Does cattle and sheep grazing under best management significantly elevate sediment losses? Evidence from the North Wyke Farm Platform, UK

Purpose Intensive livestock grazing has been associated with an increased risk of soil erosion and concomitant negative impacts on the ecological status of watercourses. Whilst various mitigation options are promoted for reducing livestock impacts, there is a paucity of data on the relationship between stocking rates and quantified sediment losses. This evidence gap means there is uncertainty regarding the cost-benefit of policy preferred best management. Methods Sediment yields from 15 hydrologically isolated field scale catchments on a heavily instrumented ruminant livestock farm in the south west UK were investigated over similar to 26 months spread across 6 years. Sediment yields were compared to cattle and sheep stocking rates on long-term, winter (November-April), and monthly timescales. The impacts of livestock on soil vegetation cover and bulk density were also examined. Cattle were tracked using GPS collars to determine how grazing related to soil damage. Results No observable impact of livestock stocking rates of 0.15-1.00 UK livestock units (LU) ha(-1) for sheep, and 0-0.77 LU ha(-1) for cattle on sediment yields was observed at any of the three timescales. Cattle preferentially spent time close to specific fences where soils were visually damaged. However, there was no indication that livestock have a significant effect on soil bulk density on a field scale

Lean-green improvement opportunities for sustainable manufacturing using water telemetry in agri-food industry.

Water has become a critical resource due to increased manufacturing activities. However, there is a lack of detailed information on water management and consumption by industries. In the recent bibliography, lean–green was established as a good approach for achieving sustainability in manufacturing industries, but few studies have aimed to achieve both operational and environmental improvements in water consumption. In this paper, we present a multi-case study in the agri-food industry in which water consumption in company activities is monitored, allowing them to improve their industrial processes based on lean–green practices, leading to a zero-waste strategy for this critical resource. The aim of this paper is to demonstrate the importance of having detailed knowledge regarding water consumption in order to discover, in a lean–green context, new improvement opportunities which could remain hidden by the current way of analysing consumption

Quantitative assessment of energy and resource recovery in wastewater treatment plants based on plant-wide simulations.

The growing development of technologies and processes for resource treatment and recovery is offering endless possibilities for creating new plant-wide configurations or modifying existing ones. However, the configurations’ complexity, the interrelation between technologies and the influent characteristics turn decision-making into a complex or unobvious process. In this frame, the Plant-Wide Modelling (PWM) library presented in this paper allows a thorough, comprehensive and refined analysis of different plant configurations that are basic aspects in decision-making from an energy and resource recovery perspective. In order to demonstrate the potential of the library and the need to run simulation analyses, this paper carries out a comparative analysis of WWTPs, from a techno-economic point of view. The selected layouts were (1) a conventional WWTP based on a modified version of the Benchmark Simulation Model No. 2, (2) an upgraded or retrofitted WWTP, and (3) a new Wastewater Resource Recovery Facilities (WRRF) concept denominated as C/N/P decoupling WWTP. The study was based on a preliminary analysis of the organic matter and nutrient energy use and recovery options, a comprehensive mass and energy flux distribution analysis in each configuration in order to compare and identify areas for improvement, and a cost analysis of each plant for different influent COD/TN/TP ratios. Analysing the plants from a standpoint of resources and energy utilization, a low utilization of the energy content of the components could be observed in all configurations. In the conventional plant, the COD used to produce biogas was around 29%, the upgraded plant was around 36%, and 34% in the C/N/P decoupling WWTP. With regard to the self-sufficiency of plants, achieving self-sufficiency was not possible in the conventional plant, in the upgraded plant it depended on the influent C/N ratio, and in the C/N/P decoupling WWTP layout self-sufficiency was feasible for almost all influents, especially at high COD concentrations. The plant layouts proposed in this paper are just a sample of the possibilities offered by current technologies. Even so, the library presented here is generic and can be used to construct any other plant layout, provided that a model is available

Nueva Metodología de Modelado Matemático Integral de las EDAR

Tras una revisión del potencial y las limitaciones de los principales modelos matemáticos existentes para describir de manera conjunta los procesos unitarios de las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR), la presente tesis desarrolla una nueva metodología de modelado. Esta metodología permite la construcción sistemática y rigurosa de modelos integrales de planta capaces de reproducir las mutuas interrelaciones entre los diferentes elementos de las líneas de aguas y fangos, garantizando en todo momento la continuidad de masa elemental y carga. La nueva metodología desarrollada, denominada metodología PWM (Plant Wide Modelling) está basada en la utilización de una lista genérica de transformaciones de las que se eligen las más adecuadas para los procesos que tienen lugar en cada EDAR objeto de estudio. La definición de los componentes en sus fracciones másicas elementales permite garantizar la continuidad de masa y carga en cada transformación y a lo largo de toda la planta. La definición de los componentes en base a sus fracciones másicas ha sido utilizada para el desarrollo de un algoritmo para la caracterización automática del influente. Este algoritmo ha sido empleado con éxito en la caracterización del agua residual influente de la EDAR de Galindo (Bilbao). La metodología PWM propuesta ha sido utilizada para la construcción de un modelo integral para un caso de estudio estándar (BSM2). El modelo obtenido ha sido verificado en diferentes escenarios de simulación. Posteriormente se ha llevado a cabo un análisis comparativo entre la utilización del modelo de EDAR obtenido frente a otras propuestas de modelado integral existentes en la bibliografía. Se ha construido en modelo integral para la EDAR Galindo-Bilbao de acuerdo con la metodología PWM. El modelo obtenido ha sido utilizado en la validación de una estrategia de control automático en la línea de aguas de la EDAR. Posteriormente se ha llevado a cabo una exploración de la operación de la EDAR en escenarios hipotéticos que consideran de forma conjunta líneas de aguas y fangos. La exposición finaliza con el capítulo dedicado a las conclusiones del estudio realizado, la bibliografía utilizada y una serie de anexos que proporcionan información adicional a la incluida en la memoria

Nueva Metodología de Modelado Matemático Integral de las EDAR

Tras una revisión del potencial y las limitaciones de los principales modelos matemáticos existentes para describir de manera conjunta los procesos unitarios de las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR), la presente tesis desarrolla una nueva metodología de modelado. Esta metodología permite la construcción sistemática y rigurosa de modelos integrales de planta capaces de reproducir las mutuas interrelaciones entre los diferentes elementos de las líneas de aguas y fangos, garantizando en todo momento la continuidad de masa elemental y carga. La nueva metodología desarrollada, denominada metodología PWM (Plant Wide Modelling) está basada en la utilización de una lista genérica de transformaciones de las que se eligen las más adecuadas para los procesos que tienen lugar en cada EDAR objeto de estudio. La definición de los componentes en sus fracciones másicas elementales permite garantizar la continuidad de masa y carga en cada transformación y a lo largo de toda la planta. La definición de los componentes en base a sus fracciones másicas ha sido utilizada para el desarrollo de un algoritmo para la caracterización automática del influente. Este algoritmo ha sido empleado con éxito en la caracterización del agua residual influente de la EDAR de Galindo (Bilbao). La metodología PWM propuesta ha sido utilizada para la construcción de un modelo integral para un caso de estudio estándar (BSM2). El modelo obtenido ha sido verificado en diferentes escenarios de simulación. Posteriormente se ha llevado a cabo un análisis comparativo entre la utilización del modelo de EDAR obtenido frente a otras propuestas de modelado integral existentes en la bibliografía. Se ha construido en modelo integral para la EDAR Galindo-Bilbao de acuerdo con la metodología PWM. El modelo obtenido ha sido utilizado en la validación de una estrategia de control automático en la línea de aguas de la EDAR. Posteriormente se ha llevado a cabo una exploración de la operación de la EDAR en escenarios hipotéticos que consideran de forma conjunta líneas de aguas y fangos. La exposición finaliza con el capítulo dedicado a las conclusiones del estudio realizado, la bibliografía utilizada y una serie de anexos que proporcionan información adicional a la incluida en la memoria

New heat transfer and operating cost models for the Plant-Wide simulation of full-scale WWTPs.

