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).

Treatment of mature urban landfill leachates by anammox process

This thesis results from the collaborative projects between the LEQUIA-UdG group and Cespa (a company in charge of several landfill sites in Spain). The aim of the work was the development of a suitable alternative treatment for nitrogen removal from mature landfill leachates. The thesis presents the application of the anammox (anaerobic ammonium oxidation process) process to treat ammonium rich leachates as the second step of the PANAMMOX® process. The work deals with preliminary studies about the characteristics of the anammox process in a SBR, with special focus on the response of the biomass to nitrite exposure. The application of the anammox process with leachate was first studied in a lab-scale reactor, to test the effect of the leachate matrix on anammox biomass and its progressive adaptation. Finally, a start-up strategy is developed and applied for the successful start-up of a 400L anammox SBR in less than 6 months.

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.

Biological nutrient removal in SBR technology: from floccular to granular sludge

Biological nutrient removal has been studied and applied for decades in order to remove nitrogen and phosphorus from wastewater. However, more anthropogenic uses and the continued demand for water have forced the facilities to operate at their maximum capacity. Therefore, the goal of this thesis is to obtain more compact systems for nutrient removal from domestic wastewater. In this sense, optimization and long-term stabilization of high volume exchange ratios reactors, treating higher volumes of wastewater, have been investigated. With the same target, aerobic granular sludge was proposed as a reliable alternative to reduce space and increase loading rates in treatment plants. However, the low organic loading rate from low-strength influents (less than 1 Kg COD•m-3d-1) results in slower granular formation and a longer time to reach a steady state. Because of that, different methodologies and operational conditions were investigated in order to enhance granulation and nutrient removal from domestic wastewater.

Desarrollo del proceso anammox para el tratamiento de lixiviados: puesta en marcha y aplicación

La eliminación biológica de nitrógeno amoniacal se ha llevado a cabo, habitualmente, a través del proceso convencional de nitrificación-desnitrificación. Sin embargo, los lixiviados generados en los depósitos controlados de residuos sólidos urbanos contienen elevadas cantidades de amonio y bajas concentraciones de materia orgánica biodegradable, así como una elevada salinidad. En este caso, para reducir el elevado coste económico que supone aplicar los procesos convencionales en este tipo de efluentes es conveniente desarrollar sistemas alternativos. Uno de estos nuevos procesos biológicos se basa en el proceso anammox (acrónimo en inglés de anaerobic ammonium oxidation) previa nitritación parcial de amonio a nitrito. El proceso anammox es un proceso autotrófico que realiza la conversión de amonio y nitrito a nitrógeno gas bajo condiciones anaerobias. El menor consumo de oxígeno durante el proceso de nitritación parcial y la no necesidad de adicionar materia orgánica para desnitrificar representan un importante ahorro económico respecto a los tratamientos convencionales

Development of a decision support system for the integrated control of membrane bioreactors

The work presented in this PhD thesis includes various partial studies aimed at developing a decision support system for membrane bioreactor integrated control. The decision support systems (DSS) have as a main goal to facilitate the operation of complex processes due to the multiple variables that are processed. For this reason, the research used has focused on aspects related to nutrient removal, and on the development of indicators or sensors capable of facilitating, automating and controlling the filtration process in an integrated way with the biological processes that taking place. Work has also been done on the design, development, implementation and validation of tools based on the knowledge made available by the automatic control and the supervision of the MBRs

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.

Superfícies de titânio modificadas termoquimicamente por plasma : avaliação da resposta biológica

