante un determinado ascenso y/o descenso de dicho consumo detectado por el sistema. Tal repetición se produce preferiblemente durante una pluralidad de determinaciones consecutivas de los valores de control de los requerimientos durante el determinado ascenso y/o descenso. De forma aún más preferida, la repetición de la pluralidad de determinaciones consecutivas se produce durante una pluralidad de ascensos y descensos consecutivos. Sin embargo, la relación cuantitativa mencionada anteriormente puede cambiarse de manera intencionada cada cierto tiempo, tal como por ejemplo por parte de un operario y/o por parte del propio sistema de control, p.ej., por parte de un controlador adaptativo, para refinar la correlación que realiza el sistema entre los valores de control de los requerimientos y el consumo de oxígeno.

Realizaciones adicionales

Existe un número de realizaciones adicionales que pueden ponerse en práctica opcionalmente en conjunto con las realizaciones descritas anteriormente, o con otras realizaciones de la invención. Estas incluyen, a modo de ejemplo y no como limitación:

1) Medir la concentración de O2 como el % en peso directamente en una corriente de gas residual.

2) Añadir concentraciones de CO2 como la medición del % en volumen o el % en peso al flujo de gas para aumentar la precisión de la determinación de la concentración de oxígeno en el gas residual.

3) Establecimiento de los valores de control del OD relacionados con el flujo de gas requerido para tener en cuenta un error de OD en base a la ecuación:

(ADO*V/tC) * (1/aF*6'*C') = Flujo gas requerido

Donde:

OD = ODobjetivo- ODreal

V =Volumen de control, puede hacer referencia al depósito completo o a parte del mismo.

tc = Constante de tiempo para establecer el tiempo establecido para corregir el OD real al OD objetivo

aF = Valor alfa aparente, efecto combinado de las características (a) de las aguas residuales, y la condición del sistema de gas (F), sobre la capacidad del sistema de suministro de gas para transferir oxígeno a las aguas residuales.

0' = Factor de corrección para el efecto de la temperatura de las aguas residuales sobre la capacidad del sistema de suministro de gas para transferir oxígeno a las aguas residuales 0'= 0(T-2O), donde T es la temperatura de las aguas residuales.

0 = Coeficiente de Arrhenius para el factor de corrección de la temperatura de las aguas residuales, para tener en cuenta el efecto de la temperatura de las aguas residuales sobre la transferencia de oxígeno.

T = Temperatura de las aguas residuales

C' = Factor de corrección para tener en cuenta el efecto de los niveles de OD o de los niveles de OD objetivo sobre la capacidad del sistema de suministro de gas para transferir oxígeno a las aguas residuales

C = (C V - OD) / C*~20

4) Extraer periódicamente una muestra de aire ambiente y, en base a los resultados, corregir la desviación y la error de calibración en los dispositivos de medición de la concentración de O2 del gas residual y la concentración de CO2.

5) Utilizar un compresor de desplazamiento positivo en la línea de gas de muestreo para mantener constante la latencia del tiempo de muestreo y asegurar una tasa de flujo de muestreo constante.

6) Convertir el caudal volumétrico en caudal másico en base a la medición de la presión y la temperatura en la línea de gas de muestreo o en la línea de escape de la campana.

7) Utilizar un dispositivo de medición de flujo másico directo para medir directamente la masa.

8) Añadir múltiples reactores y campanas para el muestreo de los mismos y en donde la acción de control está determinada en una secuencia específica por un único controlador.

9) Medir la presión barométrica para aumentar la precisión de los cálculos.

10) Calcular y mostrar los valores obtenidos de los datos medidos que se utilizan en la medición del rendimiento del reactor, incluyendo por ejemplo:

aF, KLa, flujo de aire/difusor, SOTR (Siglas en inglés para Capacidad de transferencia estándar de oxígeno) y OUR.

11) Representar y archivar datos de rendimiento en el tiempo.

12) Proporcionar una alarma sobre las oscilaciones en los parámetros del proceso que puedan indicar un fallo en el equipo, problemas en el proceso, y requerimientos de mantenimiento.

13) Con sistemas de calibración del ambiente o sistemas de múltiples depósitos, añadir válvulas solenoides para purgar el gas y permitir una operación de muestreo continua del compresor.

14) Integrar el control de un único reactor con el control de un sistema completo y con el control de soplantes para coordinar todas las acciones de control y minimizar las perturbaciones.

15) Utilizar un único soplante modulado para cada reactor en lugar de múltiples reactores que extraigan el gas de un sistema de distribución común.

16) Aplicar constantes obtenidas empíricamente a los flujos de gas que contiene oxígeno para acelerar o decelerar las respuestas del sistema o compensar las condiciones específicas del sitio; por ejemplo, tales constantes pueden aplicarse a los flujos determinados a partir de valores de control del OD si las consideraciones del proceso requieren que el tiempo de respuesta difiera de los valores teóricos, o corrija las caídas a corto plazo en los niveles de OD. Realización preferida de los cálculos del sistema de control

La siguiente discusión adicional incluye una realización preferida de las bases para los cálculos que resultan de utilidad a la hora de generar los valores de control, y son por tanto de utilidad a la hora de construir un código o software apropiado para el controlador. Esta discusión describe una realización preferida de cómo controlar un sistema de suministro de gas con aireación por difusión de aire, de tal manera que:

1. Los valores de control de los requerimientos se desarrollen para satisfacer los requerimientos de oxígeno del proceso de tratamiento biológico, y

2. Los valores de control del OD se desarrollen para mantener una concentración de OD pre-establecida en ubicaciones seleccionadas en el depósito de aireación.

Se consideran y se gestionan una serie de variables y condiciones del proceso para permitir la identificación de los ajustes operativos del sistema de suministro de gas que lograrán los objetivos establecidos.

La estructura básica de la estrategia de control preferida propuesta comprende las siguientes etapas:

1. Determinación del consumo real de oxígeno (Tasa de consumo de oxígeno o OUR) en los depósitos, en un depósito, en una zona del depósito o en otro recipiente de aguas residuales bajo tratamiento, también denominado reactor;

2. Determinación de las características de transferencia de oxígeno que afectarán a la capacidad del sistema de suministro de gas para suministrar oxígeno al proceso;

3. Establecimiento de los requerimientos de oxígeno para el proceso;

4. Establecimiento de las condiciones operativas del sistema de suministro de gas requeridas para satisfacer los requerimientos establecidos; y

5. Ajuste de las condiciones operativas del sistema de suministro de gas a las condiciones establecidas.

[0100] Por tanto, el sistema de control incluye elementos y dispositivos capaces de realizar estas etapas. Estas etapas, y las bases subyacentes para el método mediante el cual esta realización las realiza, se describirán en más detalle más adelante.

Determinación del consumo real de oxígeno en el reactor (OUR)

La tasa de consumo de oxígeno (OUR) del licor mezclado se determina mediante el análisis del gas residual y habitualmente resulta de utilidad a la hora de establecer los valores de control de los requerimientos dentro del sistema de control. Esta metodología permite utilizar al menos una parte del propio reactor de lodos activados tal como un respirómetro, con un rendimiento continuo de los balances másicos de la fase gaseosa del oxígeno a través de un volumen de control seleccionado, para determinar la cantidad de oxígeno introducido por el sistema de suministro de gas, y con un rendimiento continuado del balance másico de la fase líquido del oxígeno a través del mismo volumen de control, para identificar cuánto del oxígeno introducido por el sistema de suministro de gas está siendo consumido por los microorganismos en las aguas residuales.

