Daneshgar, S., Amerlinck, Y., Amaral, A., De Mulder, C., Di Nisio, A., Bellandi, G., Gopri, R., Caretti, C., Ducci, I., Rehman, U., Porro, J., Nopens, I., Torfs, E. (2024). An innovative model-based protocol for minimisation of greenhouse gas (GHG) emissions in WRRFs. Chemical Engineering Journal 483, 148327. (link)

Título

An innovative model-based protocol for minimisation of greenhouse gas (GHG) emissions in WRRFs

(Um protocolo inovador baseado em modelos para minimização de emissões de gases de efeito estufa (GEE) em WRRFs)

Resumo

Water Resource Recovery Facilities (WRRFs) are big contributors to greenhouse gas (GHG) emissions and energy consumption. Aeration is the main source of energy consumption in these facilities and nitrous oxide (N2O) is the main form of direct emission which is produced during nitrification and denitrification processes through multiple potential pathways. Mathematical modelling is a widely used tool for optimisation of WRRFs and modelling protocols have been developed, which are widely used in the community. However, carbon footprint reduction has not been the main focus of these protocols. In this study, an innovative model-based protocol for minimising GHG emissions of WRRFs was developed using advanced mathematical modelling paradigms. The protocol was constructed based on three different cases for each of which a flow sheet model, a computational fluid dynamics (CFD) model and a knowledge-based risk assessment model were studied together with high frequency data collected by LESSDRONE (an automated wireless tool for measuring direct off-gas emissions). The risk assessment model helps identify high risk conditions while the CFD model provides valuable insights on the impact of hydrodynamics under non-ideal mixing conditions. The flow sheet model is used to test the proposed mitigation strategies and to provide in-silico data for the risk assessment model. The developed model- based protocol provides a robust guideline for water utilities to optimise their operations for minimising carbon footprint of WRRFs without compromising their removal efficiencies.

TRADUÇÃO LIVRE

Instalações de Recuperação de Recursos Hídricos (WRRFs) são grandes contribuintes para as emissões de gases de efeito estufa (GEE) e consumo de energia. A aeração é a principal fonte de consumo de energia nessas instalações e o óxido nitroso (N2O) é a principal forma de emissão direta, produzida durante os processos de nitrificação e desnitrificação por meio de múltiplas vias potenciais. A modelagem matemática é uma ferramenta amplamente utilizada para otimização de WRRFs e protocolos de modelagem foram desenvolvidos, os quais são amplamente utilizados na comunidade. No entanto, a redução da pegada de carbono não tem sido o foco principal desses protocolos. Neste estudo, um protocolo inovador baseado em modelo para minimizar as emissões de GEE de WRRFs foi desenvolvido usando paradigmas avançados de modelagem matemática. O protocolo foi construído com base em três casos diferentes, para cada um dos quais um modelo de fluxograma, um modelo de dinâmica de fluidos computacional (CFD) e um modelo de avaliação de risco baseado em conhecimento foram estudados juntamente com dados de alta frequência coletados pelo LESSDRONE (uma ferramenta sem fio automatizada para medir emissões diretas de gases de escape). O modelo de avaliação de risco auxilia na identificação de condições de alto risco, enquanto o modelo CFD fornece insights valiosos sobre o impacto da hidrodinâmica em condições de mistura não ideais. O modelo de fluxograma é utilizado para testar as estratégias de mitigação propostas e fornecer dados in-silico para o modelo de avaliação de risco. O protocolo baseado no modelo desenvolvido fornece diretrizes robustas para que as concessionárias de água otimizem suas operações, minimizando a pegada de carbono dos WRRFs sem comprometer sua eficiência de remoção.

Artigo publicado no site Science Direct, no Journal of Environmental Chemical Engineering