Síntesis factibles de redes sustentables de tratamiento de agua

Abstract

En la actualidad, para una síntesis adecuada de sistemas de tratamiento de aguas residuales es fundamental considerar todas las dimensiones de la sustentabilidad. Así, para contrarrestar los efectos de la contaminación del agua por causas antropogénicas, se analiza la implementación de redes de plantas de tratamiento de aguas residuales como una opción no convencional para mejorar la calidad del efluente tratado. Estos sistemas también son un hito para la reutilización del agua tratada en las actividades humanas, que conducen a un aprovechamiento sustentable del agua. En este trabajo se busca desarrollar e implementar una metodología sistemática, donde las herramientas conceptuales y matemáticas se combinan en un enfoque híbrido. La metodología sistemática propuesta para la síntesis factible de redes de plantas de tratamiento de aguas residuales se enfoca en sistemas sustentables, por lo que considera como criterio de decisión métricas económicas, ambientales y sociales. La metodología sistemática se divide en las etapas de formulación y resolución de un problema de programación matemática de síntesis. En la primera etapa, se considera un caso de estudio para la formulación del problema de síntesis con funciones objetivo relacionadas a los indicadores de sustentabilidad, así como restricciones asociadas a las limitaciones del sistema y el modelado matemático basado en la superestructura de la red de plantas de tratamiento. En la segunda etapa, se definen los algoritmos y software matemáticos para resolver el problema de síntesis formulado, y se selecciona la mejor opción en términos de síntesis y sustentabilidad a partir del conjunto de soluciones de compromiso factibles obtenidas. La síntesis de redes de plantas de tratamiento sustentables se aborda mediante la formulación y solución de problemas de programación no lineal o programación mixta entera no lineal, que involucran múltiples funciones objetivo que incluyen los tres aspectos de sustentabilidad. El problema de síntesis multi-objetivo se resuelve mediante un método híbrido que combina los métodos lexicográficos y restricción épsilon. La solución consiste en un frente de Pareto, correspondiente a diferentes estrategias de síntesis en el espacio de variable asociado. Se utiliza una técnica modificada para el análisis de orden de preferencia por similitud con la solución ideal, como una herramienta de toma de decisiones con criterios múltiples para encontrar la mejor solución de compromiso. La metodología sistemática se aplica a un caso real de aguas residuales municipales en el Valle del Mezquital, para obtener la red de plantas de tratamiento factible, donde se involucran funciones con múltiples objetivos que incluyen los tres aspectos de la sustentabilidad como: costo total, consumo energético, análisis del ciclo de vida y aguas residuales reutilizadas. El método ReCiPe se utiliza para evaluar el análisis de ciclo de vida de las redes de plantas de tratamiento. Se plantean tres escenarios: (1) un problema de síntesis de redes de plantas de tratamiento en el que las plantas de tratamiento consideran el proceso de lodos activados, (2) se considera la síntesis desde cero de una planta de tratamiento individual, y (3) se utilizan los resultados de los escenarios anteriores para la resíntesis de la planta de tratamiento de Atotonilco, considerando una configuración de red de plantas de tratamiento.

Nowadays, for an adequate design of wastewater treatment systems, it is essential to consider all the dimensions of sustainability. Thus, to counteract the effects of water pollution due to anthropogenic causes, the implementation of wastewater treatment plants networks is analyzed as a non-conventional option to improve the quality of the treated effluent. These systems are also a milestone for the reuse of treated water in human activities leading to sustainable water harnessing. This work seeks to develop and implement a systematic methodology, where conceptual and mathematical tools are combined in a hybrid approach. The systematic methodology proposed for the feasible synthesis of wastewater treatment plants networks focuses on sustainable systems, for which it considers economic, environmental, and social metrics as decision criteria. The systematic methodology is divided into the stages of formulation and resolution of a mathematical programming problem. In the first stage, a case study is considered for the formulation of the synthesis problem with objective functions related to the sustainability indicators, as well as restrictions associated with the limitations of the system and the mathematical modeling based on the superstructure of the treatment plants network. In the second stage, the mathematical algorithms and software are defined to solve the formulated synthesis problem, and the best option in terms of design and sustainability is selected from the set of the feasible trade-off solutions obtained. The design of sustainable treatment plants networks is addressed by formulating and solving nonlinear programming or mixed integer nonlinear mathematical problems, involving multiple objective functions that include all three aspects of sustainability. The multi-objective synthesis problem is solved by a hybrid method that combines the lexicographic and epsilon-constraint methods. The solution consists of a Pareto front, corresponding to different synthesis strategies in the associated variable space. A modified technique for order of preference by similarity to the ideal solution analysis, is used as a multi-criteria decision-making tool to find the best trade-off solution. The systematic methodology is applied to a real case of municipal wastewater in the Valle del Mezquital, to obtain the optimal treatment plants network, functions with multiple objectives are involved that include the three aspects of sustainability such as: total cost, energy consumption, life cycle analysis, and reused wastewater. The ReCiPe method is used to assess the life cycle analysis of treatment plants networks. Three scenarios are proposed: (1) a treatment plants networks design problem in which the treatment plants consider the activated sludge process, (2) the design from scratch of an individual treatment plant is considered, and (3) the results of the previous scenarios are used for the retrofit design of the Atotonilco treatment plant, considering a treatment plants network configuration.