Orientadora : Profª M.Sc. Marielle Feilstrecker / Coorientador: Prof. Dr. Paulo de Tarso / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Mestrado Profissional em Meio Ambiente Urbano e Industrial. Defesa: Curitiba, 26/04/2017 / Inclui referências : f. 71-75 / Resumo: A biodigestão, também denominada de digestão anaeróbia, tem sido amplamente aplicada em diversos países como forma de tratamento de resíduos sólidos orgânicos. No Brasil o processo ainda está em fase inicial de consolidação. Além de atender às diretrizes e exigências da Política Nacional de Resíduos Sólidos, instituída pela Lei Federal 12.305/2010, a biodigestão também garante o aproveitamento energético, por meio do biogás gerado como produto do processo. Diversas resoluções e portarias estaduais dispõem sobre o licenciamento ambiental e controle ambiental de atividades de gerenciamento de resíduos sólidos no estado do Paraná, porém, esses instrumentos são voltados aos aterros sanitários, unidades de transbordo, atividades de transporte e triagem. Não há ainda no Paraná critérios específicos para a atividade de biodigestão de resíduos sólidos, que padronizem o processo de licenciamento dessas plantas. O estabelecimento de critérios que subsidiem instrumentos regulatórios é fundamental para consolidar a tecnologia no país e também fomentá-la. Esse estudo tem como objetivo não apenas reunir critérios já existentes na legislação, mas também propor novas diretrizes para o licenciamento. Primeiramente, foi avaliada a legislação federal e estadual aplicável à atividade de biodigestão e elaborada uma matriz orientativa com as normativas identificadas. Novos critérios e diretrizes faltantes, fundamentais ao licenciamento ambiental estadual em questão, como definição de porte, respectivas modalidades de licenciamento ambiental, exigência do EIA-RIMA e critérios locacionais, foram propostos. Espera-se que esses critérios e diretrizes possam servir de referência para uma Resolução do Conselho Estadual de Meio Ambiente do Paraná (CEMA-PR) acerca do tema. A existência de critérios específicos padroniza, desburocratiza e agiliza o processo de licenciamento ambiental de plantas de biodigestão, representando um ganho ambiental e social. Palavras-chave: Digestão anaeróbia, tratamento, resíduos orgânicos, biogás, legislação. / Abstract: Biodigestion, also called anaerobic digestion, has been widely applied in several countries for treatment of organic waste. In Brazil the process is at an initial stage of consolidation. The anaerobic digestion not only complies with all directives and requirements of the National Solid Waste Policy, established by Federal Law 12,305/2010, but also guarantees the energy utilization, through the biogas generated inthe process. There are several resolutions and State regulations regarding environmental licensing and environmental control of waste management activities in the State of Paraná, but these instruments are aimed at common enterprises, such as landfill, temporary load units, transportation, and sorting activities. There is not yet a proper regulation for the environmental licensing of anaerobic digestion, which standardizes the licensing process of these plants. The existence of regulatory instruments is fundamental to consolidate the technology in the country and to promote it. This study aims not only to gather existing criteria in the legislation, but also to propose new guidelines for licensing. First, all the Federal and State legislation applicable to the biodigestion activity was evaluated and a guiding matrix was prepared with all the regulations identified. New criteria and missing guidelines were presented, such as definition of size, environmental licensing modalities, necessity of complete environmental studies and locational criteria. It is expectedthat the criteria could be used as a reference for a resolution of the State Environmental Council of Paraná. The existence of specific guidelines is essential to guarantee a standardized environmental licensing process, without so many difficulties and faster, which would represent a great environmental and social gain. Key-words: Anaerobic digestion, treatment, organic waste, biogas, legislation.

Orientador : Prof. Dr. José Viriato Coelho Vargas / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 24/08/2017 / Inclui referências : fls. 85-90 / Resumo: Digestão anaeróbia (DA) de resíduos orgânicos é a forma mais convencional de produção de energia renovável (na forma de biogás), no qual possui um grande potencial para substituir o gás natural em diversas aplicações, como combustível veicular. Outro benefício da DA é produzir uma vazão de efluente digerido que pode ser separado em frações liquidas e sólidas e utilizado com fertilizante orgânico. Métodos empíricos são geralmente utilizados para o projeto de digestores anaeróbios, entretanto estes métodos requerem a construção de sistemas em escala laboratorial, que, na maioria das vezes, elevam o custo do projeto. Alternativamente, o projeto de digestores anaeróbios e a determinação da produção de biogás podem ser realizados através de modelos complexos que incluem os fenômenos de transporte e a cinética bioquímica associada com a DA. Neste estudo, o ensaio de potencial metanogênico (BMP) foi usado para determinar a produção de biogás oriunda da digestão anaeróbia de resíduo suíno e microalgas em diferentes proporções de mistura. Os resultados mostraram que a adição de microalgas (MA) aumentou a remoção de matéria orgânica e produtividade de biogás do resíduo suíno (RS), com produção de biogás de 212,8 mL.g SVad -1 e remoção da demanda química de oxigênio (DQO) de 48% com a adição de 10% de microalgas. Através deste resultado, um reator anaeróbio em escala laboratorial foi usado para calibrar e validar um modelo simplificado de digestão anaeróbia. Este modelo foi então implantado em Matlab usando os resultados experimentais provenientes da literatura e dos ensaios experimentais deste trabalho. Os resultados revelaram que o modelo é capaz de prever razoavelmente bem a produção de biogás, a concentração de metano e a remoção de sólidos voláteis à razão RS:MA de 0,9:0,1. Os resultados também indicaram que o modelo é uma ferramenta útil para simular a operação de reatores modelo tanque agitado (CSTR) durante o tratamento de resíduos agropecuários. Palavras-chave: Biogás. Digestão Anaeróbia. Resíduos Suínos. Microalgas. / Abstract: Anaerobic digestion (AD) of organic wastes