Tesi honen helburu nagusia, modelo matematikoak eraikitzeko beharrezkoa den prozedura zorrotz eta sistematikoa garatu ata balioztatzea izan da, hondakin uren araztegia (HUA) osatzen duten prozesu ororen bero transferentzia eta eragiketa-kostuak deskribatu ahal izateko. Helburu hau erdiesteko asmoz, tesiak modelaketa metodologia berri bat aurkezten du, unitateetan eman daitezkeen erreakzio biokimiko, kimiko eta fisiko-kimikoek sor ditzaketen bero aldaketak zenbatezteko. Metodologia, fase (likido, gas nahiz solido) bakoitzeko erreakzio-beroen zenbatezpenean oinarritzen da, formazio entalpiak erabiliz eta Hess-en legea aplikatuz. Plant-Wide Modelling (PWM) metodologiak eskaintzen duen osagaien karakterizazio xehatuak, osagai bakoitzaren formazio entalpiaren zenbatespena ahalbidetzen du, baita erreakzio-beroaren kalkulu sistemiko eta dinamikoa ere, uneoro planta osoan zehar energia termikoaren ata masikoaren jarraitasuna bermatuz. Metodologia hau, bero transferentzia modelo orokor batetara gehitu da prozesuko unitateetan aurki daitezkeen faseen temperaturak iragartzeko asmoz. Eragiketa-kostu modeloei dagokienez, tesiak ingeniaritzan erabiltzen diren adierazpenetan oinarritutako eragingailuen bilduma zabala aurkezten du. Adierazpen hauen erabilerak, eragiketa-kostuen zenbatezpen zehatz eta errealista ahalbidetzen du, hauek prozesuko aldagaiekin (emari, erreakzio entalpia, solidoen kontzentrazio, etab.) duten lotura estuari esker. Tesi honetan garatutako bero transferentzia eta kostu modeluek, eta Lizarralde eta kol-ek (2015) aurkeztutako modelu fisiko-kimikoak, Ceit-IK4 PWM metodologia eguneratzen lagundu dute, Extended Plant-Wide Modelling (E-PWM) metodología izenekora. Erreakzio-beroaren zenbatezpenerako garatutako modelaketa metodologia, datu teoriko eta experimentalekin balioztatu da. Bero transferentzia modeloaren iragartze ahalmena berriz, digestio aerobio termofilo eta autoiraunkor (DATA) baten portaeraren simulazio bitartez egiaztatu da. Modelo termiko orokorraren baliagarritasuna eta aplikagarritasuna frogatzeko, simulazio bidezko bi azterketa-kasu burutu dira, lehenengoan DATA erreaktorea simulatuz eta bigarrengoan erreferentzizko planta global bat erabiliz (BSM2). Modelo bildumaren ahalmena erakusteko asmoz, hiru HUA ebolutibo alderatu dira ikuspuntu tekniko-ekonomiko batetatik. Aukeratutako konfigurazioak ondorengoak dira: (1) Ohiko hondakin uren araztegi bat erreferentzizko bigarren simulazio modelo (BSM2) eraldatuan oinarritua, (2) Ohiko HUAren bertsio hobetu eta berhornitua, eta (3) arazketa kontzeptu berri batean oinarritutako konfigurazio bat, C/N/P banandua duen arategia izenekoa. Ondoren, hiru HUA errealetan burututako azterketa-kasuak aurkezten dira modelo bilduma egokitu eta malguen baliagarritasuna erakusteko, hau da, PWM modelo bildumaren baliagarritasuna. Bukatzeko, tesiaren ondorio nagusiak biltzen dituen atala, erabilitako erreferentzi bibliografiko zehatzen zerrenda eta tesian aurkeztutako informazioa osatzen duten zenbait eranskin gehitu dira.El principal objetivo de esta tesis ha sido el de desarrollar y validar un procedimiento riguroso y sistemático para construir modelos matemáticos que describan las transferencias de calor y los costes operacionales en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs). Con el fin de lograr este objetivo, la tesis presenta una nueva metodología de modelado para el cálculo de las variaciones de calor producidas por las reacciones bioquímicas, químicas y físico-químicas en cualquier unidad. La metodología se basa en la estimación del calor de reacción de cada fase (líquida, sólida o gaseosa) mediante las entalpias de formación de los componentes del modelo y aplicando la Ley de Hess. La detallada caracterización de los componentes que ofrece la metodología Plant-Wide Modelling (PWM), permite la estimación de las entalpías de formación de cada componente del modelo, y hace posible un cálculo sistemático y dinámico del calor liberado o absorbido por cada transformación, garantizando en todo momento la continuidad de energía calorífica en paralelo con la continuidad de masa en cualquier punto de la planta. Esta metodología ha sido incorporada a un completo y genérico modelo de transferencias de calor para la predicción de la temperatura de cualquier fase (líquida, sólida o gaseosa) presente en las unidades de proceso. En lo que respecta a los modelos de costes de operación, la tesis presenta una amplia librería de modelos de actuadores basados en ecuaciones ingenieriles. La utilización de expresiones ingenieriles ha permitido tener una estimación más detallada y realista de los costes operacionales, por el hecho de estar éstos asociados a variables operacionales de proceso (caudales, entalpías de reacción, concentración de sólidos, etc.). Los modelos de transferencias de calor y los modelos de costes operacionales desarrollados en esta tesis, junto con el modelo físico-químico desarrollado por Lizarralde et al., (2015) han servido para actualizar la metodología Ceit-IK4 PWM, a una nueva versión de la