Este trabalho apresenta as avaliações de desempenho, das demandas operacionais e dos fatores intervenientes no aumento da escala da unidade piloto do Reator anaeróbio Horizontal de Leito Fixo (RAHLF) no tratamento de esgoto sanitário após passagem por peneira com malha de 1 mm, durante dois anos de operação. O reator dispunha de volume total de 237,5 1, construídos com tubos comerciais de PVC de 14,5 cm de diâmetro (D), dispostos em cinco módulos horizontais em série de 2,88 m, perfazendo um comprimento total de (L) de 14,4 m e relação de total de L/D de 100. O suporte de imobilização de biomassa, espuma de poliuretano em matrizes cúbicas de 1 cm de aresta, mostrou-se adequado ao desenvolvimento do biofilme. Em partida, sem inoculação prévia, ocorreu a sua consolidação a partir de 70 dias, com predominância de morfologia semelhante a Methanosaeta sp. em relação a da Methanosarcina. Em torno de 90 dias com afluente de 350 mg/l de DQO, observe-se a melhor qualidade do efluente, com valor de 100 mg/l de DQO. Em longa operação ocorreu queda de rendimento e menor reprodutibilidade das previsões do projeto, atribuída aos constantes entupimentos e ineficácia das operações de limpeza, com o comprometimento de volume reacional verificados por estudos de hidrodinâmica. Da investigação das origens dos equipamentos observou-se tratar mais de um efeito local e qualitativamente relacionado à biomassa retida que propriamente quantitativo e extensivo ao longo de todo reator, com produção continuada de polímeros extracelulares, promovendo um efeito sinérgico com os predominantes organismos filamentosos e com os sólidos particulados retidos no leito. Diante das potencialidades desta configuração de reator apontam-se alternativas de mitigação dos entupimentos e o direcionamento dos estudos necessários para novo aumento de escala para o tratamento de esgoto sanitário. / This work evaluated the performance, the operational demands and the intervenient factors in the scale-up of the horizontal flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) reactor pilot unit, treating domestic sewage previously screened. The operation was monitored for two years. The five- module (2.88 m length each) reactor volume was 237.5 liters and it was built with commercial PVC pipes of 14.5 cm of diameter (D), resulting in a total length (L) of 14.4 m and in a total ratio L/D of approximately 100. The immobilization support, cubic matrices of polyurethane foam (1 cm edge), showed to be suitable for the anaerobic biofilm development. During the start-up, without previous inoculation, the biofilm seemed to be consolidated after 70 days, and Methanosaeta sp. morphology predominated, in detriment of Methanosarcina. With an affluent of 350 mg COD/L, the best reactor performance was observed in about 90 days of operation (100 mg COD/L in the effluent). However, with the continuous operation, its performance decreased and the project predictions did not seem to fit anymore. These facts were probably due to the frequent cloggings ant the inefficiency of the backwashing procedures, leading to a decreasing of the operational volume. The origin of the clogging seemed to be related to the extracellular polymer production, linked to a synergic effect with the filamentous organisms and the particulate solids in the bed. Despite these operational problems, there were found alternatives to mitigate the clogging, and studies about a new scale-up methodology, in order to treat domestic sewage, were strongly recommended.

O projeto consistiu na concepção e avaliação do desempenho de um sistema anaeróbio-aeróbio para tratamento de esgoto sanitário. O leito do reator foi dividido em quatro compartimentos de igual volume. Foi usada espuma de poliuretano para imobilização da biomassa e, para facilitar a partida do reator, esse material suporte foi previamente inoculado. O projeto teve três fases distintas: na primeira etapa, foi observada a importância da concentração de biomassa anaeróbia no desempenho de reator anaeróbio a princípio operado com metade do leito reacional com espuma e, a seguir, com o leito todo preenchido com espuma. Na segunda etapa, foram testados diferentes tempos de detenção hidráulica no reator que operou apenas em condições anaeróbias. Na última etapa foi operado o reator combinado anaeróbio-aeróbio. Ficou constatada a importância da concentração de microrganismos no desempenho do reator anaeróbio, pois com o aumento da quantidade de espuma, o reator atingiu resultados melhores e maior estabilidade operacional. Foi comprovada a influência do tempo de detenção hidráulica (TDH) no desempenho do reator. Tempos de detenção muito altos acarretam problemas de transferência de massa líquido-sólido, e baixos TDH dificultam adequada ação dos microrganismos. O melhor resultado para o reator em operação exclusivamente anaeróbia foi para o TDH de 10 horas, no qual se conseguiu reduzir a DQO de amostra bruta de 389 +/- 70 mg/L para 137 +/- 16 mg/L, em média. Para o reator operado anaeróbio-aeróbio a DQO de amostra bruta decresceu de 259 +/- 69 mg/L para 93 +/- 31 mg/L, em média. A comparação de todos os resultados obtidos, evidenciou a importância do pós-tratamento aeróbio na remoção de parcela de matéria orgânica não removida em tratamento unicamente anaeróbio. / The project consisted in the design and performance evaluation of an anaerobic-aerobic system for wastewater treatment. Polyurethane foam was used for biomass immobilization and, to smooth the reactor start-up, this supporting material was previously inoculated. The project was divided in three distinct phases. In the first one, the importance of the anaerobic biomass concentration was observed in the performance of the anaerobic reactor in a way to operate the reactor primarily with half of the reaction bed filled with foam and subsequently operate it with the bed completely filled with foam. In the second phase, different times of hydraulic retention were tested with the reactor operating exclusively in anerobic conditions. In the third and last phase, an anaerobic-aerobic combined reactor was operated. It was possible to confirm the importance of microorganism concentration in the performance of the anaerobic reactor, since the increase in the amount of foam allowed the reactor to reach better results and greater operational stability. The influence of the hydraulic retention time in the reactor performance was also proved. Very high retention times cause problems in the liquid-solid mass transference, while low retention times do not allow an adequate action of microorganisms. The best result for the reactor with an exclusive anaerobic operation was the 10 hour retention time, when it was possible to reduce the COD of a 389 +/- 70 mg/L gross sample to a 137 +/- 16 mg/L in average. On the other hand, for the anaerobic-aerobic operating reactor, the COD of a gross sample dropped from 259 +/- 69 mg/ L to 93 +/- 31 mg/L in average. Finally, comparing all the obtained results, it was possible to verify the importance of the anaerobic post treatment in the removal of a part of the organic matter not removed in an exclusively anaerobic treatment.

