垂直流人工湿地系统中水流规律的研究

对一种新型的垂直流人工湿地系统的水流特性进行了研究 .考察了系统的运行状况及介质中滞留区的分布范围 ,并且运用化学工程中反应器理论 ,采用示踪剂试验的方法得到了垂直流人工湿地系统的停留时间分布与污水的实际停留时间 .根据水流停留时间分布函数对系统实际液流流态进行了数学模拟 ,提出二级串联的理想完全混合反应器 (CSTR)模型能够较好地模拟垂直流人工湿地系统中水流的流动形态

连续搅拌罐反应器中参数空间平衡态的分支

本文讨论了CSTR(连续搅拌罐反应器)中平衡态的分支，给出了滞留时间和活化能同时变化时分支曲线新的构造方法。此方法可用于一般集中参数系统的平衡态分支的讨论，为参数空间分区提供了一个有力的数学工具。

垃圾渗滤液场外硝化－原位反硝化脱氮协同填埋场温室气体减排

垃圾卫生填埋是国内外城市垃圾的主要处置方法。垃圾渗滤液是渗入填埋场垃圾的降水混合垃圾降解过程中产生的物质而形成的混合物，是垃圾填埋场向环境排放的主要污染物。渗滤液由于其所含高浓度有机和无机污染物，且其中很多物质有生物毒性或难生物降解，难于治理。特别是到填埋晚期，渗滤液中高浓度的氨氮更是增加了治理的难度。渗滤液场外硝化－原位反硝化是填埋场氮管理的新途径。本文利用从环境中筛选出优势硝化功能菌对渗滤液中的高浓度氨氮进行生物硝化，经硝化后的渗滤液回灌至以垃圾柱模拟的生物反应器填埋场，在填埋场内实现原位反硝化。 上述目标通过以下两部分来实现： 第一部分：渗滤液场外硝化。首先从污水厂的硝化污泥中富集并筛选出硝化功能菌，在模拟氨氮废水中优化。将驯化的硝化功能菌接种于连续式完全混合反应器（CSTR）进行高氨氮渗滤液硝化研究。在200余天的连续运行中，反应器硝化和有机物去除效果良好。在最大氨氮负荷和有机物负荷分别为0.65 g N l-1 d-1 和3.84 g COD l-1 d-1时，氨氮和COD去除率分别高于99%和57%。实验过程中发现，游离氨（FA）和溶解氧（DO）浓度对反应器中亚硝酸盐的积累影响很大。 第二部分：渗滤液原位反硝化。本文利用一个垃圾填充柱模拟生物反应器填埋场，研究了硝化渗滤液回灌对垃圾降解的影响，和回灌的硝化渗滤液中TON（总氧化态氮）对填埋场生物反应器产甲烷作用的影响。最后利用变性梯度凝胶电泳（DGGE）分析了硝化渗滤液回灌对垃圾填埋场菌群结构的影响。结果表明：回灌的TON被完全还原，反硝化为主要反应，最大TON负荷为28.6 mg N kg-1 TS d-1。当垃圾柱TON负荷大于11.4 mg N kg-1 TS d-1时，出现了产甲烷抑制，抑制作用随TON负荷的增加而加强。在此过程中，反硝化逐渐代替产甲烷作用成为填埋场内垃圾降解的主要反应，且更多产生的是清洁的氮气，而非温室气体甲烷。直到实验结束时，回灌硝化渗滤液的垃圾柱的甲烷产量仅相当于对照的2.5%，并且回灌的硝化渗滤液还加速了填埋场垃圾的降解与稳定。通过DGGE进行菌群结构分析发现，由于TON对填埋场的长期作用，反硝化菌增多而产甲烷菌减少。 Landfill still remains the chief method for MSW management around the world. Leachate is a mixture of rainfall permeating through landfill and organic and inorganic matters generated during decomposition of the wastes in the landfills, characterized as highly complicated and refractory wastewater. Ex-situ nitrification and sequential in-situ denitrification represents a novel approach to nitrogen management at landfills. In the present paper, nitrification was carried out in a continuous stirred tank reactor (CSTR) inoculated with nitrifying bacteria which were isolated from municipal WWTP of Chengdu city. The nitrified leachate from CSTR was recirculated to a lab-scale municipal solid waste (MSW) column where in-situ denitrification took place. The above object was achived through two parts as following: First, ex-situ nitification of leachate. After acclimated in simulated wastewater for 3 month, nitrifying bacteria isolated from WWTP nitrifying sludge were added to the CSTR for nitrification. The results over 200 days showed that the maximum nitrogen loading rate (NLR) and the maximum organic loading rate (OLR) was 0.65 g N l-1 d-1 and 3.84 g COD l-1 d-1, respectively. The ammonia and COD removal was over 99% and 57%, respectively. Moreover, the effects of free ammonia (FA) and dissolved oxygen (DO) on nitrification were investigated. Second, in-situ denitrification was studied in a municipal solid waste (MSW) column. Variation of nitrified leachate and its effects on the decomposition of municipal solid waste (MSW) were studied in a lab-scale MSW column to which nitrified leachate was recirculated. Additionally, DGGE was employed to investigate the microbial community of both MSW columns. The results suggested: complete reduction of total oxidized nitrogen (TON) was obtained with maximum TON load of 28.6 mg N kg-1 TS d-1 and denitrification was the main reaction responsible. Methanogenesis inhibition was observed while TON load was over 11.4 mg N kg-1 TS d-1 and the inhibition was enhanced with the increase of TON load. Denitrification gradually took over methanogenesis to become the main reaction responsible for decomposition of MSW while nitrogen gas, a clean byproduct, was generated instead. Till the end of the experiment, the average weekly methane production in the denitrification column was as low as 2.5% of that of the control, and the rate of decompition and stability of MSW was accelerated by the recirculation of the nitrified leachate.Owing to long term exposure of nitrified leachate to landfill, denitrifying bacteria increased and methanogen decreased.

