Primeiramente, esse trabalho pretende esclarecer a importância de pesquisas em modelagem, simulação e controle nos processos de tratamento de efluentes e apontar o atraso do Brasil nesta área de pesquisa comparado ao avanço das iniciativas internacionais. O trabalho apresenta o problema específico da modelagem dos processos anaeróbios e propõe uma nova ferramenta de simulação de regime permanente para esses sistemas, desde digestores de lodo a reatores UASB. O simulador se baseia no ADM1 (Anaerobic Digestion Model No 1), modelo proposto pela IWA em 2002, e está implementado em C++. A intenção é disponibilizar livremente um software de simulação com o diferencial de uma metodologia e interface gráfica amigável, capaz de trazer para o dia-a-dia do profissional da área toda a sofisticação de uma modelagem mais completa, tanto do ponto de vista microbiológico como físico-químico. A metodologia proposta se mostrou muito eficiente para a obtenção da condição de regime permanente, fazendo com que a caracterização do afluente se tornasse a etapa limitante do processo de simulação. O método desenvolvido é tão eficaz que permite que sejam realizadas simulações com afluentes e reatores hipotéticos, tornando possível estudos desvinculados da necessidade de análises laboratoriais complexas ou fora do comum. / First, this work intends to show the importance of research in modeling, simulation and control of wastewater treatment processes, and to point the delay of our country (Brazil) in this subject, compared to the advance of the international initiatives. This work presents the specific problem of modeling the anaerobic digestion and proposes a new tool to simulate the steady state condition in anaerobic reactors. The simulator is based on the ADM1 (Anaerobic Digestion Model No 1), developed by IWA in 2002, and is implemented in C++. The intention is to give free access to a new simulation software with the advantages of better methodology and friendly graphical interface. This tool should be able to bring to the professionals all the sophistication of a more complete modelling in the microbiological and physical-chemical point of view. The developed methodology revealed itself to be very efficient for the attainment of the steady state condition. Consequently, it makes the characterization of the influent the critic stage of the simulation process. The developed method is so efficient that allows simulation studies to be carried out using hypothetical influents and reactors. Thus, it brings independence for simulation studies with no need of complex or unusual laboratorial analyses.

Este trabalho de pesquisa teve por objetivo avaliar o efeito do descarte de lodo aeróbio no desempenho do reator UASB. Em paralelo, foi verificado o efeito dessa operação na qualidade do efluente final da ETE, no desempenho operacional da unidade de pós-tratamento e nas características do biogás produzido no reator UASB. De modo geral, não houve impacto negativo no processo de digestão anaeróbia em termos de DQO filtrada no efluente, que foi semelhante quando o afluente era composto essencialmente de esgoto bruto, na ordem de 60 a 80 mg/L. Por outro lado, os resultados indicaram uma tendência de redução da qualidade do efluente do reator UASB em termos de DQO total e sólidos em suspensão, quando da alimentação desse reator com excesso de lodo aeróbio. Em 2016, a concentração média de DQO total no efluente foi da ordem de 529 mg/L e a concentração média de SST foi na ordem de 672 mg/L quando o afluente do reator UASB era composto com excesso de lodo aeróbio, ao passo que, sem excesso de lodo aeróbio no afluente, a DQO total média no efluente foi de 269 mg/L e a concentração média de SST foi de 349 mg/L. Porém, essa redução da qualidade pareceu estar relacionada a uma sobreposição de efeitos associado a presença de lodo aeróbio no afluente, e a sistemática adotada na estação para remoção de lodo anaeróbio do reator UASB. Quando não havia remoção de excesso de lodo anaeróbio de fundo do reator UASB, a qualidade do efluente se manteve durante a maior parte do tempo monitorado compatível com os períodos onde o afluente do reator UASB era composto essencialmente de esgoto bruto, indicando que o lodo de fundo, mais concentrado, exerce papel fundamental na retenção do lodo aeróbio na zona de digestão do reator UASB. Essa constatação se mostrou mais explícita quando as operações de descarte de excesso de lodo aeróbio e remoção de lodo anaeróbio do reator UASB ocorriam em períodos distintos. Nessa condição, a concentração média de DQO total no efluente foi de 254 mg/L e a concentração média de SST foi de 314 mg/L, ao passo que sem lodo aeróbio no afluente do reator UASB, a concentração média de DQO total no efluente foi de 191 mg/L e a concentração de SST foi de 258 mg/L. As características do biogás produzido variaram quando o sistema era alimentado com excesso de lodo aeróbio no afluente, apresentando, nessa condição, maior concentração de CO2 e menor concentração de H2S. Não houve, alteração da concentração média de metano quando da presença de excesso de lodo aeróbio no afluente. Outro aspecto observado foi a falta de correlação entre os parâmetros DQO removida e produção volumétrica de biogás quando o afluente do reator UASB continha excesso de lodo aeróbio. Na ausência de excesso de lodo aeróbio no afluente, houve correlação entre essas variáveis, porém uma correlação fraca, na ordem de 0,40, que pode ser explicada por uma captação ineficaz do biogás produzido, devido a vazamentos pela linha de quebra-escuma do separador trifásico, e por perdas de metano dissolvido com o efluente. Com relação ao impacto na unidade de pós-tratamento, a baixa capacidade de remoção de lodo de excesso da ETE devido a dificuldades de ordem operacional e contratual, condicionaram a operação do sistema de lodo ativado com elevadas concentrações de sólidos em suspensão. Nessa condição, o sistema de aeração apresentou baixa eficiência de transferência de oxigênio para o licor misto, o que impactou negativamente no consumo de energia elétrica do processo de lodo ativado, aumentando o custo operacional da ETE. A qualidade do efluente final da