El volumen de control podría ser todo el volumen al completo que contiene líquido del reactor, pero convenientemente consiste en una pequeña parte selecciona del volumen total, seleccionado para proporcionar la información de mayor utilidad o más conveniente para una finalidad de control. A modo de ilustración y no de limitación, se considera un depósito de flujo de tapón que mide aproximadamente 20 metros (ancho) por 100 metros (largo) por 5 metros (profundidad del agua) o más. En un depósito de este tipo, podría seleccionarse un volumen de control que, en virtud de su ubicación en el depósito, sería razonablemente representativo del rendimiento del proceso del reactor. Por ejemplo, podría seleccionarse una posición centrada en la línea central longitudinal del depósito, aproximadamente 24 metros desde el extremo aguas arriba del depósito y, que tiene aproximadamente 1,2 metros (ancho) por 2,4 metros (largo) horizontalmente, y que se extiende verticalmente a lo largo de la profundidad de las aguas residuales en el depósito.

El balance másico de la fase líquida implica una variedad de procesos físicos, químicos y bioquímicos que tienen lugar simultáneamente. El oxígeno disuelto se introduce y sale del volumen de control como consecuencia del flujo dentro y fuera de este volumen. Debido a que el agua puede contener oxígeno (en forma de oxígeno disuelto), dicha agua que se introduce en el volumen de control representará una entrada de oxígeno hacia el volumen de control, y el agua que sale del volumen de control, con cualquiera que sea la concentración de OD que se encuentre presente en la misma, representará una salida de oxígeno. Puede que tengan que considerarse otras entradas de oxígeno, tales como aquellas que se deben a la operación de los dispositivos de aireación, o, en el ejemplo más simple, cargas de oxígeno puro en el volumen de control. La actividad biológica en la biomasa responsable del tratamiento de las aguas residuales utiliza parte de, o todo el oxígeno disponible en el depósito. Cuando se establece un balance másico de la fase líquida del oxígeno a través de un volumen de control, el oxígeno consumido por la biomasa ya no estará presente en el líquido y puede por lo tanto considerarse como una salida de oxígeno del volumen de control. Debería considerarse también cualquier otra fuente de salida de oxígeno cuando se formule este balance másico, por ejemplo las fuentes de salida de oxígeno tales como las que se deben a reacciones que pueden producirse, tales como las que siguen a la adición de un agente de oxidación. Sin embargo, en plantas de aireación por difusión de aire, se asume que la entrada de oxígeno debido a la transferencia que se produce en la interfaz superficie del líquido-atmósfera en depósitos de aireación al aire libre, es una fracción insignificante de la transferencia que está teniendo lugar bajo la superficie del líquido.

Por tanto, esta realización proporciona una formulación de balance másico en la que necesitan considerarse la entrada y la salida de oxígeno a través del agua que fluye hacia dentro y hacia fuera del volumen de control, la entrada de oxígeno debido a la operación del sistema de suministro de gas, y la salida de oxígeno procedente del consumo de oxígeno por parte de la biomasa y las existencias de oxígeno disuelto en el volumen de control.

En aquellos casos en los que las entradas totales de oxígeno al volumen de control son mayores que las salidas totales de oxígeno, se produce un incremento neto del oxígeno en el volumen de control, y se observa un incremento de las existencias totales de oxígeno en el volumen de control. De forma similar, cuando las salidas totales de oxígeno son mayores que las entradas totales de oxígeno, se observará una reducción de las existencias totales de oxígeno.

Cuando este balance másico se lleva a cabo sobre un volumen de control durante un determinado periodo de tiempo, puede determinarse un término determinado en la relación de balance másico (ya sea éste, por ejemplo, una entrada de oxígeno o una salida de oxígeno hacia o desde el volumen de control) si todos los términos restantes tienen un valor conocido.

Bajo estas circunstancias, estando ausente cualquier otra fuente de entrada o salida de oxígeno, puede determinarse el consumo de oxígeno de la biomasa si la entrada de oxígeno mediante el sistema de suministro de gas, la entrada de oxígeno neto (de valor positivo o negativo) debido al oxígeno contenido en los flujos de agua del volumen de control de entrada y de salida, y el cambio neto (de valor positivo o negativo) en el volumen de control de las existencias de oxígeno se conocen o se han medido.

Cualquiera que sea el momento en que se apliquen estos principios a una sección de profundidad completa o a una parte de un depósito de aireación situado a una distancia significativa de las paredes verticales del depósito, se puede representar el volumen de control como una parte limitada del volumen del depósito con unas superficies límite verticales imaginarias que transcurren por todo recorrido desde el fondo del depósito hasta la superficie del líquido. No se introduce agua alguna a través de la parte inferior (fondo del depósito) o la parte superior del volumen de control, y todos los flujos de agua entran o salen del volumen de control a través de sus límites laterales. Asumiendo que el volumen de control abarca una parte relativamente pequeña de las dimensiones horizontales del depósito, por lo que podría esperarse que los niveles de oxígeno variaran un poco de un lado del volumen al otro, no habría de esperar que se produjera ningún cambio significativo en el contenido de oxígeno del volumen de control como resultado del desequilibrio entre los flujos de agua de entrada y salida, de manera que estos flujos pueden tratarse como los mismos. Todos los flujos de agua se introducen en el volumen de control desde áreas que se encuentran justo fuera del límite imaginario y todos los flujos de salida salen desde áreas justo en el interior de dicho límite. Debido a que este límite no existe físicamente, puede asumirse que las características del líquido en ambos lados del límite son las mismas. Si este supuesto se aplica al contenido de oxígeno disuelto, puede asumirse que el oxígeno disuelto en ambos lados del límite es el mismo. Si los límites del volumen de control se corresponden o se corresponden parcialmente con los límites físicos, p.ej., una pared del depósito con una pequeña abertura o una tubería comunicante, este supuesto no puede ser aplicado.

En aquellos casos en los que el supuesto de acuerdo con los límites imaginarios es aplicable, la entrada de oxígeno neto asociada con el líquido que fluye hacia dentro del volumen de control y el líquido que fluye hacia afuera del volumen de control es del mismo valor bajo condiciones de volumen en régimen permanente y, por tanto, las concentraciones del oxígeno disuelto en los flujos de entrada y de salida son las mismas. Por lo tanto, la entrada de oxígeno neta debido al intercambio de líquido entre el volumen de control y el resto del depósito de aireación es igual a cero.

Bajo estas circunstancias, los únicos términos restantes en el balance másico son la entrada de oxígeno debido a la transferencia de oxígeno del sistema de suministro de gas, la salida de oxígeno asociada con el consumo de oxígeno por parte de la biomasa, y el cambio neto (de valor positivo o negativo) en las existencias del oxígeno disuelto en el volumen de control.

Cualquiera que sea la disposición que se realice para que las condiciones para la aplicación del procedimiento descrito se cumplan, la cantidad de oxígeno que se consume por parte de la biomasa durante un periodo de tiempo determinado puede determinarse a partir de la transferencia de oxígeno del sistema de suministro de gas y el cambio neto en las existencias del oxígeno disuelto en el volumen de control.

El cambio neto en las existencias del oxígeno disuelto en el volumen de control puede obtenerse a partir de las mediciones del oxígeno disuelto al principio y al final del periodo de tiempo durante el cual se realiza un balance másico y del volumen de control.