Biomethane production from food waste and organic residues

Anaerobic digestion (AD) of biodegradable waste is an environmentally and economically sustainable solution which incorporates waste treatment and energy recovery. The organic fraction of municipal solid waste (OFMSW), which comprises mostly of food waste, is highly degradable under anaerobic conditions. Biogas produced from OFMSW, when upgraded to biomethane, is recognised as one of the most sustainable renewable biofuels and can also be one of the cheapest sources of biomethane if a gate fee is associated with the substrate. OFMSW is a complex and heterogeneous material which may have widely different characteristics depending on the source of origin and collection system used. The research presented in this thesis investigates the potential energy resource from a wide range of organic waste streams through field and laboratory research on real world samples. OFMSW samples collected from a range of sources generated methane yields ranging from 75 to 160 m3 per tonne. Higher methane yields are associated with source segregated food waste from commercial catering premises as opposed to domestic sources. The inclusion of garden waste reduces the specific methane yield from household organic waste. In continuous AD trials it was found that a conventional continuously stirred tank reactor (CSTR) gave the highest specific methane yields at a moderate organic loading rate of 2 kg volatile solids (VS) m-3 digester day-1 and a hydraulic retention time of 30 days. The average specific methane yield obtained at this loading rate in continuous digestion was 560 ± 29 L CH4 kg-1 VS which exceeded the biomethane potential test result by 5%. The low carbon to nitrogen ratio (C: N <14:1) associated with canteen food waste lead to increasing concentrations of volatile fatty acids in line with high concentrations of ammonia nitrogen at higher organic loading rates. At an organic loading rate of 4 kg VS m-3day-1 the specific methane yield dropped considerably (381 L CH4 kg-1 VS), the pH rose to 8.1 and free ammonia (NH3 ) concentrations reached toxicity levels towards the end of the trial (ca. 950 mg L-1). A novel two phase AD reactor configuration consisting of a series of sequentially fed leach bed reactors connected to an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) demonstrated a high rate of organic matter decay but resulted in lower specific methane yields (384 L CH4 kg-1 VS) than the conventional CSTR system.