A atividade industrial diversificada tem sido responsável pelo lançamento, no ambiente, de resíduos que contém materiais tóxicos e/ou de difícil degradação. Benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos (BTEX) são compostos importantes, por estarem presentes em águas superficiais e subterrâneas, geralmente a partir de contaminações por derivadas de petróleo. Enquanto a degradação aeróbia de BTEX já está amplamente entendida e descrita, a aplicação de processos anaeróbios de tratamento, indicados na década de 80 ainda requer mais estudos. Reatores anaeróbios horizontais de leito fixo de bancada preenchidos com cubos de espuma de poliuretano, contendo lodo anaeróbio proveniente de diversas fontes trataram a água residuária sintética a base de proteínas, carboidratos, lipídios, contendo solução etanólica de BTEX e solução de BTEX em detergente comercial; e solução etanólica de BTEX como únicas fontes de carbono. A influência da adição de nitrato e sulfato como aceptores de elétrons na degradação anaeróbia também é discutida. Os reatores foram capazes de remover BTEX nas concentrações testadas de até 15,0 mg/L de cada composto, com tempos de detenção hidráulica de 11,4 horas e 13,5 horas. Os reatores forneceram condições excelentes para o desenvolvimento de biofilme complexo capaz de degradar BTEX, contendo organismos degradadores de BTEX, acetogênicos, acetoclásticos e hidrogenotróficos. Arqueas metanogênicas representaram menos de 0,5% do total de organismos anaeróbios na biomassa dos reatores. O modelo cinético de primeira ordem com residual foi o que melhor representou os dados experimentais e as velocidades de degradações de BTEX, estimadas neste trabalho, foram cerca de 10 a 94 vezes maiores que as encontradas na literatura, em ensaios realizados em microcosmos. / The diversified industrial activity has been responsible for discharge in the environment of toxic and/or difficult degradation compounds. Benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes (BTEX) are important compounds present in surface and ground waters, usually from petroleum products contamination. While BTEX aerobic degradation is extensively understood and described, anaerobic treatment application, started in the eighties, associated to fundamental studies need to be improved. Bench-scale horizontal-flow anaerobic immobilized biomass reactors filled with polyurethane foam matrices, containing immobilized anaerobic biomass from various sources, treated synthetic substrate containing protein, carbohydrates, lipids, BTEX solution in ethanol and BTEX solution in commercial detergent, as well as BTEX solution in ethanol as the sole carbon source. The influence of the addition of nitrate and sulfate as electron acceptors on anaerobic degradation is also discussed. The reactors were able to remove up to 15.0 mg/L of each BTEX compound, with hydraulic detention time of 11.4 hours and 13.5 hours. The reactors provided excellent conditions for developing a complex biofilm with BTEX-degraders, acetogenic, acetoclastic and hydrogenotrophic microorganisms. Methanogenic archaea were found to represent less than 0.5% of the total anaerobic organisms in the biomass inside the reactors. Residual first order kinetic model fitted well the experimental data and the BTEX degradation rates, estimated in this work, were about 10- to 94-fold higher than those found in the literature, in microcosms studies.

