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Resumen
La estandarización y validación de los
modelos matemáticos más comúnmente utilizados en las EDAR, ha permitido
emplear herramientas de simulación
para el diseño, operación y control de
complejas configuraciones de planta.
Sin embargo, se considera que una adecuada selección del modelo, su calibración y validación experimental son tareas complejas y que requieren de un
adecuado programa de formación para
ser realmente eficaces.
En el presente artículo se describen brevemente algunas de las características
más relevantes que, desde la experiencia de CEIT y ATM, deben incorporar
los simuladores que vayan a utilizarse
para mejorar el diseño, la operación y el
control de las EDAR.
TECNICOS
Optimización del diseño,
operación y control de las EDAR
utilizando modelos matemáticos
y herramientas de simulación
Por: Eduardo Ayesa Iturrate (*) y María Asunción Larrea Urcola (**)
(*)
Palabras clave:
Agua residual, EDAR, modelización,
predicción, diseño, operación, control.
(**)
CEIT
Dr. Ingeniero Industrial
Director de la Sección de Ingeniería Medioambiental del CEIT
Profesor Asociado de Ingeniería de Sistemas en TECNUN (Universidad
de Navarra)
E-mail: [email protected]
Web: www.ceit.es
ATM, S.A.
Doctora en Ciencias Químicas
Responsable del Departamento de I+D
E-mail: [email protected]
Web: www.atmsa.com
266 / NOVIEMBRE / 2005
Abstract
Optimization of design, operation and
control of wastewater treatment plants
using mathematical models and simulations tools
The standarization and validation of the
mathematical models used in wastewater treatment plants allows to use simulations tools for the design, operation
and control of complex configurations
plants. But the optimal selection of the
model, his calibration and experimental validation required a good training.
The most important characteristics,
from the CEIT and ATM experience,
that the simulators has to include to improve design, operation and control of
the wastewater treatment plants, are
shown.
Keywords:
Wastewater, WWTP, modelling, prediction, design, operation, control.
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TECNOLOGIA DEL AGUA
1. Introducción
n los últimos años se está produciendo un creciente impulso en el desarrollo y aplicación de herramientas de simulación
como apoyo al diseño y operación de
las EDAR, potenciado por la coincidencia de varios factores complementarios. Por una parte, las modernas tecnologías de tratamiento de
aguas están basadas en configuraciones de planta cada vez más complejas para las que las metodologías tradicionales de diseño y operación se
muestran claramente limitadas frente a las modernas herramientas basadas en simulación numérica. Por otra
parte, en los últimos años se ha venido produciendo una progresiva estandarización y validación de los
modelos matemáticos más comúnmente utilizados en las EDAR, así
como de sus procedimientos de aplicación en campo. Finalmente, el incremento de la capacidad de cálculo
de los computadores y el desarrollo
E
de nuevas plataformas de simulación
dinámica ha permitido ampliar notablemente el número de los usuarios
potenciales de estas nuevas técnicas.
Ante esta situación, las ventajas
derivadas de la progresiva utilización de los modelos matemáticos
para el diseño y operación de las modernas EDAR son indudables. Sin
embargo, no hay que olvidar que su
utilización de manera adecuada implica un salto metodológico importante. Los simuladores no deben ser
considerados como herramientas tipo “caja negra” capaces de encontrar por sí solos los parámetros óptimos del diseño u operación de una
EDAR, sino que sus usuarios deben
conocer con cierta profundidad las
capacidades y limitaciones de los diferentes modelos utilizados. Por
ello, la incorporación de los simuladores de EDAR como herramientas
de soporte al diseño y operación de
EDAR por parte de empresas de ingeniería y consultoría o entidades de
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TECNICOS
gestión del agua debe considerarse
como una innovadora apuesta tecnológica que requiere de un adecuado
programa de formación para ser realmente eficaz.
La Sección de Ingeniería Medioambiental del CEIT comenzó a desarrollar modelos y simuladores de
EDAR a finales de los años 80 y, desde entonces, ha proseguido de manera ininterrumpida esta línea de investigación, aplicando sus resultados al
diseño, operación y control de estaciones depuradoras. El presente artículo introduce algunas reflexiones
extraídas de esta experiencia que
pueden ser de interés para los usuarios de los simuladores de EDAR.
