An approach to verifying and debugging simulation models governed by ordinary differential equations: Part 2. Residuals analysis and a case study

In Part 1 of this paper a methodology for back-to-back testing of simulation software was described. Residuals with error-dependent geometric properties were generated. A set of potential coding errors was enumerated, along with a corresponding set of feature matrices, which describe the geometric properties imposed on the residuals by each of the errors. In this part of the paper, an algorithm is developed to isolate the coding errors present by analysing the residuals. A set of errors is isolated when the subspace spanned by their combined feature matrices corresponds to that of the residuals. Individual feature matrices are compared to the residuals and classified as 'definite', 'possible' or 'impossible'. The status of 'possible' errors is resolved using a dynamic subset testing algorithm. To demonstrate and validate the testing methodology presented in Part 1 and the isolation algorithm presented in Part 2, a case study is presented using a model for biological wastewater treatment. Both single and simultaneous errors that are deliberately introduced into the simulation code are correctly detected and isolated. Copyright (C) 2003 John Wiley Sons, Ltd.

A comprehensive insight into floc characteristics and their impact on compressibility and settleability of activated sludge

This paper presents a comprehensive study of sludge floc characteristics and their impact on compressibility and settleability of activated sludge in full scale wastewater treatment processes. The sludge flocs were characterised by morphological (floc size distribution, fractal dimension, filament index), physical (flocculating ability, viscosity, hydrophobicity and surface charge) and chemical (polymeric constituents and metal content) parameters. Compressibility and settleability were defined in terms of the sludge volume index (SVI) and zone settling velocity (ZSV). The floc morphological and physical properties had important influence on the sludge compressibility and settleability. Sludges containing large flocs and high quantities of filaments, corresponding to lower values of fractal dimension (D-f), demonstrated poor compressibility and settleability. Sludge flocs with high flocculating ability had lower SVI and higher ZSV, whereas high values of hydrophobicity, negative surface charge and viscosity of the sludge flocs correlated to high SVI and low ZSV. The quantity of the polymeric compounds protein. humic substances and carbohydrate in the sludge and the extracted extracellular polymeric substances (EPS) had significant positive correlations with SVI. The ZSV was quantitatively independent of the polymeric constituents. High concentrations of the extracted EPS were related to poor compressibility and settleability. The cationic ions Ca, Mg, Al and Fe in the sludge improved significantly the sludge compressibility and settleability. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

The influence of key chemical constituents in activated sludge on surface and flocculating properties

This paper examines the influence of the chemical constituents of activated sludge and extracted extracellular polymeric substances (EPS) on the surface properties, hydrophobicity, surface charge (SC) and flocculating ability (FA) of activated sludge floes. Activated sludge samples from 7 different full-scale wastewater treatment plants were examined. Protein and humic substances were found to be the dominant polymeric compounds in the activated sludges and the extracted EPS, and they significantly affected the FA and surface properties, hydrophobicity and SC, of the sludge floes. The polymeric compounds proteins, humic substances and carbohydrates in the sludge floes and the extracted EPS contributed to the negative SC, but correlated negatively to the hydrophobicity of sludge floes. The quantity of protein and carbohydrate within the sludge and the extracted EPS was correlated positively to the FA of the sludge floes, while increased amounts of humic substances resulted in lower FA. In contrast, increased amounts of total extracted EPS had a negative correlation to FA. The results reveal that the quality and quantity of the polymeric compounds within the sludge floes is more informative, with respect to understanding the mechanisms involved in flocculation, than if only the extracted EPS are considered. This is an important finding as it indicates that extracting EPS may be insufficient to characterise the EPS. This is due to the low extraction efficiency and difficulties involved in the separation of EPS from other organic compounds. Correlations were observed between the surface properties and FA of the sludge floes., This confirms that the surface properties of the, sludge flocs play an important role in the bioflocculation process but that also other interactions like polymer entanglement are important. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Integrated control of nitrate recirculation and external carbon addition in a predenitrification system

