El Distrito Municipal de Agua del Este (EMWD) atiende a casi un millón de personas que viven y trabajan en un área de 558 millas cuadradas en el condado de Riverside, California. Como la sexta agencia de agua minorista más grande del estado, su misión es proporcionar “servicios de agua, aguas residuales y agua reciclada seguros, confiables, económicos y ambientalmente sostenibles”.
"Nos esforzamos en todo momento por producir el agua de la más alta calidad posible", dijo Matthew Melendrez, P.E., subgerente general asistente de Operaciones y Mantenimiento, "y hacerlo de la manera más económica posible para nuestros clientes, a fin de ayudar a mantener bajos sus costos".
Pero una población en crecimiento y un área de servicio en expansión han aumentado las demandas sobre el distrito. Sus cuatro plantas de recuperación actualmente tratan aproximadamente 48 millones de galones de aguas residuales al día, eliminando impurezas.
"Las dos cosas principales que intentamos eliminar son los compuestos orgánicos y el amoníaco", señaló Melendrez. "Si no los eliminamos, tienen un gran impacto en el medio ambiente".
Un proceso desafiante y que consume mucha energía para controlar
La aireación es un paso clave en el tratamiento de aguas residuales y uno de los que más energía consume. Las plantas de EMWD gastan casi la mitad de sus facturas de electricidad en el oxígeno disuelto que se utiliza para biodegradar los residuos.
"La industria ha tenido problemas durante mucho tiempo con el control de la aireación y la búsqueda de mejores formas de operar las cuencas", explicó Melendrez. "Los parámetros del proceso cambian prácticamente cada minuto del día a medida que las tasas de flujo y los volúmenes de amoníaco y compuestos orgánicos fluctúan rápidamente, lo que dificulta la programación de un punto de ajuste PID típico para alcanzar sus objetivos de oxígeno disuelto (DO)".
Establecer el objetivo demasiado alto requiere un aumento de la electricidad para proporcionar aire innecesario. Establecerlo demasiado bajo inhibe la oxidación de amoníaco, lo que requiere desinfección y mayores cantidades de cloro.
"Normalmente utilizamos un sistema de control PID simple que abre y cierra lentamente las válvulas de aire a medida que el DO aumenta o disminuye. Todo es reactivo y basado en retroalimentación, y los operadores suelen intervenir a diario para hacer ajustes manuales", dijo Melendrez. "Pero hay un retraso desde el momento en que se hacen los ajustes hasta que vemos los resultados porque los tanques son tan grandes y las condiciones siguen cambiando. Todo esto hace que sea difícil para un PID regular manejarlo y por qué esta es una de las mayores oportunidades para mejorar la eficiencia".
Un mejor rendimiento de la aireación también tendría un impacto positivo en los procesos posteriores, donde la planta podría mejorar la desinfección y reducir los costos de productos químicos.
Solución de inteligencia artificial y aprendizaje automático
EMWD se acercó a Rockwell Automation, uno de sus proveedores de tecnología de larga data, para desarrollar y probar una aplicación de inteligencia artificial (IA) que aprende el estado actual de las operaciones de aireación y, con una intervención mínima del personal, ajusta de manera óptima la respuesta PID a medida que cambian las condiciones.
Junto con el Rockwell Automation Water Wastewater, Solutions & Services y los equipos de Advanced Analytics, EMWD puso en marcha un sistema de control habilitado por IA en su planta de recuperación de San Jacinto Valley, que trata 7 millones de galones de agua al día. El personal de la planta instaló un controlador Allen-Bradley CompactLogix™ 5480 en la red de automatización existente, lo que le permite interactuar con otros procesos según sea necesario.
"Como ya utilizamos Rockwell Automation para el control, esta parecía una buena solución que se integraría bien con el resto de nuestro sistema. La instalación y la implementación fueron sencillas con una programación menor, y potencialmente podemos desplegar la unidad y la IA para otros procesos en el futuro sin necesidad de más módulos", dijo Melendrez. "Rockwell Automation lo hizo fácil y todo salió bien trabajando estrechamente como un equipo".
Dos núcleos Logix se conectan al sistema de control, mientras que otros dos procesadores ejecutan el software de inteligencia artificial de Rockwell Automation. La inteligencia artificial controla la cantidad de aire que se introduce en la cuenca de aireación mediante el monitoreo y la actualización continuos de la respuesta PID. Los datos se utilizan para ajustar las válvulas de aire y la cantidad de oxígeno suministrada antes de que el DO se desvíe demasiado del punto de ajuste.
"Mediante el aprendizaje automático, los científicos de datos de Rockwell Automation determinaron que el flujo de aguas residuales y la carga de amoníaco tienen el mayor impacto en el rendimiento del oxígeno", explicó Melendrez. "Construyeron un modelo bastante preciso para predecir la demanda de DO para cualquier tasa y carga dada, y programaron de forma remota el software de IA".
EMWD ejecutó su control PID clásico durante un mes, seguido del control habilitado por IA durante otro mes para comparar los resultados.
Mejora sustancial del rendimiento
Con el control habilitado por IA, EMWD redujo la cantidad de aire suministrado a la cuenca de aireación hasta en un 31 %. La planta no solo tuvo más éxito en el funcionamiento del DO más cerca de su punto de ajuste, sino que también pudo reducir el objetivo de DO. Un mejor control de DO también condujo a una mejor calidad del efluente con menos fuga de amoníaco, lo que redujo la necesidad de desinfectantes.
"Fue emocionante ver cómo pasó de ser algo que no funcionaba bien y que necesitaba que los humanos se hicieran cargo regularmente a algo totalmente automatizado que proporcionó una mejora sustancial en el rendimiento, beneficios financieros y redujo nuestra huella de carbono", compartió Melendrez.
Calcula que el mejor control de DO reducirá el consumo de energía de la planta en 960 kWh de electricidad al día, lo que representa un ahorro anual de USD 42,000. Además, la capacidad de reducir el punto de ajuste de DO permitirá un ahorro adicional de electricidad diario de 1370 kWh, lo que resultará en un ahorro anual de USD 60,000.
Myan Bourdon, gerente de cuenta de Rockwell Automation Water Wastewater para EMWD, está entusiasmada con las posibilidades que ofrece la aplicación para la industria. Dijo: "Estamos deseosos de explorar con EMWD y otros proveedores de agua y aguas residuales cómo la inteligencia artificial y el aprendizaje automático pueden mejorar tanto la sostenibilidad como la productividad de las operaciones".
EMWD continúa utilizando el sistema de control habilitado por IA y espera trabajar con Rockwell Automation para ampliar su aplicación a las otras cuencas de aireación del distrito. De cara al futuro, Melendrez vislumbra otra oportunidad de aplicar la solución de IA: la desinfección.