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Evaluación del comportamiento energético de las estaciones depuradoras de aguas residuales: Una aproximación económica

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Evaluación del comportamiento energético de las estaciones depuradoras de aguas residuales: Una aproximación económica

dc.contributor.advisor	Hernández Sancho, Francesc
dc.contributor.author	Castellet Viciano, Lledó
dc.contributor.other	Institut Interuniversitari de Desenvolupament Local	es_ES
dc.date.accessioned	2020-01-08T11:41:31Z
dc.date.available	2020-01-09T05:45:05Z
dc.date.issued	2019	es_ES
dc.date.submitted	19-12-2019	es_ES
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10550/72524
dc.description.abstract	Wastewater Treatment Plants (WWTPs) are a basic piece of urban infrastructure as they are essential to guarantee public and environmental health. Currently, in Spain, there are approximately 3,000 WWTPs that treat 4,700 hm3 of wastewater. Approximately, 55.8% and 33.5% of the wastewater treated is discharged into river channels and the sea, respectively, while 10.4 % is reused in agriculture and garden watering, and the remaining 0.3% is infiltrated to the ground for aquifer regeneration and other purposes. Depending on the final disposal of wastewater, different quality requirements established on urban wastewater and reuse regulations must be complied, and it can be achieved thanks to the implementation of treatment technologies that require high energy consumption for its operation. Over the years, it has been observed that the energy consumption used in the wastewater treatment sector has intensified because of the increase in the number of people connected to the sewerage system, and the need to meet the environmental requirements established by European and state regulations in this matter. The control of the energy consumption of the WWTPs has become a relevant aspect for the operators of the facilities due to the economic impact that it has on the operational costs of the process, which can represent between 30 and 40% of the total costs. Variations in energy costs depend on the technology used in the process, the size of the population served, as well as the quality of the effluent required, among many other factors. In addition, it is expected that energy consumption, and therefore the costs associated with it, will increase in the near future as a result of the publication of a new legislation that contemplates more demanding quality requirements than the current ones. Given this situation, over the last few years, facilities with more efficient technologies and automatic control systems have been implemented to regulate the energy consumption of the facilities. Despite this, there is still a high potential for improvement in terms of optimizing the energy consumption of the facilities, as demonstrated in the paper that is part of this compendium entitled Efficiency assessment of wastewater treatment plants: A data envelopment analysis approach integrating technical, economic, and environmental issues. In this study, it is proved that the energy cost, and, therefore, the energy consumption of the WWTPs could be reduced giving, as a result, a more efficient process. To carry out this study, a methodology that has aroused great interest because of its great versatility in both the scientific community and in the field of wastewater treatment has been used. This is the Data Envelopment Analysis (DEA), a methodology based on linear optimization models that allow measuring the relative efficiency of a set of production units through a non-parametric procedure. In order to optimize the process and reduce unnecessary energy consumption, it is important to identify those factors that affect the energy consumption of the plants and analyze their influence. For this purpose, the use of statistical and econometric techniques is proposed, since they allow us to assess how different variables or characteristics of the facilities may affect energy consumption. Detecting those variables or parameters closely linked to the energy consumption of wastewater treatment plants will allow managers and operators, whether public or private, to act on them and improve the efficiency of the facilities. In the light of this, the papers named 'The relevance of the design characteristics to the optimal operation of wastewater treatment plants: energy cost assessment' and 'Modeling the energy costs of the wastewater treatment process: The influence of the aging factor' are developed. The first of the publications mentioned above presents the differences between the design inflow and the real flow treated by the facilities as a factor that may affect the energy costs of the facilities, while