This diploma thesis is focused on the topic of membrane technologies used in wastewater treatment. The research part of the thesis deals with membrane separation of activated sludge, and the focus is on the submerged membrane modules. The thesis contains basic principles of MBR systems, an overview of used membrane modules, modes of operation, advantages and disadvantages of using this process. The practical part of the thesis proposes the intensification of WWTP Perná with using MBR technology. This part includes the technical-economic assessment of the activation WWTP with the third stage of treatment and activation WWTP with MBR.

Among all nanomaterials, which are intentionally manufactured and applied, nanosilver (nAg) is one of the most frequently applied nanomaterials. It is introduced into wastewater treatment plants (WWTPs) due to its use as antimicrobial resource in household and medical care products and hence concern raised regarding its impact on activated sludge organisms and their purification efficiency. Within this thesis, the effects of nAg on single species, simple food chains and communities related to activated sludge were investigated. Among all tested species in this thesis, the gammaproteobacteria R. planticola was the most sensitive organism regarding the tested nAg material, NM-300K. The environmental risk assessment (ERA), based on an assumed predicted environmental concentration derived from modeled concentrations of other types of nAg, revealed no risk for the activated sludge. This result should be interpreted with care, considering the tolerantly chosen safety factor for calculation of the predicted no effect concentration and the assumptions which were made concerning environmental concentrations. Differences in acute toxic effects of nAg on the ciliate P. tetraurelia were observed depending on the type of medium and the exposure pathway (via medium or via bacterial food). More detailed investigations are required to analyze the distribution, availability and uptake of nAg into ciliates in the respective tests. In chronic experiments concentration response was very steep in the range between the effect concentration determined in acute toxicity testing (resulting in 100% mortality) and a tenfold lower concentration (no effect observed) for both exposure pathways. Community experiments with activated sludge exposed to realistic and high concentrations of nAg revealed acute effects on the protozoan community at high nAg concentration using multivariate statistics for data analysis. In contrast, the sludge biotic index was not meaningful for data interpretation, as no differences were observed between the samples of different treatments. For chronic testing, more preliminary work is required to develop a protocol for artificial wastewater which serves the needs of activated sludge organisms over longer time periods and which retains a typical composition of the activated sludge community.

Seit mehr als 3 Jahrzehnten stehen Belebtschlammmodelle als Werkzeuge für die ingenieurtechnische Planung und Optimierung von Kläranlagen zur Verfügung. Die Verbreitung und Anwendung speziell im deutschsprachigen Raum ist dabei geringer als in anderen Weltregionen. Dies ist im Zusammenhang mit dem detaillierten DWA-Regel-werk zu sehen, das auf Seite der Anwendenden kaum zusätzlichen Bedarf für weitere Werk¬zeuge für die Anlagenplanung und –optimierung erwachsen lässt. Dies gilt ebenso für die Über¬wachungs- und Genehmigungsseite. Die vorliegende Arbeit bietet für verschiedenste Aspekte im Bereich der Kläranlagen-modellierung Methoden und Werkzeuge, um durch effizientere Nutzung eine weitere Etablierung voranzutreiben und eine breite allgemein verbindliche Anwendung zu manifestieren. Dies betrifft konkret:  Protokolldefinition für eine allgemeine Vorgehensweise (Kapitel 1.4 und 7.1)  Skriptbasierte Unterstützung der Datenauswertung, Prüfung und Aufbereitung (Kapitel 6 und 7.4)  Zulaufdatengenerierung für lückenbehaftete Betriebsdaten (Kapitel 3)  Analyse des Verweilzeitverhaltens basierend auf Betriebsdaten (Kapitel 5)  Modellkopplung für plant-wide modelling (Kapitel 4 und 7.3)  Modellerweiterungen für Belebtschlammmodelle (Kapitel 7.2) Basis sind wie bei klassischen Bemessungs¬frage¬stellungen die vorhandenen Betriebs¬da-ten von Kläranlagen. Für die Nutzung sowohl zur statischen Bemessung als auch zur dyna¬mi¬schen Simulation sind diese nach geeigneter Zusammenstellung und Aufbereitung hin¬sicht¬lich ihrer Eignung und Qualität zu bewerten. Dieser eher handwerkliche Schritt wird durch skriptbasierte Module unterstützt, um der eigentlichen Planungsaufgabe mehr Zeit widmen zu können. Eine beispielhafte Vorgehensweise wird in dieser Arbeit in Kapitel 6 präsentiert. Dies stellt aus Effizienz- und Qualitätsgründen einen Fortschritt dar. Die Betriebsdaten von kommunalen Kläranlagen speziell unterhalb der Größenklasse 5 sind sehr lückenbehaftet. Daher sind geeignete Methoden erforderlich, um die Daten zu einem kontinuierlichen Zulaufdatensatz aufzubereiten. Eine mögliche Methode findet sich in Kapitel 3 dieser Arbeit. Auch dies unterstützt die Qualitätsverbesserung. Für die praxisnahe Modellanwendung stellen die bereits verfügbaren Belebt¬schlamm-modelle eine geeignete Basis dar. Allerdings wurden einige offene Fragestellungen identifiziert. Konzepte und Vorschläge für entsprechende Modellerweiterungen finden sich im Kapitel 7.1. Dies betrifft den Umgang mit inerten Stofffrachten, Dosierung externer Kohlenstoffquellen, Lösungen für hohe Anteile industrieller Abwässer sowie die P-Elimination. Auch eine methodische Vorgehensweise für den praktischen Einsatz wurde basierend auf allgemeingültigeren Simulations¬protokollen entwickelt, um die Bear¬bei¬tung strukturierter und damit sowohl nachvollzieh¬barer als auch effizienter zu gestalten (Kapitel 1.4 und 7.1). Das Verweilzeitverhalten hat erheblichen Einfluss auf erzielbare Umsatzraten sowie die erreich¬baren Ablaufkonzentrationen. Eine diesbezügliche Analyse ist allerdings noch kein Standard¬werkzeug bei der Betrachtung bestehender Kläranlagen. Im Einzelfall bestehen allerdings erhebliche Optimierungspotentiale bei strömungsungünstiger Gestaltung. Neben der Nutzung von computational fluid dynamics (CFD) als Analysewerkzeug kann auch die Auswertung von speziellen Tracerversuchen oder die Nutzung vorliegender Daten für die Analyse des Verweilzeitverhaltens genutzt werden. Im Kapitel 5 finden sich entsprechende Erläuterungen und methodische Beispiele. Die zunehmende Durchdringung ingenieurtechnischer Bereiche mit IT-basierten Werk-zeu¬gen führt auch zu Weiterentwicklungen bei der Arbeit mit Daten. Die Besonder-heiten im Bereich der Kläranlagenplanung und Optimierung werden in dieser Arbeit beleuchtet und mit dem vorgestellten methodischen Rahmen eine Möglichkeit der modularisierten Abarbeitung wiederkehrender Aufgaben in Kapitel 6 demonstriert. Die Einbettung möglicher weiterer Werkzeuge wie z.B. Simulationssoftware in open source basierte Skripte ermöglicht eine maximale Flexibilität bei gleichzeitig hoher Transparenz. Je nach Aufgabenstellung finden sich in dieser