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

Este trabalho avaliou o desempenho de um sistema que combina os processos anaeróbio e aeróbio, para tratamento de esgoto sanitário, operado de modo contínuo sem e com recirculação da fase líquida. A combinação dos processos anaeróbio e aeróbio tem como objetivo aproveitar as vantagens de cada um, minimizando seus aspectos negativos. Foi utilizado um reator, em escala de bancada, de leito fixo e fluxo contínuo de escoamento ascendente com argila expandida e espuma de poliuretano como suportes de imobilização da biomassa. O desempenho do sistema foi avaliado em três diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH), 6, 8 e 10 horas, na fase anaeróbia, nos quais os melhores valores de remoção de matéria orgânica chegaram a 80%, com valores de DQO efluente abaixo de 150 mg/L. Com a inserção da fase aeróbia ao sistema (TDH de aproximadamente 11 horas, sendo 8 horas para a fase anaeróbia e 3 horas para a fase aeróbia), a eficiência subiu para mais de 90% com DQO efluente abaixo dos 50 mg/L. A nitrificação ocorreu perto do 15° dia operacional do sistema combinado e estava praticamente estável ao fim dessa etapa operacional. Após o 20º dia de operação as concentrações de nitrito mantiveram-se sempre baixas, o que indica equilíbrio da nitrificação. Foram obtidos ganhos quando feita recirculação do efluente tratado, principalmente em relação à remoção de matéria orgânica (95%) e remoção de nitrogênio total que foi de 75% para razão de recirculação de 1,5. O reator avaliado apresentou estabilidade operacional, alta remoção de matéria orgânica e nitrogênio sem a necessidade de adição de fonte exógena de carbono e de suplementação de alcalinidade. / This work evaluated the performance of a system that combines anaerobic and aerobic processes, for treatment of domestic sewage. The bench-scale fixed-film reactor was operated in a continuous way without and with recycle of the liquid phase. Expanded clay and polyurethane foam were used as supports for immobilization of the biomass. Initially, the system was operated under anaerobic condition and its performance was evaluated for three different hydraulic retention times (HRT), 6, 8 and 10 h. In this phase, COD removal efficiency of 80% was reached for HRT of 10 h, with effluent COD below 150 mgCOD/L. The combined anaerobic-aerobic operation (HRT of approximately 11 h, being 8 h for the anaerobic phase and 3 h for the aerobic phase) favored the organic matter removal that reached 90%, with effluent COD below 50 mgCOD/L. The operation with liquid recycle provided the best results with COD removal of 95% and total nitrogen removal of 75% under recycle ratio of 1.5. The anaerobic-aerobic fixed bed reactor, with recycle of the liquid phase, proved to be an excellent alternative for domestic sewage treatment, mainly when organic matter and nitrogen removals are required. The concomitant C and N removal without addition of exogenous source electron donor and with no additional alkalinity supplementation was the main advantage of this reactor over the conventional reactors applied for this purpose.

Este trabalho de investigação refere-se ao uso do reator anaeróbio híbrido para tratamento de esgoto sanitário, com configuração baseada no reator anaeróbio de manta de lodo (UASB) com inclusão de: meio suporte sobre as calhas de coleta de gás (denominado reator anaeróbio híbrido - UAHB) e, também, meio suporte na zona de reação (denominado reator anaeróbio híbrido modificado - UAHBmod). Para o desenvolvimento desta pesquisa, no Campus I da USP de São Carlos-SP foram construídos dois reatores experimentais de 18,8 m3 cada: um reator UASB, com função de controle, e um reator UAHB. Primeiramente os reatores foram operados por período de 200 dias, com tempo de detenção hidráulica (TDH) de 6 h. Após serem inoculados, com 80 dias de operação, os reatores atingiram o estado de equilíbrio dinâmico aparente, com geração de alcalinidade, baixa concentração de ácidos voláteis e eficiência de remoção média de DQO, de 84% e 85% e de DBO de 87% e 91%, respectivamente para o UASB e o UAHB. Após esse período, os reatores foram submetidos a aumento da velocidade ascensional (Vasc) (mediante recirculação do efluente) de 0,78 m.h-1; 1,17 m.h-1; 1,56 m.h-1 e de 1,96 m.h-1. O UAHB mostrou ser menos susceptível ao aumento da Vasc do que o UASB. Além da análise da operação dos reatores, foram realizados os ensaios hidrodinâmicos e avaliada a estrutura da comunidade microbiana, por microscopia ótica, epifluorescência e pela técnica do DGGE. Após esse período preliminar, os reatores UAHB e UAHBmod, operados com TDH de 6h e Vasc de 0,78 m.h-1, atingiram o estado de equilíbrio dinâmico aparente, com geração de alcalinidade, baixa concentração de ácidos voláteis e