Autothermal thermophilic aerobic digestiondesign of controllers and benchmarking validation

Resumen

Esta tesis presenta el diseño y validación por simulación de nuevas estrategias de control aplicadas a Digestores Aerobios Termófilos Autotérmicos (tecnología ATAD) para tratamiento de fangos. Cada solución de control propuesta fue orientada a cubrir los distintos requerimientos del fango tratado: reducción en los costes de aireación o incremento de su estabilización. Se ha considerado la estabilidad del proceso en las estrategias propuestas. Para una aplicación directa de estas estrategias de control se ha considerado, además del reactor ATAD, un tanque de pre-almacenamiento, ya que juntos forman un típico escenario de operación de esta clase de procesos en España. Los diferentes resultados logrados en esta tesis están basados principalmente por estudios de simulación, mostrando las posibilidades de emplear modelos matemáticos como herramienta de diseño, validación y evaluación de las estrategias de control propuestas. Tomando en cuenta diferentes trabajos relacionados con protocolos de validación de estrategias de control (benchmark) aplicados a procesos de fangos activos, se ha diseñado un protocolo específico para la digestión de fangos (llamado AT_BSM), para así tener una plataforma de diseño y validación de soluciones de control. Por tanto, el benchmark propuesta incluye la definición de un escenario de validación, características de fango a tratar, índices y protocolo de evaluación. Las estrategias de control propuestas fueron basadas en el comportamiento de algunas variables de estado relevantes en el proceso. En este caso, así como en muchos procesos biológicos, el cambio de pendiente de señales específicas del proceso proporciona información importante acerca del comportamiento o estatus de este. En el caso del ATAD, el cambio de pendiente observado en la señal de temperatura del fango está relacionado con el agotamiento de la materia orgánica biodegradable, y por tanto, se ha implementado un algoritmo de detección de estas zonas como herramienta para el desarrollo de estrategias de control. El protocolo de simulación diseñado (AT_BSM) fue usado para validar dos estrategias de control (ST1 y ST2). En términos del benchmark diseñado, las soluciones de control mostraron una mejora en la operación general del proceso. Comparándolo con una operación convencional a lazo abierto, las simulaciones reflejaron que la estrategia ST1 fue capaz de ofrecer un ahorro de entre 2 y 4% en cotes de aireación. Del mismo modo, la estrategia ST2 mostró una reducción del 18% en la estabilización del fango tratado, pero a expensas de un incremento en la aireación requerida (3%). Es de notar que estos son resultados de referencia, ya que están asociados a las características de la planta, fango a tratar y máxima aireación aplicada al proceso. Se realizó un análisis de incertidumbre mostrando que la estrategia ST2 es más sensible a la variabilidad dentro del espacio de parámetros considerado, no obstante, la respuesta media obtenida con respecto a la calidad y la energía térmica del fango tratado reflejaron un mejor rendimiento de esta estrategia comparada con la ST1 y la operación a lazo abierto. Como resultado, ST1 puede satisfacer los requerimientos de ahorro en la aireación y mayor energía térmica final, y ST2 puede satisfacer los requerimientos de estabilización del fango final ofreciendo una mejor calidad de efluente.