metodología denominada Extended Plant-Wide Modelling (E-PWM). La metodología de modelado desarrollada para el cálculo de las variaciones de calor producidas por las transformaciones ha sido validada mediante una comparación con datos experimentales y teóricos bibliográficos. Mientras que la verificación de la capacidad predictiva del modelo de transferencias de calor se ha llevado a cabo mediante la simulación del comportamiento dinámico de un digestor aerobio termófilo auto-sostenido (ATAD). Para testear la utilidad y aplicabilidad del modelo térmico global, se han realizado dos estudios por simulación, uno de ellos en el mismo reactor ATAD y otro en una planta global de referencia (BSM2). Con el objetivo de mostrar el potencial de la librería, se han comparado tres plantas evolutivas desde un punto de vista técnico-económico. Las configuraciones seleccionados han sido: (1) una EDAR convencional basada en una versión modificada del modelo de simulación de referencia No. 2 (BSM2), (2) una versión mejorada o reequipada de la EDAR convencional, y (3) un nuevo concepto de planta denominado EDAR con desacople de C/N/P. Posteriormente, la tesis presenta tres casos de estudio realizados en plantas de tratamiento de aguas residuales a escala real con el objetivo de mostrar la utilidad de las librerías de modelos adaptadas y flexibles frente a optimizaciones de plantas a gran escala, como es el caso de la librería de modelos PWM. La exposición finaliza con un capítulo dedicado a las conclusiones más significativas, la bibliografía utilizada y una serie de anexos que proporcionan información adicional a la incluida en la memoria, como por ejemplo la descripción detallada de los modelos y la caracterización de los componentes del modelo.The main objective of this thesis has been to develop and validate a systematic and rigorous procedure for constructing mathematical models describing both heat transfers and operating costs in Wastewater Treatment Plants (WWTPs). In order to achieve this objective, the thesis presents a new modelling methodology for calculating the heat variations produced by biochemical, chemical and physico-chemical transformations in any unit. The methodology is based on the estimation of the heat of reaction of each phase (liquid, solid or gaseous) by the enthalpies of formation of model components, applying the Hess's law. The detailed characterization of the components that provides the Plant-Wide Modelling (PWM) methodology, enables the estimation of the enthalpy of formation for each model component and makes possible a systematic and dynamic calculation of the heat released or absorbed by each transformation, guaranteeing heat energy continuity in parallel with the mass continuity at any point in the plant. This methodology has been incorporated into a complete and generic heat transfer model for predicting the temperature of any phase present in the unit-processes. Regarding the operating cost models, the thesis presents an extensive library of actuator models based on engineering equations. The engineering expressions adapted depend closely on the operational variables of the process (solids concentration, flowrates, enthalpy changes of reaction, etc.), allowing a more detailed and realistic estimate. The heat transfer and operating costs models developed in this thesis, along with the physico-chemical model developed by Lizarralde et al. (2015), have been used to update the Ceit-IK4 PWM methodology to a new version of the methodology called Extended Plant-Wide Modelling (E-PWM). The modelling methodology developed for calculating heat variations caused by transformations has been validated with experimental and theoretical data obtained in literature. After validation, a verification of the predictive capacity of the heat transfer model was carried out by simulating the behaviour of an Autothermal Thermophilic Aerobic Digester (ATAD). In order to test the usefulness and applicability of the overall heat transfer model, two case studies have been carried out. In the first study, the same ATAD reactor was simulated, and in the second case study a global reference plant (BSM2) was used. In order to show the potential of the library, three evolutionary WWTPs were compared from a techno-economic standpoint. The selected configurations were (1) a conventional WWTP based on a modified version of the Benchmark Simulation Model No. 2, (2) an upgraded or retrofitted WWTP, and (3) a new Wastewater Resource Recovery Facility (WRRF) concept denominated as C/N/P decoupling WWTP. Subsequently, the thesis presents three case studies conducted in full-scale wastewater treatment plant in order to show the usefulness of adapted and flexible model libraries for optimising real full-scale WWTPs, as is the case of the PWM library. The thesis concludes with a chapter devoted to the most significant conclusions, the bibliography, and a set of appendixes with additional information, such as the detailed description of the models and the characterization of the components

