Las estaciones de servicio de saneamiento generan grandes cantidades de aguas residuales producto del lavado de sus filtros que representan pérdidas económicas para las mismas por su vertimiento y sin un tratamiento previo. La planta N° 02 EPSEL Lambayeque, utiliza aproximadamente 420 m3/día de agua para limpieza de sus filtros. Este efluente es desechado al dren Eureka, representando costos por pérdida en venta de agua y posibles multas por contaminación. La presente investigación tiene por objetivo proponer un sistema de tratamiento para reutilizar el agua de lavado y aprovecharla en el consumo humano. Por ello se caracterizó parámetros relevantes de su composición a través de análisis fisicoquímico y microbiológico. Los resultados fueron: pH: 7,80; DBO5: 8,07 mg/l; Aluminio Residual 0,45; Turbidez 525 NTU; Sólidos Sedimentables totales (SST): 4 500 mg/l; Coliformes Termotolerantes: 480 UFC/100 ml y Coliformes fecales: 120 UFC/100 ml, los cuales se encuentran fuera de los estándares de calidad para su potabilización con un tratamiento convencional con excepción del pH. Luego se seleccionó Ultrafiltración como el tratamiento avanzado más idóneo por la composición del agua a partir de factores como costo en tecnología, flujo, consumo de energía y calidad de agua. El sistema cuenta con procesos de sedimentación, coagulación floculación y sedimentación secundaria que permiten obtener agua de calidad, lo que se traduce en aumento en venta de agua potable y evitar costos por sanciones. Finalmente, el análisis costo beneficio, demostró la rentabilidad económica del proyecto indicando que por cada dólar invertido se genera $. 0,101.

La creciente escasez global de agua, agravada por el aumento demográfico, la intensificación agrícola e industrial, y el cambio climático, ha impulsado la investigación de soluciones para aprovechar recursos hídricos previamente considerados inutilizables, como el agua de mar, a través de técnicas de desalinización. Entre estas técnicas, la Osmosis Inversa destaca por su eficiencia operativa, generando la necesidad de desarrollar un sistema de control efectivo para asegurar la producción de agua potable en cantidades y calidad adecuadas. Este trabajo se concentra en establecer fundamentos para el diseño e implementación de un sistema de control para unidades de desalinización por ósmosis. Se aboga por el uso de técnicas avanzadas y robustas, proponiendo una solución basada en controladores robustos H desde la perspectiva de la Ingeniería de Control y Automatización. Estos controladores buscan controlar las variables críticas en sistemas de Osmosis Inversa, ya sea en plantas mono o multivariables. Además, se considera relevante comparar el diseño e implementación de los controladores H infinito (H) con otros convencionales y avanzados en diversos escenarios operativos, evaluando su rendimiento y robustez en condiciones diversas. Este enfoque integral aspira a contribuir al avance y optimización de sistemas de desalinización, especialmente en el contexto de la Osmosis Inversa, para hacer frente a la creciente demanda mundial de agua potable.

