A conventional membrane bioreactor (MBR) and two moving bed bioreactors coupled with ultrafiltration membrane filtration were operated for close to six months to investigate biological nutrient removal and potential fouling inducing parameter mitigation. Unique to one of the moving bed membrane bioreactors (MBMBR) was a newly designed media that incorporated a hydrodynamic exterior carrier with a highly porous interior packing. Preliminary investigation indicates that nitrogen compounds were superiorly removed in the two MBMBRs when compared with the MBR. This is a result of denitrification processes occurring in anoxic micro-zones found within the depths of the biofilm affixed to media. Fouling propensity was found to be increased by over four times in the MBMBR systems as compared to the MBR. Mixed liquor, permeate and filtrate analysis, membrane fibre examination and permeability tests indicated that colloidal organic carbon, as well as soluble microbial products were the dominant fouling inducing compounds. / Manuscript format / The Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada

In the last decades, the awareness of environmental issues has increased in society considerably. There is an increasing need to improve the effluent quality of domestic wastewater treatment processes. This thesis describes the application of the Sequencing Batch Reactor (SBR) technology for Biological Nutrient Removal (BNR) from the wastewater. In particular, the work presented evolves from the nitrogen removal to the biological nutrient removal (i.e. nitrogen plus phosphorous removal) with special attention to the operational strategy design, the identification of possible reactor cycle controls or the influent composition related to the process efficiency. In such sense, also the use of ethanol as an external carbon (when low influent Carbon:Phosphorus (C:P) or Carbon:Nitrogen (C:N) ratios are presented) are studied as an alternative to maintain the BNR efficiency.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-07-15T11:55:55Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) DISSERTAÇÃO LAÍSE ALVES CANDIDO.pdf: 1717138 bytes, checksum: 7884517a24d4674909faeecc260c672f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-15T11:55:55Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) DISSERTAÇÃO LAÍSE ALVES CANDIDO.pdf: 1717138 bytes, checksum: 7884517a24d4674909faeecc260c672f (MD5) Previous issue date: 2015-12-21 / O objetivo deste estudo foi avaliar a capacidade de previsão do algoritmo ASM2d modificado, utilizando o programa AQUASIM 2.0® após sua calibração para um reator de bateladas sequenciais com adição de fonte externa de carbono para tratamento de esgoto doméstico objetivando a remoção de matéria orgânica, fósforo e nitrogênio. O sistema piloto está instalado na área experimental da UFPE localizada na Estação de Tratamento de Esgotos da Mangueira que recebe os esgotos de uma comunidade de baixa renda da cidade de Recife-PE. O reator tem volume útil de 160 L (cento e sessenta litros) e opera em batelada com ciclos de 08h (oito horas) dividas em: enchimento e fase anaeróbia (120 min), fase aeróbia (260 min), fase anóxica (50 min), sedimentação (45 min) e esvaziamento (5 min). Os comportamentos previstos pelo modelo para as frações de matéria orgânica, de nitrogênio e de fósforo e do oxigênio dissolvido (OD) e taxa de consumo de oxigênio são coerentes com o descrito pela literatura e concordam com os dados medidos durante a fase de operação do reator. No entanto, faz-se necessária sua validação com maiores séries temporais de dados para maximizar sua confiabilidade, assim como é imprescindível que sejam instalados equipamentos para medição do volume de oxigênio adicionado, monitoramento online do OD e da alcalinidade e controle rigoroso do volume e características do lodo descartado e das frações de sólidos em todas as fases da operação do reator. Embora o modelo não tenha tido sua capacidade de previsão dos parâmetros validada, foi possível verificar a aplicabilidade do ASM2d para a configuração de fases escolhida e com temperatura próxima à real. / The objective of this study was to evaluate the modified ASM2d algorithm foresight capacity using the AQUASIM 2.0® program after its calibration for sequencing batch reactor with the addition of external carbon source for domestic sewage treatment aiming at removal of organic matter, phosphorus and nitrogen. The pilot plant is installed at UFPE’s experimental area at the Wastewater Treatment Plant of Mangueira which receives influent from a low-income community in the city of Recife-PE. The reactor has an effective volume of 160 L (one hundred sixty liters) and operates in batch with cycles of 08h (eight hours) divided into: filling and anaerobic stage (120 min), aerobic phase (260 min), anoxic phase (50 min), sedimentation (45 minutes) and emptying (5 min). The behavior predicted by the model for fractions of organic matter, nitrogen and phosphorus, dissolved oxygen (DO) and oxygen uptake rate are consistent with that described in the literature and agree with the measured data during reactor operation phase. However, a validation with larger data time series is necessary to maximize its reliability, as it is indispensable to have installed equipment for measuring oxygen input, online monitoring of DO and alkalinity and strict control of the volume and characteristics of the excess sludge and solid fractions for all phases of reactor operation. Although the model has not had its predictive power validated, it was possible to verify the applicability of ASM2d for the chosen stage setting and at a temperature close to the operational.