is the most conventional way to produce renewable energy (in form of biogas), which has great potential to replace the natural gas (NG) used in multiple applications, like vehicular transportation. Another benefit of AD is produces an effluent stream of digested materials that can be separated into solid and liquid fractions for use as an organic fertilizer. Empirical methods have been usually used to design anaerobic digesters systems, but these have required construction of expensive lab-scale systems. Otherwise, the design of anaerobic digesters and determination of biogas production can be performed using complex models that include the transport phenomena and biochemical kinetics associated with AD. In this study, biochemical methane potential (BMP) were used to determine the potential of biogas production from co-digestion of swine manure and microalgae at different ratios. The results showed that adding microalgae (MA) improved swine manure (SM) digestion performance and organic matter degradation, with the biogas yield of 212,8 mL.g SVad -1 and 48% of chemical oxygen demand (COD) removal obtained with the addiction of 10% percent of microalgae. Based on this result, a lab-scale reactor was used to calibrate and validate a simplified anaerobic digestion model. This model was then simulate on Matlab using the experimental data from the literature and our experimental results. The results showed that the model was able to predict reasonably well the biogas production, methane concentration and volatile solid removal at SM:MA ratio of 0,9:0,1. The results also indicated that the model would be a suitable tool to simulate continuously stirred tank reactors (CSTR) treating manure and crop residues. Keywords: Biogas. Anaerobic Digestion. Swine Manure. Microalgae.

Problems about greenhouse gas emissions attributed to cattle production and improvements in the productivity of these animals has been growing and becoming increasingly important. Cattle releases methane as part of their digestive process, and this represents loss of energy for the animal. The decomposition of feces releases methane and it can be recovered by digester and transformed into different types of energy. Thus, aiming to quantify the potential production of enteric methane and anaerobic fecal decomposition, as well as to evaluate ruminal and behavioral parameters of cattle fed with cottonseed and vitamin E. Six cannulated cows (864±16 kg) were distributed in a replicate 3x3 Latin square. Treatments were: 1) control diet; 2) CS: basal diet plus 30% cottonseed and 3) CSVitE: basal diet plus 30% of cottonseed plus 500 UI of vitamin E. Results were compared through orthogonal contrast and values were considered significant when P0,05. No differences were observed for dry matter intake (DMI), as well as digestibility of DM and neutral detergent fiber (NDF). Animals supplemented with cottonseed spent more time eating and ruminating and less time in idles. Reduction in the concentration and production of acetate, butyrate and the acetate: propionate ratio was observed in animals fed cottonseed compared to the control. Enteric methane mitigation was observed for the cottonseed treatments compared to the control. Changes in the substrates characteristics used to load the digesters were observed. However, no differences were verified for the total biogas production, methane yield and capacity to recover the energy of the feces in the form of methane. Inclusion of 30% cottonseed can be used as a strategy to mitigate enteric methane, without causing losses in the DMI, nutrients digestibility and anaerobic digestion of feces. In addition, it promoted favorable changes in the ingestive behavior, ruminal fermentation products, as well as in the energy partition of the gastrointestinal tract. Vitamin E when is used as antioxidant had not effect on ruminal fermentation, feeding behavior and feces anaerobic digestion, thus the inclusion is not advised due absence of positive results. / A problemática das emissões de gases de efeito estufa atribuída à produção de bovinos e melhorias na produtividade desses animais vem crescendo e se tornando cada vez mais importante. Bovinos emitem metano como parte do seu processo digestivo, e isto representa perda de energia para o animal. A decomposição das fezes gera metano, este pode ser recuperado por biodigestores e transformado em diferentes tipos de energia. Assim, objetivou-se quantificar o potencial de produção do metano entérico e da decomposição anaeróbia das fezes, bem como avaliar parâmetros ruminais e comportamentais de bovinos alimentados com caroço de algodão e vitamina E. Foram utilizadas seis vacas fistuladas não gestantes e não lactantes (876 kg±16). Os tratamentos foram: 1) Controle: dieta basal; 2) CA: dieta basal mais 30% de caroço de algodão; 3) CAVitE: dieta basal mais 30% de caroço de algodão mais 500 UI vitamina E. O delineamento experimental utilizado foi o quadrado latino. Os resultados foram comparados por contrastes ortogonais e foram considerados significantes valores de P0,05. Não foram verificadas diferenças para o consumo de matéria seca (MS), bem como digestibilidade da MS e da fibra em detergente neutro (FDN). Os animais suplementados com caroço de algodão passaram maior tempo comendo e ruminando e menor tempo em ócio. Houve redução na concentração e produção de acetato, butirato e da relação acetato:propionato dos animais que receberam caroço de algodão comparado ao controle. A inclusão do caroço de algodão provocou mitigação das emissões de metano entérico. Houve alteração nas características dos substratos utilizados para abastecer os biodigestores. No entanto, não foram verificadas diferenças para a produção total de biogás, rendimento de metano e capacidade dos biodigestores em recuperar a energia das fezes na forma de metano. A inclusão de 30% caroço de algodão pode ser utilizada como estratégia para mitigar metano entérico, sem causar perdas no consumo, digestibilidade dos alimentos e na biodigestão anaeróbia das fezes. Além disso, sua inclusão promoveu alterações favoráveis no comportamento ingestivo, nos produtos da fermentação ruminal, bem como na partição de energia do trato gastrointestinal. A vitamina E quando utilizada como antioxidante não possui efeitos sobre a fermentação ruminal, comportamento ingestivo e biodigestão anaeróbia das fezes, assim sua inclusão não é indicada devido a ausência de resultados favoráveis a sua utilização.

