El documento describe un estudio de modelado y simulación de la estación depuradora de aguas residuales de El Chaparral. Se generó un modelo matemático que fue calibrado y validado con datos experimentales. El modelo se utilizó para simular diferentes escenarios operativos y la ampliación planificada de la planta, lo que ayudó a optimizar la operación y predecir el rendimiento futuro.

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Para el estudio se ha generado un modelo matemático de la EDAR,
siendo calibrado con datos experimentales y validado con más da-
tos analíticos gracias a una campaña experimental reforzada.
Se simularon diferentes operaciones relativas a la puesta en mar-
cha de las nuevas líneas proyectadas de manera que se minimiza-
ran las interferencias de la ejecución en obra con la normal ope-
ración de la planta, la cual debía seguir funcionando con la mayor
normalidad durante todo el proceso de construcción y puesta en
marcha.
Para dar soporte a la explotación, se
han simulado distintas estrategias
de operación para cada uno de los es-
cenarios climáticos, estacionales y de
evolución de la demanda.
Materiales y métodos
Descripción de la instalación
La EDAR disponía de un proceso bio-
lógico convencional de carga media
con dos líneas de tratamiento se-
cundario en paralelo de 1.800 m3
de
capacidad unitaria (25% de zona anóxica), precedidas cada una de
ellas por un decantador primario. La capacidad total de tratamien-
to según diseño era de 15.000 m3
/d, y con la ampliación prevista, se
ha incrementado hasta los 22.500 m3
/d.
La línea de fangos se encuentra compuesta de una línea de diges-
tor aerobio tanto para los fangos primarios como secundarios, y de
dos espesadores por gravedad para los fangos digeridos. Además,
dispone de sistema de deshidratación de fangos digeridos median-
te centrífugas y almacenamiento.
Fases del estudio de simulación
Fase I. Diseño del estudio, recopilación de la información existente y
diseño de la campaña analítica reforzada.
Las variables fisicoquímicas analizadas en el afluente, licor mezcla
y efluente, con una periodicidad de recogida y análisis de muestras
de cinco veces a la semana durante un mes, fueron las siguientes:
• En afluente y efluente: sólidos en suspensión totales (SST), de-
manda química de oxígeno (DQO), demanda química de oxígeno
soluble (DQOS), demanda biológica de oxígeno a los cinco días
(DBO5), nitrógeno total (NT), nitrógeno amoniacal (N-NH4+), ni-
For the purposes of the study, a mathematical model of the WWTP
was generated.This model was calibrated with experimental data
and validated using further analytical data, collected by means of
an intensive analysis campaign.
Different operations related to the commissioning of the new
lines were simulated in such a way as to minimise the interference
of the construction work with normal plant operation.The facility
had to continue to operate with the greatest possible degree of
normality during the construction and commissioning process.
To provide support to plant
operation,different operating
strategies were simulated for all
weather,seasonal and demand
scenarios.
Materials and methods
Description of the facility
The WWTP had a conventional half-
load biological process with two
secondary treatment lines arranged
in parallel, each with a capacity of
1,800 m3
(25% anoxic zone). Each of these lines was preceded by
a primary settling tank.The total design treatment capacity was
15,000 m3
/d, to be increased to 22,500 m3
/d subsequent to the
envisaged expansion of the plant.
The sludge line is made up of an aerobic digestion line for both
primary and secondary sludge, and two gravity thickeners for
digested sludge.There is also a sludge dewatering system, which
implements centrifuges, and a sludge storage facility.
Simulation study stages
Stage I. Study design, collection of existing information and design
of intensive analysis campaign.
The physicochemical variables analysed in the influent, mixed
liquor and effluent (with sample collection and analysis being
carried out 5 times per week for 1 month) were as follows:
• In the influent and effluent: total suspended solids (TSS),
chemical oxygen demand (COD), soluble chemical oxygen
demand (SCOD), 5-day biochemical oxygen demand (BOD5), total
nitrogen (TN), ammoniacal nitrogen (N-NH4+), nitrate nitrogen
(N-NO3-), total kjeldahl nitrogen (TKN), pH and conductivity.