Arbeit Ergänzungen und Hilfestellungen in Form von Werkzeugen oder methodischen Empfehlungen, um den Bearbeitungsaufwand zu minimieren sowie die Bearbeitungsqualität zu erhöhen unter gleichzeitiger Verbesserung der Transparenz für alle am Planungs- bzw. Optimierungsprozess Beteiligten. Dadurch wird eine tatsächliche Anwendung in der täglichen Ingenieurpraxis erheblich vereinfacht. Durch Integration der präsentierten Entwicklungen in die siedlungs¬wasserwirtschaftliche Ausbildung ist außerdem eine zukünftige niedrig¬schwelligere und damit breitere Nutzung zu erwarten.:1 General introduction 1 1.1 Explanation of terms 1 1.2 Motivation 2 1.3 Background 4 1.3.1 Quality assurance in the performance of simulation studies 4 1.3.2 Special features of simulation studies for wastewater treatment plants in German-speaking countries 6 1.4 Aims, differentiation and objectives 7 1.5 Structure of the document 9 1.6 References 10 2 Growth of science in activated sludge modelling – a critical bibliometric review 13 2.1 Highlights 13 2.2 Abstract 13 2.3 Introduction 14 2.3.1 Motivation 14 2.3.2 Introduction into bibliometrics 15 2.3.3 Objective 15 2.4 Material and Methods 16 2.4.1 Database and tools 16 2.4.1.1 Selection of database 16 2.4.1.2 Development of the number of data sets in the Web of Science 19 2.4.2 Bibliometric analysis of the entire data set 20 2.4.3 Analysis of time-related developments 23 2.4.4 Keyword development within the examined topic area 24 2.5 Results and Discussion 25 2.5.1 Bibliometric analysis of the entire database 25 2.5.2 Journal-based measures 28 2.5.3 Source dynamics 30 2.5.4 Author impact measures 30 2.5.5 Document-based measures 35 2.5.6 Structural Analysis 36 2.5.7 Analysis of time-related developments 40 2.5.8 Keyword development within the scientific field under investigation 44 2.6 Critical comments on the methodology 47 2.7 Recommendations for conducting a bibliometric analysis 49 2.8 Conclusions 50 2.9 References 52 3 A black-box model for generation of site-specific WWTP influent quality data based on plant routine data 56 3.1 Introduction 56 3.2 Material and Methods 58 3.3 Results and discussion 62 3.3.1 Test of robustness 63 3.3.2 Universality of the approach 66 3.4 Conclusions and outlook 69 3.5 References 70 4 Organic matter parameters in WWTP – a critical review and recommendations for application in activated sludge modelling 74 4.1 Highlights 74 4.2 Abstract 74 4.3 Introduction 75 4.4 Theoretical Considerations 76 4.5 Review of literature data of WWTP sludge 80 4.5.1 Literature survey 80 4.5.2 Measures related to total and volatile organic matter 81 4.5.3 Sludge composition based on biochemical families 83 4.6 Results and Discussion 85 4.6.1 Solids 85 4.6.2 COD and COD/VSS ratio 87 4.6.3 Connection between LPC and COD/VSS ratio 90 4.7 Application to plant-wide-modelling 92 4.7.1 Solids in Activated Sludge Models 92 4.7.2 Organic and inorganic solids 94 4.7.3 COD influent characterisation 96 4.7.4 Adaptation of research results and discussion 97 4.8 Conclusions 101 4.9 Data availability statement 101 4.10 References 101 5 Temperature as an alternative tracer for the determination of the mixing characteristics in wastewater treatment plants 108 5.1 Abstract 108 5.2 Introduction 108 5.2.1 Historical background 109 5.2.2 Alternatives in evaluation of tracer tests 110 5.2.3 Objective of this paper 112 5.3 Material and Methods 112 5.3.1 Lab-scale system 112 5.3.2 Pilot-scale system 113 5.3.3 Procedure 114 5.3.3.1 Substitute hydraulic model 114 5.3.3.2 Energy balance 115 5.3.3.3 Parameter estimation 117 5.4 Results and Discussion 118 5.4.1 Lab-scale system 118 5.4.2 Pilot-scale system 121 5.4.3 Sensitivity tests for optimised substitute model parameters 124 5.4.3.1 Lab scale tests 124 5.4.3.2 Pilot scale tests 126 5.4.4 Influence of recirculation 126 5.4.5 Consideration of variable flow rates 127 5.4.6 Impact of the structured model approach on ASM parameters 127 5.5 Conclusions 131 5.6 References 133 6 One script to solve it all – an open-source-based framework for a digital workflow based on WWTP data 137 6.1 Abstract 137 6.2 Highlights 138 6.3 Introduction 138 6.4 Fundamentals and requirements 138 6.5 Material and Methods 142 6.5.1 Background to the case study 142 6.5.2 Development of the concept 144 6.5.3 Technical implementation 145 6.6 Results 148 6.6.1 Preparation and data import 148 6.6.2 Plausibility checks 149 6.6.3 Calculation of design parameters (A198) 150 6.6.4 Design of WWTP (A131) 151 6.6.5 Activated sludge modelling 152 6.7 Discussion 153 6.7.1 Practical advantages of the developed methodology 153 6.7.2 Lessons learned from development process and first use 153 6.8 Conclusions 157 6.9 References 158 7 Enhancements for a practical application 161 7.1 Evolution of unified protocol of GMP taskgroup 161 7.1.1 Overview 161 7.1.2 Understand the plant + plant layout selection 163 7.1.3 Collection of existing data 163 7.1.4 Iterative process cycle for data analysis and plant model setup / adjustment 164 7.2 Extensions to the activated sludge model (ASM_EDU) 166 7.2.1 Background 166 7.2.2 Separation of inert particulate COD by origin 168 7.2.3 Integration of external carbon sources 169 7.2.4 Consideration of the influence of industrial discharges 171 7.2.5 Consideration of different precipitants in chemical P elimination 174 7.3 Plant-wide modelling 176 7.4 Digital transformation for efficiency enhancement 178 7.5 References 182 8 Conclusions and Outlook 187 8.1 Developments in the field of WWTP modelling 187 8.2 Future significance in science and application practice 188 8.3 Further scientific research needs 189 8.4 Changing the way engineering works 191 8.5 References 193 9 Appendices 195 9.1 Supplementary material for Chapter 4 195 9.1.1 References for sludge data 195 9.1.2 Data survey from references 217 9.2 Supplementary material for Chapter 6 217 / For more than three decades, activated sludge models have been used as tools for the engineering planning and optimisation of wastewater treatment plants. However, their use is less widespread, particularly in German-speaking countries, due to the detailed rules and regulations of the DWA, which do not create a demand for additional tools for plant planning and optimisation. This also applies to the surveillance and authorisation side. The current work offers methods and tools for various aspects of wastewater treatment plant modeling in order to promote further adoption through more efficient use and to facilitate a broad, generally binding application. This includes:  Definition of a protocol for the general approach (Chapter 1.4 and 7.1)  Script-based support for data evaluation, testing, and processing (Chapters 6 and 7.4)  Generation of inflow data for incomplete operational data (Chapter 3)  Analysis of residence time behavior based on operational data (Chapter 5)  Model interfacing for plant-wide modeling (Chapters 4 and 7.3)  Model extensions for activated sludge models (Chapter 7.2) The existing operational data of wastewater treatment plants is the foundation for classical design questions. In order to be used in both static