The aim of this study was to optimize methane production by investigating hydrothermal pretreatment of sugarcane bagasse impregnated with acid (H2SO4) and alkaline H2O2 using substrate (g kg-1) -inoculum (g kg-1) ratio of 1:2. Batch reactors were realized under mesophilic conditions (37 °C). A central composite design (CCD) involving three factors; temperature (°C), time (min), and chemical compound concentration (H2O2 (%v/v) and H2SO4 (%w/v)) was utilized to optimize hydrothermal pretreatment. Thirty-two hydrothermal pretreatments were conducted according to CCD. H2O2 assisted hydrothermal pretreatment resulted in higher solid recovery (93.13%), higher percent glucan increase (139.52%), and lower lignin recovery (76.48%) in pretreated solid fraction in comparison to H2SO4 impregnated hydrothermal pretreatment. In the latter case, lower solid yield (12.27%), glucan recovery (187.01%) and higher lignin recovery (358.85%) was recorded. Higher COD solubilization (25.20 g L-1), lower total phenolic (content 658.13 ppm), higher sulfate (7240 mg L-1), furfural (925.77-2216.47 mg L-1) and 5-hydroxymehtylfurfural (70.95-970.08 mg L-1) were observed in liquid hydrolysate of H2SO4 assisted hydrothermal pretreatment. While lower COD solubilization (17.75 mg L-1), higher total phenolic content (3005.63 ppm), lower concentration of furfural (0-56.91 mg L-1) and 5-hydroxymethylfurfural (2.56-56.60 mg L-1) was recorded with H2O2 assisted hydrothermal pretreatment. Concerning methane production for H2O2 assisted conditions, 5.59 Nmmol g-1 TVS (2% H2O2) to 13.49 Nmmol g-1 TVS (6% H2O2) was recorded. However, pretreatment with 7.36% H2O2 resulted in 14.43 Nmmol g-1 TVS, which was 118.16% higher comparing to untreated sugarcane bagasse (6.60 Nmmol g-1 TVS). Methanogenic inhibition was recorded for most of the H2SO4.pretreated reactor (1 – 3 %w/v H2SO4). Minimum CH4 production observed was 0.58 Nmmol g-1 TVS in pretreatment O-HSO (2% w/v H2SO4). Acetic acid was the predominant volatile fatty acid observed in digestion process of H2O2 treated batch reactor however was not recorded in H2SO4 treated batch reactors. Microbial community analysis indicated the prevalence of unclassified AUTHM297, Clostridium, and Treponema related genera in H2O2 treated reactors. Genera related aromatic compound degradation were identified and abundant in H2SO4 treated reactors. Methanolinea, Methanobacterium, and Methanosaeta were abundant methanogens in both pretreatments. Hydrogen peroxide assisted hydrothermal pretreatment was verified as a better choice for methane production comparing to sulfuric acid assisted hydrothermal pretreatment primarily on account of higher lignin solubilization, higher glucan recovery, and lower furanic compounds production. / O objetivo deste estudo foi otimizar a produção de metano investigando as condições do pré-tratamento hidrotérmico assistido do bagaço da cana de açúcar sob impregnação de ácido (H2SO4) e álcali (H2O2) utilizando-se a razão substrato (g kg-1) inóculo (g kg-1) de 1:2. Os reatores em batelada foram mantidos em condições mesofílicas (37 ºC). Para otimizar as condições de pré-tratamento hidrotérmico, o design de composto central rotacional (DCCR) foi realizado utilizando três fatores: temperatura (ºC), tempo (min) e concentração do composto químico (H2O2 (%v/v) e H2SO4 (% p/v)). Trinta e dois pré-tratamentos hidrotérmicos foram realizados de acordo com a concepção do DCCR. O pré-tratamento hidrotérmico assistido do bagaço, com H2O2 resultou em maior recuperação de sólidos (93,13%), elevado percentual de glicana (139,52%) e menor recuperação de lignina (76,48%) da fração sólida pré-tratada, se comparada aquele com H2SO4. Nesse último caso, observou-se menor rendimento de sólidos (12,27%) e glucanas (187,01%) e maior recuperação de lignina (358,85%). No líquido hidrolisado do pré-tratamento hidrotérmico assistido do bagaço com H2SO4 foi observada elevada solubilização de DQO (25,20 g L-1), menor teor de fenóis totais (658,13 mg L-1), elevado sulfato (7240 mg L-1), furfural (925,77 - 2216,47 mg L-1 e 5-hidroximetilfurfural (70,95 - 970,08 mg L-1). Enquanto, foi registrado menor solubilização de DQO (17,27 g L-1), maior teor de fenóis totais (3005,63 ppm), e menor concentração de furfural (0 - 56.91 mg L-1), 5-hidroximetilfurfural (2,56 - 50,60 mg L--1 com H2O2. Em relação ao a produção de metano nas condições com H2O2, observou-se 5.59 Nmmol g-1 STV (2%v/v H2O2) a 13.49 Nmmol g-1 STV (6%v/v H2O2). No tratamento com 7.36% de H2O2 observou-se 14,43 Nmmol g-1 STV que foi 118.16% maior se comparado com o bagaço não-tratado (6,60 Nmmol g-1 STV). Inibição metanogênica foi observada na maioria dos reatores pré-tratados com H2SO4 (1 – 3% p/v), e a produção mínima observada foi de 0.58 Nmmol g-1 TVS no pré-tratamento com 2% p/v de H2SO4. Ácido acético foi o principal ácido orgânico volátil observado somente no reatores por tratamento de H2O2. Por meio da A análise da comunidade microbiana, para o domínio Bacteria, foi observado prevalência dos gêneros AUTHM297, Clostridium e Treponema nos reatores cujo substrato foi pré-tratado com H2O2. Gêneros relacionados à degradação de compostos aromáticos foram identificados e estiveram em maior abundância nos reatores cujo substrato foi pré-tratado com H2SO4. Methanolinea, Methanobacterium, e Methanosaeta foram os microrganismos do domínio Archaea mais abundantes e identificados em ambos os pré-tratamentos. O pré-tratamento hidrotérmico assistido com H2O2 foi a melhor opção em relação ao H2SO4, devido a maior solubilização de lignina, maior recuperação de glucano e baixa produção de compostos furânicos.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-05-10T19:45:30Z No. of bitstreams: 1 thamirisdarochadaniel.pdf: 1005103 bytes, checksum: 8c5b89f861fcbe922069416723aafaad (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-06-15T20:57:40Z (GMT) No. of bitstreams: 1 thamirisdarochadaniel.pdf: 1005103 bytes, checksum: 8c5b89f861fcbe922069416723aafaad (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-15T20:57:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thamirisdarochadaniel.pdf: 1005103 bytes, checksum: 8c5b89f861fcbe922069416723aafaad (MD5) Previous issue date: 2015-02-09 / FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / A agropecuária ocupa um setor importante da economia no Brasil, a industrialização do leite cru foi de 5,328 bilhões de litros no primeiro semestre de 2013, esses dados refletem o constante crescimento da pecuária leiteira (IBGE, 2013), aumentando assim, a geração de resíduos poluidores ao meio ambiente. Este estudo pretende gerar conhecimento científico sobre afluentes e efluentes obtidos durante um processo de biodigestão anaeróbia, alimentados com dejetos de bovinos da pecuária leiteira, visando a redução da carga de poluição ambiental, além de uma avaliação sobre a produção de biogás e biofertilizantes, contribuindo para uma economia sustentável. Neste trabalho acompanhou-se um biodigestor em escala real modelo canadense contínuo para a caracterização do sistema. Os ensaios foram realizados em dois períodos do ano de 2014, verão e inverno. Para a caracterização dos afluentes e efluentes, foram coletadas amostras em 4 pontos do sistema de biodigestão, e realizadas análises físico químicas e microbiológicas, com o tempo de retenção hidráulico (TRH) de 62 dias para a fermentação realizada no verão e de 96 dias para o processo realizado no inverno. O biodigestor modelo canadense não sofre alteração em seu modo de funcionamento devido a sazonalidade. Não houve diferença significativa (p<0,05) para os parâmetros físico químicos e microbiológicos. O biogás produzido foi de alta qualidade, pela concentração de metano. O potencial significativo de eliminação dos grupos microbianos pelo biodigestor mostrou a viabilidade na utilização do biofertilizante para plantios tradicionais. Além disso, constatou-se que a biodigestão anaeróbia se mostrou muito eficiente para a redução da carga orgânica presente nos afluentes da pecuária leiteira, tornando atrativo economicamente e ambientalmente o uso dos biodigestores e seus subprodutos, o biogás e o biofertilizante. / The agriculture occupies an important sector of the economy in Brazil, the industrialization of raw milk was 5.328 billion liters in the first half of 2013, these data reflect the steady growth of dairy farming (IBGE, 2013), thereby increasing the generation of waste polluting the environment. This study aims to generate scientific knowledge of influent and effluent obtained during a process of anaerobic digestion, fed cattle manure dairy products. In order to reduce environmental pollution load, plus a review of the production of biogas and biofertilizers, contributing to a sustainable economy. This work was accompanied by a digester full-scale continuous Canadian model to characterize the system. Assays were performed twice during the year 2014, summer and winter. To characterize the influent and effluent samples were collected at 4 points of the digestion system, and performed physical, chemical and microbiological analyzes, with the hydraulic retention time (HRT) of 62 days for fermentation held in summer and 96 days to