ETE, de modo geral, não foi impactada pela operação de descarte de lodo aeróbio no reator UASB, tendo mantido durante a maior parte do tempo DQO média na ordem de 40 mg/L no efluente e concentração de sólidos em suspensão totais em média na ordem de 25 mg/L. A nitrificação e desnitrificação foi variável ao longo do período do estudo, sendo que o processo apresentou eficiência média de remoção de nitrogênio em torno de 66%. / The objective of this research was to evaluate the effect of aerobic sludge discard on UASB reactor performance. In parallel, the effect of this operation on the final effluent quality of the WWTP, the operational performance of the post-treatment plant and the characteristics of the biogas produced in the UASB reactor were verified. In general, there was no negative impact on the anaerobic digestion process in terms of dissolved COD in the effluent, which was similar when the influent was composed essentially of raw sewage, in the order of 60 to 80 mg / L. On the other hand, the results indicated a tendency to reduce the quality of the UASB reactor effluent in terms of total COD and suspended solids when feeding this reactor also with excess aerobic sludge. In 2016, the mean concentration COD in the effluent was of the order of 529 mg / L and the mean concentration SST was 672 mg / L when the UASB reactor inflow was composed of excess aerobic sludge, while, without excess of aerobic sludge in the influent, the mean COD in the effluent was 269 mg / L and the mean concentration of SST was 349 mg / L. However, this quality reduction seemed to be related to an overlap of effects associated with the presence of aerobic sludge in the influent, and the system adopted at the WWTP to remove anaerobic sludge from the UASB reactor. When there was no removal of excess anaerobic bottom sludge from the UASB reactor, the quality of the effluent remained for most of the monitored time consistent with the periods where the UASB reactor inflow was essentially composed of raw sewage, indicating that the sludge from deep, more concentrated, plays a fundamental role in the retention of aerobic sludge in the digestion zone of the UASB reactor. This finding was more explicit when the operations of excess aerobic sludge and anaerobic sludge removal from the UASB reactor occurred at different periods. In this condition, the mean COD concentration in the effluent was 254 mg / L and the mean SST concentration was 314 mg / L, whereas without aerobic sludge in the UASB reactor, the mean total COD concentration in the effluent was 191 mg / L and the concentration of SST was 258 mg / L. The characteristics of the biogas produced varied when the system was fed with excess of aerobic sludge in the influent presenting, in this condition, a higher concentration of CO2 and a lower concentration of H2S. There was, fortunately, no change in the average concentration of methane when there was an excess of aerobic sludge in the influent. Another important aspect observed was the lack of correlation between the COD removal parameters and volumetric biogas production when the UASB reactor inflow contained excess aerobic sludge. In the absence of excess aerobic sludge in the influent, there was a correlation between these variables, but a weak correlation, in the order of 0.40, which can be explained by an inefficient capture of the biogas produced, due to leaks by the three-phase separator, and for losses of methane dissolved with the effluent. Regarding the impact on the post-treatment unit, the low sludge removal capacity of the WWTP due to operational and contractual difficulties, conditioned the operation of the activated sludge system with high concentrations of suspended solids. In this condition, the aeration system presented low oxygen transfer efficiency for the mixed liquor, which negatively impacted the electric power consumption of the activated sludge process, increasing the operational cost of the WWTP. The final effluent quality, in general, was not affected by the aerobic sludge discharge operation in the UASB reactor, having maintained for the most part the average COD in the order of 40 mg / L in the effluent and the solids concentration in suspension on average in the order of 25 mg / L. Nitrification and denitrification were variable throughout the study period, with the average nitrogen removal efficiency around 66%.

Em reatores biológicos anaeróbios adequadamente projetados, 'SO IND.4'POT.2-' pode ser reduzido a sulfeto pelas bactérias redutoras de sulfato (BRS), o qual, posteriormente, pode ser oxidado a enxofre elementar, em presença de baixas concentrações de oxigênio dissolvido ('< OU =' 0,1 mg/L). Na presente tese, o processo de biodessulfatação foi estudado em reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais, com biomassa imobilizada em espuma de poliuretano (PU) e em carvão vegetal (CV), previamente selecionados por testes de adesão microbiana em reatores diferenciais. Posteriormente, avaliou-se o efeito de etanol sobre o desempenho do processo de biodessulfatação. As principais rotas de utilização de substratos orgânicos pelos microrganismos foram identificadas por meio de modelação cinética. A comunidade microbiana foi avaliada por hibridação in situ com fluorescência (FISH). Após o processo de biodessulfatação, avaliou-se o processo de oxidação parcial do sulfeto, em reator aeróbio operado em bateladas seqüenciais, com biomassa imobilizada em PU. Concluiu-se por FISH que as características intrínsecas dos materiais suportes influenciam o equilíbrio microbiano. A relação DQO/['SO IND.4'POT.2-'] igual a 1,3 representou a melhor condição para o processo de biodessulfatação, com PU e com CV como materiais suporte, com eficiência média em redução de sulfato igual a 96%. A adição de etanol melhorou o processo de redução de sulfato. Sulfeto gerado no processo de biodessulfatação foi oxidado parcialmente a enxofre elementar, com eficiência de remoção de 80% no reator aeróbio / In anaerobic biological systems for wastewater treatment well-designed sulphate can be reduced to sulfide by sulphate-reducing bacteria (SRB), and it can be subsequently oxidized to elemental