Partial nitritation of landfill leachate in a SBR prior to an anammox reactor : operation and modelling

Els lixiviats d'abocadors urbans són aigües residuals altament contaminades, que es caracteritzen per les elevades concentracions d'amoni i el baix contingut de matèria orgànica biodegradable. El tractament dels lixiviats a través dels processos de nitrificació-desnitrificació convencionals és costós a causa de la seva elevada demanda d'oxigen i la necessitat d'addició d'una font de carboni externa. En els darrers anys, la viabilitat del tractament d'aquest tipus d'afluents per un procés combinat de nitritació parcial-anammox ha estat demostrada. Aquesta tesi es centra en el tractament de lixiviats d'abocador a través d'un procés de nitritació parcial en SBR, com un pas preparatori per a un reactor anammox. Els resultats de l'estudi han demostrat la viabilitat d'aquesta tecnologia per al tractament de lixiviats d'abocador. El treball va evolucionar des d'una escala inicial de laboratori, on el procés va ser testat inicialment, a uns exitosos experiments d'operació a llarg termini a escala pilot. Finalment, la tesi també inclou el desenvolupament, calibració i validació d'un model matemàtic del procés, que té com a objectiu augmentar el coneixement del procés.

Control and optimization of an SBR for nitrogen removal: from model calibration to plant operation

En aquesta tesis s'ha desenvolupat un sistema de control capaç d'optimitzar el funcionament dels Reactors Discontinus Seqüencials dins el camp de l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals. El sistema de control permet ajustar en línia la durada de les etapes de reacció a partir de mesures directes o indirectes de sondes. En una primera etapa de la tesis s'ha estudiat la calibració de models matemàtics que permeten realitzar fàcilment provatures de diferents estratègies de control. A partir de l'anàlisis de dades històriques s'han plantejat diferents opcions per controlar l'SBR i les més convenients s'han provat mitjançant simulació. Després d'assegurar l'èxit de l'estratègia de control mitjançant simulacions s'ha implementat en una planta semi-industrial. Finalment es planteja l'estructura d'uns sistema supervisor encarregat de controlar el funcionament de l'SBR no només a nivell de fases sinó també a nivell cicle.

SBR technology for wastewater treatment: suitable operational conditions for a nutrient removal

