Análisis y control de un biorreactor anaerobio de lecho fijo de flujo

ANÁLISIS Y CONTROL DE UN BIORREACTOR ANAEROBIO DE LECHO FIJO DE FLUJO ASCENDENTE ANALYSIS AND CONTROL OF AN ANAEROBIC UPFLOW FIXED BED BIOREACTOR
ALEJANDRO RINCON
Estudiante Doctorado en Ingeniería Línea de Investigación en Automática, Universidad Nacional de Colombia, sede Manizales

FABIOLA ANGULO GARCIA
Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales, fangulog@unal.edu.co

GERARDOLIVAR TOST
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Computación, Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales Recibido para revisar enero 23 de 2008, aceptado mayo 15 de 2008, versión final mayo 19 de 2008

RESUMEN: En este artículo se presenta el análisis dinámico y el diseño de un regulador autosintonizado para un biorreactor anaerobio de lecho fijo de flujo ascendente, utilizadopara tratamiento de aguas residuales. Se ha demostrado de manera analítica que la condición de arrastre en el reactor se obtiene por una combinación de una bifurcación transcrítica con una del tipo silla-nodo. Una vez se determina el rango de operación del reactor se diseña un regulador autosintonizado para mejorar la remoción de materia orgánica, obteniéndose buenos resultados. PALABRAS CLAVE:bifurcaciones, digestión anaerobia, regulador auto sintonizado. ABSTRACT: this paper presents the bifurcation analysis in an anaerobic upflow fixed bed bioreactor, which is an anaerobic digestion system useful for wastewater treatment. In the dynamic analysis part, the equilibrium points, linear stability and bifurcation curves are studied, focusing in the washout condition. For the self tuningregulator the parameter estimation and control law are designed, and an integral action is introduced in order to address the disturbances. The simulation studies show the improvement of the performance when a disturbance appears. KEY WORDS: bifurcation, anaerobic digestion, self tuning regulator.

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INTRODUCCIÓN El objetivo de una planta de tratamiento de aguas residuales es disminuir laconcentración de contaminantes orgánicos en la corriente de salida. Este objetivo puede ser cumplido manipulando la velocidad de dilución [2]. Desde los años 90 el modelado, análisis y control de procesos biotecnológicos, incluyendo los procesos de

Las normas ambientales propenden por limitar la cantidad de materia tóxica liberada por las industrias a través de sistemas de alcantarillado, aríos. Esto ha provocado un creciente interés por la utilización de técnicas de control automático y optimización en plantas de tratamiento biológico de aguas residuales [1].

Dyna, Año 76, Nro. 157, pp. 123-132. Medellín, Marzo de 2009. ISSN 0012-7353

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Rincón et al

digestión anaerobia y los procesos de tratamiento de aguas residuales en general, ha cobrado gran importancia, debido a lanecesidad de cumplir las normativas ambientales. En [1,3,4] se han utilizado modelos a escala piloto, con el objeto de comprobar los resultados obtenidos teóricamente. Existen diversos sistemas biológicos para el tratamiento de aguas residuales, que se clasifican en aerobios y anaerobios. Generalmente, los procesos anaerobios se usan para tratar residuos con alta carga orgánica contaminante, porejemplo los lodos producidos por los tratamientos primarios y secundarios de las actividades económicas. Una parte importante para obtener una buena remoción de materia orgánica en los procesos de digestión anaerobia, consiste en una adecuada selección del modelo. Existen diversas técnicas para obtener estos modelos. Ellos incluyen métodos que se basan en la fenomenología del proceso [4,5] y enel gradiente de concentraciones [4,6,7], principalmente. Estos modelos pueden ser aplicados a diferentes tipos de procesos de tratamiento de aguas residuales: lodos activados, reactores de lecho fluidizado, reactores de lecho fijo, entre otros. Para propósitos de control lo más adecuado es utilizar modelos concentrados, que tengan en cuenta sólo una etapa, la metanogénesis, [8] o dos etapas, la...