New mass-based population balance model including shear rate effects: Application to struvite recovery.

Struvite (MgNH4PO4·6H2O) precipitation is a promising solution for phosphorus recovery in wastewater treatment plants. Controlled struvite precipitation can help to reduce eutrophication in the receiving waterways, fight global phosphorus scarcity and reduce operational problems generated by the uncontrolled precipitation of the mineral in the pipes. Due to the generated interest, the description of the precipitation process has been already included in existing wastewater treatment modelling libraries. However, following the classic wastewater treatment modelling approach, the process has been generally included as a one-step kinetic model. This one-step model type is limited for technological design and optimization purposes, as it does not include information about the mechanisms by which the precipitation occurs, nor the particle size distribution, a key variable for the performance of struvite as an effective fertilizer. Therefore, the aim of this thesis has been to upgrade existing one-step kinetic models by developing a mathematical model that could describe in detail the mechanisms occurring in struvite precipitation in order to be able to predict the resulting particle size distribution. This model is a population balance model in which hydrodynamic effects have been considered. The population balance model has been constructed according to Ceit’s plant wide model methodology, guaranteeing mass and charge balance. Therefore, it can be combined with the simulation of other unit processes used to describe wastewater treatment plants in a systematic and straightforward way. A sensitivity and collinearity analysis performed in the thesis, demonstrated that the model is coherent in its structure and valid to represent struvite precipitation processes. In order to incorporate the hydrodynamic effects to the model, results obtained in an experimental campaign where struvite precipitation was analysed under different mixing and saturation conditions in two different experimental set-ups, were used. Obtained results showed that a higher mixing intensity could be linked with a faster pH decay, an increasing particle density and lower particle size. These effects were included in the population balance model using a calibration procedure based on Bayesian Monte Carlo techniques. From the calibration procedure, new kinetic laws were proposed for struvite nucleation and growth, where the effect of the hydrodynamics had been decoupled by explicitly including the shear rate as a process variable.La precipitación de estruvita (MgNH4PO4·6H2O) es una solución prometedora para la recuperación de fósforo en estaciones depuradoras de aguas residuales. La precipitación controlada de estruvita puede ayudar a reducir la eutrofización provocada por los vertidos de la depuradora, combatir la escasez global de fósforo y reducir los problemas operacionales generados por la precipitación incontrolada del mineral en las tuberías. Debido al interés generado, la descripción del proceso de precipitación ya se ha incluido en las librerías de modelado de tratamiento de aguas residuales existentes. Sin embargo, siguiendo el enfoque clásico de modelado de tratamiento de aguas residuales, el proceso se ha incluido generalmente con una cinética de un solo paso. Este hecho limita el uso del modelo matemático para fines de diseño y optimización de tecnologías, ya que no se consideran ni los mecanismos de precipitación ni la distribución del tamaño de partícula, siendo ésta una variable clave en el desempeño de la estruvita como fertilizante. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis ha sido mejorar los modelos cinéticos de un paso existentes mediante el desarrollo de un modelo matemático que describe en detalle los mecanismos que ocurren en la precipitación de estruvita para poder predecir la distribución del tamaño de partícula resultante. Este modelo es un modelo de balance poblacional en el que se han considerado efectos hidrodinámicos. El modelo de balance poblacional se ha construido siguiendo la metodología de modelado integral de planta (‘Plant Wide Model’) de Ceit, garantizando el balance de masa y carga. Por lo tanto, se puede combinar con la simulación de otros procesos que ocurren en las estaciones depuradoras de aguas residuales de una manera sistemática y sencilla. Un análisis de sensibilidad y colinealidad realizado en la tesis, demostró que el modelo es coherente en su estructura y válido para representar procesos de precipitación de estruvita. Para incorporar los efectos hidrodinámicos al modelo, se utilizaron los resultados obtenidos en una campaña experimental donde se analizó la precipitación de estruvita bajo diferentes intensidades de agitación y grado de saturación. Los resultados obtenidos mostraron que una mayor intensidad de agitación podría estar relacionada con una caída más rápida del pH, un aumento del número de partículas y un menor tamaño medio de las partículas obtenidas. Estos efectos se incluyeron en el modelo de balance de población utilizando una metodología de calibración basada en inferencia bayesiana. A partir de la metodología de calibración, se propusieron nuevas leyes cinéticas para la nucleación y el crecimiento de la estruvita, donde el efecto de la hidrodinámica está desacoplado al incluir explícitamente la cizalladura como una variable de proceso

