A dynamic knowledge-based decision support system to handle solids separation problems in activated sludge systems: development and validation

El sistema de fangs activats és el tractament biològic més àmpliament utilitzat arreu del món per la depuració d'aigües residuals. El seu funcionament depèn de la correcta operació tant del reactor biològic com del decantador secundari. Quan la fase de sedimentació no es realitza correctament, la biomassa no decantada s'escapa amb l'efluent causant un impacte sobre el medi receptor. Els problemes de separació de sòlids, són actualment una de les principals causes d'ineficiència en l'operació dels sistemes de fangs activats arreu del món. Inclouen: bulking filamentós, bulking viscós, escumes biològiques, creixement dispers, flòcul pin-point i desnitrificació incontrolada. L'origen dels problemes de separació generalment es troba en un desequilibri entre les principals comunitats de microorganismes implicades en la sedimentació de la biomassa: els bacteris formadors de flòcul i els bacteris filamentosos. Degut a aquest origen microbiològic, la seva identificació i control no és una tasca fàcil pels caps de planta. Els Sistemes de Suport a la Presa de Decisions basats en el coneixement (KBDSS) són un grup d'eines informàtiques caracteritzades per la seva capacitat de representar coneixement heurístic i tractar grans quantitats de dades. L'objectiu de la present tesi és el desenvolupament i validació d'un KBDSS específicament dissenyat per donar suport als caps de planta en el control dels problemes de separació de sòlids d'orígen microbiològic en els sistemes de fangs activats. Per aconseguir aquest objectiu principal, el KBDSS ha de presentar les següents característiques: (1) la implementació del sistema ha de ser viable i realista per garantir el seu correcte funcionament; (2) el raonament del sistema ha de ser dinàmic i evolutiu per adaptar-se a les necessitats del domini al qual es vol aplicar i (3) el raonament del sistema ha de ser intel·ligent. En primer lloc, a fi de garantir la viabilitat del sistema, s'ha realitzat un estudi a petita escala (Catalunya) que ha permès determinar tant les variables més utilitzades per a la diagnosi i monitorització dels problemes i els mètodes de control més viables, com la detecció de les principals limitacions que el sistema hauria de resoldre. Els resultats d'anteriors aplicacions han demostrat que la principal limitació en el desenvolupament de KBDSSs és l'estructura de la base de coneixement (KB), on es representa tot el coneixement adquirit sobre el domini, juntament amb els processos de raonament a seguir. En el nostre cas, tenint en compte la dinàmica del domini, aquestes limitacions es podrien veure incrementades si aquest disseny no fos òptim. En aquest sentit, s'ha proposat el Domino Model com a eina per dissenyar conceptualment el sistema. Finalment, segons el darrer objectiu referent al seguiment d'un raonament intel·ligent, l'ús d'un Sistema Expert (basat en coneixement expert) i l'ús d'un Sistema de Raonament Basat en Casos (basat en l'experiència) han estat integrats com els principals sistemes intel·ligents encarregats de dur a terme el raonament del KBDSS. Als capítols 5 i 6 respectivament, es presenten el desenvolupament del Sistema Expert dinàmic (ES) i del Sistema de Raonament Basat en Casos temporal, anomenat Sistema de Raonament Basat en Episodis (EBRS). A continuació, al capítol 7, es presenten detalls de la implementació del sistema global (KBDSS) en l'entorn G2. Seguidament, al capítol 8, es mostren els resultats obtinguts durant els 11 mesos de validació del sistema, on aspectes com la precisió, capacitat i utilitat del sistema han estat validats tant experimentalment (prèviament a la implementació) com a partir de la seva implementació real a l'EDAR de Girona. Finalment, al capítol 9 s'enumeren les principals conclusions derivades de la present tesi.

Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

Procesos secuenciales de adsorción/oxidación con H2O2 para la eliminación de compuestos orgánicos volátiles

Volatile Organic Compounds (VOCs) are one of the main groups of odour causing compounds in Waste Water Treatment Plants (WWTP). Adsorption technology is already established, in recent years the interest for the optimization of the costs associated with this technique has grown significantly. In particular, there are different options, from the use of low cost adsorbents, to reducing costs associated with carbon regeneration process. In this thesis, the adsorption of the three VOCs on sewage sludge based adsorbents was studied. It was proved that adsorbents obtained by chemical activation of sewage sludge with alkaline hydroxides are comparable to commercial activated carbons (ACs). Likewise, the adsorption of multicomponent gaseous streams was also studied. Related to the ACs regeneration, it was proposed a regeneration treatment of VOC saturated ACs with H2O2 based on advanced oxidation processes (AOP). The influence of the surface chemistry of ACs in this regeneration process was also studied.

EDSS-maintenance prototype: an environmental decision support system to assess the definition of operation and maintenance protocols for horizontal subsurface constructed wetlands

Els Sistemes d'Aiguamolls Construïts (SAC) de Flux Subsuperficial Horitzontal (FSH) és una tecnologia apropiada pel sanejament d'aigües residuals procedents de nuclis de població petits. No obstant els SAC de FSH són considerats una tecnologia natural, l'operació i manteniment d'aquestes depuradores és crucial per a garantir el seu correcte funcionament. Aquestes necessitats d'operació i manteniment varien entre depuradores segons (1) les característiques de la comunitat, (2) la configuració de la depuradora i el disseny del SAC de FSH i (3) les característiques del medi receptor. En aquest sentit, en aquesta tesi es presenta el desenvolupament d'un Sistema d'Ajuda a la Decisió (SAD) per a la definició de protocols d'operació i manteniment per a SAC de FSH tenint en compte els factors que causen variabilitat entre aquest tipus de depuradores (1, 2 i 3).

Eliminación de compuestos causantes de olores mediante adsorbentes/catalizadores obtenidos a partir de lodos de depuradora

El aumento de la cantidad de lodos y las dificultades inherentes a su aplicación agrícola y/o disposición en vertederos, hace necesario encontrar nuevas alternativas para su gestión. A nivel europeo, hoy en día se tiende hacia la aplicación de tratamientos térmicos (incineración, pirólisis y gasificación) que permiten una valoración energética de los lodos, si bien generan un residuo sólido que sigue siendo necesario gestionar. El problema medioambiental provocado por (malos) olores resulta difícil de abordar de una manera genérica, teniendo en consideración la propia naturaleza del olor y sus posibles causas. Los olores en las EDARs son provocados básicamente por la degradación de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas y se detectan en todas las operaciones unitarias en diferentes niveles de concentración. Esta tesis incidiendo en ambos aspectos, tiene por objeto investigar la valorización de lodos como materiales precursores de adsorbentes/ catalizadores para la eliminación de olores en el entorno de las EDARs, maximizando la reutilización de los lodos. Para la realización de los experimentos se han seleccionado lodos procedentes de tres EDARs situadas en la región de Girona (SC, SB, SL) que difieren en cuanto al tratamiento de los lodos. Ambas muestras han sido caracterizadas con el fin de determinar las diferencias más importantes en los lodos de partida. Los parámetros de caracterización incluyen el análisis de composición química (análisis elemental e inmediato, determinación contenido en cenizas, medida pH, DRX, FT-IR, SEM / EDX) así como análisis de superficie (adsorción de N2 y CO2). En primer lugar los lodos caracterizados han sido sometidos a diferentes tratamientos térmicos de gasificación y pirólisis y los adsorbentes/ catalizadores obtenidos se han probado como adsorbentes para la eliminación de H2S. Como consecuencia de este estudio, se ha desechado el uso de uno de lodos (SC) puesto que se obtenían resultados muy similares a (SB), a continuación el estudio se centró en el lodo de SL. Con este objetivo se han preparado 12 muestras 6 de ellas pirolizadas y 6 gasificadas en el rango de temperaturas que comprende 600-1100 ºC. Posteriormente las muestras han sido caracterizadas y se ha determinado la capacidad de eliminación (x/M) del H2S. Los resultados muestran que hemos sido capaces de obtener unos materiales que si bien, presentan un bajo desarrollo de porosidad dan lugar a valores de capacidades de eliminación elevados y comparables a carbones y materiales adsorbentes comerciales (Centaur, Sorbalit). Las elevadas eficiencias de eliminación se atribuyen básicamente a la presencia de especies catalíticamente activas tales como los óxidos mixtos de calcio y hierro determinados por DRX en las muestras tratadas térmicamente. El segundo bloque de resultados se centra la mejora de las propiedades texturales de estos materiales adsorbentes. Con este objetivo se llevaron acabo procesos de activación física con CO2 y química con H3PO4 e hidróxidos alcalinos (NaOH y KOH), que hasta el momento no se había probado con este tipo de precursores. Los resultados indican que la activación física (CO2) y química (H3PO4) no son unos buenos métodos para la obtención de adsorbentes altamente porosos con este tipo de materia prima bajo las condiciones probadas, sin embargo la activación con hidróxidos alcalinos da lugar a materiales adsorbentes con superficies específicas de hasta 1600 m2g-1. En el caso de la activación con hidróxidos, tanto el incremento de la relación agente activante/ precursor como el incremento de la temperatura producen un descenso del rendimiento, al mismo tiempo que incrementan el valor de SBET. Los materiales resultantes de la activación con hidróxidos alcalinos se han probado como adsorbentes/ catalizadores para la eliminación de H2S. Los resultados indican que un incremento del área superficial no es indicativo de un aumento de la capacidad de eliminación dada la naturaleza ácida de estos materiales obtenidos. Con el fin de contrarrestar el efecto ácido de estos materiales se han realizado los mismos ensayos añadiendo NaOH al lecho de reacción llegando a valores de x/M de hasta 450 mgg-1. Posteriormente también se han realizado ensayos de eliminación de NH3 con algunas de estas muestras, y los resultados obtenidos de x/M son del orden de carbones activados comerciales. Los materiales adsorbentes obtenidos tras la activación con hidróxidos alcalinos se convierten en materiales muy atractivos para ser utilizados como adsorbentes/ catalizadores de múltiples contaminantes (COVs, Hg...).