Pantallas del programa de simulación WEST.
camente en la estimación de los valores de los parámetros desconocidos del modelo matemático que logran que sus predicciones reproduzcan lo mejor posible las observaciones experimentales, tanto los datos
continuos de la planta como los posibles ensayos adicionales de laboratorio. Esta calibración puede realizarse mediante procedimientos
sistemáticos de “tanteo y error” o
aplicando herramientas matemáticas de identificación de sistemas
(Ayesa et al., 1991; Larrea et al,
1992). Para lograr una calibración
satisfactoria es importante comprobar previamente que el modelo es
identificable, es decir, que no es posible obtener diferentes combinaciones de parámetros desconocidos
capaces de reproducir igualmente
los datos experimentales (Hidalgo
and Ayesa, 2001). No podemos olvidar que un modelo sobreparametrizado siempre puede llegar a reproducir los datos experimentales,
por lo que la complejidad del modelo y el número de parámetros desconocidos debe mantenerse coherente
con la información experimental
disponible. Finalmente, la calibración realizada debe validarse con
otros datos experimentales para ga-
rantizar su capacidad predictiva en
otras condiciones de operación.
En cualquier caso es importante
recordar que tanto el grado de complejidad del modelo matemático de
la planta como su metodología de
aplicación o incluso la plataforma
de simulación más adecuada dependen generalmente de los objetivos
de cada aplicación específica. En la
actualidad las plataformas de simulación de mayor utilización en el
ámbito internacional son GPS-X
(Hydromantis), BioWin (Envirosim), SIMBA (IFAK) y WEST
(HEMMIS). La Sección de Ingeniería Medioambiental del CEIT decidió hace unos años escoger el simulador WEST como su plataforma de
desarrollo de aplicaciones de simulación para una EDAR, valorando
su gran potencial para estudiar el diseño, operación y control de procesos, así como su flexibilidad para
desarrollar y validar modelos propios o aplicaciones informáticas específicas para diferentes tipos de
clientes. Es importante subrayar
también el apoyo ofrecido por la
Red Internacional de Centros Científicos Soporte de WEST, de la que
forman parte un gran número de
Universidades y Centros TecnológiTECNOLOGIA DEL AGUA
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2. Aplicación de
herramientas de simulación
en las EDAR
La adecuada utilización de las
modernas herramientas de simulación para predecir el comportamiento dinámico de las EDAR requiere de una metodología de trabajo sistemática y rigurosa que garantice la validez de los resultados. En
particular, la selección adecuada del
modelo matemático de la EDAR y
su calibración y validación experimental deben ser pasos previos ineludibles a cualquier exploración de
su comportamiento.
La selección del modelo más
adecuado debe primeramente adecuarse a los objetivos específicos de
su utilización (por ejemplo diseño o
ampliación de una EDAR, diagnóstico de su operación, optimización
de los costes de explotación, formación de los operadores de planta,
control automático de algunos procesos, etc.) y a la información experimental disponible. Normalmente,
el modelo más apropiado a cada necesidad será diferente en cada caso
pero deberá incorporar normalmente las transformaciones bioquímicas
en los reactores (Henze et al, 2000)
y la descripción de los fenómenos
de transporte entre los diferentes
elementos de la planta.
La calibración experimental del
modelo de la EDAR consiste bási-
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cos de reconocido prestigio internacional en modelado matemático y
simulación de EDAR.
Seguidamente se describen brevemente algunas de las características más relevantes que, desde la experiencia de CEIT y ATM, deben incorporar los simuladores que vayan
a utilizarse para mejorar el diseño,
la operación y el control de las
EDAR.
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2.1. Utilización de
simuladores para el diseño
de nuevas EDAR
El objetivo básico de la utilización de los simuladores para el diseño de EDAR consiste en la selección de las dimensiones óptimas para la construcción de una nueva
EDAR o para la ampliación de una
instalación ya existente.
