Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Este trabalho teve como objetivo analisar a eficiÃncia do uso de um reator anaerÃbio de fluxo ascendente e manta de lodo inoculado com lodo metanogÃnico proveniente de uma indÃstria de cerveja no tratamento de efluente sintÃtico contendo um meio basal constituÃdo de sulfato e posteriormente adicionado dos Ãons metÃlicos zinco (Zn2+), nÃquel (Ni2+) e cobre (Cu2+). O reator foi operado com um tempo de detenÃÃo hidrÃulico (TDH) de 18 horas e vazÃo de 14,9 L/dia, com o etanol como doador de elÃtrons. A carga orgÃnica volumÃtrica (COV) foi de 1,5 kgDQO/m3.d durante todo perÃodo de funcionamento do reator. O experimento em fluxo contÃnuo foi dividido em quatro etapas apÃs a obtenÃÃo de condiÃÃes estÃveis de operaÃÃo. Nas etapas 1 (DQO/SO4 2- = 2,26), 2 (DQO/SO4 2- = 1,13) e 3 (DQO/SO4 2- = 0,57) o afluente foi adicionado de sulfato em diferentes concentraÃÃes, permitindo a anÃlise do comportamento do reator sob diferentes relaÃÃes DQO/SO4 2-. Finalmente, na etapa quatro foram adicionados os Ãons metÃlicos. A etapa 1 (concentraÃÃo de sulfato de 500 mg/L) mostrou eficiÃncias mÃdias de remoÃÃo de DQO e sulfato de 83,61% e 67,00%, respectivamente, alÃm de mostrar que o reator se manteve estÃvel durante este perÃodo. Jà na etapa 2 (concentraÃÃo de sulfato de 1000 mg/L), o reator passou por um perÃodo de instabilidade devido ao choque de carga ocasionado pela nova concentraÃÃo de sulfato, mas ainda apresentou boas eficiÃncias mÃdias de remoÃÃo de DQO (70%) e sulfato (62%). A etapa 3 (concentraÃÃo de sulfato de 2000 mg/L) mostrou que sob relaÃÃes DQO/SO4 2- baixas o rendimento acaba caindo, principalmente devido à falta de doador de elÃtrons para a reduÃÃo de sulfato. As eficiÃncias mÃdias de remoÃÃo de DQO e sulfato foram de 62% e 44%, respectivamente. Na etapa 4, adicionou-se os Ãons metÃlicos inicialmente na concentraÃÃo de 50 mg/L, obtendo-se como eficiÃncias mÃdias de remoÃÃo para o Zn2+, Ni2+ e Cu2+ os seguintes valores, respectivamente: 99,17%, 99,15% e 99,90%. Para a concentraÃÃo afluente dos Ãons metÃlicos de 150 mg/L as eficiÃncias mÃdias de remoÃÃo de nÃquel, zinco e cobre foram de 99,4%, 99,5% e 99,8%, respectivamente. TambÃm foram analisadas amostras de lodo retiradas de diferentes alturas do reator para verificar a distribuiÃÃo dos metais ao longo da extensÃo do reator. Os resultados gerais mostraram boas eficiÃncias de remoÃÃo de DQO e sulfato, alÃm de mostrarem eficiÃncias de remoÃÃo das concentraÃÃes iniciais dos Ãons metÃlicos acima de 99%, mostrando a viabilidade do uso da reduÃÃo biolÃgica de sulfato no tratamento de efluentes contendo altas concentraÃÃes de matÃria orgÃnica, sulfato e metais pesados. / This work had the objective of analyze the efficiency of the use of an anaerobic upflow sludge bed reactor (UASB) inoculated with methanogenic sludge proceeding from a beer industry in a treatment of a synthetic effluent with sulfate and subsequently added with the metal ions zinc (Zn2+), nickel (Ni2+) and cooper (Cu2+). The reactor was operated with a hydraulic retention time (HRT) of 18 hours and a flow of 14,9 L/day with ethanol as electron donor. The organic loading rate (OLR) was 1,5 kgDQO/m3.d during the whole running period of the reactor. The continuous flow experiment was divided into four stages after stable conditions had been achieved. At stages 1 (DQO/SO4 2- = 2,26), 2 (DQO/SO4 2- = 1,13) e 3 (DQO/SO4 2- = 0,57) the influent was added with sulfate at different concentrations allowing the analysis of the reactor behavior under different relations DQO/SO4 2-. Finally, at the stage four the metals ions were added. The stage 1 (sulfate concentration of 500 mg/L) showed average removal efficiencies of COD and sulfate of 83,61% and 67,00%, respectively, in addiction to show that the reactor remained stable during this period. Now, in step 2 (sulfate concentration of 1000 mg/L), the reactor was undergoing a period of instability due to shock load caused by new sulfate concentration, but still showed good average removal efficiencies of COD (70%) and sulfate (62%). Step 3 (sulfate concentration of 2000 mg/L) showed that under low relations DQO/SO4 2- income ends up falling, mainly due to lack of electron donor for sulfate reduction. The average removal efficiencies of COD and sulfate were 62% and 44% respectively. In step 4, was added the metal ions, initially at a concentration of 50 mg/L, there was obtained as average removal efficiencies for Zn2+, Ni2+,and Cu2+ the following values, respectively 99.17% and 99.15% 99.90%. For the influent concentration of metal ions of 150 mg/L the average removal efficiencies of nickel, zinc and copper were 99.4%, 99.5% and 99.8%, respectively. Samples of sludge taken from different heights of the reactor were also analysed to determine the distribution of metals along the length of reactor. The overall results showed good removal efficiencies of COD and sulphate, and show removal efficiencies of initial concentrations of metal ions above 99%, demonstrating the feasibility of using biological reduction of sulfate in the treatment of effluents containing high concentrations of organic matter, sulfate and heavy metals.

