A study of the water-energy nexus in power plants

Tesis por compendio de publicaciones[ES] La tesis se llevó a cabo a través de compendio de artículos científicos, de modo que se lleva a cabo un resumen de cada artículo, así como la información de cada uno. Artículo 1 Título: Optimal gas treatment and coal blending for reduced emissions in power plants: A case study in Northwest Spain. Autores: Lidia S Guerras y Mariano Martín. Revista: Energy DOI: 10.1016/j.energy.2018.12.089 Resumen: En este trabajo se ha desarrollado un marco de toma de decisiones para el diseño de la sección de tratamiento de gases de combustión de una central eléctrica, que incluye operaciones de remoción de partículas, NOx y SO2. Se ha aplicado a una central térmica de carbón en España para seleccionar las tecnologías óptimas y su secuencia. Se han desarrollado modelos sustitutos para los tratamientos. El problema corresponde a una programación no lineal entera mixta que incluye la eliminación de NOx catalítica y no catalítica, lo que permite varias asignaciones para la tecnología catalítica, precipitación electrostática y eliminación de SO2 húmedo o seco. Se reformula como un problema no lineal para evaluar las oportunidades de bypass. La optimización sugiere el uso de precipitación electrostática, seguida de la eliminación catalítica de NOx y la eliminación de SO2 seco. A continuación, también se ha resuelto un problema de mezcla de carbón para dos funciones objetivo. Cuando solo se consideran los costos de tratamiento, se recomienda el uso de carbón importado, pero un aumento del 4% en su precio puede cambiar la decisión por el uso de carbón nacional. Si la energía del carbón se agrega a la función objetivo, el carbón de alquitrán crudo se incluye en la mezcla y el carbón importado se usa para mantener las emisiones dentro de los límites. La oxidación forzada de piedra caliza es la tecnología seleccionada. Artículo 2 Título: Optimal Flue Gas Treatment for Oxy-Combustion-Based Pulverized Coal Power Plants Autores: Lidia S Guerras y Mariano Martín. Revista: Industrial & Engineering Chemistry Research DOI: 10.1021/acs.iecr.9b04453 Resumen: La oxicombustión es reconocida como la tecnología más limpia que utiliza carbón como fuente de energía. La limpieza de los gases de combustión es esencial para un funcionamiento sostenible. En este trabajo se determina la selección óptima de las tecnologías de tratamiento de gases de combustión en centrales de oxicombustión. Se utiliza un procedimiento de dos etapas que combina heurística y programación matemática para evaluar las tecnologías involucradas, incluida la caldera, la desnitrificación, la precipitación electrostática, la eliminación de dióxido de azufre y la captura de carbono. Para el funcionamiento de la planta, se debe seleccionar la alimentación de carbón. Se resuelve un problema de mezcla extendido para evaluar el tipo de carbón que se comprará en función de su costo y composición. El procesamiento óptimo de los gases de combustión consiste en la precipitación electrostática, seguida de la eliminación de SO2 seco y la purificación de CO2 con zeolitas. No se requiere ningún método de desnitrificación específico debido a los bajos niveles de concentración de NOx generados en la oxicombustión. Esta hoja de flujo se utiliza para seleccionar uno entre una mezcla de tres tipos diferentes de carbón: alquitrán de hulla nacional, importado y crudo. Sin embargo, no se recomienda ninguna mezcla ya que se seleccionó alquitrán de hulla crudo. Aunque los costos de procesamiento son más altos, se ve compensado por el menor coste de la materia prima. Artículo 3 Título: On the water footprint in power production: Sustainable design of wet cooling towersAutores: Lidia S Guerras y Mariano Martín. Revista: Applied Energy DOI: 10.1016/j.apenergy.2020.114620 Resumen: Las plantas de energía renovable deben instalarse donde esté disponible el recurso principal. El clima afecta el diseño y la huella hídrica de estas plantas. Se estudian dos tipos de ciclos de potencia, un ciclo Rankine regenerativo, representativo de biomasa y plantas termosolares, y el ciclo combinado, correspondiente a procesos basados en biogás o gasificación. Las instalaciones se modelan en detalle unidad por unidad para calcular el rendimiento del ciclo, el trabajo del condensador, el consumo de agua y la geometría de la torre de enfriamiento húmedo de tiro natural para su diseño sostenible. Las regiones cálidas, apropiadas para instalaciones solares, y las regiones húmedas requieren torres más grandes y caras. Las áreas con alta disponibilidad solar también muestran un mayor consumo de agua, lo que representa un intercambio para un futuro sistema de energía basado en energías renovables. Además, también se han desarrollado pautas de diseño y modelos sustitutos para estimar el consumo de agua, el tamaño de la torre de enfriamiento y su costo en función del clima. Los sustitutos son útiles para el análisis de la huella hídrica de un sistema de energía de base renovable que sustituye al de base fósil. Artículo 4 Título: Multilayer Approach for Product Portfolio Optimization: Waste to Added-Value Products Autores: Lidia S. Guerras, Debalina Sengupta, Mariano Martín, and Mahmoud M. El-Halwagi Revista: ACS Sustainable Chemistry & Engineering. DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c01284 Resumen: Se ha desarrollado un procedimiento sistemático multicapa de varias etapas para la selección de la cartera de productos óptima a partir de biomasa residual como materia prima para sistemas que implican el nexo “wáter-energy-food”. Consiste en una metodología híbrida heurística, basada en métricas y optimización que evalúa el desempeño económico y ambiental de productos de valor agregado a partir de una materia prima en particular. La primera etapa preselecciona los productos prometedores. A continuación, se formula un problema de optimización de la superestructura para valorizar o transformar los residuos en el conjunto óptimo de productos. La metodología se ha aplicado dentro de la iniciativa “Waste to Power and Chemicals” para evaluar el mejor uso de los residuos de biomasa de la industria del aceite de oliva en alimentos, productos químicos y energía. La etapa heurística se basa en la revisión de la literatura para analizar los productos y técnicas factibles. A continuación, se han desarrollado y utilizado métricas simples para preseleccionar productos que son prometedores. Finalmente, se utiliza un enfoque de optimización de la superestructura para diseñar la instalación que procesa hojas, astillas de madera y aceitunas en productos finales. La mejor técnica para recuperar fenoles del “alperujo”, un residuo sólido húmedo/subproducto del proceso, consiste en el uso de membranas, mientras que la técnica de adsorción se utiliza para la recuperación de fenoles de hojas y ramas de olivo. La inversión necesaria para procesar los residuos asciende a 110,2 millones de euros por 100 kt/año para la instalación de producción de aceitunas, mientras que el beneficio depende del nivel de integración. Si la instalación está adscrita a la producción de aceite de oliva, el beneficio generado oscila entre los 14,5 MM €/año (cuando los residuos se compran a precios de 249 € por tonelada de alperujo y 6 € por tonelada de hojas y ramas de olivo) y 34,3 MM €/año cuando el material de desecho se obtiene de forma gratuita