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In conventional wastewater treatment plants, methanol, ethanol, and acetate are used as carbon source for the denitrification process in the biological nutrient removal. However, growing concern regarding economical costs and carbon footprints from the fossil-based production of these chemicals have forced the companies to look for other alternatives. VFAs have shown a great potential in replacing the conventionally used carbon sources. If implemented this will result in lower chemical cost and a drastic decrease in carbon footprint as well as striving WWTPs towards sustainable development. In this work denitrification has been analysed using different variations of VFAs such as fermented potato protein liquor, food waste and chicken manure VFA. This was done using a basic laboratory setup of a denitrification reactor which used basic stirring agitation and nitrogen purging to ensure anoxic conditions. Nutrients and excess sCOD were added to ensure the highest denitrification rates. The denitrifying biomass was collected at Gryaab AB in the form of k1-carriers making this process a MBBR. The most influential characteristic of the VFAs is the distribution of the acids in the VFA effluent. Butyric acid along with caproic acid showed the best potential for efficient denitrification. The possibility of concentration of VFA effluent showed a high potential when using a nanofiltration system. A C/N ratio of 4.5 conventionally used when methanol is added showed to be the most optimal condition for VFA addition. The combination of VFAs together with conventional used carbon sources showed the best potential in denitrification efficiency proving to be as good or even better than pure synthetic ones. VFAs effluents showed the best potential in removing the intermediate nitrite from the wastewater at high rates. Overall, VFAs shown a great potential for replacing conventionally used carbon sources, demonstrating the potential of substitution, which if implemented will result in lower carbon footprint and a strive towards sustainable development.

Con el aumento de la población y de la demanda de bienes y servicios a escala global, se ha producido un deterioro en la calidad y disponibilidad del agua, poniendo de manifiesto la necesidad inminente de un cambio de mentalidad en la sociedad. Este cambio debe incluir, tanto la intensificación de las disposiciones legales que permitan prevenir la contaminación, como el desarrollo e implementación de tecnologías de depuración más eficaces, sostenibles y respetuosas con el ambiente. En la actualidad, en la mayoría de países desarrollados el tratamiento de aguas residuales urbanas está basado en los sistemas de fangos activados como tratamiento principal. Estos sistemas se caracterizan por presentar un elevado consumo energético y una alta generación de fango biológico, que debe ser sometido a algún tratamiento de estabilización previo a su reutilización o disposición final. Una alternativa a estas tecnologías son los sistemas basados en procesos anaerobios, cuya implementación supone mayor sostenibilidad, menor coste económico y energético, y menor impacto ambiental. Sin embargo, es necesario superar las limitaciones asociadas a las bajas velocidades de crecimiento de la biomasa anaerobia (en comparación con los microorganismos aerobios) y a la baja eficacia en la separación de la biomasa mediante procesos de sedimentación. La combinación del proceso anaerobio de degradación de la materia orgánica con un proceso de filtración con membranas, permite superar los inconvenientes mencionados, pudiéndose establecer tiempos de retención celular elevados sin necesidad de incrementar el volumen de reacción y obtener un efluente de alta calidad. Una de las ventajas de los sistemas anaerobios es la recuperación de parte de la energía contenida en la materia orgánica en forma de metano. Sin embargo, cuando hay presencia de sulfato en el medio se desarrollan bacterias sulfatorreductoras, las cuales compiten por los sustratos, reduciéndose la eficiencia en la conversión de materia orgánica a metano, y generando sulfuro de hidrógeno (sulfurogénesis), que inhibe los procesos biológicos y disminuye la calidad del biogás generado. Debido a la importancia que tiene el proceso de sulfurogénesis en los sistemas de tratamiento de aguas residuales, varios autores han propuesto modelos matemáticos que incluyen los procesos biológicos, físicos y químicos asociados a las bacterias sulfatorreductoras. Sin embargo, no existe un modelo global que permita simular en conjunto los procesos que tienen lugar tanto en la línea de agua como en la de fango, y donde esté incluido este proceso. También es destacable la ausencia de una metodología sistemática para la calibración de los parámetros de los modelos anaerobios de tratamiento de aguas residuales. El objetivo principal de la