O reator anaeróbio em batelada seqüencial é constituído por um frasco de vidro cilíndrico de volume total de cinco litros, envolvido por uma camisa de vidro, por onde escoa a água aquecida, permitindo a operação em temperatura controlada. A biomassa encontra-se imobilizada em partículas cúbicas de espuma de poliuretano (densidade aparente de 23 kg/\'M POT.3\', as quais estão colocadas em um cesto adaptado dentro do frasco cilíndrico. A mistura é promovida por três impelidores de 3,0 cm de diâmetro, distanciados 4,0 cm um do outro, situados ao longo do eixo vertical no centro do reator. O desempenho dessa nova configuração de reator anaeróbio foi avaliado sob diferentes condições os efeitos de transferência de massa nas fases sólida e líquida. Todos os ensaios foram efetuados à temperatura de 30 ± 1 grau Celsius. Cada batelada compreende três etapas: alimentação, reação e descarga. Para avaliar os efeitos da transferência de massa na fase sólida foram feitos quatro ensaios utilizando-se partículas cúbicas de espumas de poliuretano com tamanhos de 0,5 cm; 1,0 cm; 2,0 cm e 3,0 cm de lado, com impelidor tipo hélice e intensidade de agitação de 500 rpm, determinada através de um ensaio preliminar. Para avaliar os efeitos da transferência de massa nas fases sólida e líquida foram feitos experimentos com quatro tipos de impelidores: hélice, turbina plana, turbina inclinada e turbina curva, com intensidades de agitação na faixa de 100 rpm a 1100 rpm. Também foram realizados ensaios hidrodinâmicos para verificar o tempo de mistura e ensaio para verificar a condição de anaerobiose no sistema. A água residuária utilizada em todos os ensaios foi sintética com concentração de 530 ± 37 mg DQO/L. Em todas as condições estudadas o reator apresentou boa eficiência de remoção da matéria orgânica, em torno de 87%. A concentração efluente de ácidos voláteis totais manteve-se em 13 ± 9 mg HAc/L, alcalinidade a bicarbonato de 223 ± 14 mg Ca\'CO IND.3\'/L e pH entre 6,7 e 7,2. A transferência de massa na fase sólida não foi a etapa limitante na conversão da matéria orgânica, quando partículas de 0,5 cm a 2,0 cm de aresta foram usadas no reator anaeróbio em batelada seqüencial. A resistência à transferência de massa na fase sólida somente influenciou a taxa global de reação, quando foram usados tamanhos de partículas cúbicas de 3,0 cm de aresta. A resistência à transferência de massa na fase líquida não foi somente afetada pela intensidade de agitação, mas também pela eficiência da mistura obtida por cada tipo de impelidor. A mistura do líquido dentro do reator obtida pelo impelidor turbina plana foi a mais eficiente. O uso deste tipo de impelidor resultou em menores consumos de energia e ótimo desempenho do reator com baixas taxas de agitação. Os resultados deste estudo permitiram concluir que esta nova configuração não permite a manutenção de condição de anaerobiose estrita no meio, principalmente quando altas intensidades de agitação foram aplicadas e as limitações da eficiência do processo, neste sistema, estão relacionadas principalmente as resistências à transferência de massa do que restrições cinéticas bioquímicas. / The bench-scale anaerobic sequencing batch reactor consisted of a cylindrical glass flask with a total capacity of 5 liters. The reactor was surrounded by a water jacket that allowed the operation to proceed at a constant temperature throughout the experiment. The biomass was immobilized in 5-mm cubic particles of polyurethane foam (apparent density of 23 kg/\'M POT.3\') placed in a basket inside the cylindrical flask. The mixing was provided by three mechanical impellers with diameters of 3 cm, placed 4 cm apart along a vertical axis, at the center of the reactor. All experiments were conducted at the temperature of 30 Celsius degrees. Each batch consisted of three steps: feed, react and liquid withdrawal. The performance of this new reactor configuration was evaluated under different conditions of solid and liquid-phase mass transfer. In order to evaluate the effects of the solid-phase mass transfer, four experiments were carried out with cubical polyurethane foam particles of 0.5 cm, 1.0 cm, 2.0, cm and 3.0 cm side, and with propeller impellers rotating at 500 rpm, achieved by preliminary experiment. The effects of the liquid-phase mass transfer were evaluated through four experiments with four types of impellers: propeller, flat-blade, pitched-blade and curved-blade turbines, at agitation rates from 100 rpm and 1100 rpm. A hydrodynamic test was also carried out in order to verify the mixing time, energy consumption and occurrence of strict anaerobic activity in system. A low-strength synthetic substrate was used in all the experiments with a mean chemical oxygen demand (COD) of 530 ± 37 mg DQO/L. The influence of the solid and liquid-phase mass transfer on the reactor\'s performance was assessed by measuring COD temporal profiles along batch cycles. In all conditions studied the reactor achieved good efficiency, with mean removal of organic matter (COD) of 87%. The effluent mean TVA concentration was 13 ± 9 mg HAc/L, bicarbonate alkalinity was 223 ± 14 mg Ca\'CO IND.3\'/L and the pH values ranged from 6,7 e 7,2. The solid-phase mass transfer was not the limiting step in the organic matter conversion when 0.5 to 2.0-cm side bioparticles were used in the anaerobic sequencing batch reactor. Solid-phase mass transfer resistance only influenced the overall reaction rate when 3.0-cm cubic bioparticles were used. The liquid-phase mass transfer resistance was affected both by agitation and by efficiency of mixture provided by each type of impeller. Among the impellers assayed, the flat-blade one was the most efficient in providing the required mixing conditions. The use of this type impeller resulted in small energy consumption and excellent performance of the reactor with low agitation rate (N = 300 rpm). The results of this study also indicated that this new configuration did not provide conditions for the establishment of strict anaerobic conditions, mainly when high agitation rates were used. Anaerobic process efficiency limitations in this system were mainly related to mass transfer resistances rather than biochemical kinetic restrictions.

