El amonio (NH4+) -o su forma no cargada, el amoníaco (NH3)- es una forma de nitrógeno que las plantas acuáticas pueden absorber e incorporar a proteínas, aminoácidos y otras moléculas. Altas concentraciones de amonio pueden potenciar el crecimiento de algas y plantas acuáticas. Las bacterias también pueden convertir el amonio elevado en nitrato (NO3-) en el proceso de nitrificación, que reduce el oxígeno disuelto.

El amoníaco en el agua puede ser amoníaco no ionizado o el ion amonio.  Normalmente, el valor indicado es la suma de ambas formas y se denomina amoníaco total o, simplemente, amoníaco.  La proporción relativa de las dos formas presentes en el agua depende en gran medida del pH.

El amoníaco no ionizado es la forma tóxica y predomina cuando el pH es alto. El ion NH4+ es relativamente no tóxico y predomina cuando el pH es bajo. En general, menos del 10% del amoníaco se encuentra en la forma tóxica cuando el pH es inferior a 8,0 unidades de pH. Esta proporción aumenta drásticamente a medida que aumenta el pH.

El equilibrio entre NH3 y NH4+ también se ve afectado por la temperatura. A cualquier pH, hay más amoníaco tóxico en el agua más caliente que en el agua más fría.

El control de la aireación basado en el amonio ya se ha implantado en muchas instalaciones de recuperación de recursos hídricos (WRRF). Sin embargo, muchos se preguntan si es adecuado para este tipo de aplicaciones. La respuesta simple es que la automatización de la aireación basada en la medición de amonio es beneficiosa en muchas aplicaciones. No obstante, la estrategia de control aplicable a una instalación concreta depende de factores específicos, como la configuración del sistema, los criterios de rendimiento (limitaciones de descarga) y las características de las aguas residuales.

A continuación se describen varias estrategias de control. Los enfoques descritos ofrecen la posibilidad de mejorar el rendimiento del tratamiento, reducir los costes de operación y, en algunos casos, incluso generar ganancias a partir de la obtención de nutrientes.  

Las empresas de tratamiento de aguas residuales han aplicado un control de la aireación basado en el amonio que se basa en estrategias de retroalimentación y de avance. El control de realimentación se basa en la medición de la respuesta, mientras que el control de avance se basa en la medición de la alteración. El control por realimentación es mucho más común en la industria del agua, pero puede tener limitaciones en un sistema tan dinámico como el tratamiento de aguas residuales. El control de avance es más complejo, pero ofrece la posibilidad de conseguir la mejor calidad del efluente con el menor coste energético.  

Control de realimentación - Directo                                                                       

El método más sencillo es el control directo de la aireación basado en la retroalimentación de la medición de amonio. En este enfoque, la tasa de aireación se controla directamente basándose en la medición de amonio en línea. 

Los aireadores se encienden y apagan para mantener la concentración de nitrógeno amoniacal entre 0,7 mg/L y 1,0 mg/L en cada uno de los cuatro trenes de tratamiento.

Los aireadores permanecen "apagados" el 25% del tiempo con esta estrategia, creando condiciones anóxicas para la desnitrificación y reduciendo significativamente el gasto energético. La importante eliminación adicional de nitrógeno conseguida está muy por debajo de la carga de efluentes permitida.


Figura 1. Velocidad de nitrificación y desnitrificación en función de la concentración de oxígeno disuelto. Tasa de nitrificación y desnitrificación en función de la concentración de oxígeno disuelto

Control de realimentación - Cascada

Tanto la nitrificación como la concentración de OD se optimizan en una disposición de control en cascada. El controlador de amonio de la figura 2 compara el amonio medido con el valor de consigna de amonio y calcula el valor de consigna de OD, que se envía al controlador de OD. El controlador de OD compara la concentración de OD medida con el valor de consigna calculado y calcula el caudal de aire necesario, que se envía al controlador de caudal de aire.

El controlador de OD compara la concentración de OD medida con el valor de consigna calculado y calcula el caudal de aire necesario, que se envía al controlador de caudal de aire.

Figura 2. Control en cascada de la aireación con medición del amonio Control en cascada de la aireación con medición de amonio.

Esto requiere sintonizar 4 lazos de control (no se muestra el lazo de presión) aumentando la complejidad del sistema de control. Alternativamente, el controlador de OD puede colocarse encima del controlador de amonio para limitar la concentración de OD a un valor máximo. Un problema potencial con esta configuración es que los dos controladores luchan por la autoridad porque la concentración de OD cambia más rápido que la concentración de amonio.

La ubicación adecuada del sensor o sensores de amonio presenta un nivel adicional de complejidad para los reactores de flujo tapón (PF). En una configuración CM, la ubicación del sensor es en cierto modo irrelevante porque la concentración es la misma en todo el reactor. En una configuración PF, la concentración varía a lo largo del reactor, con concentraciones más altas aguas arriba y más bajas aguas abajo. Una filosofía es el control de realimentación basado en la medición del amonio efluente. Esto proporciona una indicación directa del rendimiento, pero una señal de control retardada. Cuando un sensor de amonio efluente detecta un pico de carga, puede ser demasiado tarde para corregirlo, especialmente en el caso de cargas de influente muy dinámicas y reactores con tiempos de retención largos, como los de nitrificación en una sola etapa.