APLICACIÓN DE HERRAMIENTAS
DE SIMULACIÓN PARA
CONTROL Y SUPERVISIÓN EN
LA REMODELACIÓN DE LA EDAR
EL CHAPARRAL GUADARRAMA -
COMUNIDAD DE MADRID
El presente artículo describe el estudio de modelado y simula-
ción del proceso biológico y analiza la estación depuradora
de aguas residuales (EDAR) de El Chaparral, cuya capacidad de
tratamiento necesita ser ampliada, y en la que la calidad al-
canzada en el efluente en cuanto a compuestos nitrogenados
se incumplía crónicamente durante parte del año, lo que re-
quería una remodelación, encaminado al cumplimiento del
Plan Nacional de Calidad de la Aguas (PNCA).
APPLICATION OF SIMULATION
TOOLS FOR CONTROL
AND MONITORING IN THE
REMODELLING OF THE EL EDAR
EL CHAPARRAL GUADARRAMA
WWTP- COMMUNITY OF MADRID
This article describes a modelling and simulation study
of the biological process at the El Chaparral Wastewater
Treatment Plant.The capacity of the plant had to be enlarged
and the quality of the effluent in terms of nitrogenated
compounds fell well short of compliance at certain times
of the year, meaning that the plant had to be remodelled
in order to achieve compliance with the Spanish National
Water Quality Plan (PNCA).

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trógeno nítrico (N-NO3-), nitrógeno total kjeldahl (NTK),
pH y conductividad.
• En licor mezcla: SST, sólidos en suspensión volátiles (SSV)
y temperatura (Tª).
Por otro lado, se realizó una caracterización exhaustiva del
caudal afluente mediante un ensayo respirométrico, para
conocer información analítica no disponible mediante en-
sayos convencionales, tales como la biodegradabilidad del
influente, fraccionamiento de la DQO influente y las cinéti-
cas de la nitrificación y desnitrificación.
En cuanto a la línea de fangos, se analizaron los SST y SSTV
con una periodicidad de un ensayo semanal en cada una de
las corrientes implicadas que permitieran realizar el balan-
ce de materia.
Todas las variables fisicoquímicas se determinaron median-
te procedimientos normalizados (APHA, 2005). La fracción
soluble se obtuvo a través de un filtro de 0,45 μm (Grady, 1989).
En base a la revisión de la totalidad de las analíticas disponibles
durante el periodo 2014-2015,se decidió adoptar el periodo de tiem-
po de un mes de duración entre julio y agosto de 2015, por ser de
los más documentados y por presentar cierta estabilidad tanto en
estrategia de explotación, como el más adecuado para la primera
simulación estacionaria que permitió realizar una primera calibra-
ción del modelo.
Fase II. Generación del modelo matemático integral de la EDAR
Se ha utilizado el modelo matemático de fangos activados ASM1
(ActivatedSludgeModel 1) (Henzeet al.,2000) adecuado para los ob-
jetivos de este estudio.
Fase III. Calibración y validación del modelo
a) Ensayos respirométricos
Durante el mismo periodo de realización del plan analítico de ca-
racterización ya indicado, se realizó un único ensayo respirométrico
al objeto de completar la recopilación analítica iniciada y aportar
información adicional no convencional sobre la caracterización del
influente.
b) Calibración del modelo en base a los resultados experimentales
y de simulación
A partir de las analíticas recopiladas durante el periodo de análisis
intensivo,se realizópara las dos líneas existentes,una calibración es-
tacionaria con los datos del periodo 1 (del 26/10/2015 al 05/11/2015),
determinando las siguientes fracciones de la DQO y del nitrógeno.
c) Criterios para la determinación de los márgenes de error
Para poder evaluar el grado de ajuste entre los valores simulados
y experimentales, se ha desarrollado una doble metodología para
cada uno de los parámetros evaluados (SSLM, N-NH4+, N-NO3-, NT
y DQO), que consiste en estudio de la dispersión existente en los
valores experimentales.