the process performed in the winter. The Canadian biodigester not changed in its operation due to seasonality. There was no significant difference to the chemical and microbiological physical parameters. The biogas produced was of high quality, with a high concentration of methane. The significant potential for eliminating microbial groups by the digester showed the feasibility in the use of bio-fertilizers to traditional crops. As can be seen that the anaerobic digestion proved to be very efficient for the reduction of this organic load in the tributaries of dairy farming, making economically attractive and environmentally the use of digesters and its by-products, biogas and bio-fertilizer.

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:42:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A determinação do potencial de geração de gases em aterros sanitários de resíduos sólidos, em geral, pode ser realizada a partir de modelos matemáticos obtidos com base em experimentos, o que já vem ocorrendo desde os anos 70, com o objetivo de avaliar o potencial de geração de gás a partir de resíduos sólidos urbanos (RSU), quantificando também a biodegradabilidade dos resíduos. A heterogeneidade dos resíduos sólidos urbanos é um fator de extrema relevância para a modelagem computacional do comportamento dinâmico de aterros sanitários. A grande dificuldade consiste na representação desta heterogeneidade e nos parâmetros necessários para definir o perfil de degradação dos resíduos depositados em um aterro. Aliado a isto, tem-se a dificuldade de representação da geração de gás em aterros sanitários por modelos matemáticos comercialmente existentes e seu acoplamento aos modelos que representem adequadamente o comportamento térmico, hidráulico, mecânico e químicobiológico. Desta forma, o presente trabalho consiste na implementação do modelo matemático de decaimento de primeira ordem multicomponente, definido pelo IPCC (2006), para simular numericamente a geração de biogás em aterros sanitários de resíduos sólidos urbanos. A implementação foi feita no código em elementos finitos CODE_BRIGHT (COupled DEformation of BRIne Gas and Heat Transport), originalmente utilizado para resolver problemas de fenômenos acoplados termoquímico- hidro-mecânicos em meios porosos multifásicos, permitindo a realização de uma análise do fluxo de líquido e gás no meio poroso, assim como a influência de alguns parâmetros geotécnicos na geração de fluxo de biogás em um aterro. Neste trabalho o modelo implementado foi validado pela comparação dos resultados da simulação de geração de biogás em um problema sintético com os resultados obtidos e apresentados por FIRMO (2011), sendo também aplicado à simulação numérica bidimensional e tridimensional de geração de biogás e fluxo de água e gás no Aterro Experimental localizado no Aterro da Muribeca â Brasil

Submitted by Israel Vieira Neto (israel.vieiraneto@ufpe.br) on 2015-03-05T17:54:33Z No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO Leila Barros Araújo.pdf: 2405626 bytes, checksum: a448c1457dc45f59cc3518f2e48fedd4 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-05T17:54:33Z (GMT). No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO Leila Barros Araújo.pdf: 2405626 bytes, checksum: a448c1457dc45f59cc3518f2e48fedd4 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2014-07-29 / Os aterros sanitários são grandes emissores de gás metano, por isso, devem possuir sistemas capazes de diminuir as emissões através do aproveitamento, queima e/ou drenagem do metano. Neste sentido, as camadas de cobertura contribuem para reduzir as emissões fugitivas que escapam por elas. Assim, são realizados estudos para encontrar camadas alternativas com o uso de compostos orgânicos, que através das bactérias metanotróficas, podem oxidar o metano, aumentando a eficiência da camada, como realizado nessa pesquisa. O presente trabalho objetivou analisar a eficiência da oxidação do metano, através da amostragem dos gases em diferentes pontos de uma coluna experimental, simulando a camada de cobertura utilizada em uma célula experimental de um aterro sanitário. A coluna foi confeccionada com segmentos de tubo plástico rígido com diâmetro interno de 15 cm e altura total de 75 cm. A coluna foi preenchida com 30 cm de solo compactado sobreposta com 30 cm de mistura de 50% de solo mais 50% de composto orgânico e instrumentada com sensores para medir temperatura, condutividade elétrica e umidade, com os dados armazenados em datalogger. O fluxo de gás metano injetado foi de 0,5 NL/h controlado por rotâmetros e feita leitura dos gases com o detector portátil de gases. Após os ensaios, foi verificado que a mistura de solo+composto utilizada mostrou-se adequada para a oxidação, mas não se pode concluir que todo o gás metano foi oxidado, e sim que há uma tendência de oxidação na camada, onde a coluna reteve, em média, 60% do gás metano injetado.