Multi-Criteria Decision Matrix Method in the Risk Analysis of Biodiesel Production Processes

Renewable fuel technologies aim to mitigate the non-renewability of fossil fuels, challenges with increased energy demand, and the climate impact of fossil fuel emissions. However, before investing in renewable technologies, there need to be decision strategies that assess and identify the best alternatives according to stakeholder priorities. There is also a concern about whether the technologies that are the “most sustainable” effectively meet the acceptable risk requirements of stakeholders. In response to this question, a risk-adapted multi-criteria decision model was developed and compared to a sustainability study that evaluated five renewable diesel technologies, including Green Diesel I, II, and III; Fischer-Tropsch biodiesel, and the transesterification of biodiesel from vegetable oils. This thesis work provides essential stakeholder perspectives on the risk of these same five technologies and limits the use of probabilistic quantification approaches. Instead, this study uses reasonable assumptions to measure the indicator data objectively. These quantified indicators are considered a cost or benefit and allow adequate comparison of less mature technologies where historical data may be unavailable to more mature ones. This model uses the Analytical Hierarchy Process (AHP) decision strategy with stakeholder survey input to determine criteria and sub-criteria weightings, while the Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) subsequently ranks the alternative technologies. The criteria evaluated from a risk perspective include process safety, environmental, economic, technological, and social risks. This risk assessment process has ranked technologies producing alternative fuel types. However, it can also compare and rank bioproduct and process intensification technologies to fossil-derived products and more traditional production techniques. Moreover, the central conclusion of this work is that an even more comprehensive tool is needed that combines risk and sustainability aspects. This conclusion is due to the sustainability study indicating Fischer-Tropsch diesel as the best option. At the same time, the present risk research revealed it as the option with the most significant comparative risk