This Ph.D. thesis evaluates the joint treatment of WW and the organic fraction of the municipal solid waste (OFMSW) using the AnMBR (Anaerobic Membrane BioReactor) technology, obtaining methane-enriched biogas as a product, which could produce energy. OFMSW physicochemical characterization revealed that OFMSW COD concentration (59400±14000 mg·L-1) is a hundred times higher than the average values of COD in the WW. Therefore, an important increment in biogas production is expected. Besides that, OFMSW and WW sulphate concentration has similar concentration ranges, so COD/S-SO4 ratio increases and methanogenic Archaea (MA) is favoured in its competition for the available substrate against sulphate-reducing bacteria (SRB). OFMSW total nitrogen concentration is two times higher than in the WW. OFMSW total phosphorous concentration, is 10 times higher in comparison to WW. The particle size distribution study says that only 13% of the particles will be removed in a restrictive pre-treatment, as a 0.5 mm fine screening membrane protector. Therefore, most of the organic matter will pass through the sieving process and will be fed into the anaerobic digester for valorisation. OFMSW anaerobic biodegradability, obtained from BMP tests, is 72±3%. The pilot-plant was operated for 536 days, during which six different periods can be distinguished according to different sludge retention times (SRT) and OFMSW penetration factor (PF). OFMSW COD concentration increases the organic load of the influent which feds the AnMBR reactor. OFMSW proportion with regard to the total flow (1,1%) has a dilution effect that makes no change in nutrient concentration. Therefore, COD/S-SO4 ratio increases from 5.1 in Period 1 (40 days of SRT and 0% PF) to 8.0 in Period 5 (70 days of SRT and 80% PF). Methane production during joint treatment is significantly higher compared to Periods when only treating WW (Periods 1 and 6), reaching a 200% increment at 80% PF (Period 5) compared to Period 1. As expected, the longer the SRT the higher methane production with the same PF. At 40% PF and 70 days of SRT in Period 4, production is higher than 40 days SRT in Period 2 (114,9 L·kg-1 removed COD vs 80,4 L·kg-1 removed COD, respectively). Furthermore, doubling PF increased methane production by 30% (Period 4 vs Period 5) and by nearly 200% between P5 and P1 (from 0 to 80% PF). Effluent obtained in the AnMBR is nutrient-enriched and, thanks to the membrane effect, there are no suspended solids or pathogens in it, becoming a high-quality effluent, which could be used as irrigation water. Besides that, COD concentrations were lower than the limit concentration allowed to accomplish the discharge requirements (125 mg COD ·L-1). OFMSW addition and SRT increment results in a population change in the anaerobic reactor because of the increment in the bacterial population in charge of hydrolysis and fermentation and also in MA, leading to a higher organic matter biodegradability. After the calibration of the BNRM2 model, the performed simulations confirmed this higher biodegradability during the joint treatment periods. Membrane fouling was minimum, transmembrane pressure (TMP) in the membrane was significantly low (-0.131±0.06 bar) compared to the limit TMP (-0.40 bar). Regarding the economic study of the operation, the lower cost was found in Period 5 (70 days of SRT and 80% PF), achieving a benefit of 0.022 €·m-3 treated, due to the biogas operation against Period 1 (40 days of SRT and 0% PF) with an operation cost of 0.039 €·m-3 treated, under optimal filtration conditions, demonstrating that the joint treatment of OFMSW in an AnMBR reduces the operation costs. This Ph.D. thesis has demonstrated the technical and economic feasibility of the joint treatment of WW and OFMSW by using the AnMBR technology and the considerable interest in this treatment as a future option to convert the waste water treatment plants to water resource recovery facilities. / En esta Tesis Doctoral se evalúa la viabilidad técnico-económica del tratamiento conjunto de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) y las aguas residuales urbanas (ARU) mediante la tecnología AnMBR (Anaerobic Membrane BioReactor) obteniendo como producto el biogás, rico en metano, que puede producir energía. La caracterización físico-química de la FORSU pone de manifiesto una elevada concentración de materia orgánica de la FORSU (59400±14000 mg DQO·L-1), cien veces mayor respecto de los valores medios de ARU. Por ello, se espera un notable aumento de la producción de biogás. Además, la concentración de sulfato, se mantiene en unos rangos de concentración similares a los del ARU, de forma que la relación DQO/S-SO4 aumenta, favoreciendo a las Archaea metanogénicas (AM) en su competición por el sustrato disponible contra las bacterias sulfatoreductoras. La concentración de nitrógeno total es casi el doble de la del ARU afluente y 10 veces mayor en el caso del fósforo total. En el estudio de distribución de tamaño de partículas, se refleja que sólo el 13% de las partículas se eliminarán tras un pretratamiento de tamizado por 0,5 mm. Por lo tanto, la mayor parte de la materia orgánica pasa a través del proceso de tamizado y alcanza el reactor anaerobio para su valorización. La biodegradabilidad anaerobia de la FORSU, obtenida a partir de ensayos de BMP, es del 72±3%.La planta piloto AnMBR se operó durante 536 días, periodo en el cual se estudiaron