La determinación de la transferencia de oxígeno del sistema de suministro de gas se realiza con un segundo balance másico sobre el oxígeno (balance másico en fase gaseosa) para el volumen de control seleccionado. Este balance másico se basa en la idea de que, en ausencia de cualquier entrada y salida de oxígeno en fase gaseosa, cualquiera que sea la cantidad de oxígeno que se elimine del gas es equivalente al oxígeno disuelto en el líquido (oxígeno transferido al líquido).

Por lo tanto, la transferencia de oxígeno puede ser determinada a partir del análisis del gas que entra en, y del gas que sale del sistema.

Una aproximación a esta tarea es medir el oxígeno que se introduce en el sistema en el gas de aireación y el oxígeno que sale del sistema en el gas residual, midiendo el flujo de gas y el contenido de oxígeno del gas de entrada y del flujo de gas y el contenido de oxígeno en el gas residual.

Otra aproximación a esta tarea implica asumir que tanto los flujos volumétricos de gas de entada como los flujos volumétricos de gas residual de salida son del mismo valor como consecuencia de no hay cambios netos en el volumen de gas en el sistema (el volumen de gas en el sistema permanece constante en el tiempo).

Una manera adecuada de determinar la cantidad de oxígeno presente tanto en las corrientes de gas de entrada como en las de salida podría ser comparar el oxígeno presente en cada corriente de gas con otros componentes presentes en cada corriente de gas que permanecen constantes a lo largo del proceso. A modo de ejemplo, si el gas de aireación utilizado contiene una determinada parte del gas A que no es transferido al líquido, y no reacciona con los contenidos (inertes) del depósito, entonces tanto la corriente de gas de entrada como la corriente de gas de salida mostraría el mismo contenido delgas A. El gas A se conserva durante el proceso.

Para ello, puede resultar necesario medir el contenido de dióxido de carbono y de vapor de agua de las corrientes de gas de entrada y de salida.

La depleción del oxígeno en la fase gaseosa o la transferencia de oxígeno a la fase líquida puede entonces ser expresada como el porcentaje de reducción en el contenido de oxígeno en la corriente de gas, comparando la diferencia entre las relaciones molares del oxígeno con respecto a los inertes en las corrientes de entrada y de salida, con la relación molar del oxígeno con respecto a los inertes en la corriente de entrada.

Cuando se siga este enfoque, el porcentaje de transferencia de oxígeno (Eficiencia de transferencia de oxígeno) puede combinarse con los datos de la tasa de entrada de oxígeno para determinar la tasa de transferencia de oxígeno. A modo de ejemplo, la masa de oxígeno transferido puede determinarse a partir del porcentaje de transferencia de oxígeno observado y el flujo másico del oxígeno introducido en el sistema. En muchos casos puede resultar conveniente expresar las ecuaciones de balance másico en términos de unidades de tasa (tasa de transferencia de oxígeno, tasa de consumo de oxígeno, y tasa de cambio de las existencias de oxígeno netas) en lugar de unidades de masa.

Ejemplos de variables implicadas

OI10 = Existencias de oxígeno en un volumen de control al comienzo del periodo de tiempo durante el cual se realiza el balance másico de oxígeno en fase líquida.

OItmb = Existencias de oxígeno en un volumen de control al final del periodo de tiempo durante el cual se realiza el balance másico de oxígeno en fase líquida.

OTE = Eficiencia de transferencia de oxígeno

OTR = Tasa de transferencia de oxígeno

OUR = Tasa de consumo de oxígeno en el licor mezclado

O2conc = Concentración de oxígeno en el gas que contiene oxígeno

Q = Flujo volumétrico del gas que contiene oxígeno en el volumen de control

tmb = Ajuste de la constante de tiempo para establecer el periodo de tiempo durante el cual se realiza el balance másico de oxígeno en fase líquida

V = El volumen, puede hacer referencia al depósito al completo o a parte de este

[0122] Los valores asociados con estas variables dentro del sistema de control pueden almacenarse en o ser desarrolladas por el sistema de control con la ayuda de los datos dentro del sistema o adquiridos a partir de fuentes externas.

Determinación de las características de transferencia de oxígeno

La información recopilada durante los cálculos llevados a cabo para determinar la OUR pueden también utilizarse para evaluar las características de transferencia de oxígeno del sistema estudiado si los datos apropiados se encuentran disponibles. Para ello, puede utilizarse alguna relación entre la transferencia de oxígeno de un sistema de suministro de gas en condiciones del proceso, y la transferencia de oxígeno del mismo sistema bajo condiciones conocidas.

En la industria de la aireación, la transferencia de oxígeno de los sistemas y dispositivos de suministro de gas se expresa comúnmente en relación a un conjunto de condiciones operativas de referencia, para permitir la comparación de equipos diferentes bajo condiciones equivalentes. Esto se debe al hecho de que la transferencia de oxígeno del sistema de suministro de gas depende de factores tales como las condiciones del ambiente (presión barométrica y temperatura del agua entre otros), características del agua (composición, etc.), y concentración del oxígeno disuelto en el depósito de aireación, que harían muy difícil comparar los datos procedentes de diferentes dispositivos de aireación, a menos que se encuentren operando bajo condiciones similares (si no exactamente iguales).

Cuando se compara la transferencia de oxígeno de un sistema de suministro de gas que opera bajo las condiciones del proceso, con la transferencia de oxígeno del mismo sistema bajo condiciones de referencia (Condiciones estándar), se introducen preferiblemente una serie de factores de corrección para tener en cuenta un efecto diferente de las diferentes condiciones operativas en el rendimiento del sistema.

Además, habitualmente se llevan a cabo pruebas en condiciones de referencia en los nuevos sistemas de suministro de gas, de manera que en los casos en los que la transferencia de oxígeno de un sistema de suministro de gas puede estar influenciada por la condición del sistema de suministro de gas (sistemas nuevos versus sistemas usados), puede introducirse otro factor de corrección para tener en cuenta el efecto de las condiciones del sistema de suministro de gas sobre la transferencia de oxígeno.

Los factores de corrección para las condiciones del ambiente tales como la temperatura del agua, la presión barométrica y la temperatura del agua se han documentado en la bibliografía y son ampliamente aceptados y se han utilizado ampliamente en el pasado.

Sin embargo, debido a la dificultad de establecer una relación entre las características de las aguas residuales y su composición y su efecto sobre la transferencia de oxígeno, no se han establecido unos factores de corrección ampliamente aceptados para la determinación de la transferencia de oxígeno de un sistema de suministro de gas en aguas residuales en comparación con su rendimiento bajo condiciones de referencia, p.ej., en agua potable.

Si se utilizan factores de corrección de las condiciones del ambiente en combinación con los valores de los parámetros implicados en las correcciones mencionadas anteriormente, algunas de las cuales pueden requerir una medición y otras de las cuales pueden ser calculadas, podría desarrollarse una relación entre la transferencia de oxígeno del sistema de suministro de gas tal como se mide en condiciones del proceso, y la transferencia de oxígeno del mismo sistema de suministro de gas bajo condiciones estándar, en la cual todos los términos de la relación serían conocidos (medidos o calculados) excepto los efectos de (a) las características de las aguas residuales y (b) la condición del sistema de suministro de gas. Por lo tanto, incluso si los valores individuales de estos dos parámetros no fueran identificados, podría determinarse su efecto combinado. Una vez que este efecto se haya determinado (valor aparente alfa), podría desarrollarse una relación entre la transferencia de oxígeno del sistema de suministro de gas en condiciones estándar y la transferencia de oxígeno del sistema de suministro de gas en condiciones de proceso, donde todos los factores de corrección son conocidos o se han establecido, y podrían ser de utilidad a la hora de establecer los valores de control del rendimiento del sistema de suministro de gas.