design and dynamic simulation, the data must be evaluated for their suitability and quality after appropriate compilation and processing. This manual step is supported by script-based modules to allow more time for the actual planning task. An exemplary procedure is presented in Chapter 6 of this thesis, which represents progress in terms of efficiency and quality. The operational data of municipal wastewater treatment plants, especially those below size class 5, are often incomplete. Therefore, it is necessary to develop suitable methods for processing these data into a continuous influent data set. One such method is presented in chapter 3 of this thesis. This method also helps to improve the quality of the data. For practical model application, the existing activated sludge models provide a suitable foundation. However, some open questions have been identified, and concepts and suggestions for corresponding model extensions can be found in chapter 7.1. These include handling inert material loads, dosing of external carbon sources, solutions for high proportions of industrial wastewater, and P elimination. A methodological approach for practical application has also been developed based on more general simulation protocols in order to structure the process and make it more comprehensible and efficient (Chapters 1.4 and 7.1). The residence time behaviour has a significant impact on the achievable conversion rates and effluent concentrations. However, an analysis of this behaviour is not yet a standard tool when considering existing wastewater treatment plants. In certain cases, however, there is significant potential for optimisation in cases of flow-unfavourable design. In addition to using computational fluid dynamics (CFD) as an analysis tool, the evaluation of special tracer tests or the use of existing data can also be used to analyse retention time behaviour. Chapter 1.4 und 7.1 provides explanations and examples The increasing use of IT-based tools in engineering fields also leads to further developments in working with data. The special features in the area of wastewater treatment plant planning and optimisation are highlighted in this thesis and a possibility of modularised processing of recurring tasks is demonstrated with the presented methodological framework in chapter 6. The embedding of possible further tools such as simulation software in open source-based scripts allows for maximum flexibility while maintaining a high degree of transparency. Depending on the task, this thesis provides supplements and assistance in the form of tools or methodological recommendations to minimise the processing effort and increase the processing quality while improving transparency for all those involved in the planning or optimisation process. This considerably simplifies actual application in daily engineering practice. By integrating the presented developments into urban water management training, a lower-threshold and thus broader use can also be expected in the future.:1 General introduction 1 1.1 Explanation of terms 1 1.2 Motivation 2 1.3 Background 4 1.3.1 Quality assurance in the performance of simulation studies 4 1.3.2 Special features of simulation studies for wastewater treatment plants in German-speaking countries 6 1.4 Aims, differentiation and objectives 7 1.5 Structure of the document 9 1.6 References 10 2 Growth of science in activated sludge modelling – a critical bibliometric review 13 2.1 Highlights 13 2.2 Abstract 13 2.3 Introduction 14 2.3.1 Motivation 14 2.3.2 Introduction into bibliometrics 15 2.3.3 Objective 15 2.4 Material and Methods 16 2.4.1 Database and tools 16 2.4.1.1 Selection of database 16 2.4.1.2 Development of the number of data sets in the Web of Science 19 2.4.2 Bibliometric analysis of the entire data set 20 2.4.3 Analysis of time-related developments 23 2.4.4 Keyword development within the examined topic area 24 2.5 Results and Discussion 25 2.5.1 Bibliometric analysis of the entire database 25 2.5.2 Journal-based measures 28 2.5.3 Source dynamics 30 2.5.4 Author impact measures 30 2.5.5 Document-based measures 35 2.5.6 Structural Analysis 36 2.5.7 Analysis of time-related developments 40 2.5.8 Keyword development within the scientific field under investigation 44 2.6 Critical comments on the methodology 47 2.7 Recommendations for conducting a bibliometric analysis 49 2.8 Conclusions 50 2.9 References 52 3 A black-box model for generation of site-specific WWTP influent quality data based on plant routine data 56 3.1 Introduction 56 3.2 Material and Methods 58 3.3 Results and discussion 62 3.3.1 Test of robustness 63 3.3.2 Universality of the approach 66 3.4 Conclusions and outlook 69 3.5 References 70 4 Organic matter parameters in WWTP – a critical review and recommendations for application in activated sludge modelling 74 4.1 Highlights 74 4.2 Abstract 74 4.3 Introduction 75 4.4 Theoretical Considerations 76 4.5 Review of literature data of WWTP sludge 80 4.5.1 Literature survey 80 4.5.2 Measures related to total and volatile organic matter 81 4.5.3 Sludge composition based on biochemical families 83 4.6 Results and Discussion 85 4.6.1 Solids 85 4.6.2 COD and COD/VSS ratio 87 4.6.3 Connection between LPC and COD/VSS ratio 90 4.7 Application to plant-wide-modelling 92 4.7.1 Solids in Activated Sludge Models 92 4.7.2 Organic and inorganic solids 94 4.7.3 COD influent characterisation 96 4.7.4 Adaptation of research results and discussion 97 4.8 Conclusions 101 4.9 Data availability statement 101 4.10 References 101 5 Temperature as an alternative tracer for the determination of the mixing characteristics in wastewater treatment plants 108 5.1 Abstract 108 5.2 Introduction 108 5.2.1 Historical background 109 5.2.2 Alternatives in evaluation of tracer tests 110 5.2.3 Objective of this paper 112 5.3 Material and Methods 112 5.3.1 Lab-scale system 112 5.3.2 Pilot-scale system 113 5.3.3 Procedure 114 5.3.3.1 Substitute hydraulic model 114 5.3.3.2 Energy balance 115 5.3.3.3 Parameter estimation 117 5.4 Results and Discussion 118 5.4.1 Lab-scale system 118 5.4.2 Pilot-scale system 121 5.4.3 Sensitivity tests for optimised substitute model parameters 124 5.4.3.1 Lab scale tests 124 5.4.3.2 Pilot scale tests 126 5.4.4 Influence of recirculation 126 5.4.5 Consideration of variable flow rates 127 5.4.6 Impact of the structured model approach on ASM parameters 127 5.5 Conclusions 131 5.6 References 133 6 One script to solve it all – an open-source-based framework for a digital workflow based on WWTP data 137 6.1 Abstract 137 6.2 Highlights 138 6.3 Introduction 138 6.4 Fundamentals and requirements 138 6.5 Material and Methods 142 6.5.1 Background to the case study 142 6.5.2 Development of the concept 144 6.5.3 Technical implementation 145 6.6 Results 148 6.6.1 Preparation and data import 148 6.6.2 Plausibility checks 149 6.6.3 Calculation of design parameters (A198) 150 6.6.4 Design of WWTP (A131) 151 6.6.5 Activated sludge modelling 152 6.7 Discussion 153 6.7.1 Practical advantages of the developed methodology 153 6.7.2 Lessons learned from development process and first use 153 6.8 