the second aims to evaluate and demonstrate the negative effects that the aging of the infrastructure has on the energy cost. With regard to the size of the facilities, there are many examples in which large differences between the real flow of the facilities and the design can be observed, either because they are oversized since the expectations of population growth considered at the time of construction were not met, or because its treatment capacity is exceeded due to the fact that the wastewater volumes treated are higher than the design flow. Whatever the reason for the mismatch between the actual and the design flow, the truth is that the equipment that constitutes the facilities is not working at the optimum, being small-sized facilities the most affected since, unlike the large, they are not usually equipped with control systems that optimize the sizing. Regarding the aging of the facilities, we are facing a new situation that concerns both public and private managers, since these are infrastructures that must be maintained and renewed periodically to ensure their proper functioning. Since Directive 91/271 / EEC entered into force, the equipment related to the sewage system has grown remarkably, and there are many facilities that have already exceeded their useful life or are in the middle of this period, so without the existence of preventive maintenance strategies and a well-defined replacement plans, the process and the quality of wastewater can be affected, putting the health of people and the environment at risk. The relationship between the factors mentioned previously, that is, the mismatch between the real and the design flow and the aging of the facilities, with the energy cost, is materialized through the development of different cost functions that enables the managers and operators to mode the energy cost of the WWTPs taking into account these variables, in addition to other technical variables such as the size of the facilities, the technology used and the quality of the wastewater. It is considered that this kind of tools could provide useful information to the managers, becoming a useful tool for the decision making process.	en_US
dc.description.abstract	Las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDARs) son una pieza básica del conjunto de infraestructuras urbanas, ya que son indispensables para garantizar la salud pública y del medio ambiente. Actualmente, en España existen aproximadamente 3.000 EDARs que tratan 4.700 hm3 de aguas residuales, de los cuales la mayor parte, un 55,8% y un 33,5% son vertidos a cauces fluviales y al mar, respectivamente, mientras que un 10,4% es reutilizado en la agricultura y el riego de jardines, y el 0,3% restante es infiltrado al suelo para la regeneración de acuíferos y otros fines. Según el destino del agua residual, la normativa en materia de aguas residuales urbanas y reutilización requiere el cumplimiento de unos criterios de calidad determinados, que se consiguen gracias a la implementación de tecnologías de tratamiento que requieren un elevado consumo energético para su funcionamiento. A lo largo de los años, se ha observado que el consumo energético utilizado en el sector de la depuración se ha intensificado debido a que la población conectada al sistema de alcantarillado es cada vez mayor, y a la necesidad de cumplir con las exigencias ambientales establecidas por la normativa europea y estatal en esta materia. El control del consumo energético de las EDARs se ha convertido en un aspecto fundamental para los operadores de las instalaciones debido al impacto económico que tiene en los costes operacionales del proceso, los cuales pueden suponer entre un 30 y un 40% de los costes totales, dependiendo de la tecnología empleada en el proceso, el tamaño de la población servida, así como de la calidad del efluente exigida, entre otros muchos factores. Además, se prevé que el consumo energético, y por ende los costes asociados a éste, incrementen en los próximos años como consecuencia de la publicación de una legislación que contemple requerimientos de calidad más exigentes que los actuales. Ante esta situación, a lo largo de los últimos años se han implementado las instalaciones con tecnologías más eficientes y sistemas de control automáticos que permiten regular su consumo energético. Pese a ello, aún existe un elevado potencial de mejora por lo que se refiere a la optimización del consumo energético de las EDARs, tal y como se demuestra en el artículo que forma parte del presente compendio titulado “Efficiency assessment of wastewater treatment plants: A data envelopment analysis approach integrating technical, economic, and environmental issues”. En esta publicación se prueba que el coste energético, y, por ende, el consumo energético de