Abstract Electrocoagulation (EC) is an emerging technology that combines the functions and advantages of conventional coagulation, flotation, and electrochemistry in water and wastewater treatment. The aims of this work included doing an updated literary review of recent feasible applications of EC, which were found to be plentiful. Since the economic and practical operational key figures related to EC haven’t been extensively mapped out before, this was a prime objective of this part of the work. The aim of the next part of this work was to find new feasible applications for EC in the treatment of water and wastewater. The studied wastewaters included bio- and synthetic oil-in-water emulsions, various industrial nutrient-containing wastewaters, and peat bog drainage water containing humic substances (an interesting and topical problem, especially in Finland). These studies proved the feasibility of EC. In addition, larger-scale experiments were also conducted successfully, thus proving the scalability of the EC process. Extensive economic analyses of the studied EC applications were also done. The operational costs and energy consumption of EC were found to be very low—typically about 0.1–1.0 €/m3 and 0.4–4.0 kWh/m3. It has been forecasted that in the future there will be a shortage of virgin phosphorus. Therefore, another essential purpose of this work was to conduct a preliminary study on the feasibility of using EC for nutrient (especially phosphorus, but also nitrogen) removal and recovery from different types of real wastewater. Specifically, it may be possible to use EC sludges containing notable amounts of phosphorus and nitrogen as additives in granulated bio ash-based fertilizer products for various applications. This is a novel idea and a “hot topic” in the waste utilization sector and in circular and bioeconomy. / Tiivistelmä Elektrokoagulaatio (electrocoagulation, EC) on nosteessa oleva teknologia, joka yhdistää perinteisen koagulaation, flotaation ja sähkökemian hyödyt ja mahdollisuudet vesien ja jätevesien käsittelyssä. Tämän työn ensimmäisenä tavoitteena oli laatia kirjallisuuskatsaus EC:n viimeaikaisista käyttökelpoisista sovelluksista, joita löytyi runsaasti. Koska EC:n toiminnallisia ja taloudellisia avainlukuja ei ole kartoitettu kattavasti aiemmin, tämän tekeminen oli tämän osion tärkein tavoite. Väitöstyön seuraavana tavoitteena oli löytää uusia sovellutuksia EC:lle vesien ja jätevesien käsittelyssä. Tutkittuja vesiä olivat bio- ja synteettisistä öljyistä valmistetut öljy-vesiemulsiot, erilaiset teolliset ravinnepitoiset jätevedet ja humusainepitoiset turvesoiden valumavedet (kiinnostava ja ajankohtainen ongelma, erityisesti Suomessa). EC todettiin käyttökelpoiseksi teknologiaksi näissä kokeissa. Suuremman skaalan kokeilla todistettiin lisäksi EC-prosessin skaalautuvuus. Lisäksi, em. EC-sovellutuksista suoritettiin kattavat taloudelliset analyysit. EC:n käyttökustannukset ja energiankulutus todettiin erittäin pieniksi, tyypillisesti ne olivat välillä 0.1–1.0 €/m3 ja 0.4–4.0 kWh/m3. On ennustettu, että tulevaisuudessa on pulaa neitseellisestä fosforista. Tästä johtuen eräs tämän työn keskeisistä tarkoituksista oli suorittaa alustavia kokeita liittyen EC:n käyttökelpoisuuteen ravinteiden (erityisesti fosfori, mutta myös typpi) poistossa ja talteenotossa aidoista jätevesistä. Erityisesti jatkossa voisi olla järkevää hyödyntää runsaasti fosforia ja typpeä sisältäviä EC-sakkoja lisäaineina rakeistetuissa biotuhkapohjaisissa lannoitteissa eri sovellutuksissa. Tämä idea on uusi ja on jo herättänyt suurta kiinnostusta mm. kierto- ja biotaloussektoreilla.

[pt] A eletrocoagulação é um método emergente de tratamento de efluentes que combina os benefícios da coagulação, flotação e eletroquímica. Devido à complexidade inerente às operações de uma estação de tratamento de efluentes, é um desafio reagir com rapidez e precisão às condições dinâmicas necessárias para manter a qualidade do efluente. Portanto, esta tese tem como objetivo identificar a condição operacional de uma estação de tratamento de efluentes que adotou a eletrocoagulação para o tratamento de efluentes de panificação. Três condições operacionais baseadas em clarificação do efluente e lodo da reação foram as variáveis-alvo. A tese está dividida em dois ensaios. O primeiro usou sete métodos de seleção de atributos para selecionar as variáveis mais importantes em um determinado conjunto de dados. O desempenho dos modelos de classificação de redes neurais treinados no conjunto de atributos original foi comparado ao desempenho daqueles que foram treinados em um subconjunto curado usando técnicas de seleção de atributos. O modelo que utilizou a seleção de atributos apresentou o melhor desempenho (F1-score = 0,92) e uma melhoria de mais de 30 por cento na prevenção de falsos positivos. A segunda contribuição trouxe um modelo que poderia detectar o comportamento anômalo do processo usando apenas imagens coloridas da superfície do efluente obtidas através de dois módulos de câmera de tamanho pequeno. O desempenho de vários métodos, incluindo MLP, LSTM, SVM e XGBoost foi avaliado. O modelo LSTM superou os outros em termos de Precisão (84,620 por cento), Recall (84,531 por cento) e F1-score (84,499 por cento), mas o modelo XGBoost vem em segundo lugar com Precisão (83,922 por cento), Recall (82,272 por cento) e F1-score (83,005 por cento). / [en] Electrocoagulation is an emerging wastewater treatment method that combines the benefits of coagulation, flotation, and electrochemistry. As a result of the inherent complexity of processes associated with wastewater treatment plants, it is difficult to respond swiftly and correctly to the dynamic circumstances that are necessary to ensure effluent quality. Therefore, this thesis aims to identify the operational condition of a wastewater treatment plant that has adopted electrocoagulation for treating bakery wastewater. Three operational conditions based on effluent clarification and reaction sludge were the target variables. The thesis is divided into two essays. The first endeavor used seven feature selection methods to select the most important features in a given dataset. The performance of neural network classification models trained on the original feature set was compared to the performance of those that were trained on a subset of features that had been curated using feature selection techniques. The model that utilised feature selection was found to have the best performance (F1-score = 0.92) and an improvement of more than 30 percent in preventing false positives. The second contribution brought a model that could detect anomalous process behavior using only wastewater surface color images from two small-size camera modules. The performance of various methods, including MLP, LSTM, SVM, and XGBoost was assessed. The LSTM model outperformed the others in terms of macro average Precision (84.620 percent), Recall (84.531 percent), and F1-score (84.499 percent), but the XGBoost model comes closely in second with Precision (83.922 percent), Recall (82.272 percent), and F1-score (83.005 percent).

Made available in DSpace on 2017-07-10T18:08:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fernando Henrique Borba.pdf: 3301834 bytes, checksum: 0c5216d667957cc99d5acd2dd5d59c05 (MD5) Previous issue date: 2010-02-18 / Pollution is a currently environmental problem of world concern. There are many events such as the discharging of untreated effluents in watercourses that cause the eutrophization of water bodies and bad water quality, as well as an inefficiency or lack of a current environmental law. The main goal of this dissertation was the application of solar and artificial-based photo-Fenton processes and aluminum electrodes-based electrocoagulation method in non coupled mode and in an integrated mode for the tannery effluent treatment. These effluent treatments were carried out in lab-scale reactors. In order to evaluate the performance of the reactor experimental conditions of photo-Fenton reactor, a 33 complete experimental design was performed. The lab scale EC reactor was operated at the 4 A electrical current, 4 cm electrode distance and 3 initial pH optimized values, according to the previous results obtained in another work, while