Submitted by admin tede (tede@pucgoias.edu.br) on 2017-05-12T13:58:49Z No. of bitstreams: 1 Viviane de Souza Dias.pdf: 3604862 bytes, checksum: 38cb0560ca4264e78dc90a7034433bde (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-12T13:58:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Viviane de Souza Dias.pdf: 3604862 bytes, checksum: 38cb0560ca4264e78dc90a7034433bde (MD5) Previous issue date: 2017-03-22 / The hydrological model Soil and Water Assessment Tool (SWAT) is an important tool in the management of water resources, and can contribute to the estimation of streamflow to hydroelectric reservoirs. The objective of this study was to simulate the flow in the drainage area of the Furnas reservoir, located in the Rio Grande basin (MG). The series of meteorological and hydrological data included in the study corresponded to the period from 01/01/1998 to 12/31/2013. In the development of the model the following steps were adopted: (1) parameterization of the input data; (2) configuration of the model; (3) warm up and simulation; (4) sensitivity analysis; (5) calibration, validation and analysis of results. Calibration, validation and uncertainty analysis were performed using the Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2) algorithm through the Uncertainty Calibration Program (SWAT-CUP). The calibration and validation adjustment was measured by applying the P-Factor (percentage of the measured data bracketed by the 95PPU), the R-Factor (mean uncertainty band thickness) and the Nash and Sutcliffe (NSE) objective function. The P-factor values corresponded to 0.94 and 0.69 for calibration and validation, respectively. The NSE values were 0.86 for the calibration and 0.64 for the validation. The results obtained show a reasonable precision in relation to the literature, being within acceptable intervals, characterizing the model as adequate to estimate reservoir flows, considering the uncertainties of prediction. The construction of models from the SWAT allows the definition of best practices of management of water resources and of hydroelectric reservoirs. / O modelo hidrológico Soil and Water Assessment Tool (SWAT) é uma importante ferramenta na gestão de recursos hídricos, podendo contribuir para estimativas de vazão a reservatórios hidrelétricos. O objetivo deste estudo foi simular a vazão na área de drenagem do reservatório da UHE Furnas, localizado na bacia do rio Grande (MG). A série de dados meteorológicos e hidrológicos incluída no estudo correspondeu ao período de 01/01/1998 à 31/12/2013. No desenvolvimento do modelo foram adotadas as etapas: (1) parametrização dos dados de entrada; (2) configuração do modelo; (3) aquecimento e simulação; (4) análise de sensibilidade; (5) calibração, validação e análise dos resultados. A calibração, validação e análise de incertezas foram realizadas utilizando o algoritmo Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2) através do Programa de Incerteza de Calibração (SWAT-CUP). O ajuste da calibração e validação foi mensurado aplicando o P-Fator (porcentagem de dados incluídos na faixa de incerteza de 95%), o R-Fator (espessura média da faixa de incerteza) e a função objetivo Nash e Sutcliffe (NSE). Os valores do P-Fator corresponderam a 0,94 e 0,69 para calibração e validação, respectivamente. Os valores do NSE foram de 0,86 para a calibração e 0,64 para a validação. Os resultados encontrados apresentam precisão razoável em relação à literatura, estando dentro de intervalos considerados aceitáveis, caracterizando o modelo como adequado para simular vazões ao reservatório, se consideradas as incertezas de predição. A construção de modelos a partir do SWAT permite a definição de melhores práticas de gerenciamento de recursos hídricos e de reservatórios hidrelétricos.

O tratamento de efluentes industriais gerados em elevadas temperaturas por meio da digestão anaeróbia termofílica aparece como opção para o controle da poluição ambiental e obtenção de bioenergia. Nesse sentido, este trabalho investigou o uso do reator anaeróbio termofílico contendo biomassa imobilizada e com agitação mecânica operado em batelada e/ou batelada alimentada sequenciais no tratamento da vinhaça visando a produção de metano. Foi verificada a influência do aumento da carga orgânica volumétrica aplicada e da estratégia de alimentação no desempenho do reator. O volume do meio líquido do reator foi de 2,3 L, sendo 1,3 L de volume residual e 1,0 L o volume de efluente a ser tratado por ciclo, mantendo-se constante a temperatura (55º C – faixa termofílica), o tempo de ciclo (8 horas) e a velocidade de agitação (100 rpm). Inicialmente foi realizada a adaptação da biomassa, em seguida foi avaliada a influência da carga orgânica volumétrica aplicada (6,5-25,9 gDQO.L-1.d-1) pelo aumento da concentração de matéria orgânica afluente, e por fim foi implementada a estratégia de alimentação por batelada alimentada. Na etapa do aumento da COVA foram alcançadas maiores produtividades molar (304 molCH4.m-3.d-1) e volumétrica (6828 mL-CNPT CH4L-1.d-1) de metano na COVA de 25,9 gDQO.L-1.d-1, com rendimento de metano por matéria orgânica consumida próximo ao valor teórico (15,6 mmol de CH4.gDQO-1) e remoção da matéria orgânica na forma de DQO entre 75-80 % nas condições com COVA acima de 14gDQO.L-1.d-1. Na etapa em que se modificou a estratégia de alimentação, as produtividades molar e volumétrica de metano foram de 351,9 molCH4.m-3.d-1 e 7888 mL-CNPT CH4.L-1.d-1, respectivamente, com rendimento de metano por matéria orgânica removida próximo ao valor teórico. A produção de energia foi de 25,1 MW e 30,3 MW nas condições em batelada e batelada alimentada, respectivamente. O modelo cinético permitiu o entendimento da influência da carga orgânica e da estratégia de alimentação sobre o desempenho do reator para geração de metano, analisando-se os coeficientes das reações de consumo/produção dos compostos envolvidos na rota metabólica. / The thermophilic anaerobic digestion of wastewater that are generated at high temperatures appers as an option for the environmental pollution control and bioenergy production. Thus, this study investigate a anaerobic reactor containing immobilized biomass and mechanical stirrer