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2016-09-16T14:01:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 342009.pdf: 1220880 bytes, checksum: 210f5e879e54994a097169c2307e0952 (MD5) Previous issue date: 2016 / O tratamento anaeróbio de efluentes da suinocultura, águas residuárias ricas na presença de sulfato, podem gerar sulfeto de hidrogênio (H2S). A utilização típica do biogás gerado rico em energia requer antecedente remoção de compostos de enxofre para processos de recuperação de energia para evitar problemas de corrosão em motores de combustão, bem como para a saúde humana e a proteção do ambiente. Desse modo, a aplicação em escala piloto de um biofiltro do tipo biotrickling (BTF), simples e de baixa manutenção, em escala piloto, para dessulfurização de biogás derivado do tratamento anaeróbio de água residuária de suinocultura e com a capacidade de aumento nas concentrações de biometano, foi investigada. Como meio de cultura dos microrganismos, o BTF foi continuamente alimentado com efluente de águas residuais provenientes de um biorreator de lodos ativados (nitrificação-desnitrificação) instalado a jusante de um biodigestor anaeróbio tipo UASB. A eficiência máxima de remoção do BTF foi de 99,8% obtida com uma capacidade de eliminação máxima (CE) de 4,80 g H2S m-3 h-1. Médias de CE obtidas com as vazões de entrada do fluxo de biogás de 0,024, 0,036 e 0,048 m-3 h-1 foram de 2,26; 3,26 e 1,35 g H2S m-3 h-1, respectivamente. As formas SO4-2 e S0 foram os principais metabólitos produzidos a partir da conversão biológica de H2S. Adicionalmente à capacidade biodessulfurização satisfatória, um aumento médio da concentração de metano de ? 3,8 ± 1,68 g m-3 foi medida no fluxo de gás filtrado ao longo de 200 dias de operação do BTF. Análises TR-PCR das comunidades archaeas no biofilme confirmaram dominância de archaeas metanogênicas hidrogenotróficas, corroborando com forte correlação observada entre a remoção de CO2 e produção de CH4. Entre as três principais ordens archaeas investigadas (Metanosarcinales, Metanobacteriales e Metanomicrobiales), Metanobacteriales foram encontradas em concentrações mais elevadas (1,9 × 1011 cópias de genes mL-1). O BTF proposto foi robusto, removendo eficientemente H2S do biogás concomitantemente, aumentando a concentração de biometano como fonte valiosa de combustível renovável.<br> / Abstract : Anaerobic treatment of concentrated swine wastewater, which is sulfate-rich wastewater, can generate hydrogen sulfide (H2S). Usage of the generated energy-rich gas requires the removal of sulfur compounds before energy recovery processes for avoiding problems of corrosion in combustion engines as well as for human health and environmental protection. The application of a simple and low maintenance field-scale biotrickling filter (BTF) for desulfurization of swine wastewater-derived biogas stream that was also capable of increasing biomethane concentrations was investigated. As the culture medium of the microorganisms, the BTF was continuously fed with wastewater from an air sparged nitrification-denitrification bioreactor, installed down gradient from an UASB-type digester. BTF maximum removal efficiency of 99.8% was achieved with a maximum elimination capacity (EC) of 4.80 g H2S m-3 h-1. Average EC obtained with inlet biogas flow rates of 0.024, 0.036 and 0.048 m3 h-1 was 2.26; 3.26 and 1.35 g H2S m-3 h-1, respectively. SO4-2 and S0 were the major metabolites produced from biological conversion of H2S. Additionally to the satisfactory biodesulfurization capacity, an average increase in methane concentration of ? 3.8 ±1.68 g m-3 was measured in the filtered gas stream throughout 200 days of BTF operation. RT-PCR analyses of archaea communities in the biofilm confirmed dominance of hydrogenotrophic methanogens thus corroborating with observed strong correlation between CO2 removal and CH4 production. Among the three major archaeas orders investigated (i.e., Methanosarcinales, Methanobacteriales, and Methanomicrobiales), Methanobacteriales were encountered at highest concentrations (1.9×1011 gene copies mL-1). The proposed BTF was robust efficiently removing H2S from biogas stream while concomitantly enhancing the concentration of valuable methane as source of renewable fuel.

