Operation and control of SBR processes for enhanced biological nutrient removal from wastewater

In the last decades, the awareness of environmental issues has increased in society considerably. There is an increasing need to improve the effluent quality of domestic wastewater treatment processes. This thesis describes the application of the Sequencing Batch Reactor (SBR) technology for Biological Nutrient Removal (BNR) from the wastewater. In particular, the work presented evolves from the nitrogen removal to the biological nutrient removal (i.e. nitrogen plus phosphorous removal) with special attention to the operational strategy design, the identification of possible reactor cycle controls or the influent composition related to the process efficiency. In such sense, also the use of ethanol as an external carbon (when low influent Carbon:Phosphorus (C:P) or Carbon:Nitrogen (C:N) ratios are presented) are studied as an alternative to maintain the BNR efficiency.

Control and optimization of an SBR for nitrogen removal: from model calibration to plant operation

En aquesta tesis s'ha desenvolupat un sistema de control capaç d'optimitzar el funcionament dels Reactors Discontinus Seqüencials dins el camp de l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals. El sistema de control permet ajustar en línia la durada de les etapes de reacció a partir de mesures directes o indirectes de sondes. En una primera etapa de la tesis s'ha estudiat la calibració de models matemàtics que permeten realitzar fàcilment provatures de diferents estratègies de control. A partir de l'anàlisis de dades històriques s'han plantejat diferents opcions per controlar l'SBR i les més convenients s'han provat mitjançant simulació. Després d'assegurar l'èxit de l'estratègia de control mitjançant simulacions s'ha implementat en una planta semi-industrial. Finalment es planteja l'estructura d'uns sistema supervisor encarregat de controlar el funcionament de l'SBR no només a nivell de fases sinó també a nivell cicle.

Desenvolupament d'un sistema de suport a la decisió ambiental per a la gestió de les infraestructures hidràuliques, amb l'objectiu de garantir la qualitat de l'aigua a la Conca del Besòs

Aquesta tesi presenta un projecte de gestió integral d'infraestructures hidràuliques de sanejament a la Conca del riu Besòs. S'han considerat dos sistemes de sanejament (La Garriga i Granollers) amb les seves respectives xarxes de clavegueram i Estacions Depuradores d'Aigües Residuals (EDAR), i un tram del riu Congost, afluent del Besòs, com a medi receptor de les seves aigües residuals. Amb aquesta finalitat es construeix i s'utilitza un Sistema de Suport a la Decisió Ambiental (SSDA). Aquesta eina incorpora l'ús de models de simulació de qualitat de l'aigua pels sistemes de clavegueram, EDAR i riu, com a forma d'extracció de coneixement sobre la gestió integrada d'aquests elements. Aquest coneixement es conceptualitza, posteriorment, en forma d'arbres de decisió, que proporcionaran a l'usuari les actuacions a realitzar davant de les diferents situacions reals de gestió diària.

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.

Avaluació econòmica i ambiental de tractament de compostos orgànics volàtils

L'estudi tracta sobre una empresa fabricant de tints i pintures que tot i està conscienciada amb el medi ambient i utilitzar tècniques de prevenció en origen per disminuir l’emissió de COV a l’atmosfera (les seves emissions es troben dins dels rangs permesos per la legislació en aquest sector), els seus directius pretenen conèixer les alternatives possibles per valorar la possibilitat d'aplicar algun sistema de tractament dels Compostos Orgànics Volàtils a la sortida de la xemeneia, amb la finalitat de recuperar o reduir l’emissió d’aquests contaminants a l’atmosfera. Es presenta una avaluació econòmica i ambiental de diferents sistemes de tractament dels COV aplicables a l’empresa

Automatització d'una planta de tractament d'aigua potable

Estudi sobre l'automatització d’una planta de tractament d’aigua potable. Es mantindran els equips existents i les seqüències de treball que regeixen actualment el treball de la planta. Es limitaran les accions directes dels operaris, els quals tindran com a funció la supervisió del correcte funcionament de la planta intervenint en cas d’eventuals anomalies. Es vol aconseguir una millora en la gestió i els resultats del funcionament de la planta

Avaluació de la toxicitat de metalls pesants i arsènic en diferents models biològics