The integrated control of nitrate recirculation and external carbon addition in a predenitrification biological wastewater treatment system is studied. The proposed control structure consists of four feedback control loops, which manipulate the nitrate recirculation and the carbon dosage flows in a highly coordinated manner such that the consumption of external carbon is minimised while the nitrate discharge limits (based on both grab and composite samples) are met. The control system requires the measurement of the nitrate concentrations at the end of both the anoxic and the aerobic zones. Distinct from ordinary control systems, which typically minimise the variation in the controlled variables, the proposed control system essentially maximises the diurnal variation of the effluent nitrate concentration and through this maximises the use of influent COD for denitrification, thus minimising the requirement for external carbon source. Simulation studies using a commonly accepted simulation benchmark show that the controlled system consistently achieves the designated effluent quality with minimum costs.

Nitrifying microbial community analysis of nitrite accumulating biofilm reactor by fluorescence in situ hybridization

Biological nitrogen removal via nitrite pathway in wastewater treatment is very important especially in the cost of aeration and as an electron donor for denitrification. Wastewater nitrification and nitrite accumulations were carried out in a biofilm reactor. The biofilm reactor showed almost complete nitrification and most of the oxidized ammonium was present as nitrite at the ammonium load of 1.2 kg N/m3/d. Nitrite accumulation was achieved by the selective inhibition of nitrite oxidizers by free ammonia and oxygen limitation. Nitrite oxidation activity was recovered as soon as the inhibition factor was removed. Fluorescence in situ hybridization studies of the nitrite accumulating biofilm system have shown that genus Nitrosomonas which is specifically hybridized with probe NSM 156 was the dominant nitrifying bacteria while Nitrospira was less abundant than those of normal nitrification systems. Further FISH analysis showed that the combinations of Nitrosomonas and Nitrospira cells were identified as important populations of nitrifying bacteria in an autotrophic nitrifying biofilm system.

Analysis of constructed wetland performance for irrigation reuse

Most of the wastewater treatment systems in small rural communities of the Cova da Beira region (Portugal) consist of constructed wetlands (CW) with horizontal subsurface flow (HSSF). It is believed that those systems allow the compliance of discharge standards as well as the production of final effluents with suitability for reuse. Results obtained in a nine-month campaign in an HSSF bed pointed out that COD and TSS removal were lower than expected. A discrete sampling also showed that removal of TC, FC and HE was not enough to fulfill international irrigation goals. However, the bed had a very good response to variation of incoming nitrogen loads presenting high removal of nitrogen forms. A good correlation between mass load and mass removal rate was observed for BOD5, COD, TN, NH4-N, TP and TSS, which shows a satisfactory response of the bed to the variable incoming loads. The entrance of excessive loads of organic matter and solids contributed for the decrease of the effective volume for pollutant uptake and therefore, may have negatively influenced the treatment capability. Primary treatment should be improved in order to decrease the variation of incoming organic and solid loads and to improve the removal of COD, solids and pathogenic. The final effluent presented good physical-chemical quality to be reused for irrigation, which is the most likely application in the area.

Conservação, manutenção e construção de património estratégico das águas de Santarém

A água é um bem essencial ao ser humano. Nos dias de hoje é de extrema importância fazer chegar este bem às populações, um papel que no nosso país é desempenhado pelos municípios, por empresas municipais e por empresas concessionadas. Este relatório, enquadrado no âmbito do trabalho final de mestrado em Engenharia Civil, especialização em Hidráulica, no Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, cujo título é “Conservação, Manutenção e Construção de Património Estratégico das Águas de Santarém”, relata a experiência de estágio do autor do presente relatório na A.S. – Empresa das Águas de Santarém – EM, S.A. O relatório aborda as temáticas do abastecimento de água, do tratamento de águas residuais, da construção de sistemas de saneamento e estações de tratamento de águas residuais, da reparação de equipamentos da empresa e do consumo de energia dos equipamentos da empresa. São descritas as actividades desenvolvidas pelo autor, que incluem o acompanhamento activo em visitas a obras de construção e manutenção de património, a monitorização e controlo de perdas de água, bem como a actualização em suporte informático do cadastro dos equipamentos pertencentes à A.S., com a criação de fichas de equipamento individuais e de um suporte informático para registo e consulta comparativa de consumos energéticos. Esta experiência de estágio permitiu ao autor um contacto com a realidade de uma empresa em toda a diversidade das actividades anteriormente nomeadas, que será descrita objectivamente nos capítulos do presente documento. O estágio foi claramente enriquecedor para o autor, fornecendo-lhe formação objectiva e a preparação necessária para a sua integração no mercado de trabalho nesta área específica da Engenharia Civil.