sulphur, under low dissolved oxygen concentration ('< OU =' 0.1 mg/L). The present thesis evaluates the microbial sulphate reduction process in anaerobic sequencing batch biofilm reactors with immobilized biomass in polyurethane foam (PU) and vegetable coal (CV). Such support materials were previously selected by microbial adhesion tests executed in differential reactors. Afterwards, the effect of ethanol addition on the performance of sulphate reduction process was assessed. The main metabolic pathways of organic substrate utilization by microorganisms were identified by kinectic modelation. The microbial community was evaluated by fluorescence in situ hybridization (FISH). The partial sulfide oxidation process was also evaluated in aerobic sequencing batch reactor containing biomass immobilized in PU matrices. It was concluded by FISH that characteristics of the support materials has influence on the microbial equilibrium. The COD/['SO IND.4'POT.2-'] ratio equal to 1.3 provided the best condition for microbial sulphate reduction process in both reactors with mean efficience of 96%. The ethanol addition improved the sulphate reducing process. The sulfide generated was partialy oxidized to elemental sulphur in the aerobic reactor with removal efficience of 80%

Submitted by ANA CAROLINA BORSANELLI null (carol_borsanelli@yahoo.com.br) on 2017-03-02T16:23:55Z No. of bitstreams: 1 Tese_Ana_Carolina_Borsanelli.pdf: 2945411 bytes, checksum: b939ed8b82baac2521b2690292efb967 (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-03-08T14:03:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 borsanelli_ac_dr_jabo.pdf: 2945411 bytes, checksum: b939ed8b82baac2521b2690292efb967 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-08T14:03:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 borsanelli_ac_dr_jabo.pdf: 2945411 bytes, checksum: b939ed8b82baac2521b2690292efb967 (MD5) Previous issue date: 2017-02-07 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A periodontite bovina é um processo infeccioso purulento e progressivo associado com a presença de biofilme subgengival anaeróbio. De caráter sazonal e associada ao manejo do solo e à dieta, a doença tem variações na sua apresentação clínica, que inclui desde uma forma agressiva até manifestações crônicas. Os prejuízos econômicos são significativos e decorrem das dificuldades na preensão, mastigação e ruminação. O presente estudo teve como objetivo geral caracterizar a periodontite bovina e identificar por métodos moleculares os micro-organismos associados às lesões periodontais. Na avaliação da microbiota da bolsa periodontal (n=26) e do sulco subgengival (n=25) de bovinos, pela reação em cadeia da polimerase (PCR) e com o emprego de 35 iniciadores de espécies de patógenos potenciais, pôde-se associar a ocorrência de Actinobacillus naeslundii, Enterococcus faecium, Porphyromonas asaccharolytica, Porphyromonas endodontalis, Prevotella buccae, Prevotella intermedia, Prevotella melaninogenica, Prevotella nigrescens, Prevotella oralis, Treponema denticola e Treponema pectinovorum com a periodontite bovina. Em estudo complementar realizado na Escócia para verificar a ocorrência de lesões periodontais em animais abatidos, foram examinadas 200 arcadas dentárias, das quais 24 (12%) apresentaram lesões periodontais nos dentes incisivos ou mastigatórios. Este estudo inédito revela que a periodontite não é incomum em bovinos abatidos no oeste da Escócia e é claramente um problema sanitário negligenciado na produção e bem-estar animal. Na oportunidade, os fatores de risco associados à doença foram avaliados em um universo de 250 animais abatidos, dos quais 35 apresentavam lesões periodontais e 40 eram periodontalmente sadios. Pela análise de regressão logística foi avaliada a associação entre as variáveis independentes, sexo, idade e raça com periodontite. A idade dos animais foi significativamente associada à presença de lesões periodontais. Para cada ano de idade, um bovino tem 1,53 vezes chances de desenvolver periodontite (p<0,001). A variável sexo não se mostrou significativamente associada à periodontite (p=0,887), enquanto os animais de corte têm 0,36 a chance de desenvolver a doença quando comparados com os de aptidão leiteira. Na mesma ocasião, amostras de biofilme subgengival de 40 bovinos com periodontite e de 38 periodontalmente sadios foram coletadas e realizou-se o sequenciamento do gene 16S rRNA. No microbioma de animais sadios os gêneros mais prevalentes foram Gastranaerophilus, Planifilus, Burkholderia e Arcobacter. Já nos animais com periodontite, os filos mais prevalentes foram Elusimicrobia, Synergista e Fusobacteria e os gêneros Propionivibrio, Wolinella, Porphyromonas, Candidatus, Prevotella, Firmicutes (não cultivável), Bacteroides e Treponema. Em conclusão, os dois grupos de bovinos avaliados abrigaram perfis microbianos distintos, sendo que as amostras de bovinos com periodontite foram mais diversas em micro-organismos do que as de bovinos sadios. Nesse contexto inédito na microbiologia oral de bovinos, pode-se constatar os componentes principais na homeostase bacteriana do biofilme de sítios sadios e a disbiose nas lesões periodontais, fornecendo indicadores para e evolução do conhecimento sobre a periodontite bovina. / Bovine periodontitis is a progressive purulent infectious process associated with the presence of strict anaerobic subgingival biofilm. Seasonal and associated to soil and dietary management, the disease has variations in its clinical presentation, which includes since an aggressive form until chronic manifestations. The economic losses are significant and result from difficulties in gripping, chewing and rumination. The present study aimed to identify and characterize bovine periodontitis and identify the microorganisms associated with periodontal lesions by molecular methods. In the evaluation of the microbiota of the periodontal pocket (n=26) and gingival sulcus (n=25) of cattle, by polymerase chain reaction (PCR) and with the use of 35 primers of species of potential pathogens, it can be associate the occurrence of Actinobacillus naeslundii, Enterococcus faecium, Porphyromonas asaccharolytica, Porphyromonas