En aquest estudi, la toxicitat de diversos metalls pesants i l'arsènic va ser analitzada utilitzant diferents models biològics. En la primera part d'aquest treball, el bioassaig de toxicitat Microtox, el qual està basat en la variació de l'emissió lumínica del bacteri luminiscent Vibrio fischeri, va ser utilitzat per establir les corbes dosi-resposta de diferents elements tòxics com el Zn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ag(I), Co(II), Cd(II), Cr(VI), As(V) i As(III) en solucions aquoses. Els experiments es varen portar a terme a pH 6.0 i 7.0 per tal de mostrar que el pH pot influir en la toxicitat final mesurada d'alguns metalls degut als canvis relacionats amb la seva especiació química. Es varen trobar diferents tipus de corbes dosi-resposta depenent del metall analitzat i el pH del medi. En el cas de l'arsènic, l'efecte del pH en la toxicitat de l'arsenat i l'arsenit es va investigar utilitzant l'assaig Microtox en un rang de pHs comprès entre pH 5.0 i 9.0. Els valors d'EC50 determinats per l'As(V) disminueixen, reflectint un augment de la toxicitat, a mesura que el pH de la solució augmenta mentre que, en el cas de l'As(III), els valors d'EC50 quasi bé no varien entre pH 6.0 i 8.0 i només disminueixen a pH 9.0. HAsO42- i H2AsO3- es varen definir com les espècies més tòxiques. Així mateix, una anàlisi estadística va revelar un efecte antagònic entre les espècies químiques d'arsenat que es troben conjuntament a pH 6.0 i 7.0. D'altra banda, els resultats de dos mètodes estadístics per predir la toxicitat i les possibles interaccions entre el Co(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II) i Pb(II) en mescles binàries equitòxiques es varen comparar amb la toxicitat observada sobre el bacteri Vibrio fischeri. L'efecte combinat d'aquests metalls va resultar ser antagònic per les mescles de Co(II)-Cd(II), Cd(II)-Zn(II), Cd(II)-Pb(II) i Cu(II)-Pb(II), sinèrgic per Co(II)-Cu(II) i Zn(II)-Pb(II) i additiu en els altres casos, revelant un patró complex de possibles interaccions. L'efecte sinèrgic de la combinació Co(II)-Cu(II) i la forta disminució de la toxicitat del Pb(II) quan es troba en presència de Cd(II) hauria de merèixer més atenció quan s'estableixen les normatives de seguretat ambiental. La sensibilitat de l'assaig Microtox també va ser determinada. Els valors d'EC20, els quals representen la toxicitat llindar mesurable, varen ser determinats per cada element individualment i es va veure que augmenten de la següent manera: Pb(II) < Ag(I) < Hg(II)  Cu(II) < Zn(II) < As(V) < Cd(II)  Co(II) < As(III) < Cr(VI). Aquests valors es varen comparar amb les concentracions permeses en aigues residuals industrials establertes per la normativa oficial de Catalunya (Espanya). L'assaig Microtox va resultar ser suficientment sensible per detectar els elements assajats respecte a les normes oficials referents al control de la contaminació, excepte en el cas del cadmi, mercuri, arsenat, arsenit i cromat. En la segona part d'aquest treball, com a resultats complementaris dels resultats previs obtinguts utilitzant l'assaig de toxicitat aguda Microtox, els efectes crònics del Cd(II), Cr(VI) i As(V) es varen analitzar sobre la taxa de creixement i la viabilitat en el mateix model biològic. Sorprenentment, aquests productes químics nocius varen resultar ser poc tòxics per aquest bacteri quan es mesura el seu efecte després de temps d'exposició llargs. Tot i això, en el cas del Cr(VI), l'assaig d'inhibició de la viabilitat va resultar ser més sensible que l'assaig de toxicitat aguda Microtox. Així mateix, també va ser possible observar un clar fenomen d'hormesis, especialment en el cas del Cd(II), quan s'utilitza l'assaig d'inhibició de la viabilitat. A més a més, diversos experiments es varen portar a terme per intentar explicar la manca de toxicitat de Cr(VI) mostrada pel bacteri Vibrio fischeri. La resistència mostrada per aquest bacteri podria ser atribuïda a la capacitat d'aquest bacteri de convertir el Cr(VI) a la forma menys tòxica de Cr(III). Es va trobar que aquesta capacitat de reducció depèn de la composició del medi de cultiu, de la concentració inicial de Cr(VI), del temps d'incubació i de la presència d'una font de carboni. En la tercera part d'aquest treball, la línia cel·lular humana HT29 i cultius primaris de cèl·lules sanguínies de Sparus sarba es varen utilitzar in vitro per detectar la toxicitat llindar de metalls mesurant la sobreexpressió de proteines d'estrès. Extractes de fangs precedents de diverses plantes de tractament d'aigues residuals i diferents metalls, individualment o en combinació, es varen analitzar sobre cultius cel·lulars humans per avaluar el seu efecte sobre la taxa de creixement i la capacitat d'induir la síntesi de les proteïnes Hsp72 relacionades amb l'estrès cel·lular. No es varen trobar efectes adversos significatius quan els components s'analitzen individualment. Nogensmenys, quan es troben conjuntament, es produeix un afecte advers sobre tan la taxa de creixement com en l'expressió de proteins d'estrès. D'altra banda, cèl·lules sanguínies procedents de Sparus sarba es varen exposar in vitro a diferents concentracions de cadmi, plom i crom. La proteïna d'estrès HSP70 es va sobreexpressar significativament després de l'exposició a concentracions tan febles com 0.1 M. Sota les nostres condicions de treball, no es va evidenciar una sobreexpressió de metal·lotioneïnes. Nogensmenys, les cèl·lules sanguínies de peix varen resultar ser un model biològic interessant per a ser utilitzat en anàlisis de toxicitat. Ambdós models biològics varen resultar ser molt adequats per a detectar acuradament la toxicitat produïda per metalls. En general, l'avaluació de la toxicitat basada en l'anàlisi de la sobreexpressió de proteïnes d'estrès és més sensible que l'avaluació de la toxicitat realitzada a nivell d'organisme. A partir dels resultats obtinguts, podem concloure que una bateria de bioassaigs és realment necessària per avaluar acuradament la toxicitat de metalls ja que existeixen grans variacions entre els valors de toxicitat obtinguts emprant diferents organismes i molts factors ambientals poden influir i modificar els resultats obtinguts.