Eliminação do Cr(VI) na fase de neutralização de um efluente industrial proveniente de processos de galvanoplastia

A presente tese teve por base a identificação e resolução de um problema existente no tratamento de efluentes provenientes dos processos de tratamento de superfícies por galvanoplastia, na OGMA – Indústria Aeronáutica de Portugal S.A.. Observou-se a ocorrência, esporádica, de crómio hexavalente, (Cr (VI)), em valor superior ao valor limite de emissão (VLE). Os resultados foram monitorizados e os dados recolhidos no decorrer da actividade de tratamento de efluentes, durante o período de, aproximadamente, 5 anos (2006 a 2011). A recolha de resultados decorreu no âmbito da actividade profissional da mestranda, que, para além da responsabilidade técnica dos processos de galvanoplastia na empresa, é também responsável pelo suporte técnico ao processo de tratamento de efluentes resultantes da actividade de tratamento de superficies por processos de galvanoplastia. A empresa OGMA – Indústria Aeronáutica de Portugal S.A., é uma empresa de actividade aeronáutica dedicada à Fabricação e Manutenção de aeronaves, nomeadamente a prestação de serviços de Manutenção, Revisão e Modernização de, Aeronaves, Motores e Componentes, bem como Fabricação e Montagem de Aeroestruturas. Integrada na OGMA, S.A. encontra-se a área de tratamentos electroquímicos, onde são realizados processos de tratamento de materiais metálicos por electrodeposição, deposição química e conversão química. Desta actividade resulta uma quantidade considerável de efluentes líquidos que necessitam de tratamento adequado previamente à sua descarga em cursos de água. Devido ao tipo de contaminantes que estes efluentes possuem, o tratamento dos mesmos é realizado em várias etapas, passando pela oxidação de cianetos, a redução de cromatos e a neutralização. Posteriormente segue-se uma sedimentação e a remoção de lamas. De modo a garantir um controlo dos parâmetros de descarga dos efluentes tratados, de acordo com a legislação ambiental em vigor, o efluente obtido é analisado periodicamente em laboratório acreditado. Na perspectiva de solucionar o problema em questão, procedeu-se à realização de ensaios experimentais utilizando os efluentes provenientes dos tanques de reacção da redução de cromatos e da oxidação de cianetos da linha com cádmio, com especial incidência na variação dos intervalos de pH recomendados para cada uma das fases do tratamento de efluentes, e observação do comportamento das misturas em termos de presença de Cr (VI), quando sujeitos a variações de pH. Após análise dos dados disponíveis e realização de todos os ensaios, conclui-se que, o processo de oxidação de cianeto da linha com cádmio e o processo de redução de cromatos na mesma linha estão a funcionar adequadamente. Concluiu-se que o reaparecimento de Cr (VI) ocorre devido à existência de hipoclorito de sódio, em excesso, no tanque de oxidação de cianeto que, quando passa para o tanque de neutralização e entra em contacto com o efluente proveniente do tanque de redução de cromatos, oxida parte do crómio trivalente, (Cr (III)), existente, a Cr (VI). Para impedir a ocorrência deste fenómeno separou-se todo o efluente contendo crómio que passou a ser tratado na linha de tratamento de efluentes isenta de cádmio, não entrando assim em contacto com o efluente que contém hipoclorito não reagido, evitando a oxidação do Cr (III) a Cr (VI).