eficiência de remoção média da matéria orgânica, de 71% e 76% em DQO, e de 72% e 87% em DBO, respectivamente para o UAHB e UAHBmod. Após este período, o reator UAHBmod, submetido a Vasc de 1,56 m.h-1, promoveu remoção de 74% de DQO, e de 87% de DBO. / This research refers to the use of a hybrid anaerobic reactor (UAHB) for domestic wastewater treatment. The configuration of this reactor is based on a sludge bed anaerobic reactor (UASB); in the first instance, a media support above the gas collection apparatus (also known as hybrid anaerobic reactor) was provided and later, a media support on the reaction zone (also known as hybrid modified anaerobic reactor - UAHBmod) was provided. Two reactors, with a volume of 18.8 m3, each, were built for this research at Campus I, USP in São Carlos - SP-Brazil. One UASB reactor acted as a control, and the other as a UAHB reactor. In the preliminary essays, the reactors were operated with 6h of hydraulic detention time (HDT) for 200 days. After inoculation, the reactors attained the apparent dynamic equilibrium state after 80 days of operation, with alkalinity generation, low volatile acids concentration and mean organic matter removal of 84% and 85% in terms of COD, and 87% and 91% in terms of BOD, for UASB and UAHB reactors, respectively. After this period, the reactors were submitted to an increasing in up velocity (Vup) of 0.78 m.h-1; 1.17 m.h-1; 1.56 m.h-1 and 1.96 m.h-1. The UAHB reactor showed lesser susceptibility for Vup increase than the UASB reactor. Hydrodynamic tests were also done on the reactors, in addition to routine operational analysis. The structure of the microbial community was evaluated by optical and epifluorescence microscopy, and the DGGE technique. After this step, the UAHB and the UAHBmod reactors were operated out 6h of HDT and Vup of 0.78 m.h-1. The reactors attained the apparent dynamic equilibrium state with alkalinity generation, low volatile acids concentration and mean organic matter removal of 71% and 76% in terms of COD, and 72% and 87% in terms of BOD for the UASB and UAHBmod reactors, respectively. After this period, the UAHBmod reactor was subjected to a Vup of 1.56 m.h-1 and achieved removal efficiencies of 74% COD and 87% BOD.

A intensificação da degradação ambiental impulsionada pelas atividades antrópicas tem comprometido a qualidade da água. A presença de metais potencialmente tóxicos no ambiente provoca diversos impactos na fauna e flora, como, por exemplo, o processo de magnificação trófica. Assim, é fundamental que estudos de adsorção desses contaminantes sejam realizados, a fim de buscar novos métodos que permitam a remoção dos mesmos no meio aquático. O metal crômio está nos efluentes de diversos processos industriais, como curtumes, refino de petróleo, galvanoplastia, soldagem e cromagem. Esse metal na forma hexavalente possuí efeito tóxico a biota e riscos à saúde humana, indicando a necessidade da realização de estudos para sua remoção de efluentes industriais e corpos d\'água. O biopolímero quitosana tem sido reportado em diversos estudos como bioadsorvente de alto potencial de retenção de metais, por conta da presença de amino-grupos em sua estrutura. Além disso, a quitosana possui propriedades singulares e é obtida da quitina, um dos biopolímeros mais abundantes na natureza. Com a finalidade de avaliar a capacidade de adsorção de Cr (VI) pelo biopolímero quitosana em forma de pérolas (P-QTS), realizou-se ensaios de adsorção em processo contínuo com diferentes concentrações do metal cromo em coluna de leito fixo, preenchida pelo material adsorvente (P-QTS). Além disso, realizou-se testes de toxicidade com os organismos Daphnia magna, Allonais inaequalis e Chironomus xanthus no afluente e efluente da coluna de adsorção, buscando avaliar a toxicidade dessas amostras para os organismos e a consequente eficácia do tratamento da solução de dicromato de potássio na coluna de leito fixo com as P-QTS. As curvas de ruptura indicaram que para as maiores concentrações de K2Cr2O7 houve intensificação da saturação da CALF (coluna de adsorção de leito fixo), e, consequentemente, a zona de transferência de massa (ZTM) se deslocou no sentido descendente do leito fixo da coluna de adsorção. A razão C/Co (concentração efluente/concentração afluente) aumentou de maneira significativa no decorrer do ensaio para as maiores concentrações afluentes (25 e 28,5 mg L-1) de K2Cr2O7 alcançando valores de até 0,4, e, isso demonstra a saturação de parte das P-QTS na coluna de leito fixo. De maneira geral, a remoção de Cr VI foi alta (superior a 50% e atingindo a máxima de 98%) para os tempos estudados na presente pesquisa, sendo maior nos menores tempos (60 e 120 min) do ensaio, estado em que os sítios ativos para adsorção das P-QTS provavelmente estavam