Estudio y propuestas de tratamiento de PPCP’s en aguas residuales

La reutilización de las aguas residuales es una parte esencial del uso sostenible del agua. Sin embargo, las actuales plantas de tratamiento no están preparadas para tratar determinados compuestos como los llamados “contaminantes emergentes”. Los hábitos de consumo actuales estan generando una serie de residuos o microcontaminantes que hace tan solo unos años no existian. Entre esas nuevas sustancias aparecen los PPCP’s (Pharmaceuticals & Personal Care Products) que son un amplio grupo de compuestos químicos utilizados en veterinaria, prácticas agrícolas, salut humana y cosmetología. El mayor problema que presentan estas substancias en la actualidad es el parcial desconocimiento sobre sus efectos, la ausencia de reglamentaciones que determinen las concentraciones máximas admisibles en los cauces de vertido, la reducción en procesos de depuración convencionales, así como los tratamientos específicos aplicables a su eliminación. Los objetivos del presente proyecto són: estudiar las tipologías de PPCP’s y sus influencias para la salud humana y el medio ambiente, estudiar los diferentes sistemas de tratamiento de aguas existentes en plantas depuradoras y evaluar su eficiencia en la depuración de PPCP

Diferencias entre analizar, explicar y producir una imagen: aplicación al estudio de los esquemas de conocimiento sobre aguas subterráneas en estudiantes universitarios

Es conocido el potencial didáctico de las imágenes en la enseñanza de las ciencias y las limitaciones que se muestran en su uso (Perales, 2006). En el caso que estudiamos, la fase subterránea del ciclo del agua, las imágenes presentes en los textos de estudio son la forma más habitual, sino la única, por la que los estudiantes tienen acceso a dicha realidad. Las representaciones del ciclo del agua en los textos son imágenes didácticas per se, en el sentido mas estricto, pues deben estar organizadas para el aprendizaje de un proceso natural complejo y no evidente