Conclusions 157 6.9 References 158 7 Enhancements for a practical application 161 7.1 Evolution of unified protocol of GMP taskgroup 161 7.1.1 Overview 161 7.1.2 Understand the plant + plant layout selection 163 7.1.3 Collection of existing data 163 7.1.4 Iterative process cycle for data analysis and plant model setup / adjustment 164 7.2 Extensions to the activated sludge model (ASM_EDU) 166 7.2.1 Background 166 7.2.2 Separation of inert particulate COD by origin 168 7.2.3 Integration of external carbon sources 169 7.2.4 Consideration of the influence of industrial discharges 171 7.2.5 Consideration of different precipitants in chemical P elimination 174 7.3 Plant-wide modelling 176 7.4 Digital transformation for efficiency enhancement 178 7.5 References 182 8 Conclusions and Outlook 187 8.1 Developments in the field of WWTP modelling 187 8.2 Future significance in science and application practice 188 8.3 Further scientific research needs 189 8.4 Changing the way engineering works 191 8.5 References 193 9 Appendices 195 9.1 Supplementary material for Chapter 4 195 9.1.1 References for sludge data 195 9.1.2 Data survey from references 217 9.2 Supplementary material for Chapter 6 217

This research investigated the effect of copper and nickel on the performance of a laboratory scale activated sludge system. The wastewater used for this research was the influent to the activated sludge process at the Hoechst Celanese cellulose acetate manufacturing plant, located at Narrows, Virginia. The influent wastewater to the experimental unit was pretreated with lime and then selected amounts of copper and nickel were added separately or together to evaluate their effects on the performance of the system. The Specific Uptake of Metal (SUM), Dissolved Metal (DM), Total Metal Loading Rate (TMLR), and Specific Total Metal Loading Rate (STMLR) were useful parameters for analysis of the effects of the metals on activated sludge performance. No significant changes in effluent COD, SS, and OUR were observed for the acclimated activated sludge when the selected amounts of metals were added but not when either was added separately. The settling characteristics of the activated sludge deteriorated when a combination of copper and nickel were added. The SUM increased at a faster rate at higher metal loading rates than at lower metal loading rates to the reactor. The increases in dissolved metal concentrations in the mixed liquor were a linear function of the metal loading rates. / Master of Science

Das Messverfahren der optischen Spektrophotometrie wird zur kontinuierlichen Messung der Abwasserqualität auf ihre Einsatztauglichkeit überprüft. Der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) wird als zentraler Kennwert für die stoffliche Verschmutzung von Abwasser und für dessen Nachweis in Oberflächengewässern eingesetzt, welche es zu bestimmen galt. Dabei wird der Informationsgehalt über eine organische, summarische Kohlenstoffbelastung mittels einer zusätzlichen Fraktionierung erhöht. In einer Labormesskampagne werden auf der Grundlage von Respirationsversuchen Daten aus Extinktionswerten des UV/Vis-Spektrums und Referenzwerten (Standardanalyseparameter und simulierte Stoffkonzentrationen mithilfe des Activated Sludge Modell No. 1) generiert. Darauf aufbauend werden Kalibrationsmodelle für den CSB und einzelne Fraktionen entwickelt. Die Modelle werden mithilfe des Regressionsansatzes der Partial-Least-Squares entwickelt und im Rahmen eines Anwendungsbeispiels auf ihre Praxistauglichkeit überprüft. Als Ergebnis dieser Arbeit stehen Kalibrationsmodelle für den Einsatz im kommunalem Abwasser unter Trockenwetterbedingungen zur Verfügung. Die Vorhersagequalität nimmt mit zunehmender Differenzierung ab. Von einer Weiterverwendung der berechneten Äquivalentkonzentrationen für die CSB-Fraktionen (SS, XS, SI und XI), z. B. als Kalibriergröße für Stofftransportmodelle oder als Steuer- und Regelgröße, wird allerdings abgeraten. Als Ursache für die hohen Messungenauigkeiten wurde eine unzureichende Anpassung an die Veränderungen in der Abwasserzusammensetzung während eines Trockenwettertagesganges identifiziert. Mit einer erweiterten Datengrundlage, unter der Verwendung von Standardanalyseparametern (CSB, CSBmf und BSB) in einer Abwasserprobe, welche für den Ausschluss von Stoffverbindungen vor und nach einer respirativen Vorbehandlung bestimmt werden, wird eine höhere Modellgüte in Aussicht gestellt. Darüber hinaus wird ein Umdenken hinsichtlich statischer - hin zu dynamischen - Kalibrationsfunktionen für UV/Vis-Sensoren vorgeschlagen. Eine Generalisierbarkeit der entwickelten Kalibrationsmodelle auf weitere Wetterbedingungen, Messstandorte oder Sensoren wird nicht empfohlen.:Abbildungen VI Tabellen XIII Abkürzungen XV 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielstellung 2 2 Stand der Forschung 5 2.1 Kohlenstoffe 6 2.1.1 Zusammensetzung und Herkunft im häuslichen Abwasser 7 2.1.1.1 Fette 8 2.1.1.2 Proteine 8 2.1.1.3 Tenside 9 2.1.1.4 Phenole 10 2.1.1.5 Kohlenwasserstoffe 10 2.1.2 Fraktionierung von Kohlenstoffverbindungen 11 2.1.2.1 Chemischer Sauerstoffbedarf 12 2.1.2.2 Ansätze zur CSB-Fraktionierung 12 2.1.2.3 Stoffzusammensetzung einzelner CSB-Fraktionen 15 2.1.2.4 Messmethoden zur Bestimmung des CSB 18 2.2 Optische Spektroskopie 20 2.2.1 Grundlagen 20 2.2.1.1 Elektromagnetische Strahlung 20 2.2.1.2 Einordnung der optischen Spektroskopie 21 2.2.1.3 Lichtabsorption 21 2.2.1.4 Chemisch-physikalische Grundlagen 22 2.2.1.5 Mathematische Grundlagen 24 2.2.1.6 Extinktionsmessung 25 2.2.2 Online-Messtechnik 26 2.2.2.1 Sensoren /-hersteller 26 2.2.2.2 Kalibrierung 26 2.2.2.2.1 Kalibrierung der S::CAN MESSTECHNIK GmbH 27 2.2.2.2.2 Unabhängige Analyseverfahren zur Auswertung spektrophotometrischer Messreihen 28 2.2.2.3 Messung 29 2.2.2.3.1 Einstellungen und Voraussetzungen 29 2.2.2.3.2 Qualitative Einflussnahme von Störgrößen auf die spektroskopische Datenerfassung 30 2.2.3 Einsatz in der Siedlungswasserwirtschaft und Hydrologie 31 3 Versuchsdurchführung und Analytik 33 3.1 Messkampagnen 33 3.1.1 Labormessversuche 33 3.1.1.1 Respirationsversuch 34 3.1.1.1.1 Versuchsaufbau zum Respirationsversuch 35 3.1.1.1.2 Betriebshinweise Respirationsversuch 38 3.1.1.2 Verdünnungsversuch 41 3.1.1.2.1 Versuchsaufbau zum Verdünnungsversuch 42 3.1.1.2.2 Betriebshinweise Verdünnungsversuch 43 3.1.2 Feldmessversuch 43 3.1.2.1 Versuchsaufbau zum Feldmessversuch 44 3.1.2.2 Betriebshinweise Feldmessversuch 46 3.2 Abwasserproben: Aufbewahrung und Analytik 47 3.2.1 Konservierung und Probenvorbehandlung 48 3.2.2 Standardisierte Laboranalyseverfahren 49 3.2.2.1 CSB 49 3.2.2.2 Biologischer Sauerstoffbedarf BSBn 50 3.3 Mess- und Regelinstrumente 51 3.3.1 Optischer Multiparameter-Sensor 51 3.3.2 Luminescent Dissolved Oxygen-Sensor (LDO) 53 3.3.3 Peristaltik-Pumpe 54 3.3.4 Dispergierer 54 4 Untersuchungen zur Entwicklung und Anwendung von UV/Vis-Kalibrierungen 55 4.1 Statistische Verfahren zur Kalibrierung 55 4.1.1 Datengrundlage und Methoden 56 4.1.1.1 Datengrundlage 56 4.1.1.2 Multivariate Datenanalyse 57 4.1.1.2.1 Regressionsanalyse 58 4.1.1.2.1.1 Schätzung der