En la actualidad, la desalinización de agua constituye una respuesta prometedora a la escasez de agua mundial. Por este motivo, es necesario presentar alternativas de solución y uso eficiente de nuevas tecnologías que permitan desalinizar agua de mar para hacer frente a la escasez que vendrá en los próximos años. En el proceso de desalinización de agua de mar se utilizan varias técnicas como son la destilación flash multietapa, destilación por múltiple efecto, destilación por compresión de vapor y la osmosis inversa, siendo esta última la que ha ganado mayor terreno en la industria de la desalinización ya que opera rechazando normalmente el 99% de las sales del agua de alimentación. Por otro lado, a pesar de que la osmosis inversa es la técnica que menos energía consume, en muchos casos no se ha trabajado con una estrategia de control adecuada, generando un funcionamiento deficiente de la planta. Esto tiene como consecuencia que el grado de pureza del agua desalinizada no cumpla con los estándares establecidos para consumo humano. El Perú, a pesar de sus cuantiosos recursos hídricos, presenta problemas de escasez de agua debido a la mala distribución de dichos recursos y a la geografía adversa. Según la Organización Internacional del Agua, en el 2025 el Perú será uno de los países más afectados en Latinoamérica ya que sufrirá de estrés hídrico permanente. Por tal motivo, se hace imprescindible una política que permita implementar plantas desalinizadoras a nivel de toda la costa y de otros lugares que lo requieran en el país. Para ello, es necesario desarrollar una técnica de control que permita manipular el proceso de desalinización de manera eficiente y que considere el comportamiento dinámico complejo de este sistema multivariable que no puede ser manipulado de forma correcta mediante técnicas tradicionales de control. Por otro lado, se necesita hallar un modelo adecuado que represente la dinámica del sistema, siendo muchas veces difícil de obtenerlo de manera precisa. En este sentido, las técnicas de control inteligente resultarían adecuadas ya que tienen la capacidad para actuar de forma apropiada sobre un entorno incierto de manera eficiente y flexible, ofrecen eficiencia computacional y dotan al control de “cierta inteligencia” para evitar comportamientos del sistema provocados por sus características no lineales. Dentro de las técnicas inteligentes se tienen las redes neuronales, lógica difusa y algoritmos genéticos. Es por ello que, mediante el uso de técnicas de control avanzado se buscará desarrollar, en este trabajo, un sistema de control inteligente para una unidad de osmosis inversa eligiendo un modelo matemático que describa adecuadamente la dinámica del proceso. Asimismo, se presenta una comparativa entre el desempeño del controlador propuesto y controladores clásicos para justificar el uso del control avanzado. Posteriormente, se realiza una propuesta de implementación basada en una aplicación en PLC ControlLogix5000 de Allen Bradley. / Tesis

La problemática de la escasez de agua en el Perú y en el mundo ha fundamentado el desarrollo de técnicas de desalinización que permiten el aprovechamiento del recurso acuífero más abundante en el planeta: el agua de mar. Los esfuerzos en el control de las plantas desalinizadoras de agua de mar por ósmosis inversa están enfocadas en maximizar el rendimiento de los bastidores de ósmosis inversa de tal manera que estos produzcan una determinada cantidad de agua por hora con una calidad aceptable para uso humano. Un funcionamiento inadecuado de los sistemas de control se traduce en pérdidas económicas y operaciones ineficientes de la planta. En este trabajo se propone el diseño de un controlador predictivo generalizado (GPC) que hace uso de un modelo matemático de una unidad de ósmosis inversa y que permite controlar con mayor efectividad el proceso de desalinización. Además se incluye el algoritmo para desarrollar este controlador en procesos monovariables y multivariables. El desempeño del controlador diseñado ha sido comparado con otros controladores de tipo convencional y también de tipo avanzado bajo diferentes escenarios de operación y de acuerdo a índices que permiten cuantificar el desempeño de los mismos. Por último, se presenta una propuesta de implementación de una unidad de ósmosis inversa así como una propuesta de programación del controlador GPC en un controlador lógico programable. / Tesis

