Behaviour and fate of metals in urban wastewater treatment plants: a review

The concerns on metals in urban wastewater treatment plants (WWTPs) are mainly related to its contents in discharges to environment, namely in the final effluent and in the sludge produced. In the near future, more restrictive limits will be imposed to final effluents, due to the recent guidelines of the European Water Framework Directive (EUWFD). Concerning the sludge, at least seven metals (Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb and Zn) have been regulated in different countries, four of which were classified by EUWFD as priority substances and two of which were also classified as hazardous substances. Although WWTPs are not designed to remove metals, the study of metals behaviour in these systems is a crucial issue to develop predictive models that can help more effectively the regulation of pre-treatment requirements and contribute to optimize the systems to get more acceptable metal concentrations in its discharges. Relevant data have been published in the literature in recent decades concerning the occurrence/fate/behaviour of metals in WWTPs. However, the information is dispersed and not standardized in terms of parameters for comparing results. This work provides a critical review on this issue through a careful systematization, in tables and graphs, of the results reported in the literature, which allows its comparison and so its analysis, in order to conclude about the state of the art in this field. A summary of the main consensus, divergences and constraints found, as well as some recommendations, is presented as conclusions, aiming to contribute to a more concerted action of future research. © 2015, Islamic Azad University (IAU).

Rapid analysis of multiclass antibiotic residues and some of their metabolites in hospital, urban wastewater and river water by ultra-highperformance liquid chromatography coupled to quadrupole-linear ion trap tandem mass spectrometry

The present work describes the development of a fast and robust analytical method for the determination of 53 antibiotic residues, covering various chemical groups and some of their metabolites, in environmental matrices that are considered important sources of antibiotic pollution, namely hospital and urban wastewaters, as well as in river waters. The method is based on automated off-line solid phase extraction (SPE) followed by ultra-high-performance liquid chromatography coupled to quadrupole linear ion trap tandem mass spectrometry (UHPLC–QqLIT). For unequivocal identification and confirmation, and in order to fulfill EU guidelines, two selected reaction monitoring (SRM) transitions per compound are monitored (the most intense one is used for quantification and the second one for confirmation). Quantification of target antibiotics is performed by the internal standard approach, using one isotopically labeled compound for each chemical group, in order to correct matrix effects. The main advantages of the method are automation and speed-up of sample preparation, by the reduction of extraction volumes for all matrices, the fast separation of a wide spectrum of antibiotics by using ultra-high-performance liquid chromatography, its sensitivity (limits of detection in the low ng/L range) and selectivity (due to the use of tandem mass spectrometry) The inclusion of β-lactam antibiotics (penicillins and cephalosporins), which are compounds difficult to analyze in multi-residue methods due to their instability in water matrices, and some antibiotics metabolites are other important benefits of the method developed. As part of the validation procedure, the method developed was applied to the analysis of antibiotics residues in hospital, urban influent and effluent wastewaters as well as in river water samples

Safe reuse of treated urban wastewater in Praia, Cape Verde: a case study

Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia e Gestão da Água

Nitrous oxide emissions from an intermittent aeration activated sludge system of an urban wastewater treatment plant

This study investigated the emission of N2O during the sequential aerated (60-min) and non-aerated (30-min) stages of an intermittent aeration cycle in an activated sludge wastewater treatment plant (WWTP). N2O emission occurred during both stages; however, emission was much higher during aeration. Air stripping is the major factor controlling transfer of N2O from the sewage to the atmosphere. The N2O emissions exclusively from the aeration tank represented 0.10% of the influent total nitrogen load and the per capita emission factor was almost 3 times higher than that suggested by the IPCC for inventories of N2O emission from WWTPs.

Integrated management of urban wastewater systems: a model-based approach

The main objective pursued in this thesis targets the development and systematization of a methodology that allows addressing management problems in the dynamic operation of Urban Wastewater Systems. The proposed methodology will suggest operational strategies that can improve the overall performance of the system under certain problematic situations through a model-based approach. The proposed methodology has three main steps: The first step includes the characterization and modeling of the case-study, the definition of scenarios, the evaluation criteria and the operational settings that can be manipulated to improve the system’s performance. In the second step, Monte Carlo simulations are launched to evaluate how the system performs for a wide range of operational settings combinations, and a global sensitivity analysis is conducted to rank the most influential operational settings. Finally, the third step consists on a screening methodology applying a multi-criteria analysis to select the best combinations of operational settings.