livres. Da extração do cromo das P-QTS obteve-se valor máximo de 8,18 mg g-1 e mínimo de 0,42 mg g-1 de massa adsorvida por massa de adsorvente, o que indica variação de acordo com a concentração da solução de K2Cr2O7 afluente a CALF, ou seja, para as maiores concentrações, maior a quantidade adsorvida de Cr VI por massa de adsorvente (P-QTS). Alguns pesquisadores obtiveram relação de 2,6 mg de crômio (III) /g de quitosana indicando que as P-QTS na coluna de leito fixo possuem boa capacidade de adsorção. Os testes de toxicidade mostraram diferentes sensibilidades dos organismos-teste às soluções de dicromato de potássio, sendo na ordem decrescente: Chironomus xanthus < Allonais inaequalis < Daphnia magna. A coluna de adsorção de leito fixo diminuiu, de modo geral, a mortalidade dos organismos-teste comparando o afluente e efluente, principalmente das amostras efluentes de menor tempo (60 e 120 min) de ensaio de adsorção. A média de comprimento das larvas de C. xanthus reduziu (10,07 mm > 8,34 mm > 4,59 mm), de modo geral, a medida que o tempo de ensaio (60, 120 e 180 min) aumentou, indicando aumento da concentração de Cr VI nos efluentes. / The intensification of environmental degradation driven by anthropic activities has led to a decrease in water quality. The presence of potentially toxic metals in the environment causes several impacts on fauna and flora, such as the trophic magnification process. Thus, it is fundamental that adsorption studies of these contaminants are carried out in order to search for new methods that allow their removal in the aquatic environment. Chromium metal is in the effluents of various industrial processes, such as tanning, petroleum refining, electroplating, welding and chrome plating. The chromium in the hexavalent form has a toxic effect on biota and risks to human health, indicating the need to carry out studies to your removal of industrial effluents and water bodies. The biopolymer chitosan has been reported in several studies as bioadsorbent with high potential for metal retention, due to the presence of amino groups in its structure. In addition, chitosan has unique properties and is obtained from chitin, one of the most abundant biopolymers in nature. In order to evaluate the Cr (VI) adsorption capacity of the chitosan biopolymer in the form of beads (P-QTS), adsorption tests were carried out in continuous process with different concentrations of the chromium metal in a fixed bed column, filled by adsorbent material (P-QTS). Besides that, toxicity tests were carried out with the organisms Daphnia magna, Allonais inaequalis and Chironomus xanthus on the affluent and effluent of the adsorption column, seeking to evaluate the toxicity of these samples to the organisms and the consequent effectiveness of the treatment of potassium dichromate solution in the fixed bed column with the P-QTS. The breakthrough curves indicated that for the higher concentrations of K2Cr2O7 there was an increase in the saturation of the CALF (fixed bed adsorption column), and consequently the mass transfer zone (ZTM) moved downwards from the fixed bed of the column of adsorption. The C/Co (affluent concentration/effluent concentration) ratio increased significantly during the test for the highest affluent concentrations, reaching values of up to 0.4 for the affluent concentrations of 25 and 28.5 mg L-1 of K2Cr2O7, and this demonstrates the saturation of part of the P-QTS in the fixed bed column. The removal of Cr VI was high (higher than 50% and reaching a maximum of 98%) for the times studied in the present study, but it was higher in the lower times (60 and 120 min) of the test, in which the active sites for adsorption of P-QTS probably were free. From the extraction of chromium from P-QTS, a maximum value of 8.18 mg g-1 and a minimum of 0.42 mg g-1 was obtained, which indicates variation according to the concentration of the K2Cr2O7 solution affluent to CALF, i.e the adsorbed amount of Cr VI per adsorbent mass (P-QTS) is higher at higher concentrations. Some authors have obtained a ratio of 2.6 mg of chromium (III) / g of chitosan indicating that the P-QTS in the fixed bed column have good adsorption capacity. The toxicity tests showed different sensitivities of the test organisms to the solutions of potassium dichromate, being in descending order: Chironomus xanthus < Allonais inaequalis < Daphnia magna. The fixed-bed adsorption column decreased the mortality of the test organisms by comparing the affluent and the effluent, mainly from the effluent samples with the shortest adsorption test time (60 and 120 min). The mean length of the C. xanthus larvae decreased (10.07 mm> 8.34 mm> 4.59 mm), generally as the test time (60, 120 and 180 min) increased, indicating rise in Cr VI concentration in the effluents.

