Allocation of GHG emissions in a paper mill, an application tool to reduce emissions

El sector de pasta i paper és considerat un dels set sectors industrials més intensius en consum energètic. La producció i consum d'electricitat i de vapor esdevenen les fonts majoritàries d'emissions de gasos d'efecte hivernacle en aquest sector industrial. Les fàbriques papereres poden assolir objectius de reducció d'emissions mitjançant reducció en origen (substitució de combustibles, introducció d'energies renovables) o bé a partir de mesures d'eficiència energètica en el propi procés. En aquest context, s'ha desenvolupat un mètode de distribució d'emissions que permet assignar a cada unitat d'operació del procés paperer, el seu grau de responsabilitat en emissions. També s'han avaluat diferents mètodes de càlcul de factors d'emissió de vapor i electricitat, tant per plantes de cogeneració com per sistemes individuals. A partir d'aquesta avaluació s'han proposat nous mètodes alternatius als analitzats. Aquests mètodes i els factors d'emissions s'han aplicat a dues fàbriques papereres catalanes.

Aplicació d'algoritmes genètics en l'optimització dels processos de fabricació del paper

La creciente preocupación y concienciación de la sociedad respecto el medio ambiente, y en consecuencia la legislación y regulaciones generadas inducen a la modificación de los procesos productivos existentes en la industria química. Las configuraciones iniciales deben modificarse para conseguir una mayor integración de procesos. Para este fin se han creado y desarrollado diferentes metodologías que deben facilitar la tarea a los responsables del rediseño. El desarrollo de una metodología y herramientas complementarias es el principal objetivo de la investigación aquí presentada, especialmente centrada en el desarrollo y la aplicación de una metodología de optimización de procesos. Esta metodología de optimización se aplica sobre configuraciones de proceso existentes y pretende encontrar nuevas configuraciones viables según los objetivos de optimización fijados. La metodología tiene dos partes diferenciadas: la primera se basa en un simulador de procesos comercial y la segunda es la técnica de optimización propiamente dicha. La metodología se inicia con la elaboración de una simulación convenientemente validada que reproduzca el proceso existente, en este caso una papelera no integrada que produce papel estucado de calidad, para impresión. A continuación la técnica de optimización realiza una búsqueda dentro del dominio de los posibles resultados, en busca de los mejores resultados que satisfazcan plenamente los objetivos planteados. Dicha técnica de optimización está basada en los algoritmos genéticos como herramienta de búsqueda, junto a un subprograma basado en técnicas de programación matemática para el cálculo de resultados. Un número reducido de resultados son finalmente escogidos y utilizados para modificar la simulación existente fijando la redistribución de los flujos del proceso. Los resultados de la simulación del proceso determinan en último caso la viabilidad técnica de cada reconfiguración planteada. En el proceso de optimización, los objetivos están definidos en una función objetivo dentro de la técnica de optimización. Dicha función rige la búsqueda de resultados. La función objetivo puede ser individual o una combinación de objetivos. En el presente caso, la función persigue una minimización del consumo de agua y una minimización de la pérdida de materia prima. La optimización se realiza bajo restricciones para alcanzar este objetivo combinado en forma de una solución de compromiso. Producto de la aplicación de esta metodología se han obtenido resultados interesantes que significan una mejora del cierre de circuitos y un ahorro de materia prima, sin comprometer al mismo tiempo la operabilidad del proceso producto ni la calidad del papel.