El sistema de control representado en la figura 3 se basa en una señal de control procedente de un sensor de OD situado en el extremo efluente del tanque de aireación. El amonio aguas arriba (línea roja) se dispara varias horas antes de que el flujo de aire (línea azul) responda, permitiendo que el OD caiga a concentraciones indeseablemente bajas (línea verde). Como resultado, el amonio se filtra a través del efluente (línea morada).

Figura 3. Control de retroalimentación de la aireación basado en la medición de efluentes.

Situar el sensor de amonio aguas arriba del efluente ofrece algunas ventajas.En primer lugar, se reduce el tiempo de retardo de la señal de control. En segundo lugar, la ubicación del sensor de amonio más cerca del efluente aumenta la fiabilidad del cumplimiento de los objetivos de rendimiento. En tercer lugar, el mantenimiento de un ISE de amonio es más sencillo en concentraciones entre 1 mg/L y 10 mg/L. A medida que disminuye la concentración, el "ruido" se convierte en una mayor proporción de la señal, creando un entorno muy difícil para realizar calibraciones precisas (ajuste de la matriz), aumentando la frustración del operador y reduciendo la fiabilidad de la medición.

El gráfico de la Figura 4 es el resultado de una estrategia de control de la concentración de OD en la zona óxica principal basada en la retroalimentación de los sensores de amonio situados en el punto medio y final de la zona. Los factores que impulsaron el control fueron la calidad del efluente y el ahorro de energía. El objetivo era conservar la alcalinidad y cumplir de forma más fiable los límites de pH del efluente limitando la nitrificación sólo en la medida necesaria para cumplir el límite de amonio, que variaba mensualmente. La conservación de energía se conseguiría limitando el punto de consigna de OD basándose, en parte, en la medición de amonio de la siguiente manera:

Si NH4-N > 1,5, punto de consigna de OD = 2,0;

Si NH4-N <= 1,5, la consigna de OD = 0,5 mg/L.

La concentración de OD aumenta en el plazo de una hora desde el inicio del aumento de amonio y la OD se mantiene cerca de los valores de consigna. Una primera prueba de la estrategia indicó un potencial de ahorro energético anual de 50.000 dólares4.El control zonal de la aireación es fundamental para esta estrategia porque permite que la entrada de oxígeno coincida con la demanda de oxígeno a lo largo del reactor. 

En la actualidad, muchas instalaciones carecen de zonas de aireación controladas de forma independiente, lo que aumenta el coste de su implantación.

 

Figura 4. Control de retroalimentación con sensores de amonio aguas arriba.

Control de avance

El control automático de la aireación se basa en la concentración de amonio aguas arriba. 

Se requiere un modelo para predecir la tasa de aireación necesaria basada en las mediciones aguas arriba. En el caso más extremo, esto incluiría un cálculo de la carga a partir de la concentración de amonio afluente y el caudal de aguas residuales. Otras versiones más sencillas incluirían la medición de la concentración de amonio en las partes aguas arriba del biorreactor y el control de la tasa de aireación aguas abajo.

Una estrategia de control concreta basaba la potencia del ventilador en la medición de amonio en la cabecera de una balsa de aireación de paso único. Por encima de una concentración de consigna, la potencia del ventilador es directamente proporcional a la concentración de amonio. En caso contrario, el ventilador mantiene un caudal de aire mínimo para mantener la mezcla. El caudal de aire sigue de cerca la concentración de amonio aguas arriba y la concentración de OD se mantiene cerca de 2,0 mg/L la mayor parte del tiempo. La estrategia consiguió la menor demanda de caudal de aire unitario, un 11% inferior que con el control de realimentación de OD, logrando el objetivo principal que era reducir el consumo de energía.

La ventaja declarada del control feedforward es que el sistema reacciona más rápidamente a una perturbación eliminando los picos de efluente a corto plazo y permitiendo un control más suave. La realidad es que las predicciones son tan buenas como el modelo en el que se basan y los modelos no son perfectos. 

Por lo tanto, también se recomienda la retroalimentación de un sensor de amonio del efluente para corregir los errores del modelo. Algunos han afirmado que, en la mayoría de los casos, el control de la aireación por realimentación no aporta ventajas sustanciales con respecto al control por realimentación, por lo que el coste y la complejidad adicionales no están justificados.

Sin embargo, en los casos en los que los picos de carga son grandes y/o rápidos y en los que los límites de los efluentes son muy estrictos, el control feed-forward puede ofrecer una solución práctica. En cualquier caso, la monitorización en línea del amonio y la DQO de las aguas residuales proporcionará información muy útil sobre la dinámica de las aguas residuales que puede mejorar el tratamiento, tanto si la información se introduce directamente en un lazo de control como si no.

Resumen

La discusión anterior demuestra que hay muchas estrategias potencialmente exitosas para el control de la aireación a base de amonio. 

No es posible identificar una única estrategia que funcione para todas las empresas, ya que existe una gran diversidad en las características de las aguas residuales y en la construcción y funcionamiento de las plantas de tratamiento de aguas residuales.

Por lo tanto, la solución adecuada para una empresa determinada tendrá sin duda características únicas. Lo importante es que las empresas de aguas residuales pueden ser héroes en lugar de cargas si trabajan con el objetivo de la neutralidad energética. Todos los elementos necesarios para un control avanzado están ya disponibles y al alcance de cualquier empresa. La llegada de los ISE in situ para medir el amonio es un avance importante. Esta tecnología está madura y sigue mejorando. Sin embargo, no existe ningún sensor que no requiera un técnico informado y debidamente formado. Ese es un debate para otro día.