distintas condiciones de operación modificando el tiempo de retención celular (TRC) y la proporción de FORSU introducida en el sistema (factor de penetración, FP). El aporte de DQO debido a la adición de la FORSU implica un notable incremento de la carga orgánica en la entrada al reactor AnMBR. La proporción de FORSU respecto al caudal total (1,1 %) provoca un efecto de dilución que hace que el aporte de nutrientes por parte de los residuos prácticamente no se aprecie. Así, la relación DQO/S-SO4 se ve incrementada de 5,1 en el Periodo 1 (TRC de 40 días y 0% de FP) a 8,0 en el Periodo 5 (TRC de 70 días y 80% de FP). La producción de metano durante el tratamiento conjunto es notablemente mayor que en los periodos donde sólo se trata ARU, alcanzando un incremento de casi un 200% cuando se trabaja con un FP del 80% y 70 días de TRC en el Periodo 5 con respecto de la producción sin FORSU. En general, la producción de metano es mayor cuanto mayor es el TRC. Con un mismo FP del 40%, se consigue una mayor producción en el Periodo 4, con 70 días de TRC (114,9 L·kg-1 DQO eliminada) que en el Periodo 2, con 40 días (80,4 L·kg-1 DQO elim). Por otro lado, al incrementar el FP de la FORSU al doble, se observa un aumento del 30% en la producción de metano y casi de un 200% al comparar con el periodo previo al tratamiento conjunto. El efluente obtenido es rico en nutrientes, y, gracias al efecto de las membranas, no hay presencia de sólidos suspendidos o patógenos, dotando al efluente de una gran calidad, por lo que puede ser utilizado como agua de riego. Además, se cumplieron los límites de vertido de DQO durante todo el experimento. La incorporación de la FORSU y el incremento del TRC provocan un cambio poblacional en las bacterias encargadas de la hidrólisis y la fermentación y de AM, traduciéndose en una mayor biodegradabilidad del afluente. Durante los diferentes periodos, el ensuciamiento de las membranas fue mínimo, la presión transmembrana (PTM), de -0,131±0,06 bar está muy alejada de la PTM límite (-0,40 bar. El menor coste económico se dio en el Periodo 5 (con TRC de 70 días y 80% de FP), demostrando que la adición de la FORSU reduce el coste de operación. La presente Tesis Doctoral ha demostrado la viabilidad del tratamiento conjunto de aguas residuales y FORSU con la tecnología AnMBR y el gran interés de este tratamiento como una opción de futuro dentro del concepto actual de transformar l / En aquesta Tesi Doctoral s'avalua la viabilitat tècnic-econòmica del tractament conjunt de les aigües residuals urbanes (ARU) i la fracció orgànica dels residus sòlids urbans (FORSU) mitjançant la tecnologia AnMBR (Anaerobic Membrane BioReactor), obtenint com a producte el biogàs, ric en metà, que pot produir energia. La caracterització físic-química de la FORSU posa de manifest una elevada concentració de matèria orgànica de la FORSU (59400±14000 mg DQO·L-1), cent vegades major respecte dels valors mitjans d'ARU. Per aquest motiu, s'espera un notable augment de la producció de biogàs. A més, la concentració de sulfat, es manté en uns rangs de concentració similars als del ARU, de manera que la relació DQO/S-SO4 augmenta, afavorint a les Archaea metagéniques (AM) en la seua competició pel substrat disponible contra els bacteris reductors de sulfat. La concentració de nitrogen total és quasi el doble de la del ARU afluent i 10 vegades major en el cas del fòsfor total. En l'estudi de distribució de grandària de partícules, es reflecteix que només el 13% de les partícules s'eliminaran després d'un pretractament restrictiu, com és el tamisat per 0,5 mm. Per tant, la major part de la matèria orgànica pansa a través del procés de tamisat i aconsegueix arribar al reactor anaerobi per a la seua valorització. La biodegradabilitat anaeròbia de la FORSU, obtinguda a partir d'assajos de BMP, és del 72±3%. Durant l'operació desenvolupada a escala de planta pilot, per un període de 536 dies, s'estudien sis períodes diferents modificant el temps de retenció cel·lular (TRC) i el factor de penetració (FP) de la FORSU. L'aportació de DQO a causa de l'addició de la FORSU implica un notable increment de la càrrega orgànica en l'entrada al reactor AnMBR. La proporció de FORSU respecte al cabal total (1,1 %) provoca un efecte de dilució que fa que l'aportació de nutrients per part dels residus pràcticament no s'aprecie. Així, la relació DQO/S-SO4 es veu incrementada de 5,1 en el Període 1 (TRC de 40 dies i 0% de FP) a 8,0 en el Període 5 (TRC de 70 dies i 80% de FP). La producció de metà durant el tractament conjunt és notablement major que en els períodes on només es tracta ARU (Períodes 1 i 6), aconseguint un increment de quasi un 200% quan es treballa amb un FP del 80% en el Període 5 respecte a la producció en el Període 1. En general, la producció de metà és major com més gran és el TRC. Amb un mateix FP del 40%, s'aconsegueix una major producció en el Període 4, amb 70 dies de TRC (114,9 L·kg-1 DQO eliminada) que en el Període 2, amb 40 dies (80,4 L·kg-1 DQO eliminada). D'altra banda, en incrementar el FP de la FORSU al doble, s'observa un augment del 30% en la producció de metà i quasi d'un 200% en comparar amb el període previ al tractament conjunt. L'efluent obtingut és ric en nutrients, i, gràcies a l'efecte de les membranes, no hi ha presència de sòlids suspesos o patògens, dotant a l'efluent d'una gran qualitat, per la qual cosa pot ser utilitzat com a aigua de reg. A més, es van