endodontalis, Prevotella buccae, Prevotella intermedia, Prevotella melaninogenica, Prevotella nigrescens, Prevotella oralis, Treponema denticola and Treponema pectinovorum with bovine periodontitis. In a study carried out in Scotland to verify the occurrence of periodontal lesions in slaughtered animals, 200 dental arches were examined, of which 24 (12%) presented periodontal lesions in the incisors or masticatory teeth. This unpublished study reveals that periodontitis is not uncommon in cattle slaughtered in West of Scotland and is clearly a neglected health problem in animal production and welfare. At the opportunity, the risk factors associated with the disease were evaluated in a universe of 250 slaughtered animals, of which 35 had periodontal lesions and 40 were periodontally healthy. By the logistic regression analysis was evaluated the association between the independent variables, sex, age and race with periodontitis. The age of the animals was significantly associated with the presence of periodontal lesions. For each extra year in age, a cow is 1.53 times more likely to develop periodontitis (p<0.001). Gender was not significantly associated with periodontitis (p=0.887). Regarding the variable breed type, beef cattle were 0.36 times as likely to have periodontitis compared to dairy cattle. At the same occasion, samples of subgengival biofilm of 40 bovines with periodontitis and 38 periodontally healthy were submitted to high- throughput sequencing. In the bovine microbiome the most discriminative taxa in the samples of healthy animals were Gastranaerophilus, Planifilus, Burkholderia and Arcobacter. In animals with periodontitis, the most prevalent microorganisms were Elusimicrobia, Synergista, Propionivibrio, Fusobacteria, Wolinella, Porphyromonas, Candidatus, Prevotella, Firmicutes (uncultivable), Bacteroides and Treponema. In conclusion, the two groups of bovines evaluated harboured distinct microbial profiles, and the samples of bovines with periodontitis were more diverse in microorganisms than those of healthy cattle. In this unprecedented context, in the oral microbiology of bovines we can verify the main components in the bacterial homeostasis of the biofilm of healthy sites and the dysbiosis in the periodontal lesions, providing indicators for and evolution of the knowledge on bovine periodontitis. / FAPESP: 2015/06917-9 / FAPESP: 2013/13701-7

Neste trabalho investigou-se o desenvolvimento de biofilmes anaeróbios em um sistema de laboratório chamado de \"Modified Robbins Device\" (MRD). O objetivo específico foi o de comparar a organização das células anaeróbias, particularmente daquelas que são comuns em lodos de esgoto, sobre superfícies hidrofílicas (vidro) e hidrofóbicas (polipropileno). A hibridação in situ com sondas fluorescentes complementares ao RNAr 16S específicas para domínio e grupos e a microscopia confocal de varredura a laser foram utilizadas para verificar a composição microbiana dos biofilmes, bem como do inóculo. Foram realizados dois tipos de experimentos, um com culturas puras de metanogênicas e outro com células oriundas de lodo granulado anaeróbio. As culturas puras de metanogênicas, Methanobacterium formicicum (DSM 1535), Methanosaeta concilii (DSM 3671) e Methanosarcina barkeri (DSM 800) foram usadas como inóculo para a formação dos biofilmes no interior do MRD durante 9 dias. Os resultados mostraram que as três espécies colonizaram ambas as superfícies após o segundo e sétimo dia de ensaio. No segundo experimento, o MRD foi inoculado com um consórcio microbiano anaeróbio e a formação do biofilme foi estudada durante 22 dias. As amostras dos biofilmes bem como aquelas retiradas do frasco-reservatório de células apresentaram composição microbiana semelhante, ambas foram dominadas por Archaeae metanogênicas hidrogenotróficas relacionadas com membros da família Methanobacteriaceae, já que foram detectadas com a sonda MB1174. Este grupo contribuiu com cerca de 44 a 90% do total de células coradas com DAPI e foi morfologicamente semelhante à Methanobacterium e Methanobrevibacter. As células detectadas com a sonda específica para membros da ordem Methanomicrobiales (MG1200) representaram cerca de 2 a 18,0% do total de células coradas com DAPI no frasco-reservatório e de 0,1 a 2,0% nas amostras dos biofilmes. Estas células foram ) morfologicamente semelhantes à Methanospirillum, também uma metanogênica hidrogenotrófica. Não foram detectadas células pertencentes à família Methanosarcinaceae, pois a hibridação com a sonda MSMX860 foi negativa. Células que hibridaram com a sonda específica para o Domínio Bacteria (EUB338) representaram cerca de 2 a 18% do total de células coradas com DAPI. Os resultados mostraram que as Archaeae metanogênicas hidrogenotróficas que foram predominantes no inóculo também dominaram os biofilmes que se desenvolveram em ambas as superfícies, vidro e polipropileno. Os dados desse trabalho sugerem que a hidrofobicidade do material suporte não influenciou o desenvolvimento e a composição microbiana dos biofilmes anaeróbios, considerando as condições específicas dos ensaios realizados. / In this study the development of anaerobic biofilms using a laboratory system called modified robbins device (MRO) were investigated. We were especially interested in comparing the organization of anaerobic cells, particularly those that are very common in domestic sewage sludge, in a hydrophilic (glass) versus a hydrophobic (polypropylene) surface. Fluorescence in situ hybridization (FISH) with domain and group speci fie probes that target intracell ular 16S rRNA and confocal laser scanning microscopy (CLSM) were used to investigate the microbial composition of both the inoculum and anaerobic biofilms. Two sets of experiments were carried, one with pure methanogenic organisms and the other with cells from a mesophilic anaerobic granular sludge. The pure methanogenic cultures, Methanobacterium formicicum (OSM 1535); Methanosaeta conci/ii (OSM 3671) and Methanosarcina barkeri (OSM 800) were used to seed the MRD to allow the development of biofilms over 9 days. The results showed that ali the three species were colonizing both surfaces