En este caso, los modelos matemáticos más adecuados no requieren una descripción completa de todas las líneas de tratamiento ni de
todos los procesos unitarios mediante ecuaciones diferenciales y es
muy frecuente que algunas partes
del proceso (pretratamiento, decantación primaria, tratamientos físicoquímicos, etc.) se modelen mediante ecuaciones algebraicas que reflejan sus rendimientos medios. Los
modelos dinámicos en ecuaciones
diferenciales se utilizan generalmente para modelar por separado el
tratamiento secundario de la línea
de aguas (reactores de fangos activados y decantadores) y para los digestores anaerobios. La utilización
de modelos dinámicos integrados
que permitan simular simultáneamente las líneas de aguas y fangos
es todavía incipiente y no es común
entre las empresas de ingeniería.
Para utilizar las herramientas de
simulación en el diseño de las
EDAR debe partirse de la selección
previa de los parámetros estequiométricos y cinéticos del modelo matemático y de la caracterización del
agua residual influente. Siempre
que sea posible, estos datos deberán
calcularse a partir de estudios previos en planta piloto pero, en caso
TECNOLOGIA DEL AGUA
TECNICOS
de no disponer de esa información,
deberán estimarse siempre de manera conservadora aplicando si es
necesario coeficientes de seguridad
a los parámetros del modelo relacionados con las fracciones biodegradables y la actividad biológica en
los reactores.
Posteriormente se entrará en un
proceso iterativo de selección de las
dimensiones de los diferentes procesos unitarios y de las condiciones
de operación Standard hasta lograr
una configuración de planta que
cumpla con las especificaciones requeridas con un coste mínimo. Este
proceso iterativo utiliza normalmente simulaciones de la planta en
estado estacionario y puede realizarse manualmente o mediante algoritmos de optimización automática (Rivas 2000). Finalmente, los diseños seleccionados y sus condiciones de operación Standard se verifican ante diferentes escenarios de simulación dinámica en los que se
comprueba la robustez de su comportamiento ante las perturbaciones
más comunes en una EDAR (variaciones de carga y temperatura).
La Sección de Ingeniería Medioambiental del CEIT desarrolló durante varios años la línea de simuladores de diseño Daisy para la empresa Cadagua (Suescun et al, 1994;
Rivas et al, 1997). Una versión de
estos simuladores de diseño de denominada EDAR 1.0 ha sido comercializada por ATM y está siendo
ampliamente utilizada para el diseño de nuevas EDAR. Posteriormente, ha orientado sus aplicaciones para diseño hacia aplicaciones informáticas híbridas basadas en hojas
de cálculo combinadas con la plataforma de simulación WEST. Algunas aplicaciones ilustrativas del potencial de los simuladores para optimizar el diseño de EDAR han sido
realizadas para seleccionar las dimensiones óptimas del proceso
Alpha (Ayesa et al, 1998; Larrea et
al, 2001; Rivas et al, 2005) y para
seleccionar los parámetros óptimos
de diseño y operación de la EDAR
de Galindo-Bilbao (Rivas et al,
2001; Galarza et al, 2001). En estos
momentos, ATM S.A. y CEIT están
desarrollando nuevas aplicaciones
informáticas para diseño de EDAR
que puedan ser ejecutables remotamente vía Internet (Irizar et al,
2005).
2.2. Utilización de
simuladores para optimizar
la explotación de las EDAR
La simulación del comportamiento dinámico de las EDAR tiene
también una gran utilidad como herramienta de ayuda en la explotación de las plantas. Tradicionalmente su utilización se ha centrado en
estudios puntuales para la detección
y el diagnóstico de posibles problemas de operación o limitaciones del
proceso (detección de las sobrecargas y los “cuellos de botella” del
proceso, inconsistencias en los balances de masa, contraste de los datos experimentales, etc.). Sin embargo, su progresiva utilización como herramienta de apoyo en el día a
día de la explotación de la planta es
cada vez más frecuente, sirviendo
de eficaz apoyo en la definición y
exploración de las estrategias de
operación más adecuadas ante los
diferentes escenarios y perturbaciones que pueden aparecer en una
EDAR. Todo ello sin olvidar su utilidad en la formación de los operadores de planta.
A pesar de su indudable interés,
la utilización de simuladores como
herramientas de apoyo en la explotación de las EDAR está mucho menos extendida que sus aplicaciones
como herramienta de diseño, debido
fundamentalmente a su mayor grado de dificultad tanto en el desarrollo de los modelos matemáticos de
planta como en su posterior utilización de manera adecuada.
