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

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

Projecte d’instal·lacions sostenibles d’una masia rural aïllada

En aquest projecte es vol donar solució a la contaminació que es produeix a les llars ja sigui en forma de gasos d’efecte hivernacle o la contaminació d’aqüífers i rius per les aigües residuals d’aquestes. Els objectius a aconseguir són la disminució del consum d’energia de la llar, reduint així el consum de combustibles fòssils, amb la conseqüent disminució de gasos d’efecte hivernacle i l’estalvi econòmic que això suposa. I per altra banda la depuració de les aigües residuals, tot i que actualment totes les grans poblacions de Catalunya de més de 10.000 habitants ja disposen de EDARS i en pocs anys en tindran totes les de més de 2000 habitants. Però en aquest cas es tracta d’una població molt petita que no disposa de xarxa de clavegueram. En primer lloc s’ha plantejat un sistema de calefacció d’energia geotèrmica que ens permet aprofitar l’energia tèrmica que es va emmagatzemant a la terra degut a l’escalfor del sol i que ens permet extreure d’aquesta fins a ¾ parts de l’energia tèrmica necessària per el sistema de calefacció. En segon lloc es planteja un sistema de producció d’energia elèctrica per panells fotovoltaics que produeixi el consum elèctric anual familiar, tot i que no de forma directe, sinó venent l’energia a la xarxa elèctrica i comprant-la després de la xarxa. Per últim es projecta un sistema de depuració d’aigües per mitjà d’un aiguamoll artificial que permetrà a la casa, que no disposa de xarxa de clavegueram, retornar les aigües residuals en bones mediambientals a l’entorn rural que envolta l’edificació, sense perjudicar la fauna i els rius que l’envolten

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

Implantació de la digestió anaeròbia a la EDAR de Castell-Platja d’Aro

Estudi de la viabilitat tècnica i econòmica de la implantació de la digestió anaeròbia a l’EDAR de Castell-Platja d’Aro per tal de portar a terme un sistema de cogeneració. S’ha estudiant el funcionament actual amb digestió aeròbia i s’ha valorat mitjançant balanços de matèria, energia i econòmics els avantatges i desavantatges de substituir la digestió aeròbia per anaeròbia

Adsorció de crom (VI) i crom (III) en solució amb closca de cranc

En l’eliminació del crom en suspensió de les aigües residuals de les indústries es realitzen dos processos: una precipitació en medi àcid on es redueix el crom (VI) a crom (III) en què s’elimina la major part del crom, i el següent tractament es fa per bescanvi iònic o per adsorció. Els adsorbents emprats actualment tenen un elevat cost i s’està estudiant nous adsorbents, com a substituts dels tradicionals, de baix cost. Dins d’aquest adsorbents de baix cost es troben els bioadsorbents, biomaterials amb gran capacitat d’adsorció. L’objectiu del projecte es va centrar en l’estudi de l’adsorció de crom trivalent i hexavalent en solucions aquoses utilitzant com a adsorbent el residu industrial de closca de cranc, provinent d’una indústria alimentària de barretes de cranc

Projecte d’una estació depuradora d’aigües residuals generades en un escorxador porcí amb una capacitat de sacrifici de 3.000 porcs diaris, al terme municipal d’Argentona, comarca del maresme (Barcelona)

Disseny i dimensionament de les obres i instal·lacions d’una depuradora per a un escorxador de porcí amb una capacitat de sacrifici de 3.000 porcs diaris. El present projecte es localitza al polígon Nord, al terme municipal d’Argentona, a la comarca del Maresme (Barcelona)

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).

Identificació de paràmetres cinètics i estequiomètrics del procés de depuració de fangs actius mitjançant tècniques respiromètriques

El sistema de depuració de tipus Fangs Actius constitueix una de les tècniques més esteses arreu del món pel tractament biològic de les aigües residuals. Els softwares de modelització i simulació permeten adquirir coneixements de forma ràpida i senzilla sobre el funcionament dels processos de fangs actius, dur a terme la comparació entre diferents tecnologies de tractament i determinar les estratègies d'operació més rentables d'una EDAR minimitzant els costos. L'objectiu de la present tesi consisteix en la identificació dels principals paràmetres cinètics i coeficients estequiomètrics que caracteritzen el procés de fangs actius a partir de la mesura de la velocitat de consum d'oxigen de la biomassa. En aquest sentit s'ha dissenyat i desenvolupat un Respiròmetre Tancat Seqüencial (RTS), un Respiròmetre Tancat (RT) i un Programa d'Anàlisi de Respirometries (PAR) per la determinació dels paràmetres cinètics més representatius i característics dels sistemes de fangs actius en diferents casos.