Este trabalho fundamentou-se na concepção, desenvolvimento tecnológico, ampliação de escala e avaliação do comportamento de sistema combinado anaeróbio-aeróbio de leito fixo e fluxo ascendente, com recirculação da fase líquida, para tratamento de esgoto sanitário. O reator, em escala piloto, foi construído em formato cilíndrico e confeccionado em fibra de vidro com volume total de aproximadamente 2,5 \'M POT.3\', com intuito de desenvolver um sistema capaz de operar como única unidade de tratamento para remoção de matéria orgânica e nitrogênio, reduzindo a geração de lodo e o consumo de energia pela combinação dos processos anaeróbio e aeróbio, possibilitando o aproveitamento das vantagens de cada um e minimizando seus aspectos negativos. Os melhores resultados operacionais foram encontrados para a etapa com tempo de detenção hidráulica total (TDH) de 12 horas e razão de recirculação (r) igual a 3,0, apresentando eficiências médias de remoção de DQO, \'N\'-NTK e SST de 92 ± 3%; 68 ± 11% e 75 ± 7%, respectivamente, com valores médios efluentes de 54 ± 22 mgDQO/L, 14 ± 10 mg \'N\'-NTK/L e 70 ± 42 mgSST/L. Os valores médios de carga orgânica volumétrica (COV) e carga volumétrica de nitrogênio (CVN) removidas foram de 1,08 ± 0,04 kgDQO/\'M POT.3\'.dia e 0,06 ± 0,02 kgNTK/\'M POT.3\'.dia para esta etapa. A estabilidade operacional durante a etapa com TDH de 12 h, a alta remoção de matéria orgânica e nitrogênio, sem a necessidade de adição de fonte exógena de carbono, para promover o processo de desnitrificação, e de suplementação de alcalinidade consumida durante a nitrificação, e a reduzida necessidade de manutenção devido à tecnologia de fabricação adotada, comprovam a viabilidade técnica de utilização do reator combinado de leito fixo como unidade compacta para pequenas comunidades ou vazões afluentes, para tratamento de esgoto sanitário. / This work was based on design, technology development, scale up and performance evaluation of an up-flow combined anaerobic-aerobic fixed bed system, with recycle of the liquid phase, for treatment of domestic sewage. The pilot scale reactor was built in a fiberglass cylindrical shape with a total volume of approximately 2.5 \'M POT.3\', aiming at the development of a system capable of operate as a single treatment unit for organic matter and nitrogen removal, with low sludge production and energy consumption by the advantages of combination of anaerobic and aerobic processes. The improved operating results were found for the condition with overall hydraulic retention time (HRT) of 12 hours and recycle ratio (r) equal to 3.0, with average removal efficiencies of COD, TKN and TSS of 92 ± 3%, 68 ± 11% and 75 ± 7%, respectively, with average effluent values of 54 ± 22 mgCOD/L, 14 ± 10 mgTKN/L and 70 ± 42 mgTSS/L. The average values of removed organic loading rate (OLR) and nitrogen volumetric loading (NVL) reached 1.06 ± 0.04 kgCOD/\'M POT.3.d and 0.06 ± 0.02 kgTKN/\'\'M POT.3\'.d for this phase. The operational stability during the stage with HRT of 12 h, the high organic matter and nitrogen removal, without addition of exogenous carbon source (electron donor) to promote the denitrification process, with no supplementation of alkalinity consumed during nitrification, and the reduced maintenance due to manufacturing technology adopted, proved the technical feasibility of the combined fixed-bed reactor as a compact unit for small communities or low inflow rates, for treatment of domestic sewage.

Neste trabalho de doutorado utilizou-se um reator anaeróbio em batelada seqüencial contendo biomassa imobilizada em matrizes cúbicas de espuma de poliuretano e agitação mecânica, com volume total de 5.5 L e volume útil de 4.5 L. A agitação do meio líquido foi realizada com quatro tipos de impelidores (turbina tipo hélice, lâminas planas, lâminas planas inclinadas e lâminas curvas, testados individualmente, sempre em número de 3), com 6 cm de diâmetro. A pesquisa foi realizada em quatro etapas experimentais. A etapa 1 objetivou determinar o tempo de mistura no reator para cada tipo de impelidor, ou seja, o tempo necessário para que o meio líquido ficasse totalmente homogêneo. A etapa 2 objetivou selecionar o tipo de impelidor e a respectiva intensidade de agitação que garantisse a minimização da resistência à transferência de massa externa no sistema. As intensidades de agitação testadas variaram de 200 a 1100 rpm, dependendo do tipo de impelidor. A etapa 3 foi realizada com tipo de impelidor e intensidade de agitação definidos na etapa 2, mas variando-se o tamanho da biopartícula (0,5, 1,0, 2,0 e 3,0 cm de aresta). O objetivo desta etapa foi selecionar o tamanho de biopartícula que minimizasse a resistência à transferência de massa interna. De posse das condições operacionais otimizadas (tipo de impelidor, intensidade de agitação e tamanho de partícula de suporte), a etapa 4 constituiu na aplicação das mesmas para o tratamento de um resíduo real, sendo escolhida água residuária de suinocultura. Na etapa 1, os resultados mostraram que os tempos de mistura para todos os tipos de impelidores foram desprezíveis em relação ao tempo total de ciclo. A etapa 2 revelou tempos de partida muito curtos (cerca de 20 dias), em todas as condições testadas, sendo atingidas remoções de DQO próximas de 70%. Além disso, o tipo de impelidor exerceu grande influência na qualidade final do efluente, fato este claramente constatado quando as frações de DQO foram consideradas separadamente (filtrada e suspensa). De acordo com os resultados obtidos na etapa 3, o tamanho da biopartícula teve influência decisiva no desempenho do sistema, nas condições testadas. As velocidades de dissolução foram