Application of GIS-based multi-criteria analysis for site selection of aquifer recharge with reclaimed water

Reclaimed water from small wastewater treatment facilities in the rural areas of the Beira Interior region (Portugal) may constitute an alternative water source for aquifer recharge. A 21-month monitoring period in a constructed wetland treatment system has shown that 21,500 m(3) year(-1) of treated wastewater (reclaimed water) could be used for aquifer recharge. A GIS-based multi-criteria analysis was performed, combining ten thematic maps and economic, environmental and technical criteria, in order to produce a suitability map for the location of sites for reclaimed water infiltration. The areas chosen for aquifer recharge with infiltration basins are mainly composed of anthrosol with more than 1 m deep and fine sand texture, which allows an average infiltration velocity of up to 1 m d(-1). These characteristics will provide a final polishing treatment of the reclaimed water after infiltration (soil aquifer treatment (SAT)), suitable for the removal of the residual load (trace organics, nutrients, heavy metals and pathogens). The risk of groundwater contamination is low since the water table in the anthrosol areas ranges from 10 m to 50 m. Oil the other hand, these depths allow a guaranteed unsaturated area suitable for SAT. An area of 13,944 ha was selected for study, but only 1607 ha are suitable for reclaimed water infiltration. Approximately 1280 m(2) were considered enough to set up 4 infiltration basins to work in flooding and drying cycles.

Concepção/construção para complemento da linha de tratamento da ETAR na Herdade do Montado

O presente relatório enquadra-se no âmbito do trabalho final de Mestrado do curso de Engenharia Civil, área de especialização de Hidráulica, pelo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, sobre a temática de construção de ETAR’s. O estágio decorreu na empresa COBENG Construtora, Lda., e teve como fim a prestação de serviços para a SIMARSUL – Sistema Integrado Multimunicipal de Águas Residuais da Península de Setúbal, S.A. O objectivo baseou-se no acompanhamento e participação de todo o processo construtivo deste tipo de estruturas com vista a proporcionar um bom sistema hidráulico na ETAR da herdade do Montado. A obra consistiu na remodelação e implantação de uma nova fase de tratamento (Tratamento Terciário por microtamisagem e raios UV) na ETAR existente que por razões diversas foi sendo incapaz de responder da melhor forma às solicitações impostas, pela população servida, no tratamento das águas residuais. Ao longo dos trabalhos foram encontradas diversas condicionantes e dificuldades, comuns neste tipo de estruturas, e que foram sendo ultrapassadas com o planeamento atempado desses trabalhos.

Articulação do tratamento das águas lixiviantes de infraestruturas de resíduos com ETAR urbanas: caso de estudo

A deposição de resíduos sólidos urbanos (RSU) em aterros sanitários (AS) tem uma dimensão que necessita de uma atenção especial por parte da sociedade. Deste acto podem resultar situações gravosas para o meio ambiente se não forem tomadas as medidas correctas. Um dos pontos que necessita de uma particular atenção é o tratamento das águas lixiviantes dos aterros sanitários, uma vez que estas apresentam geralmente cargas altamente poluentes. O presente trabalho apresenta a estrutura de um aterro sanitário, definindo os seus princípios de funcionamento, bem como as principais características a ter em consideração para a sua concepção e construção. É ainda abordada a composição dos resíduos sólidos produzidos em Portugal de acordo com (1) e as características quantitativas e qualitativas do lixiviado produzido por um AS. São apresentados os sistemas tratamento convencionais, biológicos e físico-químicos, mais utilizados em Portugal para o tratamento de águas lixiviantes, relacionando as problemáticas e as limitações associadas a cada um deles. É ainda apresentado o tratamento combinado de águas lixiviantes com águas residuais e a recirculação de lixiviado no sistema de tratamento, assim como algumas das vantagens associadas a estas práticas. Tendo por base, uma situação real, avalia-se um caso de estudo, que visa a avaliação do funcionamento da estação de pré-tratamento das águas lixiviantes produzidas no aterro sanitário do ecoparque de Palmela, tendo em consideração o facto de este tratamento ser realizado em combinação com o tratamento de águas residuais urbanas. A avaliação do funcionamento da estação de pré-tratamento de águas lixiviantes (EPTAL) é realizada de acordo com os dados fornecidos nos relatórios elaborados pela empresa LUSÁGUA, que apresentam os valores das cargas poluentes medidos à entrada e saída da EPTAL, verificando com estes dados se os valores limite de emissão medidos à saída da EPTAL são respeitados. São ainda propostas algumas alterações baseadas em pareceres técnicos que acompanham os relatórios elaborados pela LUSÁGUA e um estudo elaborada pela ECOserviços em Fevereiro de 2010 onde se obtêm eficiências de etapas de tratamentos com base em testes laboratoriais e testes realizados na própria EPTAL.