presente tesis doctoral es la modelación matemática del tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas con elevado contenido de sulfato. Con este fin, se ha desarrollado un modelo matemático capaz de describir el proceso biológico de sulfurogénesis y se ha propuesto una metodología de calibración de los parámetros. El modelo desarrollado ha sido incorporado al modelo global Biological Nutrient Removal Model No. 2 (BNRM2). Tanto el modelo como la metodología de calibración han sido validados mediante simulación con el programa DESASS, comparando los resultados predichos por el modelo con los valores experimentales obtenidos en un biorreactor anaerobio de membranas a escala demostración / Durán Pinzón, F. (2013). Modelación matemática del tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas incluyendo las bacterias sulfatorreductoras. Aplicación a un biorreactor anaeroio de membranas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34778

Actualment, la legislació ambiental ha esdevingut més restrictiva pel que fa a la descàrrega d'aigües residuals amb nutrients, especialment en les anomenades àrees sensibles o zones vulnerables. Arran d'aquest fet, s'ha estimulat el coneixement, desenvolupament i millora dels processos d'eliminació de nutrients.El Reactor Discontinu Seqüencial (RDS) o Sequencing Batch Reactor (SBR) en anglès, és un sistema de tractament de fangs actius que opera mitjançant un procediment d'omplerta-buidat. En aquest tipus de reactors, l'aigua residual és addicionada en un sol reactor que treballa per càrregues repetint un cicle (seqüència) al llarg del temps. Una de les característiques dels SBR és que totes les diferents operacions (omplerta, reacció, sedimentació i buidat) es donen en un mateix reactor. La tecnologia SBR no és nova d'ara. El fet, és que va aparèixer abans que els sistema de tractament continu de fangs actius. El precursor dels SBR va ser un sistema d'omplerta-buidat que operava en discontinu. Entre els anys 1914 i 1920, varen sorgir certes dificultats moltes d'elles a nivell d'operació (vàlvules, canvis el cabal d'un reactor a un altre, elevat temps d'atenció per l'operari...) per aquests reactors. Però no va ser fins a finals de la dècada dels '50 principis del '60, amb el desenvolupament de nous equipaments i noves tecnologies, quan va tornar a ressorgir l'interès pels SBRs. Importants millores en el camp del subministrament d'aire (vàlvules motoritzades o d'acció pneumàtica) i en el de control (sondes de nivell, mesuradors de cabal, temporitzadors automàtics, microprocessadors) han permès que avui en dia els SBRs competeixin amb els sistemes convencional de fangs actius.L'objectiu de la present tesi és la identificació de les condicions d'operació adequades per un cicle segons el tipus d'aigua residual a l'entrada, les necessitats del tractament i la qualitat desitjada de la sortida utilitzant la tecnologia SBR. Aquestes tres característiques, l'aigua a tractar, les necessitats del tractament i la qualitat final desitjada determinen en gran mesura el tractament a realitzar. Així doncs, per tal d'adequar el tractament a cada tipus d'aigua residual i les seves necessitats, han estat estudiats diferents estratègies d'alimentació.El seguiment del procés es realitza mitjançant mesures on-line de pH, OD i RedOx, els canvis de les quals donen informació sobre l'estat del procés. Alhora un altre paràmetre que es pot calcular a partir de l'oxigen dissolt és la OUR que és una dada complementària als paràmetres esmentats.S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen d'una aigua residual sintètica utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de l'estudi de l'efecte del nombre d'alimentacions, la definició de la llargada i el número de fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha aplicat l'estratègia d'alimentació esglaonada a dues aigües residuals diferents: una procedent d'una indústria tèxtil i l'altra, dels lixiviats d'un abocador. En ambdues aigües residuals es va estudiar l'eficiència del procés a partir de les condicions d'operació i de la velocitat del consum d'oxigen. Mentre que en l'aigua residual tèxtil el principal objectiu era eliminar matèria orgànica, en l'aigua procedent dels lixiviats d'abocador era eliminar matèria orgànica i nitrogen.S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen i fòsfor d'una aigua residual urbana utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de la definició del número i la llargada de les fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx.S'ha analitzat la influència del pH i la font de carboni per tal d'eliminar fòsfor d'una aigua sintètica a partir de l'estudi de l'increment de pH a dos reactors amb diferents fonts de carboni i l'estudi de l'efecte de canviar la font de carboni. Tal i com es pot veure al llarg de la tesi, on s'han tractat diferents aigües residuals per a diferents necessitats, un