Otimização de reator sequencial em batelada para remoção biológica de carbono e nitrogênio com controle difuso

Abstract

Este trabalho apresenta a estruturação de um controle difuso, para a automação de reatores seqüenciais em batelada (RSB), no processo de remoção biológica de matéria orgânica e nitrogênio em águas residuárias domésticas, utilizando parâmetros inferenciais, pH, ORP e OD, em que as variáveis controladas foram as durações da reação aeróbia e anóxica. O experimento, em escala de bancada, foi composto por dois reatores seqüenciais em batelada, com volume útil de 10 L, no qual 6 L foram alimentados com esgoto sintético, com características de águas residuárias domésticas. O sistema de automação foi composto pela aquisição dos parâmetros eletroquímicos (pH, ORP e OD), pelos dispositivos atuadores (motor-bomba, aerador e misturador) e pelo controle predeterminado ou difuso. O programa computacional CONRSB foi implementado de forma a integrar o sistema de automação. O controle difuso, implementado, foi constituído pelos procedimentos de: normalização, nebulização, inferência, desnebulização e desnormalização. As variáveis de entrada para o controlador difuso, durante o período: aeróbio foram dpH/dt, dpH/d(t-1) e o pH ; anóxico foram dORP/dt, dORP/d(t-1) e o OD. As normalizações das variáveis crisps estiveram no universo de [0,1], utilizando os valores extremos do ciclo 1 ao 70. Nas nebulizações foram aplicadas as funções triangulares, as quais representaram, satisfatoriamente, as indeterminações dos parâmetros. A inferência nebulosa foi por meio da base heurística (regras), com amparo do especialista, em que a implicação de Mamdani foi aplicada. Nessas implicações foram utilizadas dezoito expressões simbólicas para cada período, aeróbio e anóxico. O método de desnebulização foi pelo centro de áreas, que se mostrou eficaz em termos de tempo de processamento. Para a sintonia do controlador difuso empregou-se o programa computacional MATLAB, juntamente com as rotinas Fuzzy logic toolbox e o Simulink. O intervalo entre as atuações do controlador difuso, ficou estabelecido em 5,0 minutos, sendo obtido por meio de tentativas. A operação do RSB 1, durante os 85 ciclos, apresentou a relação média DBO/NTK de 4,67 mg DBO/mg N, sendo classificado como processo combinado de oxidação de carbono e nitrificação. A relação média alimento/microrganismo foi de 0,11 kg DBO/kg sólido suspenso volátil no licor misto.dia, enquadrando nos sistemas com aeração prolongada, em que a idade do lodo correspondeu aos 29 dias. O índice volumétrico do lodo médio foi de 117,5 mL/g, indicando uma sedimentação com características médias. As eficiências médias no processo de remoção de carbono e nitrogênio foram de 90,8% (como DQO) e 49,8%, respectivamente. As taxas específicas médias diárias, no processo de nitrificação e desnitrificação, foram de 24,2g N/kg SSVLM.dia e 15,5 g N/kg SSVLM.dia, respectivamente. O monitoramento, em tempo real, do pH, ORP e OD, mostrou ter um grande potencial no controle dos processos biológicos, em que o pH foi mais representativo no período aeróbio, sendo o ORP e o OD mais representativos no período anóxico. A operação do RSB com o controlador difuso, apresentou do ciclo 71 ao 85, as eficiências médias no processo de remoção de carbono e nitrogênio de 96,4% (como DQO) e 76,4%, respectivamente. A duração média do período aeróbio foi de 162,1 minutos, que tomando como referência o período máximo de 200,0 minutos, reduziu em 19,0% esses períodos. A duração média do período anóxico foi de 164,4 minutos, que tomando como referência o período máximo de 290,0 minutos, apresentou uma redução de 43,3%, mostrando a atuação robusta do controlador difuso. O estudo do perfil temporal, no ciclo 85, mostrou a atuação efetiva do controlador difuso, associada aos pontos de controle nos processos biológicos do RSB. Nesse ciclo, as taxas máximas específicas de nitrificação e desnitrificação observadas, foram de 32,7 g NO3⁻-N/kg sólido suspenso volátil no licor misto.dia e 43,2g NO3 --N/kg sólido suspenso volátil no licor misto.dia, respectivamente.