Os fármacos são essenciais para a preservação da saúde do homem e de animais e também na prevenção de doenças. Entretanto, seu alto consumo associado ao descarte incorreto e aos tratamentos ineficientes de águas e efluentes podem trazer grandes prejuízos ao meio ambiente como, por exemplo, a resistência bacteriana. O objetivo deste trabalho foi estudar a remoção de ampicilina (AMP), atenolol (ATN) e paracetamol (PAR), fármacos de três classes distintas, em soluções aquosas através da técnica de adsorção em carvão ativado granular (CAG). Foram realizados experimentos de adsorção em batelada avaliando o efeito dos parâmetros pH, tempo de contato e concentração de sólido adsorvente. O comportamento cinético da adsorção dos fármacos em carvão ativado granular foi avaliado por meio dos modelos de pseudo-primeira ordem, pseudosegunda ordem e difusão intrapartícula. Ainda, isotermas de equilíbrio para estes sistemas foram construídas em diferentes temperaturas (15, 25 e 35 °C) e analisadas através dos modelos de Langmuir, Freundlich e Sips. O processo de adsorção também foi avaliado através de ensaios termodinâmicos. A adsorção em coluna de leito fixo foi avaliada utilizando planejamentos experimentais para os fármacos e os efeitos da massa do leito de adsorvente (0,5 – 1,5 g) e da vazão de alimentação (10 – 15 mL min-1) foram estudados Ainda, a fim de se avaliar o comportamento dos fármacos quando em mistura, foram realizados ensaios de adsorção em batelada e em coluna de leito fixo da mistura de ampicilina e paracetamol. Os melhores resultados encontrados nos ensaios de adsorção batelada foram: pH 6 e concentração de sólido adsorvente de 10 g L-1 para os três fármacos. O tempo de adsorção mais adequado foi de 90 minutos para o ATN e 120 min para AMP e PAR. Nessas condições foi possível obter remoções de 90 %, 94 % e 96 % para a ampicilina, atenolol e paracetamol, respectivamente. O modelo cinético que melhor descreveu o processo de adsorção foi o de pseudo-primeira ordem, para os fármacos ampicilina e paracetamol, e pseudo-segunda ordem para o atenolol. As isotermas obtidas para os fármacos indicaram que o processo de adsorção é de natureza endotérmica, ou seja, a adsorção é favorecida com o aumento da temperatura. Para a AMP, o melhor ajuste das isotermas foi obtido pelo modelo de Langmuir nas temperaturas de 15 ºC e 25 ºC e pelo modelo de Sips na temperatura de 35 ºC. Para o ATN, o melhor ajuste foi obtido pelo modelo de Freundlich e, para o PAR, o modelo de Sips, nas três temperaturas estudadas. Os ensaios termodinâmicos indicaram que o processo de adsorção dos fármacos é favorável e espontâneo e comprovou a natureza endotérmica do processo Em relação aos resultados obtidos na adsorção em coluna de leito fixo foi observado que os tempos de ruptura e de saturação aumentam com o aumento da massa de sólido presente no leito e diminuem com o aumento da vazão. A massa de adsorvente apresentou efeito negativo sobre a fração de leito utilizado e foi significativa no processo de adsorção dos três fármacos. Já a vazão de alimentação só foi significativa na adsorção em leito fixo da AMP e apresentou efeito positivo na fração de leito utilizado. Os maiores volumes de efluente tratado foram obtidos com a maior massa de sólido utilizada (1,5 g) e com a menor vazão de alimentação testada (10 mL min-1). Na adsorção multicomponente em batelada, verificou-se que há concorrência entre os fármacos pelos sítios ativos do CAG disponíveis para adsorção. Os resultados obtidos nos ensaios das isotermas de adsorção mostraram que o comportamento dos fármacos em mistura é o mesmo que quando comparados individualmente. Os modelos que melhor se ajustaram aos dados experimentais foram os mesmos obtidos nos ensaios monocomponente, Langmuir para a AMP e Sips para o PAR. Da mesma forma que para os experimentos em coluna monocomponente, os ensaios multicomponentes demostraram que os tempos de ruptura e de saturação são maiores para o PAR. Entretanto, esses valores são menores do que na adsorção individual indicando que houve concorrência entre os fármacos pelos sítios do adsorvente. Os resultados encontrados indicam que a adsorção é uma alternativa viável para a remoção de fármacos, contribuindo, assim, para o avanço das pesquisas relacionadas ao tratamento de efluentes contaminados por estes poluentes. / Drugs are essential for preservation of human and animal health as well as for disease prevention. However, its high consumption associated with incorrect disposal and inefficient treatment of water and effluents can cause great damage to the environment such as bacterial resistance, for example. The objective of this work was to study the removal of ampicillin (AMP), atenolol (ATN) and paracetamol (PAR), drugs of three different classes, in aqueous solutions by adsorption technique in granular activated carbon (GAC). Adsorption experiments were carried out in batch evaluating the effect of parameters pH, contact time and concentration of solid adsorbent. The kinetic behavior of the adsorption of drugs in granular activated carbon was evaluated through the pseudofirst order, pseudo-second order and intraparticle diffusion models. Furthermore, equilibrium isotherms for these systems were made at different temperatures (15, 25 and 35 ° C) and analyzed using the Langmuir, Freundlich and Sips models. The adsorption process was also evaluated through thermodynamic tests. The fixed bed column adsorption was evaluated by experimental planning for drugs and the effects of mass of the adsorbent bed (0.5 to 1.5 g) and feed rate (10 - 15 ml min-1) were studied Also, in order to evaluate the behavior of the drugs when in mixture, adsorption tests were carried out in batch and in fixed bed column for the mixture of ampicillin and paracetamol. The best results found in the batch adsorption tests were: pH 6 and concentration of adsorbent solid of 10 g L-1 for the three drugs. The most suitable adsorption time was 90 minutes for ATN and 120 min for AMP and PAR. Under these conditions it was possible to obtain removals