La presente investigación tiene por objetivo proponer el sistema de generación de biogás a partir de la cascarilla de arroz para reducir los costos energéticos de la empresa Molino El Lirio SAC. Se realizó un diagnostico en el molino El Lirio SAC, donde indica que durante el año 2019 generaron aproximadamente un total de 1 659 073 kg de cascarilla de arroz, teniendo en cuenta que la cascarilla de arroz constituye el 22% del grano de arroz, así mismo tiene un consumo de energía en su proceso productivo de 167,8 kW. Se propuso un sistema de gasificador downdraft ya que es la tecnología eficiente para el aprovechamiento energético de la cascarilla de arroz que incluye las etapas de gasificación, separación de partículas, intercambiador de partículas, lavado, filtrado y transformación de energía eléctrica, obteniéndose finalmente una potencia eléctrica de 245 kW; con un requerimiento de 324 kg de cascarilla de arroz. El sistema de gasificación estará ubicado al costado del sistema productivo o lo más cercano a la cascarilla de arroz, el análisis de relación de beneficio costo de S/. 1,47 por cada sol invertido y un VAN de S/. 793 365; concluyéndose, así como un proyecto viable. Finalmente se concluye que el sistema de generación de biogás permitirá aprovechar la cascarilla de arroz para transformarla en biogás y alimentarla al sistema productivo en kW-h de potencia que requiere para su funcionamiento y reducir un 85% los costos energéticos.

[ES] En esta tesis doctoral se presenta BIOLEACH, un nuevo modelo de soporte a la decisión para la gestión a tiempo real de vertederos de residuos sólidos urbanos que permite la simulación conjunta de la producción de lixiviados y biogás como procesos acoplados. La estimación de la producción de lixiviados se realiza utilizando una adaptación de la ecuación de balance hídrico que considera, además de todas las componentes hidrológicas, las cantidades de agua consumidas por la degradación en fase anaerobia de la materia orgánica presente en los residuos durante el proceso de generación del biogás. El modelo considera también los volúmenes de lixiviado recirculados desde la balsa de almacenamiento hacia la superficie o el interior del vertedero, en el caso de realizar una gestión del mismo como biorreactor. La producción de biogás se estima considerando que este proceso es un proceso acoplado con el de la producción de lixiviados. BIOLEACH ha sido programado para calcular la producción de lixiviados a escala mensual, utilizando datos reales de los parámetros meteorológicos y de la producción y características de los residuos realmente depositados en el vertedero. La producción de biogás se obtiene simultáneamente, considerando el contenido en humedad realmente disponible para ajustar las reacciones estequiométricas de biodegradación de la materia orgánica. BIOLEACH es una valiosa herramienta de gestión de vertederos biorreactor y permite calcular los volúmenes de lixiviado a recircular que garantizan condiciones de humedad en el interior de la masa de residuos que maximizan la producción de biogás. Como ejemplo ilustrativo de aplicación, BIOLEACH se ha utilizado para simular el comportamiento de un vertedero real bajo diferentes escenarios de gestión. Los resultados muestran los beneficios económicos y medioambientales derivados de la recirculación de lixiviados bajo estrategias de gestión como vertedero biorreactor. / [CA] En aquesta tesi doctoral es presenta BIOLEACH, un nou model de suport a la decisió per a la gestió a temps real d'abocadors de residus sòlids urbans que permet la simulació conjunta de la producció de lixiviats i biogàs com a processos aco-blats. L'estimació de la producció de lixiviats es realitza utilitzant una adaptació de l'equació de balanç hídric que considera, a més de totes les components hidrològiques, les quantitats d'aigua consumides per la degradació en fase anaeròbia de la matèria orgànica present en els residus durant el procés de generació del biogàs. El model considera també els volums de lixiviat recirculats des de la bassa cap a la superfície o l'interior de l'abocador, en el cas de realitzar una gestió del mateix com bioreactor. La producció de biogàs s'estima considerant que aquest procés és un procés acoblat amb el procés de producció de lixiviats. BIOLEACH ha estat