aparentemente influenciadas pelo empacotamento do leito de espuma, enquanto que o consumo da fração de DQO correspondente às amostras filtradas foi provavelmente influenciado por fatores mais complexos. Finalmente, o teste realizado com resíduo diluído de suinocultura demonstrou que a operação do reator em estudo para o tratamento deste tipo de água residuária é possível. Os dados operacionais mostraram que o reator permaneceu estável durante o período testado. A agitação mecânica provou ser eficiente para melhorar a degradação da DQO suspensa, um dos maiores problemas no tratamento deste tipo de água residuária. Sendo assim, de acordo com os dados experimentais obtidos ao longo do trabalho, pode-se afirmar que a agitação em reatores em batelada mostrou-se importante não somente para proporcionar boas condições de mistura ou melhorar a transferência de massa na fase líquida, mas também para melhorar a solubilização da matéria orgânica particulada, melhorando as velocidades de consumo de matéria orgânica. / The bench-scale anaerobic sequencing batch reactor containing immobilized biomass and provided with mechanical stirring employed in this work had total and useful volumes of 5.5 and 4.5 L, respectively. The biomass was immobilized on cubic polyurethane foam matrices, and the agitation of the liquid medium was provided by four types of impellers (propeller, flat-blade, pitched-blade and curved-blade turbines, individually tested, always in a set of three), with 6 cm of diameter. The research was divided into 4 experimental steps. The first one aimed at determining the mixing time in the reactor for each sort of impeller, i.e., the time necessary for the system to be completely homogeneized. As for the second step, its objective was to choose the sort of impeller and the agitation rate suitable for minimizing the external mass-transfer resistance. The agitation rates tests ranged from 200 to 1100 rpm, depending on the impeller type. The step 3 was carried out utilizing the chosen impeller and agitation rate, but varying the bioparticle size (0.5, 1.0, 2.0 and 3.0 cm of side). The aim of these experiments was to determine the bioparticle size that minimized the solid-phase mass transfer. Using these optimized operational conditions (type of impeller and bioparticle size), the step 4 consisted of the utilization of them in the treatment of a real wastewater (diluted swine manure). As for the results, step 1 showed the mixing times were very low compared to the total cycle times employed in the experiments (8 and 24 h). Very short start-up periods were revealed by the second experimental part (about 20 days in average) for all conditions tested, and the removal efficiencies reached approximately 70%. Besides that, the impeller type exerted great influence on the final quality of the effluent, fact clearly observed when the COD fractions were analyzed separately (filtered and suspended). According to the data obtained in the step 3, the bioparticle size influenced decisively on the performance of the system, in the conditions tested. The bed packing apparently influenced the dissolution rates, whereas the consumption of the COD correspondent to the filtered samples was defined by more complex factors. Finally, the test with the diluted swine manure demonstrated that the operation of this reactor with this type of wastewater is feasible, as the operational data showed the reactor remained stable during all the period tested. The mechanical stirring proved to be efficient to improve the degradation of the suspended COD, one of the major problems in the treatment of this type of wastewater. In this sense, according to the experimental data obtained in this work, it can be affirmed the mechanical stirring in anaerobic sequencing batch reactors showed to be not only important to provide good mixing conditions and improve the liquid phase mass transfer, but also to improve the solubilization of the particulate organic matter and increase the overall organic matter consumption rates.

Avaliou-se a influência da recirculação da fase líquida e do regime de alimentação em reator anaeróbio no tratamento de esgoto sanitário. Utilizou-se um reator anaeróbio operado em bateladas seqüenciais, contendo biomassa imobilizada (ASBBR), em escala piloto, com volume total de 1,2 \'M POT.3\' (\'fi\' 1,0 m e altura 1,53 m). O leito suporte para a imobilização da biomassa era constituído por matrizes cúbicas de espuma de poliuretano, com 5 cm de aresta, confinadas em cesto de aço inox 304, colocado no interior do reator. A influência da recirculação da fase líquida sobre o desempenho do ASBBR quanto à remoção de matéria orgânica e quanto ao arraste de sólidos foi avaliada submetendo-se o reator às velocidades ascensionais de 1,27; 3,82; 7,64 e 10,18 m/h resultantes das diferentes vazões de recirculação impostas. Contrariamente ao observado em pesquisas anteriores em reatores operados em escala de bancada e alimentados com água residuária sintética, não houve aumento significativo da eficiência do reator com o aumento da velocidade ascensional no tratamento de esgoto sanitário. A influência do regime de alimentação de esgoto sanitário no desempenho do ASBBR foi avaliada submetendo-se o reator a tempos de enchimento correspondentes a 0,25 e 0,5 do tempo total de ciclo, utilizando-se a vazão de recirculação de 6 \'M POT.3\'/h, que foi a que apresentou os melhores resultados nos ensaios anteriores. Concluiu-se que o reator pode ser operado sob batelada alimentada com duração de até 0,5 tempo de ciclo, sem que seu desempenho seja significativamente alterado. Esse resultado é importante, pois representa que o sistema de tratamento