operate in sequential batch or feed batch treating vinasse-based wastewater for methane production. It was analyzed the effects on reactor performance of increasing the applied volumetric organic load (AVOL) and modifying the feeding strategy. The total volume of liquid was 2,3 L, in which 1,3 L of residual volume and 1,0 L of wastewater to be treated per cycle, keeping constant the temperature (55 ºC – thermophilic range), the cycle length (8 hours) and the stirred velocity (100 rpm). At first it was realizes the biomass adaption, then it was analyzed the applied volumetric organic load (6,5-25,9 gDQO.L-1.d-1) increasing the influent concentration and after the feeding strategy was modified. In the AVOL increasing were achieved higher molar productivity of methane (304 molCH4.m-3.d-1) and volumetric productivity (6828 mL-CNTP CH4.L-1.d-1) at AVOL of 25,9 gDQO.L-1.d-1, and molar yield of methane per organic matter removed close to the theoretical value (15,6 mmolCH4.gDQO-1) and removal efficiency of organic matter in terms of DQO between 75-80% for all conditions above AVOL of 14 gDQO.L-1.d-1. In the stage of feeding strategy change, the methane molar and volumetric productivity were 351,9 molCH4.m-3.d-1 and 7888 mLCH4.L-1.d-1, receptively, and the yield methane production per removal organic matter close to the theoretical value. The energy production were 25,1 MW and 30,3 MW in the batch and fed batch conditions, respectively. The kinetic model allowed known of AVOL and feeding strategy influence under the reactor performance to methane generation, analyzing the reaction coefficient of the compounds consume/production involved in the metabolic rote.

O presente estudo investigou a aplicação de dois tipos de AnSBBR (reatores anaeróbio com biofilme e operados em batelada e batelada alimentada sequenciais: com recirculação da fase líquida e com agitação) para produção de biohidrogênio tratando água residuária sintética (a base de soro de leite e lactose, respectivamente). O AnSBBR com recirculação da fase líquida, que foi o estudo principal do presente trabalho, apresentou problemas na produção de hidrogênio utilizando soro de leite como substrato. Algumas alternativas, como adaptação da biomassa com substratos puros de degradação mais fácil, controle do pH em valores muito baixos e diferentes formas de inoculação foram testadas, entretanto, sem obtenção de sucesso. A solução do problema foi obtida ao refrigerar o meio de alimentação a 4ºC para evitar a fermentação no frasco de armazenamento, retirar a ureia e a suplementação de nutrientes, e realizar lavagens periódicas do material suporte para retirada de parte da biomassa. Dessa forma eliminaram-se indícios de produção de H2S por possível ação de bactérias redutoras de sulfato (BRS) e atingiu-se uma produção estável de hidrogênio sem, entretanto, eliminar completamento o metano, que foi produzido em baixas concentrações. Depois de atingida a estabilidade, investigou-se a influência da concentração afluente de substrato, do tempo de enchimento e da temperatura na produção de biohidrogênio no AnSBBR com recirculação da fase líquida tratando soro de leite. O estudo da concentração afluente apresentou um ponto ótimo para a concentração de 5400 mgDQO.L-1, atingindo valores de 0,80 mol H2.mol-1 lactose e de 660 mL H2.L-1.d-1. O estudo do tempo de enchimento apresentou resultados similares para as condições analisadas. Com relação à temperatura, os melhores resultados foram obtidos com a temperatura mais baixa testada de 15ºC (1,12 mol H2.mol lactose-1 e 1080 mL H2.L-1.d-1), sendo que na temperatura mais alta testada (45°C) não ocorreu produção de hidrogênio. Para o AnSBBR com agitação mecânica, que foi um estudado complementar realizado pelo fato da lactose ser o principal complemento do soro de leite, o desempenho do biorreator foi avaliado de acordo com influência conjunta do tempo de ciclo (tC – 2, 3 e 4 h), da concentração afluente (CSTA – 3600-5400 mgDQO.L-1) e da carga orgânica volumétrica aplicada (COAV – 9,3, 12,3, 13,9, 18,5 e 27,8 mgDQO.L-1.d-1). Foram obtidos excelentes resultados: consumos de carboidratos (lactose), com valores médios sempre acima de 90% e uma produção estável de biohidrogênio em todas as condições estudadas, com metano em baixas concentrações apenas na condição de maior COAV. A diminuição do tC apresentou tendência clara de melhora sobre o RMCRC,n (rendimento molar entre hidrogênio produzido e carboidrato removido) apenas para as condições com menor concentração CSTA, havendo uma relação direta entre CSTA, e RMCRC,n em todos os valores de tC, exceto para o tempo de ciclo de 3 h, exatamente onde ocorreu produção de metano. O melhor valor de RMCRC,n obtido na operação com lactose (1,65 mol H2.mol Carboidrato-1) foi superior aos obtidos em outros trabalhos utilizando a mesma configuração de reator e sacarose como substrato. As análises filogenéticas mostraram que a maioria dos clones analisados foi semelhante à Clostridium. Além destes, clones filogeneticamente semelhantes com a Família Lactobacilaceae, especificamente Lactobacillus rhamnosus foram observados em menor porcentagem no reator, assim como clones com sequências semelhantes a Acetobacter indonesiensis. / The present study investigated the application of two types of AnSBBR (anaerobic reactors with biofilm and operated in batch and fed-batch sequences: with recirculation of the liquid phase and with agitation) for biohydrogen production treating synthetic wastewater (cheese whey and lactose-based, respectively). The AnSBBR with recirculation of the liquid phase, which was the main study of this work, presented problems in the hydrogen production using cheese whey as substrate. Some alternatives, such as adaptation of the biomass with pure substrates of easier degradation, pH control at very low values and different forms of inoculation were tested but without achieving success. The solution of the problem was obtained by cooling the feed medium at 4ºC to prevent fermentation in the storage flasks, removing the urea and the nutrient supplementation, and performing periodic washing of the support material for the removal of part of the biomass. Thus, H2S production evidences by possible action of