the electrolysis time was varied from 5 to 120 min. For EC and photo-Fenton reactors, their performance was evaluated on the removal values of chemical oxygem demand (COD), color, turbidity, total solids (TS), total fixed solids (TFS), total volatile solids (TVS) and metal concentration. Measurements of physico-chemical parameters for untreated and treated effluent samples were performed applying the Standard Method for water analysis, while metal concentrations were determined by the Synchrotron radiation total Reflexion X-ray Fluorescence technique at Brazilian Light Synchrotron Laboratory. By an optimized photon-Fenton process at 0.5 g Fe2+ L-1, 30 g H2O2 L-1, 3 initial pH, and 120 min reaction time, tannery effluent was treated achieving a high performance in pollutant removal as reported by 98.1, 96.4, 98.8, 71.8, 32.1 and 98.5 percent removal for COD, color, turbidity, TS, TFS, and TVS, respectively. As a primer treatment stage, electrocoagulation technique was not achieved a well successful result based on the physico-chemical parameter values reduction as compared with photo-Fenton process. However, an integrated solar irradiation-based photo-Fenton and Al electrodes-based electrocoagulation with 15 min electrolysis time has achieved recommended values by the Brazilian environmental law for Cr concentration (0.24 mg Cr L-1) and DQO (107 mg O2 L-1). Considering both the costs of electrical energy and material and the generated sludge discharging, one m3 of tannery effluent should cost R$ 56.30 for a treatment system based on an integrated and optimized photo Fenton and electrocoagulation processes. Finally, the integrated solar-based photo Fenton and electrocoagulation method is suggested as an efficient one, instead to apply a unique process. / A poluição ambiental é um dos grandes problemas nos países desenvolvidos e em desenvolvimento. Isto é decorrente de uma série de fatores, como o despejo de efluentes não tratados em corpos hídricos e a ineficiência e/ou a falta de legislação ambiental vigente. O objetivo principal deste trabalho é aplicar os processos foto-Fenton com irradiação solar e/ou artificial, a técnica da eletrofloculação e a integração destes processos no tratamento de efluente de curtume. Ambos os processos de tratamento do foto-Fenton e da eletrofloculação foram conduzidos em reatores a escala laboratorial. Para a técnica da eletrofloculação foi utilizado um par de placas de alumínio como eletrodos no reator de eletrofloculação. Para avaliar as melhores condições de processo do sistema foto-Fenton, foi aplicado um planejamento experimental 33 completo. Para a técnica da eletrofloculação manteve-se constante a intensidade de corrente, pH inicial do efluente bruto e distância entre os eletrodos, variando-se o tempo de eletrólise de 5 à 120 min. A eficiência de ambos os processos foram avaliadas com base na redução de Demanda química de oxigênio (DQO), cor, turbidez, sólidos totais (ST), sólidos totais fixos (STF), sólidos totais voláteis (STV). Para a técnica da eletrofloculação e dos processos integrados também foram avaliados a redução da concentração dos metais pesados. Todas as medidas dos parâmetros físico-químicos foram realizadas aplicando os métodos padrões do Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater para amostra não tratada e tratada. As concentrações dos metais pesados foram determinadas usando a técnica de fluorescência de raio X por reflexão total, na linha de Luz (D09-XRF) do Laboratório Nacional de Luz Synchrotron. A maior eficiência na redução dos poluentes verificada no processo foto-Fenton foi de 98,1, 96,4, 98,8, 71,8, 32,1 e 98,5 para valores da DQO, cor, turbidez, ST, STF e STV, respectivamente, nas condições operacionais do reator: concentração de ferro de 0,5 gL-1, concentração de peróxido de hidrogênio de 30 gL-1, pH inicial 3 e tempo reacional de 120 min. No entanto a técnica da eletrofloculação não apresentou boa redução nos valores dos parâmetros físico-químicos. Após a aplicação dos processos integrados do foto-Fenton com irradiação solar e da eletrofloculação em tempo de eletrólise de 15 min, foi alcançado valores mínimos de Cr e DQO no efluente tratado, contendo 0,24 mg Cr L-1 e 107 mg O2 L-1 da DQO. O custo do tratamento do efluente e da disposição final do lodo gerado no processo integrado FFs→EF foi de R$ 56,30 m3 do efluente de curtume tratado. Este processo integrado reduziu as concentrações de cromo, ferro e DQO, a níveis permitidos pelas legislações ambientais. Baseada na redução da matéria orgânica e inorgânica, o método integrado FFs→EF pode ser recomendado como uma substituição eficiente ao método individual.