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 interrelationbetween 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

Application of a support system to the design of wastewater treatment plants

This paper presents a case study that explores the advantages that can be derived from the use of a design support system during the design of wastewater treatment plants (WWTP). With this objective in mind a simplified but plausible WWTP design case study has been generated with KBDS, a computer-based support system that maintains a historical record of the design process. The study shows how, by employing such a historical record, it is possible to: (1) rank different design proposals responding to a design problem; (2) study the influence of changing the weight of the arguments used in the selection of the most adequate proposal; (3) take advantage of keywords to assist the designer in the search of specific items within the historical records; (4) evaluate automatically thecompliance of alternative design proposals with respect to the design objectives; (5) verify the validity of previous decisions after the modification of the current constraints or specifications; (6) re-use the design records when upgrading an existing WWTP or when designing similar facilities; (7) generate documentation of the decision making process; and (8) associate a variety of documents as annotations to any component in the design history. The paper also shows one possible future role of design support systems as they outgrow their current reactive role as repositories of historical information and start to proactively support the generation of new knowledge during the design process

Producció de biopolímers amb cultius bacterians mixtes. Comparació de tres reactors discontinus seqüencials (SBR) amb diferents condicions operacionals

La producció de biopolímers (polihidroxialcanoats (PHA) i substàncies polimèriques extracel·lulars (EPS)) a nivell industrial, resulta una nova àrea d’investigació que recull diverses disciplines, entre elles les Ciències Ambientals. Aquest projecte final de carrera amb el títol: “Producció de biopolímers amb cultius bacterians mixtes”, s’ha desenvolupat sota la supervisió de la directora de projecte Dra. María Eugenia Suárez Ojeda del Departament d’Enginyeria Química de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i s’ha dut a terme per l’estudiant Jordi Pérez i Forner de la Llicenciatura de Ciències Ambientals, Facultat de Ciències de la UAB, en el Departament d’Enginyeria Química de la mateixa universitat. L’objectiu d’aquest projecte ha estat produir biopolímers simultàniament amb l’eliminació de fòsfor i matèria orgànica en aigües residuals per obtenir un residu final amb un alt valor afegit. Aquests biopolímers reuneixen les característiques necessàries per a poder competir amb els plàstics convencionals i així, reduir l’elevat consum del petroli i la generació de residus no biodegradables. En aquest projecte s’ha dut a terme la posta en marxa d’un reactor discontinu seqüencial (SBR) per a l’acumulació de biopolímers amb cultius bacterians mixtes. Diferents investigadors han estudiat que aquests tipus de cultius bacterians arriben a nivells de fins el 53-97% [Pijuan et al., 2009] de contingut de biopolímers a la biomassa, sometent als microorganismes a diferents situacions d’estrés ja sigui per dèficit de nutrients o per variacions en les fases de feast-famine (festí-fam). Durant el projecte, s’ha realitzat el monitoratge del reactor alimentat amb una aigua sintètica, elaborada en el laboratori, amb les característiques d’un aigua residual provinent de la industria làctica. S’ha sotmès als microorganismes a diferents condicions operacionals, una d’elles amb limitació de fòsfor com a nutrient i una tercera condició amb una variació a les fases feast-famine. D’altra banda, com a segon objectiu, s’ha analitzat el contingut de biopolímers a la biomassa de dos SBRs més, del grup de recerca Bio-GLS del Departament d’Enginyeria Química de la UAB, alimentats amb diferents fonts de carboni, glicerol i àcids grassos de cadena llarga (AGCLL), per observar les influències que té el tipus de substrat en l’acumulació de biopolímers. Els resultats obtinguts en la primera part d’aquest projecte han estat similars als resultats d’altres investigadors [Pijuan et al., 2009; Guerrero et al., 2012]. S’ha determinat que sotmetre als microorganismes a situacions d’estrés té un efecte directe pel que fa a l’acumulació de biopolímers. També s’ha observat com al mateix temps que acumulaven aquests compostos, els microorganismes desenvolupaven la seva tasca de depurar l’aigua residual, obtenint al final del cicle una aigua amb un baix contingut en matèria orgànica i altres contaminants com amoni i fòsfor, en aquest cas. En la segona part del projecte, s’ha observat com el tipus de substrat té un efecte directe pel que fa a l’acumulació de biopolímers i també a l’activitat metabòlica dels microorganismes. Per tant, s’ha conclòs que la producció de biopolímers mitjançant la depuració d’aigües residuals es una via d’investigació molt prometedora pel que fa als resultats obtinguts. Alhora que es tracta un residu, s’obté una producte residual amb un alt valor afegit que pot ser utilitzat per la producció de bioplàstics 100% biodegradables.

