Optimización de Sistemas de Oxidación Avanzada para el tratamiento de efluentes líquidos, mediante la aplicación de herramientas de control de procesos

Título

Optimización de Sistemas de Oxidación Avanzada para el tratamiento de efluentes líquidos, mediante la aplicación de herramientas de control de procesos

Colaborador

Miró, Eduardo

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2024-04-24

Extensión

308 p.

Resumen

El tratamiento de efluentes industriales previo a su vertido se realiza habitualmente mediante un conjunto de tecnologías convencionales que hace años se encuentran disponibles en el mercado local. No obstante, estas tecnologías presentan limitaciones para tratar ciertos compuestos contaminantes, resultando insuficientes en ocasiones para cumplimentar normativas de vertido que progresivamente incrementan sus exigencias, o para alcanzar las condiciones necesarias para el reúso de los líquidos. Existen tecnologías alternativas, como la oxidación basada en el uso de ozono o diversas técnicas de oxidación avanzada que se aplican en otras partes del mundo cuando las técnicas convencionales resultan insuficientes, pero que aún presentan muy escasa difusión en la región latinoamericana. Estas tecnologías proporcionan procesos compactos, sumamente adecuados en zonas urbanas donde se concentra la mayor actividad industrial del país. Se identificaron entre las barreras que restringen su implementación local, la necesidad de realizar numerosos ensayos experimentales para determinar las condiciones operativas que propicien su factibilidad técnica y económica, dificultando y encareciendo dichos estudios. Una segunda limitación identificada fue la dificultad para mantener el cumplimiento de los objetivos de tratamiento a pesar de cambios que puedan presentarse en la composición o caudal del líquido a procesar. Entre estos objetivos se plantea el cumplimiento de las especificaciones para el vertido o eventual reutilización de los líquidos tratados, pero también la minimización del consumo de oxidante, que en el caso del ozono se traduce en un ahorro energético y económico, y la capacidad para procesar los caudales generados por el proceso industrial. La tesis se centró en el desarrollo de soluciones basadas en herramientas de control de procesos, que permitan avanzar en la superación de las limitaciones mencionadas. Se estudió el tratamiento por ozonización de efluentes líquidos generados en la industria textil, particularmente aquellos que contienen el colorante Reactive Black 5 (RB5) de difícil degradación por métodos convencionales. Complementariamente se elaboró un procedimiento para obtener efluentes textiles sintéticos a fin de estudiar sus condiciones reales en procesos de teñido, y su posible impacto en la eficiencia del tratamiento y también se realizaron comparaciones con la técnica de tratamiento foto-Fenton. Se desarrolló una metodología para la generación de información experimental sobre la cinética y el comportamiento fluidodinámico del sistema piloto, destinado a la elaboración de un modelo computacional del proceso orientado al diseño y optimización de estrategias de control automático. Se obtuvo un modelo versátil para la determinación de condiciones de estado estacionario, además del análisis de diversas estrategias de control, con sus respectivos comportamientos frente a cambios en las variables analizadas. El diseño de dicho modelo permite adaptarlo a distintas cinéticas de reacción, facilitando su aplicación al estudio de diferentes líquidos residuales y también a otras tecnologías de oxidación. Se propusieron y analizaron diferentes configuraciones y ajustes de lazos de control automático aplicadas al modelo computacional, combinando acciones de control sobre el caudal másico de ozono generado y el caudal líquido procesado. Como parte del análisis de estrategias de control automático, se desarrolló una herramienta novedosa capaz de descartar respuestas inestables basada en el uso de redes neuronales artificiales. Dada la complejidad ateniente a la selección de una configuración óptima para satisfacer múltiples objetivos, se propuso y aplicó una metodología basada en la elaboración de índices representativos de los principales aspectos a cumplir en la operación del proceso, a partir de la cual se determinaron las configuraciones de control más apropiadas en función a diferentes propósitos. Finalmente, mediante un análisis técnico-económico se demostró la conveniencia de operar este tipo de procesos mediante sistemas de control automático respecto a otras alternativas.
The treatment of industrial wastewaters prior to discharge is usually carried out using a set of conventional technologies that have been available in the local market for years. Nevertheless, these technologies exhibit limitations in treating specific contaminant compounds, resulting in insufficient capacity to meet increasingly stringent discharge regulations or attaining the requisite conditions for liquid reuse. There are alternative technologies, such as ozone-based oxidation or various advanced oxidation techniques, which are applied in other parts of the world when conventional techniques demonstrate to be insufficient, but they still have very limited adoption in the Latin American region. These technologies provide compact processes, highly suitable in urban areas where the country's major industrial activity is concentrated. Among the barriers identified that restrict their local implementation is the need to conduct numerous experimental tests to establish the operational conditions that allow their technical and economic feasibility, thereby complicating and increasing the cost of such studies. A second limitation identified was the difficulty in maintaining compliance with treatment objectives despite changes that may occur in the composition or flow rate of the liquid to be processed. Among these objectives are compliance with specifications for the discharge or eventual reuse of treated liquids, but also the minimisation of oxidant consumption, which in the case of ozone represents energy and economic savings, and the capacity to process the flow rates generated by the industrial process. The thesis focused on the development of solutions based on process control tools, aimed at overcoming the aforementioned limitations. The treatment by ozonation of liquid effluents generated in the textile industry was studied, particularly those containing the dye Reactive Black 5 (RB5), which is difficult to degrade by conventional methods. Additionally, a procedure was developed to obtain synthetic textile effluents in order to study their real conditions in dyeing processes, and their potential impact on treatment efficiency was also assessed through comparisons with the photo-Fenton technique.
A methodology was developed for generating experimental information on the kinetics and fluid dynamic behaviour of a pilot system, aimed at developing a computational model of the process oriented towards the design and optimisation of automatic control strategies. A versatile model was obtained for determining steady-state conditions, as well as analysing different control strategies and their respective behaviours in response to changes in different variables. The design of this model allows for adaptation to different reaction kinetics, facilitating its application to the study of other wastewaters and also to several oxidation technologies. Different configurations and adjustments of automatic control loops applied to the computational model were proposed and analysed, combining control actions on the mass flow rate of generated ozone and the processed liquid flow rate. As part of the automatic control strategies analysis, a novel tool capable of discarding unstable responses based on the use of artificial neural networks was developed. Because of the complexity associated with selecting an optimal configuration to meet multiple objectives, a methodology based on the development of representative indices of the main aspects to be met in the operation of the process was proposed and applied. From this methodology, the most appropriate control configurations were determined according to different purposes. Finally, through a technical-economic analysis, the convenience of operating these types of processes using automatic control systems over other alternatives was demonstrated.