Vinasse, a wastewater rich in organic matter, nutrient and water, is commonly used for fertigation of sugarcane plantation. However, this practice is questionable in the environmental sphere because of problems, such as contamination of groundwater and greenhouse gases emission. Researchers have sought for alternatives that use vinasse in a more sustainable way, e.g., biorefineries that recover resources. In general, the pathways considered are the concentration technologies to reclaim water and nutrient, and the anaerobic digestion (AD) to produce biogas. This thesis reports on a study of five designs of vinasse biorefineries that incorporate anaerobic bioreactors followed by a concentration technology (evaporation (EV), reverse osmosis (RO) or forward osmosis (FO)). Different forms of regeneration of the draw solution (DS) namely evaporation, reverse osmosis and membrane distillation (MD) were also analyzed. The alternatives were compared through an exergy analysis, a method that evaluates efficiency in the conversion of resources by systems. The results showed Alternative 2 (anaerobic digestion + reverse osmosis) was the most efficient (64%), since the treatment of 491.76 m3 vinasse h-1 (exergy content of 60513.8 kW) to recover 80% of water reduced 76% of external water requirement and generated 12% more electricity (2601 kW exergy) for the industry. / O desenvolvimento de biorrefinarias voltadas à recuperação de recursos é uma tendência crescente que visa promover sistemas alternativos para obtenção de energia e materiais de forma mais sustentável. Dentro deste conceito está o aproveitamento da vinhaça das indústrias de cana-de-açúcar de modo a recuperar água, nutrientes e energia como produtos de interesse. Para isso, é necessário avaliar as possíveis configurações tecnológicas voltadas a este objetivo. No presente trabalho, foram estudados cinco designs de biorrefinaria de vinhaça incorporando uma rota de produção de metano, formada pelo processo de digestão anaeróbia, e uma forma de concentração do efluente. Os métodos para obtenção de água foram evaporação, osmose reversa e osmose direta. Neste último, foram analisadas diferentes formas de regeneração da solução de separação: evaporação, osmose reversa e destilação por membranas. A comparação das alternativas de biorrefinaria foi feita pelo método da análise de exergia, que atua na avaliação da eficiência de conversão dos recursos em sistemas. Esta ferramenta possui como medida base o trabalho útil que pode ser obtido a partir das correntes envolvidas no processo. Desta forma, observou-se que tecnologias que empregam calor como energia de entrada tendem a ser menos eficientes do que as que empregam eletricidade. Neste caso, as alternativas com processo de osmose reversa apresentaram maiores eficiências exergéticas, por exemplo, ao se recuperar 70% de água, sua eficiência seria de 64%. Portanto, sugere-se que a digestão anaeróbia da vinhaça seguida da concentração por osmose reversa seria a configuração mais interessante para concepção de uma biorrefinaria de vinhaça.

Submitted by Anderson Silva (avargas@icict.fiocruz.br) on 2012-12-27T16:54:47Z No. of bitstreams: 1 Tese completa Tatiana Prado doutorado BP pdf.pdf: 8757483 bytes, checksum: 8a4d7a0b6c6b6d917034f958c665cd1a (MD5) / Made available in DSpace on 2012-12-27T16:54:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese completa Tatiana Prado doutorado BP pdf.pdf: 8757483 bytes, checksum: 8a4d7a0b6c6b6d917034f958c665cd1a (MD5) Previous issue date: 2011 / Fundação Oswaldo Cruz. Instituto Oswaldo Cruz. Rio de Janeiro, RJ, Brasil. / Este estudo teve como objetivo avaliar a presença de rotavírus (RVA), adenovírus (AdV), norovírus (NoV) e vírus da hepatite A (HAV) em amostras ambientais (esgoto e lodo de esgoto primário e tratado) geradas e obtidas em diferentes Estações de Tratamento de Esgoto (ETEs) da cidade do Rio de Janeiro pela detecção, quantificação e caracterização molecular, assim como determinar a eficiência de diferentes metodologias de recuperação viral em lodo de esgoto. A concentração destes vírus foi determinada em ETEs hospitalares que operam por processos anaeróbios (reator UASB e filtros anaeróbios) e aeróbio (lodo ativado de aeração prolongada) e em uma ETE urbana de grande porte (Alegria, Caju) que utiliza processo de lodo ativado convencional. Os resultados demonstraram que os efluentes hospitalares são contaminados com elevadas cargas virais, especialmente RVA, apontando para o risco da disseminação ambiental quando processos de tratamento biológicos convencionais (aeróbios e anaeróbios) não são adequados para a remoção viral. Uma grande variabilidade de genótipos virais foi encontrada nos efluentes hospitalares, particularmente