composto por reatores ASBBR pode ser projetado com número menor de reatores. A fim de esclarecer dúvidas sobre o desempenho do ASBBR observado no tratamento de água residuária de composição complexa (esgoto sanitário), o reator foi alimentado com água residuária facilmente degradável (etanol). O desempenho do reator foi aquém do esperado, mesmo quando alimentado com composto de fácil degradação. Os ensaios de atividade metanogênica específica (AME) demonstraram que houve decréscimo dos valores de AME com o aumento da velocidade ascensional. Os valores obtidos foram 0,0632; 0,0509; 0,0248 e 0,0299 g DQO-CH4/(g STV.d), respectivamente, para os valores de Va de 1,27; 3,82; 7,64 e 10,19 m/h. Concluiu-se que a baixa eficiência de remoção de matéria orgânica deveu-se ao abaixamento progressivo da atividade metanogênica do lodo, cujas causas não puderam ser completamente esclarecidas nesta pesquisa. / The influence of the liquid phase recirculation and the feeding regimen on the performance of an anaerobic sequencing batch reactor containing immobilized biomass (ASBBR) applied for the treatment of domestic sewage was evaluated. Biomass immobilization was provided by a basket containing cubic polyurethane foam matrices (5 cm side) inside the 1.2 \'M POT.3\' (1.0 m diameter and 1.53 m height) pilot-scale reactor. The influence of the liquid phase recirculation on the reactor performance in respect to organic matter and solids wash-out was verified by subjecting the reactor to a wide range of up flow velocities (1.27; 3.82; 7.64 and 10.18 m/h) resulting from different recirculation flow rates imposed. The increase of the up flow velocity did not increase the efficiency of the pilot reactor as expected. This result contradicts those obtained with bench-scale ASBBR experiments treating synthetic wastewaters. The influence of the feeding regimen was verified by subjecting the reactor to feeding times correspondent to 0.25 and 0.50 of the total cycle time, at the recirculation flow rate of 6 \'M POT.3\'/h. It could be concluded that the reactor can be operated at the feeding batch mode up to 0.5 of the cycle time. This result is important for full scale applications considering that a treatment system composed of ASBBR reactors can be designed using a lower number of units. In order to clear some aspects related to the limited performance of the ASBBR reactor treating a complex wastewater (sewage), the reactor was subjected to an easily degradable wastewater (ethanol). However, the performance was not improved even when the reactor was treating an easily degradable compound. The results from the specific methanogenic activity (SMA) demonstrated a decrease on the values of SMA with the increase of the up flow velocity. The values of SMA were 0.0632; 0.0509; 0.0248 and 0.0299 g DQO-CH4/(g STV.d) for the Va of 1.27; 3.82; 7.64 and 10.19 m/h respectively. It could be concluded that the low efficiency obtained for organic matter removal was due mainly to the progressive decrease of the sludge methanogenic activity. The causes for that behaviour could not be completely explained in this research. It could be concluded that the reactor performance was iv clearly limited by the low productivity of the methanogenic populations present in the biomass.

O objetivo do presente trabalho foi realizar estudos acerca da degradação anaeróbia de proteínas no tocante à cinética de consumo de substrato e às rotas metabólicas presentes no processo. Inicialmente, realizou-se um estudo comparativo da degradação de efluentes sintéticos em reatores anaeróbios horizontais de leito fixo (RAHLFs) em escala de bancada. Nesse intuito, foi proposto um modelo cinética de primeira ordem de reações em série e paralelo, que permitiu a estimativa dos parâmetros cinéticos das várias etapas do processo estudado. As fontes de carbono nos efluentes sintéticos foram primeiramente compostas por compostos protéicos, tendo sido posteriormente adicionadas fontes de carboidratos e lipídeos à sua composição. Nesse intuito, utilizaram-se duas proteínas, caseína e soro albumina bovina (S.A.B.), e um hidrolisado protéico, peptona. Os resultados preditos pelo modelo cinético proposto apresentaram boa correlação com os dados experimentais e, com isso, foi possível o entendimento dos vários aspectos envolvidos na degradação de compostos protéicos em reatores que apresentam regime de escoamento predominantemente pistonado. A peptona foi mais rapidamente consumida, seguida pela caseína e finalmente pela S.A.B.. A presença de lipídeos nos efluentes sintéticos utilizados se constituiu no maior problema para o processo estudado. Análises de microscopia e biologia molecular mostraram que houve realocação da biomassa nos RAHLFs à medida que foram adicionadas fontes alternativas de carbono aos efluentes sintéticos à base de proteína. As morfologias encontradas foram comuns em todos os ensaios realizados, tendo predominado as semelhantes a Methanosaeta sp., bacilos fluorescentes e não fluorescentes, bacilos curvos e cocos não fluorescentes. Também foram visualizados três tipos de filamentos, espiroquetas e morfologias semelhantes a Methanosarcina sp. A segunda etapa do presente trabalho foi o estudo comparativo do processo de degradação de água residuária proveniente de abatedouro de aves em dois reatores um UASB e um RAHLF. O modelo cinético de primeira ordem se ajustou bem aos dados de decaimento de matéria orgânica em ambos os reatores. Dessa forma, foi possível concluir que no reator UASB, o mecanismo de adsorção do material colóide e solúvel nos grânulos parece ter regulado o processo, resultando em maior velocidade de remoção dessas frações de matéria