This laboratory study involves the participation of a group with professionals from different areas that had contributed to the construction of a multidisciplinary knowledge, about biological response of titanium surfaces modified through thermochemical treatment by plasma. Thus, the crystalline phase was previously characterized in relation to the topography, roughness, molhability and nitrogen concentration in the samples surface. It s indispensable that materials implanted can influence in a good cellular response as well as promotes a bacteria action. Surfaces modified by plasma were exposed to different cultures such as: cellular (human osteoblastic) and bacteria (Staphylococcus epidermidis ATCC35984 and Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853) in order to evaluate the biological response. It was evaluated the adhesion, proliferation, morphology and cellular preference of human ostheoblastic cells (HOST), as well as the formation of a biofilm and bacteria proliferation. It was still analyzed the bacteria selectivity ability in relation to the surfaces. The software Image Pro Plus was used to the counting of cells and bacteria adhered to the surface of disks. The results were submitted to the variance analysis (ANOVA), and then, by the Kruskal-Wallis test, using GraphPad Instat ® software, version 3.5 to Windows. The nitrided samples in spite of show a higher roughness and molhability showed a smaller bacteria growing and higher cellular proliferation, when compared to non treated samples, indicating that the treated material present a high efficiency to biomedical implants

Fixação biológica do nitrogênio e crescimento de plantas de leucena (Leucaena leucocephala (Lam.) de wit.) sob salinidade

This study aimed to evaluate the effects of salinity in the growth and nitrogen fixation in leucaena. Plants were cultivated in Leonard pots containing clean and sterilized sand. The treatments were distributed in a completely randomized design, in a 3x3 factorial, with five replicates. The first factor corresponded to no inoculation and inoculation with Bradyrhizobium sp SEMIA 6070 and SEMIA 6153 strains. The second factor corresponded to NaCl concentrations: 0, 25 and 50 mol m(-3). Were analyzed the height and dry matter accumulation, the number of nodules and nitrogen in plants. The inoculation of plants with the strain SEMIA 6070 provided higher growth and greater nitrogen accumulation in plants thar were not subject to salinity. Nodulation was not affected by salinity. Inoculation with SEMIA 6153 strain provided greater tolerance to salinity.

Genetic characterization and nitrogen fixation capacity of Rhizobium strains on common bean

O objetivo deste trabalho foi a caracterização genética de quatro novas estirpes de Rhizobium e a avaliação de sua capacidade de fixação de N2 e nodulação, comparadas a estirpes comerciais e à população nativa de rizóbios de um Latossolo Vermelho. Dois experimentos foram conduzidos em blocos ao acaso, em casa de vegetação. No primeiro experimento, conduzido em tubetes com vermiculita, avaliaram-se a nodulação e a capacidade de fixação das novas estirpes, em comparação com as estirpes comerciais CIAT-899 e PRF-81 e com a população nativa do solo. Das colônias puras isoladas, extraiu-se o DNA genômico e realizou-se o seqüenciamento do espaço intergênico, para a caracterização genética das estirpes e da população nativa de rizóbios. O segundo experimento foi realizado em vasos com solo, para determinação da produtividade e da nodulação do feijoeiro, cultivar Pérola, com o uso das estirpes isoladamente ou em mistura com a PRF-81. A população nativa do solo foi identificada como Rhizobium sp. e se mostrou ineficiente na fixação de nitrogênio. Foram encontradas três espécies de Rhizobium entre as quatro novas estirpes. As estirpes LBMP-4BR e LBMP-12BR estão entre as que têm maior capacidade de nodulação e fixação de N2, e apresentam respostas diferenciadas quando misturadas à PRF-81.

Utilização do resíduo líquido de indústria de processamento de suco de laranja como meio de cultura de Penicillium citrinum: depuração biológica do resíduo e produção de enzima

Penicillium citrinum grown in orange juice processing wastes medium under continuous agitation was studied in order to establish optimal conditions (incubation period, incubation temperature, initial pH and nitrogen addition) for biomass and ribonuclease production, as well as, biological depuration of the wastes. Nitrogen addition to wastes medium increased the biomass and ribonuclease production and provides COD reduction. The soy meal shows to be the best nitrogen source. The conditions for a more favorable enzyme and biomass production and COD reduction were initial pH 6.0 and temperature of 27°C. The maximum value obtained for these parameters on optimal conditions of cultivation was 11 U/mL of enzyme, 4 mg/mL of biomass (dry matter) and 55% of COD reduction, in 96 hours of incubation.

Estudo da atividade biológica de compostos de paládio (II)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)