La determinación de las características de transferencia de oxígeno del sistema de suministro de gas y el licor mezclado del proceso implica medir tanto la temperatura de las aguas residuales en el volumen de control como el oxígeno disuelto en el licor mezclado. Aunque C*~f puede calcularse a partir de valores medidos tales como la presión barométrica, la temperatura de las aguas residuales y el factor p de corrección de la salinidad, su pequeña variación sugiere la posibilidad de utilizar relaciones integradas, lo que significa que el sistema de control podría operar con éxito en base a los valores fijos para C*~f almacenados o introducidos temporalmente en el sistema de control. Por lo tanto, un sistema de control construido de acuerdo con esta realización de la presente invención incluirá uno o más dispositivos de medición del OD (oxígeno disuelto) y uno o más sensores de temperatura, tal como se tratará más adelante en conjunto con los dibujos anexos.

Ejemplos de variables implicadas

a = Efecto de las características de las aguas residuales sobre la capacidad del sistema de suministro de gas para transferir oxígeno a las aguas residuales

aF = Valor aparente alfa, efecto combinado de las características (a) de las aguas residuales, y condición (F) del sistema de suministro de gas sobre la capacidad del sistema de suministro de gas para transferir oxígeno a las aguas residuales

p = Factor de corrección para el efecto de la salinidad sobre la concentración de saturación del oxígeno disuelto C* «20 = Concentración de saturación del oxígeno disuelto a 20°C, 1 atm

C* « = Concentración de la saturación del oxígeno disuelto en condiciones de campo

OD = Oxígeno disuelto en el licor mezclado

KLa = Coeficiente de transferencia de masa volumétrica aparente

F = Efecto de la condición del sistema de suministro de gas (a menudo asociada a la corrosión/envejecimiento del difusor) sobre la capacidad del sistema de suministro de gas para transferir oxígeno

OTR = Tasa de transferencia de oxígeno

P = Presión barométrica

SOTR = Capacidad de transferencia de oxígeno en condiciones estándar (20°C, 1 atm, 0 OD, agua limpia)

0' = Factor de corrección para el efecto de la temperatura de las aguas residuales sobre la capacidad del sistema de suministro de gas para transferir oxígeno a las aguas residuales, 0'= 0(T-2O), donde T es la temperatura de las aguas residuales

0 = Coeficiente de Arrhenius para el factor de corrección de la temperatura de las aguas residuales, para tener en cuenta el efecto de la temperatura de las aguas residuales sobre la transferencia de oxígeno

T = Temperatura de las aguas residuales

Los valores asociados con estas variables dentro del sistema de control pueden almacenarse o ser desarrollador por el sistema de control con la ayuda de datos dentro del sistema, o adquiridos desde fuentes externas.

Establecimiento de los requerimientos de oxígeno

Tal como se ha mencionado previamente, en la presente realización de la invención, la aproximación tomada en el sistema de control para determinar los requerimientos de oxígeno del proceso biológico del sistema en cualquier punto de tiempo, incluye satisfacer los requerimientos de oxígeno del proceso de tratamiento biológico y mantener una concentración de O^d preestablecida u objetivo en una o más ubicaciones seleccionadas en el licor mezclado del proceso.

Aunque la determinación del requerimiento de oxígeno del proceso de tratamiento biológico se ha tratado anteriormente, la presente realización también determina el oxígeno requerido para mantener el proceso a una concentración de OD preestablecida como una función de las condiciones reales del proceso con respecto a las condiciones preestablecidas (nivel de OD objetivo). Cuando las condiciones del proceso real se correlacionen con las condiciones objetivo que están preestablecidas, se cumplen ambos objetivos de la estrategia de control. El proceso consume oxígeno en la tasa a la que éste está siendo suministrado y opera al nivel de oxígeno disuelto deseado.

Sin embargo, si las condiciones reales del proceso difieren de las condiciones objetivo, se observa una diferencia entre la concentración real de OD en el punto de control seleccionado en el licor mezclado y la concentración de OD objetivo en el mismo punto de control. Esto puede ocurrir porque el OD en el depósito de aireación es mayor que el valor objetivo o inferior que el valor objetivo. En ambos casos, deberían desarrollarse los valores de control del OD e implementarse acciones correctivas para hacer regresar los niveles de OD a los niveles de OD objetivo. Si únicamente fuera suministrada la cantidad mayor o inferior del oxígeno requerido mediante un cambio en el consumo de oxígeno, aún permanecería presente la diferencia observada con respecto al nivel de OD en el proceso versus el nivel del OD objetivo. Una cantidad adicional de oxígeno debería ser suministrada cuando el OD del proceso es inferior que el OD objetivo, y un suministro total de oxígeno menor que el requerido por el consumo de biomasa debería suministrarse cuando el OD del proceso es mayor que el OD objetivo.

El incremento necesario del incremento o reducción del suministro de oxígeno, por encima o por debajo del requerido para cumplir con los actuales requerimientos de la biomasa, puede determinarse estableciendo una relación entre las condiciones del proceso observadas y las condiciones objetivo del proceso. Esto puede realizarse considerando las existencias del oxígeno disuelto en un volumen de control alrededor de la ubicación de control del OD objetivo. Más en particular, el sistema de control determina cuánto oxígeno disuelto estaría presente en el licor mezclado si se alcanzara el OD objetivo, y cuánto OD se encuentra realmente presente en el mismo volumen. La diferencia entre estas dos cantidades, positivas o negativas, se añaden a continuación o se restan, por parte del sistema de control, de la cantidad de oxígeno requerida para el consumo de la biomasa.

Debido a que los requerimientos de oxígeno se expresan habitualmente como tasas, el resultado de estas existencias de OD, es decir, la masa total de oxígeno que va a ser añadida o sustraída de los requerimientos de la biomasa, se convertirá habitualmente en una tasa de suministro de oxígeno requerida para hacer regresar el OD al valor objetivo durante un periodo de tiempo seleccionado. La introducción de un parámetro de tiempo establece la velocidad a la que el nivel de OD se hará regresar al valor objetivo.

OD objetivo hace referencia a un nivel de OD seleccionado que el operario desea mantener en una ubicación de control seleccionada, y tc hace referencia a una constante de tiempo, el periodo de tiempo en el que se desea hacer regresar el OD al nivel de OD objetivo. AOD hace referencia a la diferencia entre el OD objetivo y el OD en el licor mezclado (contenido de oxígeno disuelto de las aguas residuales) para la ubicación de control seleccionada.

Ejemplos de variables implicadas

OD = Oxígeno disuelto en el licor mezclado

AOD = Diferencia entre la concentración del oxígeno disuelto objetivo y la concentración del oxígeno disuelto real en una ubicación seleccionada

ODobjetivo = Concentración del OD objetivo para una ubicación seleccionada

tc = Constante de tiempo para establecer el tiempo establecido para corregir el OD real al OD objetivo

V = Volumen, puede hacer referencia al depósito al completo o a una parte del mismo

Los valores asociados con estas variables dentro del sistema de control pueden ser almacenador en, o ser desarrollados por el sistema de control con la ayuda de los datos dentro del sistema o adquiridos de otras fuentes externas.