las EDARs presenta un gran potencial de mejora por lo que a la eficiencia del proceso se refiere. Para llevar a cabo este estudio se utiliza una metodología que ha despertado gran interés en los últimos años tanto entre la comunidad científica en general como en el ámbito del tratamiento de las aguas residuales por su gran versatilidad. Se trata del Análisis Envolvente de Datos (DEA), una metodología basada en los modelos de optimización lineal que permite medir la eficiencia relativa de un conjunto de unidades de producción a través de un procedimiento no paramétrico. Con el fin de optimizar el proceso y reducir consumos energéticos innecesarios es importante identificar los distintos factores que afectan al consumo energético de las plantas y ver en qué medida influyen. Para ello, se propone el uso de técnicas estadísticas y econométricas que permiten analizar distintas variables o características de las instalaciones que pueden afectar al consumo energético. Detectar aquellas variables o parámetros estrechamente ligados al consumo energético de las EDARs permitirá a los gestores y operadores, ya sean públicos o privados, actuar sobre ellas y mejorar la eficiencia de las instalaciones. Con este propósito se desarrollan los artículos “The relevance of the design characteristics to the optimal operation of wastewater treatment plants: energy cost assessment” y “Modelling the energy costs of the wastewater treatment process: The influence of the aging factor”. El primero de ellos presenta las diferencias entre el caudal de diseño y el caudal real tratado por las instalaciones como un factor que puede afectar a los costes energéticos de las instalaciones, mientras que el segundo pretende evaluar y demostrar los efectos negativos que tiene el envejecimiento de las infraestructuras en el coste energético. Por lo que se refiere al dimensionamiento de las instalaciones son muchos los casos en los que se pueden observar grandes diferencias entre el caudal real que tratan las instalaciones y el de diseño, bien sea porque están sobredimensionadas ya que no se cumplieron las expectativas de crecimiento poblacional consideradas en el momento de construcción, o bien porque su capacidad de tratamiento se ve sobrepasada debido a que se tratan volúmenes de agua superiores a los de diseño. Sea cual sea el motivo del desajuste entre el caudal real y el de diseño, lo cierto es que los equipos que constituyen las instalaciones no están trabajando en el óptimo, siendo generalmente las instalaciones de pequeño tamaño las más afectadas ya que, a diferencia de las grandes, no suelen estar equipadas con sistemas de control que permiten optimizar el dimensionamiento. En cuanto al envejecimiento de las instalaciones, estamos ante una nueva situación que preocupa tanto a gestores públicos como privados, ya que se trata de infraestructuras que hay que mantener y renovar periódicamente para garantizar su correcto funcionamiento. Desde que entrara en vigor la Directiva 91/271/CEE el equipamiento relacionado con el sistema de saneamiento ha crecido notablemente, y son muchas las instalaciones que ya han superado su vida útil o se encuentran a mitad de este periodo, por lo que sin la existencia de estrategias de mantenimiento preventivo y un plan de reposición bien definido, el proceso y la calidad del agua residual se pueden ver afectadas poniendo en riesgo la salud de las personas y del medio ambiente. La relación entre los factores citados anteriormente, es decir, el desajuste entre el caudal real y el de diseño y el envejecimiento de las instalaciones, con el coste energético se materializa mediante el desarrollo de distintas funciones de coste que permiten modelizar el coste energético de las EDARs teniendo en cuenta estas variables, además de otro tipo de variables técnicas como el tamaño o la tecnología de tratamiento y la calidad del agua tratada. Se considera que este tipo de herramienta podría aportar información de gran utilidad a los gestores de las instalaciones, convirtiéndose en una herramienta útil para la toma de decisiones.	es_ES
dc.format.extent	102 p.	es_ES
dc.language.iso	es	es_ES
dc.subject	depuración	es_ES
dc.subject	energía	es_ES
dc.subject	costes	es_ES
dc.subject	eficiencia	es_ES
dc.subject	modelización de costes	es_ES
dc.subject	deterioro	es_ES
dc.subject	infra/sobredimensionamiento	es_ES
dc.title	Evaluación del comportamiento energético de las estaciones depuradoras de aguas residuales: Una aproximación económica	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::CIENCIAS TECNOLÓGICAS::Tecnología de la construcción ::Alcantarillado y depuración de aguas	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::CIENCIAS ECONÓMICAS::Economía sectorial::Energía	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES