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 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.

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.

SBR technology for wastewater treatment: suitable operational conditions for a nutrient removal

Actualment, la legislació ambiental ha esdevingut més restrictiva pel que fa a la descàrrega d'aigües residuals amb nutrients, especialment en les anomenades àrees sensibles o zones vulnerables. Arran d'aquest fet, s'ha estimulat el coneixement, desenvolupament i millora dels processos d'eliminació de nutrients. El Reactor Discontinu Seqüencial (RDS) o Sequencing Batch Reactor (SBR) en anglès, és un sistema de tractament de fangs actius que opera mitjançant un procediment d'omplerta-buidat. En aquest tipus de reactors, l'aigua residual és addicionada en un sol reactor que treballa per càrregues repetint un cicle (seqüència) al llarg del temps. Una de les característiques dels SBR és que totes les diferents operacions (omplerta, reacció, sedimentació i buidat) es donen en un mateix reactor. La tecnologia SBR no és nova d'ara. El fet, és que va aparèixer abans que els sistema de tractament continu de fangs actius. El precursor dels SBR va ser un sistema d'omplerta-buidat que operava en discontinu. Entre els anys 1914 i 1920, varen sorgir certes dificultats moltes d'elles a nivell d'operació (vàlvules, canvis el cabal d'un reactor a un altre, elevat temps d'atenció per l'operari...) per aquests reactors. Però no va ser fins a finals de la dècada dels '50 principis del '60, amb el desenvolupament de nous equipaments i noves tecnologies, quan va tornar a ressorgir l'interès pels SBRs. Importants millores en el camp del subministrament d'aire (vàlvules motoritzades o d'acció pneumàtica) i en el de control (sondes de nivell, mesuradors de cabal, temporitzadors automàtics, microprocessadors) han permès que avui en dia els SBRs competeixin amb els sistemes convencional de fangs actius. L'objectiu de la present tesi és la identificació de les condicions d'operació adequades per un cicle segons el tipus d'aigua residual a l'entrada, les necessitats del tractament i la qualitat desitjada de la sortida utilitzant la tecnologia SBR. Aquestes tres característiques, l'aigua a tractar, les necessitats del tractament i la qualitat final desitjada determinen en gran mesura el tractament a realitzar. Així doncs, per tal d'adequar el tractament a cada tipus d'aigua residual i les seves necessitats, han estat estudiats diferents estratègies d'alimentació. El seguiment del procés es realitza mitjançant mesures on-line de pH, OD i RedOx, els canvis de les quals donen informació sobre l'estat del procés. Alhora un altre paràmetre que es pot calcular a partir de l'oxigen dissolt és la OUR que és una dada complementària als paràmetres esmentats. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen d'una aigua residual sintètica utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de l'estudi de l'efecte del nombre d'alimentacions, la definició de la llargada i el número de fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha aplicat l'estratègia d'alimentació esglaonada a dues aigües residuals diferents: una procedent d'una indústria tèxtil i l'altra, dels lixiviats d'un abocador. En ambdues aigües residuals es va estudiar l'eficiència del procés a partir de les condicions d'operació i de la velocitat del consum d'oxigen. Mentre que en l'aigua residual tèxtil el principal objectiu era eliminar matèria orgànica, en l'aigua procedent dels lixiviats d'abocador era eliminar matèria orgànica i nitrogen. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen i fòsfor d'una aigua residual urbana utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de la definició del número i la llargada de les fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha analitzat la influència del pH i la font de carboni per tal d'eliminar fòsfor d'una aigua sintètica a partir de l'estudi de l'increment de pH a dos reactors amb diferents fonts de carboni i l'estudi de l'efecte de canviar la font de carboni. Tal i com es pot veure al llarg de la tesi, on s'han tractat diferents aigües residuals per a diferents necessitats, un dels avantatges més importants d'un SBR és la seva flexibilitat.

Estudi del comportament de materials nanoestructurats en el tractament d'aigües contaminades amb arsènic

El SPION (Super Paramagnetic Iron Oxide Nanoparticles) ha estat estudiat com un nou adsorbent per eliminar l’arsènic d’aigües contaminades. Les condicions òptimes de treball es van assolir per un pH de 3,6 i per concentracions inferiors als 100ppm. No es van trobar interferències significatives produïdes pels cations Cu, Ni i Zn en l’adsorció de l’As, sent el fosfat l’anió que més interfereix. Una esponja de cel·lulosa s’ha utilitzat com a suport del SPION, per disminuir les agregacions de les nanopartícules en suspensió i per proporcionar una material adequat per l’adsorció en continu, experiment amb columnes. Així, es va obtenir un augment de la capacitat d’adsorció del SPION per l’As(V), mentre que per l’As(III) continua sent baixa, per tant s’augmenta la selectivitat per l’As(V). Les interferències aniòniques afecten d’igual manera a l’adsorció de l’As(III) i l’As(V) quan l’adsorció és en continu o en discontinu. Els cations metàl·lics no interfereixen en l’adsorció de l’arsènic, a excepció del coure que és adsorbit i porta a la disminució de l’adsorció d’arsènic.

