Performance evaluation of optimization models in the determination of wastewater treatment efficiencies inside watersheds

Abstract

ABSTRACT Determination of sewage treatment plants pollutant removal efficiencies, considering the protection of water resources, is very difficult because it involves complex analysis that must take into account multiple discharges into watercourses presenting different self depuration capacities. The research aimed to evaluate different optimization models for determination of minimum sewage treatment efficiencies for plants located in a watershed. The analyzed optimization models involves minimization of the sum of treatment efficiencies and minimization of inequity between sewage treatment efforts. Water quality mathematical model and Genetic Algorithm were combined in a MatLab software computing environment. The Pardo river watershed is the study area. Pardo river is a tributary of the Itapemirim river, important watercourse located in the southern part of Espirito Santo State, in Brazil. The results indicate that the optimization models that incorporate measurement of equity as a problem restriction did not generate consistent answers, probably because of the wide range of sewage loads values considered in the Pardo river watershed. The models that incorporate equity measures in the objective function showed satisfactory performance and resulted in very close values for minimum sewage treatment efficiencies.RESUMO A escolha de eficiências de estações de tratamento de esgotos é complexa quando avaliada no âmbito de bacias hidrográficas, função dos múltiplos lançamentos, de diferentes cargas, dispostos em corpos d’água com diferentes capacidades de assimilação. Esta pesquisa teve como objetivo avaliar modelos de otimização aplicáveis à determinação de eficiências mínimas de tratamento de esgotos no âmbito de uma bacia hidrográfica. Os modelos de otimização avaliados consideraram a minimização do somatório das eficiências e a minimização da inequidade entre os esforços de tratamento de esgotos. Um modelo matemático de qualidade de água e o Algoritmo Genético foram combinados no ambiente computacional do software MatLab, o que permitiu a obtenção de eficiências mínimas de tratamento de esgotos a partir dos modelos de otimização utilizados. A bacia hidrográfica do rio Pardo, afluente do rio Itapemirim – importante curso d’água da porção sul do estado do Espírito Santo – constituiu a área de estudo. Os resultados indicaram que os modelos de otimização que incorporam medida de equidade como restrição do problema não apresentam respostas consistentes, função da grande variação de carga orgânica bruta existente nos efluentes produzidos na bacia hidrográfica do rio Pardo. Os modelos que incorporaram medidas de equidade na função objetivo apresentaram desempenho satisfatório e permitiram a obtenção de conjuntos de eficiências de tratamento de esgotos próximos entre si.