En la presente tesis se efectuó la evaluación de un problema social relevante, a partir del problema identificado se procedió a desarrollar una solución. Es así que mediante la aplicación de diferentes metodologías y herramientas como lean startup se procedió a desarrollar un modelo de negocio sostenible el cual aborda dicho problema social relevante identificado. El modelo de negocio a desarrollar posee por nombre Puquio Más dicho nombre posee un vocablo en quechua que significa: “ manantial de agua que brota de la tierra”, que es lo que se busca transmitir, ya que el proyecto consiste en la ejecución de plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR), la cual recibirá las aguas residuales de diferentes fuentes como duchas, lavaderos de manos, lavaderos de ropa, lavadoras y la transformara en agua reutilizable para poder regar las áreas verdes de las edificaciones, adicionalmente a esto la infraestructura de la PTAR no se basará en solo tanques de forma estructural, por el contrario se concibe como una estructura que va formar parte del paisajismo o área verde de la edificación, de tal forma que sea amigable con el entorno visual y acompañe el diseño arquitectónico. El modelo de negocio planteado fue sometido a pruebas de deseabilidad, mediante la cual se plantearon dos hipótesis y las mismas fueron validadas a través de cuestionarios efectuados a diferentes usuarios. En referencia a la hipótesis N.° 1 el resultado obtenido fue que el 75% de los encuestados que son personas que trabajan en empresas inmobiliarias de Lima metropolitana y provincia estarían dispuestas a invertir en una PTAR. Con respecto a la segunda hipótesis el 100% de las personas encuestadas consideran razonable el precio establecido. Adicionalmente, Puquio más es un proyecto que cubre la ODS N°6 con un índice de relevancia social (IRS) del 33.33%. Por otro lado dicho proyecto genera un VAN promedio de S/ 4,231,893 con una inversión inicial de S/500,000 y un VAN social US$ 7,180,469. / In the present thesis the evaluation of a relevant social problem was carried out, From this starting point we proceed to develop a solution. Applying different methodologies and tools like Lean startup we develop a sustainable business model, which is ment to solve the social relevant problem identified. The name assigned to the business model in development is Puquio mas. This name carries within it a word in Quechua that means: “ water spring that flows from the earth”, and that is the scene that we want to transfer to the public. Because the project is about the execution of wastewater treatment plants (WWTP). Which receive wastewater from different sources such as showers, hand washing, laundry facilities, washing machines, transforming this into a reusable water in order to irrigate the green areas of the building in addition to this, the structure of the WWTP will not be based on septic tanks and cisterns, on the contrary, it is conceived as a structure that will be on the surface and will form part of the green area of the building., in such a way that it is visually friendly to the environment and attaches to the architectural design. The proposed business model was subjected to desirability tests, and in this desirability test we state two hypotheses, and those were validated through a questionnaire made to different users. In reference to the first hypotheses the result obtained was: 75% of the respondents who are people working in real estate enterprises from Lima and other province would want to invest in the purchase of a WWTP. Regarding the second hypotheses, the price established is reasonable according to the 100% of the people surveyed. Additionally, Puquio mas is a project covering the object number 6 from the Sustainable Development Goals from the ONU, witn a social relevance index (SRI) of 33.33%. On the other hand the project has a NPV of S/ 4,763,827 with a starting investment of S/500,000 and a social NPV of S/ 11,238,176.

This thesis proposes a novel approach for a nonlinear adaptive observer design applied to a reverse osmosis desalination plant. The considered mathematical model of the de- salination system includes nonlinearities of the states and the parameters that cannot be handled with previously published estimation methods which are based on the mod- ulating function technique. Therefore, the proposed real-time capable approach uses a decoupled parameter estimator and state observer. These estimates can be utilized for developing a controller or a fault detection system of the desalination plant with the aim of improving the quality and effort of fresh water production. The parameter estimator is composed of a convolution filter with modulating func- tions and the common Extended Kalman-Bucy Filter in order to estimate nonlinear parameters of a state-linear input/output relation. To receive a regression form of the nonlinear system for the state observer and to avoid the necessity of time-derivatives of the measured input and output signals, a linearization by means of the Taylor se- ries and the modulating function technique are applied. The estimates can be non- asymptotically obtained by using a sliding window of finite length. This procedure allows a continuous and recursive update of the state estimates and extends the possi- ble applications of the modulating function technique to nonlinear systems. Comparative simulations are executed with the considered nonlinear system of a reverse osmosis desalination plant. Distinct scenarios with respect to the parameter change and the impact of noise are examined. The parameter and state coupled Ex- tended Kalman-Bucy Filter shows an asymptotic convergence of its estimates, whereas the decoupled proposed adaptive observer confirms its non-asymptotic behavior by fast estimation results.

Partiendo de la problemática que implica el incremento significativo de la demanda de agua potable en los últimos años, así como su inminente escasez debido a las reservas limitadas de agua dulce, se plantea el aprovechamiento de las reservas de agua salada a través del proceso de desalinización mediante ósmosis inversa. El presente trabajo tiene como propósito establecer las bases para el desarrollo de un sistema de control y su implementación en una unidad de ósmosis inversa de una planta desalinizadora de agua de mar. Se requiere de un control efectivo de dichas plantas para producir agua potable en la cantidad y calidad requerida, por lo cual es necesario utilizar técnicas adecuadas de control. Dentro de este contexto se plantea una solución desde el punto de vista de la Ingeniería de Control y Automatización, desarrollando controladores PID avanzado basados en el método MIGO para el control robusto de las variables críticas de una unidad de ósmosis inversa. Para alcanzar éste propósito se realizó una revisión del estado de arte de los controladores PID y de los sistemas de control de plantas de ósmosis inversa. Después de analizar dichos sistemas de control y debido a que los controladores convencionales no ofrecen un control efectivo, se propone el desarrollo de un controlador PID avanzado mediante el método MIGO para su aplicación en una unidad de ósmosis inversa. Para ello se estudiaron modelos matemáticos que caractericen el comportamiento dinámico de las variables críticas de una unidad de ósmosis inversa y luego se procedió al diseño de los controladores PID avanzado. Se diseñaron los controladores PID avanzado basados en el método MIGO luego de haber realizado el desacoplamiento de una unidad de ósmosis. Se simuló el sistema de control con el PID-MIGO en Matlab/Simulink, bajo diferentes condiciones de operación nominal, en presencia de perturbaciones y de señales ruidosas, obteniendo buenos resultados de control y robustez, superando a los controladores PID convencionales. Finalmente se realizó una propuesta de implementación práctica del sistema de control desarrollado, basada en la aplicación de un PLC, una PC y un cliente/servidor OPC. / Tesis