Posta a punt d'una planta pilot de bescanvi iònic per a tractament d'aigües amb finalitats didàctiques

Els principals objectius d’aquest projecte són: - Els tractaments d’aigües d’entrada a la indústria - Teoria sobre resines de bescanvi iònic - Presentació de l’equip i funcionament - Posta a punt de les pràctiques Amb els següents objectius es preten posar a punt una planta pilot de bescanvi iònic per a tractament d’aigües amb finalitats didàctiques

Cement stabilization of runoff residuals: A study of stabilization/solidification of urban rainfall-runoff residuals in type 1 Portland cement by XRD and Si-29 NMR analysis

Urban rainfall-runoff residuals contain metals such as Cr, Zn, Cu, As, Pb and Cd and are thus reasonable candidates for treatment using Portland cement-based solidification-stabilization (S/S). This research is a study of S/S of urban storm water runoff solid residuals in Portland cement with quicklime and sodium bentonite additives. The solidified residuals were analyzed after 28 days of hydration time using X-ray powder diffraction (XRD) and solid-state Si-29 nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. X-ray diffraction (XRD) results indicate that the main cement hydration products are ettringite, calcium hydroxide and hydrated calcium silicates. Zinc hydroxide and lead and zinc silicates are also present due to the reactions of the waste compounds with the cement and its hydration products. Si-29 NMR analysis shows that the coarse fraction of the waste apparently does not interfere with cement hydration, but the fine fraction retards silica polymerization.

Residuals for log-Burr XII regression models in survival analysis

In this paper, we compare three residuals to assess departures from the error assumptions as well as to detect outlying observations in log-Burr XII regression models with censored observations. These residuals can also be used for the log-logistic regression model, which is a special case of the log-Burr XII regression model. For different parameter settings, sample sizes and censoring percentages, various simulation studies are performed and the empirical distribution of each residual is displayed and compared with the standard normal distribution. These studies suggest that the residual analysis usually performed in normal linear regression models can be straightforwardly extended to the modified martingale-type residual in log-Burr XII regression models with censored data.

Conditional simulation of random fields by successive residuals

This paper presents a new approach to the LU decomposition method for the simulation of stationary and ergodic random fields. The approach overcomes the size limitations of LU and is suitable for any size simulation. The proposed approach can facilitate fast updating of generated realizations with new data, when appropriate, without repeating the full simulation process. Based on a novel column partitioning of the L matrix, expressed in terms of successive conditional covariance matrices, the approach presented here demonstrates that LU simulation is equivalent to the successive solution of kriging residual estimates plus random terms. Consequently, it can be used for the LU decomposition of matrices of any size. The simulation approach is termed conditional simulation by successive residuals as at each step, a small set (group) of random variables is simulated with a LU decomposition of a matrix of updated conditional covariance of residuals. The simulated group is then used to estimate residuals without the need to solve large systems of equations.

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.

Tractament d'aigües de piscina : alternatives als mètodes convencionals

El treball presenta els resultats de l’avaluació de dues noves tècniques en el tractament de les aigües de piscina. Una d’elles es basa en l’aplicació d’ozó per a desinfectar l’aigua, que redueix considerablement la quantitat d’hipoclorit sòdic utilitzada en les piscines convencionals i conseqüentment aporta diversos beneficis. La segona tècnica estudiada es basa en la utilització de diòxid de carboni per a regular el pH, a diferència del típic àcid clorhídric que s’aplica en la majoria de piscines. L’estudi s’ha centrat en les piscines del Servei d’Activitat Física de la UAB i s’ha dividit en tres etapes, definides per l’aplicació de diferents tractaments químics. La utilització d’ozó enfront de l’hipoclorit sòdic ha revelat la variació d’alguns paràmetres de control de qualitat de l’aigua com la concentració d’oxigen dissolt o de subproductes de la desinfecció. L’addició de diòxid de carboni enfront de l’àcid clorhídric ha resultat molt efectiva, en tant que s’han desenvolupat propostes per a optimitzar el sistema i minimitzar el seu consum, fins ara excessiu. Tant una com l’altre, aquestes dues tècniques són una nova proposta que, si bé encara no han estat suficient diversificades i estudiades en el nostre país, sembla que redueixen els impactes ambientals, disminueixen el risc dels problemes de salut i augmenten la confortabilitat i seguretat dels usuaris i treballadors de les piscines.

Sistema gràfic de depuració per xarxes (NoC)

Aquest projecte descriu el disseny i desenvolupament d’una eina gràfica per a la depuració de projectes desenvolupats amb un llenguatge de descripció de sistemes com és el SystemC. Amb aquest llenguatge s’ha desenvolupat una NoC (Network on Chip). L’eina desenvolupada mostra de forma visual l’arquitectura de la xarxa NoC, els valors dels senyals que es transmeten a través de la xarxa i estadístiques sobre aquests per tal de poder fer un seguiment exhaustiu i agilitzar la recerca d’errors com interbloquejos, pèrdua de dades i d’altres. Al concentrar en un únic entorn la descripció de la NoC i les dades relatives a les senyals en temps de simulació, proporciona un valor afegit a altres eines disponibles per a realitzar aquesta tasca.

Síntesi i caracterització de polímers floculants utilitzats en la deshidratació de fangs provinents d'EDAR

El present projecte consisteix en la síntesi i caracterització de copolímers d’acrilamida d’un 40% de cationicitat i un 40% de matèria activa obtinguts per polimerització en microemulsió inversa per a la seva posterior aplicació com a floculants d’elevat rendiment en la depuració d’aigües residuals.