Mathematical modeling of the activated sludge system of Ílhavo wastewater treatment plant

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaAs exigências das condições de descarga no meio hídrico tem vindo a aumentar, devido à força da legislação que obriga cada vez mais a uma menor concentração dos contaminantes a serem descarregados no meio hídrico. Existe também uma preocupação crescente dos gestores das ETAR em controlar o custo associado ao tratamento das águas residuais, essencialmente no que se diz respeito aos custos energéticos e ao consumo de químicos. Os modelos matemáticos de tratamento de águas residuais são uma das ferramentas de apoio essencias para a concretização destes objetivos.Um modelo matemático é uma maneira estruturada de sintetizar o conhecimento de um processo que ocorre num sistema real. O modelo pode ser usado para aprimorar o conhecimento especializado, permitindo deste modo entender as caraterísticas chave de uma dada unidade assim com as suas interações com outras unidades. O modelo de tratamento de águas residuais permite: o acompanhamento dos fluxos e as interligações entres as diferentes unidades, calcular as taxas de conversão dos processos e estimar o provável desempenho em relação a qualidade dos efluentes, calcular a produção de lamas e a necessidade de oxigénio. Os modelos matemáticos podem ainda ser usados para a tomada de decisões em tempo real, podendo detetar problemas em pontos específicos da ETAR.O objetivo principal do presente trabalho consistiu na modelação em estado estacionário do tratamento biológico da ETAR de Ílhavo, nomeadamente a modelação de remoção do material carbonato e azotado considerando as condições médias de funcionamento do sistema de tratamento. A calibração do modelo foi efetuada com os dados de operação para o ano de 2016 e a sua validação com dados operacionais referentes ao ano de 2015, tendo sido possível simular convenientemente a remoção do material carbonato. No entanto, os resultados obtidos na modelação do material azotado reproduziu um significativo erro relativo das variáveis alvos medidos e simulados.The requirements of the discharge conditions in the environment have been increasing, due to the force of the legislation that increasingly forces to a lower concentration of the contaminants to be discharged in the water medium. There is also a growing concern of wastewater treatment plant (WWTP) managers to control the cost associated with wastewater treatment, particularly about energy costs and the consumption of chemicals. The mathematical models of wastewater treatment are one of the essential support tools for achieving these goals.A mathematical model is a structured way of synthesizing the knowledge of a process that occurs in a real system. The model can be used to enhance the specialized knowledge, thus allowing to understand the key characteristics of a given unit as well as its interactions with other units. The wastewater treatment model allows: monitoring flows and interconnections between different units, calculating process conversion rates and estimating the likely performance in relation to effluent quality, calculating sludge production and the need for oxygen. Mathematical models can still be used for real-time decision-making and can detect problems at specific points in the (WWTP).The main objective of this work was to model the biological treatment of the Ílhavo WWTP in steady-state conditions, simulating the carbonate and nitrogenous material removal, considering the average conditions of the treatment system. The calibration of the model was carried out with the operating data for the year 2016 and its validation with operational data referring to the year 2015. It was possible to simulate the removal of the carbonate material conveniently. However, the results obtained in the modeling of the nitrogenous material reproduced a significant relative error of the measured and simulated target variables