Aplicació en línia d'un sistema variable de control multivariable en un Reactor ..

L’objecte del present treball és la realització d’una aplicació que permeti portar a terme el control estadístic multivariable en línia d’una planta SBR.Aquesta eina ha de permetre realitzar un anàlisi estadístic multivariable complet del lot en procés, de l’últim lot finalitzat i de la resta de lots processats a la planta.L’aplicació s’ha de realitzar en l’entorn LabVIEW. L’elecció d’aquest programa vecondicionada per l’actualització del mòdul de monitorització de la planta que s’estàdesenvolupant en aquest mateix entorn

Proyecto de instalación de depuradora para el tratamiento de 1200 m3/día de aguas residuales procedentes de industria de matadero de aves y sala de despiece anexa situados en el T.M. de Bellvís (Pla d’Urgell)

Se considera existente una Unidad Industrial Agraria de Matadero y Sala de Despiece Anexa que consecuencia de los incrementos de matanza y despiece precisa una nueva instalación de depuración de sus aguas residuales, dado que las actuales han quedado obsoletas y no permiten alcanzar los límites de vertido que impone la legislación vigente. Se redacta el presente proyecto en base a la solicitud de la licencia de obras del Proyecto de Instalación de Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) con capacidad de tratamiento de 1200 m3/día, que posteriormente se justifica. Dicho proyecto se contempla como un cambio no sustancial dado que se plantea como la sustitución de los equipos actuales de depuración por nuevos equipos que permitan adecuarse a las nuevas condiciones de vertido, mucho más estrictas que las autorizadas actualmente, sin que ello provoque ninguna modificación significativa en los aspectos ambientales y de definición de la actividad principal (matadero y Sala despiece) ya perfectamente legalizada desde el año 1990. Es fundamental indicar que se actúa sobre los equipos de depuración de aguas y tratamiento de fangos, siendo por tanto una sustitución sumamente positiva y que no implica un incremento en los residuos generados sino todo lo contrario. Por parte de Avícola del Pla. se proyecta la nueva EDAR en terrenos de su propiedad que dispone en las parcelas núm. 40 y 41 del polígono 08 de Bellvís.

Estudi de producció energètica amb microalgues : la reutilització de CO2 d’incineradora i d’aigües de depuradora

Disseny d’una planta de producció de microalgues com a complement de depuració d’aigües residuals actuant com a tractament terciari i basant-se en l’aprofitament dels nutrients sortints de la depuració d’aigües convencionals, donant un segon ús al CO2 per tal de fer créixer les microalgues i utilitzant la biomassa resultant com a combustible. La principal millora seria el reciclatge dels nutrients i la reutilització del CO2 en biomassa aprofitable

DAI-DEPUR: an integrated and distributed architecture for wastewater treatment plants supervision

The activated sludge process - the main biological technology usually applied towastewater treatment plants (WWTP) - directly depends on live beings (microorganisms), and therefore on unforeseen changes produced by them. It could be possible to get a good plant operation if the supervisory control system is able to react to the changes and deviations in the system and can take thenecessary actions to restore the system’s performance. These decisions are oftenbased both on physical, chemical, microbiological principles (suitable to bemodelled by conventional control algorithms) and on some knowledge (suitable to be modelled by knowledge-based systems). But one of the key problems in knowledge-based control systems design is the development of an architecture able to manage efficiently the different elements of the process (integrated architecture), to learn from previous cases (spec@c experimental knowledge) and to acquire the domain knowledge (general expert knowledge). These problems increase when the process belongs to an ill-structured domain and is composed of several complex operational units. Therefore, an integrated and distributed AIarchitecture seems to be a good choice. This paper proposes an integrated and distributed supervisory multi-level architecture for the supervision of WWTP, that overcomes some of the main troubles of classical control techniques and those of knowledge-based systems applied to real world systems