El modelo matemático de la
EDAR para un simulador de operación debe ser muy detallado, incorporando modelos dinámicos de todos los procesos relevantes de la línea de aguas y la línea de fangos
(pretratamiento, tratamiento físicoquímico, decantación primaria y se-
ARTICULOS
Módulo de configuración del programa WEST.
landa por la STOWA (Hulsbeek et
al., 2002), en Alemania por la HSG
(Langergraber et al., 2004) y en Bélgica por la Universidad de Gante
(Petersen et al, 2003). Es evidente
que la elaboración de protocolos
Standard adaptados a las características específicas de las plantas en
España sería de gran ayuda para potenciar la implantación de simuladores de operación en nuestro entorno más cercano.
Una vez que la capacidad predictiva del modelo está garantizada por
un adecuado procedimiento de calibración experimental, los resultados de la simulación permiten explorar con realismo las estrategias
de operación más convenientes ante
los posibles escenarios de explotación de la planta.
Las plataformas computacionales más adecuadas para ser utilizadas como simuladores de operación
de EDAR deben cumplir una serie
de requisitos ineludibles. Por una
parte, deben ofrecer una extensa librería de modelos de los procesos
unitarios más comunes o incluso,
facilitar la creación por parte del
usuario de sus propios modelos específicos con los que configurar el
modelo global de cada planta. Por
otra parte, deben también ofrecer
herramientas que faciliten el tratamiento ágil de los datos experimentales de la planta, almacenados en
hojas de cálculo o bases de datos, y
los predichos por los modelos matemáticos. Hay que tener en cuenta
que la información experimental
contenida en los históricos de la
EDAR debe ser fácilmente accesible a los simuladores de operación
tanto para leer los datos de entrada a
la simulación durante un determinado periodo (por ejemplo: carga influente, condiciones de operación,
etc.) como para la calibración de los
resultados del modelo frente a las
observaciones experimentales (por
ejemplo: calidad del efluente, costes de explotación, etc.).
Las primeras versiones de simuladores dinámicos realizadas por el
CEIT para optimizar la explotación
de EDAR fueron aplicaciones informáticas específicas que se desarrollaron para la EDAR de CrispijanaVitoria (Del Río y otros, 1995) y para la EDAR de Badiolegi (Ayesa et
al., 2001). Posteriormente el CEIT
ha venido realizando aplicaciones
informáticas híbridas en las que el
almacenamiento y gestión de los
datos experimentales está prograTECNOLOGIA DEL AGUA
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cundaria, reactores biologicos, secado y digestión de fangos, etc.), así
como los posibles caudales de retorno entre las diferentes líneas. Sólo
un modelo de planta suficientemente descriptivo permitirá analizar
globalmente el efecto de las posibles estrategias de operación y
cuantificar de manera realista sus
efectos en la estabilidad del proceso, la calidad del efluente y los costes de explotación. Sin embargo, no
podemos obviar que la conexión de
los modelos de los diferentes procesos unitarios en un modelo global de
planta (Plant-wide modelling) es un
tarea que puede entrañar cierta dificultad conceptual y que debe realizarse con gran rigor para evitar posibles inconsistencias en los balances de masa a lo largo de la planta.
Las variables de estado utilizadas
para describir cada proceso unitario
(por ejemplo: reactores de fangos
activados, decantadores o digestores anaerobios) no son generalmente compatibles y los elementos de
conexión deben garantizar una adecuada transformación entre las variables utilizadas por cada modelo
(Vanrolleghem et al, 2005).
Por otra parte, la utilización eficiente de los simuladores de operación de EDAR requiere disponer de
predicciones realistas del comportamiento dinámico de la planta específica, lo que lleva implícita una
adecuada calibración experimental
de los modelos matemáticos utilizados. Para ello es necesario desarrollar y aplicar un protocolo de calibración que, combinando la información experimental del proceso
(datos del parte analítico Standard,
datos adicionales de planta y ensayos batch de laboratorio) con balances de masa y simulaciones del modelo de planta, sea capaz de estimar
adecuadamente los valores de los
principales coeficientes del modelo.
