Nesta tese foi estudada a influência da recirculação do percolado, ajustando as melhores taxas e freqüências, para degradação da fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos, em sistema de batelada de uma e duas fases (híbrido). Foram utilizados reatores de 3,45 litros preenchidos com resíduo sólido urbano padrão (FORSUp), percolado como inóculo e um filtro anaeróbio como reator metanogênico. Foram testadas as taxas de recirculação do inóculo de 1%, 2,5%, 5%, 10%, 20%, 30% e 50% e seu monitoramento feito por análises físico-químicas e microbiológicas. O reator que apresentou melhores valores de produção de metano e redução de DQO foi aquele com taxa de recirculação de 20% do percolado metanogênico. Na segunda etapa foram operados três digestores de 50L, alimentados com a FORSUp com as melhores taxas de recirculação determinadas na primeira etapa desse trabalho e a obtida no trabalho de Salgado (2003). Um reator simulou o reator acidogênico de um sistema de duas fases, no qual 20% de seu inóculo foi injetado em um filtro anaeróbio (com tempo de detenção hidráulico de 24 horas). Um outro sistema com taxa de 10% de recirculação de percolado foi operado como reator de uma fase. Outro reator, inoculado com a mesma quantidade de FORSUp e percolado, porém, não se realizou qualquer recirculação do seu inóculo (controle), servindo para comparar os digestores de uma e duas fases. O sistema de duas fases, comparado aos demais reatores, confirmou que a taxa de recirculação de 20%, obteve maior eficiência na partida, com elevada produção de metano e maior percentual de degradação de sólidos. Os exames microscópicos realizados em amostras de percolado desses reatores revelaram predominância de organismos de morfologia com características de Methanococcus e Methanosarcina. Concluiu-se que a taxa de recirculação de percolado influi significativamente nos reatores degradando a matéria orgânica. O estudo cinético confirmou que o processo de digestão obedece a cinética das reações em série, com elevados valores de k´1 / This thesis studied the influence of the leachate recirculation, adjusting to the best rates and frequencies, for degradation of the organic fraction of the urban solid wastes, in one and two-phases (hybrid) system. Bioreactors of 3.45 L were used and filled out with OFMSW pattern, leachate as seed and an anaerobic filter as methanogenic reactor. The performance of the reactors was analyzed varying recirculation rates (1, 2.5, 5, 10, 20, 30 and 50 % in volume of seed). Leachate samples from these reactors were examined through microscopical examinations and physical-chemical analyses to evaluate its performance. The reactor with 20% recirculation rate, got larger efficiency in the departure, methane production and percentage of solid degradation, compared to the others reactors. In the second stage, three 50L digesters were operated and fed with standard OFMSW with the best recirculation rates of the first stage and the best rate obtained in Salgado (2003). A bioreactor simulated the acidogenic reactor of a two-phase system, in which 20% of its seed was injected in anaerobic filter (with hydraulic detention time of 24 hours). Another system, with 10% of recirculation rate of leachate was operated in a one-phase reactor. Once more bioreactor, inoculated like others, however, without any recirculation were studied to compare with one and two-phase reactor. The two-phase system confirmed that the 20% recirculation rate, compared to the others reactors, obtained better efficiency with high methane production and solid degradation. The microscopical examinations in the leachate samples from this reactor presented predominance of organisms with characteristical morphology from Methanococcus and Methanosarcina. It was concluded that the leachate recirculation has significant influence in the degradation of organic matter bioreactors. The kinetic study confirmed that the anaerobic process for OFMSW proceed the in series kinetics, with high constants values of first order

La digestion anaérobie est un procédé permettant de transformer les déchets organiques en énergie utile, telle que le biogaz. Ce procédé fait intervenir des organismes vivants dont le comportement spécifique est fortement non linéaire. Par ailleurs, il est connu pour être sensible aux perturbations et naturellement instable. Ainsi, le développement de méthodologies efficaces pour sa commande et sa supervision est essentiel afin d’obtenir des résultats satisfaisants. Par conséquent, l’objet de cette thèse porte sur la modélisation de ce système complexe, la synthèse d’observateurs et de lois de commande afin d’améliorer le fonctionnement du procédé dans les stations de biogaz. Une modélisation formelle du procédé est alors proposée où des degrés de liberté additionnels ont été introduits dans la commande de production de biogaz. En effet, deux entrées de commande supplémentaires viennent compléter le modèle standard AM2 (Acidogenèse Methanogenesis, 2 étapes), reflétant l’ajout de substrats stimulants (acides et alcalinité) qui améliorent la qualité et la quantité du biogaz. Par la suite, l’identification des paramètres du modèle non linéaire résultant est traitée, ainsi que l’analyse de la positivité et la bornitude des variables d’état. Sur la base du modèle mathématique dérivé et des résultats de l’analyse, différents observateurs sont alors étudiés afin de surmonter le manque de capteurs fiables, autonomes et bons marché. En effet, deux observateurs sont alors développés, le premier dit invariant et le second non linéaire de la même forme que l’observateur