sulphate-reducing bacteria (SRB) were eliminated, reaching a stable production of hydrogen without eliminate the presence of methane completely, which was produced in low concentrations. After reaching the stability, it was investigated the influence of the influent concentration of the substrate, the influence of the filling time and the influence of the temperature on the production of biohydrogen in an AnSBBR with recirculation of the liquid phase treating cheese whey. The study of the influent concentration showed an optimum point for the concentration of 5400 mgDQO.L-1, reaching values of 0.80 mol H2.mol-1lactose and 660 mL H2.L-1.d-1. The study of the filling time showed similar results for the analyzed conditions. With respect to the temperature, the best results were obtained with the lowest temperature tested of 15ºC (1.12 mol H2.mol-1lactose and 1080 mL H2.L-1.d-1), while the highest temperature tested (45ºC) didn\'t produce hydrogen. For the AnSBBR with mechanical stirring (which was an additional study that was performed by the fact that the lactose is the main component of the cheese whey) the performance of the bioreactor was evaluated in accordance with the joint influence og the cycle time (tC - 2, 3 and 4 h ), the influent concentration (CSTA - 3600-5400 mgDQO.L-1) and the applied volumetric organic load (COAV - 9.3, 12.3, 13.9, 18.5 and 27.8 mgDQO.L-1.d-1). Excellent results were obtained: consumption of carbohydrates (lactose) always above 90% and a stable production of biohydrogen in all conditions studied, with low methane concentrations just in the condition with the biggest COAV. The decrease in the tC showed a clear trend of improvement of the RMCRC,n (molar yield between the hydrogen produced and removed carbohydrate) only for the conditions with the low influent concentration (CSTA). There was a direct relationship between CSTA and RMCRC,n in all values of tC, except for the cycle time of 3 hours, exactly in which there was methane production. The best value of RMCRC,n obtained in the operation with lactose (1.65 mol H2.mol-1Lactose) was superior to those obtained in other studies using the same reactor configuration and sucrose as substrate. Phylogenetic analysis showed that the majority of the analyzed clones was similar to Clostridium. In addition, clones phylogenetically similar to Lactobacilaceae family, specifically Lactobacillus rhamnosus, were observed in a small proportion in the reactor, as well as clones with similar sequences of Acetobacter indonesiensis.

Um reator anaeróbio com biomassa imobilizada operado em bateladas sequenciais com recirculação da fase liquida (AnSBBR) foi aplicado à produção de biohidrogênio. Foram tratados 1.9 L de meio por ciclo, analisando a influência da variação da carga orgânica volumétrica (COAV) através da variação da concentração do afluente sintético a base de sacarose. A concentração afluente variou entre 3600 e 5400 mgDQO/L e os tempos de ciclo de 4, 3 e 2 horas obtendo, dessa maneira, as cargas orgânicas volumétricas de 9, 12, 13,5, 18 e 27 gDQO/L. O sistema foi inoculado com lodo proveniente de um UASB aplicado ao tratamento de águas residuárias de abatedouro de aves. Foram utilizados diferentes indicadores de rendimento para averiguar a estabilidade e o efeito da carga orgânica aplicada ao sistema sobre a produção de biohidrogênio. Os indicadores utilizados tiveram como base a quantidade de mols de \'H IND.2\' produzidos por dia em relação à massa de sólidos voláteis no interior do reator e às cargas orgânicas aplica e removida, tanto em termos de matéria orgânica (DQO) quanto de carboidratos (sacarose) aplicados. Os resultados mostraram estabilidade do sistema na produção de biohidrogênio e consumo de substrato. Em todas condições experimentais, em termos de cargas orgânicas aplicada e removida obteve-se comportamento análogo com uma redução deste indicador em função do aumento da carga orgânica. O melhor rendimento obtido foi de 4,16 mol-\'H IND.2\'/kg-SAC.d para a carga orgânica de 9 gDQO/L.d (concentração afluente de 3600 mgDQO/L e tempo de ciclo de 4 h), sendo a composição de \'H IND.2\' no biogás de 36% (64% de \'CO IND.2\' e 0% de \'CH IND.4\'). Os compostos metabólitos presentes de modo mais significativo foram o etanol, ácido acético e ácido butírico. A morfologia da microbiologia no interior do reator não apresentou variações significativas entre as diferentes condições experimentais, sendo composta por bacilos, endósporos e filamentos. / A reactor with immobilized biomass anaerobic sequencing batch operated with recirculation of the liquid phase (AnSBBR) was applied to the production of biohydrogen. The influence of the applied volumetric organic load was studied by varying the concentration of influent 3600 e 5400 mgDQO/L and cycle times of 4, 3 and 2 hours getting this way, the volumetric organic loads of 9, 12, 13.5, 18 and 27 gDQO/L. The system was inoculated with sludge from a UASB applied to the treatment of wastewater from poultry slaughterhouse. Different performance indicators were used to ascertain the stability and the effect of the organic load applied to the system on the production of biohydrogen. The indicators used were based on the number of moles of \'H IND.2\' produced per day on the mass of volatile solids inside the reactor and the organic loads applied and removed, both in terms of organic matter (COD) and carbohydrate (sucrose) applied. The results showed system stability in the production of bio-hydrogen and substrate consumption. In all experimental conditions in terms of organic loads applied and removed analogous behavior was obtained a reduction of the indicator as a function of the increase in organic load. The best yield was 4.16 mol-\'H IND.2\'/kg-SAC.d for the organic load of 9 gDQO/L.d (influent concentration of 3600 mgDQO/L and time cycle of 4 h), and the composition of \'H IND.2\' in the biogas 36% (64% 0% \'CO IND.2\' and \'CH IND.4\'). The compounds metabolites present more significantly were ethanol, acetic acid and butyric acid. The morphology of microbiology within the reactor showed no significant variations between different experimental conditions, consisting of bacilli, and filaments endospores.