Evaluation of green algae deployment for organic pollutant removal in urban wastewater through ERE-CALUX potency assessment

The interest of the scientific community towards organic pollutants in freshwater streams is fairly recent. During the past 50 years, thousands of chemicals have been synthesized and released into the general environment. Nowadays their occurrence and effects on several organism, invertebrates, fish, birds, reptiles and also humans are well documented. Because of their action, some of these chemicals have been defined as Endocrine Disrupters Compounds (EDCs) and the public health implications of these EDCs have been the subject of scientific debate. Most interestingly, among those that were noticed to have some influence and effects on the endocrine system were the estrone, the 17β-estradiol, the 17α-estradiol, the estriol, the 17α-ethinylestradiol, the testosterone and the progesterone. This project focused its attention on the 17β-estradiol. Estradiol, or more precisely, 17β-estradiol (also commonly referred to as E2) is a human sex hormone. It belongs to the class of steroid hormones. In spite of the effort to remove these substances from the effluents, the actual wastewater treatment plants are not able to degrade or inactivate these organic compounds that are continually poured in the ecosystem. Through this work a new system for the wastewater treatment was tested, to assess the decrease of the estradiol in the water. It involved the action of Chlorella vulgaris, a fresh water green microalga belonging to the family of the Chlorellaceae. This microorganism was selected for its adaptability and for its photosynthetic efficiency. To detect the decrease of the target compound in the water a CALUX bioassay analysis was chosen. Three different experiments were carried on to pursue the aim of the project. By analysing their results several aspects emerged. It was assessed the presence of EDCs inside the water used to prepare the culture media. C. vulgaris, under controlled conditions, could be efficient for this purpose, although further researches are essential to deepen the knowledge of this complex phenomenon. Ultimately by assessing the toxicity of the effluent against C. vulgaris, it was clear that at determined concentrations, it could affect the normal growth rate of this microorganism.

Energy consumption in an urban wastewater treatment plant: the case of Murcia Region (Spain)

Of all the costs associated with the operation and maintenance of wastewater treatment plants (WWTPs), those associated with energy use tend to be the most significant. From this point of view, it is hence logical that energy efficiency and saving strategies should be one of the current focuses of debate amongst those involved with the management of WWTPs. The present study's objective is to determine the correlation between size and energy consumption for a WWTP. To this end, 90 WWTPs currently in service were analysed and their energetic impact quantified in terms of kWh/m3 of water treated. The results obtained demonstrate that energy consumption ratio increases as the size of WWTPs decreases, either in terms of treatment volume or population equivalent served.

Reclaimed wastewater: Impact on soil-plant system under tropical conditions

This study investigated the ionic speciation of reclaimed urban wastewater (RWW), and the impact of increasing RWW irrigation rates on soil properties and plant nutrition under field conditions. Most RWW elements (>66%) are readily available as NH(4)(+), Ca(2+), Mg(2+), K(+), SO(4)(2-), Cl(-), H(3)BO(3), Mn(2+) and Zn(2+), but in imbalanced proportion for plant nutrition. Lead, Cd, Cr and Al in RWW are mostly bounded with DOM or OH. Irrigation with RWW decreased soil acidity, which is beneficial to the acidic tropical soil. Although RWW irrigation builds exchangeable Na(+) up, the excessive Na(+) was leached out of the soil profile after a rainy summer season (>400 mm). Benefits of the disposal of RWW to the soil under tropical conditions were discussed, however, the over irrigation with RWW (>100% of crop evapotranspiration) led to a nutritional imbalance, accumulating S and leading to a plant deficiency of P and K. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Heavy metals removal in dual media filters

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente – Perfil de Engenharia Sanitária

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.

Metals and semi-metals in street soils of So Paulo city, Brazil

So Paulo is the largest city in Brazil and South America with about 20 million inhabitants in the metropolitan area, more than nine million motor vehicles and intense industrial activity, which are responsible for increasing pollution in the region. Nevertheless, little is known concerning metal and semi-metal content in the soils of this metropolitan region. This type of information could be extremely useful as a fingerprint of environmental pollution. The present study determined the elements As, Ba, Co, Cr, Sb, and Zn concentrations in soils adjacent to avenues of highly dense traffic in So Paulo city to assess their levels and possible sources. The analytical technique employed was Instrumental neutron activation analysis. The results showed, except for Co, concentration levels higher than the reference values for soils of So Paulo, according to the Environmental Protection Agency of the State of So Paulo guidelines. When compared to similar studies in other cities around the world, So Paulo soils presented higher levels, probably due to its high density traffic and industrial activity. The concentrations obtained for As and Cr indicate anthropogenic origin. The high levels of the traffic-related elements Ba, Sb, and Zn in soils nearby high density traffic avenues indicate they may originate from vehicular exhausts.

Sources of information on the properties of metals and alloys.

"April 15, 1943."

Water quality in lakes and reservoirs in China

Dissertation elaborated for the partial fulfilment of the requirements of the Master Degree in Civil Engineering in the Speciality Area of Hydarulics

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).

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.