Comparison of a deterministic and a data driven model to describe MBR fouling

Membrane bioreactors (MBRs) are a combination of activated sludge bioreactors and membrane filtration, enabling high quality effluent with a small footprint. However, they can be beset by fouling, which causes an increase in transmembrane pressure (TMP). Modelling and simulation of changes in TMP could be useful to describe fouling through the identification of the most relevant operating conditions. Using experimental data from a MBR pilot plant operated for 462days, two different models were developed: a deterministic model using activated sludge model n°2d (ASM2d) for the biological component and a resistance in-series model for the filtration component as well as a data-driven model based on multivariable regressions. Once validated, these models were used to describe membrane fouling (as changes in TMP over time) under different operating conditions. The deterministic model performed better at higher temperatures (>20°C), constant operating conditions (DO set-point, membrane air-flow, pH and ORP), and high mixed liquor suspended solids (>6.9gL-1) and flux changes. At low pH (<7) or periods with higher pH changes, the data-driven model was more accurate. Changes in the DO set-point of the aerobic reactor that affected the TMP were also better described by the data-driven model. By combining the use of both models, a better description of fouling can be achieved under different operating conditions

Pharmaceuticals occurrence in a WWTP with significant industrial contribution and its input into the river system

Occurrence and removal of 81 representative Pharmaceutical Active Compounds (PhACs) were assessed in a municipal WWTP located in a highly industrialized area, with partial water reuse after UV tertiary treatment and discharge to a Mediterranean river. Water monitoring was performed in an integrated way at different points in the WWTP and river along three seasons. Consistent differences between therapeutic classes were observed in terms of influent concentration, removal efficiencies and seasonal variation. Conventional (primary and secondary) treatment was unable to completely remove numerous compounds and UV-based tertiary treatment played a complementary role for some of them. Industrial activity influence was highlighted in terms of PhACs presence and seasonal distribution. Even if global WWTP effluent impact on the studied river appeared to be minor, PhACs resulted widespread pollutants in river waters. Contamination can be particularly critical in summer in water scarcity areas, when water flow decreases considerably

Towards integrated operation of membrane bioreactors : effects of aeration on biological and filtration performance

Two experimental studies evaluated the effect of aerobic and membrane aeration changes on sludge properties, biological nutrient removal and filtration processes in a pilot plant membrane bioreactor. The optimal operating conditions were found at an aerobic dissolved oxygen set-point (DO) of 0.5mgO2L-1 and a membrane specific aeration demand (SADm) of 1mh-1, where membrane aeration can be used for nitrification. Under these conditions, a total flow reduction of 42% was achieved (75% energy reduction) without compromising nutrient removal efficiencies, maintaining sludge characteristics and controlled filtration. Below these optimal operating conditions, the nutrient removal efficiency was reduced, increasing 20% for soluble microbial products, 14% for capillarity suction time and reducing a 15% for filterability. Below this DO set-point, fouling increased with a transmembrane pressure 75% higher. SADm below 1mh-1 doubled the values of transmembrane pressure, without recovery after achieving the initial conditions

Non conventional biological treatment based on Trametes versicolor for the elimination of recalcitrant anticancer drugs in hospital wastewater

This work presents a study about the elimination of anticancer drugs, a group of pollutants considered recalcitrant during conventional activated sludge wastewater treatment, using a biological treatment based on the fungus Trametes versicolor. A 10-L fluidized bed bioreactor inoculated with this fungus was set up in order to evaluate the removal of 10 selected anticancer drugs in real hospital wastewater. Almost all the tested anticancer drugs were completely removed from the wastewater at the end of the batch experiment (8 d) with the exception of Ifosfamide and Tamoxifen. These two recalcitrant compounds, together with Cyclophosphamide, were selected for further studies to test their degradability by T. versicolor under optimal growth conditions. Cyclophosphamide and Ifosfamide were inalterable during batch experiments both at high and low concentration, whereas Tamoxifen exhibited a decrease in its concentration along the treatment. Two positional isomers of a hydroxylated form of Tamoxifen were identified during this experiment using a high resolution mass spectrometry based on ultra-high performance chromatography coupled to an Orbitrap detector (LTQ-Velos Orbitrap). Finally the identified transformation products of Tamoxifen were monitored in the bioreactor run with real hospital wastewater

Characterization and Control Strategies of an Integrated Chemical-Biological System for the Remediation of Toxic Pollutants in Wastewater: A case of study

In a previous work, a hybrid system consisting of an advanced oxidation process (AOP) named Photo-Fenton (Ph-F) and a fixed bed biological treatment operating as a sequencing batch biofilm reactor (SBBR) was started-up and optimized to treat 200 mg·L-1 of 4-chlorophenol (4-CP) as a model compound. In this work, studies of reactor stability and control as well as microbial population determination by molecular biology techniques were carried out to further characterize and control the biological reactor. Results revealed that the integrated system was flexible and even able to overcome toxic shock loads. Oxygen uptake rate (OUR) in situ was shown to be a valid tool to control the SBBR operation, to detect toxic conditions to the biomass, and to assess the recovery of performance. A microbial characterization by 16S rDNA sequence analysis reveals that the biological population was varied, although about 30% of the bacteria belonged to the Wautersia genus.