Methane to higher hydrocarbons via halogenation

Activation of methane with a halogen followed by the metathesis of methyl halide is a novel route from methane to higher hydrocarbons or oxygenates. Thermodynamic analysis revealed that bromine is the most suitable halogen for this goal. Analysis of the published data on the reaction kinetics in a CSTR enabled us to judge on the effects of temperature, reactor residence time and the feed concentrations of bromine and methane to the conversion of methane and the selectivity towards mono or dibromomethane. The analysis indicated that high dibromomethane selectivity is attainable (over 90%) accompanied by high methane conversions. The metathesis of dibromomethane can provide an alternative route to the conversion of methane (natural gas) economically with smaller installations than the current syn-gas route. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

How much gas can we get from grass?

Grass biomethane has been shown to be a sustainable gaseous transport biofuel, with a good energy balance, and significant potential for economic viability. Of issue for the designer is the variation in characteristics of the grass depending on location of source, time of cut and species. Further confusion arises from the biomethane potential tests (BMP) which have a tendency to give varying results. This paper has dual ambitions. One of these is to highlight the various results for biomethane potential that may be obtained from the same grass silage. The results indicated that methane potential from the same grass silage varied from 350 to 493 L CH4 kg−1 VS added for three different BMP procedures. The second ambition is to attempt to compare two distinct digestion systems again using the same grass: a two stage continuously stirred tank reactor (CSTR); and a sequentially fed leach bed reactor connected to an upflow anaerobic sludge blanket (SLBR–UASB). The two engineered systems were designed, fabricated, commissioned and operated at small pilot scale until stable optimal operating conditions were reached. The CSTR system achieved 451 L CH4 kg−1 VS added over a 50 day retention period. The SLBR–UASB achieved 341 L CH4 kg−1 VS added at a 30 day retention time.

Chemometric techniques in multivariate statistical modelling of process plant

The techniques of principal component analysis (PCA) and partial least squares (PLS) are introduced from the point of view of providing a multivariate statistical method for modelling process plants. The advantages and limitations of PCA and PLS are discussed from the perspective of the type of data and problems that might be encountered in this application area. These concepts are exemplified by two case studies dealing first with data from a continuous stirred tank reactor (CSTR) simulation and second a literature source describing a low-density polyethylene (LDPE) reactor simulation.