Regressionsfunktion 59 4.1.1.2.2 Qualitätsprüfung 61 4.1.1.2.3 Prüfung der Modellprämissen 63 4.1.1.2.4 Multivariate Regressionsanalyse 66 4.1.1.3 Vergleich der Kalibrierverfahren 70 4.1.2 Ergebnisse 70 4.1.2.1 Regressionsansätze für UV/Vis-Kalibrierung 70 4.1.2.1.1 Partial-Least-Squares Regression (PLS-R) 70 4.1.2.1.2 Lasso-Regression 73 4.1.2.1.3 Herstellerkalibrierung (SCAN GmbH) 73 4.1.2.1.3.1 Anwendung der globalen Herstellerkalibrierung 73 4.1.2.1.3.2 Lokal angepasste Herstellerkalibrierung 74 4.1.3 Auswertungen 75 4.1.3.1 Tauglichkeit angewandter Regressionsansätze zur Entwicklung von UV/Vis-Kalibrierfunktionen 75 4.1.3.1.1 Vergleich der Vorhersagequalitäten zwischen Regressionsansätzen und Herstellerkali¬- brierung 75 4.1.3.1.2 Aussagekraft angewandter Regressionsmodelle 77 4.1.3.1.2.1 Regressionsfunktion und -koeffizienten 77 4.1.3.1.2.2 Modellprämissen 78 4.1.3.2 Identifizierung signifikanter WL oder -Bereiche 80 4.2 Fraktionierung von CSB-Verbindungen 81 4.2.1 Datengrundlage und Methoden 82 4.2.1.1 Laborwertmethode 83 4.2.1.2 Modellwertmethode 85 4.2.1.2.1 Respirometrische Messung 86 4.2.1.2.2 Sauerstoffverbrauchsrate 87 4.2.1.2.3 Modellberechnung 89 4.2.1.2.4 Simulationsmethode mit modifiziertem Activated Sludge Modell No. 1 92 4.2.1.2.5 Modellkalibrierung 95 4.2.1.2.6 Datenauswahl 96 4.2.1.3 Lichtabsorptionsmethode 96 4.2.2 Ergebnisse 97 4.2.2.1 Modellwertmethode mit ASM No. 1 97 4.2.2.2 Auswahl von Modelldaten 100 4.2.2.3 UV/Vis-Kalibrierfunktionen 101 4.2.2.3.1 CSB-Fraktionen 101 4.2.2.3.2 Vergleich MW- und LW-Modell 103 4.2.3 Auswertungen 104 4.2.3.1 Tauglichkeit von Simulationsergebnissen aus Modellwertmethode zur Entwicklung von Kalibrierfunktionen 104 4.2.3.2 Abweichende Vorhersagequalitäten zwischen den UV/Vis-Kalibrierfunktionen 106 4.2.3.3 Messunsicherheiten und Modellqualität 107 4.2.3.4 Signifikante Wellenlängen oder -bereiche für einzelne CSB-Fraktionen 109 4.3 Anwendungsbeispiel: Kohlenstoffumsatz entlang einer Fließstrecke 111 4.3.1 Datengrundlage und Methoden 112 4.3.1.1 Einsatz von UV/Vis-Messtechnik 115 4.3.1.1.1 Vergleichbarkeit bei Parallelbetrieb baugleicher Sensoren 115 4.3.1.1.1.1 Versuchsdurchführung 116 4.3.1.1.1.2 Berechnungsansätze 116 4.3.1.1.2 Lokale Kalibrierung 117 4.3.1.1.2.1 Univariat 118 4.3.1.1.2.2 Multivariat 118 4.3.1.2 Kohlenstoffumwandlung und -umsatz innerhalb des Durchflussreaktors 118 4.3.1.2.1 Vorverarbeitung von UV/Vis-Daten 120 4.3.1.2.2 Zeitsynchronisation mithilfe der Fließzeit 120 4.3.1.2.3 Bestimmung von stofflichen Veränderungen in einem Wasserpaket 121 4.3.2 Ergebnisse 122 4.3.2.1 Praxiseinsatz von UV/Vis-Messtechnik 122 4.3.2.1.1 Stabilität und Vergleichbarkeit von Messsignalen bei unterschiedlichen Sensoren 122 4.3.2.1.1.1 Messgüte 122 4.3.2.1.1.2 Sensoranpassung 124 4.3.2.1.2 UV/Vis-Kalibrationsfunktionen 125 4.3.2.1.2.1 Validierung LK-PLS-R 126 4.3.2.1.2.2 Lokale Nachkalibrierung LK-PLS-R 128 4.3.2.1.3 Anwendung entwickelter Kalibrationsmodelle auf Zeitreihen 130 4.3.2.2 Kohlenstoffumsatz 131 4.3.3 Auswertungen 135 4.3.3.1 Tauglichkeit von UV/Vis-Messtechnik für den Einsatz in der Kanalisation 135 4.3.3.1.1 Vorhersagegenauigkeit von Kalibrationsfunktionen 135 4.3.3.1.2 Abweichende Messergebnisse der Extinktion von einzelnen Sensoren 135 4.3.3.2 Veränderungen in den Konzentrationen einzelner Kohlenstofffraktionen entlang der Fließstrecke 136 5 Diskussion 139 6 Ausblick 151 7 Zusammenfassung 153 8 Literaturverzeichnis 157 A Anhang 171 A.1 Respirationsversuche CSB-Fraktionen 171 A.1.1 Quellcode - CSB-Fraktionierung 171 A.1.2 Respirationsversuche CSB-Fraktionen 175 A.1.3 Quellcode - PLS-Regression 178 A.1.4 UV/Vis-Kalibrierung - CSB-Fraktionen 180 A.1.5 Modellgüte 183 A.1.6 Modellprämissen 184 A.2 Feldmesskampagne 188 A.2.1 Sensorkompensation 188 A.2.2 Korrelationsplots 189 A.2.2.1 Validierung der Kalibrationsmodelle 189 A.2.2.2 Nachkalibrierung der Kalibrationsmodelle 192 A.2.2.2.1 univariat 192 A.2.3 Stoffliche Veränderungen in Wasserpaketen 198 A.2.4 Laboranalysen Stoffliche Veränderungen in Wasserpaketen 201 / Optical spectrophotometry is checked as measuring method for continuous monitoring of waste water quality. The chemical oxygen demand (COD) is used as a central parame-ter for the material assessment of waste water and for its detection in surface waters. The information value about an organic load is increased using an additional fractiona-tion. In a laboratory measurement campaign, data from extinction values of the UV/Vis spectrum and reference values are created (standard analysis parameters and simulated concentrations by using the Activated Sludge Model No. 1). Based on this calibration models for the COD and individual fractions are developed using the regression ap-proach of the partial least squares and their practical suitability is checked in the context of an application example. As a result of this work, calibration models for use in munici-pal wastewater under dry weather conditions, are available. The prediction quality de-creases with increasing differentiation. We advise against further use of the calculated equivalent concentrations for the COD fractions (SS, XS, SI und XI), e.g. as a calibration var-iable for mass transfer models or as a control and regulation variable. The reason for higher measurement uncertainties is identified as insufficient adaptation to the changing wastewater composition during a dry weather day. With an extended data basis, a higher model quality is promised: Standard analysis parameters (COD, CODmf and BOD) are de-termined in wastewater samples before and after respiratory pretreatment in order to be able to rule out substances. In addition, rethinking of static calibration functions for UV/Vis sensors is proposed towards dynamic methods. A generalization of calibration models to other weather conditions, measurement locations or sensors is not recom-mended.:Abbildungen VI Tabellen XIII Abkürzungen XV 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielstellung 2 2 Stand der Forschung 5 2.1 Kohlenstoffe 6 2.1.1 Zusammensetzung und Herkunft im häuslichen Abwasser 7 2.1.1.1 Fette 8 2.1.1.2 Proteine 8 2.1.1.3 Tenside 9 2.1.1.4 Phenole 10 2.1.1.5 Kohlenwasserstoffe 10 2.1.2 Fraktionierung von Kohlenstoffverbindungen 11 2.1.2.1 Chemischer Sauerstoffbedarf 12 2.1.2.2 Ansätze zur CSB-Fraktionierung 12 2.1.2.3 Stoffzusammensetzung einzelner CSB-Fraktionen 15 2.1.2.4 Messmethoden zur Bestimmung des CSB 18 2.2 Optische Spektroskopie 20 2.2.1 Grundlagen 20 2.2.1.1 Elektromagnetische Strahlung 20 2.2.1.2 Einordnung der optischen Spektroskopie 21 2.2.1.3 Lichtabsorption 21 2.2.1.4 Chemisch-physikalische Grundlagen 22 2.2.1.5 Mathematische Grundlagen 24 2.2.1.6 Extinktionsmessung 25 2.2.2 Online-Messtechnik 26 2.2.2.1 Sensoren /-hersteller 26 2.2.2.2 Kalibrierung 26 2.2.2.2.1 Kalibrierung der S::CAN MESSTECHNIK GmbH 27 2.2.2.2.2 Unabhängige Analyseverfahren zur Auswertung spektrophotometrischer Messreihen 28 2.2.2.3 Messung 29 2.2.2.3.1 Einstellungen und Voraussetzungen 29 2.2.2.3.2 Qualitative Einflussnahme von Störgrößen auf die spektroskopische Datenerfassung 30 2.2.3 Einsatz in der Siedlungswasserwirtschaft