O tratamento de efluentes industriais gerados em elevadas temperaturas por meio da digestão anaeróbia termofílica aparece como opção para o controle da poluição ambiental e obtenção de bioenergia. Nesse sentido, este trabalho investigou o uso do reator anaeróbio termofílico contendo biomassa imobilizada e com agitação mecânica operado em batelada e/ou batelada alimentada sequenciais no tratamento da vinhaça visando a produção de metano. Foi verificada a influência do aumento da carga orgânica volumétrica aplicada e da estratégia de alimentação no desempenho do reator. O volume do meio líquido do reator foi de 2,3 L, sendo 1,3 L de volume residual e 1,0 L o volume de efluente a ser tratado por ciclo, mantendo-se constante a temperatura (55º C – faixa termofílica), o tempo de ciclo (8 horas) e a velocidade de agitação (100 rpm). Inicialmente foi realizada a adaptação da biomassa, em seguida foi avaliada a influência da carga orgânica volumétrica aplicada (6,5-25,9 gDQO.L-1.d-1) pelo aumento da concentração de matéria orgânica afluente, e por fim foi implementada a estratégia de alimentação por batelada alimentada. Na etapa do aumento da COVA foram alcançadas maiores produtividades molar (304 molCH4.m-3.d-1) e volumétrica (6828 mL-CNPT CH4L-1.d-1) de metano na COVA de 25,9 gDQO.L-1.d-1, com rendimento de metano por matéria orgânica consumida próximo ao valor teórico (15,6 mmol de CH4.gDQO-1) e remoção da matéria orgânica na forma de DQO entre 75-80 % nas condições com COVA acima de 14gDQO.L-1.d-1. Na etapa em que se modificou a estratégia de alimentação, as produtividades molar e volumétrica de metano foram de 351,9 molCH4.m-3.d-1 e 7888 mL-CNPT CH4.L-1.d-1, respectivamente, com rendimento de metano por matéria orgânica removida próximo ao valor teórico. A produção de energia foi de 25,1 MW e 30,3 MW nas condições em batelada e batelada alimentada, respectivamente. O modelo cinético permitiu o entendimento da influência da carga orgânica e da estratégia de alimentação sobre o desempenho do reator para geração de metano, analisando-se os coeficientes das reações de consumo/produção dos compostos envolvidos na rota metabólica. / The thermophilic anaerobic digestion of wastewater that are generated at high temperatures appers as an option for the environmental pollution control and bioenergy production. Thus, this study investigate a anaerobic reactor containing immobilized biomass and mechanical stirrer operate in sequential batch or feed batch treating vinasse-based wastewater for methane production. It was analyzed the effects on reactor performance of increasing the applied volumetric organic load (AVOL) and modifying the feeding strategy. The total volume of liquid was 2,3 L, in which 1,3 L of residual volume and 1,0 L of wastewater to be treated per cycle, keeping constant the temperature (55 ºC – thermophilic range), the cycle length (8 hours) and the stirred velocity (100 rpm). At first it was realizes the biomass adaption, then it was analyzed the applied volumetric organic load (6,5-25,9 gDQO.L-1.d-1) increasing the influent concentration and after the feeding strategy was modified. In the AVOL increasing were achieved higher molar productivity of methane (304 molCH4.m-3.d-1) and volumetric productivity (6828 mL-CNTP CH4.L-1.d-1) at AVOL of 25,9 gDQO.L-1.d-1, and molar yield of methane per organic matter removed close to the theoretical value (15,6 mmolCH4.gDQO-1) and removal efficiency of organic matter in terms of DQO between 75-80% for all conditions above AVOL of 14 gDQO.L-1.d-1. In the stage of feeding strategy change, the methane molar and volumetric productivity were 351,9 molCH4.m-3.d-1 and 7888 mLCH4.L-1.d-1, receptively, and the yield methane production per removal organic matter close to the theoretical value. The energy production were 25,1 MW and 30,3 MW in the batch and fed batch conditions, respectively. The kinetic model allowed known of AVOL and feeding strategy influence under the reactor performance to methane generation, analyzing the reaction coefficient of the compounds consume/production involved in the metabolic rote.

