Biosensores para el control de procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales

  NANCY ANDRIOLI

El proceso de fangos activados es el tratamiento biológico de más amplia implantación como sistema de depuración de aguas residuales, urbanas e industriales. A partir de sus primeras aplicaciones se han ido desarrollando sucesivas modificaciones que han ido mejorando su eficacia y ampliando su campo de aplicación de la eliminación de materia orgánica carbonosa a la eliminación combinada de nutrientes y especialmente nitrógeno. Las modernas Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales son ya complejos sistemas que incorporan una gran variedad de procesos biológicos y físico-químicos de difícil supervisión y control. Por tanto, la obtención de información actualizada de los parámetros básicos de la planta es imprescindible para lograr una operación eficiente, teniendo en cuenta la alta incertidumbre y variabilidad asociada a los procesos biológicos involucrados en la depuración de aguas. 

En los últimos años, y debido al avance experimentado en la calidad de los sensores en línea, está emergiendo una nueva generación de sensores inteligentes ("software sensors") que integran los modernos sensores en línea con la modelización matemática del proceso y las técnicas de identificación y control. De esta manera pueden estimarse parámetros básicos de actividad del proceso que podrían quedar en otro caso enmascarados dentro del conjunto de mecanismos interrelacionados en el proceso global y que son cruciales para determinar el estado de la planta.

Los "software sensors" más utilizados actualmente en las modernas plantas son los respirómetros continuos basados en la medida del consumo de oxígeno por los microorganismos que permiten la estimación de parámetros de gran interés sobre la actividad biológica de la planta y la carga contaminante de origen carbonoso que está entrando a la planta. Sin embargo su aplicación al caso de estaciones depuradoras de aguas residuales  con eliminación de nitrógeno presenta algunas importantes limitaciones para estimar la actividad biológica de la nitrificación y desnitrificación. Esto es debido a que las técnicas de respirometría están generalmente basadas en el consumo de oxígeno total de la planta, sin distinguir la fracción correspondiente a eliminación de materia orgánica carbonosa y la debida a la oxidación del amonio. Por otra parte no pueden aplicarse a la estimación de actividad biológica en reactores no aireados como las zonas de desnitrificación.

Teniendo en cuenta el evidente interés de disponer de información actualizada y fiable del estado real de las plantas para poder aplicar estrategias de control eficientes, la Sección de Ingeniería Medioambiental y el Departamento de Electrónica y Control del CEIT, con el apoyo del Departamento de Industria, Agricultura y Pesca y del Departamento de Educación, Universidades e Investigación del Gobierno Vasco, han venido desarrollando un nuevo prototipo de biosensor específicamente orientado a la estimación de los parámetros de actividad biológica en modernas estaciones depuradoras de aguas residuales  con eliminación de nitrógeno.
Este nuevo biosensor extrae un conjunto de caudales de diferentes puntos de la planta, los introduce en un pequeño reactor de mezcla y estima, utilizando algoritmos matemáticos de identificación, los parámetros fundamentales de actividad biológica del proceso. Todo el equipo está operado por un autómata, gobernado a su vez por un computador industrial que supervisa la operación, procesa los datos de los sensores de amonio y nitratos y realiza la estimación de los parámetros.

Los resultados obtenidos permiten conocer de una manera diferenciada las velocidades de nitrificación y desnitrificación así como otros parámetros adicionales de interés para el control de la planta (concentración de microorganismos autótrofos y heterótrofos, carga entrante a la planta, requerimientos de oxígeno, toxicidad, calidad del efluente, etc.). 

El biosensor desarrollado ha pasado la fase de simulación numérica y se encuentra ya en fase de verificación experimental en estaciones depuradoras de aguas residuales  reales para comprobar su funcionamiento en las condiciones de trabajo propias de una estación depuradora.

TECNOLOGIAS: TRATAMIENTO SECUNDARIO DE EFLUENTES LIQUIDOS