généralisé d’Arcak. En outre, dans le but de rendre la conception d’observateurs plus robuste aux perturbations, le critère H∞ est introduit dans la synthèse. Une extension de la méthodologie est proposée pour les systèmes discrets ainsi qu’aux systèmes non linéaires avec sorties non linéaires. Pour la synthèse des différents observateurs, le théorème des accroissements finis est appliqué, ce qui permet de transformer la dynamique non linéaire de l’erreur d’estimation en un système linéaire à paramètres variants. La condition de Lipschitz est alors conjointement utilisée avec la fonction classique de Lyapunov pour la synthèse des conditions de stabilité sous forme d’Inégalités Matricielles Linéaires (LMIs). Enfin, afin d’améliorer la faisabilité de ces dernières conditions, une reformulation judicieuse de l’inégalité de Young est alors introduite. Concernant la commande du procédé, une commande par retour d’état pour le suivi d’une trajectoire de référence est choisie. Prenant en compte la disponibilité partielle des mesures du vecteur d’état, un observateur exponentiel non linéaire est introduit dans la synthèse de la loi de commande. Ainsi, une commande par retour d’état basée observateur est obtenue. Pour effectuer l’analyse de stabilité du système en boucle fermée composée du procédé, de l’observateur et du contrôleur, le lemme de Barbalat est alors utilisé conjointement avec les techniques déjà mentionnées pour la synthèse d’observateurs. Enfin, deux différentes méthodes pour le calcul des paramètres du contrôleur et de l’observateur sont proposées. Séparément, dans un premier temps. Puis simultanément dans un second temps / In this thesis, we propose a formal modelling framework for the anaerobic digestion process, where we add more degrees of freedom in the control of biogas production. Indeed, we add two additional control inputs to the standardized AM2 (Acidogenesis Methanogenesis, 2 steps) model, reflecting addition of stimulating substrates which enhance the biogas quality and quantity. Then, we describe how the parameters of the resulted nonlinear model can be identified, and we analyse the positiveness and boundedness of its state variables. Based on the derived mathematical model and the analysis results, we design different software sensors to overcome the lack of reliable and cheap sensors. Indeed, we present a general class of systems to which the considered process model belongs. Then, we design an LMI-based invariant like observer as well as an LMI-based nonlinear observer of the same form as the generalized Arcak’s observer. Furthermore, with the aim to render the observer design more robust to disturbances, we include the H∞ criterion in its synthesis. Also, to promote the use of the proposed observers in real applications, we extend the methodology to the discrete time case and to the case of nonlinear systems with nonlinear outputs. For the different observers design, we use the differential mean value theorem which allows the transformation of the nonlinear estimation error to a linear parameter varying system. Then, we use the Lipschitz conditions and the Lyapunov standard function to synthesize the stability conditions in the form of linear matrix inequalities. Finally, we enhance the feasibility of the later conditions by using a judicious reformulation of the Young’s inequality. In the thesis, we also deal with the process control where we propose a control strategy to track an admissible reference trajectory planned by the plant operator. Moreover, to account for the partial availability of the state vector measurements, we include an exponential nonlinear observer in the control synthesis. Thus, we design an observer based tracking control scheme. To perform the stability analysis of the closed loop system, composed of the system, the observer and the controller, we use the Barbalat’s lemma conjointly with the techniques already mentioned for the observers design. Finally, we propose two different methods to compute the controller and the observer parameters. In the first one, we propose to compute them separately. While, in the second one we compute the parameters simultaneously

Submeteu-se um Reator Anaeróbio Horizontal de Leito Fixo (RAHLF) de bancada, ao aumento progressivo da concentração de matéria orgânica afluente, e a cargas de choque orgânicas, com o objetivo de verificar-se seu desempenho e estabilidade operacional. O RAHLF foi construído com um tubo de boro-silicato de 100 cm de comprimento, 5,0 cm de diâmetro e 1995 ml de volume total e preenchido com lodo anaeróbio imobilizado em matrizes de espuma de poliuretano. O reator foi alimentado, inicialmente, com substrato composto principalmente de carboidratos em concentrações, expressas como Demanda Química de Oxigênio (DQO) de, aproximadamente, 200, 1000 e 2000 mg/l. Posteriormente, os carboidratos foram substituídos por metanol e ácidos voláteis, em concentrações totais, aproximadas, de 2000, 3000, 4000 e 5000 mg DQO/l. Atingido o estado estacionário para cada condição operacional, foram aplicadas cargas de choque, aumentando-se em três vezes o valor da DQO afluente, durante período equivalente ao tempo de detenção hidráulica (sete horas). O sistema apresentou problemas operacionais durante os experimentos com carboidratos, quando submetido a 2000 mg DQO/l, correspondente à taxa volumétrica de carregamento orgânico de 8,77 KgDQO/m3.d. Não foi verificado qualquer problema operacional durante os experimentos com substrato contendo metanol e ácidos voláteis, e o reator apresentou eficiência de remoção de DQO superior a 90%. Para o