complir els límits d'abocament de DQO durant tot l'experiment. La incorporació de la FORSU i l'increment del TRC provoquen un canvi poblacional en els bacteris encarregats de la hidròlisi i la fermentació i d'AM, traduint-se en una major biodegradabilitat de l'afluent. L'embrutiment de les membranes va ser mínim, la pressió transmembrana (PTM) en el mòdul de membranes de -0,131±0,06 bar està molt allunyada de la PTM límit (-0,40 bar). El menor cost econòmic es va donar en el Període 5 (amb TRC de 70 dies i 80% de FP) demostrant que el tractament conjunt de la FORSU en un AnMBR redueix el cost d'operació. La present Tesi Doctoral ha demostrat la viabilitat del tractament conjunt d'aigües residuals i FORSU amb la tecnologia AnMBR i el gran interès d'aquest tractament com una opció de futur dins del concepte actual de transformar les estacions de tractament / Moñino Amorós, P. (2017). Estudio de viabilidad de la incorporación de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) al tratamiento de aguas residuales mediante la tecnología de bioreactor de membranas anaerobias (AnMBR) [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/80535 / TESIS

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Los restos de vegetales, los animales muertos y también sus excrementos, se descomponen en la Naturaleza normalmente en contacto con el oxígeno del aire. Es lo que se conoce como degradación aerobia y en ella actúan microorganismos que consumen oxígeno en su metabolismo. Sin embargo, a veces la degradación de la materia orgánica se produce en ausencia del oxígeno del aire, esto es, en condiciones anaerobias. En estos casos, los microorganismos que actúan son del tipo anaerobio y su actividad, además de ir acompañada de un menor aumento de la temperatura, produce una mezcla gaseosa combustible compuesta principalmente de metano, dióxido de carbono, vapor de agua e hidrógeno. Esta mezcla gaseosa resultado de una degradación anaerobia se observa en las minas de carbón y se conoce como grisú; en los yacimientos petrolíferos, donde se denomina gas natural; o en los cementerios, donde es la causante de los llamados fuegos fatuos, por citar algunos ejemplos. De forma artificial, la degradación anaerobia es utilizada para la depuración de las aguas residuales urbanas, para la eliminación de los residuos sólidos urbanos en vertederos controlados y para el tratamiento de los excrementos de animales estabulados, conociéndose el gas generado en todos. En esta tesis se analiza la generación y recuperación del biogás en un vertedero, diseñando una serie de modelos matemáticos, proponiendo distintos ensayos de campo y definiendo los criterios que técnicamente deben ser tenidos en cuenta para controlar ambientalmente y aprovechar energéticamente este fenómeno.

El incremento de la población ha traído consigo un aumento acelerado del consumo de agua para suministro urbano e industrial, lo que produce un aumento de las aguas residuales. El crecimiento económico y las necesidades humanas, promueven el uso de diversas sustancias para la creación de productos necesarios para el ser humano, esto genera una mayor diversidad de contaminantes dentro de esta agua. Añadido a esto, la integración de nuevos y más sensibles métodos de análisis de composición del agua residual, permiten llegar a límites de detección de compuestos químicos en concentraciones traza (µg/L o ng/L). Compuestos que antiguamente no podian ser detectados y ahora llamados contaminantes emergentes (CEs) o microcontaminantes emergentes (MCEs) debido a sus bajas concentraciones. Estos compuestos generan un reto en la actualidad para la depuración de las aguas. Pues debido a la falta de información de los mismos, falta de regulación en algunos países y el posible impacto ecológico y toxicológico que puede generar, son de gran interés en la comunidad científica. A nivel mundial en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), la técnica más utilizada es el tratamiento biológico con lodos activos convencionales (CAS). Técnica que tiene altas eliminaciones de materia orgánica y según su configuración puede llegar a eliminar nutrientes. Pero en diferentes estudios se demuestra que, para algunos CEs, no presenta altas eliminaciones, lo cual genera puntos de vertido continuo de estos compuestos. Con el creciente interés en la mejora de la calidad de efluentes tratados, ya sea para vertido controlado sin deterioro ambiental o para su posible reutilización, los sistemas convencionales no generan los efluentes de alta calidad que a día de hoy se pretenden producir para los diferentes posibles usos. Es por esto que las normativas ambientales cada vez más estrictas y la comunidad científica interesada en mejorar las tecnologías de tratamiento de aguas residuales, promueven el estudio de diferentes tecnologías que permitan eliminar dichos compuestos y crear efluentes de alta calidad para su posible reutilización. Muchas tecnologías no presentan altas eliminaciones de CEs y las que obtienen buenos resultados son costosas de implementar en el tratamiento de agua residual urbana. Los sistemas que combinan procesos biológicos aerobios y anaerobios son de alto interés, puesto que son ambientalmente sostenibles, en especial gracias a su baja producción de fangos y bajos costes de operación y mantenimiento, y a que permiten una recuperación energética gracias al biogás producido en los procesos anaerobios. Una combinación interesante