Actualmente en la localidad del valle de Benasque no se cuenta con un sistema de depuración de aguas residuales que cumpla con las normativas de concentraciones de vertidos exigidas. Las localidades de Benasque, Linsoles y Anciles (esta última con una estación depuradora de aguas residuales inservible) arrojan al rio Ésera directamente los vertidos. Sumado a ello, la aparición de edificaciones anexadas a la carretera A-131 y el aumento de población en periodo estacional hacen que la carga contaminante vertida al río sea importante. La concentración de DBO5 es de 200 miligramos por litro, de sólidos en suspensión es de 150 miligramos por litro, de nitrógeno es de 50 miligramos por libro y de fósforo es de 5 miligramos litro; valores por encima de lo indicado en la norma española Real Decreto 509/1996 de 15 de marzo. Esto ocasiona que no se logre el “buen estado” de las aguas superficiales indicada en la “Directiva Marco del Agua” a nivel europeo y exista una contaminación importante en una zona protegida LIC Rio Ésera. Por medio de una inversión de 3 961 064,96 euros se plantea el diseño y construcción de una estación depuradora de aguas residuales EDAR para la localidad de Benasque que recoge los vertidos y los eleva mediante dos estaciones de bombeo de aguas residuales. La estación depuradora de Benasque tiene previsto cubrir una necesidad de depuración de 9 000 habitantes equivalentes, con una tecnología de fangos activos o aeración prolongada con eliminación de nitrógenos y fósforos por vía química. La estación depuradora de aguas residuales consta de una línea de agua y una de fango. La primera se compone de un pretratamiento en la cual se separan sólidos de gran tamaño, arenas y grasas; y un tratamiento biológico donde se elimina la materia orgánica, nitrógeno y fósforo. La segunda se compone de procesos de decantación, espesamiento y deshidratación del fango. Las dos soluciones contempladas en este proyecto sólo varían en la configuración del reactor biológico en la línea de agua. Mientras que ambas soluciones consideran una eliminación de fósforo mediante la adición de un reactivo, debido a la relativa baja concentración de dicho contaminante. Esto último trae como principal beneficio el ahorro significativo en la obra civil, ya que se prescinde de una cámara anaerobia. En cuanto a la configuración de los reactores biológicos, se encuentran la configuración de reactor biológico tipo “flujo pistón” y tipo “carrusel”. Se ha realizado un análisis multicriterio AHP (Analytic Hierarchy Process) para comprar las ventajas y desventajas de las dos soluciones incluyendo una solución de no realizar el proyecto, bajo tres criterios fundamentales como son el económico, técnico y ambiental. La alternativa óptima es la configuración de reactor tipo carrusel debido a sus múltiples ventajas, entre ellas la mejor calidad de salida del efluente, menor gasto de oxígeno, menor consumo de energía, mejor eliminación de nitrógeno, etcétera. Toda la línea de agua tendrá dos líneas para facilitar el mantenimiento y la variabilidad del caudal entrante a la estación depuradora. El reactor biológico tipo carrusel tendrá un volumen de 2 685,4 metros cúbicos con un resguardo de medio metro, con lo cual se obtiene un vertido con concentraciones de 14,5 miligramos por litro de nitrógeno total Kjeldahl (NTK) y 3 miligramos por litro de fósforo total (PT), con lo cual se obtiene una concentración menor a la normada de 15 y 5 miligramos por litro respectivamente exigidos por norma.