La elaboración de protocolos
Standard para la calibración de modelos de EDAR se ha popularizado
en los últimos años en algunos países del norte de Europa. Los más conocidos han sido realizados en Ho-
TECNICOS
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mado en MS Excel mientras que el
modelo de la planta y su resolución
numérica se ejecuta en la plataforma de simulación WEST, que dispone de herramientas eficientes
para el intercambio de datos con
aplicaciones externas. De esta manera, además de aprovechar toda la
capacidad de estos programas, se
eliminan los problemas del posterior mantenimiento y actualización de las aplicaciones informáticas desarrolladas.
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2.3. Utilización de
simuladores para diseñar
estrategias automáticas de
control
A la hora de diseñar las estrategias de control automático para optimizar la operación de las EDAR,
es necesario, en una primera fase y
empleando los modelos matemáticos complejos y con alta capacidad
descriptiva, similares a los utilizados en los simuladores de operación, caracterizar la respuesta de las
variables manipulables sobre cada
uno de los objetivos de control de la
planta. Hay que tener en cuenta que
estos análisis de sensibilidad son, en
muchos casos, muy difíciles de realizar experimentalmente manteniendo operativa la planta, por lo
que la utilización de modelos de
planta razonablemente calibrados
suele ser un elemento ineludible.
Una vez caracterizada la respuesta
de la planta ante determinadas entradas tipificadas, el diseño de los
controladores en sí mismo se realiza
normalmente con unos modelos entrada-salida muy simplificados, que
sean capaces de predecir adecuadamente las respuestas de la planta para las escalas temporales consideradas en cada estrategia de control. Finalmente, los modelos complejos de
la planta suelen volver a utilizarse
para realizar la validación del comportamiento de las estrategias de
control diseñadas, como paso previo a su implantación en el proceso
a escala piloto o real.
En cualquier caso, el principal requerimiento de los simuladores de
TECNOLOGIA DEL AGUA
TECNICOS
EDAR de Galindo-Bilbao.
EDAR para diseñar estrategias de
control es la alta flexibilidad necesaria para incorporar con facilidad
los elementos de monitorización y
actuación necesarios en cada caso.
Por ejemplo puede ser necesario introducir sensores con diferentes frecuencias de muestreo y ruido en la
medida o actuadores con diferentes
retardos y comportamientos altamente no lineales. Por este motivo
es frecuente la utilización de herramientas de simulación de propósito
general (como MATLAB-Simulink) para el diseño de controladores
en las EDAR, aunque algunas plataformas abiertas de simulación de
EDAR como WEST, GPS-X, SIMBA, etc. pueden ser también utilizadas de manera satisfactoria.
Algunos trabajos ilustrativos de
la utilización de simuladores para el
diseño y verificación de estrategias
de control en las EDAR han sido realizados por el CEIT para la EDAR
de Crispijana-Vitoria (Suescun et
al, 2001) y para la EDAR de Galindo-Bilbao (Ayesa et al, 2005), respectivamente.
3. Conclusiones
La progresiva utilización de las
modernas herramientas de simulación dinámica de las EDAR es una
innovación tecnológica de gran entidad que no puede ser ignorada por
las empresas de ingeniería y consultoría y las entidades de gestión del
agua. Los simuladores de diseño de
EDAR permiten agilizar el diseño y
dimensionado de las modernas
plantas, explorando configuracio-
nes de gran complejidad ante todo
tipo de condiciones de operación y
requerimientos de depuración. Los
simuladores de operación permiten
diagnosticar el estado del proceso,
detectar sus limitaciones y explorar
las estrategias óptimas de operación
ante una gran variedad de escenarios. Todo ello, sin olvidar su gran
utilidad formativa para comprender
en profundidad y explorar dinámicamente las complejas interrelaciones entre los diferentes elementos
involucrados en una EDAR.
Sin embargo, no hay que olvidar
que la incorporación de esta tecnología va más allá de la simple adquisición de una herramienta informática de simulación, más o menos
avanzada. La selección de los modelos matemáticos más adecuados a
cada caso de estudio y objetivo, su
resolución numérica, su calibración
y validación experimental o su utilización para explorar diferentes estrategias de operación y control requieren la adquisición de unos conocimientos mínimos sobre modelado matemático y simulación que
no deben soslayarse. En cualquier
caso, su gran potencial frente a las
metodologías tradicionalmente utilizadas en el diseño y explotación de
las EDAR hace ineludible su progresiva adquisición y justifica sobradamente el esfuerzo formativo
necesario para ello.
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