The aim of the present work was to structure a fuzzy control, for the automation of sequencing batch reactors (SBR), in the process of the biological removal of organic matter and nitrogen from domestic wastewaters, using inferential parameters, such as pH, redox potential and dissolved oxygen, with the controlled variables being the durations of the aerobic and anoxic reactions. The experiment, on a laboratory bench scale, was composed of two sequencing batch reactors, with useful volume each of 10 L, of which 6 L were fed with synthetic sewage having the characteristics of domestic wastewater. The automation system was composed of the acquisition of electrochemical parameters (pH, redox potential and dissolved oxygen), the operating equipment (motor-pump, aerator and mixer) and predetermined or fuzzy control. The software CONSRB was used to integrate the system. The implemented fuzzy control consisted of the following procedures: normalization, fuzzification, inference, defuzzification, and denormalization. The inputs variables for the fuzzy control during the aerobic period were dpH/dt, dpH/d(t-1) and the pH values, and during the anoxic period dORP/dt, dORP/d(t-1) and the dissolved oxygen concentration values. The normalizations of the crisps variables were in the [0,1] universe, using the extreme values of the 1 to 70 cycle. For the fuzzification, triangular functions were applied, which represent, satisfactorily, the indeterminacies of the parameters. The fuzzy inference was through the heuristic base (rules), with the support of an expert, in which the implication of Mamdani was applied. For these implications, 18 symbolic expressions were used for each period, aerobic and anoxic. The defuzzification method was by the center of areas, which showed itself to be efficient in terms of the processing time. To tune the fuzzy controller, the software MATLAB was used, together with the routines of Fuzzy logic toolbox and the Simulink. The interval between the actions of the fuzzy controller was established as five minutes, being obtained by trials. The operation of the SBR one, during the 85 cycles, presented a mean BOD/TKN ratio of 4.67 mg BOD/mg N, being classified as a combined carbon and nitrogen oxidation process. The mean food-to-microorganism ratio was 0.11 kg BOD/kg mixed liquor volatile suspended solids.day, classifying the systems as prolonged aeration, in which the sludge age corresponded to 29 days. The mean sludge volume index was 117.5 mL/g, indicating a sedimentation with medium characteristics. The mean efficiencies of the carbon removal and nitrogen processes were 90.8% (as COD) and 49.8%, respectively. The average specific daily rates, in the nitrification and denitrification processes, were 24.2 g N/kg MLVSS.day and 15.5 g N/kg MLVSS.day, respectively. The monitoring measurements, in real time, of pH, redox potential and dissolved oxygen showed a great potential for control of the biological processes, in which pH was more representative in the aerobic period, and redox and dissolved oxygen more representative in the anoxic period. The operation of the SBR one, with the diffuse controller, presented, in the cycles 71 to 85, mean efficiencies of carbon and nitrogen removal of 96.4% (as COD) and 76.4%, respectively. The mean duration of the aerobic period was 162.1 minutes, representing a reduction of 19% with regard to the reference maximum period of 200 minutes. The mean duration of the anoxic period was 164.4 minutes, representing a reduction of 43.3% with regard to the reference maximum period of 290.0 minutes, thus demonstrating the robust action of the fuzzy controller. Examination of the temporal profile, in cycle 85, demonstrated the effective action of the fuzzy controller, associated with the control points in the biological processes of the SBR. In this cycle, the maximum specific rates of nitrification and denitrification observed were 32.7 g NO3⁻-N/kg mixed liquor volatile suspended solids.day, and 43.2 g NO3⁻-N/kg mixed liquor volatile suspended solids.day, respectively.