programat per calcular la producció de lixiviats a escala mensual, utilitzant dades reals dels paràmetres meteorològics i de la producció i característiques dels residus realment dipositats a l'abocador. La producció de biogàs s'obté simultàniament, considerant el contingut en humitat realment dis-ponible per ajustar les reaccions estequiométriques de biodegradació de la matèria orgànica. BIOLEACH és una valuosa eina de gestió d'abocadors bioreactor i permet calcular els volums de lixiviat a recircular que garanteixen condicions d'humitat a l'interior de la massa de residus que maximitzen la producció de biogàs. Com a exemple il·lustratiu d'aplicació, BIOLEACH s'ha utilitzat per simular el comportament d'un abocador real sota diferents escenaris de gestió. Els resultats mostren els beneficis econòmics i mediambientals derivats de la recirculació de lixiviats sota estratègies de gestió com a bioreactor. / [EN] This doctoral thesis introduces BIOLEACH, a new decision support model for the real-time management of municipal solid waste bioreactor land¿lls that allows estimating the leachate and biogas production. Leachate production is estimated using an adaptation of the water balance equation which considers every hydrological component and the water consumed by anaerobic organic matter degradation to create biogas and the leachate recirculation ¿ows pumped from the land¿ll pond under a bioreactor management scheme. Land¿ll gas production is estimated considering the leachate formation process as a coupled e¿ect through the production or consumption of water. BIOLEACH uses waste production and climate data at monthly scale and com-putes leachate production accounting for the actual conditions inside the waste mass. Biogas production is computed simultaneously, considering the available water to adjust the chemical organic matter biodegradation. BIOLEACH is a valuable bioreactor managing tool as it allows calculating the recirculation volume of leachate that ensures optimal moisture conditions inside the waste mass and therefore maximizing biogas production. As an illustrative example of a BIOLEACH application, the model has been applied to simulate the performance of a real land¿ll under different management scenarios. Results show the economic and environmental bene¿ts derived from leachate recirculation under bioreactor management schemes. / Rodrigo Clavero, ME. (2020). Evaluación conjunta de la producción de lixiviados y biogás en vertederos de residuos sólidos urbanos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/148716

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]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/80535

Submitted by Marilene Donadel (marilene.donadel@unioeste.br) on 2017-08-19T00:05:12Z No. of bitstreams: 1 Guilherme C Princival 2016.pdf: 4575723 bytes, checksum: eec69ee359768c1136173448bd115fa8 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-19T00:05:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Guilherme C Princival 2016.pdf: 4575723 bytes, checksum: eec69ee359768c1136173448bd115fa8 (MD5) Previous issue date: 2016-09-09 / Biogas is known as an alternative source of energy, comprises essentially a mixture of methane gas (CH4) and carbon dioxide (CO2). This study aimed to haracterize the biogas through a computer system (hardware and software), taking into account the two main gas composition, allowing in situ analysis, online and continuously, without human intervention in the process. For this, an experiment was conducted using electronic prototyping platform Arduino, which is fed with data from a sensor that uses non-dispersive infrared spectroscopy technology (NDIR). The results show that the system was efficient, once it is possible to monitor the concentration of CO2 and CH4 through real-time generated graphics. Moreover, it was possible to analyze the internal temperature of the anaerobic reactor through an integrated sensor to the monitoring system, which demonstrates its scalability, a desirable feature in computer systems. It was concluded also that the system detects the first signs of instability in the biodigestion process, allowing acceptable answers to establish countermeasures for its compensation. / O biogás, entendido como uma fonte alternativa de energia, é constituído por