Determinación de las condiciones operativas requeridas del sistema de suministro de gas

Una vez que se determinan los requerimientos de oxígeno necesarios para cumplir con las metas establecidas, la relación entre la transferencia de oxígeno del sistema de suministro de gas en condiciones de proceso y la transferencia de oxígeno del sistema de suministro de gas en condiciones estándar, desarrolladas tal como se describe anteriormente, es utilizada por el sistema de control para determinar el suministro de oxígeno en condiciones estándar requerido por el proceso.

Los datos disponibles sobre el rendimiento en condiciones estándar del sistema de suministro de gas, dichos datos que pueden ser almacenados en, o desarrollados por, el sistema de control con la ayuda de datos dentro del sistema o adquiridos de fuentes externas, pueden ser útiles entonces a la hora de determinar las condiciones operativas del sistema de suministro de gas y los valores de control del rendimiento requeridos para lograr el suministro de oxígeno deseado.

Ejemplos de variables implicadas

La siguiente es una clave para ciertas expresiones utilizadas en la anterior descripción y en la medición y cálculo de las variables del proceso:

a = Efecto de las características de las aguas residuales sobre la capacidad del sistema de suministro de gas para transferir oxígeno a las aguas residuales

aF = Valor aparente alfa, efecto combinado de las características (a) de las aguas residuales, y condición (F) del sistema de suministro de gas sobre la capacidad del sistema de suministro de gas para transferir oxígeno a las aguas residuales

p = Factor de corrección para el efecto de la salinidad sobre la concentración de saturación del oxígeno disuelto C* «20 = Concentración de saturación del oxígeno disuelto a 20°C, 1 atm

C* « = Concentración de la saturación del oxígeno disuelto en condiciones de campo

OD = Oxígeno disuelto en el licor mezclado

ODobjetivo = Concentración del OD objetivo para una ubicación

F = Efecto de la condición del sistema de suministro de gas (a menudo asociada a la corrosión/envejecimiento del difusor) sobre la capacidad del sistema de suministro de gas para transferir oxígeno

OUR = Tasa de consumo de oxígeno del licor mezclado

Q = Flujo volumétrico de gas que contiene oxígeno en el volumen de control

ROTR = Tasa de transferencia de oxígeno total requerido bajo condiciones de proceso

SOTR = Capacidad de transferencia de oxígeno en condiciones estándar (20°C, 1 atm, 0 OD, agua limpia)

0' = Factor de corrección para el efecto de la temperatura de las aguas residuales sobre la capacidad del sistema de suministro de gas para transferir oxígeno a las aguas residuales, 0'= 0(T-2°), donde T es la temperatura de las aguas residuales

0 = Coeficiente de Arrhenius para el factor de corrección de la temperatura de las aguas residuales, para tener en cuenta el efecto de la temperatura de las aguas residuales sobre la transferencia de oxígeno

T = Temperatura de las aguas residuales

Los valores asociados con estas variables dentro del sistema de control pueden almacenarse en, o ser desarrolladas por el sistema de control con la ayuda de datos dentro del sistema o adquiridos de fuentes externas.

Ajuste de las condiciones operativas del sistema de suministro de gas

Todas las etapas descritas en las secciones previas cubren los diferentes procedimientos y métodos utilizados para establecer las condiciones operativas de aireación requeridas para lograr las metas de control establecidas.

Una vez que se establecen los valores de SOTR individuales aplicables a uno o más volúmenes de control y/o depósitos completos, el sistema de control ajusta los parámetros y dispositivos del sistema de suministro de gas, en base a dichos valores de SOTR, con la ayuda de la correlación entre el rendimiento del sistema de suministro de gas en condiciones de proceso y en condiciones estándar. En la mayoría de los casos, las condiciones operativas del sistema de suministro de gas pueden definirse como una función de los flujos de gas individuales/totales para cada zona de control/depósito completo.

Definiciones

“Ajustar” o “ajuste” hace referencia a: modificar datos de un dispositivo de medición o señales de control de un controlador, incluyendo por ejemplo un cambio en la magnitud y/o la conversión a una forma diferente. Estos términos también hacen referencia a modificar uno o más parámetros del proceso biológico y modificar una o más condiciones de alguna parte del equipo del proceso biológico y/o del sistema de control.

Habitualmente, dicha modificación ocurre en respuesta a alguna indicación de necesidad, que puede ser una necesidad variable para el gas que contiene oxígeno, tal como la necesidad de gas consumido en el proceso biológico, y/o la necesidad de gas para cambiar un nivel de OD y/o la necesidad de gas ocasionada por los cambios en el rendimiento del sistema de suministro de gas. Tal modificación puede producirse de forma continuada o intermitente. En algunos casos, la modificación puede producirse de tal manera que la cantidad completa de la acción requerida para cumplir con una o más necesidades inmediatamente, cuando el sistema de control detecta la necesidad. En otros casos, la modificación puede producirse durante un periodo de tiempo, en incrementos. Para modificaciones incrementales, no es posible establecer para todas las situaciones la proporción mínima absoluta de la acción correctiva que debe ser aplicada en el primer incremento y en incremento posteriores. Las plantas de tratamiento biológico pueden variar ampliamente en su tiempo de respuesta a las acciones correctivas. Cuando la invención se realiza de formas que implican una modificación continua pero incremental, los tiempos de espera del sistema pueden variar ampliamente. Sin embargo, las modificaciones pueden producirse en incrementos que representan una pequeña proporción de la acción total correctiva deseada cuando los tiempos de espera son cortos y/o el tiempo de respuesta de la planta es largo. Por el contrario, pueden requerirse mayores incrementos cuando los tiempos de espera son largos y/o los tiempos de respuesta de la planta son cortos. Dotados de este entendimiento y de su experiencia con las operaciones de las plantas, los expertos en la técnica pueden determinar, sin experimentación indebida, que la proporción de la acción correctiva en su totalidad debe ser aplicada en los incrementos respectivos, de manera que pueda haber la una cantidad suficiente de acción correctiva por incremento para evitar que las necesidades variables sobrepasen con frecuencia o seriamente el sistema de control.

"El proceso biológico aeróbico" significa cualquiera de entre una variedad de procesos biológicos, una o más partes del cual están soportadas, al menos en parte, por la introducción de gas que contiene oxígeno en las aguas residuales para crear un entorno aeróbico. Existen ejemplos destacados de estos procesos en una amplia variedad de configuraciones continuas o discontinuas del proceso de lodos activados que implican una variedad de regímenes de flujos. Entre los ejemplos se incluyen flujo de tapón, aireación de mezcla completa o de alimentación por etapas. Se contemplan los filtros aireados sumergidos y otros procesos por lotes en los que las aguas residuales son aireadas durante todo o durante una parte del ciclo operativo para cada lote.

El término “cantidad” tal como se aplica a cualquier elemento tangible o intangible, incluyendo, sin limitación, materiales, datos y señales, hace referencia a una cantidad de ese elemento o una relación de la cantidad entre ese elemento y otro elemento tangible o intangible. Tal cantidad o relación puede expresarse en cualquier unidad o unidades o sin unidades. Por ejemplo, una cantidad absoluta puede expresarse en unidades de, p.ej., masa o volumen. Una cantidad relativa puede expresarse, p.ej., como unidades del elemento determinado por unidad de tiempo (tasa) o por unidad de volumen o de masa de otra cosa, o como una relación entre diferentes cosas las cuales, p.ej., se expresan en los mismos tipos de unidades, de manera que la naturaleza de las unidades puede ser ignorada.

"Aproximado” hace referencia a que existe un grado de correlación entre los valores que, ya sea perfecto o imperfecto, es suficiente para resultar de utilidad a la hora de controlar un proceso de aireación de aguas residuales de acuerdo con la invención.