New heat transfer and operating cost models for the Plant-Wide simulation of full-scale WWTPs.

Tesi honen helburu nagusia, modelo matematikoak eraikitzeko beharrezkoa den prozedura zorrotz eta sistematikoa garatu ata balioztatzea izan da, hondakin uren araztegia (HUA) osatzen duten prozesu ororen bero transferentzia eta eragiketa-kostuak deskribatu ahal izateko. Helburu hau erdiesteko asmoz, tesiak modelaketa metodologia berri bat aurkezten du, unitateetan eman daitezkeen erreakzio biokimiko, kimiko eta fisiko-kimikoek sor ditzaketen bero aldaketak zenbatezteko. Metodologia, fase (likido, gas nahiz solido) bakoitzeko erreakzio-beroen zenbatezpenean oinarritzen da, formazio entalpiak erabiliz eta Hess-en legea aplikatuz. Plant-Wide Modelling (PWM) metodologiak eskaintzen duen osagaien karakterizazio xehatuak, osagai bakoitzaren formazio entalpiaren zenbatespena ahalbidetzen du, baita erreakzio-beroaren kalkulu sistemiko eta dinamikoa ere, uneoro planta osoan zehar energia termikoaren ata masikoaren jarraitasuna bermatuz. Metodologia hau, bero transferentzia modelo orokor batetara gehitu da prozesuko unitateetan aurki daitezkeen faseen temperaturak iragartzeko asmoz. Eragiketa-kostu modeloei dagokienez, tesiak ingeniaritzan erabiltzen diren adierazpenetan oinarritutako eragingailuen bilduma zabala aurkezten du. Adierazpen hauen erabilerak, eragiketa-kostuen zenbatezpen zehatz eta errealista ahalbidetzen du, hauek prozesuko aldagaiekin (emari, erreakzio entalpia, solidoen kontzentrazio, etab.) duten lotura estuari esker. Tesi honetan garatutako bero transferentzia eta kostu modeluek, eta Lizarralde eta kol-ek (2015) aurkeztutako modelu fisiko-kimikoak, Ceit-IK4 PWM metodologia eguneratzen lagundu dute, Extended Plant-Wide Modelling (E-PWM) metodología izenekora. Erreakzio-beroaren zenbatezpenerako garatutako modelaketa metodologia, datu teoriko eta experimentalekin balioztatu da. Bero transferentzia modeloaren iragartze ahalmena berriz, digestio aerobio termofilo eta autoiraunkor (DATA) baten portaeraren simulazio bitartez egiaztatu da. Modelo termiko orokorraren baliagarritasuna eta aplikagarritasuna frogatzeko, simulazio bidezko bi azterketa-kasu burutu dira, lehenengoan DATA erreaktorea simulatuz eta bigarrengoan erreferentzizko planta global bat erabiliz (BSM2). Modelo bildumaren ahalmena erakusteko asmoz, hiru HUA ebolutibo alderatu dira ikuspuntu tekniko-ekonomiko batetatik. Aukeratutako konfigurazioak ondorengoak dira: (1) Ohiko hondakin uren araztegi bat erreferentzizko bigarren simulazio modelo (BSM2) eraldatuan oinarritua, (2) Ohiko HUAren bertsio hobetu eta berhornitua, eta (3) arazketa kontzeptu berri batean oinarritutako konfigurazio bat, C/N/P banandua duen arategia izenekoa. Ondoren, hiru HUA errealetan burututako azterketa-kasuak aurkezten dira modelo bilduma egokitu eta malguen baliagarritasuna erakusteko, hau da, PWM modelo bildumaren baliagarritasuna. Bukatzeko, tesiaren ondorio nagusiak biltzen dituen atala, erabilitako erreferentzi bibliografiko zehatzen zerrenda eta tesian aurkeztutako informazioa osatzen duten zenbait eranskin gehitu dira.El principal objetivo de esta tesis ha sido el de desarrollar y validar un procedimiento riguroso y sistemático para construir modelos matemáticos que describan las transferencias de calor y los costes operacionales en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs). Con el fin de lograr este objetivo, la tesis presenta una nueva metodología de modelado para el cálculo de las variaciones de calor producidas por las reacciones bioquímicas, químicas y físico-químicas en cualquier unidad. La metodología se basa en la estimación del calor de reacción de cada