Se comprobó que los rangos de error y de dispersión fueron acep-
tables.
d) Verificación y validación
Se realizaron dos simulaciones dinámicas con los datos analíticos
y de operación recopilados durante el periodo de toma de datos
• In the mixed liquor:TSS, volatile suspended solids (VSS) and
temperature (T).
In addition, an exhaustive characterisation of the influent was
carried out by means of respirometry testing, in order to obtain
analytical information that cannot be obtained by means of
conventional tests, such as the biodegradability of the influent,
influent COD fractionation, and the kinetics of nitrification and
denitrification.
With respect to the sludge line, the TSS and TVSS were analysed
at weekly intervals in each of the flows involved, thereby enabling
the mass balance to be calculated.
All physicochemical variables were determined using standardised
procedures (APHA, 2005).The soluble fraction was obtained by
means of a 0.45 μm filter (Grady, 1989).
Based on a review of all the analytical data available over
the period 2014-2015, it was decided to adopt a period of one
month in duration between July and August of 2015, due to the
fact that this was amongst the most documented periods, and
because it presented a certain stability in terms of operating
strategy and the fact that it was the most appropriate for the
first seasonal simulation, which enabled an initial calibration of
the model.
Stage II. Generation of the global WWTP mathematical model
The activated sludge mathematical model ASM1 (Henzeet al.,
2000) was used, due to the fact that it was appropriate for the
objectives of this study.
Stage III. Calibration and validation of the model
a) Respirometry testing
During the same period as the analytical characterisation plan
was carried out, a single repirometry test was undertaken with
the aim of completing the analytical data collection process
and providing further, non-conventional information on the
characterisation of the influent.
b) Calibration of the model based on experiment and simulation
results
Apart from the analytical data collected during the period of
intensive analysis, a seasonal calibration was carried out for
the 2 existing lines with data from period 1 (from 26/10/2015 to

3. intensivo: periodo 1 (del 26/10/2015 al 05/11/2015) y periodo 2 (del
08/11/2015 al 19/11/2015). Adicionalmente, se realizó una validación
en periodo estival que confirmó la calibración realizada.
Fase IV. Optimización de la operación
Una vez calibrado y validado el modelo se procedió a la simulación
de la ampliación de la planta tal y como está prevista en la solución
del proyecto constructivo, para así conocer las características espe-
radas en el efluente, así como los costes de explotación asociados
esperados.
Resultados, discusión y conclusiones
En el modelo integral generado en WEST se representa la totalidad
de los procesos, bombeos, purgas y sistemas de aireación que com-
ponen la EDAR objeto del estudio.
La baja velocidad de desnitrificación que tiene lugar en la EDAR
puede ser reproducida en el modelo matemático mediante la dis-
minución del valor de hg. Dicho parámetro representa la posible
presencia de materia orgánica coloidal lentamente biodegradable.
Por ello, la baja concentración observada de la DQO rápidamente
biodegradable podría ser la causa del valor bajo de hg.
Una vez calibrado y validado el modelo han sido simulados los esce-
narios que reproducen el comportamiento de la planta proyectada
ante el progresivo incremento de las cargas contaminantes futuras
previstas, y diferentes escenarios de explotación, obteniendo los si-
guientes resultados:
• Se ha podido estudiar el funcionamiento de los reactores biológi-
cos en ciclos marcha-paro en diferentes situaciones, analizando
los resultados y los costes de explotación de la instalación de ace-
leradores de corriente en las zonas óxicas para evitar la decanta-
ción en las propias cubas de aireación.
• Se han simulado diferentes escenarios en los que se han obtenido
los parámetros de operación óptimos (caudales de purga, recircu-
lación y necesidades de oxigenación), habiendo constatado que
las diferencias entre dicho equipamiento ideal y el proyectado,
son mínimas,no siendo necesario replantear una modificación de
las mismas en casi todos los casos.
• Se ha comprobado que,dentro de la condición de imposibilidad de
modificar el volumen total de los reactores biológicos, no resulta
necesario modificar la distribución de zonas anóxicas (25% del vo-
lumen total) y óxicas planteada.