experimento com DQO afluente igual a 2000 mg/l, os parâmetros cinéticos foram estimados a partir de modelo cinético de 1ª ordem, obtendo-se valor de k1 igual a 0,049 h-1, nos demais experimentos ajustou-se modelo cinético de 2ª ordem com valor médio de k2 equivalente a 2,0 x 10-4 l/mg.h Foram aplicadas cargas de choque orgânicas equivalentes a, aproximadamente, 17; 27; 40 e 47 kgDQO/m3.d. Os efeitos das sobrecargas orgânicas no reator foram transientes em todos os casos, tendo o reator voltado à condição inicial em, no máximo, 15 horas após o início das sobrecargas. / A Horizontal flow Anaerobic lmmobilized Sludge Reactor (HAIS) was subjected to progressively increasing concentrations of organic effluent material and to organic shock loads with the purpose of investigating its operational performance and stability. The HAIS, consisting of a 100 cm long, 5 cm diameter borosilicate tube with a total volume capacity of 1995 mL, was filled with anaerobic sludge immobilized in foam and polyurethane matrixes. The reactor was initially fed with a substrate composed mainly of carbohydrates in concentrations, expressed as Chemical Oxygen Demand (COD), of approximately 200, 1000 and 2000 mg/L. These carbohydrates were later replaced by methanol and volatile acids in total concentrations of 2000, 3000, 4000 and 5000 mg COD/L. Shock loads were applied after each operational condition became stationary, with the effluent COD tripled for a period equivalent to the hydraulic detention time (seven hours). The system presented operational problems during the experiments with carbohydrates when subjected to 2000 mg DQO/l, which corresponded to a volumetric organic load index of 8,77 Kg COD/m3.d. No operational problems were detected during the experiments with substrates containing methanol and volatile acids, and the reactor presented a COD removal efficiency of over 90%. The kinetic parameters for the COD effluent with 2000 mg/L were estimated based on a first arder kinetic model, which resulted in a k1 value of 0,049 h-1, while a kinetic model of the second order was used for the remaining experiments, with a mean value of k2 equivalent to 2,0 x 10-4 L/mg.h. Organic shock loads of approximately 17; 27; 40 and 47 kg COD/m3.d were applied. The effects of the organic overloads on the reactor were transient in every case, with the reactor returning to its initial condition at the most 15 hours after the beginning of the overloads.

O presente estudo teve por finalidade testar a hipótese de que o uso de uma taxa de recirculação variável do lixiviado de um reator tratando a fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos domésticos, em um sistema em batelada híbrido, seria capaz de acelerar a degradação deste substrato em comparação com um sistema idêntico, porém que operasse com taxa de recirculação constante. Dois conjuntos de reatores foram operados, um com taxa de recirculação constante (sistema controle) e o outro com taxa de recirculação variável (sistema experimental). Os reatores foram mantidos em sala climatizada, com temperatura mantida em 35 ºC '+ OU -' 1 ºC. Cada conjunto era composto de um reator de sólidos, preenchido com o resíduo a ser digerido misturado a lixiviado de aterro sanitário, e um filtro anaeróbio, destinado a tratar o lixiviado que saía do primeiro. O substrato utilizado foi a fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos domésticos padronizada (FORSUDp). Diversas variáveis foram medidas para o acompanhamento do processo: DQO de amostras filtradas e não filtradas, alcalinidade total, alcalinidade a ácidos voláteis, série de sólidos, nitrogênio total Kjeldahl e amoniacal, fósforo total, ácidos voláteis e composição do biogás por cromatografia gasosa. Também se acompanhou o desenvolvimento da microbiota anaeróbia por microscopia óptica de contraste de fase e fluorescência. A microscopia eletrônica de varredura indicou desenvolvimento de biofilme no meio suporte dos filtros anaeróbios. Concluiu-se que a taxa de recirculação variável consegue acelerar o processo, além de alterar de forma significativa o comportamento dos reatores e a forma de interação entre os mesmos / The objective of this study was to test the following hypothesis: varying the leachate recirculation rate in a hybrid batch reactor would make it possible to shorten the time required for the digestion of MSW, in comparison to a similar system operating with constant recirculation rate. Two sets of reactors were operated, one with constant recirculation rate (control system) and the other with varying rate (experimental system). The reactors were kept in a room which internal temperature was controlled. The temperature was kept at 35 ºC '+ OU -' 1ºC. Each set of reactors was composed of a solids reactor, filled with solid wastes and inoculated with landfill leachate, and an anaerobic filter, that should treat the leachate form the first one. The substract used was the standardized organic fraction of the municipal solid wastes (FORSUDp). Several parameters were measured for process monitoring: COD (in filtered and not filtered samples), total alkalinity, volatile acids alkalinity, solids, Kjeldahl nitrogen, ammonium nitrogen, total phosphorus, volatile acids by gas chromatography and biogas composition. The development of the anaerobic microorganisms was observed with phase-contrast and fluorescence microscopy. Scanning electron microscopy of the packed bed media showed biofilm development. It was concluded that the varying leachate recirculation rate proved to be able to enhance the degradation process. Besides, this operational strategy entirely changed the behaviour and interaction of the reactors