und Hydrologie 31 3 Versuchsdurchführung und Analytik 33 3.1 Messkampagnen 33 3.1.1 Labormessversuche 33 3.1.1.1 Respirationsversuch 34 3.1.1.1.1 Versuchsaufbau zum Respirationsversuch 35 3.1.1.1.2 Betriebshinweise Respirationsversuch 38 3.1.1.2 Verdünnungsversuch 41 3.1.1.2.1 Versuchsaufbau zum Verdünnungsversuch 42 3.1.1.2.2 Betriebshinweise Verdünnungsversuch 43 3.1.2 Feldmessversuch 43 3.1.2.1 Versuchsaufbau zum Feldmessversuch 44 3.1.2.2 Betriebshinweise Feldmessversuch 46 3.2 Abwasserproben: Aufbewahrung und Analytik 47 3.2.1 Konservierung und Probenvorbehandlung 48 3.2.2 Standardisierte Laboranalyseverfahren 49 3.2.2.1 CSB 49 3.2.2.2 Biologischer Sauerstoffbedarf BSBn 50 3.3 Mess- und Regelinstrumente 51 3.3.1 Optischer Multiparameter-Sensor 51 3.3.2 Luminescent Dissolved Oxygen-Sensor (LDO) 53 3.3.3 Peristaltik-Pumpe 54 3.3.4 Dispergierer 54 4 Untersuchungen zur Entwicklung und Anwendung von UV/Vis-Kalibrierungen 55 4.1 Statistische Verfahren zur Kalibrierung 55 4.1.1 Datengrundlage und Methoden 56 4.1.1.1 Datengrundlage 56 4.1.1.2 Multivariate Datenanalyse 57 4.1.1.2.1 Regressionsanalyse 58 4.1.1.2.1.1 Schätzung der Regressionsfunktion 59 4.1.1.2.2 Qualitätsprüfung 61 4.1.1.2.3 Prüfung der Modellprämissen 63 4.1.1.2.4 Multivariate Regressionsanalyse 66 4.1.1.3 Vergleich der Kalibrierverfahren 70 4.1.2 Ergebnisse 70 4.1.2.1 Regressionsansätze für UV/Vis-Kalibrierung 70 4.1.2.1.1 Partial-Least-Squares Regression (PLS-R) 70 4.1.2.1.2 Lasso-Regression 73 4.1.2.1.3 Herstellerkalibrierung (SCAN GmbH) 73 4.1.2.1.3.1 Anwendung der globalen Herstellerkalibrierung 73 4.1.2.1.3.2 Lokal angepasste Herstellerkalibrierung 74 4.1.3 Auswertungen 75 4.1.3.1 Tauglichkeit angewandter Regressionsansätze zur Entwicklung von UV/Vis-Kalibrierfunktionen 75 4.1.3.1.1 Vergleich der Vorhersagequalitäten zwischen Regressionsansätzen und Herstellerkali¬- brierung 75 4.1.3.1.2 Aussagekraft angewandter Regressionsmodelle 77 4.1.3.1.2.1 Regressionsfunktion und -koeffizienten 77 4.1.3.1.2.2 Modellprämissen 78 4.1.3.2 Identifizierung signifikanter WL oder -Bereiche 80 4.2 Fraktionierung von CSB-Verbindungen 81 4.2.1 Datengrundlage und Methoden 82 4.2.1.1 Laborwertmethode 83 4.2.1.2 Modellwertmethode 85 4.2.1.2.1 Respirometrische Messung 86 4.2.1.2.2 Sauerstoffverbrauchsrate 87 4.2.1.2.3 Modellberechnung 89 4.2.1.2.4 Simulationsmethode mit modifiziertem Activated Sludge Modell No. 1 92 4.2.1.2.5 Modellkalibrierung 95 4.2.1.2.6 Datenauswahl 96 4.2.1.3 Lichtabsorptionsmethode 96 4.2.2 Ergebnisse 97 4.2.2.1 Modellwertmethode mit ASM No. 1 97 4.2.2.2 Auswahl von Modelldaten 100 4.2.2.3 UV/Vis-Kalibrierfunktionen 101 4.2.2.3.1 CSB-Fraktionen 101 4.2.2.3.2 Vergleich MW- und LW-Modell 103 4.2.3 Auswertungen 104 4.2.3.1 Tauglichkeit von Simulationsergebnissen aus Modellwertmethode zur Entwicklung von Kalibrierfunktionen 104 4.2.3.2 Abweichende Vorhersagequalitäten zwischen den UV/Vis-Kalibrierfunktionen 106 4.2.3.3 Messunsicherheiten und Modellqualität 107 4.2.3.4 Signifikante Wellenlängen oder -bereiche für einzelne CSB-Fraktionen 109 4.3 Anwendungsbeispiel: Kohlenstoffumsatz entlang einer Fließstrecke 111 4.3.1 Datengrundlage und Methoden 112 4.3.1.1 Einsatz von UV/Vis-Messtechnik 115 4.3.1.1.1 Vergleichbarkeit bei Parallelbetrieb baugleicher Sensoren 115 4.3.1.1.1.1 Versuchsdurchführung 116 4.3.1.1.1.2 Berechnungsansätze 116 4.3.1.1.2 Lokale Kalibrierung 117 4.3.1.1.2.1 Univariat 118 4.3.1.1.2.2 Multivariat 118 4.3.1.2 Kohlenstoffumwandlung und -umsatz innerhalb des Durchflussreaktors 118 4.3.1.2.1 Vorverarbeitung von UV/Vis-Daten 120 4.3.1.2.2 Zeitsynchronisation mithilfe der Fließzeit 120 4.3.1.2.3 Bestimmung von stofflichen Veränderungen in einem Wasserpaket 121 4.3.2 Ergebnisse 122 4.3.2.1 Praxiseinsatz von UV/Vis-Messtechnik 122 4.3.2.1.1 Stabilität und Vergleichbarkeit von Messsignalen bei unterschiedlichen Sensoren 122 4.3.2.1.1.1 Messgüte 122 4.3.2.1.1.2 Sensoranpassung 124 4.3.2.1.2 UV/Vis-Kalibrationsfunktionen 125 4.3.2.1.2.1 Validierung LK-PLS-R 126 4.3.2.1.2.2 Lokale Nachkalibrierung LK-PLS-R 128 4.3.2.1.3 Anwendung entwickelter Kalibrationsmodelle auf Zeitreihen 130 4.3.2.2 Kohlenstoffumsatz 131 4.3.3 Auswertungen 135 4.3.3.1 Tauglichkeit von UV/Vis-Messtechnik für den Einsatz in der Kanalisation 135 4.3.3.1.1 Vorhersagegenauigkeit von Kalibrationsfunktionen 135 4.3.3.1.2 Abweichende Messergebnisse der Extinktion von einzelnen Sensoren 135 4.3.3.2 Veränderungen in den Konzentrationen einzelner Kohlenstofffraktionen entlang der Fließstrecke 136 5 Diskussion 139 6 Ausblick 151 7 Zusammenfassung 153 8 Literaturverzeichnis 157 A Anhang 171 A.1 Respirationsversuche CSB-Fraktionen 171 A.1.1 Quellcode - CSB-Fraktionierung 171 A.1.2 Respirationsversuche CSB-Fraktionen 175 A.1.3 Quellcode - PLS-Regression 178 A.1.4 UV/Vis-Kalibrierung - CSB-Fraktionen 180 A.1.5 Modellgüte 183 A.1.6 Modellprämissen 184 A.2 Feldmesskampagne 188 A.2.1 Sensorkompensation 188 A.2.2 Korrelationsplots 189 A.2.2.1 Validierung der Kalibrationsmodelle 189 A.2.2.2 Nachkalibrierung der Kalibrationsmodelle 192 A.2.2.2.1 univariat 192 A.2.3 Stoffliche Veränderungen in Wasserpaketen 198 A.2.4 Laboranalysen Stoffliche Veränderungen in Wasserpaketen 201

Šiame darbe yra aprašomi lengvai biologiškai skaidomų organinių teršalų koncentracijos Palangos miesto nuotekose atskirais metų laikotarpiais bei Visagino miesto nuotekose tyrimai. Tyrimams nuotekos buvo imamos prieš biologinį valymą, o veiklusis dumblas – iš veikliojo dumblo reaktoriaus pabaigos. Tyrimai atlikti VGTU Vandentvarkos katedros ir UAB „Palangos vandenys“ laboratorijose. Siekiant įvertinti teršalų bei technologinių parametrų kitimą bei jų įtaką nuotekų išvalymo rodikliams, buvo surinkti ir statistiškai apdoroti Palangos ir Visagino nuotekų tyrimų rodikliai. Analizuota nuotekų parametrų priklausomybė, teršalų koncentracijų kaita, nuotekų valymo efektyvumas ir jų įtaka biologiniam fosforo šalinimui. Ištirtos lengvai biologiškai skaidomų organinių teršalų koncentracijos. Gauti rezultatai palyginti su anksčiau VGTU Vandentvarkos katedroje atliktų magistrantų nuotekų tyrimų rezultatais. / It is the investigations for determination of concentration of easily biodegradable organic matter in wastewater of Palanga and Visaginas towns. Wastewater for investigations have been taken before biological treatment, and active sludge - from the end of active sludge reactor. The investigations were carried out at Water Management Department of Vilnius Gediminas Technical University and UAB "Palangos vandenys" laboratories. The indicators of investigations of Palanga and Visaginas wastewater were collected and statistically processed in order to evaluate alteration of technological parameters and their influence to indicators of wastewater cleaning. It was analysed the relationship between various parameters in order to find out their influence for the efficiency of biological phosphorus removal. It was studied easily biodegradable organic pollutant concentrations too. The results are compared with previously results of investigations, made by postgraduates of Water Management Department of Vilnius Gediminas Technical University.