Integrating the three E’s in wastewater treatment

Water is often the most mispriced and misused component in domestic, industrial and agricultural sectors. The rise in world population and industrialization in developing nations has tremendously increased the demand for water and has resulted in the generation of wastewater which is contaminated with dangerous pollutants and unknown contaminants. Furthermore, if the wastewater is not treated properly the toxic pollutants will leach back into the ground ultimately contaminating the groundwater resources. Thus, wastewater treatment, reuse, and safe disposal have become crucial for sustainable existence. In this review, the different aspects involved in designing efficient and sustainable wastewater treatment systems such as wastewater characterization, stage-wise treatment approach, technology features, modeling methodologies, cost evaluations, and environmental impact assessment are presented and future need for information exchange, interdisciplinary collaborations and convergent research are emphasized

Life Cycle-based Environmental Performance Indicator for the Coal-to-energy Supply Chain: A Chinese Case Application

Coal consumption and energy production (CCEP) has received increasing attention since coal-fired power plants play a dominant role in the power sector worldwide. In China, coal is expected to retain its primary energy position over the next few decades. However, a large share of CO2 emissions and other environmental hazards, such as SO2 and NOx, are attributed to coal consumption. Therefore, understanding the environmental implications of the life cycle of coal from its production in coal mines to its consumption at coal-fired power plants is an essential task. Evaluation of such environmental burdens can be conducted using the life cycle assessment (LCA) tool. The main issues with the traditional LCA results are the lack of a numerical magnitude associated with the performance level of the obtained environmental burden values and the inherent uncertainty associated with the output results. This issue was addressed in this research by integrating the traditional LCA methodology with a weighted fuzzy inference system model, which is applied to a Chinese coal-to-energy supply chain system to demonstrate its applicability and effectiveness. Regarding the coal-to-energy supply chain under investigation, the CCEP environmental performance has been determined as “medium performance”, with an indicator score of 39.15%. Accordingly, the decision makers suggested additional scenarios (redesign, equipment replacement, etc.) to improve the performance. A scenario-based analysis was designed to identify alternative paths to mitigate the environmental impact of the coal-to-energy supply chain. Finally, limitations and possible future work are discussed, and the conclusions are presented