Um reator anaeróbio com biomassa imobilizada operado em bateladas sequenciais com recirculação da fase liquida (AnSBBR) foi aplicado à produção de biohidrogênio. Foram tratados 1.9 L de meio por ciclo, analisando a influência da variação da carga orgânica volumétrica (COAV) através da variação da concentração do afluente sintético a base de sacarose. A concentração afluente variou entre 3600 e 5400 mgDQO/L e os tempos de ciclo de 4, 3 e 2 horas obtendo, dessa maneira, as cargas orgânicas volumétricas de 9, 12, 13,5, 18 e 27 gDQO/L. O sistema foi inoculado com lodo proveniente de um UASB aplicado ao tratamento de águas residuárias de abatedouro de aves. Foram utilizados diferentes indicadores de rendimento para averiguar a estabilidade e o efeito da carga orgânica aplicada ao sistema sobre a produção de biohidrogênio. Os indicadores utilizados tiveram como base a quantidade de mols de \'H IND.2\' produzidos por dia em relação à massa de sólidos voláteis no interior do reator e às cargas orgânicas aplica e removida, tanto em termos de matéria orgânica (DQO) quanto de carboidratos (sacarose) aplicados. Os resultados mostraram estabilidade do sistema na produção de biohidrogênio e consumo de substrato. Em todas condições experimentais, em termos de cargas orgânicas aplicada e removida obteve-se comportamento análogo com uma redução deste indicador em função do aumento da carga orgânica. O melhor rendimento obtido foi de 4,16 mol-\'H IND.2\'/kg-SAC.d para a carga orgânica de 9 gDQO/L.d (concentração afluente de 3600 mgDQO/L e tempo de ciclo de 4 h), sendo a composição de \'H IND.2\' no biogás de 36% (64% de \'CO IND.2\' e 0% de \'CH IND.4\'). Os compostos metabólitos presentes de modo mais significativo foram o etanol, ácido acético e ácido butírico. A morfologia da microbiologia no interior do reator não apresentou variações significativas entre as diferentes condições experimentais, sendo composta por bacilos, endósporos e filamentos. / A reactor with immobilized biomass anaerobic sequencing batch operated with recirculation of the liquid phase (AnSBBR) was applied to the production of biohydrogen. The influence of the applied volumetric organic load was studied by varying the concentration of influent 3600 e 5400 mgDQO/L and cycle times of 4, 3 and 2 hours getting this way, the volumetric organic loads of 9, 12, 13.5, 18 and 27 gDQO/L. The system was inoculated with sludge from a UASB applied to the treatment of wastewater from poultry slaughterhouse. Different performance indicators were used to ascertain the stability and the effect of the organic load applied to the system on the production of biohydrogen. The indicators used were based on the number of moles of \'H IND.2\' produced per day on the mass of volatile solids inside the reactor and the organic loads applied and removed, both in terms of organic matter (COD) and carbohydrate (sucrose) applied. The results showed system stability in the production of bio-hydrogen and substrate consumption. In all experimental conditions in terms of organic loads applied and removed analogous behavior was obtained a reduction of the indicator as a function of the increase in organic load. The best yield was 4.16 mol-\'H IND.2\'/kg-SAC.d for the organic load of 9 gDQO/L.d (influent concentration of 3600 mgDQO/L and time cycle of 4 h), and the composition of \'H IND.2\' in the biogas 36% (64% 0% \'CO IND.2\' and \'CH IND.4\'). The compounds metabolites present more significantly were ethanol, acetic acid and butyric acid. The morphology of microbiology within the reactor showed no significant variations between different experimental conditions, consisting of bacilli, and filaments endospores.

O presente estudo investigou a aplicação de dois tipos de AnSBBR (reatores anaeróbio com biofilme e operados em batelada e batelada alimentada sequenciais: com recirculação da fase líquida e com agitação) para produção de biohidrogênio tratando água residuária sintética (a base de soro de leite e lactose, respectivamente). O AnSBBR com recirculação da fase líquida, que foi o estudo principal do presente trabalho, apresentou problemas na produção de hidrogênio utilizando soro de leite como substrato. Algumas alternativas, como adaptação da biomassa com substratos puros de degradação mais fácil, controle do pH em valores muito baixos e diferentes formas de inoculação foram testadas, entretanto, sem obtenção de sucesso. A solução do problema foi obtida ao refrigerar o meio de alimentação a 4ºC para evitar a fermentação no frasco de armazenamento, retirar a ureia e a suplementação de nutrientes, e realizar lavagens periódicas do material suporte para retirada de parte da biomassa. Dessa forma eliminaram-se indícios de produção de H2S por possível ação de bactérias redutoras de sulfato (BRS) e atingiu-se uma produção estável de hidrogênio sem, entretanto, eliminar completamento o metano, que foi produzido em baixas concentrações. Depois de atingida a estabilidade, investigou-se a influência da concentração afluente de substrato, do tempo de enchimento e da temperatura na produção de biohidrogênio no AnSBBR com recirculação da fase líquida tratando soro de leite. O estudo da concentração afluente apresentou um ponto ótimo para a concentração de 5400 mgDQO.L-1, atingindo valores de 0,80 mol H2.mol-1 lactose e de 660 mL H2.L-1.d-1. O estudo do tempo de enchimento apresentou resultados similares para as condições analisadas. Com relação à temperatura, os melhores resultados foram obtidos com a temperatura mais baixa testada de 15ºC (1,12 mol H2.mol lactose-1 e 1080 mL H2.L-1.d-1), sendo que na temperatura mais alta testada (45°C) não ocorreu produção de hidrogênio. Para o AnSBBR com agitação mecânica, que foi um estudado complementar realizado pelo fato da lactose ser o principal complemento do soro de leite, o desempenho do biorreator foi avaliado de acordo com influência conjunta do tempo de ciclo (tC – 2, 3 e 4 h), da concentração afluente (CSTA – 3600-5400 mgDQO.L-1) e da carga orgânica volumétrica aplicada (COAV – 9,3, 12,3, 13,9, 18,5 e 27,8 mgDQO.L-1.d-1). Foram obtidos excelentes resultados: consumos de carboidratos (lactose), com valores médios sempre acima