Simulação numérica aplicada ao tratamento de efluentes

A existência de estações de tratamentos de águas residuais (ETAR) é, nos dias de hoje, fundamental na medida em que permite, reduzir a poluição ambiental associada às águas e, também, a reutilização da água tratada para diversos fins. A constante necessidade de cumprir os limites de descargas nos meios recetores conduziu a um melhoramento nas técnicas e processos de tratamento de efluentes, nomeadamente, nos processos biológicos. O processo por lamas ativadas é um processo amplamente utilizado para a remoção de poluentes orgânicos presentes nas águas residuais, pelo que um estudo mais intensivo sobre estes tratamentos resultou na publicação de uma série de conceitos e pressupostos, através de modelos numéricos. A modelação numérica de processos de tratamento de águas residuais e a utilização de ferramentas de simulação numérica têm sido largamente utilizadas, a nível mundial, por exemplo em investigação, desenvolvimento de processos, atividade de consultoria e igualmente por entidades reguladoras, na medida em que os auxiliam no planeamento, dimensionamento e análise do comportamento de infraestruturas de tratamento. No presente trabalho, recorreu-se ao software de simulação GPS-X (versão 6.0) para implementar o esquema de tratamento da ETAR de Beirolas. O objetivo deste trabalho é verificar a aplicabilidade de modelos numéricos na simulação de unidades de tratamento de efluentes e avaliar a resposta dos diferentes modelos, assim como a influência na alteração de características das águas afluentes no comportamento dos modelos. Os resultados obtidos permitiram concluir que os modelos numéricos podem ser utilizados para prever a resposta dos sistemas biológicos e as suas perturbações. Conclui-se ainda que o comportamento, dos modelos estudados (ASM1, ASM2d, ASM3 e mantis), é semelhante, contudo deve-se referir que devido à complexidade do modelo e a falta de informação experimental sobre as características do efluente, não permitiram efetuar uma completa caracterização e calibração do caso de estudo, e toda a informação disponível sobre as características físico-químicas da água foram baseadas em estimativas de concentrações de carências de oxigénio e sólidos suspensos.

Automatização da E.T.A.R. e Plano de Manutenção para a Adega Cooperativa de Mangualde

Visto que o tratamento das águas residuais é um tema muito importante para a saúde pública, é necessário criar vários processos para o tratamento de efluentes. Após a finalização de todos os processos, o efluente tratado terá de cumprir requisitos de qualidade químicos e biológicos para a sua descarga no meio ambiente. A utilização de equipamentos e técnicas, caraterizados por elevados níveis de precisão (como a tecnologia), é muito importante, pois é possível tornar o sistema mais autónomo, monitorizar processos e controlá-los de forma eficiente e acessível para o utilizador. Assim, neste tipo de sistemas terá que ser utilizado um elemento central de controlo e vários elementos auxiliares, nomeadamente vários tipos de sensores. Também terá que se usar uma interface que permita ao utilizador comunicar com o sistema de controlo, de forma a poder manipular e ajustar determinados parâmetros que influenciam os processos de tratamento. Neste sentido, a presente dissertação apresenta um estudo/projeto, na Adega Cooperativa de Mangualde, onde se pretende automatizar, controlar e monitorizar a Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) da mesma. Como, cada vez mais, os lucros das empresas dependem do bom funcionamento, não só dos trabalhadores mas também dos seus equipamentos, é necessário que estes estejam em ótimas condições de trabalho, de forma a evitar avarias e paragens na produção, o que vem trazer, por consequência, prejuízos para as empresas. Assim, realizar-se-á, também, um plano de manutenção para garantir o bom desempenho dos equipamentos desta unidade fabril.