Actualment, la legislació ambiental ha esdevingut més restrictiva pel que fa a la descàrrega d'aigües residuals amb nutrients, especialment en les anomenades àrees sensibles o zones vulnerables. Arran d'aquest fet, s'ha estimulat el coneixement, desenvolupament i millora dels processos d'eliminació de nutrients. El Reactor Discontinu Seqüencial (RDS) o Sequencing Batch Reactor (SBR) en anglès, és un sistema de tractament de fangs actius que opera mitjançant un procediment d'omplerta-buidat. En aquest tipus de reactors, l'aigua residual és addicionada en un sol reactor que treballa per càrregues repetint un cicle (seqüència) al llarg del temps. Una de les característiques dels SBR és que totes les diferents operacions (omplerta, reacció, sedimentació i buidat) es donen en un mateix reactor. La tecnologia SBR no és nova d'ara. El fet, és que va aparèixer abans que els sistema de tractament continu de fangs actius. El precursor dels SBR va ser un sistema d'omplerta-buidat que operava en discontinu. Entre els anys 1914 i 1920, varen sorgir certes dificultats moltes d'elles a nivell d'operació (vàlvules, canvis el cabal d'un reactor a un altre, elevat temps d'atenció per l'operari...) per aquests reactors. Però no va ser fins a finals de la dècada dels '50 principis del '60, amb el desenvolupament de nous equipaments i noves tecnologies, quan va tornar a ressorgir l'interès pels SBRs. Importants millores en el camp del subministrament d'aire (vàlvules motoritzades o d'acció pneumàtica) i en el de control (sondes de nivell, mesuradors de cabal, temporitzadors automàtics, microprocessadors) han permès que avui en dia els SBRs competeixin amb els sistemes convencional de fangs actius. L'objectiu de la present tesi és la identificació de les condicions d'operació adequades per un cicle segons el tipus d'aigua residual a l'entrada, les necessitats del tractament i la qualitat desitjada de la sortida utilitzant la tecnologia SBR. Aquestes tres característiques, l'aigua a tractar, les necessitats del tractament i la qualitat final desitjada determinen en gran mesura el tractament a realitzar. Així doncs, per tal d'adequar el tractament a cada tipus d'aigua residual i les seves necessitats, han estat estudiats diferents estratègies d'alimentació. El seguiment del procés es realitza mitjançant mesures on-line de pH, OD i RedOx, els canvis de les quals donen informació sobre l'estat del procés. Alhora un altre paràmetre que es pot calcular a partir de l'oxigen dissolt és la OUR que és una dada complementària als paràmetres esmentats. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen d'una aigua residual sintètica utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de l'estudi de l'efecte del nombre d'alimentacions, la definició de la llargada i el número de fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha aplicat l'estratègia d'alimentació esglaonada a dues aigües residuals diferents: una procedent d'una indústria tèxtil i l'altra, dels lixiviats d'un abocador. En ambdues aigües residuals es va estudiar l'eficiència del procés a partir de les condicions d'operació i de la velocitat del consum d'oxigen. Mentre que en l'aigua residual tèxtil el principal objectiu era eliminar matèria orgànica, en l'aigua procedent dels lixiviats d'abocador era eliminar matèria orgànica i nitrogen. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen i fòsfor d'una aigua residual urbana utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de la definició del número i la llargada de les fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha analitzat la influència del pH i la font de carboni per tal d'eliminar fòsfor d'una aigua sintètica a partir de l'estudi de l'increment de pH a dos reactors amb diferents fonts de carboni i l'estudi de l'efecte de canviar la font de carboni. Tal i com es pot veure al llarg de la tesi, on s'han tractat diferents aigües residuals per a diferents necessitats, un dels avantatges més importants d'un SBR és la seva flexibilitat.

Innovative reaction systems for acetal (1,1 diethoxy butane) production from renewable sources

370 p.: il., graf.

Producción de hidrógeno por reformado catalítico en fase acuosa de disoluciones de metanol. Catalizador de Platino.

El objetivo que persigue la línea de investigación en la que se engloba este trabajo es la obtención de hidrógeno desde disoluciones acuosas de metanol (aproximadamente del 10% de metanol), considerando estos compuestos como una forma de almacenar hidrógeno y obtenerlo a baja temperatura “on-board” en un vehículo mediante el reformado en fase acuosa. El reto es conseguir un sistema catalítico de pequeño volumen y rápida respuesta a las demandas de hidrógeno con elevado rendimiento y calidad apropiada (<10 ppm de CO) para las pilas de combustible PEM. Los objetivos planteados en el siguiente trabajo se centran en la preparación y caracterización de un catalizador de platino soportado en alúmina, y la puesta en marcha de un reactor discontinuo de mezcla perfecta a presión para la evaluación de catalizadores en el proceso de reformado en fase líquida.

Reciclado por glicólisis de resíduos de poliuretano. Estudio de las condiciones de operación

En el presente proyecto se ha llevado a cabo el estudio de la glicólisis catalítica del PU para la despolimerización. Esta reacción se realiza entre dos reactivos: uno en fase sólida (PU) y otro en fase líquida (dietilenglicol, DEG). El producto de reacción de interés es el poliol de partida. En primer lugar se han estudiado las condiciones óptimas de reacción con el catalizador mayoritariamente utilizado para la glicólisis (dietilenamina) en un reactor discontinuo de tipo tanque agitado. Debido al problema ambiental asociado al catalizador se ha llevado a cabo el estudio de diferentes catalizadores medioambientalmente más amigables.Por último, Se ha caracterizado el producto de reacción por cromatografía de permeación de gel (GPC), espectrometría infrarroja (FTIR) y se ha determinado el contenido de agua, la viscosidad y la densidad. Así mismo se ha llevado a cabo un ensayo de re-espumación de PU empleando el poliol recuperado.