No Brasil, apesar do desenvolvimento mais acentuado na suinocultura, é na bovinocultura que se encontra o maior potencial para a digestão anaeróbia no tratamento de dejetos animais. O último Censo Agropecuário revelou uma tendência de concentração da criação de bovinos de leite e corte, além da migração para a região amazônica, resultando em maior pressão sobre a floresta nativa. Também evidenciou que a maior parte dos dejetos ainda é utilizada in natura. O aproveitamento em biodigestores dos dejetos coletáveis de um rebanho com aproximadamente 200 milhões de bovinos poderia resultar na auto-suficiência energética do setor agropecuário brasileiro. Os principais desafios encontram-se na dispersão destes resíduos e num entendimento limitado dos benefícios dos subprodutos da biodigestão, em especial o valor econômico e ambiental do biofertilizante. As ferramentas disponíveis costumam tratar separadamente as duas vertentes, uma energética associada ao biogás e a outra agronômica associada ao biofertilizante. Este trabalho apresenta uma abordagem original deste problema através do desenvolvimento de uma ferramenta que trata estas vertentes simultaneamente, através da simulação da dinâmica dos nutrientes no sistema solo-planta-animal. Partiu-se do modelo Century, tornando dinâmicos os parâmetros dos seus módulos GRAZING e OMAD (pastejo e adição de matéria orgânica, respectivamente). Para isso foram incorporadas rotinas que simulam o manejo dos animais, nutrição animal, manejo dos dejetos e digestão anaeróbia. O Modelo Century Modificado (MCM) foi capaz de simular a composição dos dejetos (carbono, nitrogênio e lignina), perda de nitrogênio no solo em função de diversas taxas de ocupação, o consumo dos animais em função da qualidade da espécie forrageira, entre muitos outros parâmetros. O MCM foi aplicado ao pastejo de braquiária por bovinos na zona da mata mineira (Coronel Pacheco), no período após a remoção da mata atlântica e conversão em pastagem e revelou que a biodigestão dos dejetos pode contribuir para a sustentabilidade econômica e ambiental dos bovinocultores de diversas formas. A redução das perdas de nitrogênio resulta em menor demanda de adubos nitrogenados e aumenta os benefícios e competitividade dos biodigestores. Na comparação com o manejo tradicional, verifica-se que os compartimentos ativos de C e N são fortemente impactados pela estratégia de manejo dos dejetos. O uso do MCM revela também que a digestão anaeróbia pode viabilizar maiores taxas de ocupação e a suplementação alimentar pode interferir com a estratégia de manejo dos dejetos. O modelo pode auxiliar em análises de emissões de gases de efeito-estufa, inclusive emissões entéricas, por incorporar a dinâmica de carbono em todos os componentes do sistema: solo, plantas e animais. Com parâmetros adequadamente escolhidos pode-se conduzir análises para qualquer região, não se limitando à região alvo do trabalho. / In Brazil, despite greater development with swine manure, anaerobic digestion finds its greatest potential in cattle sector when manure treatment is concerned. The last Livestock and Agriculture Census revealed a clear trend towards more concentrated milk and beef cattle breeding, besides migration to the Amazon Region, leading to higher pressure over the native forest. Also showed that manure is mainly used in natura. Collectable manure treatment with biodigesters considering a herd of approximately 200 million cattle heads would allow Brazilian livestock and agriculture sectors to be energetically self-sustainable. Main challenges are dispersion of manure availability and limited understanding of benefits associated with anaerobic digestion byproducts, especially digestate economic and environmental valuation. Available tools normally focus on two branches separately, one directed to energy associated to biogas and the other, agronomic, linked to the digestate. This thesis presents an original approach to this problem through the development of a tool that addresses these two branches simultaneously through the simulation of nutrients dynamics in soil-plant-animal system. Starting point was the Century Model, turning GRAZING and OMAD modules parameters into dynamic variables. New routines were developed and incorporated aimed at simulating herd evolution, animal nutrition, manure management and anaerobic digestion. The Modified Century Model (MCM) successfully simulated manure composition (carbon, nitrogen and lignin), soil nitrogen losses for different animal occupation rates and intake versus feed characteristics, among many other parameters. MCM was applied to brachiaria grazing by cattle at the zona da mata mineira (Coronel Pacheco) after Atlantic forest removal and revealed that anaerobic digestion can contribute to economic, energetic and environmental sustainability of cattle operations in many ways. Reduction of nitrogen losses leads to lower demand of nitrogenated fertilizers and increases the benefits and competitiveness of biodigestors. In comparison to traditional management, C and N active pools are strongly impacted by manure treatment strategies. MCM also shows that anaerobic digestion can lead to denser animal occupation rates and that supplements can impact manure management strategy. MCM can support greenhouse gases emission analysis, including enteric emissions, considering carbon dynamics in all related elements: soil, plants and animals. With parameters adequately chosen analysis can be developed for any region, not limited to the targeted region of this thesis.