Los sistemas de diagnóstico de fallas cumplen un papel importante en los sistemas de control en la actualidad, ya que los distintos elementos que componen la planta son susceptibles a fallas. Las fallas que ocurren en una planta desalinizadora por ósmosis inversa pueden traer como consecuencia una mala calidad de agua desalinizada, reducir considerablemente la eficiencia de producción de la planta, poner en peligro la integridad de los operadores de la planta o provocar problemas con el medio ambiente. En este trabajo se desarrolla un modelamiento matemático de parámetros concentrados de una planta desalinizadora con un módulo de por ósmosis inversa en configuración enrollamiento en espiral, con el objetivo de obtener un conjunto de ecuaciones analíticas que describan el comportamiento dinámico de la planta y comprender las principales variables que intervienen en el modelo. A partir del modelo obtenido, se hace un análisis estructural del proceso para luego obtener el conjunto de relaciones de redundancia analítica (RRA) que servirán de base para la detección de fallas. Se definen las principales fallas en sensores, actuadores y variables internas que intervienen en el proceso de desalinización por OI, luego se desarrolla un algoritmo para la simulación del modelo dinámico de la planta. Se realiza la simulación de fallas en los distintos componentes del sistema y se compara el sistema en modo normal de funcionamiento con el sistema sometido a fallas. Se realizan pruebas de detectabilidad y diagnosticabilidad de fallas mediante un algoritmo de emparejamiento de restricciones (matching) a partir de las RRA obtenidas, además mediante el cálculo de posibles mínimos subconjuntos de prueba MTES, se realizaron pruebas adicionales de aislabilidad de fallas simultáneas. De las pruebas de simulación, se consiguió detectar todas las fallas consideradas y mediante el análisis de diagnosticabilidad se logró aislar adecuadamente la mayoría de ellas, se logró determinar la forma de generar RRA a partir del cálculo de MTES para aislar fallas simultáneas. Finalmente se realizó la propuesta de implementación del sistema de diagnóstico de falla en el Software Rslogix5000 con interfaz Scada FactoryTalk View de Rockewell Automation.

En la actualidad, el agua es esencial para el desarrollo de una vida sostenible, y se considera el principal recurso natural para uso doméstico, industrial y agrícola (Higa Laura E. & Chen Weiqi, 2009). A pesar de su importancia, se tiene diversos problemas: la escasez, reparto no equitativo y el uso erróneo y desmesurado. Por ello, una buena alternativa es el incluir en la gestión del agua a las aguas residuales. Las aguas residuales poseen un alto valor energético, por lo que muchos países alrededor del mundo están reincorporándolos al ciclo productivo del agua (Crespi et al., 2005). Para que esto suceda, se empezó con el uso de plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) que mejoren la calidad del agua residual obteniendo valores que cumplan la legislación de cada país. En el Perú se empezó con la utilización de PTAR en el siglo XX con el sistema de lagunas facultativas (Moscoso C. Julio, 2011). Actualmente el 32.3% de las aguas residuales reciben un tratamiento previo y solo el 3.84% es reutilizado (SUNASS, 2015). Por lo que se plantea el diseño de PTAR que brinde tratamiento a una fracción de las aguas residuales provenientes de Los Olivos para su posterior aprovechamiento en el riego de áreas verdes en el mismo distrito. Para llevar a cabo el diseño de la PTAR se utiliza la siguiente metodología basada en el enfoque de Bozkurt et al., 2015: estimar los caudales de diseño, corroborar que dichos caudales sean abastecidos por los pobladores del lugar de estudio, caracterizar el agua residual, establecer los límites máximos permisibles para realizar el diseño través de método empíricos y el software BioWin 5.0. Para la selección de las tecnologías se hace uso del Análisis de Decisión Multicriterio (MCDA) priorizando el factor técnico. Los resultados obtenidos en cuanto a los grados de remoción de la materia orgánica y los sólidos en suspensión han sido satisfactorios, ya que se logra cumplir con los límites máximos permisibles establecidos (LMP) en el D.S. N°003-2010-MINAM. Para lograr cumplir con la Directiva Ambiental Europea EC 1998 será necesario mejorar la configuración y para ello se agregará un sistema anaerobio-aerobio, el tratamiento secundario estará constituido por reactores anaerobios de flujo ascendente y filtros percoladores, con esta tecnología se obtendría remociones de materia orgánica cercanas al 100%. Por lo que, esta configuración podrá ser utilizada como una buena opción para implementar una planta en Los Olivos.