de 90% e uma produção estável de biohidrogênio em todas as condições estudadas, com metano em baixas concentrações apenas na condição de maior COAV. A diminuição do tC apresentou tendência clara de melhora sobre o RMCRC,n (rendimento molar entre hidrogênio produzido e carboidrato removido) apenas para as condições com menor concentração CSTA, havendo uma relação direta entre CSTA, e RMCRC,n em todos os valores de tC, exceto para o tempo de ciclo de 3 h, exatamente onde ocorreu produção de metano. O melhor valor de RMCRC,n obtido na operação com lactose (1,65 mol H2.mol Carboidrato-1) foi superior aos obtidos em outros trabalhos utilizando a mesma configuração de reator e sacarose como substrato. As análises filogenéticas mostraram que a maioria dos clones analisados foi semelhante à Clostridium. Além destes, clones filogeneticamente semelhantes com a Família Lactobacilaceae, especificamente Lactobacillus rhamnosus foram observados em menor porcentagem no reator, assim como clones com sequências semelhantes a Acetobacter indonesiensis. / The present study investigated the application of two types of AnSBBR (anaerobic reactors with biofilm and operated in batch and fed-batch sequences: with recirculation of the liquid phase and with agitation) for biohydrogen production treating synthetic wastewater (cheese whey and lactose-based, respectively). The AnSBBR with recirculation of the liquid phase, which was the main study of this work, presented problems in the hydrogen production using cheese whey as substrate. Some alternatives, such as adaptation of the biomass with pure substrates of easier degradation, pH control at very low values and different forms of inoculation were tested but without achieving success. The solution of the problem was obtained by cooling the feed medium at 4ºC to prevent fermentation in the storage flasks, removing the urea and the nutrient supplementation, and performing periodic washing of the support material for the removal of part of the biomass. Thus, H2S production evidences by possible action of sulphate-reducing bacteria (SRB) were eliminated, reaching a stable production of hydrogen without eliminate the presence of methane completely, which was produced in low concentrations. After reaching the stability, it was investigated the influence of the influent concentration of the substrate, the influence of the filling time and the influence of the temperature on the production of biohydrogen in an AnSBBR with recirculation of the liquid phase treating cheese whey. The study of the influent concentration showed an optimum point for the concentration of 5400 mgDQO.L-1, reaching values of 0.80 mol H2.mol-1lactose and 660 mL H2.L-1.d-1. The study of the filling time showed similar results for the analyzed conditions. With respect to the temperature, the best results were obtained with the lowest temperature tested of 15ºC (1.12 mol H2.mol-1lactose and 1080 mL H2.L-1.d-1), while the highest temperature tested (45ºC) didn\'t produce hydrogen. For the AnSBBR with mechanical stirring (which was an additional study that was performed by the fact that the lactose is the main component of the cheese whey) the performance of the bioreactor was evaluated in accordance with the joint influence og the cycle time (tC - 2, 3 and 4 h ), the influent concentration (CSTA - 3600-5400 mgDQO.L-1) and the applied volumetric organic load (COAV - 9.3, 12.3, 13.9, 18.5 and 27.8 mgDQO.L-1.d-1). Excellent results were obtained: consumption of carbohydrates (lactose) always above 90% and a stable production of biohydrogen in all conditions studied, with low methane concentrations just in the condition with the biggest COAV. The decrease in the tC showed a clear trend of improvement of the RMCRC,n (molar yield between the hydrogen produced and removed carbohydrate) only for the conditions with the low influent concentration (CSTA). There was a direct relationship between CSTA and RMCRC,n in all values of tC, except for the cycle time of 3 hours, exactly in which there was methane production. The best value of RMCRC,n obtained in the operation with lactose (1.65 mol H2.mol-1Lactose) was superior to those obtained in other studies using the same reactor configuration and sucrose as substrate. Phylogenetic analysis showed that the majority of the analyzed clones was similar to Clostridium. In addition, clones phylogenetically similar to Lactobacilaceae family, specifically Lactobacillus rhamnosus, were observed in a small proportion in the reactor, as well as clones with similar sequences of Acetobacter indonesiensis.

Um reator anaeróbio com biomassa imobilizada e agitação mecânica foi operado em bateladas sequenciais com efluente sintético a base de sacarose visando à produção de biohidrogênio. O sistema foi inoculado com lodo proveniente de um reator anaeróbio metanogênico. Foram avaliados a produção de biohidrogênio, os rendimentos por carga aplicada e removida, a estabilidade e eficiência do reator quando submetido a diferentes cargas orgânicas volumétricas aplicada (COAV 9,0; 12,0 ;13,5; 18,0; 18,0 e 27,0 kgDQO/\'M POT.3\'.d), as quais foram modificadas em função da concentração afluente (3600 e 5400 mgDQO/L) e do tempo de ciclo (4, 3 e 2 h). O reator apresentou uma capacidade remoção da matéria orgânica (DQO) estável e próxima a um valor de 18%, e uma boa capacidade de conversão de carboidratos (sacarose) a qual permaneceu entre 83 e 97% ao longo da operação. Verificou-se uma diminuição do desempenho de remoção do reator com o aumento da carga orgânica aplicada e, além disso, valores crescentes de concentração afluente (e tempos de ciclo iguais) e tempos de ciclo menores (e concentrações afluente iguais) resultaram em eficiências menores de conversão. Houve predominância dos ácidos acético, butírico e propiônico com o aumento da carga orgânica, e de etanol em todas as condições. A maior concentração de biohidrogênio no biogás (24-25%) foi atingida nas condições com COAV de 12,0 e 13,5 kgDQO/\'M POT.3\'.d; a maior velocidade de produção diária (0,139 mol/d) foi atingida na condição com COAV de 18,0 kgDQO/\'M POT.3\'.d; e os maiores rendimentos de produção molares por carga aplicada e removida