A pesquisa teve como objetivo estudar as possibilidades de tratamento, aeróbio e anaeróbio, da fração orgânica dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) de forma a atender ao disposto na Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS). Além de ser previsto em lei, o tratamento da fração orgânica se faz necessário já que no Brasil são gerados quase 100 mil toneladas por dia de resíduos orgânicos. A maioria desses resíduos é atualmente disposta em aterros sanitários. Porém, a PNRS determina que a partir de agosto de 2014 apenas sejam dispostos em Aterros Sanitários os rejeitos, resíduos os quais já se esgotaram as possibilidades técnicas e econômicas de tratamento. Verificou-se que os resíduos orgânicos podem ser tratados através da compostagem e biodigestão. Outro objetivo da pesquisa foi analisar os objetivos relacionados ao tratamento da fração orgânica dos RSU dos Planos Municipais de Gerenciamento Integrado de Resíduos Sólidos (PMGIRS) dos municípios da bacia hidrográfica do Alto Tietê. Esses planos são outra obrigatoriedade prevista na PNRS. Essa lei determinou um prazo (Agosto de 2012) para que os municípios tivessem apresentado seus planos e, assim, tivessem acesso aos recursos da União destinados a gestão e o gerenciamento de resíduos sólidos. A Bacia em estudo está localizada na região sudeste e possui 34 municípios. Juntos, esses municípios geram mais de 12 mil toneladas por dia de resíduos orgânicos. De todos os municípios da bacia apenas sete, aproximadamente 20%, apresentaram o PMGIRS. As metas relacionadas ao tratamento de resíduos orgânicos dos PMGIRS estudados foram avaliadas e, dos sete municípios que apresentaram o plano municipal, apenas dois apresentaram metas favoráveis, dois apresentaram metas intermediárias e dois apresentaram metas desfavoráveis, segundo critério de classificação apresentado pela prévia do Plano Nacional de Resíduos Sólidos. Apenas um município não apresentou nenhuma meta relacionada ao tratamento de resíduos orgânicos. Após análise dos PMGIRS foi proposto um modelo de gestão da fração orgânica dos RSU para os municípios da bacia do Alto Tietê. / The research studied the treatment possibilities for the organic fraction of municipal solid waste (MSW) in order to meet the provisions of the National Policy on Solid Waste (PNRS). Besides being provided by law, the treatment of the organic fraction is necessary since in Brazil are generated almost 100 tons per day of organic waste. Most of this waste is currently disposed of in landfills. However, PNRS determines that from 2014 only tailings, waste which has already exhausted the technical and economical possibilities of treatment, can be disposed in landfills. It was found that the organic waste can be treated by composting and digestion. Another objective of the research was to analyze the objectives related to the treatment of the organic fraction of MSW presented by the Municipal Plans for Integrated Solid Waste Management (PMGIRS) of the municipalities of Alto Tietê basin. These plans are another requirement provided for in PNRS. This law set a deadline (August 2012) for the municipalities had submitted their plans and thus have access to the resources of the Union for the solid waste management. The study basin is located in the Brazilian southeastern region and has 34 municipalities. Together, these municipalities generate more than 12 tons of organic waste per day. Only seven (20%) of all the municipalities of the basin showed the PMGIRS. The goals related to the treatment of organic waste were evaluated, and of all PMGIRS that were presented only two had positive goals, other two had intermediate goals and two had unfavorable goals, according to classification criteria presented by the National Plan of Solid Waste. Only one municipality did not have any goals related to organic waste treatment. After analyzing the PMGIRS was proposed a management model for the organic fraction of MSW for the municipalities of Alto Tietê basin.

O objetivo do presente trabalho foi a avaliação das características operacionais de um reator UASB sem o dispositivo de coleta de gás (separador trifásico) e sem o anteparo retentor de escuma posicionado próximo à canaleta de coleta do efluente. A motivação para esta pesquisa foi o interesse manifestado pelas companhias de saneamento em aplicar esta simplificação, que poderá implicar em economia na implantação dos reatores e praticamente na eliminação da necessidade de remoção de escuma. Utilizou-se um reator UASB com tais simplificações com volume útil de 24,5 m3 e estabeleceu-se uma estratégia operacional com aumento gradual da vazão de alimentação, compondo quatro fases de operação, com tempos de retenção hidráulica respectivamente de 16, 12, 10 e 8 horas. As vazões foram mantidas constantes em cada fase, com exceção da última, em que se impôs dois picos de vazão ao longo dia. O reator manteve-se operando com eficiências médias de remoção de DQO total, respectivamente, de 65,9%, 60,3%, 48,7% e 15,0%. De modo geral, pode-se afirmar que o reator piloto não apresentou o desempenho esperado, em termos de remoção de matéria orgânica, para TDH de 8 horas. Quanto ao perfil de sólidos no manto de lodo, nas duas primeiras etapas (TDH de 16 e 12 horas), o teor de sólidos daquele foi elevado, mas reduziu-se drasticamente a partir da etapa com TDH de 10 horas. Na última etapa, o comportamento da manta de lodo foi pouco previsível, observando-se progressivo arraste de sólidos do reator. Em função da grande perda de sólidos, acredita-se que o artifício empregado possa ser utilizado com melhor desempenho com a implantação de um decantador a jusante do reator ou mediante a aplicação de um pós-tratamento que garanta a recuperação dos sólidos perdidos (por exemplo, lodos ativados). Outra alternativa é a própria substituição do UASB pelo decantador primário antes de um pós-tratamento aeróbio. / The objective of this study was to evaluate the operational characteristics of a UASB reactor without the gas collection device (three phase separator) and without the scum retainer screen positioned near the effluent collection channel. The motivation for this research was the interest shown by sanitation companies to apply this simplification, which can result in savings in the implementation of the reactors and practically in eliminating the need of scum removal. An UASB reactor was used with such simplifications with a volume of 24.5 m3 and an operational strategy was established with gradual increase of the feed flow, consisting of four operating phases, with hydraulic retention times, respectively, of 16, 12, 10 and 8 hours. The flows were kept constants at each operating phase, except the last, which was imposed two peak flows throughout the day. The reactor was kept operating with efficiency of COD removal, respectively, of 65.9%, 60.3%, 48.7% and 15,0%. Generally, the pilot reactor had not the expected performance in removal of organic matter, with hydraulic retention time of 8 hours. In the first two fases (HDT of 16 and 12 hours), solid\'s content in sludge blanket was high, but had reduced significantly from the second fase, with 10 hours of HDT. In the last fase, the sludge blanket behavior was bit predictable, with progressive drag of solids from reactor. Because of high solids loss, it is believed that the applied device can be used with better performance with the implantation of a settler after the reactor or a post-treatment that ensures the lost solids recovery (for example, activated sludge). Another alternative is the replacement of UASB by the primary clarifier before aerobic post-treatment.