of 90%, 94% and 96% for ampicillin, atenolol and paracetamol respectively. The kinetic model that best described the adsorption process was the pseudo-first order for the ampicillin and paracetamol drugs and pseudo-second order for atenolol. The isotherms obtained for the drugs indicated that the adsorption process is of endothermic nature, that is, the adsorption is favored with the increase in temperature. For the AMP, the best isotherm adjustment was obtained by the Langmuir model at temperatures of 15 °C and 25 °C and by the Sips model at temperature of 35 °C. For the ATN, the best fit was obtained by the Freundlich model and, for PAR, the Sips model at the three temperatures studied. The thermodynamic tests indicated that the adsorption process of the drugs was favorable and spontaneous and confirmed the endothermic nature of the process Regarding the results obtained in adsorption in fixed bed column, it was observed that rupture and saturation times increase with the increase of the mass of solid present in the bed and decrease with the increase of flow. The adsorbent mass had a negative effect on the used bed fraction and was significant in the adsorption process of the three drugs. The feed flow was only significant in the adsorption in fixed bed of the AMP and had positive effect in the used bed fraction. The highest volumes of treated effluent were obtained with the largest mass of solid used (1,5 g) and with the lowest feed rate tested (10 mL min-1). In multicomponent adsorption in batch, it was found that there is competition between the drugs by the active sites of GAC available for adsorption. The results obtained in the adsorption isotherms tests showed that the behavior of the drugs in mixture is the same as when compared individually. The models that best fit the experimental data were the same ones obtained in the monocomponent tests, Langmuir for AMP and Sips for PAR. Similarly as for the monocomponent column experiments, the multicomponent tests showed that the break and saturation times are larger for the PAR. However, these values are lower than in individual adsorption indicating that there was competition between the drugs for the sites of the adsorbent. The results indicate that adsorption is a viable alternative for the removal of drugs, thus contributing to the advancement of research related to the treatment of effluents contaminated by these pollutants.

Dans le cadre d’une thématique générale du Laboratoire Thermique Energétique et Procédés de Pau consacré à l’étude et à la valorisation des déchets tels que la pyrolyse, la combustion et la gazéification, la thèse se focalise sur la modélisation des phénomènes de transports de masse, de quantité de mouvement et d’énergie en milieu multiphasique multiconstituant réactif dans le cas d’un réacteur de gazéification à lit fixe. La première étape de la modélisation consiste à décrire classiquement le mouvement de chacune des phases continues par les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de la chaleur. Bien qu’à cette échelle les mécanismes soient parfaitement décrits, le passage à la simulation impose une étape d’homogénéisation par prise de moyenne. Ce changement d’échelle, décrit dans ce travail, conduit à un système d’équations homogène à l’échelle locale. Ce modèle est appliqué au cas du procédé de gazéification de déchets de la société Europlasma nommé CHO-Power. Les simulations bidimensionnelles instationnaires du problème ont permis de mettre en lumière les différents mécanismes en présence au cours du procédé ainsi qu’un certain nombre de verrous dans l’obtention du chemin de convergence conduisant au régime permanent. / One of the thematics of the “Laboratoire Thermique Energétique et Procédés de Pau” is the study and the valorization of waste as pyrolysis, combustion and gasification for example. In this context, this work deals with modeling of heat, mass and momentum transport in a multiphase multi components reactive medium for a fixed bed gasifier. Conservation equations are first written for each phase. The macroscopic partial differential equations are expressed by integrating these microscopic conservation laws over a representative volume. This change of scale, described in this work, leads to a homogeneous system of equations. This model is applied to the case of the gasification of waste process of the Europlasma company named CHO-Power. The unsteady two-dimensional simulations of the problem allowed to highlight the different mechanisms present during the process and a number of locks in obtaining convergence path leading to the steady state.

O reator anaeróbio de leito fixo tem demonstrado viabilidade para produzir hidrogênio a partir de águas residuárias. No entanto, a liberação do biogás não tem sido contínua devido à diminuição constante da carga orgânica volumétrica específica (COVe) causada pelo acúmulo de biomassa no leito ao longo do tempo. A redução da COVe junto com o envelhecimento da biomassa tem sugerido o estabelecimento de microorganismos consumidores dos constituintes do biogás (H2/CO2) responsáveis por cessar a produção de hidrogênio. Neste trabalho, cinco estratégias foram propostas visando a produção de hidrogênio por longo prazo operacional e com estabilidade, mediante a fixação da COVe, as quais incluíram a alteração da estruturação do leito, inverter o escoamento, realizar descartes periódicos de biomassa e variar a carga orgânica volumétrica aplicada (COV) por meio da variação do tempo de detenção hidráulica (TDH) e da concentração do substrato. Os resultados demonstraram que a manutenção da COVe em um valor adequado permite a produção contínua de hidrogênio. A ordenação do leito, utilizando polietileno de baixa densidade e espuma, e o escoamento descendente favoreceram a diminuição do acúmulo de biomassa e junto com os descartes de biomassa foi possível manter a COVe em um valor estável próximo de 5 g sacarose g-1 SSV d-1. A produção volumétrica de hidrogênio (PVH) foi contínua com valor médio de 0,6 L H2 L-1 d-1 e rendimento (YH2) próximo a 0,5 mol H2 mol-1 sc. Por outro lado, o escoamento ascendente e os descartes de biomassa em reator de leito empacotado e ordenado atingiram uma PVH média de 2,2 ± 0,2 e 3,13 ± 0,07 L H2 L-1 d-1 quando a COVe foi mantida em 2,6 e 4,4 g sacarose g-1 SSV d-1, respectivamente. Por último a variação da COV permitiu manter a COVe entre 3,8 e 6,2 g sacarose g-1 SSV d-1, atingindo um YH2 médio de 2 mol H2 mol-1 sc e um incremento da PHV de 2,4 a 8,9 L H2 L-1 d-1 durante 60 dias consecutivos. Ainda que com resultados satisfatórios referentes à manutenção por longo período operacional e estabilidade na produção de hidrogênio, a supersaturação deste gás no meio líquido, devido a limitações de transferência de massa, foi a principal causa de perdas de hidrogênio neste tipo de reator. / Fixed-bed, anaerobic reactor has been shown to be feasible for hydrogen production from wastewater. However, biogas release has not been continuous due to the continuous specific organic load (SOL) decrease, which in turn is caused by biomass accumulation in the bed, through the time. SOL reduction and biomass ageing have indicated the establishment of the microorganisms that consumes the biogas constituents (H2/CO2) as the main cause for ceasing hydrogen production. In this work, five strategies were proposed aiming at obtaining longterm, stable hydrogen production by using SOL maintenance, modifications of the bed structure, flow inversion, periodic biomass discards and diverse organic load rates (OLR), as a function of the hydraulic retention time (HRT) and of the substrate concentration. Results demonstrated that by maintaining the SOL at proper values, continuous hydrogen production can be accomplished. On one hand, structuring the bed by using low-density polyethylene and foam, together with a down-flow and biomass discards were shown to diminish biomass accumulation, which led to keep a stable SOL value close to 5 g sucrose g-1 VSS d-1. Volumetric hydrogen production (VHP) was continuous with an average value of 0.6 L H2 L-1 d-1 and a yield (YH2) close to 0.5 mol H2 mol-1 sc. On the other hand, up-flow with biomass discharges, when implemented structured-bed and packed-bed reactors reached average VHP values of 2.2 ± 0.2 and 3.13 ± 0.07 L H2 L-1 d-1 as SOL was maintained between 2.6 and 4.4 g sucrose g-1 VSS d-1, respectively. Eventually, SOL was kept between 3.8 e 6.2 g sucrose g-1 VSS d-1 by varying the OLR, thus reaching an average YH2 value of 2 mol H2 mol-1 sc and a VHP increase from 2.4 to 8.9 L H2 L-1 d-1, along sixty consecutive days. As a consequence of mass-transfer limitations, oversaturation of hydrogen at the liquid medium was found as the main factor that causes hydrogen losses concerning fixed-bed reactors, even though the proposed strategies did indeed demonstrate long-term and stable hydrogen production.

Um reator anaeróbio horizontal de leito fixo foi operado a escala de laboratório, visando verificar sua capacidade de degradação de fenol. O RAHLF foi construído em vidro de borosilicato com 100 cm de comprimento e 5,04 cm de diâmetro, preenchido com lodo anaeróbio imobilizado em matrizes de espuma de poliuretano. Prévio à realização do experimento o reator foi operado com substrato sintético, contendo como fontes de carbono glicose, ácido acético e ácido fórmico, atingida a estabilização da matéria orgânica para uma carga orgânica de 1028 mg/L, correspondente a uma remoção de DQO de 98%, foi iniciada a adição de fenol começando com uma concentração de 50 mg/L como única fonte de carbono. A concentração de fenol adicionada variou de 50 a 1200 mg/L e sua degradação foi avaliada através de determinação cromatográfica, utilizando cromatografia gasosa e parâmetros físico-químicos como pH, ácidos voláteis, alcalinidade e DQO. O RAHLF foi operado com um tempo de detenção hidráulica (TDH) de 12,3 horas. Com 50 mg/L, após 33 dias o reator atingiu uma remoção de fenol de 97%. Com 100 mg/L e depois de 148 dias de operação não foi detectado fenol no efluente do reator. Com 300 mg/L e após 58 dias de operação o reator apresentou 99% de remoção e uma concentração no efluente de 0,85 mg/L. Com 600 mg/L, 900 mg/L e 1200 mh/L, após 47, 29 e 7 dias de operação o reator alcançou remoções de 99%. Em todas as concentrações foi observado o predomínio de Methanosaeta, Methanobacterium e cocosmetanogênicos. Em relação à bactéria oxidadora de fenol foi observado o predomínio de coco-bacilos. As altas remoções de fenol observadas neste trabalho são devidas provavelmente à utilização de células imobilizadas. / A bench-scale horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) reactor was assayed aiming to verify its potential use for phenol degradation. The HAIB reactor consisted of a bore-silicate tube (100 cm long; 5.04 cm diameter) filled with polyurethane foam matrices containing immobilized anaerobic sludge. Before being subjected to phenol, the reactor was fed with synthetic substrate at the influent chemical oxygen demand (COD) of 1,028 mg/L achieving 98% of COD removal efficiency. Thereafter, phenol as the sole carbon source was added under step-increasing concentrations from 50 to 1,200 mg/L. Phenol degradation was evaluated by gas chromatographic analysis of influent and effiuent samples. Process monitoring included determinations of pH, volatile acids, alkalinity and COD. The HAIB reactor was operated at a constant hydraulic detention time (HDT) of 12,3 hours. After 33 days with 50 mg/L of phenol in the influent, the reactor achieved 97% of phenol removal efficiency. Successful phenol degradation (efficiency removal of 99%) occurred for influem concentrations of 100, 300, 600, 900 and 1,200 mg/L after 148, 58, 47, 29 and 7 days, respectively. The predominance of Methanosaeta, Methanobacterium and methanogenic cocci could be observed in all the operating conditions, besides the presence of phenol-oxidizing microorganisms as irregular rods. The results indicate that phenol degradation at very high rates can be accomplished in HAIB reactors containing acclimatized biomass.