fase (líquida, sólida o gaseosa) mediante las entalpias de formación de los componentes del modelo y aplicando la Ley de Hess. La detallada caracterización de los componentes que ofrece la metodología Plant-Wide Modelling (PWM), permite la estimación de las entalpías de formación de cada componente del modelo, y hace posible un cálculo sistemático y dinámico del calor liberado o absorbido por cada transformación, garantizando en todo momento la continuidad de energía calorífica en paralelo con la continuidad de masa en cualquier punto de la planta. Esta metodología ha sido incorporada a un completo y genérico modelo de transferencias de calor para la predicción de la temperatura de cualquier fase (líquida, sólida o gaseosa) presente en las unidades de proceso. En lo que respecta a los modelos de costes de operación, la tesis presenta una amplia librería de modelos de actuadores basados en ecuaciones ingenieriles. La utilización de expresiones ingenieriles ha permitido tener una estimación más detallada y realista de los costes operacionales, por el hecho de estar éstos asociados a variables operacionales de proceso (caudales, entalpías de reacción, concentración de sólidos, etc.). Los modelos de transferencias de calor y los modelos de costes operacionales desarrollados en esta tesis, junto con el modelo físico-químico desarrollado por Lizarralde et al., (2015) han servido para actualizar la metodología Ceit-IK4 PWM, a una nueva versión de la metodología denominada Extended Plant-Wide Modelling (E-PWM). La metodología de modelado desarrollada para el cálculo de las variaciones de calor producidas por las transformaciones ha sido validada mediante una comparación con datos experimentales y teóricos bibliográficos. Mientras que la verificación de la capacidad predictiva del modelo de transferencias de calor se ha llevado a cabo mediante la simulación del comportamiento dinámico de un digestor aerobio termófilo auto-sostenido (ATAD). Para testear la utilidad y aplicabilidad del modelo térmico global, se han realizado dos estudios por simulación, uno de ellos en el mismo reactor ATAD y otro en una planta global de referencia (BSM2). Con el objetivo de mostrar el potencial de la librería, se han comparado tres plantas evolutivas desde un punto de vista técnico-económico. Las configuraciones seleccionados han sido: (1) una EDAR convencional basada en una versión modificada del modelo de simulación de referencia No. 2 (BSM2), (2) una versión mejorada o reequipada de la EDAR convencional, y (3) un nuevo concepto de planta denominado EDAR con desacople de C/N/P. Posteriormente, la tesis presenta tres casos de estudio realizados en plantas de tratamiento de aguas residuales a escala real con el objetivo de mostrar la utilidad de las librerías de modelos adaptadas y flexibles frente a optimizaciones de plantas a gran escala, como es el caso de la librería de modelos PWM. La exposición finaliza con un capítulo dedicado a las conclusiones más significativas, la bibliografía utilizada y una serie de anexos que proporcionan información adicional a la incluida en la memoria, como por ejemplo la descripción detallada de los modelos y la caracterización de los componentes del modelo.The main objective of this thesis has been to develop and validate a systematic and rigorous procedure for constructing mathematical models describing both heat transfers and operating costs in Wastewater Treatment Plants (WWTPs). In order to achieve this objective, the thesis presents a new modelling methodology for calculating the heat variations produced by biochemical, chemical and physico-chemical transformations in any unit. The methodology is based on