Integrated batch process development based on mixed-logic dynamic optimization

Specialty chemicals industry relies on batch manufacturing, since it requires the frequent adaptation of production systems to market fluctuations. To be first in the market, batch industry requires decision-support systems for the rapid development and implementation of chemical processes. Moreover, the processes should be competitive to ensure their long-term viability. General-purpose and flexible plants and the consideration of physicochemical insights to define an efficient operation are also cornerstones for the success of specialty chemical industries. Precisely, this thesis tackles the systematic development of batch processes that are efficient, economically competitive, and environmentally friendly, to assist their agile introduction into production systems in grassroots and retrofit scenarios. Synthesis of conceptual processing schemes and plant allocation subproblems are solved simultaneously, taking into account the plant design. With this purpose, an optimization-based approach is proposed, where all structural alternatives are represented in a State-Equipment Network (SEN) superstructure, following formulated into a Mixed-Logic Dynamic Optimization (MLDO) problem which is later solved to minimize an objective function. Essentially, the strength of the proposed methodology lies in the modeling strategy which combines the different kinds of decisions of the integrated problem in a unique optimization model. Accordingly, it considers: (i) synthesis and allocation alternatives combination, (ii) dynamic process performance models and dynamic control variable profiles, (iii) discrete events associated to transitions of batch phases and operations, (iv) quantitative and qualitative information, (v) material transference synchronization to ensure batch integrity between unit procedures, and (vi) batch and semicontinuous processing elements. Different strategies can be used to solve the resulting MLDO problem. A deterministic direct-simultaneous approach is first proposed. The mixed-logic problem is reformulated into a mixed-integer one, which is fully-discretized to provide a Mixed-Integer Non-Linear Programming (MINLP) that is optimized using conventional solvers. Then, a Differential Genetic Algorithm (DGA) and a hybrid approach are presented. The purpose of these evolutionary strategies is to pose solution alternatives that keep solution goodness while seek for the improvement of computational efficiency to handle industrial-size problems. The optimization-based approach is applied in retrofit scenarios to solve the simultaneous process synthesis and plant allocation, taking into account the physical restrictions of existing plant elements. The production of specialty chemicals based on a competitive reactions system in an existing reactor network is first defined through process development and improvement according to different economic scenarios, decision criteria, and plant modifications. Additionally, a photo-Fenton process is optimized to eliminate an emergent wastewater pollutant in a given pilot plant, pursuing the minimization of processing time and cost. Batch process development in grassroots scenarios is also proven to be a problem of utmost importance to deal with uncertainty in future markets. Seeking for plant flexibility in several demand scenarios, the expected profit is maximized through a two-stage stochastic formulation that includes simultaneous plant design, process synthesis, and plant allocation decisions. A heuristic solution algorithm is used to handle the problem complexity. A grassroots plant design is defined to implement the previous competitive reaction system, where decisions like the feed-forward trajectories or operating modes allow the adaptation of master recipes to different demands. Finally, an acrylic fiber production example is presented to illustrate process development decisions like the selection of tasks, technological alternatives, chemicals, and solvent reuse.La indústria de productes químics especials es basa en la fabricació discontinua, ja que permet adaptar de forma freqüent els sistemes de producció en funció de les fluctuacions de mercat. Per ser líder al sector, són necessàries eines de suport a la decisió que ajudin a l’àgil desenvolupament i implementació de nous processos. A més, aquests han de ser competitius per garantir la seva viabilitat a llarg termini. Altres peces clau per una operació eficient són l’ús de plantes flexibles així com l’estudi dels fenòmens fisicoquímics. Aquesta tesis aborda justament el desenvolupament sistemàtic de processos químics discontinus que siguin eficients, econòmicament competitius i ecològics, per contribuir a la seva ràpida introducció en els sistemes de producció, tant en escenaris de plantes existents com des de les bases. En concret, es planteja la resolució simultània de la síntesi conceptual d’esquemes de procés i l’assignació d’equips, tenint en compte el disseny de la planta. Amb aquest objectiu, es proposa una metodologia de solució basada en optimització, on les alternatives estructurals es representen en una Xarxa d’Estats i Equips (SEN per les sigles en anglès) que es formula mitjançant un problema d’Optimització Dinàmica Mixta-Lògica (MLDO per les sigles en anglès) que es resol minimitzant una funció objectiu. La solidesa de la metodologia proposada rau en la estratègia de modelat del problema MLDO, que integra els diferents tipus de decisions en un sol model d’optimització. En concret, es consideren: (i) la combinació d’alternatives de síntesi i assignació d’equips, (ii) models de procés i trajectòries de control dinàmics, (iii) esdeveniments discrets associats al canvi de fase i operació, (iv) informació quantitativa i qualitativa, (v) sincronització de transferències de material en tasques consecutives, i (vi) elements de processat discontinus i semi-continus. Existeixen diverses estratègies per resoldre el problema MLDO resultant. En aquesta tesi es proposa en primer lloc un mètode determinístic directe-simultani, on