Selecção do melhor descolorante para a eliminação da cor residual num efluente têxtil

Mestrado em Engenharia Química

Optimização do tratamento de um efluente aquoso resultante da utilização de cola nas máquinas de produção de placas de madeira

O presente trabalho teve como principais objectivos, estudar e optimizar o processo de tratamento do efluente proveniente das máquinas da unidade Cold-press da linha de produção da Empresa Swedwood, caracterizar a solução límpida obtida no tratamento e estudar a sua integração no processo, e por fim caracterizar o resíduo de pasta de cola obtido no tratamento e estudar a possível valorização energética deste resíduo. Após caracterização inicial do efluente e de acordo com os resultados de um estudo prévio solicitado pela Empresa Swedwood a uma empresa externa, decidiu-se iniciar o estudo de tratabilidade do efluente pelo processo físico-químico a coagulação/floculação. No processo de coagulação/floculação estudou-se a aplicabilidade, através de ensaios Jar-test, dos diferentes agentes de coagulação/floculação: a soda cáustica, a cal, o cloreto férrico e o sulfato de alumínio. Os melhores resultados neste processo foram obtidos com a adição de uma dose de cal de 500 mg/Lefluente, seguida da adição de 400 mg/Lefluente de sulfato de alumínio. Contudo, após este tratamento o clarificado obtido não possuía as características necessárias para a sua reintrodução no processo fabril nem para a sua descarga em meio hídrico. Deste modo procedeu-se ao estudo de tratamentos complementares. Nesta segunda fases de estudo testaram-se os seguintes os tratamentos: a oxidação química por Reagente de Fenton, o tratamento biológico por SBR (sequencing batch reactor) e o leito percolador. Da análise dos resultados obtidos nos diferentes tratamentos conclui-se que o tratamento mais eficaz foi o tratamento biológico por SBR com adição de carvão activado. Prevê-se que no final do processo de tratamento o clarificado obtido possa ser descarregado em meio hídrico ou reintroduzido no processo. Como o estudo apenas foi desenvolvido à escala laboratorial, seria útil poder validar os resultados numa escala piloto antes da sua implementação industrial. A partir dos resultados do estudo experimental, procedeu-se ao dimensionamento de uma unidade de tratamento físico-químico e biológico à escala industrial para o tratamento de 20 m3 de efluente produzido na fábrica, numa semana. Dimensionou-se ainda a unidade (leito de secagem) para tratamento das lamas produzidas. Na unidade de tratamento físico-químico (coagulação/floculação) os decantadores estáticos devem possuir o volume útil de 4,8 m3. Sendo necessários semanalmente 36 L da suspensão de cal (Neutrolac 300) e 12,3 L da solução de sulfato de alumínio a 8,3%. Os tanques de armazenamento destes compostos devem possuir 43,2 litros e 96 litros, respectivamente. Nesta unidade estimou-se que são produzidos diariamente 1,4 m3 de lamas. Na unidade de tratamento biológico o reactor biológico deve possuir um volume útil de 6 m3. Para que este processo seja eficaz é necessário fornecer diariamente 2,1 kg de oxigénio. Estima-se que neste processo será necessário efectuar a purga de 325 litros de lamas semanalmente. No final da purga repõe-se o carvão activado, que poderá ser arrastado juntamente com as lamas, adicionando-se 100 mg de carvão por litro de licor misto. De acordo com o volume de lamas produzidos em ambos os tratamentos a área mínima necessária para o leito de secagem é de cerca de 27 m2. A análise económica efectuada mostra que a aquisição do equipamento tem o custo de 22.079,50 euros, o custo dos reagentes necessários neste processo para um ano de funcionamento tem um custo total de 508,50 euros e as necessidades energéticas de 2.008,45 euros.