the estimation of the heat of reaction of each phase (liquid, solid or gaseous) by the enthalpies of formation of model components, applying the Hess's law. The detailed characterization of the components that provides the Plant-Wide Modelling (PWM) methodology, enables the estimation of the enthalpy of formation for each model component and makes possible a systematic and dynamic calculation of the heat released or absorbed by each transformation, guaranteeing heat energy continuity in parallel with the mass continuity at any point in the plant. This methodology has been incorporated into a complete and generic heat transfer model for predicting the temperature of any phase present in the unit-processes. Regarding the operating cost models, the thesis presents an extensive library of actuator models based on engineering equations. The engineering expressions adapted depend closely on the operational variables of the process (solids concentration, flowrates, enthalpy changes of reaction, etc.), allowing a more detailed and realistic estimate. The heat transfer and operating costs models developed in this thesis, along with the physico-chemical model developed by Lizarralde et al. (2015), have been used to update the Ceit-IK4 PWM methodology to a new version of the methodology called Extended Plant-Wide Modelling (E-PWM). The modelling methodology developed for calculating heat variations caused by transformations has been validated with experimental and theoretical data obtained in literature. After validation, a verification of the predictive capacity of the heat transfer model was carried out by simulating the behaviour of an Autothermal Thermophilic Aerobic Digester (ATAD). In order to test the usefulness and applicability of the overall heat transfer model, two case studies have been carried out. In the first study, the same ATAD reactor was simulated, and in the second case study a global reference plant (BSM2) was used. In order to show the potential of the library, three evolutionary WWTPs were compared from a techno-economic standpoint. The selected configurations were (1) a conventional WWTP based on a modified version of the Benchmark Simulation Model No. 2, (2) an upgraded or retrofitted WWTP, and (3) a new Wastewater Resource Recovery Facility (WRRF) concept denominated as C/N/P decoupling WWTP. Subsequently, the thesis presents three case studies conducted in full-scale wastewater treatment plant in order to show the usefulness of adapted and flexible model libraries for optimising real full-scale WWTPs, as is the case of the PWM library. The thesis concludes with a chapter devoted to the most significant conclusions, the bibliography, and a set of appendixes with additional information, such as the detailed description of the models and the characterization of the components

Comunicar la ciencia: desafíos y oportunidades para los investigadores

Con motivo de la Semana Internacional del Acceso abierto de 2023, Paloma Grau, Vicerrectora de Investigación y Sostenibilidad de la Universidad de Navarra, conversará con los investigadores y divulgadores Ignacio López-Goñi, Javier Armentia y Joaquín Sevilla acerca de los retos de la divulgación científica en el nuevo panorama de la Ciencia abierta

Comunicar la ciencia: desafíos y oportunidades para los investigadores

Con motivo de la Semana Internacional del Acceso abierto de 2023, Paloma Grau, Vicerrectora de Investigación y Sostenibilidad de la Universidad de Navarra, conversará con los investigadores y divulgadores Ignacio López-Goñi, Javier Armentia y Joaquín Sevilla acerca de los retos de la divulgación científica en el nuevo panorama de la Ciencia abierta