Le surcoût de fonctionnement d'un BRM immergé a pour origine essentielle la dépense d'énergie liée à la maîtrise de la perméabilité membranaire par aération. La littérature montre les liens qui existent entre concentration en biomasse dans le réacteur et présence de produits microbiens solubles liés à l'activité bactérienne. Réduire la demande en énergie signifie réduire l'aération membrane, voire l'aération process liée aux besoins en oxygène des populations épuratrices. Pour ce faire, il est donc déterminant de réduire l'activité biologique au sein du réacteur sans pour autant dégrader la qualité de l'eau traitée. Pour répondre à ce défi, il a été proposé de développer un BRM en association avec un prétraitement physico-chimique dont le rôle est de retenir une grande part de la matière organique (mais aussi probablement les phosphates), le BRM n'a alors pour rôle que de traiter le résiduel de matière organique et d'éliminer les composés azotés peu retenus par précipitation physico-chimiques. Ainsi, la demande en oxygène sera réduite car il reste peu de DCO à dégrader et la croissance cellulaire limitée car les populations seraient essentiellement autotrophes. Ce travail de thèse a donc été centré sur les points suivants : (i) les performances d'un bioréacteur à membrane fonctionnant sous une charge essentiellement azotée, ces performances sont analysées en termes de réactions d'élimination des fractions polluantes et de filtrabilité des suspensions, (ii) suivi et modélisation des cinétiques de réactions, (iii) définition d'outils simples de dimensionnement. Des méthodologies expérimentales originales ont été mises en place, réacteur pilote et méthodes d'analyses spécifiques (suivi en ligne des composés azotés, méthodes respirométriques notamment). Les résultats obtenus ont permis d'évaluer (i) les capacités de nitrification en régime permanent, (ii) les grandeurs cinétiques propres aux populations autotrophes suivant le modèle ASM1 (XBA, YA, KSH, bA), (iii) la filtrabilité des suspensions sur membranes poreuses avec une contribution significative de la résistance hydraulique due à un biofilm qui se développe en surface de membrane (par rapport aux autres processus, notamment les phénomènes d'adsorption ou bouchage de pores). Ces résultats ont permis de définir des nouveaux outils simples d'extrapolation, notamment des grandeurs réactionnelles spécifiques propres aux espèces nitrifiantes comme le ratio rSNHmax/OURendaut exprimant un rapport de vitesse de nitrification par une grandeur proportionnelle à la concentration en biomasse nitrifiante. / Membrane bioréactor, coupling bioreactions and porous membrane separation in a same unit, allows working with high biomass concentrations what improves bioreaction rates but penalizes the separation step. This work had as objective to study the nitrifiers micro-organisms on the membrane fouling dynamic and on the nitrogen removal efficiency. According to precedent works of the laboratory and the analyses of references, the objective was axed on the modeling tools available for heterotrophe and autotrophe biomass caracterisation. Then, specific methodologies were carried out, lab scale pilots and analytical methods, notably for active biomass observations and identification. Theses tools underline the role of these dominant populations (i) the use of ASM to simulate the biomass performances in relation with working conditions and (ii) the respirometric methods to experimentally quantify the specific biomass activity. Then results clearly pointed out the role of the COD/N ratio on the biomass and MBR performances. Passing from the urban wastewater to synthetic substrate with a final COD/N ratio of 1.5, the proportion of autotrophic bacteria in active biomass increased from 16 to 72%. Specific criteria were defined to characterise the biomass activity as rnitrif/ OURAutoend or rDCO / OURHetend allowing universal parameters definition

Au cours de cette thèse, les prévisions de la méthodologie d’Analyse de Cycle de Vie (ACV) sont améliorées, via l’exergie, pour l’analyse et l’éco-conception des procédés. Nous mettons l’accent sur le potentiel de l’analyse exergétique et de la Consommation d’Exergie Cumulée (CExC) dans l’évaluation du critère d’épuisement, de productivité et de recyclabilité des ressources naturelles. Dans ce cadre, les transferts de pollutions et les impacts environnementaux d’un système de traitement des eaux résiduaires (STEP) ont été analysés en relation avec l’exergie consommée (CExC) et de l’exergie détruite (étude a priori). L’étude montre que la décision est différente lorsque l’indicateur d’épuisement des ressources naturelles est basé sur la méthode CExC de celle basée sur la méthode CML. L’amélioration de l’éco-efficacité d’une STEP implique un recyclage des boues en agriculture. La stabilisation des boues par digestion anaérobie réduit le volume des boues et ainsi l’impact du transport en comparaison avec la stabilisation à la chaux. Toutefois, elle réduit le potentiel fertilisant des boues, d’une part, et augmente la consommation d’énergie et l’impact du réchauffement climatique à cause du traitement des retours en tête d’autre part. Bien que la valorisation du biogaz en cogénération réduise la dépendance énergétique de la STEP et améliore son éco-efficacité globale en comparaison avec le chaulage, elle n’offre pas la possibilité à un séchage des boues. Le séchage des boues constitue l’une des recommandations des agriculteurs, bien qu’il n’améliore pas le l’éco-efficacité globale de la STEP, en augmentant l’épuisement et l’exergie détruite des ressources brutes et du biogaz / The focus of the work has been to improve the predictions of Life Cycle Assessment (LCA) via exergy for processes analysis and eco-design. The potential of the exergetic analysis and Cumulative Exergy Consumption (CExC) in estimating the criterion of depletion, productivity and recyclability of natural resources has been investigated. In this context, the transfer of pollutants and the environmental impacts of a wastewater treatment system (WWTP) have been analyzed in relation with the consumed exergy (CExC) and the destroyed exergy. The study shows that decision is different if the indicator of depletion of natural resources is based on the method of CExC or on the CML method. The improvement of the overall eco-efficiency of a WWTP involves a recycling of sludge in agriculture. Stabilization of sludge by anaerobic digestion reduces the volume of sludge and consequently the impact of transport in comparison with the stabilization with lime. However, on one hand, it reduces the fertilizer potential of sludge. On the other hand it increases energy consumption and the impact of the global warming because of the treatment of digested sludge supernatant recycled to the WWTP. Although the recovery of biogas by cogeneration reduces the energy dependency of the WWTP and improves its overall eco-efficiency in comparison with the liming scenario, it does not provide the possibility for sludge drying. Drying the sludge is one of the recommendations of farmers, although it does not improve the overall eco-effectiveness of the WWTP, and increases the depletion and the destroyed exergy of raw resources and biogas