A database ATP simulated waveforms of shunt reactor switching cases with vacuum breakers on motor circuits

This paper presents a database ATP (Alternative Transient Program) simulated waveforms for shunt reactor switching cases with vacuum breakers in motor circuits following interruption of the starting current. The targeted objective is to provide multiple reignition simulated data for diagnostic and prognostic algorithms development, but also to help ATP users with practical study cases and component data compilation for shunt reactor switching. This method can be easily applied with different data for the different dielectric curves of circuit-breakers and networks. This paper presents design details, discusses some of the available cases and the advantages of such simulated data.

Computational fluid dynamics analysis of a flat plate photocatalytic reactor for storm and wastewater reuse

A computational fluid dynamics (CFD) analysis has been performed for a flat plate photocatalytic reactor using CFD code FLUENT. Under the simulated conditions (Reynolds number, Re around 2650), a detailed time accurate computation shows the different stages of flow evolution and the effects of finite length of the reactor in creating flow instability, which is important to improve the performance of the reactor for storm and wastewater reuse. The efficiency of a photocatalytic reactor for pollutant decontamination depends on reactor hydrodynamics and configurations. This study aims to investigate the role of different parameters on the optimization of the reactor design for its improved performance. In this regard, more modelling and experimental efforts are ongoing to better understand the interplay of the parameters that influence the performance of the flat plate photocatalytic reactor.

Flow field investigation in a water treatment reactor using computational fluid dynamics

The hydrodynamic behaviour of a novel flat plate photocatalytic reactor for water treatment is investigated using CFD code FLUENT. The reactor consists of a reactive section that features negligible pressure drop and uniform illumination of the photocatalyst to ensure enhanced photocatalytic efficiency. The numerical simulations allowed the identification of several design issues in the original reactor, which include extensive boundary layer separation near the photocatalyst support and regions of flow recirculation that render a significant portion of the reactive area. The simulations reveal that this issue could be addressed by selecting the appropriate inlet positions and configurations. This modification can cause minimal pressure drop across the reactive zone and achieves significant uniformization of the tested pollutant on the photocatalyst surface. The influence of roughness elements type has also been studied with a view to identify their role on the distribution of pollutant concentration on the photocatalyst surface. The results presented here indicate that the flow and pollutant concentration field strongly depend on the geometric parameters and flow conditions.

Numerical simulation of flow in a photocatalytic reactor containing baffles

In this study a new immobilized flat plate photocatalytic reactor for wastewater treatment has been investigated using computational fluid dynamics (CFD). The reactor consists of a reactor inlet, a reactive section where the catalyst is coated, and outlet parts. For simulation, the reactive section of the reactor was modelled with an array of baffles. In order to optimize the fluid mixing and reactor design, this study attempts to investigate the influence of baffles with differing heights on the flow field of the flat plate reactor. The results obtained from the simulation of a baffled flat plate reactor hydrodynamics for differing baffle heights for certain positions are presented. Under the conditions simulated, the qualitative flow features, such as the distribution of local stream lines, velocity contours, and high shear region, boundary layers separation, vortex formation, and the underlying mechanism are examined. At low and high Re numbers, the influence of baffle heights on the distribution of species mass fraction of a model pollutant are also highlighted. The simulation of qualitative and quantitative properties of fluid dynamics in a baffled reactor provides valuable insight to fully understand the effect of baffles and their role on the flow pattern, behaviour, and features of wastewater treatment using a photocatalytic reactor.