uma mistura de gases essencialmente metano (CH4) e por dióxido de carbono (CO2). Esta pesquisa teve como objetivo caracterizar o biogás por meio de um sistema computacional (hardware e software), levando em conta os dois principais gases de sua composição, possibilitando análise in situ, de forma online e contínua, sem a intervenção humana no processo. Para tal, foi desenvolvido um experimento utilizando a plataforma de prototipagem eletrônica Arduino, alimentada com dados de um sensor que utiliza a tecnologia de espectroscopia de infravermelho não dispersivo (NDIR). Os resultados apontam que o sistema desenvolvido foi eficiente, sendo possível o monitoramento da concentração de CO2 e CH4, por meio de gráficos gerados em tempo real. Além disso, foi possível analisar a temperatura interna do reator anaeróbio através de um sensor integrado ao sistema de monitoramento, que demonstra sua escalabilidade, uma característica desejável em sistemas computacionais. Pôde-se concluir, também, que o sistema detecta os primeiros indícios de uma instabilidade no processo de biodigestão, permitindo respostas aceitáveis no estabelecimento de contramedidas para sua compensação.

Submitted by Daniella Sodre (daniella.sodre@ufpe.br) on 2015-04-10T14:21:50Z No. of bitstreams: 2 TESE Alessandra Lee Barbosa Firmo.pdf: 5891703 bytes, checksum: 8757ac807155466d5e195ef525335be4 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-04-10T14:21:50Z (GMT). No. of bitstreams: 2 TESE Alessandra Lee Barbosa Firmo.pdf: 5891703 bytes, checksum: 8757ac807155466d5e195ef525335be4 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2013-07-02 / CNPq / O avanço no entendimento dos processos de biodegradação em resíduos sólidos urbanos (RSU), impulsionado pelo desenvolvimento de técnicas experimentais de laboratório e campo específicas, tem permitido o desenvolvimento de ferramentas numéricas que podem descrever de forma mais detalhada o processo de geração de biogás em um aterro (considerando a heterogeneidade do material, características e operação do local) e as alterações que podem acontecer no meio poroso ao longo do processo de biodegradação. Para a solução de um modelo matemático desta natureza, programas computacionais baseados em técnicas numéricas como o método dos elementos finitos podem ser desenvolvidos e adaptados para diversas situações. Neste trabalho, primeiramente foram utilizados modelos usuais para analisar a geração de biogás em um aterro experimental no qual foi observado que os modelos multicomponentes melhor representaram a geração de biogás, desde que os parâmetros de entrada sejam adotados cautelosamente. Em seguida, os parâmetros de entrada do modelo multicomponente foram estudados através de experimentos de laboratório com condições iniciais e de controle mais definidas, como os experimentos BMP (Biochemical Methane Potential) e reatores piloto, analisando o efeito da composição dos resíduos e inoculação com lodo anaeróbio. Com os dados experimentais, foi possível determinar o potencial de geração de biogás e metano e a velocidade de degradação dos resíduos sob as condições de cada experimento. Assim, estes dados experimentais foram analisados e utilizados como dados de entrada em um programa computacional em elementos finitos desenvolvido in house (CODE_BRIGHT), no qual foi implementado o modelo multicomponente IPCC (2006), que melhor representou o comportamento da geração de biogás em todos os experimentos. Os dados experimentais e o modelo computacional desenvolvidos neste estudo permitiram analisar o comportamento da geração de biogás em um sistema controlado de biodegradação, simulando as condições de um biodigestor simplificado (simulando casos 2D) e do aterro experimental (caso 3D). Neste último, foi considerado o sistema de drenagem vertical existente conseguindo representar o comportamento do fluxo de biogás semelhante ao encontrado em campo. Assim, cerca de 40% do total do biogás gerado foi captado pelo sistema de drenagem e outra parte foi emitido pela camada de cobertura ou acumulado no meio. Por fim, também foi possível analisar a distribuição espacial e temporal da pressão de gás, de líquido e temperatura no aterro experimental, representando seu comportamento dinâmico no qual normalmente não é examinado de forma detalhada em um aterro real.