dels avantatges més importants d'un SBR és la seva flexibilitat. / Actualmente, la legislación ambiental se ha convertido más restrictiva por lo que concierne al vertido de aguas residuales con nutrientes, especialmente en las llamadas áreas sensibles o zonas vulnerables. A partir de este hecho, se ha estimulado el conocimiento, desarrollo y mejora de los procesos de eliminación de nutrientes.El Reactor Discontinuo Secuencial (RDS) o Sequencing Batch Reactor (SBR) en inglés, es un sistema de tratamiento de fangos activados que opera mediante un procedimiento de llenado-vaciado. En este tipo de reactores, el agua residual es adicionada en un solo reactor que trabaja por cargas repitiendo un ciclo (secuencia) a lo largo del tiempo. Una de les características de los SBR es que todas las diferentes operaciones (llenado, reacción, sedimentación y vaciado) se dan en el mismo reactor. La tecnología SBR no es nueva. De hecho, apareció antes que el sistema de tratamiento continuo de fangos activados. El precursor de los SBR fue un sistema de llenado-vaciado que operaba en discontinuo. Entre los años 1914 y 1920, surgieron ciertas dificultades muchas de ellas a nivel de operación (válvulas, cambios de caudal de un reactor a otro, elevado tiempo de atención por parte del operario...) para estos reactores. Pero no fue hasta finales de la década de los '50 principios de los '60, con el desarrollo de los nuevos equipamientos y las nuevas tecnologías, cuando volvió a resurgir el interés en los SBRs. Importantes mejoras en el campo de los suministro de aire (válvulas motorizadas o de acción neumática) y en el de control (sondas de nivel, medidores de caudal, temporizadores automáticos, microprocesadores) han permitido que hoy en día los SBRs compitan con los sistemas convencionales de fangos activados.El objetivo de la presente tesis es la identificación de las condiciones de operación adecuadas para un ciclo según el tipo de agua residual en la entrada, las necesidades del tratamiento y la calidad deseada de la salida utilizando la tecnología SBR. Estas tres características, el agua a tratar, las necesidades del tratamiento y la calidad final deseada determinan en gran medida el tratamiento a realizar. Así pues, para poder adecuar el tratamiento a cada tipo de agua residual y a sus necesidades, han sido estudiados diferentes estrategias de alimentación. El seguimiento de los cambios de las medidas en línea de pH, OD y RedOx proporciona información sobre el proceso. A su vez, otro parámetro que se puede calcular a partir del OD es la OUR que también da información del proceso.Se han evaluado las condiciones de operación para eliminar nitrógeno de una agua residual sintética utilizando una estrategia de alimentación escalonada, a partir del estudio del efecto del número de alimentaciones, la definición de la longitud y el número de fases por ciclo, y la identificación de los puntos críticos siguiendo las sondas de pH, OD y RedOx.Se ha aplicado la estrategia de alimentación escalonada a dos aguas residuales diferentes: una procedente de una industria textil y la otra, de los lixiviados de un vertedero. En las dos aguas residuales se estudió la eficiencia del proceso a partir de las condiciones de operación y de la velocidad de consumo de oxigeno. Mientras que en el agua residual textil el principal objetivo era eliminar materia orgánica, en el agua procedente de los lixiviados del vertedero era eliminar materia orgánica y nitrógeno.Se han evaluado las condiciones de operación para eliminar nitrógeno y fósforo de una agua residual urbana utilizando una estrategia de alimentación escalonada, a partir del estudio de la definición de la longitud y el número de fases por ciclo, y la identificación de los puntos críticos siguiendo las sondas de pH, OD y RedOx.Se han analizado la influencia del pH y la fuente de carbono para eliminar fósforo de un agua sintética a partir del estudio del incremento de pH en dos reactores con diferentes fuentes de carbono y el estudio del efecto de cambiar la fuente de carbono.Como se puede apreciar a lo largo de la tesis, donde se han tratado diferentes aguas residuales para a diferentes necesidades, una de las ventajas más importantes de los SBR es su flexibilidad. / Nowadays, environmental legislation has become more restricted in the nutrient wastewater discharge, especially in the sensitive areas and vulnerable zones. So, many studies have been stimulated on the understanding, developing and improving the biological nutrient removal processes.The Sequencing Batch Reactor (SBR) is a fill-and-draw activated sludge system for wastewater treatment. In this system, wastewater is added to a single reactor which operates in a batch treatment mode repeating a cycle (sequence) continuously. All the operations (fill, react, settle and draw) are achieved in a single batch reactor. SBR technology is not new. In fact, it precedes