after 2 and 7 days of experimental period. In the second experiment, the biofilm reactor was seeded with a microbial anaerobic consortium and biofilm forrnation was studied during 22 days. Biofilm and culture vessel samples showed nearly the same microbial composition, both were dominated by hydrogenotrophic methanogenic Archaea related to the Methanobacteriaceae as detected by the specific probe (MBI174). This group accounted for 44 to 90% of the OAPI-stained cells and morphologically resembled Methanobacterium and Methanobrevibacter. Cells detected with the Methanomicrobiales specific probe (MG 1200) accounted for 2 to 18.0% of the OAPI-stained cells in the culture vessel and 0.1 to 2.0% in the biofilm samples. These cells were morphologically similar to Methanospiriltum, also a hydrogenotrophic methanogen. No cells were detected by the Methanosarcinaceae specific probe (MSMX860). Cells which hybridized to the Bacteria specific probe (EUB338) accounted for the remaining 3 to 18% of the DAPI-stained cells. The results showed that the hydrogenotrophic methanogenic Archaea cells predominated in the inoculum and the biofilms that developed on both surfaces, glass and polypropylene. Our data suggest that the hydrophobicity of the support material did not influence the development and the microbial composition of anaerobic biofilms, considering specific conditions of the experiments.

A contaminação ambiental por antibióticos e antimicrobianos quimioterápicos despertou o interesse da comunidade científica devido à possibilidade do desenvolvimento de resistência bacteriana e de efeitos ecotóxicos sobre organismos não-alvo. As águas residuárias contaminadas representam a principal fonte de dispersão desses fármacos para o meio ambiente. Enquanto as tecnologias anaeróbias têm sido crescentemente aplicadas para o tratamento de águas residuárias de origem agroindustrial, frequentemente contaminadas com antimicrobianos, pouco se sabe sobre as transformações que esses micropoluentes podem sofrer durante o tratamento. O objetivo do presente trabalho foi a investigação da degradação do antimicrobiano veterinário sulfametazina (SMZ) durante o tratamento anaeróbio de água residuária de suinocultura. Para tanto, foram conduzidas três fases experimentais. Na primeira fase, ensaios em batelada foram realizados com o intuito de avaliar a contribuição da biodegradação anaeróbia e de outros fenômenos na remoção de SMZ da fase líquida. A segunda fase envolveu a operação de três reatores anaeróbios contínuos em escala de bancada alimentados com água residuária sintética contaminada com SMZ, um reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF), um reator anaeróbio de mistura e biomassa imobilizada (RAMBI) e um reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo (UASB). Avaliou-se o efeito da variação da DQO total afluente e do TDH na eficiência de remoção de SMZ. Na terceira fase, o RAHLF foi alimentado com água residuária de suinocultura real présedimentada e acrescida de SMZ. Os resultados obtidos durante a primeira fase permitiram o desenvolvimento de um modelo matemático de dois compartimentos que apontou a fase aquosa como o compartimento biodisponível para a degradação de SMZ. Não foram observadas diferenças expressivas de desempenho dos reatores anaeróbios na remoção de SMZ para as condições experimentais ensaiadas na segunda fase. As condições operacionais que permitiram máxima remoção de SMZ foram TDH de 24 h e DQO total afluente de 3000 mg O2.L-1, que resultaram em eficiências médias de remoção de SMZ de 74%, 71% e 70% para os reatores RAHLF, RAMBI e UASB, respectivamente. Observou-se que a biodegradação anaeróbia de SMZ é favorecida pelo aumento da velocidade de degradação de matéria orgânica, como esperado para uma transformação cometabólica. Embora a degradação de SMZ tenha sido interrompida durante a alimentação do RAHLF com água residuária de suinocultura, os resultados obtidos mostraram que a biodegradação de SMZ pode acontecer em reatores anaeróbios e pode ser favorecida por meio do controle de parâmetros de operação adequados, demonstrando o potencial de aplicação dessa tecnologia no abatimento de emissões desse fármaco. / Environmental contamination by antibiotics and antimicrobial chemotherapeutics has drawn the attention of the scientific community because of the possibility of bacterial resistance development and toxic effects on non-target organisms. Contaminated wastewaters are the main sources of antimicrobial dispersion to the environment. While anaerobic technologies have been increasingly applied to the treatment of agricultural wastewaters, which are often contaminated with antimicrobials, little is known about the changes that these micropollutants can undergo during treatment. The objective of this study was to investigate the degradation of the veterinary antimicrobial sulfamethazine (SMZ) during the anaerobic treatment of swine wastewater. Three experimental phases were performed. In the first phase, batch tests were performed in order to evaluate the contribution of anaerobic biodegradation and other phenomena to the overall removal of SMZ from the liquid phase. The second phase involved the operation of three continuous, bench-scale anaerobic reactors fed with SMZ-contaminated synthetic wastewater: a horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) reactor, an anaerobic stirred reactor with immobilized biomass (ASRIB) and an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor. The effect of varying the total influent COD and the HRT on SMZ removal efficiency was evaluated. In the third phase, the HAIB was fed with real presedimented swine wastewater contaminated with SMZ. The results obtained during the first phase allowed the development of a two-compartment mathematical model which established the aqueous phase as the bioavailable compartment for SMZ degradation. No significant differences in SMZ removal performance between the three reactors were observed in the second phase. The maximum removal of SMZ was observed for a HRT of 24 h and total influent COD of 3000 mg O2.L-1, which resulted in average SMZ removal efficiencies of 74%, 71% and 70% for the HAIB, ASRIB and UASB reactors, respectively. It was observed that the anaerobic biodegradation SMZ is favored by increasing the organic matter degradation rate, as expected for cometabolic transformations. Although SMZ degradation ceased when the HAIB was fed with swine wastewater, the experimental results showed that the biodegradation of SMZ occurs in anaerobic reactors and can be enhanced by controlling appropriate operating parameters, demonstrating the potential of this technology for the abatement of SMZ emission.