Este trabalho teve o intuito de avaliar a eficiência de remoção de protozoários patogênicos - Giardia spp. e Cryptosporidium spp. - em processos de tratamento de esgoto sanitário por reator UASB, lodos ativados, filtro lento em areia e diferentes desinfetantes. A recuperação de cistos de Giardia e de oocistos de Cryptosporidium, realizada por diferentes metodologias e utilizando ColorSeed®, foi de, respectivamente, 85 e 20% em esgoto bruto, e 62,5 e 17,5% em efluente tratado, quando foi utilizado o método de tripla centrifugação. Cistos de Giardia foram encontrados em 100% as amostras de esgoto pesquisadas, com média de 1,5 x 104 cistos por litro e oocistos de Cryptosporidium em 31,4% com média 3,1 x 10² oocistos por litro, em esgoto bruto. No tratamento biológico por reator UASB seguido de Lodos Ativados, a remoção de cisto de Giardia e esporos de Clostridium perfringens foram estatisticamente menores que as remoções de E. coli e coliformes totais. Não foram encontrados (oo)cistos após o tratamento terciário realizado através da filtração lenta em areia. Houve remoção estatisticamente maior na ETE em escala plena para coliformes totais e Clostridium perfringens. E. coli e cistos de Giardia, em ambas ETEs, apresentaram remoções similares. Elevadas concentrações de (oo)cistos foram encontradas no lodo de esgoto, com grande porcentagem ainda viável. Com relação à desinfecção, entre as bactérias indicadoras, Clostridium perfringens foram mais resistentes ao cloro, ozônio e radiação ultravioleta. O efeito sinérgico, promovido pelas desinfecções sequenciais (clororadiação ultravioleta e ozônio-radiação ultravioleta), foi evidenciado em alguns experimentos para todas as bactérias estudadas. O cloro alterou a fluorescência dos cistos de Giardia e o ozônio, além de alterar a fluorescência, foi capaz de diminuir a concentração de cistos desse microrganismo. Pode-se concluir que as concentrações tanto de microrganismos indicadores como de protozoários patogênicos é bastante elevada, qualquer que seja o tipo de esgoto: bruto, efluente do reator UASB ou efluente do lodos ativados. Isso evidencia o extremo cuidado com que estes efluentes devem ser tratados, para posteriores usos ou lançamento em corpo receptor, em especial devido à presença de (oo)cistos ainda viáveis de Giardia spp. e Cryptosporidium spp. mesmo após o tratamento biológico por lodos ativados, e a necessidade de desinfecção do efluente. / This work aimed to evaluate the efficiency of removal of pathogenic protozoa - Giardia spp. and Cryptosporidium spp. - during wastewater treatment by UASB reactor, activated sludge, slow sand filter and different disinfectants. The recovery of Giardia cysts and of Cryptosporidium oocysts, performed by different methodologies and using ColorSeed®, was respectively of 85 and 20%, in raw wastewater and 62.5 and 17.5% in treated effluent, applying triple centrifugation method. Giardia cysts were found in 100% of the the sewage samples surveyed, with average of 1.5 x 104 cysts per liter and Cryptosporidium oocysts were found in 31.4% with average of 3.1 x 10² oocysts per liter, in raw wastewater. Giardia cyst and Clostridium perfringens spores removals were statistically lower than E. coli and total coliforms removal when applying the biological treatment by UASB reactor followed by Activated Sludge. There were no (oo) cysts after treatment tertiary accomplished by slow sand filtration. There was a statistically higher removal in the full scale WWTP for total coliforms and Clostridium perfringens; however, E. coli and Giardia cysts, in both WWTPs, presented the same removal efficiency. High concentrations of (oo)cysts were found in the sludge sludge, with a high percentage still viable. Regarding disinfection, among the indicating bacteria, Clostridium perfringens was more resistant to chlorine, ozone and ultraviolet radiation. The synergic effect promoted by sequential disinfections (chlorine-ultraviolet radiation and ozone-ultraviolet radiation) was evidenced in some experiments for all the bacteria studied. Chlorine altered the fluorescence of Giardia cysts and ozone, as well as change in fluorescence was able to decrease the concentration of this microorganism. It can be concluded that the concentrations of indicator microorganisms as well as of pathogenic protozoa is very high, regardless the kind of wastewater: raw, UASB reactor effluent or activated sludge effluent. This shows the extreme care that must be taken towards these effluents, for future reuse or simply release in the environment, mainly due to the presence of viable Giardia spp. and Cryptosporidium spp. (oo)cysts even after the activated sludge treatment, and the need of disinfection of the effluent.

Tendo em vista a crescente problemática quanto à eutrofização de corpos dágua em países em desenvolvimento, devido ao lançamento de esgoto mesmo que tratado em nível secundário, o processo de lodo ativado vem sendo estudo e aprimorado para efetuar a remoção conjunta de matéria orgânica, nitrogênio e o fósforo, nutrientes limitantes para ocorrência da eutrofização. Neste contexto, o presente trabalho pretende contribuir com informações quanto à remoção biológica de nutrientes de esgoto sanitário através de estudo em escala piloto em um sistema cíclico de lodo ativado. Este sistema, operado em regime de bateladas sequenciais, difere da configuração habitual, pois possui três compartimentos internos, zonas 1, 2 e 3 que apresentam condições anaeróbias/anóxicas, anóxicas e aeróbias respectivamente, além do retorno de lodo da zona 3 para zona 1 durante o período de reação, sob vazão de 20% da vazão afluente a unidade. Cada batelada possui duração de 4 horas, distribuídas em 4 etapas de 1h cada, sendo elas o enchimento com aeração, reação, sedimentação e descarga. Com essas características o sistema cíclico de lodo ativado do presente estudo, demonstrou no tratamento de esgoto sanitário, elevada eficiência na remoção de matéria orgânica, sempre acima de 90%, além da boa eficiência de remoção nitrogênio através do processo de nitrificação e desnitrificação, cuja concentração média de amônia e nitrato no efluente final foram respectivamente de 2,8 e 11,4 mgN.L-1 para idade de lodo de 25 dias e quando operado com 12 dias de idade, o efluente apresentou concentração de 6,6 e 12,4 mgN.L-1. Também foram determinadas via respirometria as taxas máximas de crescimento (n,max) para bactérias nitrificantes e nitratantes, os valores obtidos foram respectivos, de 0,45 d-1 e 0,37 d-1 para idade de lodo de 12 dias, resultados próximos a literatura. A remoção biológica de fósforo foi obtida com melhor resultado na segunda etapa, superando 95% de eficiência, produzindo efluente final com teor de fósforo total inferior a 0,5 mgP.L-1. / Given the growing problem regarding the eutrophication of water bodies in developing countries, due to discharge of sewage treated even at the secondary level, the activated sludge process has been enhanced to study and perform the joint removal of organic matter, nitrogen and phosphorus, the limiting nutrient for the occurrence of eutrophication. In this context, this work aims to contribute information for biological nutrient removal from wastewater by pilot scale study in a cyclic activated sludge system. This system operated in sequential batch system differs from typical configuration because it has three internal compartments, zones 1, 2 and 3 show that anaerobic / anoxic, aerobic and anoxic respectively, beyond the conditions of return sludge from zone 3 to zone 1 during the reaction, flow rate under 20% of the influent flow unit. Each batch has a duration of 4 hours, distributed into 4 stages each 1H, they aeration and filling, reaction, settling and discharge. With these characteristics the cyclic activated sludge system of the present study showed for the treatment of sewage, high efficiency in the removal of organic matter, always above 90%, besides the good efficiency of nitrogen removal by nitrification and denitrification, which average concentration of ammonia and nitrate in the final effluent were respectively 2.8 and 11.4 mgN.L-1 for sludge age of 25 days, when operated at 12 days of age, the effluent showed a concentration of 6.6 to 12 4 mgN.L-1. Were also determined via respirometry maximum growth rates (n, max) for nitrifying bacteria and nitratantes, the respective value obtained were, 0.45 d-1 and 0.37 d-1 for sludge age of 12 days, results Nearby literature. Biological phosphorus removal was obtained with better results in the second stage, surpassing 95% efficiency, producing the final content of the effluent below 0.5 mgP.L-1 total phosphorus.