Made available in DSpace on 2017-07-21T18:53:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Debora C Moreira.pdf: 799615 bytes, checksum: bf5390535b39bc8ca4f452bde2fd297b (MD5) Previous issue date: 2013-07-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The search for renewable energy and food production with the minimum threat to the environment are themes that have been studied for all over the world. Several processes have been developed for the use of agroindustrial wastes, transforming them into chemical compounds and products with high added value. The use of agroindustrial wastes in bioprocesses helps the search for sustainable processes. The increasing in the agricultural productivity in Brazil, open a new market to the development of researches that study this issue. The statistical modeling of mixtures, allied with the design of experiments, has application in a several industrial systems. The aim of this work was to study the possibility of use agroindustrial wastewater mixtures to produce propionic acid. Four types of wastewater were studied: corn steep liquor, pet food wastewater, meat processing wastewater and dairy wastewater. Assays were performed to obtain the best composition of the mixtures and the best substrate ratio. Within the conditions employed, the mixture containing 75% of corn steep liquor and 25% of another substrate, were most suitable for the process. Studying the tests in which the fermentations conditions varied (boiling the substrate, agitation and pH correction to 6,5) the best concentrations of propionic acid, 229,57 mg.L-1, were produced by mixing 75% of corn steep liquor and 25% of pet food wastewater, after 72h of fermentation, with initial correcting of pH to 6,5, followed by the mixture containing 75% of corn steep liquor and 25% of meat processing wastewater, that enabled the production of 154,27 mg.L-1 of propionic acid. The mixture with 75% of corn steep liquor and 25% of dairy wastewater with daily pH correction enabled the production of 220,96 mg.L-1 of propionic acid after 72 hours of fermentation. The other essay conditions were not significant for propionic acid biosynthesis. The statistical analysis confirms that it is possible to use codigestion agroindustrial waste for propionic acid production. / A busca por fontes de energia renovável e a produção de alimentos com a mínima ameaça ao ecossistema têm sido temas bastante pesquisados em todo o mundo. Diversos processos têm sido desenvolvidos para a utilização de resíduos agroindustriais, transformando-os em compostos químicos e produtos com alto valor agregado. A utilização de resíduos agroindustriais em bioprocessos favorece a busca por processos sustentáveis. O aumento da produtividade agrícola no Brasil abre um novo mercado para o desenvolvimento de pesquisas que abordem este tema. O planejamento estatístico de misturas, aliado à otimização de experimentos, tem aplicação em diversos sistemas industriais. O objetivo deste trabalho foi avaliar a possibilidade da utilização de misturas de efluentes agroindustriais para a produção de ácido propiônico. Foram utilizados quatro tipos de efluentes: efluente do processamento de milho, efluente do processamento de ração animal, efluente de processamento de carnes e de laticínio. Foram realizados ensaios para a obtenção da melhor composição das misturas, definindo-se a melhor proporção dos substratos. Dentro das condições empregadas, as composições contendo 75% do efluente do processamento de milho e 25% de outro substrato foram as mais adequadas ao processo. Nos ensaios onde as condições de fermentação foram variadas (fervura prévia do substrato, agitação e correção do pH para 6,5), os melhores resultados de produção de ácido propiônico, 229,57 mg.L-1, foram obtidos com substrato composto por 75% de efluente do processamento de milho mais 25% de efluente de fábrica de ração, com 72h de fermentação, correção de pH inicial para 6,5 e sem agitação, seguido de substrato com 75% de efluente do processamento de milho mais 25% de efluente de processamento de carnes, nas mesmas condições, obtendo-se produção de 154,27 mg.L-1 de ácido propiônico. O substrato contendo 75% de efluente do processamento de milho mais 25% de efluente de laticínio, possibilitou produção de 220,96 mg.L-1 de ácido propiônico, após 72 horas de fermentação e com correção de pH a cada 24 horas. As outras condições testadas não foram significativas na biossíntese de ácido propiônico. A análise estatística dos dados confirmou que é possível a utilização de codigestão de efluentes agroindustriais para a produção de ácido propiônico.