Partial nitritation of landfill leachate in a SBR prior to an anammox reactor : operation and modelling

Els lixiviats d'abocadors urbans són aigües residuals altament contaminades, que es caracteritzen per les elevades concentracions d'amoni i el baix contingut de matèria orgànica biodegradable. El tractament dels lixiviats a través dels processos de nitrificació-desnitrificació convencionals és costós a causa de la seva elevada demanda d'oxigen i la necessitat d'addició d'una font de carboni externa. En els darrers anys, la viabilitat del tractament d'aquest tipus d'afluents per un procés combinat de nitritació parcial-anammox ha estat demostrada. Aquesta tesi es centra en el tractament de lixiviats d'abocador a través d'un procés de nitritació parcial en SBR, com un pas preparatori per a un reactor anammox. Els resultats de l'estudi han demostrat la viabilitat d'aquesta tecnologia per al tractament de lixiviats d'abocador. El treball va evolucionar des d'una escala inicial de laboratori, on el procés va ser testat inicialment, a uns exitosos experiments d'operació a llarg termini a escala pilot. Finalment, la tesi també inclou el desenvolupament, calibració i validació d'un model matemàtic del procés, que té com a objectiu augmentar el coneixement del procés.

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.

Desenvolupament de metodologia analítica per al seguiment d'herbicides fenoxiacètics i cafeïna en el medi ambient

El control d'herbicides i altres anàlits orgànics presents en el medi ambient constitueix una pràctica habitual en els laboratoris des de l'establiment de legislacions que limiten la seva concentració. Per aquesta raó, cal el desenvolupament de noves metodologies analítiques per al seguiment de compostos orgànics en el medi. Molt sovint aquests anàlits es troben a nivells traça en aigües i sòls, conjuntament amb un alt contingut de substàncies húmiques i fúlviques. Així, un dels reptes existents és el tractament de la mostra (extracció, concentració i "clean-up" d'aquests anàlits per a una bona quantificació). Aquests processos han de venir complementats per tècniques cromatogràfiques que permetin la mesura final dels anàlits. La investigació que es presenta en aquesta tesi es centra en el desenvolupament d'un mètode per a la determinació de 2,4-D i MCPA i els seus metabòlits fenòlics i d'un altre per a la determinació de cafeïna. El primer dels procediments desenvolupats s'ha aplicat al seguiment dels herbicides i els metabòlits fenòlics en sòls d'un camp de golf, mentre que el segon s'ha emprat per a la determinació de cafeïna en aigües naturals i, posteriorment, en aigües residuals.

Control basat en lògica difusa per sistemes de fangs activats. Disseny, implementació i validació en EDAR reals

En aquesta tesi es presenten dues propostes de Sistemes de Control basats en Lògica Difusa (SCLD), des del seu disseny fins a la seva implementació i validació en dues instal·lacions: l'EDAR Granollers i l'EDAR Taradell. El capítol 1 explica els conceptes bàsics per comprendre el desenvolupament dels dos SCLD i el resum d'una revisió d'articles que relacionen la lògica difusa amb aigües residuals. A continuació, s'estableixen els objectius. En el capítol 3 es presenten els materials i mètodes. Els capítols 4 i 5 exposen el treball realitzat per arribar a la implementació dels dos SCLD. Ambdós capítols presenten la mateixa estructura: presentació, definició dels objectius del SCLD, descripció de l'EDAR on s'implementa el SCLD, desenvolupament d'índexs d'avaluació, explicació del disseny del SCLD i la seva avaluació mitjançant estudis de simulació, implementació i validació del SCLD a l'EDAR i, finalment discussió del treball realitzat. En el capítol 6 s'enumeren les conclusions obtingudes.

EDSS-maintenance prototype: an environmental decision support system to assess the definition of operation and maintenance protocols for horizontal subsurface constructed wetlands

Els Sistemes d'Aiguamolls Construïts (SAC) de Flux Subsuperficial Horitzontal (FSH) és una tecnologia apropiada pel sanejament d'aigües residuals procedents de nuclis de població petits. No obstant els SAC de FSH són considerats una tecnologia natural, l'operació i manteniment d'aquestes depuradores és crucial per a garantir el seu correcte funcionament. Aquestes necessitats d'operació i manteniment varien entre depuradores segons (1) les característiques de la comunitat, (2) la configuració de la depuradora i el disseny del SAC de FSH i (3) les característiques del medi receptor. En aquest sentit, en aquesta tesi es presenta el desenvolupament d'un Sistema d'Ajuda a la Decisió (SAD) per a la definició de protocols d'operació i manteniment per a SAC de FSH tenint en compte els factors que causen variabilitat entre aquest tipus de depuradores (1, 2 i 3).