Prediction of the bulking phenomenon in wastewater treatment plants

The control and prediction of wastewater treatment plants poses an important goal: to avoid breaking the environmental balance by always keeping the system in stable operating conditions. It is known that qualitative information — coming from microscopic examinations and subjective remarks — has a deep influence on the activated sludge process. In particular, on the total amount of effluent suspended solids, one of the measures of overall plant performance. The search for an input–output model of this variable and the prediction of sudden increases (bulking episodes) is thus a central concern to ensure the fulfillment of current discharge limitations. Unfortunately, the strong interrelation between variables, their heterogeneity and the very high amount of missing information makes the use of traditional techniques difficult, or even impossible. Through the combined use of several methods — rough set theory and artificial neural networks, mainly — reasonable prediction models are found, which also serve to show the different importance of variables and provide insight into the process dynamics

Multivariate Statistical Process Control and Case-Based Reasoning for situation assessment of Sequencing Batch Reactors

ABSRACT This thesis focuses on the monitoring, fault detection and diagnosis of Wastewater Treatment Plants (WWTP), which are important fields of research for a wide range of engineering disciplines. The main objective is to evaluate and apply a novel artificial intelligent methodology based on situation assessment for monitoring and diagnosis of Sequencing Batch Reactor (SBR) operation. To this end, Multivariate Statistical Process Control (MSPC) in combination with Case-Based Reasoning (CBR) methodology was developed, which was evaluated on three different SBR (pilot and lab-scales) plants and validated on BSM1 plant layout.

Avaluació del procés de desintegració de papers recuperats

La desintegració és una etapa important en la recuperació de paper vell, ja que té importants conseqüències en consum d'energia i en el comportament de les etapes posteriors. Per això els objectius es centren en analitzar la desintegració des del punt de vista del temps de desintegració, els aspectes energètics, modelització de la màquina de desintegració utilitzada i anàlisi dels factors de cisallament calculats com a mesura global de les forces implicades en la desintegració. Els autors que hi han treballat donen diferents explicacions a aquestes forces. Fins avui només s'ha pogut avaluar qualitativament la influència que tenen cada un dels mecanismes en el temps necessari per a desintegrar i en el consum energètic. Les característiques reològiques de les suspensions papereres, i el seu comportament no newtonià tenen una clara influència en el consum energètic i les forces de desfibrat en el desintegrador. Els experiments de desintegració s'han realitzat en un púlper convencional, amb tres tipus de paper recuperat: paper estucat d'alta qualitat imprès offset (PQ), paper revista estucat imprès en color (PR), paper blanc imprès en impresora làsser (PF). Anàlisi del temps de desintegració Per cada un del papers estudiats (PQ, PR i PF), les fraccions màssiques des de 0.06 fins a la màxima que estat possible per cada paper (de 0.14 a 0.18), i a dues velocitats d'agitació diferents, s'ha determinat el temps de desintegració (tD) fins a aconseguir un índex de Sommerville de 0.01%. S'obté que en augmentar la fracció màssica disminueix potencialment el temps de desintegració. S'ha estudiat la velocitat de desintegració, la producció teòrica del púlper en cada cas, i la seva relació amb les forces d'impacte i de fregament que produeixen la desintegració. Aspectes energètics El consum específic d'energia (SEC), definit com l'energia consumida per a desintegrar 1 kg de paper recuperat, disminueix molt en augmentar Xm, ja que a més de disminuir l'energia consumida en cada desintegració, el contingut en paper és més elevat. Pel disseny de desintegradors, cal tenir en compte que en augmentar Xm i en augmentar la velocitat, sempre augmenta la potència consumida. Però així com els beneficis de treballar a Xm alt són de 10 vegades en termes de SEC i de producció, l'augment de potència és només de l'ordre de 2 vegades la necessària respecte de la Xm baixa. Viscositat aparent i energia de fluidització S'estudia la relació entre el temps de desintegració, les forces de fregament i els valors de viscositat aparent de la bibliografia. Per cada paper i velocitat s'ha observat que el consum específic d'energia disminueix en funció de la viscositat aparent. Reologia del púlper Utilitzant el mètode de Metzner i Otto (1957) per determinar la viscositat aparent mitjana de les suspensions papereres, modificat per Roustan, s'ha caracteritzat el pulper mitjançant el model: Np= K· Rex·Fry S'han utilitzat dissolucions de glicerina com a fluid newtonià per a calcular les constants d'ajust, i a partir d'aquí, aïllar la viscositat aparent en funció de la potència neta i els paràmetres d'agitació. La viscositat aparent, d'acord amb Fabry (1999) es substitueix pel concepte de factor de cisallament. Factor de cisallament Calculat el factor de cisallament per a cada paperot i condicions d'agitació, s'ha relacionat amb Xm, SEC, tD, consum de potència, potència instal·lada i fracció cel·lulòsica. El factor de cisallament és un paràmetre útil per a quantificar les forces globals implicades en la desintegració.