orgânica. No RAHLF, o que parece ter regulado o processo foi a retenção de sólidos orgânicos, aumentando, dessa forma, a velocidade de remoção dessa fração de matéria orgânica. / This work reports on the anaerobic degradation of proteins from the standpoint of substrate consumption kinetics and metabolic routes. Initially, a comparative study of synthetic effluents in a bench scale horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) reactor was carried out. For this purpose, a kinetic model of irreversible first-order series-parallel reactions with two intermediate products was proposed. This allowed the estimative the kinetic parameters of several steps of the process. The carbon source in the synthetic effluents was composed primarily of casein, peptone and bovine serum albumin (B.S.A.). Then, sources of carbohydrate and lipid were added to the composition. The proposed model fitted the experimental protein degradation data well and allowed the best comprehension of the process. Thus it was possible to understand several aspects about the degradation of the protein substrates utilized in HAIB reactors. In relation to degradation rate, it was concluded that peptone was the most rapidly consumed, followed by casein, and finally BSA. Regarding substrate composition, the major problem for the studied process was the presence of lipids in the synthetics effluents. The results obtained from the microbiological analysis showed that relocation of biomass in the HAIBs reactors happened in correlation with the addition of alternative carbon sources to synthetic protein effluents. In all assays, common morphologies were found. These werepredominantly Methanosaeta sp. - like archaeas, fluorescent bacillus (three types), non-fluorescent bacillus (6 types), curved bacillus and non-fluorescent coccus. Three types of filaments, spirochetes and Methanosarcina sp. - like archaeas were also found. In a second phase, a comparative analysis of the degradation process of wastewater from a poultry slaughterhouse was carried out in two different reactors, one up flow anaerobic sludge blacked (UASB), and one HAIB. The first order kinetic model proposed fitted the experimental organic matter degradation data well in UASB and HAIB reactors treating residual water from avian abattoirs. In the UASB reactor, the adsorption mechanism of the granules for colloid and soluble material seems to regulate the process. This results in a higher rate of removal for these fractions of organic material. However, in the HAIB reactor, what seems to be controlling the process was the retention of organic solids, which increased the removal rate for this fraction of organic material.

O uso de reatores de biomassa imobilizada para tratamento de esgoto tem se difundido devido a sua capacidade de manter o tempo de retenção celular (TRC) elevado, mesmo quando operados com baixo tempo de detenção hidráulica (TDH). Neste trabalho, investigou-se o desempenho de dois reatores anaeróbios horizontais de leito fixo (RAHLF) em escala de bancada, usados no tratamento do efluente de uma indústria de refrigerantes, sendo um dos reatores preenchido com grânulos e o outro com espuma de poliuretano. A pesquisa foi dividida em três etapas, referentes aos tempos de detenção hidráulica (TDH) de, respectivamente, 20 h, 10 h e 5 h. O encerramento de cada etapa ocorria quando se verificava a estabilidade operacional do sistema através dos parâmetros: DQO, ácidos voláteis totais e pH. Ao final de cada etapa, foram obtidos os perfis de concentração de DQO ao longo dos reatores. Para TDH de 10 h, os valores obtidos para a constante cinética aparente (klapp) foram de 0,694 h-1, para o reator com grânulos, e de 0,467 h-1, para o reator preenchido com espuma de poliuretano. No decorrer da pesquisa, os reatores apresentaram alguns problemas operacionais, que aumentaram à medida em que se reduzia o TDH. Avaliou-se, também, o tempo de residência real do reator com espumas através de experimentos hidrodinâmicos (traçadores). Ao final do experimento, foram quantificados os sólidos voláteis em cada reator e buscou-se diferenciar o arranjo e a fauna microbiológica, presentes nos dois tipos de imobilização, através de microscopia eletrônica de varredura (MEV). / Immobilized biomass reactors have been increasingly used for wastewater treatment due to their capacity of maintaining high cellular retention time (CRT) even when operating at low hydraulic detention time (HDT). In this work, the performances of two horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) bench-scale reactors treating soft drinks industry effluents were investigated and compared. One of the reactors was filled with granules and the other one with polyurethane foam matrices. The research was conducted in three stages, concerning to hydraulic detention times of, respectively, 20 h, 10 h and 5 h. A stage was considered finished when reactors operational stability was checked by means of COD, total volatile fatty acids and pH. COD profiles were obtained along the reactors at the end of each stage. In the second stage, when HDT was equal to 10 h, the apparent kinetic constant (klapp) values were 0.694 h-1, to the reactor filled with grains, and 0.467 h-1, to the other one. During the research, the reactors showed some operational problems, that increased when the HDT was reduced. The real hydraulic detention time (HDT) reactor with polyurethane foams was evaluated through the hydrodynamic experiments (tracers). Volatile solids of each reactor were quantified at the end of experiment. The arrangement and microbiological fauna inside the reactors were determined by Scanning Electron Microscopy (SEM).