para AdV, para os quais foram detectadas espécies C e D, comumente envolvidas em casos de infecções respiratórias e conjuntivite nosocomial. Apenas genótipo GII.4 de NoV foi detectado nos efluentes hospitalares, confirmando a prevalência desse genótipo no Brasil. No estudo que avaliou a detecção de HAV nas águas residuárias urbanas foi constatado que 58% das amostras de esgoto bruto foram positivas para HAV e as cargas de genomas virais não foram detectadas nos efluentes tratados do processo de lodo ativado convencional. A análise filogenética baseada na região do genoma VP1/2A de HAV detectados em 2009-2010 demonstrou a prevalência do subgenótipo IA e os isolados apresentaram maior identidade de nucleotídeos com isolados de HAV do Brasil e Argentina. A detecção viral obtida em diversas etapas da ETE de grande porte demonstrou a predominância de RVA e AdV e o sistema de lodo ativado convencional reduziu as cargas de genomas virais em 1 – 1,5 unidades log10 no efluente final tratado. A análise da eficiência dos métodos de detecção viral em lodo de esgoto demonstrou que a presença de inibidores nas amostras afeta o desempenho da amplificação de ácidos nucléicos e o uso do controle interno (bacteriófago PP7) pode ser adequado para monitorar as etapas de detecção viral. O método baseado na eluição utilizando extrato de carne foi o mais viável para recuperar os vírus pesquisados, sobretudo AdV em lodo de esgoto. Os AdV foram predominantes nas amostras de lodo de esgoto tratado e, portanto, poderiam ser considerados bons indicadores para a presença de vírus de disseminação entérica nesses resíduos. Esse é o primeiro estudo demonstrando a ocorrência de RVA e NoV GII em lodo de esgoto digerido anaerobicamente no Brasil, e espera-se que esse trabalho contribua para expandir essa linha de investigação, incluindo a análise de biossólidos produzidos por outros processos de estabilização. / The aim of this study was to evaluate the presence of rotavirus (RVA), adenovirus (AdV), norovirus (NoV) and hepatitis A virus (HAV) in environmental samples (sewage and primary and treated sewage sludge) produced in different wastewater treatment plants (WWTPs) in Rio de Janeiro city through the detection, quantification and molecular characterization, as well as, determining the efficiency of different viral recovery methods in sewage sludge. Viral concentrations were determined in hospital WWTPs that operates by anaerobic processes (UASB reactor and anaerobic filters) and aerobic (activated sludge process with prolonged aeration) and in a great urban WWTP (Alegria, Caju) that operates by conventional activated sludge process. The results demonstrate that hospital wastewaters and treated effluents by anaerobic and aerobic processes are contaminated with high viral loads, especially RV-A, pointing environmental dissemination risks when conventional biological treatment processes are not suitable for virus removal. A great variability of viral genotypes was found, mainly for AdV, which species C and D involved in respiratory infectious diseases and nosocomial keratoconjuctivites cases were detected. Only NoV GII.4 was obtained in hospital wastewaters, confirming the prevalence of this genotype in Brazil. In the study that evaluated HAV detection in urban wastewaters was demonstrated that 58% of the raw sewage samples were positive for HAV and the viral genome loads were not detected in the treated effluents from activated sludge process. Phylogenetic analysis based on VP1/2A genome region of HAV detected in 2009-2010 demonstrated the prevalence of subgenotype IA and the isolates showed higher nucleotide identity with HAV isolates from Brazil and Argentina. Virus detection determined in distinct stages of the conventional activated sludge process demonstrated the predominance of RVA and AdV and viral genome loads were reduced in 1 – 1,5 log10 units in the treated effluent. Analysis of the virus recovery methods efficiency in sewage sludge demonstrated that the presence of inhibitors affect the performance of the nucleic acid amplification reactions and the use of an internal control (PP7 bacteriophage) can be suitable to monitoring viral detection stages. The method based on beef extract elution was more viable for recovering viruses, mainly AdV in sewage sludge. Adenoviruses are predominant in these samples and, therefore, could be considered good indicators to evaluate the viral contamination in these residues. This is the first Brazilian report on the occurrence of RV-A and NoV GII in sewage sludge treated by anaerobic digestion and is expected that the present study contributes for the investigation of the enterically disseminated viruses in biosolids treated by other stabilization processes.