05/11/2015), determining the following COD and
nitrogen fractions.
c) Criteria for determining margin of error
In order to be in a position to evaluate the
degree of adjustment between the simulated
and experimental data, a dual methodology was
developed for each of the parameters evaluated
(MLSS, N-NH4+, N-NO3-, NT and COD), which
consisted of a study of the dispersion of the
experimental values.
It was verified that the ranges of error and
dispersion were acceptable.
d) Verification and validation
Two dynamic simulations were carried out with
the analytical and operational data collected
during the intensive data collection period:
period 1 (from 26/10/2015 to 05/11/2015) and
period 2 (from 08/11/2015 to 19/11/2015). In addition, a validation
was undertaken in the summer period, which confirmed the
calibration of the model.
Stage IV. Optimisation of operation
Once the model had been calibrated and validated, the next
step was simulation of the plant extension, as envisaged in the
construction project plan, in order to ascertain the expected
characteristics of the effluent as well as the associated
operating costs.
Results, discussion and conclusions
The global model generated by WEST features all processes,
pumping stations, drainage systems and aeration systems of
which the WWTP under study is composed.
The low rate of denitrification at the WWTP can be reproduced
in the mathematical model by lowering the value of hg.
This parameter represents the possible presence of slowly
biodegradable colloidal organic matter. For this reason, the low
observed concentration of readily biodegradable COD could be
the cause of the low hg value.
Once the model had been calibrated and validated, simulation
took place of the behaviour of the projected plant in the
envisaged future scenarios of progressively increasing
pollutant loads, as well as different operating scenarios.These
simulations produced the following results:
• It was possible to study the functioning of the bioreactors in
stop-start cycles in different scenarios, analysing the results
and operating costs of the flow acceleration system in the
oxic zones to prevent settling in the aeration tanks.
• Different scenarios were simulated in which optimal
operating parameters were obtained (sludge extraction
flows, recirculation and oxygenation requirements) and
it was verified that the differences between the ideal
equipment and the equipment included in the design were
minimal, meaning equipment modification was considered
unnecessary in almost all cases.
• It was observed that, within the constraint of the
impossibility of modifying the total volume of the bioreactors,
it was not necessary to modify the distribution of envisaged
anoxic (25% of total volume total) and oxic zones.
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• A modo de futura guía de ayuda a la explotación de la planta, se
han desarrollado otras simulaciones para diferentes caudales in-
feriores a los mencionados 22.500 m3
/d, de manera que sirva de
referencia durante el futuro incremento del caudal influente, tan-
to para época de bajas como de altas temperaturas.
• Adicionalmente se utilizó el simulador para analizar las futuras
interferencias de las obras con la planta existente,y de esta forma,
anticiparse a las mismas con las mejores estrategias de minimiza-
ción de problemas en la explotación. En concreto ha servido para:
• Análisis de la sustitución de la actual tolva de almacenamiento
de fangos deshidratados por una nueva de mayor capacidad.
• Análisis de la estrategia óptima de trasvase del fango en diges-
tión desde el actual digestor aerobio, reconvertido a reactor bio-
lógico, hasta el nuevo digestor aerobio. únicamente se operara
con uno de los dos digestores proyectados.
Conclusiones
Se ha modelado la planta depuradora existente y la proyectada de
manera integral, incluyendo la línea de agua y fangos, teniendo en
cuenta los retornos de los sobrenadantes. Para este trabajo se ha
utilizado la herramienta de simulación WEST. Los modelos unita-
rios asociados tanto a sistemas de decantación y a los procesos
biológicos han sido calibrados según datos reales de planta, verifi-
cados y validados en periodos diferentes. El simulador desarrollado
y ya validado, ha sido utilizado para explorar distintas estrategias
de operación de la EDAR. Se ha revisado el diseño de la ampliación
prevista, validando el mismo con ligeras modificaciones que han
afectado a las características de parte del equipamiento electrome-
cánico.También se han analizado las estrategias de operación ópti-
mas a aplicar ante conocidas situaciones que generarán interferen-
cias durante las obras, minimizando el efecto de las mismas sobre
la normal explotación de la planta que ha de continuar de manera
ininterrumpida durante el transcurso de las obras de ampliación.Se
ha generado una guía de ayuda a la explotación de la planta ante
diferentes escenarios de explotación futuros previsibles, en la que
se indica la estrategia óptima de funcionamiento, tanto por calidad
del efluente alcanzada como por costes de explotación asociados.