Neste trabalho de doutorado utilizou-se um reator anaeróbio em batelada seqüencial contendo biomassa imobilizada em matrizes cúbicas de espuma de poliuretano e agitação mecânica, com volume total de 5.5 L e volume útil de 4.5 L. A agitação do meio líquido foi realizada com quatro tipos de impelidores (turbina tipo hélice, lâminas planas, lâminas planas inclinadas e lâminas curvas, testados individualmente, sempre em número de 3), com 6 cm de diâmetro. A pesquisa foi realizada em quatro etapas experimentais. A etapa 1 objetivou determinar o tempo de mistura no reator para cada tipo de impelidor, ou seja, o tempo necessário para que o meio líquido ficasse totalmente homogêneo. A etapa 2 objetivou selecionar o tipo de impelidor e a respectiva intensidade de agitação que garantisse a minimização da resistência à transferência de massa externa no sistema. As intensidades de agitação testadas variaram de 200 a 1100 rpm, dependendo do tipo de impelidor. A etapa 3 foi realizada com tipo de impelidor e intensidade de agitação definidos na etapa 2, mas variando-se o tamanho da biopartícula (0,5, 1,0, 2,0 e 3,0 cm de aresta). O objetivo desta etapa foi selecionar o tamanho de biopartícula que minimizasse a resistência à transferência de massa interna. De posse das condições operacionais otimizadas (tipo de impelidor, intensidade de agitação e tamanho de partícula de suporte), a etapa 4 constituiu na aplicação das mesmas para o tratamento de um resíduo real, sendo escolhida água residuária de suinocultura. Na etapa 1, os resultados mostraram que os tempos de mistura para todos os tipos de impelidores foram desprezíveis em relação ao tempo total de ciclo. A etapa 2 revelou tempos de partida muito curtos (cerca de 20 dias), em todas as condições testadas, sendo atingidas remoções de DQO próximas de 70%. Além disso, o tipo de impelidor exerceu grande influência na qualidade final do efluente, fato este claramente constatado quando as frações de DQO foram consideradas separadamente (filtrada e suspensa). De acordo com os resultados obtidos na etapa 3, o tamanho da biopartícula teve influência decisiva no desempenho do sistema, nas condições testadas. As velocidades de dissolução foram aparentemente influenciadas pelo empacotamento do leito de espuma, enquanto que o consumo da fração de DQO correspondente às amostras filtradas foi provavelmente influenciado por fatores mais complexos. Finalmente, o teste realizado com resíduo diluído de suinocultura demonstrou que a operação do reator em estudo para o tratamento deste tipo de água residuária é possível. Os dados operacionais mostraram que o reator permaneceu estável durante o período testado. A agitação mecânica provou ser eficiente para melhorar a degradação da DQO suspensa, um dos maiores problemas no tratamento deste tipo de água residuária. Sendo assim, de acordo com os dados experimentais obtidos ao longo do trabalho, pode-se afirmar que a agitação em reatores em batelada mostrou-se importante não somente para proporcionar boas condições de mistura ou melhorar a transferência de massa na fase líquida, mas também para melhorar a solubilização da matéria orgânica particulada, melhorando as velocidades de consumo de matéria orgânica. / The bench-scale anaerobic sequencing batch reactor containing immobilized biomass and provided with mechanical stirring employed in this work had total and useful volumes of 5.5 and 4.5 L, respectively. The biomass was immobilized on cubic polyurethane foam matrices, and the agitation of the liquid medium was provided by four types of impellers (propeller, flat-blade, pitched-blade and curved-blade turbines, individually tested, always in a set of three), with 6 cm of diameter. The research was divided into 4 experimental steps. The first one aimed at determining the mixing time in the reactor for each sort of impeller, i.e., the time necessary for the system to be completely homogeneized. As for the second step, its objective was to choose the sort of impeller and the agitation rate suitable for minimizing the external mass-transfer resistance. The agitation rates tests ranged from 200 to 1100 rpm, depending on the impeller type. The step 3 was carried out utilizing the chosen impeller and agitation rate, but varying the bioparticle size (0.5, 1.0, 2.0 and 3.0 cm of side). The aim of these experiments was to determine the bioparticle size that minimized the solid-phase mass transfer. Using these optimized operational conditions (type of impeller and bioparticle size), the step 4 consisted of the utilization of them in the treatment of a real wastewater (diluted swine manure). As for the results, step 1 showed the mixing times were very low compared to the total cycle times employed in the experiments (8 and 24 h). Very short start-up periods were revealed by the second experimental part (about 20 days in average) for all conditions tested, and the removal efficiencies reached approximately 70%. Besides that, the impeller type exerted great influence on the final quality of the effluent, fact clearly observed when the COD fractions were analyzed separately (filtered and suspended). According to the data obtained in the step 3, the bioparticle size influenced decisively on the performance of the system, in the conditions tested. The bed packing apparently influenced the dissolution rates, whereas the consumption of the COD correspondent to the filtered samples was defined by more complex factors. Finally, the test with the diluted swine manure demonstrated that the operation of this reactor with this type of wastewater is feasible, as the operational data showed the reactor remained stable during all the period tested. The mechanical stirring proved to be efficient to improve the degradation of the suspended COD, one of the major problems in the treatment of this type of wastewater. In this sense, according to the experimental data obtained in this work, it can be affirmed the mechanical stirring in anaerobic sequencing batch reactors showed to be not only important to provide good mixing conditions and improve the liquid phase mass transfer, but also to improve the solubilization of the particulate organic matter and increase the overall organic matter consumption rates.