Este trabalho avaliou o desempenho de um sistema que combina os processos anaeróbio e aeróbio, para tratamento de esgoto sanitário, operado de modo contínuo sem e com recirculação da fase líquida. A combinação dos processos anaeróbio e aeróbio tem como objetivo aproveitar as vantagens de cada um, minimizando seus aspectos negativos. Foi utilizado um reator, em escala de bancada, de leito fixo e fluxo contínuo de escoamento ascendente com argila expandida e espuma de poliuretano como suportes de imobilização da biomassa. O desempenho do sistema foi avaliado em três diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH), 6, 8 e 10 horas, na fase anaeróbia, nos quais os melhores valores de remoção de matéria orgânica chegaram a 80%, com valores de DQO efluente abaixo de 150 mg/L. Com a inserção da fase aeróbia ao sistema (TDH de aproximadamente 11 horas, sendo 8 horas para a fase anaeróbia e 3 horas para a fase aeróbia), a eficiência subiu para mais de 90% com DQO efluente abaixo dos 50 mg/L. A nitrificação ocorreu perto do 15° dia operacional do sistema combinado e estava praticamente estável ao fim dessa etapa operacional. Após o 20º dia de operação as concentrações de nitrito mantiveram-se sempre baixas, o que indica equilíbrio da nitrificação. Foram obtidos ganhos quando feita recirculação do efluente tratado, principalmente em relação à remoção de matéria orgânica (95%) e remoção de nitrogênio total que foi de 75% para razão de recirculação de 1,5. O reator avaliado apresentou estabilidade operacional, alta remoção de matéria orgânica e nitrogênio sem a necessidade de adição de fonte exógena de carbono e de suplementação de alcalinidade. / This work evaluated the performance of a system that combines anaerobic and aerobic processes, for treatment of domestic sewage. The bench-scale fixed-film reactor was operated in a continuous way without and with recycle of the liquid phase. Expanded clay and polyurethane foam were used as supports for immobilization of the biomass. Initially, the system was operated under anaerobic condition and its performance was evaluated for three different hydraulic retention times (HRT), 6, 8 and 10 h. In this phase, COD removal efficiency of 80% was reached for HRT of 10 h, with effluent COD below 150 mgCOD/L. The combined anaerobic-aerobic operation (HRT of approximately 11 h, being 8 h for the anaerobic phase and 3 h for the aerobic phase) favored the organic matter removal that reached 90%, with effluent COD below 50 mgCOD/L. The operation with liquid recycle provided the best results with COD removal of 95% and total nitrogen removal of 75% under recycle ratio of 1.5. The anaerobic-aerobic fixed bed reactor, with recycle of the liquid phase, proved to be an excellent alternative for domestic sewage treatment, mainly when organic matter and nitrogen removals are required. The concomitant C and N removal without addition of exogenous source electron donor and with no additional alkalinity supplementation was the main advantage of this reactor over the conventional reactors applied for this purpose.