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-01-31T12:54:08Z No. of bitstreams: 1 Nara Paula Schmeier_.pdf: 877010 bytes, checksum: f002cde3446d9c5552d9a747ff097801 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-31T12:54:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nara Paula Schmeier_.pdf: 877010 bytes, checksum: f002cde3446d9c5552d9a747ff097801 (MD5) Previous issue date: 2017-11-20 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Petrobras - Petróleo Brasileiro S. A. / PROSUP - Programa de Suporte à Pós-Gradução de Instituições de Ensino Particulares / O processo de digestão anaeróbia tem sido empregado com destaque no tratamento de resíduos sólidos orgânicos, por tratar-se de uma alternativa para amenizar problemas ambientais e também por uma questão energética, visto que possibilita a produção de energia para auxiliar a suprir a alta demanda, em consequência do elevado crescimento populacional e industrial. No entanto, questões relativas a escalas de trabalho, formas de operação, carga orgânica e influência de parâmetros como AGV, alcalinidade e nitrogênio amoniacal (NA) perduram. Desta forma o presente trabalho objetivou avaliar a operação de biodigestor, ao longo de 340 dias, mediante variação de frequências de adição de RSO e cargas orgânicas volumétricas (COV) de 7,98, 7,80, 9,64, 3,28, 4,10 e 5,00 kg STV/m3.d., com média de ST: 339,6 mg/g e umidade: 64%, frente a produção de biogás e CH4. Ademais, também buscou avaliar a influência de parâmetros como AGV, alcalinidade e nitrogênio amoniacal sobre o processo de DA. O sistema experimental foi composto por um biodigestor de câmara única, com volume de 0,28 m³, alimentado com RSO do restaurante universitário e inoculo ambientado a digestão de RSO. O monitoramento do processo experimental foi realizado por meio de caracterização físico-química (pH, DQO, DBO, alcalinidade, AGV, ST, STF, STV, NT, NA, PT e COT) das frações sólidas e líquidas, além da quantificação do biogás (volume e percentual de CH4). O processo de digestão revelou que aplicações de COVs de 3,28, 4,10 e 5,00 kg STV/m3.d. possibilitaram maiores rendimentos de biogás e CH4, em relação a COVs de 7,98, 7,80 e 9,64 kg STV/m3.d. A aplicação continua da COV de 4,10 kg STV/m3.d. apresentou o maior rendimento de biogás e CH4 em função dos STV aplicados, sendo 94,63 NL/kg STV e 45,42 NL/kg STV, respectivamente. No decorrer do processo de digestão, elevadas razões de AGV/Alcalinidade, baixas razões de C/NT e elevadas concentrações de AGV e NA levaram a uma condição de digestão que representou rendimentos reduzidos de biogás e metano. / The anaerobic digestion (AD) process has been used in the treatment of organic solid waste, for being an alternative to ease environmental problems and also an energy issue, since it allows the production of energy to help supplying the high demand, as a result of high population and industrial growth. However, issues concerning work scales, operation forms, organic loads and influence of parameters such as VFA, alkalinity and ammonia nitrogen (AN) to linger. In this way, the objective of this work was to evaluate the biodigester operation, during 340 days, by varying the frequencies of organic solid waste (OSW) and organic loading rate (OLR), of 7,98, 7,80, 9,64, 3,28, 4,10 e 5,00 kg STV/m3.d., with mean de TS: 339,6 mg/g and humidity: 64%, against production of biogas and CH4. In addition, it also sought to evaluate the influence of parameters such as VFA, alkalinity and AN on the DA process. The experimental system consisted of a single chamber biodigester with a volume of 0.28 m³, fed with OSW from a university restaurant and inoculum set to the digestion of OSW. The monitoring of the experimental process was carried out through physicochemical characterization (pH, COD, BOD, alkalinity, VFA, TS, TFS, TVS, TN, AN, PT and TOC) solid and liquid fractions, in addition to the quantification of biogas (volume and percentage of CH4). The digestion process revealed that OLRs applications of 3,28, 4,10 e 5,00 kg TVS/m3.d. allowed higher yields of biogas and CH4, in relation to OLRs of 7,98, 7,80 e 9,64 kg TVS/m3.d. The continuous application of OLR of 4,10 kg TVS/m3.d. showed the highest biogas yield and CH4 as a function of the VTS applied, being 94,63 NL/kg TVS and 45,42 NL/kg TVS, respectively. During the digestion process, high AGV/Alkalinity ratios, low C/N ratios and high concentrations of VFA and AN led to an digestion condition which represented reduced yields of biogas and methane.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-04-03T16:15:47Z No. of bitstreams: 1 Mirela Miorim_.pdf: 846687 bytes, checksum: 14941a4020bedba06eadbccc896dd4d1 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-03T16:15:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mirela Miorim_.pdf: 846687 bytes, checksum: 14941a4020bedba06eadbccc896dd4d1 (MD5) Previous issue date: 2018-02-23 / Nenhuma / O tratamento combinado de lixiviado de aterro sanitário (LAS) e esgoto sanitário (ES) é uma solução promissora, uma vez que com a diluição do lixiviado ocorre a redução de elevadas concentrações de nitrogênio amoniacal e matéria orgânica. No entanto, é necessário que sejam determinadas as proporções de LAS:ES adequadas para este tipo de tratamento. A presente pesquisa objetiva estudar o tratamento combinado por processo anaeróbio através de um reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente (UASB), utilizando como substratos o esgoto sanitário e o lixiviado de aterro sanitário. A primeira etapa da pesquisa abordou os ensaios de bancada realizados, afim de caracterizar os substratos adotados e assim determinar o acréscimo de cargas orgânicas e de nutrientes, e alterações nos parâmetros físico-químicos (pH, alcalinidade e AGV) com