"Proceso biológico” hace referencia a que cualquier proceso de tratamiento de aguas residuales que, al menos en parte, implique la metabolización por la acción bacteriana del material de desecho disuelto y/o suspendido en las aguas residuales, que abarca, entre otros, una combinación de etapas o procesos aeróbicos, anóxicos, y anaeróbicos.

El término "composición”, tal como se aplica a un gas, hace referencia a las identidades de al menos una parte de los gases en una mezcla de dos o más gases diferentes, o a las cantidades relativas de dos o más gases en dicha mezcla, o a la cantidad de un único gas en dicha mezcla.

"Conectado con" hace referencia a una conexión operativa tangible o intangible, ya sea directa o indirecta, que incluye tales formas de conexión tangibles como cables dedicados, líneas de energía eléctrica y sistemas de cableado, conexiones de intranet o internet, líneas de teléfono, cables de fibra óptica, conexiones en placas de circuitos y líneas de señalización neumáticas, y tales formas intangibles de conexión como ondas de radio, láser y otros haces de luz, y ondas sonoras, mediante las cuales los recursos del sistema de control tales como los datos, las señales de control o las salidas, señales de control y código pueden pasar entre componentes cooperativos del sistema de control, p.ej., dispositivos de medición, controladores y dispositivos de regulación de flujo, tanto si dichos componentes se sitúan cercanos o distantes entre sí.

La expresión “consumo de oxígeno... en el proceso biológico” hace referencia al oxígeno que es consumido, p.ej., por las bacterias o por otros medios, a la hora de retirar de las aguas residuales y/o a la hora de modificar de manera aceptable de otro modo, p.ej., mediante la metabolización y/o mediante otros mecanismos, formas de desechos carbonosos, y/o nitrogenados y/u otras formas de desechos; este lenguaje pretende distinguir las necesidades de oxígeno del proceso de las deficiencias y excesos en el suministro de oxígeno a las aguas residuales que se manifiestan ellos mismos como reducciones e incrementos en el nivel de OD de las aguas residuales.

“Continuo”, por ejemplo como en el ejercicio del control continuado o de tomar medidas continuadas, hace referencia a acciones tomadas de forma continua o de forma intermitente pero repetitiva, incluyendo de forma de repetición periódica o irregular.

Un “controlador” es cualquier dispositivo que consiste en, o incluye uno o más dispositivos lógicos, y es capaz, ya sea solo o en combinación con uno o más dispositivos, de interpretar valores en correlación con uno o más parámetros del proceso biológico y de establecer valores de contacto.

El controlador puede por ejemplo ser al menos en parte, incluyendo por completo, uno o más dispositivos mecánicos y/o uno o más dispositivos eléctricos y/o electrónicos. Por tanto, la lógica del controlador puede por ejemplo residir al menos en parte en una o más relaciones mecánicas en dispositivos mecánicos, relaciones eléctricas en dispositivos eléctricos y/o electrónicos, y/o en cualquier combinación de lo anterior.

El controlador incluye preferiblemente o al menos tiene acceso a software o código apropiado para interpretar datos sobre las condiciones del proceso recopilados del aparato de medición y establecer los valores de control. En una realización preferida, la lógica reside al menos en parte, que puede incluir por completo, en uno o más elementos de código presentes temporalmente o almacenados en uno o más dispositivos programados o programables situados en el mismo lugar o en remoto.

Los controladores utilizados en la invención pueden ser unidades especializadas de capacidad de computación limitada pero suficiente, o puede ser un ordenador u ordenadores de uso general o de finalidad específica de una capacidad de computación considerable. El controlador es preferiblemente capaz de ejecutar instrucciones de control básico (p.ej., lógica de Boole y cálculos matemáticos de cuatro funciones) tales como las comúnmente disponibles a través (pero sin limitarse a) un ordenador u ordenador personal (PC) en base a las plataformas de control, controlador lógico programare (PLC) en base a plataformas de control, o sistemas de control distribuidos (DCS, por sus siglas en inglés) en base a plataformas de control. Pueden utilizarse controladores de control proporcional, proporcional-integral (PI) y proporcional integral derivativo (PID). Ver p.ej., "Process Instruments and Controls Handbook", 3a Ed., McGraw Hill.

Los controladores pueden además incluir dispositivos de memoria, además de comparadores, otros dispositivos y/o código que ajustan, refinan, corrigen, condicionan o ayudan de otro modo realizando unas funciones auxiliares, tales como el ajuste del sistema de control y/o los datos de procesamiento, valores de control y señales de control. Por tanto, pueden utilizarse valores adaptativos (con auto-ajuste o ajuste automático) o no adaptativos.

En efecto, el controlador define, para las diferentes cantidades del consumo biológico de oxígeno que se produce en el proceso, los valores de control, o los componentes de los valores de control, que cambian en respuesta a, a la vez que permanecen en correlación con, dichas cantidades variadas del consumo de oxígeno. Puesto de forma diferente, el controlador genera diferentes valores de control que tienen, o que incluyen respectivamente al menos un componente que tiene, de forma continuada, una relación al menos cuantitativa aproximada con las diferentes cantidades del oxígeno consumido por el proceso biológico.

Los valores de control generados por el controlador, con o sin ajuste intermedio, son de utilidad para actuar en el proceso, o en objetos tales como válvulas u otros elementos de control asociados con este, para modificar o mantener la operación del proceso en una manera que generalmente limita o minimiza la desviación de una o más variables del proceso del rendimiento deseado, por ejemplo de valores de referencia establecidos. Los valores de control de más de un tipo, p.ej., que corresponden respectivamente con más de una necesidad del proceso, pueden combinarse dentro del controlador, p.ej., para generar una única señal de control que implica una pluralidad de componentes. Opcionalmente, los valores de control que representan respectivamente diferentes necesidades del proceso pueden ser generadas pero mantenidas separadas dentro del controlador y utilizadas para emitir señales de control separadas para diferentes elementos de control.

“En correlación con”, tal como se aplica a una relación entre los primeros y los segundos valores, hace referencia a que, independientemente de si son o no numéricamente iguales o están relacionados de forma precisa, existe al menos una relación cuantitativa aproximada entre ellos, un grado suficiente de relación de manera que los mismos o al menos uno de ellos pueda utilizarse de forma práctica para el control sobre el proceso. La magnitud de uno o más de los valores puede verse afectada por la inclusión de uno o más parámetros, habitualmente lo suficientemente pequeños para ser ignorados, que no son parte de la relación en la que se basa la correlación. En las realizaciones de la invención en la que un primer valor está en correlación con, pero no es numéricamente similar a un segundo valor, el primer valor puede estar funcionalmente relacionado con el segundo de tal manera que el primero puede ser utilizado como un indicador, al menos aproximado, del otro. Cualquier relación funcional u otro tipo de relación de utilidad entre los valores será suficiente. La relación puede tomar cualquier forma que resulte de utilidad. Por ejemplo, un valor puede ser directamente proporcional al segundo. O bien el primero puede estar relacionado con el segundo por una diferencia fija o variable. O el primero puede estar relacionado con el segundo mediante una ecuación o tabla de valores. Se encuentran incluidos valores de todo tipo, por ejemplo, la tasa de transferencia de oxígeno versus el flujo de gas, y la eficiencia de transferencia de oxígeno versus el flujo de gas. En el caso de los valores de control, “en correlación con” hace referencia preferiblemente a una relación entre (a) un valor de control aplicado por el sistema en relación con las necesidades de control de un proceso en particular, p.ej., las necesidades de oxígeno del proceso, las necesidades de control del nivel del OD, las necesidades de control del rendimiento o una combinaciones de las necesidades de control del proceso, y (b) un valor de control de referencia que ajustaría la operación del proceso biológico de tal manera que pudiera satisfacer de forma precisa la necesidad o necesidades en particular; a este respecto, el valor de control aplicado, ya sea aplicado en un incremento o en una pluralidad de ellos, se aproxima al valor de control de referencia. La idoneidad de esta aproximación se expresará en el uso convencional como una diferencia en el porcentaje entre el valor de control y el valor de referencia, donde dicha diferencia es más o menos 20%, más preferiblemente más o menos 10%, aún más preferiblemente más o menos 5%, y con la mayor preferencia más o menos 3%. A pesar de este uso convencional, a medida que el valor de referencia se acerca a los límites superior e inferior del rango que se utiliza, puede resultar más conveniente o más preciso expresar la idoneidad de esta aproximación como una diferencia finita, p.ej., más o menos 0,10 ppm o más o menos 25 metros cúbicos por hora.

