Integrated management of urban wastewater systems: a model-based approach

The main objective pursued in this thesis targets the development and systematization of a methodology that allows addressing management problems in the dynamic operation of Urban Wastewater Systems. The proposed methodology will suggest operational strategies that can improve the overall performance of the system under certain problematic situations through a model-based approach. The proposed methodology has three main steps: The first step includes the characterization and modeling of the case-study, the definition of scenarios, the evaluation criteria and the operational settings that can be manipulated to improve the system’s performance. In the second step, Monte Carlo simulations are launched to evaluate how the system performs for a wide range of operational settings combinations, and a global sensitivity analysis is conducted to rank the most influential operational settings. Finally, the third step consists on a screening methodology applying a multi-criteria analysis to select the best combinations of operational settings.

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.

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).

Management of industrial wastewater discharges in river basins through agents'argumentation

La gestió de l'aigua residual és una tasca complexa. Hi ha moltes substàncies contaminants conegudes però encara moltes per conèixer, i el seu efecte individual o col·lgectiu és difícil de predir. La identificació i avaluació dels impactes ambientals resultants de la interacció entre els sistemes naturals i socials és un assumpte multicriteri. Els gestors ambientals necessiten eines de suport pels seus diagnòstics per tal de solucionar problemes ambientals. Les contribucions d'aquest treball de recerca són dobles: primer, proposar l'ús d'un enfoc basat en la modelització amb agents per tal de conceptualitzar i integrar tots els elements que estan directament o indirectament involucrats en la gestió de l'aigua residual. Segon, proposar un marc basat en l'argumentació amb l'objectiu de permetre als agents raonar efectivament. La tesi conté alguns exemples reals per tal de mostrar com un marc basat amb agents que argumenten pot suportar diferents interessos i diferents perspectives. Conseqüentment, pot ajudar a construir un diàleg més informat i efectiu i per tant descriure millor les interaccions entre els agents. En aquest document es descriu primer el context estudiat, escalant el problema global de la gestió de la conca fluvial a la gestiódel sistema urbà d'aigües residuals, concretament l'escenari dels abocaments industrials. A continuació, s'analitza el sistema mitjançant la descripció d'agents que interaccionen. Finalment, es descriuen alguns prototips capaços de raonar i deliberar, basats en la lògica no monòtona i en un llenguatge declaratiu (answer set programming). És important remarcar que aquesta tesi enllaça dues disciplines: l'enginyeria ambiental (concretament l'àrea de la gestió de les aigües residuals) i les ciències de la computació (concretament l'àrea de la intel·ligència artificial), contribuint així a la multidisciplinarietat requerida per fer front al problema estudiat. L'enginyeria ambiental ens proporciona el coneixement del domini mentre que les ciències de la computació ens permeten estructurar i especificar aquest coneixement.

A Factor analysis of hidrochemical composition of Llobregat river basin

Hydrogeological research usually includes some statistical studies devised to elucidate mean background state, characterise relationships among different hydrochemical parameters, and show the influence of human activities. These goals are achieved either by means of a statistical approach or by mixing models between end-members. Compositional data analysis has proved to be effective with the first approach, but there is no commonly accepted solution to the end-member problem in a compositional framework. We present here a possible solution based on factor analysis of compositions illustrated with a case study. We find two factors on the compositional bi-plot fitting two non-centered orthogonal axes to the most representative variables. Each one of these axes defines a subcomposition, grouping those variables that lay nearest to it. With each subcomposition a log-contrast is computed and rewritten as an equilibrium equation. These two factors can be interpreted as the isometric log-ratio coordinates (ilr) of three hidden components, that can be plotted in a ternary diagram. These hidden components might be interpreted as end-members. We have analysed 14 molarities in 31 sampling stations all along the Llobregat River and its tributaries, with a monthly measure during two years. We have obtained a bi-plot with a 57% of explained total variance, from which we have extracted two factors: factor G, reflecting geological background enhanced by potash mining; and factor A, essentially controlled by urban and/or farming wastewater. Graphical representation of these two factors allows us to identify three extreme samples, corresponding to pristine waters, potash mining influence and urban sewage influence. To confirm this, we have available analysis of diffused and widespread point sources identified in the area: springs, potash mining lixiviates, sewage, and fertilisers. Each one of these sources shows a clear link with one of the extreme samples, except fertilisers due to the heterogeneity of their composition. This approach is a useful tool to distinguish end-members, and characterise them, an issue generally difficult to solve. It is worth note that the end-member composition cannot be fully estimated but only characterised through log-ratio relationships among components. Moreover, the influence of each endmember in a given sample must be evaluated in relative terms of the other samples. These limitations are intrinsic to the relative nature of compositional data

Adsorbents a partir de fangs biològics excedents de depuradora mitjançant l'aplicació de microones: estudi d'obtenció, caracterització i aplicació en fase líquida

El fang biològic es produeix en les plantes de tractament d'aigües residuals urbanes i industrials. El tractament i la gestió dels fangs és un dels problemes més importants en el camp del tractament de les aigües residuals. Aquesta situació es preveu que es veurà agreujada en el futur, per un increment del volum de fang produït associat a l'exigència de nivells més alts de depuració i per l'augment dels nombre d'estacions depuradores en funcionament. D'altre banda, les limitacions que presenten les opcions tradicionals de gestió dels fangs, fa necessari buscar solucions innovadores i efectives per a solucionar el problema que suposa la gestió d'aquests fangs biològics. Els fangs biològics són de naturalesa carbonosa i amb un alt contingut de matèria orgànica. Aquestes característiques, permeten la conversió del fang en un sòlid adsorbent de tipus carbonós. Aquesta conversió ofereix el doble benefici de reduir el volum de fang que ha de ser gestionat i alhora produir un adsorbent amb un cost inferior a la dels adsorbents convencionals (carbons actius comercials). Fins el moment, els tractaments alta temperatura han demostrat la seva efectivitat per du a terme el procés de transformació dels excedents de fang biològic en un sòlid adsorbent carbonós (carbó actiu). Com a alternativa a aquests processos a alta temperatura, es proposa un nou procés d'obtenció d'un sòlid adsorbent carbonós a partir dels excedents de fangs biològics, mitjançant un tractament a baixa temperatura, combinant el tractament per microones amb l'addició d'un reactiu químic (H2SO4). La present tesi analitza el tractament dels excedents de fangs biològics utilitzant un tractament mitjançant microones i l'addició d'àcid sulfúric (H2SO4), al mateix temps analitza la possibilitat d'utilitzar els sòlids adsorbents obtinguts per a millorar la qualitat de les aigües residuals. Paràmetres d'operació com poden ser la quantitat d'àcid sulfúric addicionada al fang, el nivell de potència del forn microones i el temps de tractament, es modificaran per tal de determinar la influència que poden tenir sobre la qualitat del sòlid adsorbent. Un cop determinada la qualitat dels diferent sòlids adsorbents s'avalua la seva capacitat per a l'eliminació de colorant i metalls en fase líquida. Els resultats obtinguts es comparen amb els obtinguts per un carbó actiu derivat de fangs i un carbó actiu comercial.