Control de 6 respiròmetres i anàlisi de les dades

L’aplicació de tècniques respiromètriques és de recent innovació dins l’estudi dels tractaments d’aigües residuals. Aquest conjunt de tècniques ens permeten analitzar dos processos importants dins una planta de tractament biològic: el creixement de la biomassa i el consum del substrat. Això fa que siguin una eina amb gran potencial en l’avaluació dels sistemes de tractament biològic d’aigües residuals. L’objectiu principal d’aquest treball es la realització d’una aplicació capaç de controlar el funcionament de 6 respiròmetres, gestionant el procés del mostreig de les respirometries i l’anàlisi de les dades obtingudes, per obtenir el substrat ràpidament biodegradable (Ss) per a mostres d’aigua residual, i la taxa màxima de creixement específic per a mostres de compost. L’aplicació s’ha desenvolupat sobre l’entorn Microsoft Access, on s’integren la base de dades amb les mostres i els resultats de les respirometries, i els formularis de control que ens permeten gestionar i controlar els processos de mostreig i anàlisi. L’aplicació es comunica amb els sensors i actuadors dels respiròmetres a través del control ActiveX, ADS-OCX, subministrat per TwinCAT, que ens permet capturar les lectures dels sensors i controlar el funcionament dels actuadors. Aquests elements estan connectats a mòduls descentralitzats d’entrades i sortides, comunicats mitjançant el bus Ethernet amb el PC-Industrial, on s’executa l’aplicació. Un cop finalitzada l’aplicació, aquesta controla correctament el mostreig de les respirometries, registrant les lectures de les sondes a la base de dades i controlant l’activació de les vàlvules del respiròmetre. Partint de les mostres obtingudes, o de respirometries externes, importades des de Microsoft Excel, s’ha comprovat el correcte funcionament en el càlcul del substrat ràpidament biodegradable (Ss) i la taxa màxima de creixement específic. Amb l’aplicació desenvolupada, s’ha comprovat el funcionament i les possibilitats que ens ofereix TwinCAT alhora de controlar mòduls d’entrades i sortides, així com la seva comunicació amb aplicacions com Microsoft Access. Això pot afavorir a la utilització d’aquest tipus de tecnologia, per aplicacions futures.

Estudi per a la construcció de l'EDAR mitjançant filtres verds de la Nou de Gaià (Tarragonès)

El tractament de les aigües en nuclis menors de 2000 habitants es troba pendent de completar per part de l’Agència Catalana de l’Aigua més concretament al corresponent Pla de Sanejament d’Aigües Residuals Urbanes (PSARU). El nucli de La Nou de Gaià (al Tarragonès) es troba pendent de la construcció de la corresponent instal·lació de sanejament, projectada al 2007. Alternativament a les depuradores tradicionals basades en l’ús de formigó (o materials alternatius) i en la despesa elèctrica per assegurar una aeració i una evacuació dels fangs generats, existeixen tecnologies “toves”. Aquestes tecnologies, també conegudes com a “verdes”, es basen en imitar els sistemes naturals maximitzant el seu potencial d’autodepuració. A grans trets existeixen dos formes de depurar les aigües de forma ecològica”: llacunatges (existeix una capa d’aigua lliure) i filtres verds. El present estudi es basa en l’aplicació de filtres verds de morfologia vertical i flux subsuperficial, plantat amb canyes dels generes Scirpus o Phragmites. El resultat han estat 4 bases de 35*35 per a tractar un cabal de 150 m3/d i una població equivalent de 1272.

La Depuradora del segle XXI

A partir de la reflexió sobre la situació actual i futura de les depuradores d’aigües, s’estudia l’obtenció d’un model conceptual de possible depuradora del segle XXI, entenent l’EDAR del segle XXI com a una instal•lació que gestioni de manera òptima les aigües residuals urbanes d’una població mitjana. (El cas pràctic es concreta en l’EDAR de Figueres)