Control predictivo en un sistema de tratamiento anaerobio: formulación y simulación numérica

Abstract

En este trabajo se presenta el estudio de un proceso de digestión anaerobia en un reactor UASB para el tratamiento de lixiviados, con el objetivo de proponer una estrategia de control predictivo basado en un modelo no lineal (NMPC) para la regulación de la concentración de sustrato orgánico a la salida del bioreactor. Inicialmente se presenta un modelo matemático para describir el comportamiento dinámico del sistema, se asume que la dinámica del proceso presenta dos etapas principales: etapa metanogénica y etapa acidogénica. El modelo involucra en sus expresiones cinéticas los efectos de la temperatura y el pH, los cuales se analizan empleando la teoría de bifurcaciones. Se hace uso de un observador no lineal para la estimación las variables no medibles en línea, como lo son las concentraciones de biomasa y las velocidades máximas de crecimiento bacteriano. La calibración y validación del modelo y el observador se realiza empleando un conjunto de datos experimentales provenientes del bioreactor; como criterio de evaluación se considera el valor del error medio relativo. Finalmente, se evalúa el desempeño de la estrategia de control mediante simulaciones numéricas. Los resultados obtenidos muestran un buen desempeño de la técnica de control propuesta, para garantizar los valores permisibles del efluente del bioreactor en relación a la normatividad de vertimientos vigente en Colombia

Abstract : In this thesis, it is presented a study of an anaerobic digestion process in a UASB reactor for leachate treatment. The main objective of this work is to propose a predictive control strategy based on a non-linear model in order to regulate the outlet organic substrate concentration of the bioreactor. Initially, a mathematical model is presented to describe the dynamic behaviour of the system. The model assumes that the dynamics of the process involving two main stages: methanogenic stage and acidogenic stage. It includes temperature and pH parameters on kinetic rates expressions, and the effects of these parameters using the bifurcation theory are analysed. A non-linear observer to estimate non-measurable variables, such as biomass concentration and maximum bacterial growth rates is used. The model calibration and validation is performed using a set of experimental data. A comparative on the simulated and related measures has been made and the relative average error value is considered as criteria evaluating. Finally, by numerical simulations is evaluated the performance of the control strategy. The results obtained show a good performance of the technique proposed for control of the process, the NMPC guarantees the permissible discharge values by the regulations in Colombia