Las expresiones “valores de control del OD” o “valores de control del oxígeno disuelto” hacen referencia a unos parámetros medidos y calculados en correlación con la cantidad de oxígeno requerida para desplazar un nivel de OD (incluyendo condiciones de oxígeno positivo o cero oxígeno) observado en el proceso para o hacia un nivel de OD objetivo.

La expresión “elemento colector de gas” hace referencia a un dispositivo que comprende una cámara confinada, para recibir de las aguas residuales y sustancialmente aislar de la atmósfera al menos una parte de las burbujas de gas que han sido liberadas en las aguas residuales por un sistema de suministro de gas, y que se han desplazado ascendiendo por al menos una parte de su profundidad, pero no han sido disueltas en dichas aguas residuales. Un ejemplo habitual pero no limitativo, sería una campana, rectangular en una vista en planta y triangular en su sección transversal, con un fondo abierto; excepto por unas entradas y salidas asociadas con su función de control, es de lo contrario estanca al gas y se encuentra equipada, a lo largo de la periférica de sus bordes inferiores, con unos flotadores para soportar la misma en la superficie de las aguas residuales. Los elementos colectores de gas no necesitan, sin embargo, estar situados en la superficie de las aguas residuales, ya que pueden realizar sus funciones receptoras y aislantes si se encuentran posicionadas bajo la superficie o si están posicionados sobre la superficie y provistos de faldillas dependientes que se extienden, a lo largo de su periferia, en una dirección hacia abajo y preferiblemente a una posición bajo la superficie.

El término “sistema de suministro de gas” incluye cualquier dispositivo o dispositivos de formación de burbujas de una amplia variedad de tipos, formas y tamaños que sean adecuados para transferir el oxígeno de un gas que contiene oxígeno a las aguas residuales en el contexto de un proceso de tratamiento biológico, por ejemplo difusores de burbuja fina de liberación por zonas, aireadores con tubos de aspiración, aireadores mecánicos, aireadores mediante cepillo rotatorio y difusores de burbuja gruesa, junto con el equipo accesorio necesario para soportar la operación del dispositivo o dispositivos formadores de burbujas y administrar el gas a los mismos, incluyendo conductos de suministro de gas, colectores, soportes, tubos de retorno de agua, tuberías de suministro, válvulas, filtros, compresores de desplazamiento positivo, turb-compresores, o soplantes centrífugos y el control de compresor/soplante y dispositivos de regulación del flujo de gas relacionados. Entre los difusores de burbuja fina de liberación por zonas ilustrativos se encuentran aquellos en forma de tubos, discos, bóvedas y láminas, ya sean de material elastomérico, de cerámica o de fibra. Entre los ejemplos de difusores de burbuja gruesa se incluyen dispositivos de tipo campanas, boquillas, orificios, válvulas y de tipo eyectores de alto cizallamiento.

El término “indicativo” hace referencia a la calidad de indicar un valor numérico determinado, de forma numéricamente igual o, si no de forma numéricamente igual, al menos a través de una relación funcional u otro tipo de relación, donde tal indicación es u valor preciso siempre que pueda determinase mediante observación cálculo a partir de los datos disponibles en el sistema o, si no un valor tan preciso, desviándose del valor preciso en una cantidad insuficiente, teniendo en cuenta el uso deseado de la indicación, para destruir su utilidad para efectuar un control sobre el proceso biológico. En una realización preferida, la indicación se encuentra dentro de /-20%, o /-10%, o /- 5% o /- 3% de dicho valor preciso.

La expresión “en respuesta a” hace referencia a una estimulación directa o indirecta de una acción o condición por otra acción o condición; por ejemplo, un elemento de control actúa en respuesta a una señal de control cuando dicha acción es un resultado directo o indirecto de la señal de control, ya sea la señal recibida directamente o indirectamente desde un controlador con o sin modificación o conversión a una forma diferente.

El término “licor mezclado” hace referencia a los contenidos de un depósito que comprende al menos aguas residuales y biomasa.

La expresión “gas que contiene oxígeno” incluye cualquier gas, incluyendo mezclas de gases con o sin vapores atrapados o disueltos, por ejemplo aire, oxíeno, ozono, cualquier otro gas y mezclas de estos, que sea adecuado para soportar un proceso biológico o etapa del proceso aeróbico para el tratamiento de aguas residuales, tal como un proceso de aireación de crecimiento suspendido y preferiblemente un proceso que incluye una o más etapas de procesamiento con lodos activados.

La expresión “tasa de consumo de oxígeno” (OUR) hace referencia a una relación de tiempo del consumo de oxígeno en las aguas residuales, e incluye componentes tales como el consumo de oxígeno de la biomasa, otras formas de consumo de oxígeno, reacciones químicas y otros factores.

El término “parámetros de rendimiento” hace referencia a valores medidos o predeterminados que están en correlación con cambios en el rendimiento o la eficiencia de cualquier dispositivo o proceso en el sistema.

Las expresiones “proporcionar o “que proporciona” hacen referencia a poner a disponibilidad de cualquier manera para su uso en el sistema de control durante cualquier periodo que resulte de utilidad. Por ejemplo, tal como se aplica al código o a los datos, la definición incluye poner los mismos a disponibilidad dentro o fuera del sistema, desde una fuente en o remota con respecto al sitio en el que se lleva a cabo el proceso biológico, generando los mismos en el sistema, y/o introduciendo los mismos manualmente en el sistema, y/o almacenando los mismos en el sistema, esté o no la ubicación de almacenamiento dentro del sistema, y sea o no dicho almacenamiento breve o a largo plazo, con o sin actualizaciones cada cierto tiempo.

El término “repetitivo” hace referencia a repetido en un intervalo de tiempo de cualquier duración que resulte de utilidad a la hora de efectuar un control de una operación de aireación en el contexto de la invención, por ejemplo, en intervalos de hasta aproximadamente 8 horas, más preferiblemente hasta aproximadamente 1 hora y aún más preferiblemente hasta aproximadamente 5 minutos. Estos intervalos pueden ser tan cortos como una fracción muy pequeña de un segundo, p.ej., 0.01 segundos o más, preferiblemente aproximadamente 10 segundos o más y más preferiblemente aproximadamente 30 segundos o más.

La expresión "valores de control de los requerimientos” hace referencia a los parámetros medidos y calculados en correlación con el oxígeno requerido para satisfacer el uso de oxígeno en el proceso biológico. Estos pueden incluir, pero no se limitan a, todos los factores relaciones con la tasa de consumo de oxígeno (OUR) tanto en condiciones en estado en régimen permanente o no permanente.