Made available in DSpace on 2017-05-12T14:47:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Carla Limberger _Lopes (Tese revisada) 2016.pdf: 2793834 bytes, checksum: bd8e57da9e9986df4f212107c57ca249 (MD5) Previous issue date: 2016-02-17 / The aim of this study was to evaluate a combined anaerobic-aerobic upflow fixed-bed reactor with recirculation of the liquid phase for the removal of nitrogen and organic matter from poultry slaughterhouse wastewater. The reactor was made of an acrylic tube of internal diameter of 93 mm and the length of 1000 mm with a useful volume of 5.6 L being 3.5 L corresponding to the anaerobic compartments and 2.1 L to the aerobic one. The bed for immobilization of the biomass was formed by expanded clay and polyurethane foam. For discussing the results, this study was divided into three articles. In the first article, was evaluated the reactor performance with respect to the elimination of nitrogen (&#8776;65 mg.NT.L-1) and organic matter (&#8776;600 mg.DQO.L-1) due to the recirculation rate (R = 0.5, 1 and 2) and the hydraulic retention time (HRT) of 11 h (6.8 h in anaerobic condition and 4.2 h in aerobic condition) over the time. The best operating condition was obtained at the recirculating rate of 2. In this condition, the total nitrogen removal was 65% with the effluent concentration of 6 mg.NH4+.L-1 e 12 mg.NO3-.L-1. For all condition, the organic matter removal was greater than to 95% with the effluent concentration of approximately 20 mg.COD.L-1. Thus, the increasing of the recirculation rate influenced positively in the reactor performance. In the second article, the hydraulic detention time was evaluated (HDT) at 14 h, 11 h and 8 h with the recirculation rate (R) of 0.5 (Step I), R = 1 (Step II) and R 2 = (Step III). The affluent average concentrations were 65 mg.NT.L-1, 580 mg.COD.L-1, 77 mg L-1 of total alkalinity and pH of 6.4. The samples were collected inlet and output of each compartment along the reactor height. In the Step I, the nitrification efficiencies were 76%, 70% and 41% respectively for 14 h, 8 h and 11 h, showing the effect of HRT. In all steps, the alkalinity has been regarded as the limiting factor of the process and its deficit was 10 to 30%. It was attributed to this factor the low efficiency of total nitrogen removal of about 45%. Throughout the experiment the removal efficiency of organic matter in terms of chemical oxygen demand (COD) was over 90% and made to fit the first order kinetic model for degradation of the substrate. In the third article, was evaluated the hydrodynamic behavior of this system, through stimulus response tests using eosin Y dye as tracer. It has been evaluated the hydraulic retention time of 8 h with three recirculation rates, of .0.5, 1 and 2 times. Under these conditions, the removal of organic matter was greater than 90% and nitrogen conversion was favored by applying lower loads of (0.18 Kg.N.m-3.d-1). It was found that the hydrodynamic evaluation showed the continuous-stirred reactors behavior with 2 to 2.5 reactors in series (N-CSTR). / O objetivo desse trabalho foi avaliar um reator combinado anaeróbio-aeróbio de leito fixo e fluxo ascendente com recirculação da fase líquida, para a remoção de nitrogênio e matéria orgânica proveniente de água residuária de abatedouro de aves. O reator foi confeccionado em um tubo de acrílico de diâmetro interno de 93 mm e comprimento de 1000 mm, com volume útil de 5,6 L, sendo 3,5 L correspondentes aos compartimentos anaeróbios e 2,1 L correspondentes ao compartimento aeróbio. O leito para a imobilização da biomassa foi formado por argila expandida e espuma de poliuretano. A apresentação desse trabalho foi dividida em três artigos. No primeiro artigo, avaliou-se o desempenho do reator em relação à remoção de nitrogênio (&#8776;65 mg.N.L-1) e de matéria orgânica (&#8776;600 mg.DQO.L-1) em função da taxa de recirculação (R=0,5; 1 e 2) e do tempo de detenção hidráulica (TDH) de 11 horas (6,8 horas na condição anaeróbia e 4,2 horas na condição aeróbia), ao longo do tempo. A melhor condição operacional foi obtida com taxa de recirculação de 2. Nessa condição, a eficiência de remoção de nitrogênio total foi de 65% com concentrações efluentes de 6 mg.NH4+.L-1 e 12 mg.NO3-.L-1. Para todas as condições testadas, a eficiência de remoção de matéria orgânica apresentou-se superior a 95%, com concentração efluente de aproximadamente 20 mg.DQO.L-1. Assim, o aumento da taxa de recirculação influenciou positivamente no desempenho do reator. No segundo artigo, avaliaram-se os tempos de detenção hidráulica (TDH) de 14 horas, 11 horas e 8 horas com taxa de recirculação (R) de 0,5 (Ensaio I), R=1 (Ensaio II) e R=2 (Ensaio III). As concentrações médias afluentes foram 65 mg.NT.L-1, 580 mg.DQO.L-1, 77 mg.L-1 de alcalinidade total e pH de 6,4. As amostras foram coletadas na entrada e saída de cada compartimento, ao longo da altura do reator. Na Etapa I, e as eficiências de nitrificação foram de 76%, 70% e 41%, respectivamente para 14 horas, 11 horas e 8 horas, evidenciando o efeito do TDH. Em todas as etapas, a alcalinidade foi considerada o fator limitante do processo e o seu déficit variou de 10% a 30%. Atribuiu-se a esse fator a baixa eficiência na eliminação de nitrogênio total de aproximadamente 45%. Durante todo o experimento, a eficiência de remoção de matéria orgânica em termos de demanda química de oxigênio (DQO) foi superior a 90% e apresentou ajuste ao modelo cinético de primeira ordem para a degradação do substrato. No terceiro artigo, avaliou-se o comportamento hidrodinâmico desse sistema, a partir de ensaios de estímulo resposta utilizando o traçador Eosina Y. Avaliou-se o tempo de detenção hidráulica de 8 horas com as três taxas de recirculação, de 0,5, 1 e 2 vezes. Nessas condições, a remoção de matéria orgânica foi superior a 90% e a conversão de nitrogênio foi beneficiada com a aplicação de cargas menores (0,18 Kg.N.m-3.d-1). Na avaliação hidrodinâmica verificou-se que o reator apresentou comportamento de reator de mistura completa com 2 a 2,5 reatores em série (N-CSTR).