es la formada por un sistema anaeróbico (UASB) y un biorreactor de membranas (MBR). El tratamiento anaerobio se caracteriza por tener altas eliminaciones de materia orgánica y al tener una baja producción de lodos y producir biogás, que puede ser utilizado para diversos usos, lo que genera un interés económico en su implementación para el tratamiento de aguas. El sistema MBR es una combinación de dos procesos básicos, la degradación biológica y la filtración de los sólidos en suspensión y microorganismos responsables de biodegradación mediante una unidad de filtración por membrana. Este sistema ha mejorado la producción de efluentes de alta calidad, disminuyendo el coste y la necesidad de terreno frente a tratamientos convencionales seguidos de un tratamiento terciario. Por esta razón la utilización de esta tecnología está en auge creciente; no obstante, a pesar de los beneficios de la nueva tecnología, se observa que hay una condición de operación que limita este tipo de tratamiento. Se trata del ensuciamiento de la membrana, que representa un obstáculo importante para la amplia instalación y mantenimiento de los MBR. El ensuciamiento consiste en la deposición de material coloidal en suspensión en la membrana, la cual crea una capa de torta sobre la superficie de la misma, reduciendo su capacidad de filtración y obligando a realizar paradas técnicas de limpieza y mantenimiento. Cuando se implementa la electrocoagulación dentro del sistema MBR, configurando un Electro-Biorreactor de Membrana Sumergida (eMBR), se puede observar una reducción en el ensuciamiento de la membrana, ya que se producen cambios en las propiedades del licor mezcla, como el aumento del tamaño del flóculo y la reducción de sustancias poliméricas extracelulares SPE y productos microbianos solubles EPS. Asimismo, se ha visto en otras investigaciones como la electrocoagulación puede ser una tecnología que ayude a la eliminación de CEs, que con las configuraciones habituales no han sido eliminados. Esta investigación estudia la puesta en marcha y la operación de un sistema híbrido UASB + eMBR, con dos tipos de agua a tratar, agua residual sintética y agua residual de una depuradora real. La investigación con la alimentación de agua sintética se realizó en laboratorio y se consideraron dos fases. La primera de ellas sin contaminantes emergentes en el afluente, para estudiar la eliminación de materia orgánica y nutrientes y el efecto de la electrocoagulación en el ensuciamiento de la membrana, aplicando diferentes densidades de corriente de 5, 10 y 15 A/m2. En la segunda fase se introdujeron una serie de CEs seleccionados en el afluente sintético, para evaluar su reducción en el UASB y en el eMBR para las diferentes densidades de corriente aplicadas. La experimentación con agua residual real se realizó en la EDAR Monte Orgegia, donde se alimentó la planta piloto combinada con el efluente del tratamiento primario. Se utilizaron parámetros de operación similares a la experimentación con agua sintética. Se estudió la eliminación de contaminantes emergentes, materia orgánica, nutrientes y reducción del ensuciamiento de la membrana. Se aplicaron densidades de corriente más bajas que en la experimentación de laboratorio, de 2, 5 y 10 A/m2. Los parámetros de operación del sistema fueron: TRH del UASB 15 h, TRH del MBR 9 h, flujo de permeado en el MBR LMH 3±2, operación en el MBR con tiempos de permeado de 10 min y 1 min de retro­ lavado, tiempos de operación de la electrocoagulación de 5 min ON/10 min OFF. El análisis de reducción del ensuciamiento de la membrana se realiza tras la medición automática de la presión transmembrana (PTM) durante los días de operación en cada fase. Se completó el estudio con los cambios morfológicos del lodo y la concentración de EPS y SMP, junto con análisis respirométrico y observación de bioindicadores en licor mezcla. Se estudió la eficiencia en la remoción de demanda química de oxígeno (DQO), nitrógeno total (NT), fósforo total (PT) y en la eliminación de cuatro contaminantes emergentes seleccionados de la familia de los fármacos, que se han encontrado recalcitrantes en otras investigaciones y que son de preocupación por sus posibles efectos toxicológicos: lbuprofeno, 17α-etinilestradiol, Carbamazepina y Diclofenaco. Se evidenció que la combinación de UASB y eMBR para mejorar la calidad del efluente, es positiva. Los resultados demostraron altas eliminaciones de materia orgánica y con la implementación del sistema eMBR se incrementó la eliminación de fósforo, y de los contaminantes diclofenaco, carbamazepina y 17α-etinilestradiol. Este comportamiento se observó tanto con agua sintética como con el agua residual real. El sistema eMBR presentó un impacto positivo en relación a la eficiencia en la reducción del ensuciamiento de la membrana, debido a que la implementación de la electrocoagulación genero un cambio en las propiedades del lodo y consecuentemente en el ensuciamiento de la membrana. Las fracciones de proteínas y carbohidratos de las EPS solubles presentaron reducciones significativas respecto al MBR sin electrocoagulación. Se logró disminuir la PTM hasta un 80%, con una DC de 5 A/m2. / Proyecto CTM2016-76910-R: “Eliminación de contaminantes emergentes mediante procesos anaerobios y en serie y tratamientos complementarios: del Ministerio de Economía y Competitividad de España. Y la Generalitat Valenciana beca Santiago Grisolía ref. GRISOLIAP/2017/173.