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.

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

Biological nutrient removal in SBR technology: from floccular to granular sludge

Biological nutrient removal has been studied and applied for decades in order to remove nitrogen and phosphorus from wastewater. However, more anthropogenic uses and the continued demand for water have forced the facilities to operate at their maximum capacity. Therefore, the goal of this thesis is to obtain more compact systems for nutrient removal from domestic wastewater. In this sense, optimization and long-term stabilization of high volume exchange ratios reactors, treating higher volumes of wastewater, have been investigated. With the same target, aerobic granular sludge was proposed as a reliable alternative to reduce space and increase loading rates in treatment plants. However, the low organic loading rate from low-strength influents (less than 1 Kg COD•m-3d-1) results in slower granular formation and a longer time to reach a steady state. Because of that, different methodologies and operational conditions were investigated in order to enhance granulation and nutrient removal from domestic wastewater.

Supervisory systems in waste water treatment plants: sistematise their implementation

La implantació de Sistemes de Suport a la presa de Decisions (SSD) en Estacions Depuradores d'Aigües Residuals Urbanes (EDAR) facilita l'aplicació de tècniques més eficients basades en el coneixement per a la gestió del procés, assegurant la qualitat de l'aigua de sortida tot minimitzant el cost ambiental de la seva explotació. Els sistemes basats en el coneixement es caracteritzen per la seva capacitat de treballar amb dominis molt poc estructurats, i gran part de la informació rellevant de tipus qualitatiu i/o incerta. Precisament aquests són els trets característics que es poden trobar en els sistemes biològics de depuració, i en conseqüència en una EDAR. No obstant, l'elevada complexitat dels SSD fa molt costós el seu disseny, desenvolupament i aplicació en planta real, pel que resulta determinant la generació d'un protocol que faciliti la seva exportació a EDARs de tecnologia similar. L'objectiu del present treball de Tesi és precisament el desenvolupament d'un protocol que faciliti l'exportació sistemàtica de SSD i l'aprofitament del coneixement del procés prèviament adquirit. El treball es desenvolupa en base al cas d'estudi resultant de l'exportació a l'EDAR Montornès del prototipus original de SSD implementat a l'EDAR Granollers. Aquest SSD integra dos tipus de sistemes basats en el coneixement, concretament els sistemes basats en regles (els quals són programes informàtics que emulen el raonament humà i la seva capacitat de solucionar problemes utilitzant les mateixes fonts d'informació) i els sistemes de raonament basats en casos (els quals són programes informàtics basats en el coneixement que volen solucionar les situacions anormals que pateix la planta en el moment actual mitjançant el record de l'acció efectuada en una situació passada similar). El treball està estructurat en diferents capítols, en el primer dels quals, el lector s'introdueix en el món dels sistemes de suport a la decisió i en el domini de la depuració d'aigües. Seguidament es fixen els objectius i es descriuen els materials i mètodes utilitzats. A continuació es presenta el prototipus de SSD desenvolupat per la EDAR Granollers. Una vegada el prototipus ha estat presentat es descriu el primer protocol plantejat pel mateix autor de la Tesi en el seu Treball de Recerca. A continuació es presenten els resultats obtinguts en l'aplicació pràctica del protocol per generar un nou SSD, per una planta depuradora diferent, partint del prototipus. L'aplicació pràctica del protocol permet l'evolució del mateix cap a un millor pla d'exportació. Finalment, es pot concloure que el nou protocol redueix el temps necessari per realitzar el procés d'exportació, tot i que el nombre de passos necessaris ha augmentat, la qual cosa significa que el nou protocol és més sistemàtic.