a adição de 3 e 6% de lixiviado ao esgoto sanitário. A segunda etapa da pesquisa compreende ensaios em escala piloto, utilizando o reator UASB em regime contínuo, com 830L, operando com um TDH de 12 h,e temperatura ambiente a qual foi monitorada por um termômetro no corpo do reator. O reator UASB foi inoculado com lodo anaeróbio proveniente do reator UASB em escala plena da UNISINOS. Este lodo apresentou uma concentração de 515 mg ST/L, 265,4 mg SV/L e 250,2 mg SF/L. O reator UASB operou inicialmente apenas com esgoto sanitário por um período de 127 dias (Fase 1), em seguida operou por 49 dias com a adição de 3% de LAS (Fase 2) e a última fase por um período de 28 dias com a adição de 6% de LAS (Fase 3). Verificou-se que houve um equilíbrio no pH, alcalinidade e AGV na Fase 1, enquanto que nas Fases 2 e 3 estes parâmetros sofreram uma elevação no afluente, e um decréscimo na alcalinidade efluente devido a necessidade de se neutralizar os AGV. Foi verificada uma concentração média de alcalinidade afluente e efluente de 114,7 e 129,3 mgCaCO3/L (Fase 1), de 373,0 e 345,0 mgCaCO3/L (Fase 2) e 665,8 e 581,3 mgCaCO3/L (Fase 3), nesta ordem. O pH inicial do afluente operando somente com ES foi de 6,9, chegando a 8,8 na Fase 3 na mistura com 6% de LAS. Foi observado que o nitrogênio amoniacal afetou diretamente o processo anaeróbio, uma vez que o aumento da alcalinidade do afluente ao partir da entrada do LAS ao processo, este aumento foi atribuído a formação de hidróxido de amônia a partir do nitrogênio amoniacal presente no LAS. A concentração de nitrogênio amoniacal correspondeu a mais de 80% do nitrogênio total da mistura LAS:ES, e manteve-se nestes patamares durante todo o período experimental. As concentrações de nitrogênio amoniacal afluente e efluente, foram, respectivamente, 31,4 e 42,7 mg/L (Fase 1), 60,8 e 60,8 mg/L (Fase 2) e 91,9 e 89,4 mg/L (Fase 3). A remoção de DQO na Fase 1 variou entre 27,1 - 63,6%, de 33,7 - 54,7% na Fase 2 e de 22,9 - 32,3% na Fase 3. Para as condições estudas não verificou-se uma elevada eficiência de remoção de matéria orgânica no reator operando com a mistura LAS:ES. Quantitativamente observou-se teores de metano entre 63,2 e 74%. / The combined treatment of landfill leachate (LAS) and sanitary sewage (ES) is a promising solution, since with the dilution of the leachate the reduction of high concentrations of ammoniacal nitrogen and organic matter occurs. However, it is necessary to determine the proportions of LAS: ES suitable for this type of treatment. The present research aims to study the combined treatment by anaerobic process through an anaerobic sludge blanket and UASB reactor, using wastewater and landfill leachate as substrates. The first stage of the research was carried out in order to characterize the substrates and to determine the increase of organic loads and nutrients, as well as changes in physical and chemical parameters (pH, alkalinity and VFA) with the addition of 3 and 6% of leachate to wastewater. The second stage of the research involves pilot scale tests using the continuous UASB reactor with 830 L, operating with a HRT of 12 h, and ambient temperature which was monitored by a thermometer in the reactor. UASB reactor was inoculated with anaerobic sludge from the UASB reactor at full scale from UNISINOS, this sludge presented a concentration of 515 mg ST/L, 265.4 mg VS/L and 250.2 mg FS/L. UASB reactor initially operated only with wastewater for a period of 127 days (Phase 1), then operated for 49 days with the addition of 3% leachate (Phase 2) and the last phase for a period of 28 days with addition of 6% leachate (Stage 3). It was verified that there was a balance in pH, alkalinity and VFA in Phase 1, whereas in Phases 2 and 3 these parameters suffered an increase in the affluent, and a decrease in the alkalinity effluent due to the necessity to neutralize the VFA. A mean affluent alkalinity affluent and effluent concentration of 114.7 and 129.3 mgCaCO3/L (Phase 1), 373.0 and 345.0 mgCaCO3/L (Phase 2) and 665.8 and 581.3 mgCaCO3/L (Phase 3), in that order. The initial pH effluent operating with wastewater alone was 6.9, reaching 8.8 in Phase 3 in the mixture with 6% of leachate. It was observed that the ammonia nitrogen directly affected the anaerobic process, since the increase of the alkalinity of the affluent from the addition of the leachate to the process, this increase was attributed to the formation of ammonia hydroxide from the ammonia nitrogen present in the leachate. The concentration of ammonia nitrogen corresponded to more than 80% of the total nitrogen of the leachate/wastewater mixture, and remained at these levels throughout the experimental period. The concentrations of ammonia nitrogen affluent and effluent were respectively 31.4 and 42.7 mg/L (Phase 1), 60.8 and 60.8 mg/L (Phase 2) and 91.9 and 89.4 mg/L (Phase 3). Removal of COD in Phase 1 ranged from 27.1 - 63.6%, from 33.7 - 54.7% in Phase 2 and from 22.9 - 32.3% in Phase 3. In the conditions under study, a high removal efficiency of organic matter was not verified in the reactor operating with the leachate/wastewater mixture. Methane levels between 63.2 and 74% were quantitatively observed.