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental / Made available in DSpace on 2012-10-18T11:51:02Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-26T00:06:49Z : No. of bitstreams: 1 182904.pdf: 26947699 bytes, checksum: 188065ff59b00e574141746a1e317ff0 (MD5) / Neste trabalho, foram desenvolvidos estudos em um sistema de tratamento combinando reator anaeróbio (tanque séptico) com reator aeróbio (leito fluidizado trifásico), tendo como objetivo avaliar o comportamento do reator aeróbio no tratamento de esgoto sanitário e do restaurante universitário (RU), da UFSC. Utilizou-se um reator de leito fluidizado trifásico aeróbio com volume de 62,80 L e foram testados dois tipos de materiais suportes, o poliestireno e o PVC, com densidades de 1065 kg/m3 e 1329 kg/m3 e diâmetro médio de 2,7 mm e 4,02 mm, respectivamente. Trabalhou-se em duas etapas. Na primeira etapa, foram realizados estudos hidrodinâmicos do reator e o tratamento biológico, com efluente doméstico do RU, utilizando o poliestireno como material suporte. A segunda etapa consistiu de estudos hidrodinâmicos do reator e o tratamento biológico, com efluentes domésticos do RU e esgoto urbano, utilizando o PVC como material suporte. O acompanhamento analítico do controle do processo foi efetuado pelos seguintes parâmetros: pH, temperatura, oxigênio dissolvido, sólidos suspensos, produção de lodo, polissacarídeos (PS) aderidos ao suporte e suspensos no efluente e proteínas (PN) aderidas ao suporte e suspensas no efluente. Os resultados mostraram que o poliestireno não se apresentou como uma boa alternativa para o tratamento biológico, para as condições operacionais utilizadas. Com a utilização do PVC, obtiveram-se eficiências médias de remoção de DQO filtrada, foram de 36% e 78% para cargas orgânicas volumétricas aplicadas (COVap.) de 17 kgDQO/m3d e 36 kgDQO/m3d, respectivamente. Observações feitas através do microscópio eletrônico de varredura mostraram um biofilme fino, com colonização no interior da matriz polissacarídica. A relação PS/PN aderida (entre 2,7 e 16,7) indicou a existência de um biofilme mais coeso e como conseqüência baixa produção específica de lodo (1,45 mg de biomassa/mg de DQO removida e 0,19 mg de biomassa/mg de DQO removida). O acompanhamento através do microscópio ótico revelou as condições microbiológicas do efluente. Observaram-se pequenos flocos ricos em Zoogleas, Zooflagelados, Ciliados fixos (Epystilis, Vorticellas) e livres (Uronemas, Metopus e outros), bactérias filamentosas e bactérias livres em suspensão. O coeficiente de desprendimento (bs), mostrou-se elevado, indicando um grande desprendimento do biofilme em meio líquido, devido ao cisalhamento pela passagem do líquido no reator, influenciando na concentração de sólidos suspensos na saída do reator. A combinação de reatores anaeróbios e reator de leito fluidizado trifásico aeróbio apresenta-se como uma alternativa interessante pela eficiência de remoção da matéria carbonácea, aplicando-se elevadas cargas volumétricas orgânicas (>10kgDQO/m3.dia).

Primeiramente, esse trabalho pretende esclarecer a importância de pesquisas em modelagem, simulação e controle nos processos de tratamento de efluentes e apontar o atraso do Brasil nesta área de pesquisa comparado ao avanço das iniciativas internacionais. O trabalho apresenta o problema específico da modelagem dos processos anaeróbios e propõe uma nova ferramenta de simulação de regime permanente para esses sistemas, desde digestores de lodo a reatores UASB. O simulador se baseia no ADM1 (Anaerobic Digestion Model No 1), modelo proposto pela IWA em 2002, e está implementado em C++. A intenção é disponibilizar livremente um software de simulação com o diferencial de uma metodologia e interface gráfica amigável, capaz de trazer para o dia-a-dia do profissional da área toda a sofisticação de uma modelagem mais completa, tanto do ponto de vista microbiológico como físico-químico. A metodologia proposta se mostrou muito eficiente para a obtenção da condição de regime permanente, fazendo com que a caracterização do afluente se tornasse a etapa limitante do processo de simulação. O método desenvolvido é tão eficaz que permite que sejam realizadas simulações com afluentes e reatores hipotéticos, tornando possível estudos desvinculados da necessidade de análises laboratoriais complexas ou fora do comum. / First, this work intends to show the importance of research in modeling, simulation and control of wastewater treatment processes, and to point the delay of our country (Brazil) in this subject, compared to the advance of the international initiatives. This work presents the specific problem of modeling the anaerobic digestion and proposes a new tool to simulate the steady state condition in anaerobic reactors. The simulator is based on the ADM1 (Anaerobic Digestion Model No 1), developed by IWA in 2002, and is implemented in C++. The intention is to give free access to a new simulation software with the advantages of better methodology and friendly graphical interface. This tool should be able to bring to the professionals all the sophistication of a more complete modelling in the microbiological and physical-chemical point of view. The developed methodology revealed itself to be very efficient for the attainment of the steady state condition. Consequently, it makes the characterization of the influent the critic stage of the simulation process. The developed method is so efficient that allows simulation studies to be carried out using hypothetical influents and reactors. Thus, it brings independence for simulation studies with no need of complex or unusual laboratorial analyses.