Diagnostic Tests Based on Quantile Residuals for Nonlinear Time Series Models

This thesis studies quantile residuals and uses different methodologies to develop test statistics that are applicable in evaluating linear and nonlinear time series models based on continuous distributions. Models based on mixtures of distributions are of special interest because it turns out that for those models traditional residuals, often referred to as Pearson's residuals, are not appropriate. As such models have become more and more popular in practice, especially with financial time series data there is a need for reliable diagnostic tools that can be used to evaluate them. The aim of the thesis is to show how such diagnostic tools can be obtained and used in model evaluation. The quantile residuals considered here are defined in such a way that, when the model is correctly specified and its parameters are consistently estimated, they are approximately independent with standard normal distribution. All the tests derived in the thesis are pure significance type tests and are theoretically sound in that they properly take the uncertainty caused by parameter estimation into account. -- In Chapter 2 a general framework based on the likelihood function and smooth functions of univariate quantile residuals is derived that can be used to obtain misspecification tests for various purposes. Three easy-to-use tests aimed at detecting non-normality, autocorrelation, and conditional heteroscedasticity in quantile residuals are formulated. It also turns out that these tests can be interpreted as Lagrange Multiplier or score tests so that they are asymptotically optimal against local alternatives. Chapter 3 extends the concept of quantile residuals to multivariate models. The framework of Chapter 2 is generalized and tests aimed at detecting non-normality, serial correlation, and conditional heteroscedasticity in multivariate quantile residuals are derived based on it. Score test interpretations are obtained for the serial correlation and conditional heteroscedasticity tests and in a rather restricted special case for the normality test. In Chapter 4 the tests are constructed using the empirical distribution function of quantile residuals. So-called Khmaladze s martingale transformation is applied in order to eliminate the uncertainty caused by parameter estimation. Various test statistics are considered so that critical bounds for histogram type plots as well as Quantile-Quantile and Probability-Probability type plots of quantile residuals are obtained. Chapters 2, 3, and 4 contain simulations and empirical examples which illustrate the finite sample size and power properties of the derived tests and also how the tests and related graphical tools based on residuals are applied in practice.

Boron and strontium isotopic characterization of coal combustion residuals: validation of new environmental tracers.

In the U.S., coal fired power plants produce over 136 million tons of coal combustion residuals (CCRs) annually. CCRs are enriched in toxic elements, and their leachates can have significant impacts on water quality. Here we report the boron and strontium isotopic ratios of leaching experiments on CCRs from a variety of coal sources (Appalachian, Illinois, and Powder River Basins). CCR leachates had a mostly negative δ(11)B, ranging from -17.6 to +6.3‰, and (87)Sr/(86)Sr ranging from 0.70975 to 0.71251. Additionally, we utilized these isotopic ratios for tracing CCR contaminants in different environments: (1) the 2008 Tennessee Valley Authority (TVA) coal ash spill affected waters; (2) CCR effluents from power plants in Tennessee and North Carolina; (3) lakes and rivers affected by CCR effluents in North Carolina; and (4) porewater extracted from sediments in lakes affected by CCRs. The boron isotopes measured in these environments had a distinctive negative δ(11)B signature relative to background waters. In contrast (87)Sr/(86)Sr ratios in CCRs were not always exclusively different from background, limiting their use as a CCR tracer. This investigation demonstrates the validity of the combined geochemical and isotopic approach as a unique and practical identification method for delineating and evaluating the environmental impact of CCRs.