• For the purpose of drawing up the future“Guide to plant
operation”, other simulations were carried out for flows lower
than the aforementioned 22,500 m3
/d.This guide will serve as a
reference for the future increase of the influent, during periods
of both low and high temperatures.
• The simulator was also used to analyse the interference of the
construction work with the operation of the existing plant,
thereby enabling optimum interference minimisation strategies
to be implemented. It specifically served for:
• Analysis of the replacement of the current dewatered sludge
storage hopper with a larger unit.
• Analysis of the optimum strategy for transferring sludge in the
digestion process from the current aerobic digester (converted
into a bioreactor) to the new aerobic digester. Only one of the
projected digesters will be in operation.
Conclusions
The existing WWTP and the future facility were fully modelled,
including water and sludge lines and supernatant returns.
The WEST simulation tool was used for this purpose. The
unitary models associated with both settling systems and
biological processes were calibrated in accordance with real
plant data, verified and validated in different periods. The
developed and validated simulator was used to explore different
WWTP operating strategies. The design of the envisaged
extension to the plant was reviewed and validated with slight
modifications which affected the characteristics of part of the
electromechanical equipment. Analysis was also carried out
of optimum operating strategies to be implemented in known
scenarios that will cause interference during the execution
stage, with a view to minimising the effects of the construction
work on normal plant operation, which has to proceed without
interruption during the extension work. A “Guide to plant
operation” has been created to address different foreseeable
future operating scenarios. This guide indicates the optimum
operating strategy in terms of both effluent quality and
associated operating costs.
Daniel Portero de la Torre(*), Rafael Heredero Rodríguez (*), Héctor Rey Gosálbez (**)
(*) Canal de Isabel II. Área de Construcción de Depuración y Reutilización–Subdirección de Construcción.
(*) Canal de Isabel II. Area of Water Treatment and Reuse Infrastructure Construction–Sub-department of Construction Department.
(**) Instituto Universitario de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente (IIAMA). Universitat Politècnica de València.
(**) University Institute of Water and Environmental Engineering (IIAMA). UniversitatPolitècnica de València.
Agradecimientos | Acknowledgments
El presente trabajo ha podido ser realizado gracias al continuo apoyo y excelente formación prestada por Héctor Rey en materia de modelado
y simulación de EDAR. | This project could not have been carried out without the continuous support and expertise of Héctor Rey in the area of
WWTP modelling and simulation.
Referencias | References
American Public Health Association (APHA) (2005) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20th
ed.Washington, DC.
Batstone, D.J., Keller, J., Angelidaki, I., Kalyuzhnyi, S.V., Pavlostathis, S.G., Rozzi, A., Sanders,W.T., Siegrist, H., Vavilin, V.A. (2002) The IWA Anaerobic
Digestion Model No 1 (ADM1). London, UK: IWA Publishing
Grady, C.P.(1989) Dynamic modeling of suspended growth biological wastewater treatment processes. En G. Patry& D. Chapman (eds) Dynamic
Moedeling and Expert Systems in Wastewater Engineering (pp. 1-38). Chelsea, Michigan: Lewis Publishers.
Henze, M., Gujer,W., Mino,T., van Loosdrecht, M.(2000) Activated Sludge Models ASM1, ASM2, ASM2D and ASM3. London, UK: IWA Publishing.
Rieger, L., Gillot, S., Langergraber, G., Ohtsuki, T., Shaw, A., Takács, I., Winkler, S. (2012) Guidelines for Using Activated Sludge Models. London, UK:
IWA Publishing.