El proceso industrial del arroz genera grandes cantidades de residuos que no poseen una ruta de disposición ambientalmente sostenible, sin embargo podría ser una fuente importante de carbono para tecnologías energéticas. En la actualidad, algunas empresas afrontan déficits energéticos, a pesar de que poseen abundantes recursos biológicos, esto realidad genera nuevas alternativas para dar un valor agregado a la materia prima, produciendo esa energía faltante a partir de biomasa, ofreciendo así autonomía energética en las industrias. La presente investigación se centra en aprovechar la cascarilla de arroz de la Piladora La Merced S.R.L. ubicada en la ciudad de Chiclayo, debido a que este residuo es incinerado, constituyendo un serio problema de contaminación ambiental. Por lo que se propone la generación de biogás a partir de la cascarilla de arroz para reducir costos energéticos en la empresa, empleando biodigestores de cúpula fija, ya que representa una opción viable a la generación de energía limpia, el cuidado del medioambiente y la disminución del efecto invernadero. A través de pronóstico de descomposición, método de factores ponderados, balance de materia y energía, método de Güerchet, software AutoCAD, herramienta costo-beneficio, fuentes bibliográficas, revisión de artículos científicos y diversos estudios; se determinó que para el año 2023 se empleará 1 105 707 kg de cascarilla de arroz en concentración de 1:5 de agua, para generar 323 827 kWh de energía para el funcionamiento de los motores del área de producción; pretendiéndose reducir así 23 288 kg CH4 equivalente a 489 053 kg CO2. Así mismo, la viabilidad del proyecto radica en el crecimiento tanto económico, social y ambiental, ya que permitirá que la empresa pueda aprovechar este residuo de manera eficiente para su propio beneficio teniendo una ganancia de 0,39 soles y recuperando la inversión en un periodo de 3 años y 24 días, reduciendo así el 100% de los costos energéticos.

<p>In the pilot plant at Hammarby Sjöstad, Sjöstadsverket, several new methods are tested in order to achieve a good use of resources. When a new technique is considered it is often the performance of the technique itself, under given conditions, that is evaluated. However, in order to evaluate the overall function the whole picture is needed. With a system analysis it becomes possible to make a comparison where all the positive aspects are put up against the negative ones, for the technique itself as well as its requirements. In this way the influence that minor components have on an entire system can be considered.</p><p>This report presents a system analysis of an anaerobic membrane reactor (MBR) with a VSEP-membrane (Vibratory Shear Enhanced Process). The MBR is tested at the research treatment plant at Hammarby Sjöstad. In the analysis presented two different treatment techniques treating two different types of wastewaters are compared. The considered techniques are conventional (represented by an active sludge process) and the MBRtechnique. The waters treated are a mixed wastewater and wastewater from a separating system where closet water is separated from greywater and mixed with food waste from waste disposers.</p><p>The system analysis has been carried out with the URWARE (URban WAter REsearch) system analysis tool. A new URWARE-model that describes the anaerobic reactor and the VSEP membrane was created in order to generate the system structures needed for the analysis. The model consists of two submodels, which as the other URWARE-models are mass-flow, steady-state models based on yearly average-values. The model was tested and calibrated from the test-results at the Hammarby Sjöstad pilot plant. In the study the systems are compared considering energy, exergy and recirculation of nutrients.</p><p>The VSEP-technique has some advantages compared to the conventional system as it ensures that a large part of the nutritional content in the wastewater can be retained. The advantage is more obvious with the separated system, where food waste is mixed with closet water. Also the global warming potential of the new technique is lower. However, conventional treatment is better from an exergy-perspective. This is mostly due to the high energy consumption as a result of the reversed osmosis (RO) required for post treatment.</p> / <p>I försöksanläggningen vid Hammarby Sjöstad, Sjöstadsverket undersöks flera olika metoder för att uppnå största möjliga resursutnyttjande. När en ny teknik utprovas är det i allmänhet funktionen hos den givna metoden under givna förutsättningar som undersöks. För att få ett helhetsperspektiv krävs emellertid att den sätts in i sitt sammanhang. En systemanalys gör det möjligt att få en bild av alla för- och nackdelar, såväl av tekniken i sig som av de förutsättningar den kräver. Även effekter som små delar har på ett helt system kan då belysas och dess betydelse för helheten fastställas.</p><p>Föreliggande studie möjliggör en systemanalytisk utvärdering av en anaerob membranbioreaktor (MBR) kopplad till ett VSEP-membran (Vibratory Shear Enhanced Process) som är under utprovning vid Sjöstadsverket. Studien jämför två vattenreningstekniker för behandling av två olika typer av avloppsvatten. Dels rör det sig om konventionell teknik (aktiv slam-rening liknande den behandlingsmetod som används idag), dels den nya MBRtekniken. De vatten som behandlas är blandat avloppsvatten respektive sorterat klosettvatten blandat med matavfall från avfallskvarnar.