el model mixt-lògic es transforma en un mixt-enter. Aquest es discretitza al seu torn de forma completa per obtenir un problema de Programació No-Lineal Mixta-Entera (MINLP per les sigles en anglès) el qual es pot resoldre utilitzant algoritmes d’optimització convencionals. A més, es presenten un Algoritme Genètic Diferencial (DGA per les sigles en anglès) i un mètode híbrid. Totes dues estratègies esdevenen alternatives de cerca amb l’objectiu de mantenir la bondat de la solució i millorar l’eficàcia de computació per tractar problemes de dimensió industrial. La metodologia de solució proposada s’aplica al desenvolupament de processos discontinus en escenaris de plantes existents, tenint en compte les restriccions físiques dels equips. Un primer exemple aborda la manufactura de productes químics basada en un sistema de reaccions competitives. Concretament, es desenvolupa i millora el procés de producció implementat en una xarxa de reactors considerant diferents escenaris econòmics, criteris de decisió, i modificacions de planta. En un segon exemple, s’optimitza el procés foto-Fenton per ser executat en una planta pilot per eliminar contaminants emergents. Buscant integrar el desenvolupament de procés i el disseny de plantes flexibles en escenaris de base, es presenta una formulació estocàstica en dues etapes per a optimitzar el benefici esperat d’acord a diversos escenaris de demanda. Per gestionar la complexitat d’aquest problema es proposa la utilització d’una heurística. Com a exemple, es planteja el disseny d’una planta de base on implementar l’anterior sistema de reaccions competitives. Decisions com les trajectòries dinàmiques de control o la configuració d’equips permeten adaptar la recepta màster en funció de la demanda. Un darrer exemple defineix el procés de producció de fibra acrílica, il·lustrant decisions com la selecció de tasques, tecnologia, reactius o reutilització de dissolvents.La industria productos químicos especiales se basa en la fabricación discontinua, la cual permite la adaptación frecuente de los sistemas de producción en función de las fluctuaciones de mercado. Para ser líder en el sector, son necesarias herramientas de soporte a la decisión que contribuyan al ágil desarrollo e implementación de nuevos procesos. Además, éstos deben ser competitivos para garantizar su viabilidad a largo plazo. Otras piezas clave para una operación eficiente son la utilización de plantas flexibles y el estudio de los fenómenos fisicoquímicos. Esta tesis aborda justamente el desarrollo sistemático de procesos químicos discontinuos que sean eficientes, económicamente competitivos y ecológicos, para contribuir a su rápida introducción en los sistemas de producción, ya sea en escenarios de plantas existentes o desde las bases. En particular, se plantea la resoluciónsimultánea de la síntesis conceptual de esquemas de proceso y la asignación de equipos, teniendo en cuenta además el diseño de planta.Con este fin, se propone una metodología de solución basada en optimización, donde todas las alternativas estructurales se representan en una Red de Estados y Equipos (SENpor sus siglas en inglés) que se formula mediante un problema de Optimización Dinámica Mixta-Lógica (MLDO por sus siglas en inglés) que se resuelve minimizando una función objetivo. La solidez de la metodología propuesta reside en la estrategia de modelado delproblema MLDO, que integra los diferentes tipos de decisiones en un solo modelo de optimización. En concreto, se consideran: (i) la combinación de alternativas de síntesis y asignación de equipos, (ii) modelos de proceso y trayectorias de control dinámicos, (iii)eventos discretos asociados al cambio de fase y operación, (iv) información cuantitativa y cualitativa, (v) sincronización de la transferencia de material en tareas consecutivas, y(vi) elementos de procesado discontinuos y semicontinuos.Existen diversas estrategias para resolver el problema MLDO resultante. En esta tesis se propone en primer lugar un método determinístico directo-simultáneo, donde el problema mixto-lógico se reformula en un mixto-entero. A su vez, éste se discretiza de formacompleta para obtener un problema de Programación No-Lineal Mixta-Entera (MINLP por sus siglas en inglés) el cual se puede resolver mediante algoritmos de optimización convencionales. Además, se presentan un Algoritmo Genético Diferencial (DGA por sussiglas en inglés) y un método híbrido. Ambas estrategias se plantean como alternativas de búsqueda con objeto de mantener la bondad de la solución y mejorar la eficacia de computación para tratar problemas de dimensión industrial.La metodología de solución propuesta se aplica al desarrollo de procesos discontinuos en escenarios con plantas existentes, teniendo en cuenta las restricciones físicas de los equipos. Un primer ejemplo aborda la fabricación de productos químicos basada en un sistema de reacciones competitivas. En concreto, se desarrolla y mejora el proceso de producción a implementar en una red de reactores considerando diferentes escenarios económicos, criterios de decisión, y modificaciones de planta. En un segundo ejemplo,se optimiza el proceso foto-Fenton a ser ejecutado en una planta piloto para eliminar contaminantes emergentes.Persiguiendo la integración del desarrollo de proceso con el diseño de plantas flexi-bles en escenarios base, se presenta asimismo una formulación estocástica en dos etapas para optimizar el beneficio esperado de acuerdo a varios escenarios de demanda. Paramanejar la complejidad de dicho problema se propone la utilización de una heurística.Como ejemplo, se plantea el diseño de una planta de base para implementar el anterior sistema de reacciones competitivas, donde decisiones como las trayectorias dinámicas de control o la configuración de equipos permiten adaptar la receta máster en función de lademandas. Por último, se presenta un ejemplo donde se define el proceso de producción de fibra acrílica, ilustrando decisiones como la selección de tareas, alternativas tecnológicas, reactivos químicos o la reutilización de disolventes.Postprint (published version