CFD Simulation of turbulence promoters in a water treatment reactor

A new immobilized flat plate photocatalytic reactor for wastewater treatment has been proposed in this study to avoid subsequent catalyst removal from the treated water. The reactor consists of an inlet, reactive section where catalyst is coated and an outlet parts. In order to optimize the fluid mixing and reactor design, this study aims to investigate the influence of baffles and its arrangement on the flat plate reactor hydrodynamics using computational fluid dynamics (CFD) simulation. For simulation, an array of baffles acting as turbulence promoters is inserted in the reactive zone of the reactor. In this regard, results obtained from the simulation of a baffled- flat plate photoreactor hydrodynamics for different baffle positions, heights and intervals are presented utilizing RNG k-ε turbulence model. Under the conditions simulated, the qualitative flow features, such as the development and separation of boundary layers, vortex formation, the presence of high shear regions and recirculation zones, and the underlying mechanism are examined. The influence of various baffle sizes on the distribution of pollutant concentration is also highlighted. The results presented here indicate that the spanning of recirculation increases the degree of interfacial distortion with a larger interfacial area between fluids which results in substantial enhancement in fluid mixing. The simulation results suggest that the qualitative and quantitative properties of fluid dynamics in a baffled reactor can be obtained which provides valuable insight to fully understand the effect of baffles and its arrangements on the flow pattern, behaviour, and feature.

Residence time investigation in a co-axial dielectric barrier discharge reactor

The residence time distribution (RTD) is a crucial parameter when treating engine exhaust emissions with a Dielectric Barrier Discharge (DBD) reactor. In this paper, the residence time of such a reactor is investigated using a finite element based software: COMSOL Multiphysics 4.3. Non-thermal plasma (NTP) discharge is being introduced as a promising method for pollutant emission reduction. DBD is one of the most advantageous of NTP technologies. In a two cylinder co-axial DBD reactor, tubes are placed between two electrodes and flow passes through the annuals between these barrier tubes. If the mean residence time increases in a DBD reactor, there will be a corresponding increase in reaction time and consequently, the pollutant removal efficiency can increase. However, pollutant formation can occur during increased mean residence time and so the proportion of fluid that may remain for periods significantly longer than the mean residence time is of great importance. In this study, first, the residence time distribution is calculated based on the standard reactor used by the authors for ultrafine particle (10-500 nm) removal. Then, different geometrics and various inlet velocities are considered. Finally, for selected cases, some roughness elements added inside the reactor and the residence time is calculated. These results will form the basis for a COMSOL plasma and CFD module investigation.

Effect of pulsed power on particle matter in diesel engine exhaust using a DBD plasma reactor

Nonthermal plasma (NTP) treatment of exhaust gas is a promising technology for both nitrogen oxides (NOX) and particulate matter (PM) reduction by introducing plasma into the exhaust gases. This paper considers the effect of NTP on PM mass reduction, PM size distribution, and PM removal efficiency. The experiments are performed on real exhaust gases from a diesel engine. The NTP is generated by applying high-voltage pulses using a pulsed power supply across a dielectric barrier discharge (DBD) reactor. The effects of the applied high-voltage pulses up to 19.44 kVpp with repetition rate of 10 kHz are investigated. In this paper, it is shown that the PM removal and PM size distribution need to be considered both together, as it is possible to achieve high PM removal efficiency with undesirable increase in the number of small particles. Regarding these two important factors, in this paper, 17 kVpp voltage level is determined to be an optimum point for the given configuration. Moreover, particles deposition on the surface of the DBD reactor is found to be a significant phenomenon, which should be considered in all plasma PM removal tests.

Imaging of the asymmetric DC discharge: visualization to adjust plasma in the novel PECVD reactor

Normal asymmetric glow dc discharge in the thermal furnace converted into the efficient PECVD system was imaged to adjust the structure of the plasma column to the two possible localizations of the process zone. The visualization revealed the possibility to use short and long discharge configurations for the plasma-enabled growth and processing of various nanostructures in the modified setup. Images of the discharge in the two localizations are presented.