</p><p>Systemanalysen har utförts med hjälp av systemanalysverktyget URWARE (URban WAter REsearch). För att kunna bygga upp önskade systemstrukturer har en ny modell för att beskriva den anaeroba reaktorn och VSEP-membranet skapats inom ramen för detta examensarbete. Modellen består av två delmodeller, som liksom övriga modeller i URWARE är substansflödesmodeller där beräkningar är baserade på årsmedelvärden. Modellen har utprovats och kalibrerats mot mätresultat från pilotförsöken vid Sjöstadsverket. I studien jämförs systemen med avseende på energi, exergi och återföring av närsalter.</p><p>Utifrån systemanalysen konstateras att MBR-tekniken ger vissa fördelar gentemot konventionell teknik då en stor del av näringsinnehållet från avloppsvattnet kan fångas upp. Detta gäller speciellt då tekniken används i kombination med ett separerat avloppssystem där matavfall blandas med klosettvatten. Även växthuspotential för den nya tekniken är lägre totalt sett. Ur exergisynpunkt är konventionell teknik emellertid mer fördelaktig. Till stor del beror detta på hög energiförbrukning pga. den efterbehandling med omvänd osmos (RO) som systemet i dess nuvarande utformning kräver.</p>

In the pilot plant at Hammarby Sjöstad, Sjöstadsverket, several new methods are tested in order to achieve a good use of resources. When a new technique is considered it is often the performance of the technique itself, under given conditions, that is evaluated. However, in order to evaluate the overall function the whole picture is needed. With a system analysis it becomes possible to make a comparison where all the positive aspects are put up against the negative ones, for the technique itself as well as its requirements. In this way the influence that minor components have on an entire system can be considered. This report presents a system analysis of an anaerobic membrane reactor (MBR) with a VSEP-membrane (Vibratory Shear Enhanced Process). The MBR is tested at the research treatment plant at Hammarby Sjöstad. In the analysis presented two different treatment techniques treating two different types of wastewaters are compared. The considered techniques are conventional (represented by an active sludge process) and the MBRtechnique. The waters treated are a mixed wastewater and wastewater from a separating system where closet water is separated from greywater and mixed with food waste from waste disposers. The system analysis has been carried out with the URWARE (URban WAter REsearch) system analysis tool. A new URWARE-model that describes the anaerobic reactor and the VSEP membrane was created in order to generate the system structures needed for the analysis. The model consists of two submodels, which as the other URWARE-models are mass-flow, steady-state models based on yearly average-values. The model was tested and calibrated from the test-results at the Hammarby Sjöstad pilot plant. In the study the systems are compared considering energy, exergy and recirculation of nutrients. The VSEP-technique has some advantages compared to the conventional system as it ensures that a large part of the nutritional content in the wastewater can be retained. The advantage is more obvious with the separated system, where food waste is mixed with closet water. Also the global warming potential of the new technique is lower. However, conventional treatment is better from an exergy-perspective. This is mostly due to the high energy consumption as a result of the reversed osmosis (RO) required for post treatment. / I försöksanläggningen vid Hammarby Sjöstad, Sjöstadsverket undersöks flera olika metoder för att uppnå största möjliga resursutnyttjande. När en ny teknik utprovas är det i allmänhet funktionen hos den givna metoden under givna förutsättningar som undersöks. För att få ett helhetsperspektiv krävs emellertid att den sätts in i sitt sammanhang. En systemanalys gör det möjligt att få en bild av alla för- och nackdelar, såväl av tekniken i sig som av de förutsättningar den kräver. Även effekter som små delar har på ett helt system kan då belysas och dess betydelse för helheten fastställas. Föreliggande studie möjliggör en systemanalytisk utvärdering av en anaerob membranbioreaktor (MBR) kopplad till ett VSEP-membran (Vibratory Shear Enhanced Process) som är under utprovning vid Sjöstadsverket. Studien jämför två vattenreningstekniker för behandling av två olika typer av avloppsvatten. Dels rör det sig om konventionell teknik (aktiv slam-rening liknande den behandlingsmetod som används idag), dels den nya MBRtekniken. De vatten som behandlas är blandat avloppsvatten respektive sorterat klosettvatten blandat med matavfall från avfallskvarnar. Systemanalysen har utförts med hjälp av systemanalysverktyget URWARE (URban WAter REsearch). För att kunna bygga upp önskade systemstrukturer har en ny modell för att beskriva den anaeroba reaktorn och VSEP-membranet skapats inom ramen för detta examensarbete. Modellen består av två delmodeller, som liksom övriga modeller i URWARE är substansflödesmodeller där beräkningar är baserade på årsmedelvärden. Modellen har utprovats och kalibrerats mot mätresultat från pilotförsöken vid Sjöstadsverket. I studien jämförs systemen med avseende på energi, exergi och återföring av närsalter. Utifrån systemanalysen konstateras att MBR-tekniken ger vissa fördelar gentemot konventionell teknik då en stor del av näringsinnehållet från avloppsvattnet kan fångas upp. Detta gäller speciellt då tekniken används i kombination med ett separerat avloppssystem där matavfall blandas med klosettvatten. Även växthuspotential för den nya tekniken är lägre totalt sett. Ur exergisynpunkt är konventionell teknik emellertid mer fördelaktig. Till stor del beror detta på hög energiförbrukning pga. den efterbehandling med omvänd osmos (RO) som systemet i dess nuvarande utformning kräver.