Relations, residuals, regular interiors, and relative regular equivalence

Given a relation α (a binary sociogram) and an a priori equivalence relation π, both on the same set of individuals, it is interesting to look for the largest equivalence πo that is contained in and is regular with respect to α. The equivalence relation πo is called the regular interior of π with respect to α. The computation of πo involves the left and right residuals, a concept that generalized group inverses to the algebra of relations. A polynomial-time procedure is presented (Theorem 11) and illustrated with examples. In particular, the regular interior gives meet in the lattice of regular equivalences: the regular meet of regular equivalences is the regular interior of their intersection. Finally, the concept of relative regular equivalence is defined and compared with regular equivalence.

Signal residuals and hermit crab displays: flaunt it if you have it!

In animal contests selection should favour information gathering regarding the likely costs and benefits of continued conflict, and displays may provide a means for contestants to gain information about the fighting ability or aggressive intent of competitors. However, there is debate over the reliability of such displays and low levels of deception may occur within otherwise honest signalling systems. Hermit crabs use displays involving the chelipeds during agonistic encounters. We examined how variation in chelae size in relation to body size, a determinant of fighting ability, affects their use in displays and the process and outcome of contests over gastropod shells. In accordance with deceptive use of an otherwise honest signal, we found that contestants with large chelipeds for their body size spent more time performing the cheliped presentation display. Moreover, cheliped residuals and displays influenced the escalation level of encounters. There was a positive association between cheliped displays and the occurrence of 'grappling', but a negative association between displays and the occurrence of shell fights, suggesting that displays may signal aggressive intent and a reluctance to back off or accept the more passive defender role in a fight. Furthermore, the smaller of the two contestants in shell fights had larger cheliped residuals compared to those smaller contestants not involved in shell fights, which is consistent with disrupted opponent assessment. This study adds to mounting evidence that when acting as a signaller, individuals for whom the display exaggerates competitive ability attempt to manipulate opponents, using the display more often. (C) 2009 The Association for the Study of Animal Behaviour. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Investigating the of Water treatment residuals on Phosphorus mobility derived from biosolid application to Willow coppice

Short rotation willow coppice (SRWC) treatment of biosolids is limited by the oversupply of biosolid derived phosphorus; this can lead to eventual losses of phosphorus to water. Water treatment residuals (WTR), a by-product of potable water treatment, have been identified as a viable soil amendment for mitigation of phosphorus loss. WTR exploit the capacity of internally held aluminium oxide-hydroxide complexes to immobilise labile phosphorus. However indiscriminate additions to plots can result in inadequate control or excessive immobilization of soluble P, leading to crop deficiencies. Four commercially grown common willow (Salix) genotypes (Terra Nova, Endeavour, Resolution and Tora) were grown in soil amended with WTR at five different application rates (0, 10, 25, 50 and 100 tonne ha-1 air-dry basis) in a glasshouse pot experiment. The effects of application rates on plant yields, tissue P concentrations, P uptake and soil labile P availability were measured. Results indicate labile P was reduced with increasing WTR application rates, without any negative agronomic impacts.

Coal Combustion Residuals valorisation through the production of compressed masonry brick

The Niger Coal Society (Societé Nigérienne de Charbon – SONICHAR) produces electricity for local consumption in Tefereyre, 75 km north-west from Agadez, Niger. The coal combustion residuals production is about 150,000 tons per year. In order to reduce this environmental burden and to valorize these by-products, a study focusing on their physical and chemical features as well as on the mechanical resistance of compressed brick has been undertaken. Physical characterization of coal slag, chemical and lixiviation tests have been carried out, assessing the material main parameters, verifying the presence of hazardous composites and elements and comparing the obtained results with the findings of an in-deep literary review. Cement powder has been chosen as stabilizing agent as a preliminary option. Four different dosages have been tested and bricks have been produced with a hand-operated press. Compressive strength has been tested at different days of curing. Results show remarkable uniaxial compressive strengths (UCS) for all the mixes after cure, ranging from 4MPa up to more than 20MPa for the highest stabilization ratio. UCS higher than 5MPa have been observed for 20% and 30% cement stabilization ratios after only 7 days of cure, reaching respectively about 11MPa and 13MPa after 45 days. In conclusion obtained bricks show good mechanical resistance and low weight. No health threat has been detected from the obtained sample. Study developments are oriented towards the feasibility of the utilization of low-cost, locally available stabilization means, notably clay and cohesive soils, and on thermal properties assessment.