Este trabalho de pesquisa teve por objetivo avaliar o efeito do descarte de lodo aeróbio no desempenho do reator UASB. Em paralelo, foi verificado o efeito dessa operação na qualidade do efluente final da ETE, no desempenho operacional da unidade de pós-tratamento e nas características do biogás produzido no reator UASB. De modo geral, não houve impacto negativo no processo de digestão anaeróbia em termos de DQO filtrada no efluente, que foi semelhante quando o afluente era composto essencialmente de esgoto bruto, na ordem de 60 a 80 mg/L. Por outro lado, os resultados indicaram uma tendência de redução da qualidade do efluente do reator UASB em termos de DQO total e sólidos em suspensão, quando da alimentação desse reator com excesso de lodo aeróbio. Em 2016, a concentração média de DQO total no efluente foi da ordem de 529 mg/L e a concentração média de SST foi na ordem de 672 mg/L quando o afluente do reator UASB era composto com excesso de lodo aeróbio, ao passo que, sem excesso de lodo aeróbio no afluente, a DQO total média no efluente foi de 269 mg/L e a concentração média de SST foi de 349 mg/L. Porém, essa redução da qualidade pareceu estar relacionada a uma sobreposição de efeitos associado a presença de lodo aeróbio no afluente, e a sistemática adotada na estação para remoção de lodo anaeróbio do reator UASB. Quando não havia remoção de excesso de lodo anaeróbio de fundo do reator UASB, a qualidade do efluente se manteve durante a maior parte do tempo monitorado compatível com os períodos onde o afluente do reator UASB era composto essencialmente de esgoto bruto, indicando que o lodo de fundo, mais concentrado, exerce papel fundamental na retenção do lodo aeróbio na zona de digestão do reator UASB. Essa constatação se mostrou mais explícita quando as operações de descarte de excesso de lodo aeróbio e remoção de lodo anaeróbio do reator UASB ocorriam em períodos distintos. Nessa condição, a concentração média de DQO total no efluente foi de 254 mg/L e a concentração média de SST foi de 314 mg/L, ao passo que sem lodo aeróbio no afluente do reator UASB, a concentração média de DQO total no efluente foi de 191 mg/L e a concentração de SST foi de 258 mg/L. As características do biogás produzido variaram quando o sistema era alimentado com excesso de lodo aeróbio no afluente, apresentando, nessa condição, maior concentração de CO2 e menor concentração de H2S. Não houve, alteração da concentração média de metano quando da presença de excesso de lodo aeróbio no afluente. Outro aspecto observado foi a falta de correlação entre os parâmetros DQO removida e produção volumétrica de biogás quando o afluente do reator UASB continha excesso de lodo aeróbio. Na ausência de excesso de lodo aeróbio no afluente, houve correlação entre essas variáveis, porém uma correlação fraca, na ordem de 0,40, que pode ser explicada por uma captação ineficaz do biogás produzido, devido a vazamentos pela linha de quebra-escuma do separador trifásico, e por perdas de metano dissolvido com o efluente. Com relação ao impacto na unidade de pós-tratamento, a baixa capacidade de remoção de lodo de excesso da ETE devido a dificuldades de ordem operacional e contratual, condicionaram a operação do sistema de lodo ativado com elevadas concentrações de sólidos em suspensão. Nessa condição, o sistema de aeração apresentou baixa eficiência de transferência de oxigênio para o licor misto, o que impactou negativamente no consumo de energia elétrica do processo de lodo ativado, aumentando o custo operacional da ETE. A qualidade do efluente final da ETE, de modo geral, não foi impactada pela operação de descarte de lodo aeróbio no reator UASB, tendo mantido durante a maior parte do tempo DQO média na ordem de 40 mg/L no efluente e concentração de sólidos em suspensão totais em média na ordem de 25 mg/L. A nitrificação e desnitrificação foi variável ao longo do período do estudo, sendo que o processo apresentou eficiência média de remoção de nitrogênio em torno de 66%. / The objective of this research was to evaluate the effect of aerobic sludge discard on UASB reactor performance. In parallel, the effect of this operation on the final effluent quality of the WWTP, the operational performance of the post-treatment plant and the characteristics of the biogas produced in the UASB reactor were verified. In general, there was no negative impact on the anaerobic digestion process in terms of dissolved COD in the effluent, which was similar when the influent was composed essentially of raw sewage, in the order of 60 to 80 mg / L. On the other hand, the results indicated a tendency to reduce the quality of the UASB reactor effluent in terms of total COD and suspended solids when feeding this reactor also with excess aerobic sludge. In 2016, the mean concentration COD in the effluent was of the order of 529 mg / L and the mean concentration SST was 672 mg / L when the UASB reactor inflow was composed of excess aerobic sludge, while, without excess of aerobic sludge in the influent, the mean COD in the effluent was 269 mg / L and the mean concentration of SST was 349 mg / L. However, this quality reduction seemed to be related to an overlap of effects associated with the presence of aerobic sludge in the influent, and the system adopted at the WWTP to remove anaerobic sludge from the UASB reactor. When there was no removal of excess anaerobic bottom sludge from the UASB reactor, the quality of the effluent remained for most of the monitored time consistent with the periods