foram 2,83 e 3,04 mol \'H IND.2\'/kgSAC, respectivamente, na condição com COAV de 13,5 kgDQO/\'M POT.3\'.d. Não se verificou uma tendência de modificação do rendimento de biohidrogênio do reator em função da concentração afluente para tempos de ciclo iguais e do tempo de ciclo para concentrações afluente iguais, concluindo-se sobre a necessidade do estudo do comportamento do processo em função da carga orgânica aplicada e também das variáveis que definem a carga orgânica aplicada. / A mechanically stirred anaerobic sequencing batch reactor containing immobilized biomass treated sucrose-based synthetic wastewater to produce biohydrogen. The system was inoculated with sludge from an anaerobic methanogenic reactor. The following have been assessed: production of biohydrogen, yield per applied and removed load, reactor stability and efficiency under different applied volumetric organic loads applied (AVOL - 9.0, 12.0, 13.5, 18.0, 18. 0 and 27.0 kgDQO/\'M POT.3\'.d), which were modified according to the influent concentration (3600 and 5400 mgDQO/L) and cycle time (4, 3 and 2 h). The reactor\'s ability to remove organic matter (COD) remained stable and close to a value of 18%, and the system shows good ability to convert carbohydrates (sucrose) which remained between 83 and 97% during the operation. There was a decrease in removal performance of the reactor with increasing applied organic load, and furthermore, increasing influent concentration (at constant cycle length) and cycle lengths (at constant influent concentrations) resulted in lower conversion efficiencies. Under all conditions, as organic load increased there was a predominance of acetic, propionic and butyric acid, as well as ethanol. The highest concentration of bio-hydrogen in the biogas (24-25%) was achieved at conditions with AVOL of 12.0 and 13.5 kgDQO/\'M POT.3.d, the highest daily production rate (0.139 mol/d ) was achieved at AVOL of 18.0 kgDQO/\'M POT.3\'.d, and the highest production yields per removed and applied load were 2.83 and 3.04 mol \'H IND.2\'/kgSAC, respectively, at AVOL of 13.5 kgDQO/\'M POT.3\'.d. Biohydrogen yield showed no tendency to change with varying influent concentration at constant cycle length neither with varying cycle length at constant influent concentrations, indicating the need to study the behavior of the process as a function of applied organic load as well as of the variables which define the applied organic load.

Dentro do escopo de estudo de aspectos fundamentais e tecnológicos, este trabalho foi direcionado à avaliação do comportamento da estabilidade e da eficiência de um reator anaeróbio contendo biomassa imobilizada em espuma de poliuretano para o tratamento de água residuária sintética com concentração de aproximadamente 500 mgDQO/L. O reator, de 6 litros de volume nominal, mantido à temperatura de 30 +/- 1ºC e sob a agitação mecânica de 500 rpm, foi operado em bateladas seqüenciais com a renovação de apenas parte do volume de água residuária tratada por ciclo, ou seja, a descarga do reator não foi completa, mas apenas parcial. Neste contexto, a principal característica operacional investigada foi a relação entre o volume de água residuária afluente, o qual era alimentado a cada novo ciclo de operação, e o volume de meio contido no reator, o qual não era descarregado no ciclo anterior, mantendo-se a mesma carga orgânica volumétrica. Desta forma, foi possível verificar a flexibilidade operacional do sistema com relação ao volume de água residuária tratada a cada ciclo e o tempo de duração do ciclo para uma mesma carga orgânica. Os resultados indicaram que o reator pôde operar com diferentes relações entre o volume alimentado e o volume de meio reacional sem diminuição significativa do seu desempenho, permitindo-se, assim, maior flexibilidade operacional. Para as condições em que o volume renovado foi maior ou igual a 50% do volume de meio do reator (ciclos de 4 a 8 horas), as eficiências de remoção de matéria orgânica filtrada e não filtrada mantiveram-se no patamar de 84 e 79%, respectivamente, enquanto que nas demais condições de maior diluição inicial do afluente (ciclos de 1 e 2 horas), essas eficiências foram ligeiramente menores, em torno de 80 e 74%, respectivamente. A alta velocidade de formação de material viscoso de aparência polimérica, nas condições de maior diluição inicial do afluente, dificultou a manutenção do volume de meio reacional do reator constante. / An assessment was performed on the stability and efficiency of an anaerobic reactor containing biomass immobilized on polyurethane foam for the treatment of synthetic wastewater with organic loading of approximately 500 mgCOD/L. The reactor had a total volume of 6 L. Batch operation took place at a temperature of 30 +/- 1ºC and an agitation rate of 500 rpm. During operation only part of the treated wastewater was renewed per cycle, i.e., reactor discharge was not complete, but partial. The main operation characteristic investigated was the ratio between influent wastewater volume, which was fed at each cycle, and the volume of medium contained in the reactor, which had not been discharged in the previous cycle, maintaining the same volumetric organic load. This way, it was possible to verify operation flexibility of the system regarding treated wastewater volume in each cycle as well as cycle time duration for the same volumetric organic loading. Results indicated that the reactor was able to operate at different ratios between feed and reaction medium volume without significant loss in performance, allowing, hence, greater operation flexibility. For conditions at which renewed volume was greater than or equal to 50% of the reactor medium (cycles from 4 to 8 hours), filtered and non-filtered organic matter removal efficiencies were about 84 and 79%, respectively, whereas at conditions of higher initial influent dilution (cycles from 1 to 2 hours) these efficiencies were slightly lower, about 80 and 74%, respectively. The high formation rate of viscous polymer-like material probably of microbiological origin, at the conditions of higher initial influent dilution hindered maintenance of constant reactor medium volume.