Bioethanol production from a sub-product of pulping industry

A vida da sociedade atual é dependente dos recursos fósseis, tanto a nível de energia como de materiais. No entanto, tem-se verificado uma redução das reservas destes recursos, ao mesmo tempo que as necessidades da sociedade continuam a aumentar, tornando cada vez mais necessárias, a produção de biocombustíveis e produtos químicos. Atualmente o etanol é produzido industrialmente a partir da cana-de-açúcar e milho, matérias-primas usadas na alimentação humana e animal. Este fato desencadeou o aumento de preços dos alimentos em todo o mundo e, como consequência, provocou uma série de distúrbios sociais. Os subprodutos industriais, recursos independentes das cadeias alimentares, têm-se posicionado como fonte de matérias-primas potenciais para bioprocessamento. Neste sentido, surgem os subprodutos gerados em grande quantidade pela indústria papeleira. Os licores de cozimento da madeira ao sulfito ácido (SSLs) são uma matériaprima promissora, uma vez que durante este processo os polissacarídeos da madeira são hidrolisados originando açúcares fermentáveis. A composição dos SSLs varia consoante o tipo de madeira usada no processo de cozimento (de árvores resinosas, folhosas ou a mistura de ambas). O bioprocessamento do SSL proveniente de folhosas (HSSL) é uma metodologia ainda pouco explorada. O HSSL contém elevadas concentrações de açúcares (35-45 g.L-1), na sua maioria pentoses. A fermentação destes açúcares a bioetanol é ainda um desafio, uma vez que nem todos os microrganismos são capazes de fermentar as pentoses a etanol. De entre as leveduras capazes de fermentar naturalmente as pentoses, destaca-se a Scheffersomyces stipitis, que apresenta uma elevada eficiência de fermentação. No entanto, o HSSL contém também compostos conhecidos por inibirem o crescimento de microrganismos, dificultando assim o seu bioprocessamento. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho foi a produção de bioetanol pela levedura S. stipitis a partir de HSSL, resultante do cozimento ao sulfito ácido da madeira de Eucalyptus globulus. Para alcançar este objetivo, estudaram-se duas estratégias de operação diferentes. Em primeiro lugar estudou-se a bio-desintoxicação do HSSL com o fungo filamentoso Paecilomyces variotii, conhecido por crescer em resíduos industriais. Estudaram-se duas tecnologias fermentativas diferentes para a biodesintoxicação do HSSL: um reator descontínuo e um reator descontínuo sequencial (SBR). A remoção biológica de inibidores do HSSL foi mais eficaz quando se usou o SBR. P. variotii assimilou alguns inibidores microbianos como o ácido acético, o ácido gálico e o pirogalol, entre outros. Após esta desintoxicação, o HSSL foi submetido à fermentação com S. stipitis, na qual foi atingida a concentração máxima de etanol de 2.36 g.L-1 com um rendimento de 0.17 g.g-1. P. variotti, além de desintoxicar o HSSL, também é útil na produção de proteína microbiana (SCP) para a alimentação animal pois, a sua biomassa é rica em proteína. O estudo da produção de SCP por P. variotii foi efetuado num SBR com HSSL sem suplementos e suplementado com sais. A melhor produção de biomassa foi obtida no HSSL sem adição de sais, tendo-se obtido um teor de proteína elevado (82,8%), com uma baixa concentração de DNA (1,1%). A proteína continha 6 aminoácidos essenciais, mostrando potencial para o uso desta SCP na alimentação animal e, eventualmente, em nutrição humana. Assim, a indústria papeleira poderá integrar a produção de bioetanol após a produção SCP e melhorar a sustentabilidade da indústria de pastas. A segunda estratégia consistiu em adaptar a levedura S. stipitis ao HSSL de modo a que esta levedura conseguisse crescer e fermentar o HSSL sem remoção de inibidores. Operou-se um reator contínuo (CSTR) com concentrações crescentes de HSSL, entre 20 % e 60 % (v/v) durante 382 gerações em HSSL, com uma taxa de diluição de 0.20 h-1. A população adaptada, recolhida no final do CSTR (POP), apresentou uma melhoria na fermentação do HSSL (60 %), quando comparada com a estirpe original (PAR). Após esta adaptação, a concentração máxima de etanol obtida foi de 6.93 g.L-1, com um rendimento de 0.26 g.g-1. POP possuía também a capacidade de metabolizar, possivelmente por ativação de vias oxidativas, compostos derivados da lenhina e taninos dissolvidos no HSSL, conhecidos inibidores microbianos. Por fim, verificou-se também que a pré-cultura da levedura em 60 % de HSSL fez com que a estirpe PAR melhorasse o processo fermentativo em HSSL, em comparação com o ensaio sem pré-cultura em HSSL. No entanto, no caso da estirpe POP, o seu metabolismo foi redirecionado para a metabolização dos inibidores sendo que a produção de etanol decresceu.

Aplicação de redes neuronais artificiais à deteção e isolamento de falhas em processos industriais

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Computationally reliable approaches of contractive MPC for discrete-time systems

La tesis pretende explorar acercamientos computacionalmente confiables y eficientes de contractivo MPC para sistemas de tiempo discreto. Dos tipos de contractivo MPC han sido estudiados: MPC con coacción contractiva obligatoria y MPC con una secuencia contractiva de conjuntos controlables. Las técnicas basadas en optimización convexa y análisis de intervalos son aplicadas para tratar MPC contractivo lineal y no lineal, respectivamente. El análisis de intervalos clásicos es ampliado a zonotopes en la geometría para diseñar un conjunto invariante de control terminal para el modo dual de MPC. También es ampliado a intervalos modales para tener en cuenta la modalidad al calcula de conjuntos controlables robustos con una interpretación semántica clara. Los instrumentos de optimización convexa y análisis de intervalos han sido combinados para mejorar la eficacia de contractive MPC para varias clases de sistemas de tiempo discreto inciertos no lineales limitados. Finalmente, los dos tipos dirigidos de contractivo MPC han sido aplicados para controlar un Torneo de Fútbol de Copa Mundial de Micro Robot (MiroSot) y un Tanque-Reactor de Mezcla Continua (CSTR), respectivamente.