where the UASB reactor inflow was essentially composed of raw sewage, indicating that the sludge from deep, more concentrated, plays a fundamental role in the retention of aerobic sludge in the digestion zone of the UASB reactor. This finding was more explicit when the operations of excess aerobic sludge and anaerobic sludge removal from the UASB reactor occurred at different periods. In this condition, the mean COD concentration in the effluent was 254 mg / L and the mean SST concentration was 314 mg / L, whereas without aerobic sludge in the UASB reactor, the mean total COD concentration in the effluent was 191 mg / L and the concentration of SST was 258 mg / L. The characteristics of the biogas produced varied when the system was fed with excess of aerobic sludge in the influent presenting, in this condition, a higher concentration of CO2 and a lower concentration of H2S. There was, fortunately, no change in the average concentration of methane when there was an excess of aerobic sludge in the influent. Another important aspect observed was the lack of correlation between the COD removal parameters and volumetric biogas production when the UASB reactor inflow contained excess aerobic sludge. In the absence of excess aerobic sludge in the influent, there was a correlation between these variables, but a weak correlation, in the order of 0.40, which can be explained by an inefficient capture of the biogas produced, due to leaks by the three-phase separator, and for losses of methane dissolved with the effluent. Regarding the impact on the post-treatment unit, the low sludge removal capacity of the WWTP due to operational and contractual difficulties, conditioned the operation of the activated sludge system with high concentrations of suspended solids. In this condition, the aeration system presented low oxygen transfer efficiency for the mixed liquor, which negatively impacted the electric power consumption of the activated sludge process, increasing the operational cost of the WWTP. The final effluent quality, in general, was not affected by the aerobic sludge discharge operation in the UASB reactor, having maintained for the most part the average COD in the order of 40 mg / L in the effluent and the solids concentration in suspension on average in the order of 25 mg / L. Nitrification and denitrification were variable throughout the study period, with the average nitrogen removal efficiency around 66%.

Em reatores biológicos anaeróbios adequadamente projetados, 'SO IND.4'POT.2-' pode ser reduzido a sulfeto pelas bactérias redutoras de sulfato (BRS), o qual, posteriormente, pode ser oxidado a enxofre elementar, em presença de baixas concentrações de oxigênio dissolvido ('< OU =' 0,1 mg/L). Na presente tese, o processo de biodessulfatação foi estudado em reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais, com biomassa imobilizada em espuma de poliuretano (PU) e em carvão vegetal (CV), previamente selecionados por testes de adesão microbiana em reatores diferenciais. Posteriormente, avaliou-se o efeito de etanol sobre o desempenho do processo de biodessulfatação. As principais rotas de utilização de substratos orgânicos pelos microrganismos foram identificadas por meio de modelação cinética. A comunidade microbiana foi avaliada por hibridação in situ com fluorescência (FISH). Após o processo de biodessulfatação, avaliou-se o processo de oxidação parcial do sulfeto, em reator aeróbio operado em bateladas seqüenciais, com biomassa imobilizada em PU. Concluiu-se por FISH que as características intrínsecas dos materiais suportes influenciam o equilíbrio microbiano. A relação DQO/['SO IND.4'POT.2-'] igual a 1,3 representou a melhor condição para o processo de biodessulfatação, com PU e com CV como materiais suporte, com eficiência média em redução de sulfato igual a 96%. A adição de etanol melhorou o processo de redução de sulfato. Sulfeto gerado no processo de biodessulfatação foi oxidado parcialmente a enxofre elementar, com eficiência de remoção de 80% no reator aeróbio / In anaerobic biological systems for wastewater treatment well-designed sulphate can be reduced to sulfide by sulphate-reducing bacteria (SRB), and it can be subsequently oxidized to elemental sulphur, under low dissolved oxygen concentration ('< OU =' 0.1 mg/L). The present thesis evaluates the microbial sulphate reduction process in anaerobic sequencing batch biofilm reactors with immobilized biomass in polyurethane foam (PU) and vegetable coal (CV). Such support materials were previously selected by microbial adhesion tests executed in differential reactors. Afterwards, the effect of ethanol addition on the performance of sulphate reduction process was assessed. The main metabolic pathways of organic substrate utilization by microorganisms were identified by kinectic modelation. The microbial community was evaluated by fluorescence in situ hybridization (FISH). The partial sulfide oxidation process was also evaluated in aerobic sequencing batch reactor containing biomass immobilized in PU matrices. It was concluded by FISH that characteristics of the support materials has influence on the microbial equilibrium. The COD/['SO IND.4'POT.2-'] ratio equal to 1.3 provided the best condition for microbial sulphate reduction process in both reactors with mean efficience of 96%. The ethanol addition improved the sulphate reducing process. The sulfide generated was partialy oxidized to elemental sulphur in the aerobic reactor with removal efficience of 80%