La expresión “proceso de aireación de crecimiento suspendido” hace referencia a un proceso biológico aeróbico en el que el gas que contiene oxígeno ayuda habitualmente a la hora de mezclar las aguas residuales, y de forma aún más preferible, ayuda a mantener las bacterias en suspensión.

El término “depósito” hace referencia a uno o más embalses de agua naturales y/o hechos por el hombre adecuados que pueden ser de una amplia variedad de tipos, formas y tamaños. Por tanto el depósito o depósito puede estar recubierto de tierra o plástico, pero son preferiblemente de acero u hormigón y tienen cualquier forma adecuada vistos en una vista en planta o en una sección vertical. Por ejemplo, los depósitos pueden tener una forma circular, anular, ovalada, cuadrada o rectangular alargada en una en una vista en planta. El término depósito también se aplica a una sección de un depósito que ha sido separada de una o más partes de ese depósito mediante un tabique y/u otras forma de divisor de longitud, de manera que la sección separada responda sustancialmente de forma independiente de la otra sección o secciones a las señales de control. Son preferidos los depósitos en los que sus dimensiones en la dirección del flujo de aguas residuales, sean en línea recta o no (L), sean mayores que sus dimensiones perpendiculares a dicha dirección (W), en la que L/W pueden, p.ej., ser mayores de 3, 5, 10 o 15, tales como depósitos con forma anular o rectangular alargada. Preferiblemente, al menos las partes aeróbicas de los depósitos estarán equipadas con cualquier sistema de suministro de gas adecuado.

El término “valores” son representaciones de (a) cantidades, expresadas en cualquier unidad adecuada o combinación de unidades, tales como unidades de masa, volumen, presión, tiempo, potencial eléctrico, resistencia u otras unidades, o ser expresados como números sin unidades, o de (b) condiciones, p.ej., “activado”, “desactivado”, “por encima”, “por debajo”, “igual a” y otras. Los resultados de mediciones se expresan habitualmente como valores. El término “aguas residuales” hace referencia a las aguas residuales sometidas a tratamiento en cualquier estado en el proceso biológico, abarcando entre otros aguas residuales sin procesar, aguas residuales después de un tratamiento preliminar, licor mezclado y otras mezclas de aguas residuales y biomasa.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Método para ejercer un control continuo sobre un proceso de tratamiento biológico de consumo de oxígeno de aguas residuales, en donde el oxígeno es consumido en cantidades variadas, donde el método está caracterizado por comprender las etapas de:

- conducir aguas residuales hacia el interior de al menos un depósito (2) que comprende un sistema de suministro de gas (1, 3, 4) con un dispositivo (1) de regulación del flujo de gas;

- utilizar dicho sistema de suministro de gas (1, 3, 4) para suministrar en el al menos un depósito (2) un gas que contiene oxígeno en forma de burbujas, de manera que al menos una parte del oxígeno en dichas burbujas se disuelve en las aguas residuales;

- controlar el suministro de oxígeno utilizando un sistema de control que comprende: un dispositivo (5) para medir la temperatura de las aguas residuales; un controlador (14) para proporcionar una lógica de control automática; un elemento (10) colector de gas para recoger el gas residual que escapa de dicho al menos un depósito (2); un dispositivo (11) para medir el flujo de gas del elemento (10) colector de gas; un detector (12) de oxígeno disuelto (OD); un detector (13) de gas; conexiones (15) para transmitir valores medidos al controlador (14); y una salida (16) para descargar aire de muestreo a la atmosfera.

en donde controlar el suministro de oxígeno comprende las etapas de:

a) introducir y almacenar constantes relacionadas con la configuración del al menos un depósito (2);

b) introducir y almacenar constantes relacionadas con el sistema de suministro de gas (1, 3, 4), siendo una de dichas constantes la relación de la tasa de transferencia de oxígeno con respecto a la tasa de flujo de gas;

c) introducir un nivel o niveles iniciales del oxígeno disuelto objetivo y un tiempo o tiempos de espera;

d) medir el nivel o los niveles reales del oxígeno disuelto en las aguas residuales, la tasa o tasas de flujo de aire, el oxígeno que permanece en el gas residual, y otros parámetros en las ubicaciones seleccionadas;

e) determinar la eficiencia de la transferencia de oxígeno a las aguas residuales;

f) determinar la tasa o tasas de transferencia de masa de oxígeno en las aguas residuales en las condiciones reales del proceso;

g) corregir la tasa de transferencia en el agua de proceso a las condiciones de referencia;

h) utilizar datos del rendimiento operativo para determinar la tasa de transferencia del sistema de suministro de gas en agua limpia en condiciones de referencia en el flujo de gas medido;

i) determinar el valor aparente alfa como la relación de la tasa de transferencia en el agua de proceso con respecto a la tasa de transferencia en agua limpia en condiciones de referencia;

j) determinar la tasa de la transferencia de masa del oxígeno requerida para cumplir con las cargas actuales de aguas residuales;

k) determinar el error o errores en el nivel o niveles del oxígeno disuelto en las aguas residuales como la diferencia entre el nivel o niveles medidos y el nivel o niveles objetivo, ajustando el nivel o niveles del OD objetivo según se requiera;

l) determinar la tasa de transferencia de oxígeno requerida para corregir el error o errores en el nivel del oxígeno disuelto;

m) determinar la tasa de transferencia de oxígeno total requerida;

n) determinar la tasa de transferencia de oxígeno total en condiciones de referencia en correlación con la tasa de transferencia en condiciones de referencia en agua limpia;

o) utilizar datos del rendimiento operativo para determinar la tasa de flujo de gas requerida;

p) ajustar el dispositivo o dispositivos de control de flujo para obtener la tasa o tasas de flujo requeridas;

q) esperar que transcurra el tiempo o tiempos de espera establecido; y

r) repetir las etapas d) a q).

2. Método según la reivindicación 1, en donde el sistema de control se programa para mantener un nivel positivo del OD en al menos una parte del al menos un depósito (2).

3. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el proceso biológico comprende una aireación de crecimiento suspendido que incluye la metabolización biológica del material de desecho suspendido y/o disuelto presente en las aguas residuales.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el controlador (14) contiene o tiene acceso a un código, y opcionalmente a tablas de datos, con cuya ayuda el controlador define dichos valores de control.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema de control opera como un controlador de alimentación directa en donde se generan salidas de control, al menos en parte, en base a unos valores de control de los requerimientos y a unos valores de control del rendimiento.

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende una etapa en donde los datos del rendimiento operativo (OP), en correlación con una capacidad variada del sistema de suministro de gas (1, 3, 4) para transferir oxígeno a las aguas residuales, bajo condiciones de proceso fluctuantes que comprenden una o más de las condiciones del sistema de suministro de gas, condiciones de las aguas residuales, condiciones del proceso y condiciones atmosféricas, se generan en el sistema.

7. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende una etapa en donde el estándar de rendimiento (PS), en correlación con la capacidad del sistema de suministro de gas (1, 3, 4) para transferir oxígeno al agua y/o a las aguas residuales bajo condiciones estándar predeterminadas, se encuentra previsto en el sistema de control.

8. Método según las reivindicaciones 6 y 7, que además comprende una etapa en donde los datos del rendimiento relativo del sistema (RSP), en correlación con las relaciones entre los datos del (OP) y los datos del (PS), se generan en el sistema de control.