A stable one-step-ahead predictive control of non-linear systems

In this paper stability of one-step ahead predictive controllers based on non-linear models is established. It is shown that, under conditions which can be fulfilled by most industrial plants, the closed-loop system is robustly stable in the presence of plant uncertainties and input–output constraints. There is no requirement that the plant should be open-loop stable and the analysis is valid for general forms of non-linear system representation including the case out when the problem is constraint-free. The effectiveness of controllers designed according to the algorithm analyzed in this paper is demonstrated on a recognized benchmark problem and on a simulation of a continuous-stirred tank reactor (CSTR). In both examples a radial basis function neural network is employed as the non-linear system model.

Combined bias and outlier identification in dynamic data reconciliation

Measured process data normally contain inaccuracies because the measurements are obtained using imperfect instruments. As well as random errors one can expect systematic bias caused by miscalibrated instruments or outliers caused by process peaks such as sudden power fluctuations. Data reconciliation is the adjustment of a set of process data based on a model of the process so that the derived estimates conform to natural laws. In this paper, techniques for the detection and identification of both systematic bias and outliers in dynamic process data are presented. A novel technique for the detection and identification of systematic bias is formulated and presented. The problem of detection, identification and elimination of outliers is also treated using a modified version of a previously available clustering technique. These techniques are also combined to provide a global dynamic data reconciliation (DDR) strategy. The algorithms presented are tested in isolation and in combination using dynamic simulations of two continuous stirred tank reactors (CSTR).

Modelagem e simulação dos reatores de polimerização em fase líquida do processo spheripol

O processo Spheripol é, atualmente, um dos mais utilizados na produção industrial de polipropileno e seus copolímeros. É composto por dois reatores tipo loop em série e, em alguns casos, um ou dois reatores tipo fase gás também em série. Neste trabalho é apresentado um modelo para os reatores loop do processo Spheripol. Os reatores loop são modelados como CSTR não ideais. O esquema cinético implementado é relativamente amplo, sendo capaz de englobar copolimerizações multisítio. Uma análise qualitativa do modelo é feita utilizando parâmetros cinéticos presentes na literatura e uma análise quantitativa do modelo é feita com base em dados reais de planta industrial. Ainda com base em dados de planta é feita uma estimação de parâmetros e a validação do modelo. Finalmente, o modelo com parâmetros estimados é aplicado num estudo de caso no qual também é criado um modelo de equilíbrio termodinâmico para a mistura reacional baseado na lei de Henry e na equação de estado de Peng-Robinson.

Simulação de reatores de polimerização de estireno : modelagem cinética e termodinâmica

Nesse trabalho, é proposto um modelo fenomenológico para a polimerização de estireno em solução, validado com dados de uma planta industrial. Um modelo matemático para a polimerização do estireno via radicais livres é desenvolvido para predizer o comportamento estacionário e dinâmico do processo contínuo de produção de poliestireno. O modelo inclui a cinética de polimerização, em dois reatores CSTR auto-refrigerados em série, o equilíbrio líquido-vapor na seção de reação e as propriedades do produto final. Os resultados obtidos através do modelo desenvolvido são utilizados para determinar quais são os efeitos da composição de alimentação, temperatura e concentração do iniciador na conversão do monômero, massas molares, polidispersão, formação de dímeros e trímeros, densidade, viscosidade, índice de fluidez, propriedades térmicas e tensão de ruptura. Para o equilíbrio líquido-vapor, um modelo termodinâmico também foi desenvolvido para reatores auto-refrigerados, que usam o calor de evaporação para remover o calor gerado por reações químicas fortemente exotérmicas, e modelado através de uma equação cúbica de estado e uma regra de mistura aplicada ao equilíbrio líquido-vapor a baixas pressões para soluções poliméricas através do emprego de um único parâmetro de interação. O modelo desenvolvido pode ser utilizado para avaliação de estruturas de controle, simulação e otimização do processo de polimerização do estireno.