the use of continuous flow activated sludge technology. The precursor to this was a fill-and-draw system operated on batch, similar to the SBR. Between 1914 and 1920, many difficulties were associated with operating these fill-and-draw systems, most resulting from the process valving required to switch flow from one reactor to another, operator attention required. Interest in SBRs was revived in the late 1950s and early 1960s, with the development of new equipment and technology. Improvements in aeration devices (i.e. motorized valves, pneumatically actuated valves) and controls (level sensors, flowmeters, automatic timers, microprocessors) have allowed SBRs to successfully compete with conventional activated sludge systems.The aim of this thesis consists in the identification of suitable operation conditions for a cycle according to kind of influent wastewater, treatment requirements and effluent quality using a SBR technology. The influent wastewater, treatment requirements and effluent quality desire determinate in great measure the treatment to realize. So, different studies have been carried out in order to obtain a suitable treatment for each wastewater and requirement using a step-feed strategy.By means of on-line pH, DO and ORP measurements are possible follow the status of the process. At the same time another parameter, that complements all these, is the OUR calculated through DO dada.Evaluation the operation conditions for nitrogen removal using a step-feed strategy for a synthetic wastewater through the study of the effect of number of filling events, the definition of the length and number of phases for a cycle, and the identification of the critical points following the pH, DO and ORP sensors. Application of the step-feed strategy in two different industrial wastewaters: textile wastewater and landfill leachate wastewater. In both wastewaters, the efficiency has been studied through the operational conditions and oxygen uptake rate. While in the textile wastewater the main objective was only organic matter removal, in the landfill leachate wastewater was carbon and nitrogen removal.Evaluation of the operation conditions for nitrogen and phosphorus removal using a step-feed strategy for an urban wastewater through, the definition of the number and length of phases for a cycle, and the identification of the critical points following the pH, DO and ORP sensors.Influence of pH and carbon source in phosphorus removal using synthetic wastewater through the study of pH increase in two different carbon sources and the effect of change of carbon source.As it can be observed in this thesis, where it is treated different wastewaters for different requirements, one of the main advantages of the SBR is its flexibility.

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The wastewater treatment plays an important role in the maintenance of natural water resources. However, regardless of the technology used or the level of treatment required, the treatment plants of the XXI century are highly complex systems that not only need to meet technical requirements, but also environmental and economic criteria. In this context, decision support systems for environmental domains (English, Environmental Decision Support Systems or EDSS) are configured as an effective tool to support the selection and evaluation of integrated water treatment alternatives. The EDSS designed can be defined as interactive software, flexible and adaptable, which links the numerical models / algorithms, techniques and environmental ontologies, knowledge-based environment, and is capable of supporting decision making, either in choosing between different alternatives, improving potential solutions, or in the integrated assessment using methodologies ranging from environmental (Life Cycle Analysis) to economic / La depuració d’aigües residuals juga un paper fonamental en el manteniment dels recursos hídrics naturals. Tanmateix, sigui quina sigui la tecnologia emprada o el nivell de depuració requerit, les plantes de tractament del segle XXI són sistemes d’alta complexitat, que no només han de satisfer requeriments de tipus tècnic, sinó també de tipus ambiental i econòmic. En aquest context, els sistemes de suport a la decisió en dominis ambientals (en anglès, Environmental Decision Support Systems o EDSS) es configuren com una eina eficaç per donar suport a la selecció i a l’avaluació integrada de diferents alternatives de depuració d’aigües. El EDSS dissenyat pot definir-se com un programari interactiu, flexible i adaptable, que vincula els models numèrics/algoritmes amb tècniques basades en el coneixement i ontologies ambientals, i que és capaç de donar suport a la presa de decisió, ja sigui en l’elecció entre diferents alternatives, millorant una solució, o bé en l’avaluació integrada a través de metodologies ambientals (Anàlisi de Cicle de Vida) i econòmiques