Sustainable design of complex industrial and energy systems under uncertainty

Depletion of natural resources, environmental pressure, economic globalization, etc., demand seriously industrial organizations to ensure that their manufacturing be sustainable. On the other hand, the efforts of pursing sustainability also give raise to potential opportunities for improvements and collaborations among various types of industries. Owing to inherent complexity and uncertainty, however, sustainability problems of industrial and energy systems are always very difficult to deal with, which has made industrial practice mostly experience based. For existing research efforts on the study of industrial sustainability, although systems approaches have been applied in dealing with the challenge of system complexity, most of them are still lack in the ability of handling inherent uncertainty. To overcome this limit, there is a research need to develop a new generation of systems approaches by integrating techniques and methods for handling various types of uncertainties. To achieve this objective, this research introduced series of holistic methodologies for sustainable design and decision-making of industrial and energy systems. The introduced methodologies are developed in a systems point of view with the functional components involved in, namely, modeling, assessment, analysis, and decision-making. For different methodologies, the interval-parameter-based, fuzzy-logic-based, and Monte Carlo based methods are selected and applied respectively for handling various types of uncertainties involved, and the optimality of solutions is guaranteed by thorough search or system optimization. The proposed methods are generally applicable for any types of industrial systems, and their efficacy had been successfully demonstrated by the given case studies. Beyond that, a computational tool was designed, which provides functions on the industrial sustainability assessment and decision-making through several convenient and interactive steps of computer operation. This computational tool should be able to greatly facilitate the academic and industrial practices on the study of sustainability problems, and it is the first one available to the public

Development and application of methodologies to get Sustainable industrial systems

This thesis aims to develop and apply methodologies to get sustainable industrial systems. Three tools, included in the scope of Life Cycle Thinking, are considered for this purpose: Best Available Technique (BAT) Analysis, Material and Energy Flow Analysis (MEFA), and process simulation. All these tools are individually analysed and validated in different real case studies, so that their advantages and limitations can be identified and overcome in the proposal of three methodologies that differently combine them. The nexus between the combined tools are the Improvable Flows (IF), defined during this work as those material or energy flows whose management in the considered process is not optimised, and can be improved from a sustainable point of view. The results are integrated methodologies that thoroughly analyse the considered process, identify the potential IF, propose alternatives to enhance such flows and, in some cases, evaluate the suitability and the potential benefits of the proposed alternatives

Decision support systems (DSS) for wastewater treatment plants: a review of the state of the art

The use of decision support systems (DSS) allows integrating all the issues related with sustainable developmentin view of providing a useful support to solve multi-scenario problems. In this work an extensive review on theDSSs applied to wastewater treatment plants (WWTPs) is presented. The main aim of the work is to provide anupdated compendium on DSSs in view of supporting researchers and engineers on the selection of the mostsuitable method to address their management/operation/design problems. Results showed that DSSs weremostly used as a comprehensive tool that is capable of integrating several data and a multi-criteria perspective inorder to provide more reliable results. Only one energy-focused DSS was found in literature, while DSSs based onquality and operational issues are very often applied to site-specific conditions. Finally, it would be important toencourage the development of more user-friendly DSSs to increase general interest and usability.This work is part of a research project supported by grant of the Italian Ministry of Education, University and Research (MIUR) through the Research project of national interest PRIN2012 (D.M. 28 December 2012 n. 957/Ric – Prot. 2012PTZAMC) entitled “Energy consumption and Greenhouse Gas (GHG) emissions in the wastewater treatment plants: a decision support system for planning and management – http://ghgfromwwtp.unipa.it” in which the first author is the Principal Investigator. In addition, some coauthors acknowledge the partial support of the Industrial Doctorate Programme (2017-DI-006) and the Research Consolidated Groups/Centres Grant (2017 SGR 574) from the Catalan Agency of University and Research Grants Management (AGAUR), from Catalan Government.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Sustainable wastewater treatment plants design through multiobjective optimization

Nowadays, an adequate design of wastewater treatment plants taking into consideration ail sustainability dimensions- economic, environmental and social- is fundamental. This can be achieved by implementing systematic methodologies where conceptual and mathematical tools can be used together. This contribu­tion proposes a framework that uses total cost, consumed energy, and reclaimed wastewater as sustain­ability metrics. A mixed-integer nonlinear programming problem arises from a general superstructure for wastewater treatment plants. A case study from Mexico City is solved by a hybrid multiobjective opti­mization approach that combines lexicographie and e-constraint methods. Solutions are provided in the form of a Pareto front. A modified technique for order of preference by similarity to ideal solution (M­TOPSIS) analysis is used as a multiple criteria decision-making tool to find the best trade-off solution. The optimal sustainable configuration resulted consists of three levels of treatment and 100% of treated water reuse